逆向工程與逆向非接觸測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用

逆向工程與逆向非接觸測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用

1與互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)系近代工業(yè)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和制造通常是從產(chǎn)品的預(yù)期指標(biāo)開(kāi)始的，然后通過(guò)產(chǎn)品概念、組件設(shè)計(jì)、零件加工、設(shè)備安裝和產(chǎn)品檢驗(yàn)等環(huán)節(jié)完成。圖1顯示了整個(gè)流程，通常稱(chēng)為橫向工程。然而,隨著近年來(lái)科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展及工業(yè)制造水平的加速提升,一般產(chǎn)品在滿(mǎn)足高質(zhì)量要求下擬通過(guò)完善功能來(lái)贏得市場(chǎng)不再是唯一優(yōu)勢(shì);而產(chǎn)品外觀的造型設(shè)計(jì)與美學(xué)處理對(duì)于吸引市場(chǎng)的關(guān)注已經(jīng)異軍突起。由此而引領(lǐng)的以具備美工背景的設(shè)計(jì)師們先期通過(guò)產(chǎn)品外型的構(gòu)思與創(chuàng)新,然后由測(cè)量工程師們通過(guò)三維測(cè)量對(duì)不同類(lèi)型的初?；驑悠方⑵鸩煌杂汕娴腃AD/CAM圖形文件,最后再送至CNC加工制作出所需的模具或通過(guò)快速成型機(jī)將樣品模型制作出來(lái)已使順向工程發(fā)生了根本變逆。如圖2所示,這一過(guò)程對(duì)于順向工程而言被稱(chēng)之為逆向工程(ReverseEngineering)。2曲面建構(gòu)與曲面模型重建從上述逆向工程流程圖中可知,挑戰(zhàn)逆向工程技術(shù)的難點(diǎn)首先就在于如何準(zhǔn)確、快速地采集到樣品/初模的輪廓坐標(biāo)測(cè)量值,以及如何完整、正確地將所得坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行曲線擬合、構(gòu)建、修編,最終完成曲面建構(gòu)與曲面模型重建。下面僅就逆向非接觸測(cè)量原理和建模方法作些簡(jiǎn)要介紹。2.1角測(cè)量法bf-cd成像法一般說(shuō)來(lái),逆向工程所采用的測(cè)量方式只有接觸式測(cè)量與非接觸式測(cè)量?jī)煞N。隨著近年來(lái)光電子技術(shù)、微電子技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展,光學(xué)測(cè)量、特別是激光測(cè)量技術(shù)獲得了重大突破,同時(shí)也開(kāi)啟了現(xiàn)代非接觸測(cè)量的新的時(shí)代。目前,非接觸測(cè)量一般都是基于點(diǎn)測(cè)量、線測(cè)量與面測(cè)量三角法原理來(lái)工作的。而其中激光三角法面形測(cè)量原理就是利用激光在被測(cè)物表面投射的光條,隨被測(cè)物外表輪廓位置的起伏變形,經(jīng)CCD成像后再通過(guò)幾何關(guān)系求得被測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。如圖3示,經(jīng)標(biāo)定而獲得b、f與θ等系統(tǒng)參數(shù),以及由CCD成像得到的象素坐標(biāo)值u、v,通過(guò)式(1)、(2)的計(jì)算便得到了被測(cè)點(diǎn)P的三維坐標(biāo)值(x,y,z)為(bufcotθ-u,bvfcotθ-u,bffcotθ-ubufcotθ?u,bvfcotθ?u,bffcotθ?u)。在X0Z平面:{fu=xzb+xz=cotθx=bufcotθ-u(1){fu=xzb+xz=cotθx=bufcotθ?u(1)在Y0Z平面:{fv=zyxy=uvy=bvfcotθ-uz=bffcotθ-u}(2){fv=zyxy=uvy=bvfcotθ?uz=bffcotθ?u???(2)Ρ(x,y,z)=Ρ(bufcotθ-u?bvfcotθ-u?bffcotθ-u)P(x,y,z)=P(bufcotθ?u?bvfcotθ?u?bffcotθ?u)因三角測(cè)量法使用方便、運(yùn)算速度快等優(yōu)點(diǎn),故該法是目前應(yīng)用最廣的測(cè)量技術(shù)之一。但是由于三角測(cè)量法在應(yīng)用時(shí)有許多定位參數(shù)要求,測(cè)量標(biāo)定比較繁瑣,且易產(chǎn)生測(cè)量誤差,故使用時(shí)應(yīng)加以注意。2.2測(cè)量坐標(biāo)系的測(cè)量隨著CCD等光電器件的快速發(fā)展,以三角法測(cè)量技術(shù)為基礎(chǔ)的快速輪廓視覺(jué)測(cè)量技術(shù)也應(yīng)運(yùn)而生。但要使輪廓視覺(jué)測(cè)量獲得理想結(jié)果,如何準(zhǔn)確找出測(cè)量平面的空間坐標(biāo)與CCD像平面圖像坐標(biāo)之間的關(guān)系,也即完成視覺(jué)輪廓測(cè)量數(shù)學(xué)建模可以說(shuō)是整個(gè)視覺(jué)測(cè)量技術(shù)的核心內(nèi)容。根據(jù)模型的參數(shù)選擇,數(shù)學(xué)建模目前主要有對(duì)映函數(shù)法和小孔成像透視變換法兩種;因后一方法建模直觀,并可適應(yīng)不同復(fù)雜程度的數(shù)學(xué)模型,故在視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)中被廣泛使用。關(guān)于攝像機(jī)小孔透視變換原理可見(jiàn)圖4示。其中以點(diǎn)結(jié)構(gòu)光激光為光源的視覺(jué)測(cè)量方法中,光線上的某點(diǎn)P在測(cè)量參考坐標(biāo)下的方程為:xs=tys=0zs=0}(3)xs=tys=0zs=0?????(3)式中:0sxsyszs——點(diǎn)結(jié)構(gòu)光測(cè)量參考坐標(biāo)系;t——P點(diǎn)到測(cè)量參考坐標(biāo)系原點(diǎn)0s的距離。將式(3)代入攝像機(jī)變換模式,即得點(diǎn)結(jié)構(gòu)光位移測(cè)量數(shù)學(xué)模型表達(dá)式:Xd=sxdx(u-u0)Yd=dy(v-v0)fr1t+txr7t+tz=Xd(1+k1r2)fr4t+tyr7t+tz=Yd(1+k1r2)}(4)Xd=sxdx(u?u0)Yd=dy(v?v0)fr1t+txr7t+tz=Xd(1+k1r2)fr4t+tyr7t+tz=Yd(1+k1r2)???????????????(4)式中:(r1r4r7)T、(txtytz)T——點(diǎn)結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù);k1——攝像機(jī)鏡頭畸變系數(shù)。由上式可知,只要已知xs軸在0sxsyszs坐標(biāo)系中的方向矢量(r1r4r7)T和平移矢量(txtytz)T,即可由計(jì)算機(jī)圖像坐標(biāo)(u,v)求出t,從而得到點(diǎn)結(jié)構(gòu)光的測(cè)量坐標(biāo)(t,0,0),最終達(dá)到測(cè)量的目的。而在以線結(jié)構(gòu)光為激光光源的視覺(jué)測(cè)量方法中的光平面,其測(cè)量參考系下的方程為:zs=0(5)測(cè)量數(shù)學(xué)模型表達(dá)式為:Xd=sxdx(u-u0)Yd=dy(v-v0)fr1xs+r2ys+tsr7xs+r8ys+tz=Xd(1+k1r2)fr4xs+r5ys+tyr7xs+r8ys+tz=Yd(1+k1r2)}(6)Xd=sxdx(u?u0)Yd=dy(v?v0)fr1xs+r2ys+tsr7xs+r8ys+tz=Xd(1+k1r2)fr4xs+r5ys+tyr7xs+r8ys+tz=Yd(1+k1r2)???????????????(6)式中:(r1r4r7)T、(r2r5r8)T、(txtytz)T——線結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)。由上式可知,只要知道xs軸ys軸在攝像機(jī)坐標(biāo)系0cxcyczc中的方向矢量(r1r4r7)T和(r2r5r8)T以及平移矢量(txtytz)T,就可由坐標(biāo)值(u,v)求出(xs,ys)值,從而得到光平面上的測(cè)量坐標(biāo)(xs,ys,0)。對(duì)于面條紋結(jié)構(gòu)光投射器在空間投射出的多個(gè)光平面和被測(cè)物表面相截得到的多條平面曲線,而曲線上的點(diǎn)即為被測(cè)對(duì)象。面條紋結(jié)構(gòu)光測(cè)量的數(shù)學(xué)模型表達(dá)式為:xs=dxXuakXu+bkYu+fckys=dxYyakXu+bkYu+fckzs=fdkakXu+bkYu+fckXu=Xd(1+k1r2)Yu=Yd(1+k1r2)Xd=sxdx(u-u0)Yd=dy(v-v0)}(7)式中:ak,bk,ck,dk——傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)(k=1,2,…n),其中:ak=r4(k)r8(k)-r5(k)r7(k)bk=r2(k)r7(k)-r1(k)r8(k)ck=r1(k)r5(k)-r2(k)r4(k)dk=aktx(k)+bkty(k)+cktz(k)}(8)由上述表達(dá)式可知,只要已知各光平面與像平面的透視對(duì)應(yīng)關(guān)系,即可確定各光平面的參數(shù)(ak,bk,ck,dk),從而就可求得各光平面上各點(diǎn)的三維坐標(biāo)(xs,ys,zs)。3曲面模型對(duì)重建的重要作用完成上述三維測(cè)量后,對(duì)逆向工程而言,曲面模型對(duì)重建則是后述程序中最重要、最繁雜的一環(huán);而其中曲線的構(gòu)建與擬合在曲面重建過(guò)程中又起到了非常關(guān)鍵的作用。3.1切割曲線擬合利用平面切割點(diǎn)數(shù)據(jù)與原始點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行交集,再將交集后得到的數(shù)據(jù)予以排序、擬合,即得切割曲線。如通過(guò)邊界點(diǎn)判定的選取,再對(duì)這些邊界點(diǎn)進(jìn)行曲線的擬合,就可得到邊界曲線。在掃描數(shù)據(jù)中,對(duì)于邊界曲線點(diǎn)的判別可分別采用曲率不連續(xù)法或斜率變化判斷法來(lái)實(shí)現(xiàn)。3.2曲線分割、線延伸曲線構(gòu)建后,可對(duì)曲線外型進(jìn)行適當(dāng)?shù)男蘧?而修編的方式主要有曲線修剪、曲線分割、曲線延伸與曲線連接等多種功能。其中:曲線修剪是通過(guò)對(duì)前述擬合出的曲線做外形修改,以去除不需要的曲線線段。曲線分割是將已構(gòu)建完成的一條曲線分割為兩段,以此就可通過(guò)各段不同外型特征曲線的分割,為后續(xù)構(gòu)建曲面打下基礎(chǔ)。曲線延伸是對(duì)所構(gòu)建的曲線做適當(dāng)?shù)奶囟ㄩL(zhǎng)度的延伸或特定坐標(biāo)的延伸;同時(shí)為使延伸的邊界滿(mǎn)足連續(xù)條件,可采用斜率連續(xù)方式使所延伸的曲線達(dá)到平滑結(jié)果。在曲面構(gòu)建過(guò)程中,為保持曲線相交邊界的連續(xù)性,同時(shí)為使曲面構(gòu)建能夠滿(mǎn)足邊界條件的要求,曲線連接后其相鄰的邊界條件應(yīng)能滿(mǎn)足C0或C1或C2的連續(xù)性要求。3.3測(cè)量數(shù)據(jù)處理利用點(diǎn)數(shù)據(jù)和曲線都可以實(shí)現(xiàn)曲面建構(gòu),而利用后者建構(gòu)曲面,可使用loft、sweep、throughcurve與throughcurvemesh等CAD系統(tǒng)。目前比較著名的逆向工程CAD軟件系統(tǒng)有:GeoMagic——由美國(guó)RainDrop公司開(kāi)發(fā)的逆向工程CAD軟件系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有豐富的數(shù)據(jù)處理手段,可根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)快速構(gòu)造出多張連續(xù)的曲面模型,其應(yīng)用領(lǐng)域包括了從工業(yè)設(shè)計(jì)到醫(yī)療仿真等諸多方面。ImageWare——作為UGNX中提供的逆向工程造型軟件,ImageWare具有強(qiáng)大的測(cè)量數(shù)據(jù)處理、曲面造型與誤差檢測(cè)功能;可以處理幾萬(wàn)至幾百萬(wàn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。根據(jù)這些點(diǎn)云數(shù)據(jù)建構(gòu)的A曲面(ClassA)具有良好的品質(zhì)和曲面連續(xù)性。CopyCAD——由英國(guó)Delcam公司開(kāi)發(fā)的CAD系列軟件PowerSAAPE、PowerMILL、PowerINSPECT、ArtCAM、CopyCAD與PS-TEAM等諸多軟件中的一個(gè),主要用于處理測(cè)量數(shù)據(jù)的曲面造型。RapidForm——由韓國(guó)INVS公司開(kāi)發(fā)的逆向工程CAD軟件,主要用于處理測(cè)量、掃描數(shù)據(jù)的曲面建模及基于CT數(shù)據(jù)的醫(yī)療用圖像建模,并可以完成藝術(shù)品的測(cè)量及高級(jí)圖形生成。它提供了一整套模型分割、曲面生成、曲面檢測(cè)的工