三維數(shù)字化建模與逆向工程教學(xué)課件

第1章逆向工程CAD技術(shù)

1.1現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法

1.1.1現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的歷史和定義所謂現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法是與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法相比較而言的，“現(xiàn)代”與“傳統(tǒng)”本就是繼承與發(fā)展的關(guān)系，沒(méi)有傳統(tǒng)也就沒(méi)有現(xiàn)代，沒(méi)有傳統(tǒng)的沉淀與升華，現(xiàn)代也就成了無(wú)本之木、無(wú)源之水；反之，沒(méi)有現(xiàn)代對(duì)傳統(tǒng)的發(fā)展與揚(yáng)棄，傳統(tǒng)也就成了古董，失去了活力，如同一潭死水。因此，在歷史的長(zhǎng)河中，傳統(tǒng)與現(xiàn)代本就是一對(duì)雙子星，失去了一方，另一方也就失去了存在的意義。1.1.1現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的歷史和定義

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法是以理論公式及長(zhǎng)期設(shè)計(jì)實(shí)踐中形成的經(jīng)驗(yàn)、公式、圖表和設(shè)計(jì)手冊(cè)等為基礎(chǔ)，通過(guò)安全系數(shù)設(shè)計(jì)、經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)、類(lèi)比設(shè)計(jì)、分離設(shè)計(jì)等半理論半經(jīng)驗(yàn)的方式，完成方案擬訂、設(shè)計(jì)計(jì)算、繪圖和編寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)等設(shè)計(jì)工作。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的對(duì)象產(chǎn)品一般具有產(chǎn)量大、壽命長(zhǎng)、開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)、創(chuàng)新程度不高等特點(diǎn)。但隨著全球經(jīng)濟(jì)一體化的不斷推進(jìn)，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日益激烈，產(chǎn)品越發(fā)呈現(xiàn)出個(gè)性化、多樣化、壽命短、開(kāi)發(fā)周期短、創(chuàng)新空間空前擴(kuò)大等特點(diǎn)，同時(shí)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)所涉及的技術(shù)與科學(xué)領(lǐng)域也越來(lái)越寬廣，因此傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法就顯得捉襟見(jiàn)肘、顧此失彼，越發(fā)難以滿(mǎn)足當(dāng)今產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求，凸顯出自身的局限性。1.1.1現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的歷史和定義

現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法可近似理解為。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法=計(jì)算機(jī)+現(xiàn)代設(shè)計(jì)理念優(yōu)化設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、工業(yè)藝術(shù)造型設(shè)計(jì)、虛擬設(shè)計(jì)、疲勞設(shè)計(jì)、三次設(shè)計(jì)、相似性設(shè)計(jì)、模塊化設(shè)計(jì)、反求工程設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、有限元法、人機(jī)工程、價(jià)值工程、并行工程、人工神經(jīng)元計(jì)算方法等。1.1.2現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的分類(lèi)

現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法主要包含計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)、有限元法、工業(yè)藝術(shù)造型設(shè)計(jì)、反求工程設(shè)計(jì)1.2正向設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的工業(yè)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)均是按照嚴(yán)謹(jǐn)?shù)难芯块_(kāi)發(fā)流程，從市場(chǎng)調(diào)研開(kāi)始，確定產(chǎn)品功能與產(chǎn)品規(guī)格的預(yù)期指標(biāo)，構(gòu)思產(chǎn)品最佳方案、零部件功能分解，然后進(jìn)行零部件的設(shè)計(jì)、制造以及檢驗(yàn)，再經(jīng)過(guò)組裝、整機(jī)檢驗(yàn)、性能測(cè)試等程序來(lái)完成。每個(gè)零件都有原始的設(shè)計(jì)圖紙，并有CAD(ComputerAidedDesign)文件來(lái)對(duì)此設(shè)計(jì)圖紙存檔。每個(gè)零部件的加工也有自己的工序圖表，每個(gè)組件的尺寸合格與否有產(chǎn)品檢驗(yàn)報(bào)告記錄，這些所記錄的檔案均屬企業(yè)的智能財(cái)產(chǎn)，一般通稱(chēng)機(jī)密(know-how)。這種開(kāi)發(fā)模式稱(chēng)為預(yù)定模式(prescriptivemodel)，此類(lèi)開(kāi)發(fā)工程稱(chēng)為正向設(shè)計(jì)1.2.1.產(chǎn)品規(guī)劃

產(chǎn)品規(guī)劃階段就是在對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行充分調(diào)查研究和分析的前提下，進(jìn)一步確定產(chǎn)品所應(yīng)具有的功能，并為以后的決策提出由環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、加工以及時(shí)限等各方面所確定的約束條件。在此基礎(chǔ)上，明確地寫(xiě)出設(shè)計(jì)任務(wù)的全面要求及細(xì)節(jié)，最后形成設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)。設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)上應(yīng)包括：產(chǎn)品的功能、經(jīng)濟(jì)性的估計(jì)，制造要求方面的大致估計(jì)，基本使用要求，以及完成設(shè)計(jì)任務(wù)的預(yù)計(jì)期限等。1.2.2.方案設(shè)計(jì)

本階段對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的成敗起關(guān)鍵作用。產(chǎn)品功能分析就是要對(duì)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)提出的機(jī)器功能中必須達(dá)到的要求、最低要求及希望達(dá)到的要求進(jìn)行綜合分析，即這些功能能否實(shí)現(xiàn)，多個(gè)功能問(wèn)有無(wú)矛盾，相互問(wèn)能否替代等。最后確定出功能參數(shù)，作為進(jìn)一步設(shè)計(jì)的依據(jù)。1.2.3.結(jié)構(gòu)與技術(shù)設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)與技術(shù)設(shè)計(jì)階段的目標(biāo)是產(chǎn)生總裝配草圖及部件裝配草圖。通過(guò)草圖設(shè)計(jì)確定出各部件及其零件的外形及基本尺寸，包括各部件之間的連接、零部件的外形及基本尺寸。為了確定主要零件的基本尺寸，必須作以下工作。1.機(jī)器的運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)2.機(jī)器的動(dòng)力學(xué)計(jì)算3.零件工作能力設(shè)計(jì)4.部件裝配草圖及總裝配草圖的設(shè)計(jì)5.主要零件的校核1.2.4產(chǎn)品制造

精密的產(chǎn)品設(shè)計(jì)是依靠高精度的制造來(lái)實(shí)現(xiàn)的，高精度的制造是依靠高精度的檢具來(lái)完成的。產(chǎn)品制造離不開(kāi)合理的制造工藝。制造工藝是產(chǎn)品制造質(zhì)量的保證，是指在產(chǎn)品制造中各種機(jī)械制造方法和過(guò)程的總和。在產(chǎn)品制造的任何工序中，用來(lái)迅速、方便、安全地安裝工件的裝置，稱(chēng)為夾具；而將設(shè)計(jì)圖紙轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品，離不開(kāi)機(jī)械制造工藝與夾具，它們是機(jī)械制造業(yè)的基礎(chǔ)，是生產(chǎn)高科技產(chǎn)品的保障；離開(kāi)了它們就不能開(kāi)發(fā)出先進(jìn)的產(chǎn)品，就不能保證產(chǎn)品質(zhì)量，也不能提高生產(chǎn)率、降低成本和縮短生產(chǎn)周期。1.3逆向設(shè)計(jì)

逆向設(shè)計(jì)也叫逆向工程，逆向工程(RE，ReverseEngineering，亦稱(chēng)反求工程)就是對(duì)已有的產(chǎn)品零件或原型進(jìn)行CAD模型重建，即對(duì)已有的零件或?qū)嵨镌?，利用三維數(shù)字化測(cè)量設(shè)備準(zhǔn)確、快速地測(cè)量出實(shí)物表面的三維坐標(biāo)點(diǎn)，并根據(jù)這些坐標(biāo)點(diǎn)通過(guò)三維幾何建模方法重建實(shí)物CAD模型的過(guò)程，它屬于產(chǎn)品導(dǎo)向(productoriented)。逆向工程不是簡(jiǎn)單地再現(xiàn)產(chǎn)品原型，而是技術(shù)消化、吸收，進(jìn)一步改進(jìn)、提高產(chǎn)品原型的重要技術(shù)手段；是產(chǎn)品快速創(chuàng)新開(kāi)發(fā)的重要途徑。通過(guò)逆向工程掌握產(chǎn)品的設(shè)計(jì)思想屬于功能向?qū)?。逆向工程技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域（實(shí)例）汽車(chē)、摩托車(chē)動(dòng)力零件模具產(chǎn)品開(kāi)發(fā)家電制品醫(yī)療器材、運(yùn)動(dòng)器械、特種服裝工藝品、卡通

……逆向工程技術(shù)的應(yīng)用(實(shí)例)汽車(chē)、摩托車(chē)制造行業(yè)逆向工程技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域汽車(chē)、摩托車(chē)制造行業(yè)逆向工程技術(shù)(實(shí)例)汽車(chē)、摩托車(chē)制造行業(yè)逆向工程技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)與模具生產(chǎn)、工業(yè)設(shè)計(jì)逆向工程技術(shù)的應(yīng)用(實(shí)例)手機(jī)、家電逆向工程技術(shù)的應(yīng)用(實(shí)例)玩具逆向工程技術(shù)的應(yīng)用(實(shí)例)陶瓷制品、藝術(shù)品、運(yùn)動(dòng)器材、多媒體立體動(dòng)畫(huà)等逆向工程技術(shù)的應(yīng)用(實(shí)例)陶瓷制品、藝術(shù)品、運(yùn)動(dòng)器材、多媒體立體動(dòng)畫(huà)等1.3.1逆向設(shè)計(jì)的工作流程

隨著制造業(yè)的發(fā)達(dá)，汽車(chē)、飛機(jī)、家電等需要大量A級(jí)曲面，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法已經(jīng)不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的要求。逆向工程就順勢(shì)而生。逆向工程，指的是針對(duì)已有產(chǎn)品原型，消化吸收和挖掘蘊(yùn)含其中的涉及產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造和管理等方面的一系列分析方法、手段和技術(shù)的綜合[]。使用的軟件有Geomagicstudio、Imagewave、copycad、rapidform等，而前期的點(diǎn)云采集以光學(xué)測(cè)量和機(jī)械測(cè)量為主，光學(xué)測(cè)量近年來(lái)呈現(xiàn)了旺盛的發(fā)展勢(shì)頭，研究逆向工程的流程和快速使用逆向軟件必將成為未來(lái)發(fā)展的焦點(diǎn)。1.3.1逆向設(shè)計(jì)的工作流程

1.待測(cè)模型

從最初的油泥模型到快速原型、產(chǎn)品實(shí)物，包括實(shí)體零件、鈑金零件、出土文物、雕像、卡通玩具、生物結(jié)構(gòu)體以及多維空間物體等需要獲得點(diǎn)云的模型。均可稱(chēng)為待測(cè)模型。1.3.1逆向設(shè)計(jì)的工作流程

2.測(cè)量前分析

數(shù)據(jù)測(cè)量之前要預(yù)先對(duì)零件進(jìn)行分塊，詳細(xì)了解模型的前期信息和后續(xù)應(yīng)用要求。前期信息包括實(shí)物樣件的幾何特征、數(shù)據(jù)特點(diǎn)等；后續(xù)應(yīng)用包括結(jié)構(gòu)分析、加工、制作模具、快速成型等，以選擇正確有效的造型方法、支撐軟件、模型精度和模型質(zhì)量。在測(cè)量三維模型時(shí)需按照一個(gè)比較簡(jiǎn)捷方便的途徑來(lái)分解產(chǎn)品得到理想的點(diǎn)云，現(xiàn)在最常用的分解方法是造型數(shù)法。一個(gè)產(chǎn)品可以看做是多個(gè)基本的簡(jiǎn)單的幾何元素通過(guò)各種關(guān)系“合成”的[]。1.3.1逆向設(shè)計(jì)的工作流程

3.采集數(shù)據(jù)

由測(cè)量設(shè)備采集的比較密集的數(shù)據(jù)點(diǎn)，稱(chēng)作點(diǎn)云。按照獲得點(diǎn)云的組織結(jié)構(gòu)形式，點(diǎn)云可分為有序點(diǎn)云和散亂點(diǎn)云。有序點(diǎn)云是指點(diǎn)云數(shù)據(jù)不但包含了點(diǎn)的坐標(biāo)位置信息，而且還包含了其內(nèi)在的數(shù)據(jù)函數(shù)關(guān)系。散亂點(diǎn)云則指除坐標(biāo)位置的數(shù)字信息以外，不含有任何的數(shù)據(jù)函數(shù)形式

。1.3.1逆向設(shè)計(jì)的工作流程

4．模型分析

為了提高逆向工程重建產(chǎn)品數(shù)模的二次設(shè)計(jì)能力，需要理解實(shí)物原型的設(shè)計(jì)意圖及造型方法，并基于測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行原始設(shè)計(jì)參數(shù)還原，以便對(duì)其進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)。從中發(fā)現(xiàn)規(guī)律性的東西，重建與原始設(shè)計(jì)意圖一致的產(chǎn)品數(shù)字化模型，進(jìn)而進(jìn)行新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)1.3.1逆向設(shè)計(jì)的工作流程

5.數(shù)據(jù)預(yù)處理

金濤認(rèn)為數(shù)據(jù)預(yù)處理工作包括數(shù)據(jù)平滑、排除噪聲數(shù)據(jù)和異常數(shù)據(jù)、壓縮和歸并冗余數(shù)據(jù)、遺失點(diǎn)補(bǔ)齊、數(shù)據(jù)分割、多次測(cè)量數(shù)據(jù)及圖像的數(shù)據(jù)定位對(duì)齊和對(duì)稱(chēng)零件的對(duì)稱(chēng)基準(zhǔn)重建[]。本文對(duì)預(yù)處理的主要工作歸結(jié)為：多視拼合、噪聲去除、數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化、數(shù)據(jù)補(bǔ)缺和三角網(wǎng)格化。1.3.1逆向設(shè)計(jì)的工作流程

6.數(shù)據(jù)分塊

對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分塊，可將復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理問(wèn)題簡(jiǎn)化，使后期的曲面局部修正變得方便零活，有利于提高精度。利用曲率法來(lái)檢測(cè)數(shù)據(jù)分塊區(qū)的邊界線，對(duì)散亂點(diǎn)數(shù)據(jù)分塊主要分為基于邊的方法和基于面的方法。1.3.1逆向設(shè)計(jì)的工作流程

7.曲面（二次曲面、自由曲面、規(guī)則曲面）重構(gòu)

在工程應(yīng)用中，平面（可看作退化的二次曲面）及自然二次曲面，包括球面、柱面、錐面，被廣泛應(yīng)用。規(guī)則曲面是組成三維曲面模型的主要部分[]，規(guī)則曲面之間通過(guò)銳邊相交、相切相交、二階連續(xù)相交或輔助曲面的過(guò)渡連接可構(gòu)成完整的曲面模型。自由曲面可用分片四邊界參數(shù)曲面或非規(guī)則邊界參數(shù)曲面來(lái)表示，曲面片之間要求精度、光順性和連續(xù)性。在工程中應(yīng)用廣泛的參數(shù)曲面是B樣條曲面和NURBS曲面。1.3.1逆向設(shè)計(jì)的工作流程

8.數(shù)字化模型

通過(guò)逆向軟件Geomagic、Imagewave、Rapidform、Polyworks等對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，另存成IGS或STEP格式，在UGNX、Pro/E、catia等三維軟件中進(jìn)行設(shè)計(jì)，直接實(shí)體化(或縫合加厚)或偏距外表面后，就可以生成的三維實(shí)體模型，稱(chēng)為數(shù)字化模型。1.3.1逆向設(shè)計(jì)的工作流程

9.目標(biāo)模型

能夠完全滿(mǎn)足實(shí)物形體尺寸，或者在工程上滿(mǎn)足使用要求，達(dá)到用戶(hù)滿(mǎn)意的計(jì)算機(jī)數(shù)字模型，通過(guò)RP技術(shù)進(jìn)行實(shí)物仿造的物體，可以定義為目標(biāo)模型。在CAD中，三維幾何模型的基本構(gòu)成要素是空間的點(diǎn)、線、面和體，有線框、表面和實(shí)體三種表示模型。1.3.1逆向設(shè)計(jì)的工作流程

1.3.2逆向設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)流程

1.數(shù)據(jù)獲取數(shù)據(jù)獲取是逆向工程的第一個(gè)步驟，數(shù)據(jù)的獲取通常是利用一定的測(cè)量設(shè)備對(duì)零件表面進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，得到的是采樣數(shù)據(jù)點(diǎn)的(x,y,z)坐標(biāo)值。數(shù)據(jù)獲取的方法大致分為兩類(lèi)：接觸式和非接觸式。1.3.2逆向設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)流程

2.曲面重構(gòu)零件表面通常由若干不同類(lèi)型的曲面構(gòu)成，因此在曲面重構(gòu)時(shí)，需要對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分割處理，針對(duì)每一片點(diǎn)云用恰當(dāng)?shù)那鎭?lái)擬合。曲而重構(gòu)通常包含以下幾個(gè)步驟：①點(diǎn)云中數(shù)據(jù)點(diǎn)之間拓?fù)潢P(guān)系的建立；②幾何特征的提取及自動(dòng)分割；③分片點(diǎn)云的曲面重構(gòu)。1.3.2逆向設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)流程

3.CAD模型重建逆向工程最后階段的目的是生成用B-rep方法表示的連續(xù)CAD模型。如果采用基于面的方法，可能在各面片之間發(fā)生重疊或存存縫隙。如果各面片之間沒(méi)有清晰的邊界，就需要通過(guò)延伸面片來(lái)處理。有時(shí)這種方法并不可行或結(jié)果不理想，這時(shí)就需要插入過(guò)渡面或調(diào)整曲面參數(shù)以使它們光順。除了邊界拼接之外，還需要在邊界拼接曲面的公共角點(diǎn)處生成光滑角點(diǎn)拼接曲面。一種方法是當(dāng)n個(gè)邊界曲面相交時(shí)生成具有n條邊的曲面片；另一種方法是采用后退型(setbacktype)頂點(diǎn)拼接曲面的方法，它生成的是沿被拼接的基本曲面周?chē)男∏€段包圍生成的具有2n條邊的曲面片。1.3.2逆向設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)流程

1.3.3逆向設(shè)計(jì)的應(yīng)用前景

在產(chǎn)品造型日益多元化的今天，逆向工程已經(jīng)成為產(chǎn)品開(kāi)發(fā)制造過(guò)程中不可或缺的一環(huán)，在制造業(yè)領(lǐng)域內(nèi)有廣泛的應(yīng)用背景。其應(yīng)用范圍包括以下幾方面。1.盡管計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)（CAD）發(fā)展迅速，各種商業(yè)軟件的功能日益強(qiáng)大，但目前還無(wú)法滿(mǎn)足一些復(fù)雜曲面零件的設(shè)計(jì)需要，還存在許多使用粘士或泡沫模型代替CAD設(shè)計(jì)的情況，最終需要運(yùn)用逆向工程將這些實(shí)物模型轉(zhuǎn)換為CAD模型。2.外形設(shè)計(jì)師傾向使用產(chǎn)品的比例模型，以便于產(chǎn)品外形的美學(xué)評(píng)價(jià)，最終可通過(guò)運(yùn)用逆向工程技術(shù)將這些比例模型用數(shù)學(xué)模型表達(dá)，通過(guò)比例運(yùn)算得到美觀的真實(shí)尺寸的CAD模型。1.3.3逆向設(shè)計(jì)的應(yīng)用前景3.由于各相關(guān)學(xué)科發(fā)展水平的限制，對(duì)零件的功能和性能分析，還不能完全由CAE來(lái)完成，往往需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)最終確定零件的形狀，如在模具制造中經(jīng)常需要通過(guò)反復(fù)試沖和修改模具型面方可得到最終符合要求的模具。若將最終符合要求的模具測(cè)量并反求出其CAD模型，在再次制造該模具時(shí)就可運(yùn)用這一模型生成加工程序，就可大大減少修模量，提高模具生產(chǎn)效率，降低模具制造成本。4.目前在國(guó)內(nèi)，由于CAD/CAM技技術(shù)運(yùn)用發(fā)展的不平衡，普遍存在這樣的情況；在模具制造中，制造者得到的原始資料為實(shí)物零件，這時(shí)為了能利用CAD/CAM技術(shù)來(lái)加工模具，必須首先將實(shí)物零件轉(zhuǎn)換為CAD模型，繼而在CAD模型基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)模具。1.3.3逆向設(shè)計(jì)的應(yīng)用前景5.藝術(shù)品、考古文物的復(fù)制。6.人體中的骨頭和關(guān)節(jié)等的復(fù)制、假肢制造。7.特種服裝、頭盔的制造要以使用者的身體為原始設(shè)計(jì)依據(jù)，此時(shí)，需首先建立人體的幾何模型。8.在RPM的應(yīng)用中，逆向工程的最主要表現(xiàn)為：通過(guò)逆向工程，可以方便的對(duì)快速原型制造的原形產(chǎn)品進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的測(cè)量，找出產(chǎn)品設(shè)計(jì)的不足，進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)反復(fù)多次迭代可使產(chǎn)品完善。鞋楦的掃描與反求

汽車(chē)造型的掃描與反求

復(fù)雜曲面的反求骨骼掃描及反求1.4三維數(shù)字化建模CAD平臺(tái)的選擇

1.4.1三維數(shù)字化建模與逆向工程

一般產(chǎn)品正向設(shè)計(jì)1.4.1三維數(shù)字化建模與逆向工程

反求工程基本過(guò)程在這個(gè)建模過(guò)程中，根據(jù)處理對(duì)象及所采用的測(cè)量手段和技術(shù)的不同，有以下幾種反求工程建模方法：1．以三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)或者激光測(cè)量機(jī)為基礎(chǔ)，在人為制定的測(cè)量規(guī)劃的指導(dǎo)下，將模型劃分為若干區(qū)域，分區(qū)域測(cè)量并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，然后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為通用CAD／CAM系統(tǒng)可以接受的數(shù)學(xué)模型文件，完成反求工程建模。2．通過(guò)非接觸式激光掃描測(cè)量機(jī)對(duì)物理模型進(jìn)行密集掃描，并將這些數(shù)據(jù)直接用于數(shù)控加工；或者經(jīng)過(guò)對(duì)掃描數(shù)據(jù)的一系列處理，產(chǎn)生構(gòu)造物體表面模型所需要的主要幾何特征，根據(jù)這些幾何特征，最終由通用的cAD／cAM系統(tǒng)建立實(shí)物的表面模型。3．利用工業(yè)CT或者層析測(cè)量方法，得到物體二維輪廓線，對(duì)二維輪廓線進(jìn)行特征分析、提取，利用相鄰層面的特征相似、特征關(guān)聯(lián)等性質(zhì)完成模型重構(gòu)。產(chǎn)品反求工程建模，一般有兩個(gè)階段，第一個(gè)階段為從數(shù)據(jù)測(cè)量到幾何特征提取和表面模型生成；第二個(gè)階段為實(shí)體生成．后一階段可以通過(guò)數(shù)據(jù)接口，轉(zhuǎn)換到通用CAD／CAM系統(tǒng)中完成，因此反求工程的研究熱點(diǎn)在第一階段的各個(gè)關(guān)鍵技術(shù)展開(kāi)，具體包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)分塊、曲面擬合及模型重建等。1.4.1三維數(shù)字化建模與逆向工程

1.4.2正向設(shè)計(jì)CAD建模軟件選擇要點(diǎn)

CAD技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了二維計(jì)算機(jī)繪圖技術(shù)、曲面造型技術(shù)、實(shí)體造型技術(shù)、參數(shù)化技術(shù)、變量化技術(shù)和超變量化技術(shù)。在CAD軟件的發(fā)展過(guò)程中，CAD技術(shù)的發(fā)展時(shí)刻推動(dòng)著CAD軟件的發(fā)展。但CAD軟件的發(fā)展并非只是CAD技術(shù)的發(fā)展，CAD軟件包含的不僅是技術(shù)的先進(jìn)性，還包含很多其他因素，如市場(chǎng)的定位及銷(xiāo)售、功能的實(shí)用性等。1．選擇合適的硬件平臺(tái)對(duì)于企業(yè)而言，需要根據(jù)自己的要求來(lái)確定硬件平臺(tái)。很多企業(yè)總是向高起點(diǎn)看，當(dāng)然長(zhǎng)遠(yuǎn)打算是對(duì)的，但計(jì)算機(jī)硬件發(fā)展很快，兩三年就是一個(gè)飛躍，現(xiàn)存有些企業(yè)購(gòu)買(mǎi)昂貴的工作站，未等使用已經(jīng)淘汰，這大可不必。不如選擇微機(jī)平臺(tái)，因?yàn)槲C(jī)的價(jià)格便宜，功能又可以達(dá)到或接近工作站的水平，在淘汰前就早已收回成本。1.4.2正向設(shè)計(jì)CAD建模軟件選擇要點(diǎn)

2．選擇合適的軟件平臺(tái)現(xiàn)有CAD軟件大多基于UNIX和Windows兩種平臺(tái)，在幾年前，一些CAD軟件必須選擇UNIX，因?yàn)橹挥蠻NIX才是32位操作系統(tǒng)，才能發(fā)揮CAD軟件的作用，而現(xiàn)在的Windows系統(tǒng)已經(jīng)是成熟的32位操作系統(tǒng)，正在向64位發(fā)展。從功能和用戶(hù)群來(lái)看，選擇Windows操作系統(tǒng)已經(jīng)是一個(gè)必然，因?yàn)閃indows操作簡(jiǎn)單，應(yīng)用廣泛，價(jià)格合理，功能強(qiáng)大，基于其上的應(yīng)用軟件數(shù)量也非常多，而且價(jià)格便宜。一些應(yīng)用軟件廣泛不像幾年前必須依賴(lài)UNIX，所以選擇Windows平臺(tái)是明智的選擇。1.4.2正向設(shè)計(jì)CAD建模軟件選擇要點(diǎn)

3．選擇合適的三維CAD軟件這仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)，也是最需要認(rèn)真思考的問(wèn)題，因?yàn)楝F(xiàn)在一般CAD軟件都是高度集成的大型CAX一體化軟件，拋開(kāi)價(jià)格的因素，每個(gè)CAD軟件似乎都能滿(mǎn)足用戶(hù)的全部要求，這更增加了選擇三維CAD軟件的難度。要選擇合適的三維CAD軟件，1.4.2正向設(shè)計(jì)CAD建模軟件選擇要點(diǎn)

1.4.3正向設(shè)計(jì)建模主流CAD軟件

1．UnigraphicsUnigraphics(UG)是集CAD／CAE／CAM為一體的三維參數(shù)化軟件，為機(jī)械制造企業(yè)提供從設(shè)計(jì)、分析到制造過(guò)程中的建模，是當(dāng)今世界最先進(jìn)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、分析和制造軟件，廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車(chē)、造船、通用機(jī)械和電子等工業(yè)領(lǐng)域。在UG軟件中，優(yōu)越的參數(shù)化和變量化技術(shù)與傳統(tǒng)的實(shí)體、線框和表面功能結(jié)合在一起。這一結(jié)合被實(shí)踐證明是強(qiáng)有力的，該方法已被大多數(shù)CAD／CAM軟件廠商所采用。2.Pro/EngineerPro/Engineer系統(tǒng)是美國(guó)參數(shù)技術(shù)公(ParametricTechnologyCorporation，PTC)的產(chǎn)品。PTC公司提出的單一數(shù)據(jù)庫(kù)、參數(shù)化、基于特征、全相關(guān)的概念改變了機(jī)械CAD／CAE／CAM的傳統(tǒng)觀念。這種全新的概念已成為當(dāng)今世界機(jī)械CAD／CAE／CAM領(lǐng)域的新標(biāo)準(zhǔn)。利用該概念開(kāi)發(fā)出來(lái)的第三代機(jī)械CAD／CAE／CAM產(chǎn)品Pro／ENGINEER軟件能將設(shè)計(jì)至生產(chǎn)全過(guò)程集成到一起，讓所有的用戶(hù)能夠同時(shí)進(jìn)行同一產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造工作，即實(shí)現(xiàn)所謂的并行工程。1.4.3正向設(shè)計(jì)建模主流CAD軟件

3．CATIACATIA(ComputerAidedThree&TwoDimensionalInteractionApplicationSystem，計(jì)算機(jī)輔助三維／二維交互式應(yīng)用系統(tǒng))是由法國(guó)達(dá)索(DS)公司開(kāi)發(fā)的大型CAD／CAM應(yīng)用軟件，后被美國(guó)的IBM公司收購(gòu)。新一代的CATIAV5是IBM／DS公司在充分了解客戶(hù)應(yīng)用需求后基于Windows核心重新在CATIAV4基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的新一代高端CAD／CAM軟件系統(tǒng)。1999年3月法國(guó)達(dá)索系統(tǒng)(DassaultSystems)正式發(fā)布第一個(gè)版本，即CATIAV5R1(CATIAVersion5Release1)。2003年4月發(fā)布的CATIAV5R11(CATIAVersion5Release11)，模塊總數(shù)由最初的12個(gè)增加到了146個(gè)，將原來(lái)運(yùn)行于IBM主機(jī)和AIX工作站環(huán)境的CATIAV4．版本徹底改變?yōu)檫\(yùn)行于微軟WindowsNT環(huán)境，99％以上的用戶(hù)界面圖標(biāo)采用MSOffice形式，并且自己開(kāi)發(fā)了一組圖形庫(kù)，使INIX工作站版本與Windows微機(jī)版本具有相同的用戶(hù)界面。CATTAV5充分發(fā)揮了Windows平臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)，在開(kāi)發(fā)時(shí)大量使用了最新、最前沿的計(jì)算機(jī)技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)，使其具有強(qiáng)大的功能。1.4.3正向設(shè)計(jì)建模主流CAD軟件

為此，為適應(yīng)現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，需要將實(shí)物樣件或手工模型轉(zhuǎn)化為CAD數(shù)據(jù)，以便利用快速成形系統(tǒng)（RP）、計(jì)算機(jī)輔助制造系統(tǒng)(CAM)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（PDM)等先進(jìn)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行處理和管理，并進(jìn)行進(jìn)一步的修改和再設(shè)計(jì)優(yōu)化。此時(shí)，就需要一個(gè)一體化的解決手段：樣品數(shù)據(jù)樣品。逆向工程就專(zhuān)門(mén)為制造業(yè)提供了一個(gè)全新、高效的重構(gòu)手段，實(shí)現(xiàn)從實(shí)際物體到幾何模型的直接轉(zhuǎn)換。作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造的一種手段，在20世紀(jì)90年代初，逆向工程技術(shù)開(kāi)始引起各國(guó)工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的高度重視。1.4.3正向設(shè)計(jì)建模主流CAD軟件

小結(jié)

本章主要闡述了現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的定義、分類(lèi)，包括正向設(shè)計(jì)和逆向設(shè)計(jì)兩大類(lèi)，分別講解了正向設(shè)計(jì)、逆向設(shè)計(jì)的工程流程，各個(gè)流程點(diǎn)的定義的概念，最后講解了三維數(shù)字化建模CAD平臺(tái)的選擇。第2章逆向工程的測(cè)量技術(shù)世界上第一臺(tái)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的誕生1956年世界上出現(xiàn)了有英國(guó)Ferranti公司開(kāi)發(fā)的首臺(tái)用光柵作為長(zhǎng)度基準(zhǔn)并數(shù)字顯示的現(xiàn)代意義上的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)。1962年，作為FIAT（菲亞特）汽車(chē)公司質(zhì)量控制工程師的FraorincoSartorio先生，在意大利都靈市創(chuàng)建了DEA（DigitalElectronicAutomation）,成為世界上第一家專(zhuān)業(yè)制造坐標(biāo)測(cè)量設(shè)備的公司，同時(shí)在公司的命名上還富有前瞻性地預(yù)見(jiàn)到數(shù)字技術(shù)的廣泛應(yīng)用，并繼而在推動(dòng)坐標(biāo)測(cè)量機(jī)在制造業(yè)，尤其是汽車(chē)、航空航天等大型零部件精密測(cè)量方面發(fā)揮著重要作用。第2章逆向工程的測(cè)量技術(shù)世界上第一臺(tái)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的誕生1963年10月，DEA公司的第一臺(tái)行程為2500X1600X600mm的龍門(mén)式測(cè)量機(jī)ALPHA，出現(xiàn)在米蘭的歐洲機(jī)床展覽會(huì)上，從而開(kāi)創(chuàng)了坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)的新領(lǐng)域，并使得幾何量質(zhì)量控制技術(shù)成為工業(yè)生產(chǎn)的重要因素。在隨后的年代里，DEA相繼推出其手動(dòng)和數(shù)控測(cè)量機(jī)，并率先采用氣浮技術(shù)，配備了各種觸發(fā)、掃描測(cè)頭、非接觸光學(xué)測(cè)頭，開(kāi)發(fā)了具有強(qiáng)大CAD功能的通用測(cè)量軟件；先后推出系列橋式測(cè)量機(jī)和大型水平臂、龍門(mén)式測(cè)量機(jī)，并推動(dòng)汽車(chē)車(chē)身研究和“白車(chē)身”的尺寸檢測(cè)方面做出了突出貢獻(xiàn)，并成為當(dāng)時(shí)世界上技術(shù)最先進(jìn)、規(guī)模最大的測(cè)量機(jī)供應(yīng)商之一。2.1先進(jìn)檢測(cè)技術(shù)三維數(shù)據(jù)測(cè)量方法按照測(cè)量探頭是否和零件表面接觸，可分為接觸式數(shù)據(jù)采集和非接觸式數(shù)據(jù)采集兩大類(lèi)，接觸式包括基于力-變形原理的觸發(fā)式和連續(xù)掃描式數(shù)據(jù)采集：而非接觸式主要有激光三角測(cè)量法、激光測(cè)距怯、光干涉法、結(jié)構(gòu)光學(xué)法、圖像分析法等。另外，隨著工業(yè)CT技術(shù)的發(fā)展，斷層掃描技術(shù)也在逆向工程中取得了廣泛的應(yīng)用。它們各自的特點(diǎn)和適用場(chǎng)合，2.1先進(jìn)檢測(cè)技術(shù)逆向工程數(shù)據(jù)獲取方法分類(lèi)2.2接觸式測(cè)量接觸式（tactilemethods）數(shù)據(jù)采集方法是在機(jī)械手臂的末端安裝測(cè)量探頭，使其與被測(cè)量零件表面接觸來(lái)觸發(fā)一個(gè)記錄信號(hào)，并通過(guò)相應(yīng)的設(shè)備記錄下當(dāng)時(shí)的標(biāo)定傳感器數(shù)值，從而獲取被測(cè)零件表面的三維數(shù)據(jù)信息，目前最常用的接觸式數(shù)據(jù)測(cè)量系統(tǒng)為橋式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（CoordinateMeasuringMachine，CMM）或機(jī)械手臂式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)2.2接觸式測(cè)量橋式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)和機(jī)械手臂式測(cè)量機(jī)2.2接觸式測(cè)量接觸式測(cè)量方法在測(cè)量時(shí)可根據(jù)實(shí)物的特征和測(cè)量的要求選擇測(cè)量探頭及其方向，確定測(cè)量點(diǎn)數(shù)及其分布，然后確定測(cè)量的路徑，有時(shí)還要進(jìn)行碰撞的檢查。常用的接觸式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)量數(shù)據(jù)采集方法多采用觸發(fā)探頭，觸發(fā)探頭又稱(chēng)為開(kāi)關(guān)測(cè)頭，當(dāng)探頭的探針接觸到產(chǎn)品的表面時(shí)，由于探針觸發(fā)采樣開(kāi)關(guān)，通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記下探針的當(dāng)前坐標(biāo)值，逐點(diǎn)移動(dòng)探針就可以獲得產(chǎn)品的表面輪廓的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。常用的接觸式觸發(fā)探頭主要包括：機(jī)械式觸發(fā)探頭、應(yīng)變片式觸發(fā)探頭、壓電陶瓷觸發(fā)探頭。2.2接觸式測(cè)量從幾何量種類(lèi)來(lái)看，制件可分為長(zhǎng)度、角度、形狀與位置和粗糙度等幾何尺寸的檢測(cè)。常規(guī)的手工檢測(cè)方法量具常使用盒尺、卷尺、游標(biāo)卡尺、千分尺等，非手工方式常常借助于各種儀器進(jìn)行檢測(cè)2.2接觸式測(cè)量

Metro三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)

PIONEER三維激光掃描儀2.2接觸式測(cè)量FARO關(guān)節(jié)臂三座標(biāo)測(cè)量機(jī)

FARO激光跟蹤儀STD電子經(jīng)緯儀

METRIS室內(nèi)全空間定位系統(tǒng)2.2.1三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來(lái)的一種新型、高效的精密測(cè)量?jī)x器。在工業(yè)界，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的最初應(yīng)用是作為一種檢測(cè)儀器，對(duì)零件和部件的尺寸、形狀及相對(duì)位置進(jìn)行快速、精確的檢測(cè)。此外，還可用于劃線、定中心孔、光刻集成線路等。但隨著三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)各方面技術(shù)的發(fā)展(如回轉(zhuǎn)工作臺(tái)、觸發(fā)式測(cè)頭的產(chǎn)生)，特別是計(jì)算機(jī)控制的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的出現(xiàn)，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)已廣泛應(yīng)用于逆向工程的點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取。由于三坐測(cè)量機(jī)具有對(duì)連續(xù)曲面進(jìn)行掃描來(lái)制備數(shù)控加工程序的功能，因此一開(kāi)始就被選為逆向工程的主要的數(shù)字化設(shè)備并一直使用至今。傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)與三坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)的區(qū)別見(jiàn)表2.1所示。2.2.1三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的特點(diǎn)是測(cè)量精度高，對(duì)被測(cè)物的材質(zhì)和色澤無(wú)特殊要求。對(duì)不具有復(fù)雜內(nèi)部型腔、特征幾何尺寸多、只有少量特征曲面的零件，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)是一種非常有效且可靠的三維數(shù)字化測(cè)量手段，它主要應(yīng)用于由基本的幾何形體(如平面、圓柱面、圓錐面、球面等)構(gòu)成的實(shí)體的數(shù)字化過(guò)程，采用該方法可以達(dá)到很高的測(cè)量精度，但測(cè)量速度很慢，并且易于損傷探頭或劃傷被測(cè)實(shí)體表面，還需要對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)頭半徑補(bǔ)償，對(duì)使用環(huán)境也有一定的要求。采用這種方法會(huì)使測(cè)量周期加長(zhǎng)，從而不能充分發(fā)揮快速成形技術(shù)“快速”的優(yōu)越性。一般來(lái)說(shuō)，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)可以配備觸發(fā)式測(cè)量頭和連續(xù)掃描式測(cè)量頭，對(duì)被測(cè)件進(jìn)行單點(diǎn)測(cè)量和掃描測(cè)量。由于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)量點(diǎn)數(shù)不可能像非接觸式測(cè)量機(jī)的測(cè)量點(diǎn)數(shù)那樣密集，因而其測(cè)量所得數(shù)據(jù)比較適合于采用各種通用CAD軟件來(lái)進(jìn)行CAD數(shù)學(xué)模型的反求，利用不大的數(shù)據(jù)量也能完成很好的反求曲面，這使得三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)得到了更為廣泛的應(yīng)用。2.2.1三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)

1.三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的原理三坐標(biāo)測(cè)量原理是：將被測(cè)物體置于三坐標(biāo)機(jī)的測(cè)量空間，可獲得被測(cè)物體各測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)位置，根據(jù)這些點(diǎn)的空間坐標(biāo)值，經(jīng)過(guò)計(jì)算可求出被測(cè)對(duì)象的幾何尺寸、形狀和位置。也可以定義為：通過(guò)探測(cè)傳感器（測(cè)頭）與測(cè)量空間軸線運(yùn)動(dòng)的配合，對(duì)被測(cè)幾何元素進(jìn)行離散的空間點(diǎn)坐標(biāo)的獲取，然后通過(guò)相應(yīng)的數(shù)學(xué)計(jì)算定義，完成對(duì)所測(cè)得點(diǎn)（點(diǎn)群）的擬合計(jì)算，還原出被測(cè)的幾何元素，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行其與理論值（名義值）之間的偏差計(jì)算與后續(xù)評(píng)估，從而完成對(duì)被測(cè)零件的檢驗(yàn)工作。2.2.1三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的組成主機(jī)框架結(jié)構(gòu)標(biāo)尺系統(tǒng)導(dǎo)軌驅(qū)動(dòng)裝置平衡部件轉(zhuǎn)臺(tái)與附件2.2.1三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)(1)框架結(jié)構(gòu)：指測(cè)量機(jī)的主體機(jī)械結(jié)構(gòu)架子。它是工作臺(tái)、立柱、橋框、殼體等機(jī)械結(jié)構(gòu)的集合體。(2)標(biāo)尺系統(tǒng)：包括線紋尺、精密絲杠、感應(yīng)同步器、光柵尺、磁尺、光波波長(zhǎng)及數(shù)顯電氣裝置等。(3)導(dǎo)軌：實(shí)現(xiàn)二維運(yùn)動(dòng)，多采用滑動(dòng)導(dǎo)軌、滾動(dòng)軸承導(dǎo)軌和氣浮導(dǎo)軌，以氣浮導(dǎo)軌為主要形式。氣浮導(dǎo)軌由導(dǎo)軌體和氣墊組成，包括氣源、穩(wěn)壓器、過(guò)濾器、氣管、分流器等氣動(dòng)裝置。

2.2.1三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)

(4)驅(qū)動(dòng)裝置：實(shí)現(xiàn)機(jī)動(dòng)和程序控制伺服運(yùn)動(dòng)功能。由絲杠絲母、滾動(dòng)輪、鋼絲、齒形帶、齒輪齒條、光軸滾動(dòng)輪、伺服馬達(dá)等組成。(5)平衡部件：主要用于z軸框架中，用以平衡z軸的重量，使z軸上下運(yùn)動(dòng)時(shí)無(wú)偏重干擾，Z向測(cè)力穩(wěn)定。(6)轉(zhuǎn)臺(tái)與附件：使測(cè)量機(jī)增加一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的自由度，包括分度臺(tái)、單軸回轉(zhuǎn)臺(tái)、萬(wàn)能轉(zhuǎn)臺(tái)和數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)等。根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)可分為橋式、龍門(mén)式等

半橋式CMM龍門(mén)式CMM2.2.1三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)對(duì)工件要進(jìn)行精確、及時(shí)的調(diào)整不需要對(duì)工件進(jìn)行特殊調(diào)整專(zhuān)用測(cè)量?jī)x和多工位測(cè)量很難適應(yīng)測(cè)量任務(wù)的改變簡(jiǎn)單地調(diào)用所對(duì)應(yīng)的軟件完成測(cè)量任務(wù)與實(shí)體標(biāo)準(zhǔn)或運(yùn)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)量比較與數(shù)學(xué)的或數(shù)學(xué)模型進(jìn)行測(cè)量比較形狀和位置測(cè)量在不同的儀器上進(jìn)行尺寸、形狀和位置的評(píng)定在一次安裝中即可完成不相干的測(cè)量數(shù)據(jù)手工記錄測(cè)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和CAD設(shè)計(jì)傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)與坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)比較2.2.1三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)1965年FERRANTI公司研制的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)

世界上首臺(tái)龍門(mén)式測(cè)量機(jī)2.三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的組成三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)組成三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)可分為主機(jī)(包括光柵尺)、測(cè)頭、電氣系統(tǒng)三個(gè)部分2.2.1三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)2）三維測(cè)頭三維測(cè)頭即三維測(cè)量傳感器，它可在3個(gè)方向上感受瞄準(zhǔn)信號(hào)和微小位移，以實(shí)現(xiàn)瞄準(zhǔn)和測(cè)微兩項(xiàng)功能。主要有硬測(cè)頭、電氣測(cè)頭、光學(xué)測(cè)頭等。測(cè)頭有接觸和非接觸式之分。按輸出信號(hào)分，有用于發(fā)信號(hào)的觸發(fā)式測(cè)頭和用于掃描的瞄準(zhǔn)式測(cè)頭、測(cè)微式測(cè)頭等。接觸式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)接觸式測(cè)頭種類(lèi)及其工作原理(a)硬式測(cè)頭(b)觸發(fā)式測(cè)頭(c)模擬式測(cè)頭接觸式測(cè)頭工作原理圖硬式測(cè)頭-1

通過(guò)手動(dòng)測(cè)頭接觸工件表面，由人眼及感覺(jué)做出判斷，再利用腳踏開(kāi)關(guān)觸發(fā)。記錄觸發(fā)時(shí)接觸點(diǎn)坐標(biāo)值。由于接觸力的大小和接觸點(diǎn)的判斷完全依賴(lài)于操作者的感覺(jué)，極易產(chǎn)生誤差，多用于精度要求不太高的小型測(cè)量機(jī)，成本較低、操作簡(jiǎn)單。硬式測(cè)頭-2

按形狀可分為圓錐測(cè)頭、圓柱形測(cè)頭、球形測(cè)頭、回轉(zhuǎn)半圓和回轉(zhuǎn)四分之一柱面測(cè)頭、盤(pán)形測(cè)頭、凹圓錐測(cè)頭、點(diǎn)測(cè)頭、V形塊測(cè)頭及直角測(cè)頭等。MicroScribe

采用硬式測(cè)頭的小型測(cè)量?jī)xMicroScribe，主要用于實(shí)驗(yàn)室教學(xué)時(shí)對(duì)較小實(shí)物模型的測(cè)量。精度0.3mm左右。觸發(fā)式測(cè)頭-1

觸發(fā)式測(cè)頭利用電子開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)，當(dāng)測(cè)頭碰到樣件表面，由接觸力控制電子機(jī)構(gòu)的開(kāi)關(guān)，由電信號(hào)的通斷控制坐標(biāo)值的讀取。觸發(fā)式測(cè)頭的觸發(fā)信號(hào)由電子開(kāi)關(guān)控制，故其重復(fù)性、準(zhǔn)確性較高，測(cè)量精度可達(dá)1μm甚至更高，是現(xiàn)代三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)最常用的測(cè)頭。觸發(fā)式測(cè)頭-2

按照測(cè)頭電子開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)所用的傳感器可以將觸發(fā)式測(cè)頭分為電觸式測(cè)頭、壓電式開(kāi)關(guān)測(cè)頭、應(yīng)變片式測(cè)頭。

RenishawTP20觸發(fā)式測(cè)頭實(shí)例哈爾濱先鋒機(jī)電TP6CRenishawTP6模擬式測(cè)頭模擬式（掃描式）測(cè)頭在接觸被測(cè)工件后，連續(xù)測(cè)得接觸位移，測(cè)頭的轉(zhuǎn)換裝置輸出與測(cè)桿的微小偏移成正比的信號(hào)，該信號(hào)和精密量?jī)x的相應(yīng)坐標(biāo)值疊加便可得到被測(cè)工件上點(diǎn)的精確坐標(biāo)。若不考慮測(cè)桿的變形，掃描式測(cè)頭是各向同性的，故其精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于觸發(fā)式測(cè)頭。該類(lèi)測(cè)頭的缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高，目前世界上只有少數(shù)公司可以生產(chǎn)。

RenishawSP600模擬式測(cè)頭實(shí)例RenishawSP600MFaroArmFaro手動(dòng)測(cè)臂值得注意的是，隨著技術(shù)的發(fā)展，手動(dòng)測(cè)臂也經(jīng)?？梢該Q上激光式測(cè)頭。2.3非接觸測(cè)量非接觸式數(shù)據(jù)采集方法主要運(yùn)用光學(xué)原理進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，主要包括：激光三角形法、激光測(cè)距法、結(jié)構(gòu)光法以及圖像分析法等。非接觸式數(shù)據(jù)采集速度快、精度高，排除了由測(cè)量摩擦力和接觸壓力造成的測(cè)量誤差，避免了接觸式測(cè)頭與被測(cè)表面由于曲率干涉產(chǎn)生的偽劣點(diǎn)數(shù)目，獲得的密集點(diǎn)云信息量大、精度高，測(cè)頭產(chǎn)生的光斑也可以做得很小，可以探測(cè)到一般機(jī)械測(cè)頭難以丈量的部位，最大限度地反映被測(cè)表面的真實(shí)外形。適用于表面外形復(fù)雜，精度要求不特別高的未知曲面的測(cè)量，2.3非接觸測(cè)量總之，在可以應(yīng)用接觸式測(cè)量的情況下，不要采用非接觸式測(cè)量；在只測(cè)量尺寸、位置要素的情況下盡量采用接觸式測(cè)量；考慮測(cè)量本錢(qián)且能滿(mǎn)足要求的情況下，盡量采用接觸式測(cè)量；對(duì)產(chǎn)品的輪廓及尺寸精度要求較高的情況下采用非接觸式掃描測(cè)量；對(duì)離散點(diǎn)的測(cè)量采用掃描式；對(duì)易變形、精度要求不高的產(chǎn)品、要求獲得大量測(cè)量數(shù)據(jù)的零件進(jìn)行測(cè)量時(shí)采用非接式測(cè)量方法。2.3.1三維光學(xué)測(cè)量技術(shù)1)激光掃描法激光掃描法是發(fā)展得比較成熟的一種測(cè)量方法。一般的工作流程是通過(guò)同步電動(dòng)機(jī)控制激光器旋轉(zhuǎn)，激光光條隨之掃描整個(gè)待測(cè)物體，光條所形成的高斯亮條經(jīng)被測(cè)面調(diào)制形成測(cè)量條紋，由攝像機(jī)接受圖像，獲得測(cè)量條紋的測(cè)量信息，再經(jīng)過(guò)攝像機(jī)標(biāo)定和外極線約束準(zhǔn)則得出三維測(cè)量數(shù)據(jù)?！?DScanner”激光掃描系統(tǒng)2.3.1三維光學(xué)測(cè)量技術(shù)2)白光(彩色)光柵編碼法光柵編碼法測(cè)量原理如圖所示，光源照射光柵，經(jīng)過(guò)投影系統(tǒng)將光柵條紋投射到被測(cè)物體上，經(jīng)過(guò)被測(cè)物體形面調(diào)制形成了測(cè)量條紋，由雙目攝像機(jī)接收測(cè)量條紋，應(yīng)用特征匹配技術(shù)、外極線約束準(zhǔn)則和立體視覺(jué)技術(shù)獲得測(cè)量曲面的三維數(shù)據(jù)。光柵編碼測(cè)量示意圖ATOSⅡ測(cè)量?jī)x2.3.1三維光學(xué)測(cè)量技術(shù)3)位相輪廓法位相輪廓法測(cè)量由非相關(guān)光源(激光)照射光柵(正弦光柵或其他)，投射出的光柵條紋受被測(cè)型面調(diào)制，形成與被測(cè)形狀相關(guān)聯(lián)的光場(chǎng)分布，再應(yīng)用混合模板技術(shù)、相位復(fù)原技術(shù)相位圖定標(biāo)技術(shù)獲得與曲面高度信息相關(guān)的相位變化，從而獲得被測(cè)物體的三維相貌。2.3.1三維光學(xué)測(cè)量技術(shù)4)彩色激光掃描法近年來(lái)，多媒體技術(shù)蓬勃發(fā)展，游戲業(yè)、動(dòng)畫(huà)業(yè)及古文物業(yè)迫切需要彩色3D測(cè)量，彩色激光掃描法應(yīng)運(yùn)而生。彩色激光掃描系統(tǒng)對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行兩步拍攝。首先關(guān)閉激光器，打開(kāi)濾光片，用彩色CCD拍攝一幅被測(cè)物體的彩色照片，記錄下物體的顏色信息；然后打開(kāi)激光器，放下濾光片，用CCD獲得經(jīng)過(guò)被測(cè)型面調(diào)制的激光線條單色圖案。利用激光光條掃描法中所敘述的原理，獲得被測(cè)型面的三維坐標(biāo)(單色)；然后利用貼圖技術(shù)，將第一次拍攝獲得的彩色圖像信息匹配到各個(gè)被測(cè)點(diǎn)的三維數(shù)據(jù)上，這樣就獲得了物體的彩色3D信息。2.3.1三維光學(xué)測(cè)量技術(shù)5)陰影莫爾法陰影莫爾法最早由Meadows和Takasaki于1970年提出。它是將一光柵放在被測(cè)物體上，再用一光源透過(guò)光柵照在物體上，同時(shí)再透過(guò)光柵觀察物體，可看到一系列莫爾條紋，它們是物體表面的等高線。之后，人們將此技術(shù)與CCD技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)相結(jié)合使其走向?qū)嵱没?，特別是相移技術(shù)的引入，解決了無(wú)法從一幅莫爾圖中判別物體表面凹凸的問(wèn)題，并使莫爾計(jì)量技術(shù)從定性走向定量，使莫爾技術(shù)向前邁進(jìn)了一大步。但相移一般是通過(guò)機(jī)械手段改變光柵與被測(cè)物的距離而實(shí)現(xiàn)的，其機(jī)構(gòu)復(fù)雜，速度慢。2.3.1三維光學(xué)測(cè)量技術(shù)6)基于直接三角法的三維型面測(cè)量技術(shù)直接三角法三維型面測(cè)量技術(shù)包括激光逐點(diǎn)掃描法、線掃描法和二元編碼圖樣投影法等，分別采用點(diǎn)、線、面這3類(lèi)結(jié)構(gòu)光投影方式。這些方法以傳統(tǒng)的三角測(cè)量原理為基礎(chǔ)，通過(guò)出射點(diǎn)、投影點(diǎn)和成像點(diǎn)三者之間的幾何成像關(guān)系確定物體各點(diǎn)高度，因此其測(cè)量關(guān)鍵在于確定三者的對(duì)應(yīng)關(guān)系。逐點(diǎn)掃描法用光點(diǎn)掃描，雖然簡(jiǎn)單可靠，但測(cè)量速度慢；線掃描法采用一維線性圖樣掃描物體，速度比前者有很大的提高，確定測(cè)量點(diǎn)也比較容易，應(yīng)用較廣，國(guó)際上早有商品出售，但這種方法的數(shù)據(jù)獲取速度仍然較慢；二元編碼圖像投影法采用時(shí)間或空間編碼的二維光學(xué)圖案投影，利用圖案編碼和解碼來(lái)確定投影點(diǎn)和成像點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，由于是二維面結(jié)構(gòu)光，能夠大大提高測(cè)量速度。2.3.2光學(xué)測(cè)量設(shè)備隨著傳感技術(shù)、控制技術(shù)、制造技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了大量商品化三維測(cè)量設(shè)備，其中光學(xué)測(cè)量?jī)x器應(yīng)用較為成功。其中，Replica公司的三維激光掃描儀3DScanner，Gom公司的ATOS、Steinbichler公司的Comet光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)在中國(guó)市場(chǎng)上取得了很大的成功，并占有絕大部分的市場(chǎng)份額。這些國(guó)外三維測(cè)量設(shè)備的價(jià)格昂貴，如ATOS及Comet光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)的市場(chǎng)價(jià)格均在100萬(wàn)元左右，這使得國(guó)內(nèi)相關(guān)行業(yè)的技術(shù)使用成本明顯偏高。2.3.2光學(xué)測(cè)量設(shè)備1.Comet測(cè)量系統(tǒng)Comet測(cè)量系統(tǒng)由測(cè)量頭、支架及相關(guān)軟件組成，該系統(tǒng)采用投影光柵相移法進(jìn)行測(cè)量，每次測(cè)點(diǎn)可達(dá)130萬(wàn)個(gè)，測(cè)量精度可達(dá)±20um。Comet系統(tǒng)與其他光柵測(cè)量系統(tǒng)(如ATOS系統(tǒng))相比有著明顯的優(yōu)點(diǎn)2.3.2光學(xué)測(cè)量設(shè)備ATOS測(cè)量系統(tǒng)ATOS是德國(guó)GOM公司生產(chǎn)的非接觸式精密光學(xué)測(cè)量?jī)x，適合眾多類(lèi)型物件的掃描測(cè)量，如人體、軟物件、硅膠樣板或不可磨損的模具及樣品等。該測(cè)量?jī)x具有獨(dú)特的流動(dòng)式設(shè)計(jì)，在不需要任何工作平臺(tái)(如三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、數(shù)控機(jī)械或機(jī)械手等)支援下，使用者可隨意移動(dòng)測(cè)量頭至任何測(cè)量方位做高速測(cè)量。該測(cè)量?jī)x使用方便快捷，非常適合測(cè)量各種大小模型(如汽車(chē)、摩托車(chē)外形件及各種機(jī)構(gòu)零件、大型模具、小家電等)。整個(gè)測(cè)量過(guò)程基于光學(xué)三角形定理，自動(dòng)影像攝取，再經(jīng)數(shù)碼影像處理器分析，將所測(cè)的數(shù)據(jù)自動(dòng)合并成完整連續(xù)的曲面，由此得到高質(zhì)量零件原型的“點(diǎn)云”數(shù)據(jù)。ATOS測(cè)量系統(tǒng)的硬件組成3.手持式三維數(shù)字掃描及測(cè)量系統(tǒng)HandyScanHandyScan3D自定位三維掃描系統(tǒng)2.4斷層數(shù)據(jù)測(cè)量方法1．CT測(cè)量法工業(yè)CT(IndustryComputerizedTomography，ICT)是基于射線與物質(zhì)的相互作用原理，通過(guò)射線的哀減獲得投影，進(jìn)而重建出被檢測(cè)物體的斷層圖像。工業(yè)CT的檢測(cè)能力不受被檢物的材料、形狀、表面狀況影響，能給出構(gòu)件的二維和三維直觀圖像。目前先進(jìn)的工業(yè)CT系統(tǒng)已達(dá)到的主要技術(shù)指標(biāo)為：空間分辨率為10~25um：密度分辨率為0.1％～0.5％；最高X射線能量為60MeV；可測(cè)最大直徑為4m的物體。德國(guó)菲尼克斯的X射線工業(yè)CT機(jī)2.4斷層數(shù)據(jù)測(cè)量方法2.MRI測(cè)量法磁共振成像術(shù)(MagneticResonanceImaging，MRI)也稱(chēng)為核磁共振，該技術(shù)的理論基礎(chǔ)是核物理學(xué)的磁共振理論，是20世紀(jì)70年代末以后發(fā)展的一種新式醫(yī)療診斷影像技術(shù)，和X-CT掃描一樣，可以提供人體斷層的影像。其基本原理是用磁場(chǎng)來(lái)標(biāo)定人體某層面的空間位置，然后用射頻脈沖序列照射，當(dāng)被激發(fā)的核在動(dòng)態(tài)過(guò)程中自動(dòng)恢復(fù)到靜態(tài)場(chǎng)的平衡時(shí)，把吸收的能量發(fā)射出來(lái)，然后利用線圈來(lái)檢測(cè)這種信號(hào)，將信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)，經(jīng)過(guò)處理轉(zhuǎn)換在屏幕上顯示圖像。2.4斷層數(shù)據(jù)測(cè)量方法2.4斷層數(shù)據(jù)測(cè)量方法醫(yī)學(xué)用MRI測(cè)量機(jī)3．超聲波測(cè)量法采用超聲波的數(shù)字化方法，其原理是當(dāng)超聲波脈沖到達(dá)被測(cè)物體時(shí)，在被測(cè)物體的兩種介質(zhì)邊界表面會(huì)發(fā)生回波反射，通過(guò)測(cè)量回波與零點(diǎn)脈沖的時(shí)間間隔，即可計(jì)算出各面到零點(diǎn)的距離。這種方法相對(duì)CT和MRI而言，設(shè)備簡(jiǎn)單，成本較低，但測(cè)量速度較慢，且測(cè)量精度不穩(wěn)定。目前主要用于物體的無(wú)損檢測(cè)和壁厚測(cè)量。2.4斷層數(shù)據(jù)測(cè)量方法4．層析掃描法其工作過(guò)程為：將待測(cè)零件用專(zhuān)用樹(shù)脂材料(填充石墨粉或顏料)完全封裝，待樹(shù)脂固化后，把它裝夾到銑床上，進(jìn)行微進(jìn)刀量平面銑削，結(jié)果得到包含有零件與樹(shù)脂材料的截面；然后由數(shù)控銑床控制工作臺(tái)移動(dòng)到CCD攝像機(jī)下，位置傳感器向計(jì)算機(jī)發(fā)出信號(hào)，計(jì)算機(jī)收到信號(hào)后，觸發(fā)圖像采集系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)CCD攝像機(jī)對(duì)當(dāng)前截面進(jìn)行采樣、量化，從而得到三維離散數(shù)字圖像。由于封裝材料與零件截面存在明顯邊界，利用濾波、邊緣提取、紋理分析、二值化等數(shù)字圖像處理技術(shù)進(jìn)行邊界輪廓提取，就能得到邊界輪廓圖像。2.4斷層數(shù)據(jù)測(cè)量方法4．層析掃描法通過(guò)物-像坐標(biāo)關(guān)系的標(biāo)定，并對(duì)此輪廓圖像進(jìn)行邊界跟蹤，便可獲得物體在該截面上各輪廓點(diǎn)的坐標(biāo)值。每次圖像攝取與處理完成后，再用數(shù)控銑床把待測(cè)物銑去很薄一層(如0.1mm)，又得到一個(gè)新的橫截面，并完成前述的操作過(guò)程，就可以得到物體上相鄰很小距離的每一截面輪廓的位置坐標(biāo)。層析法可對(duì)有孔及內(nèi)腔的物體進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量精度高，能夠得到完整的數(shù)據(jù)；不足之處是這種測(cè)量是破壞性的。美國(guó)CGI公司已生產(chǎn)層析掃描測(cè)量機(jī)；在國(guó)內(nèi)，海信技術(shù)中心工業(yè)設(shè)計(jì)所和西安交通大學(xué)合作，研制成功了具有圍際領(lǐng)先水平的掃捕式三維數(shù)字測(cè)量CMS系列，。2.4斷層數(shù)據(jù)測(cè)量方法層析法測(cè)量2.5測(cè)量中的問(wèn)題2.5.1三維數(shù)據(jù)測(cè)量方法的選擇2.5.2數(shù)據(jù)測(cè)量的誤差分析測(cè)量精度是必須考慮的。影響測(cè)量精度的因素很多，如測(cè)量的原理誤差、測(cè)量系統(tǒng)的精度及測(cè)量過(guò)程中的隨機(jī)因素等，都會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果造成影響，從而產(chǎn)生測(cè)量誤差。1.機(jī)房環(huán)境條件由于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)是一種高精度的檢測(cè)設(shè)備，其機(jī)房環(huán)境條件的好壞，對(duì)測(cè)量機(jī)的影響至關(guān)重要。這其中包括檢測(cè)工件狀態(tài)及環(huán)境、溫度條件、振動(dòng)、濕度、供電電源、壓縮空氣等因素。2.物體自身的因素在曲面測(cè)量中，被測(cè)物體本身的材料、表面結(jié)構(gòu)要求、顏色、光學(xué)性質(zhì)及表面形狀，對(duì)光的反射和吸收程度有很大的差異，尤其是物體的表面結(jié)構(gòu)要求和折射率等因素會(huì)對(duì)測(cè)量的精度會(huì)產(chǎn)生重大的影響。3.標(biāo)定的因素所有的測(cè)量方法都需要標(biāo)定。對(duì)于光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)而言，由于光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)的制造和裝配必然存存誤差，因此，對(duì)于物點(diǎn)到像點(diǎn)的非線性關(guān)系的標(biāo)定技術(shù)更是獲取物體三維坐標(biāo)的關(guān)鍵。2.5.2數(shù)據(jù)測(cè)量的誤差分析4.攝像機(jī)的分辨率CCD攝像機(jī)的分辨率主要是靠尺寸和像素間距的大小來(lái)決定的。對(duì)整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的分辨率而言，它主要取決于測(cè)量的范圍。此外，掃描系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)裝置的移動(dòng)誤差也會(huì)降低測(cè)量精度。2.5.2數(shù)據(jù)測(cè)量的誤差分析5.可測(cè)性的問(wèn)題在采用CMM或光學(xué)系統(tǒng)測(cè)量時(shí)，都存在著可測(cè)性問(wèn)題。盡管多數(shù)情況下，可通過(guò)加長(zhǎng)測(cè)桿或采用多個(gè)視點(diǎn)掃描的方式來(lái)解決，但在處理如通孔之類(lèi)的不可測(cè)表面時(shí)，采用光學(xué)掃描的方法無(wú)法獲取完整的采樣數(shù)據(jù)。阻塞問(wèn)題是由于陰影或障礙物遮擋了掃描介質(zhì)而引起的。除了自阻塞外，固定被測(cè)物體的夾具也會(huì)引起阻塞問(wèn)題，夾具表面成了測(cè)量的一部分，而被夾具覆蓋的那一部分被測(cè)物體表面則未測(cè)量到。2.5.2數(shù)據(jù)測(cè)量的誤差分析6.參考點(diǎn)的誤差在對(duì)物體進(jìn)行多次測(cè)量，然后進(jìn)行拼合的情形中，參考點(diǎn)引起的誤差。2.5.2數(shù)據(jù)測(cè)量的誤差分析7.測(cè)量探頭半徑補(bǔ)償誤差主要發(fā)生在接觸式CMM測(cè)量系統(tǒng)中。當(dāng)探頭和被測(cè)表面接觸時(shí)，實(shí)際得到的數(shù)據(jù)坐標(biāo)并不是接觸點(diǎn)的坐標(biāo)，而是探頭球心的坐標(biāo)。對(duì)規(guī)則表面如平面，接觸點(diǎn)數(shù)值和球心點(diǎn)數(shù)值相差一個(gè)半徑值；當(dāng)測(cè)量方向和平面的法線方向相同時(shí)，相應(yīng)方向的坐標(biāo)加上半徑值即是接觸點(diǎn)坐標(biāo)(二維補(bǔ)償)；但當(dāng)測(cè)量表面是曲面時(shí)，測(cè)量方向和測(cè)量點(diǎn)的法矢不一致，用平面探頭半徑進(jìn)行補(bǔ)償會(huì)造成補(bǔ)償誤差。2.5.2數(shù)據(jù)測(cè)量的誤差分析2.6三維測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用1.產(chǎn)品檢測(cè)與質(zhì)量控制在復(fù)雜型面的零件制造質(zhì)量檢測(cè)中，由于某些型面特征自身缺乏清晰的參考基準(zhǔn)，型值點(diǎn)與整體設(shè)計(jì)基準(zhǔn)間沒(méi)有明確的尺寸對(duì)應(yīng)關(guān)系，使得基于設(shè)計(jì)尺寸與加工尺寸直接度量比較的傳統(tǒng)檢測(cè)模式在復(fù)雜型面零件的制造誤差評(píng)定中難以實(shí)行?；谌SCAD模型的復(fù)雜型面的產(chǎn)品數(shù)字化檢測(cè)己成為復(fù)雜型面制造精度評(píng)價(jià)的最主要的發(fā)展趨勢(shì)，即通過(guò)測(cè)量加工產(chǎn)品零件的三維型面數(shù)據(jù)，與產(chǎn)品原始設(shè)計(jì)的三維CAD模型進(jìn)行配準(zhǔn)比較和偏差分析，給出產(chǎn)品的制造精度。三維測(cè)量在質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用2.6三維測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用2.虛擬現(xiàn)實(shí)2.6三維測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用3.人體測(cè)量人體測(cè)量游戲者形象2.6三維測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用4.文物保存工程辟邪三維模型2.6三維測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用5.醫(yī)學(xué)工程2.6三維測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用本節(jié)主要介紹了先進(jìn)檢測(cè)技術(shù)的概念，組成和分類(lèi)，分為接觸式測(cè)量、非接觸式測(cè)量和斷層測(cè)量數(shù)據(jù)方法，分析了測(cè)量方法的組成原理、國(guó)內(nèi)外主要儀器及其應(yīng)用的范圍、特點(diǎn)、局限性等。小結(jié)第3章工業(yè)近景攝影測(cè)量技術(shù)汽車(chē)、飛機(jī)、船舶、軍工、家電等行業(yè)的產(chǎn)品大量采用復(fù)雜曲面，工件的復(fù)雜曲面和模具型面的數(shù)字化建模和三維檢測(cè)是進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)和質(zhì)量控制的前提和基礎(chǔ)。對(duì)于中小型工件（長(zhǎng)度小于1米），主要采用臺(tái)式三座標(biāo)測(cè)量機(jī)、激光掃描儀、關(guān)節(jié)臂三座標(biāo)測(cè)量機(jī)等，基本能滿(mǎn)足檢測(cè)和逆向設(shè)計(jì)的要求。對(duì)于大型工件（長(zhǎng)度大于1米），空間測(cè)量激光跟蹤儀、經(jīng)緯儀等光學(xué)儀器的精度能夠滿(mǎn)足要求，但其局限于對(duì)工件的一些關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。存在測(cè)量速度慢、檢測(cè)繁瑣，無(wú)法進(jìn)行全尺寸檢測(cè)的缺點(diǎn)，迫切需要有新型的檢測(cè)設(shè)備和檢測(cè)方法出現(xiàn)。3.1數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量攝影測(cè)量的基本任務(wù)是從影像中提取幾何信息和物理信息。傳統(tǒng)的模擬攝影測(cè)量和解析攝影測(cè)量方法，都是人工作業(yè)完成這兩項(xiàng)工作。在模擬立體測(cè)圖儀或解析測(cè)圖儀上進(jìn)行相對(duì)定向、絕對(duì)定向、測(cè)繪地物與地貌，都需要作業(yè)員在雙眼立體觀察的情況下完成。而數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量是利用影響相關(guān)技術(shù)來(lái)代替人眼的目視觀測(cè)、自動(dòng)識(shí)別同名點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)幾何信息的自動(dòng)提取。目前，對(duì)于物理信息的自動(dòng)提取，還處于研究階段，在實(shí)際工作中，仍然沿用傳統(tǒng)的目視判讀方法。3.1.1數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的定義和分類(lèi)1.計(jì)算機(jī)輔助測(cè)圖計(jì)算機(jī)輔助測(cè)圖又稱(chēng)數(shù)字測(cè)圖，是利用解析測(cè)圖儀或具有機(jī)助系統(tǒng)的模擬測(cè)圖儀，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理，測(cè)繪數(shù)字地圖，制作數(shù)字高程模型，建立測(cè)量數(shù)據(jù)庫(kù)3.1.1數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的定義和分類(lèi)2.攝影數(shù)字化測(cè)圖攝影數(shù)字化測(cè)圖是利用計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)字影像或數(shù)字化影像進(jìn)行的處理，由計(jì)算機(jī)視覺(jué)代替人眼進(jìn)行立體量測(cè)與識(shí)別，完成影像幾何與物理信息的自動(dòng)提取。此時(shí)不再需要傳統(tǒng)的光學(xué)和機(jī)械儀器，不再采用傳統(tǒng)的人工操作方式而是自動(dòng)化的方式。3.1.2數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量要解決的主要問(wèn)題

1.影像匹配影像匹配是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)立體量測(cè)的關(guān)鍵2.影像解譯數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量還有另一項(xiàng)基本任務(wù)——利用影像信息確定被攝對(duì)象的物理屬性，既對(duì)影像進(jìn)行自動(dòng)解譯。3.1.3數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)的作業(yè)過(guò)程1.數(shù)字影像的獲取2.數(shù)字影像的定向3.建立核線影像4.影像匹配與建立數(shù)字地面模型5.自動(dòng)繪制等高線6.制作數(shù)字正射影像7.數(shù)字測(cè)圖3.2數(shù)字影像的獲取與重采樣3.2.1光學(xué)影像與數(shù)字影像傳統(tǒng)的攝影機(jī)用光學(xué)影像記錄景物的幾何與物理信息，景物的輻射強(qiáng)度（亮度）在光學(xué)影像上反映為影像的黑白程度，稱(chēng)為影像的灰度或光學(xué)密度。3.2.2影像的數(shù)字化

數(shù)字影像可以由數(shù)字?jǐn)z影機(jī)直接獲得，但是目前更多的是將傳統(tǒng)光學(xué)攝影機(jī)所攝的光學(xué)影像的底片經(jīng)掃描數(shù)字化獲得。影像掃描數(shù)字化過(guò)程包括采樣與量化兩項(xiàng)內(nèi)容。光學(xué)影像上的像點(diǎn)是連續(xù)分布的，但在影像數(shù)字化過(guò)程中不可能將每一連續(xù)的像點(diǎn)全部數(shù)字化，而只能將實(shí)際的灰度函數(shù)離散化。3.2.3數(shù)字影像的重采樣

常用的重采樣方法有雙線性插值法、雙三次卷積法和最鄰近像元法。3.3數(shù)字影像解析基礎(chǔ)3.3.1數(shù)字影像的內(nèi)定向由于數(shù)字影像的像素坐標(biāo)系（掃描坐標(biāo)系）是建立在像素矩陣之上的，其坐標(biāo)原點(diǎn)在矩陣的左上角，坐標(biāo)軸系也與像平面直角坐標(biāo)軸系不平行，為此必須建立像素坐標(biāo)系和像平面直角坐標(biāo)系之間的關(guān)系，這一過(guò)程稱(chēng)為數(shù)字影像的內(nèi)定向。內(nèi)定向只對(duì)那些用掃描儀數(shù)字化得到的數(shù)字影像才有必要。由于對(duì)數(shù)字相機(jī)攝取的數(shù)字影像來(lái)說(shuō)，內(nèi)定向參數(shù)是個(gè)常數(shù)，經(jīng)相機(jī)鑒定獲得。3.3.2同名核線的確定同名核線的確定常用兩種方法，一種是基于共面條件；另一種是基于數(shù)字影像的幾何糾正。1.基于數(shù)字影像幾何糾正的核線關(guān)系3.3.2同名核線的確定2.基于共面條件的核線幾何關(guān)系這個(gè)方法從核線的定義出發(fā)，直接在傾斜像片上獲得同名核線。3.4數(shù)字影像匹配原理3.4.1數(shù)字影像相關(guān)原理數(shù)字影像是利用計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)字影像進(jìn)行數(shù)字計(jì)算的方式完成影像相關(guān)，識(shí)別出兩幅（或多幅）影像的同名點(diǎn)。計(jì)算時(shí)，通常先取出一張像片（左片）以待定點(diǎn)為中心的小區(qū)域中的影像信號(hào)，然后搜索該待定點(diǎn)在另一影像中相應(yīng)區(qū)域的影像信號(hào)，計(jì)算兩者的相關(guān)函數(shù)，以相關(guān)函數(shù)最大值對(duì)應(yīng)的相關(guān)區(qū)域中心為同名點(diǎn)。即以影像信號(hào)分布最相似的區(qū)域?yàn)橥麉^(qū)域，同名區(qū)域的中心為同名點(diǎn)，這是自動(dòng)化立體量測(cè)的基本原理。3.4數(shù)字影像匹配原理1.二維影像相關(guān)2.一維影像相關(guān)3.分頻道影像相關(guān)3.4.2數(shù)字影像匹配基本算法數(shù)字影像匹配就是在兩幅（多幅）影像之間識(shí)別同名點(diǎn)，它是計(jì)算機(jī)視覺(jué)和數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的核心問(wèn)題。1.相關(guān)函數(shù)法2.協(xié)方差函數(shù)法3.相關(guān)系數(shù)法4.差平方和法5.差絕對(duì)值和法3.4.3基于物方的影像匹配法影像匹配的主要目的是提取被攝物體的幾何信息，確定物點(diǎn)的空間位置。用前述影像匹配方法獲取左右影像的視差值后，還需用空間前方交會(huì)法解算對(duì)應(yīng)物點(diǎn)的空間坐標(biāo)，建立數(shù)學(xué)地面模型。3.5最小二乘影像匹配最小二乘影像匹配方法是由德國(guó)Ackermann教授提出的一種高精度的影像匹配方法，該方法根據(jù)相關(guān)影像灰度差的平方和為最小的原理，進(jìn)行平差計(jì)算，使影像匹配可以達(dá)到1/10甚至1/100像素的高精度，即子像素等級(jí)。該方法不僅可以用于建立數(shù)字地面模型，生產(chǎn)和制作正射影像圖，而且可以用于空中三角測(cè)量及工業(yè)攝影測(cè)量中的高精度量測(cè)。3.5.1最小二乘影像匹配原理

僅考慮輻射線性畸變的最小二乘影像匹考慮影像相對(duì)移位的一維最小二維影像匹配3.5.2單點(diǎn)最小二乘影像匹配兩個(gè)二維影像之間的幾何變形，除了存在著前述的相對(duì)移位外，還存在著圖形變化。

3.6基于特征的影像匹配多數(shù)特征影像匹配方法也使用金字塔影像結(jié)構(gòu)，將上一層影像的特征影像匹配結(jié)果傳到下一層作為初始值，并作粗差的剔除或改正。最后，以特征影像匹配結(jié)果為“控制”，對(duì)其他點(diǎn)進(jìn)行匹配或內(nèi)插。由于基于特征的影像匹配是以整像素精度定位，為了提高精度，可將特征影像匹配結(jié)果作為近似值，再利用最小二乘影像匹配方法進(jìn)行精度匹配，獲得子像素級(jí)的匹配精度。3.6.1特征提取1.點(diǎn)特征提取點(diǎn)特征主要是指明顯點(diǎn)，如角點(diǎn)、圓點(diǎn)等。提取點(diǎn)特征的算子稱(chēng)為興趣算子，即用某種算法從影像中提取感興趣的特征點(diǎn)。2.線特征提取線特征是指線狀地物或面狀地物的邊緣在像片上的構(gòu)像。線特征提取算子也稱(chēng)邊緣檢測(cè)算子。3.6.2基于特征點(diǎn)的影像匹配

1.二維影像匹配與一維影像匹配2.特征點(diǎn)的提取與影像匹配的順序3.7數(shù)字影像糾正傳統(tǒng)的地形圖是以線劃符號(hào)表示地物地貌，其缺點(diǎn)是信息量少，表現(xiàn)方式比較抽象而不易判讀，而航攝像片信息豐富、形象直觀、易于判讀?？墒牵綌z像片是中心投影，存在著因像片傾斜和地面起伏引起的像點(diǎn)位移；此外，不同攝站拍攝的像片其比例尺也不一致。因而航攝像片進(jìn)行處理，消除像片傾斜引起的像點(diǎn)位移，消除或限制地形起伏引起的投影差，歸化不同攝站所攝像片的比例尺，就可形成即有航攝影像的優(yōu)點(diǎn)又有地形圖的數(shù)字精度的正射影像，這一過(guò)程稱(chēng)為像片糾正。3.7.1像片糾正的基本思想像片糾正的實(shí)質(zhì)是要將像片的中心投影變換為圖比例尺的正射投影，實(shí)現(xiàn)這一變換的關(guān)鍵是要建立像點(diǎn)與相應(yīng)圖點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。3.7.2中心投影影像的數(shù)字影像糾正

數(shù)字影像糾正的基本任務(wù)是實(shí)現(xiàn)兩個(gè)二維影像之間的幾何變換，在數(shù)字糾正時(shí)，首先要建立原始影像與糾正后影像之間的幾何關(guān)系。

1.間接發(fā)數(shù)字影像糾正2.直接發(fā)數(shù)字影像糾正3.8數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)當(dāng)前數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)發(fā)展迅速，數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)品種繁多，國(guó)際上著名的產(chǎn)品有Leica公司的LeicaPhotogrammetrySuite（LPS）、BAEsystems公司的SocetSet、Inter-graph公司的ImageStation，美國(guó)GSI公司的V-STARS系統(tǒng)、德國(guó)AICON3D公司DPA-Pro系統(tǒng)、德國(guó)GOM公司的TRITOP系統(tǒng)、挪威METRONOR公司的METRONOR系統(tǒng)等。我國(guó)測(cè)繪部門(mén)、高校和科研院所使用較多的國(guó)產(chǎn)軟件有武漢適普公司的VirtuoZo和北京思維公司的JX-4等、西安交通大學(xué)開(kāi)發(fā)的XJTUDP等。3.8.1數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)的主要產(chǎn)品

攝影測(cè)量加密坐標(biāo)和定向參數(shù)。數(shù)字高程模型DEM或數(shù)字表面模型DSM。數(shù)字線劃圖。數(shù)字正射影像。透視圖、景觀圖。可視化立體模型。各種工程設(shè)計(jì)所需的三維信息。各種信息系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)所需的空間信息3.8.2數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)的主要功能（1）數(shù)據(jù)輸入、輸出。（2）影像處理（3）數(shù)字空中三角測(cè)量。（4）定向建模。（5）構(gòu)成核線影像（6）影像匹配。（7）建立DEM。（8）制作正射影像。（9）自動(dòng)生成等高線。（10）正射影像和等高線疊合。（11）數(shù)字測(cè)圖，（12）DEM拼接與正射影像鑲嵌。（13）制作透視圖和景觀圖。3.8.3數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)的工作流程3.8.4JX-4C數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)JX-4CDPS是由中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院劉先林院士研制，北京思維遠(yuǎn)見(jiàn)信息技術(shù)有限公司經(jīng)銷(xiāo)的一套半自動(dòng)化數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)。3.9近景攝影測(cè)量攝影測(cè)量學(xué)按照研究對(duì)象可分為地形攝影測(cè)量和非地形攝影測(cè)量，按照攝站所處的空間位置可分為航天攝影測(cè)量、航空攝影測(cè)量、地面攝影測(cè)量和水中攝影測(cè)量。近景攝影測(cè)量即屬于非地形攝影測(cè)量，它不是以測(cè)繪地形圖為主，而是通過(guò)攝影手段以確定（地形以外）目標(biāo)的外形和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為主；又屬于地面攝影測(cè)量，有專(zhuān)家把攝影距離小于100m的攝影測(cè)量稱(chēng)之為近景攝影測(cè)量?？傊皵z影測(cè)量是攝影測(cè)量學(xué)的一個(gè)分支。3.9.1近景攝影測(cè)量的攝影方法和基本公式1.近景攝影測(cè)量常用坐標(biāo)系像平面坐標(biāo)系o-xz

；像空間坐標(biāo)系S-xyz：物方坐標(biāo)D-XYZ

；攝測(cè)坐標(biāo)系S-XYZ

2.近景攝影測(cè)量的攝影方式正直攝影、等偏攝影、交向攝影、等傾攝影3.9.2近景攝影測(cè)量的量測(cè)用攝影機(jī)

瑞士原WildP31型量測(cè)攝影機(jī)P31型攝影機(jī)像幅較小，為102mm×127mm，攝影材料為玻璃干板或單張軟片。附有墊環(huán)（共有七個(gè)），用來(lái)改變主距，以適應(yīng)不同目標(biāo)的攝影。例如焦距為100mm的P31型攝影機(jī)，其標(biāo)準(zhǔn)調(diào)焦距為25m，通過(guò)七個(gè)墊環(huán)，調(diào)焦距分別為7m、4m、2.5m、2.1m、1.8m、1.6m和1.4m。物鏡光圈和曝光時(shí)間可調(diào)節(jié)，配有同步攝影的快門(mén)裝置。Photheo19/1318型量測(cè)攝影機(jī)UMK型量測(cè)攝影機(jī)3.9.3量測(cè)用立體攝影機(jī)3.9.4非量測(cè)攝影機(jī)135型及120型普通照相機(jī)

佳能7D套機(jī)松下FH25(PanasonicFH25)3.9.5直接線性變換解法1.直接線性變換解法基本公式直接線性變換解法基本公式是由共線條件方程式推導(dǎo)而來(lái)。航測(cè)用的共線條件方程式為3.9.5直接線性變換解法2.L系數(shù)及畸變系數(shù)的解算直接線性變換解法的基本公式中只改正了線性誤差，若還需要改正非線性的物鏡畸變差

3.9.5直接線性變換解法3.內(nèi)方位元素的解算4.待定點(diǎn)空間坐標(biāo)的解算5.直接線性變換解法流程6.關(guān)于A值問(wèn)題7.外方位元素的解算8.直接線性變換中的兩個(gè)關(guān)系式3.9.6近景攝影測(cè)量中相對(duì)控制的應(yīng)用近景攝影測(cè)量由于所攝目標(biāo)距離較近，因此除了利用控制點(diǎn)作為控制條件外，還有條件布設(shè)和選用其他控制方式，這種除了控制點(diǎn)以外的其它控制方式，即為相對(duì)控制。工程中常用的相對(duì)控制有：某已知距離；位于某平面上的一些點(diǎn)；位于某直線上的一些點(diǎn)；某已知角度等。相對(duì)控制的引用，使控制手段多樣化，簡(jiǎn)化和減少了控制工作，提高了近景攝影測(cè)量的工作質(zhì)量。3.9.7XJTUDP系統(tǒng)簡(jiǎn)介

小結(jié)

本節(jié)主要針對(duì)數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)和近景攝影測(cè)量技術(shù)分開(kāi)講解，首先講解了數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的定義、分類(lèi)和要解決的主要問(wèn)題，數(shù)字影像的獲取和重采樣、解析基礎(chǔ)、影像匹配原理；其次，講解了最小二乘匹配的原理，基于特征點(diǎn)的影像匹配，數(shù)字影像糾正技術(shù)；最后，對(duì)近景攝影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行了探討和研究。第4章結(jié)構(gòu)光掃描測(cè)量技術(shù)

結(jié)構(gòu)光視覺(jué)測(cè)量方法的研究始于20世紀(jì)70年代，由激光三角法測(cè)量原理發(fā)展而來(lái)，是目前工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)廣泛應(yīng)用的一種視覺(jué)測(cè)量方法，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、圖像處理容易、實(shí)用性強(qiáng)及精度較高等優(yōu)點(diǎn)4.1.1結(jié)構(gòu)光視覺(jué)原理光點(diǎn)式結(jié)構(gòu)光測(cè)量方法需要通過(guò)逐點(diǎn)掃描物體進(jìn)行測(cè)量，圖像攝取和圖像處理需要的時(shí)間隨著被測(cè)物體的增大而急劇增加，難以完成實(shí)時(shí)測(cè)量。用線結(jié)構(gòu)光代替點(diǎn)光源，只需要進(jìn)行一維掃描就可以獲得物體的深度圖，圖像獲取和圖像處理的時(shí)間大大減少。4.1.1結(jié)構(gòu)光視覺(jué)原理結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器由結(jié)構(gòu)光投射器和攝像機(jī)組成。結(jié)構(gòu)光投射器將一定模式的結(jié)構(gòu)光投射于被測(cè)物表面，形成可視特征。根據(jù)機(jī)構(gòu)光模式的不同，常見(jiàn)的可是特征有激光點(diǎn)、單條激光條和多條相互平行的激光條等。攝像機(jī)采集被測(cè)物表面含有可視特征的圖像，傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行處理，解算可視特征中心的精確空間三維坐標(biāo)。4.1.2點(diǎn)結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器數(shù)學(xué)模型點(diǎn)結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器投射器發(fā)射出一束激光，在被測(cè)物表面形成光點(diǎn)

4.1.3線結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器數(shù)學(xué)模型采用線結(jié)構(gòu)光時(shí)，將二維的結(jié)構(gòu)光圖案投射到物體表面上，這樣不需要進(jìn)行掃描就可以實(shí)現(xiàn)三維輪廓測(cè)量，測(cè)量速度很快。線結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器的投射器發(fā)射出一個(gè)光平面，投射在被測(cè)物表面形成一條被調(diào)制的二維曲線，在曲線上采樣獲得被測(cè)點(diǎn)4.1.4多線結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器數(shù)學(xué)模型

多線結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器的投射器在空間射出多個(gè)平面光平面，光平面與被測(cè)物相交，形成多個(gè)被調(diào)制的二維曲線，在這些曲線上采樣獲得被測(cè)點(diǎn)4.1.5光柵投影傳感器數(shù)學(xué)模型將光柵圖案投射到被測(cè)物表面，受物體高度的調(diào)制，光柵條紋發(fā)生形變，這種變形條紋可解釋為相位和振幅均被調(diào)制的空間載波信號(hào)。采集變形條紋并且對(duì)其進(jìn)行解調(diào)可以得到包含高度信息的相位變化，最后根據(jù)三角法原理計(jì)算出高度，這類(lèi)方法又稱(chēng)為相位法?；谙辔粶y(cè)量的三維輪廓測(cè)量技術(shù)的理論依據(jù)也是光學(xué)三角法，但與光學(xué)三角法的輪廓術(shù)有所不同，它不直接去尋找和判斷由于物體高度變動(dòng)后的像點(diǎn)，而是通過(guò)相位測(cè)量間接地實(shí)現(xiàn)，由于相位信息的參與，使得這類(lèi)方法與單純光學(xué)三角法有很大區(qū)別。4.1.6結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器標(biāo)定方法結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器的標(biāo)定和攝像機(jī)模型參數(shù)的標(biāo)定和攝像機(jī)坐標(biāo)系與參考坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換關(guān)系的標(biāo)定，將攝像機(jī)的模型參數(shù)稱(chēng)為攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)，將攝像機(jī)坐標(biāo)系與參考坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換關(guān)系稱(chēng)為傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)。這里著重討論傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的標(biāo)定方法。視覺(jué)傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的標(biāo)定方法是：在攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)精確標(biāo)定的前提下，首先在空間設(shè)置能夠被攝像機(jī)捕獲的可視特征點(diǎn)，利用其它測(cè)量?jī)x器測(cè)出可視特征點(diǎn)在空間的精確位置關(guān)系，帶入到傳感器視覺(jué)模型，求解模型中的旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移矩陣T。傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的標(biāo)定方法主要有拉絲法、齒形靶標(biāo)法、基于交比不變的標(biāo)定方法和2D（3D立體）靶標(biāo)法。4.1.6結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器標(biāo)定方法1.拉絲法拉絲法是將結(jié)構(gòu)光投射到幾根不共面的細(xì)絲上，形成三個(gè)以上的共面亮點(diǎn)。采用其他的測(cè)量手段（如經(jīng)緯儀）測(cè)量亮點(diǎn)的精確三維空間坐標(biāo)，代入結(jié)構(gòu)光視覺(jué)成像模型算傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)。2.齒形靶標(biāo)法齒形靶標(biāo)法是一種利用簡(jiǎn)單一維工作臺(tái)和齒形靶標(biāo)標(biāo)定線結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的方法，稱(chēng)為齒形靶標(biāo)法。齒形靶標(biāo)法操作簡(jiǎn)單，速度快，對(duì)可見(jiàn)光和不可見(jiàn)光均適用。3.基于交比不變法清華大學(xué)的徐光祐教授和澳大利亞的Huynh教授分別在1995年和1999年提出利用交比不變性原理獲取標(biāo)定點(diǎn)的方法。利用一個(gè)至少含有3個(gè)共線點(diǎn)的靶標(biāo)，精確測(cè)量共線點(diǎn)的精確三維坐標(biāo)，使結(jié)構(gòu)光傳感器的光平面投射到靶標(biāo)平面，形成一條直線光條，光條與靶標(biāo)上共線點(diǎn)所在直線相交，交點(diǎn)必位于光平面上，利用交比不變性獲取交點(diǎn)的坐標(biāo)，從而標(biāo)定出傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)。4.基于共面靶標(biāo)標(biāo)定法基于共面靶標(biāo)的線結(jié)構(gòu)光傳感器快速標(biāo)定方法是，僅需要一個(gè)共同靶標(biāo)，通過(guò)攝像機(jī)投影中心及光條在攝像機(jī)像面上的信息，求解光平面內(nèi)兩條不重合的直線，得到光平面方程，從而標(biāo)定傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)的一種不需要輔助調(diào)整設(shè)備。4.2立體視覺(jué)測(cè)量立體視覺(jué)測(cè)量基于立體視差原理建立，利用空間相互關(guān)系已知的多個(gè)攝像機(jī)獲取同一被測(cè)場(chǎng)景的圖像，解算被測(cè)物體的三維幾何信息。立體視覺(jué)包括雙目立體視覺(jué)、三目立體視覺(jué)和多目立體視覺(jué)，其中雙目立體視覺(jué)是最簡(jiǎn)單的立體視覺(jué)模型，三目立體視覺(jué)和多目立體視覺(jué)可以看成是雙目立體視覺(jué)的擴(kuò)展，能夠以雙目立體視覺(jué)模型為基礎(chǔ)建立。4.2.1雙目立體視覺(jué)測(cè)量模型雙目立體視覺(jué)模仿人類(lèi)雙眼獲取三維信息，有兩個(gè)攝像機(jī)組成，如圖所示。兩個(gè)攝像機(jī)與被測(cè)物體在空間形成三角關(guān)系，利用空間點(diǎn)在兩個(gè)攝像機(jī)像平面上成像點(diǎn)坐標(biāo)求取空間點(diǎn)的三維坐標(biāo)。4.2.2雙目立體視覺(jué)傳感器標(biāo)定方法由雙目立體視覺(jué)測(cè)量模型可知，測(cè)量前需要預(yù)先標(biāo)定兩攝像機(jī)的內(nèi)參數(shù)和兩攝像機(jī)間的旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移矩陣T，這里著重討論在已知攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)的情況下，兩攝像機(jī)間的旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移矩陣T的標(biāo)定方法。通常采用三維精密靶標(biāo)或三維控制場(chǎng)實(shí)現(xiàn)傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的標(biāo)定。采用三維精密靶標(biāo)和三維精密控制場(chǎng)的原理相同，在兩攝像機(jī)的公共視場(chǎng)中設(shè)置控制點(diǎn)，利用外部三維坐標(biāo)測(cè)量裝置測(cè)量控制點(diǎn)三維坐標(biāo)或者給定基準(zhǔn)距離長(zhǎng)度，代入雙目立體視覺(jué)模型求解傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)。4.3單攝像機(jī)測(cè)量單攝像機(jī)測(cè)量是指利用單個(gè)攝像機(jī)對(duì)被測(cè)物單次成像，測(cè)得被測(cè)物三維幾何信息的測(cè)量方法。4.3.1單攝像機(jī)測(cè)量數(shù)學(xué)模型單攝像機(jī)測(cè)量是利用單個(gè)攝像機(jī)單次成像結(jié)合控制點(diǎn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)被測(cè)物體空間三維幾何信息測(cè)量的一種方法。測(cè)量過(guò)程中需要利用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的精密靶標(biāo)測(cè)頭。靶標(biāo)測(cè)頭上設(shè)置若干個(gè)控制點(diǎn)，在靶標(biāo)測(cè)頭的末端設(shè)置測(cè)量球，用于和被測(cè)物接觸。靶標(biāo)上的控制點(diǎn)可采用主動(dòng)發(fā)光方式，也可采用被動(dòng)反光方式。4.3.2控制點(diǎn)空間坐標(biāo)求解的多義性

利用3個(gè)控制點(diǎn)求解控制點(diǎn)A、B、C與投影中心O的距離時(shí)，由于方程組的非線性和約束不充分，最終可能得到兩組正解，4.4光束平差測(cè)量光束平差測(cè)量是基于成像光束空間交會(huì)的幾何模型建立的，以光束平差優(yōu)化算法為核心。通過(guò)攝像機(jī)在測(cè)量空間不同位置建立多個(gè)測(cè)站，從不同位姿對(duì)空間被測(cè)點(diǎn)采集測(cè)量圖像，由高精度圖像處理和同名像點(diǎn)自動(dòng)配準(zhǔn)技術(shù)獲取光束平差的迭代條件，然后通過(guò)光束平差優(yōu)化算法求解出被測(cè)點(diǎn)精確的空間三維坐標(biāo)。4.4.1光束平差測(cè)量數(shù)學(xué)模型攝像機(jī)在不同測(cè)站下對(duì)同一點(diǎn)的成像光束在空間中必然相交于一點(diǎn)，光束平差測(cè)量正是以此為基礎(chǔ)建立的。4.4.2平差初值的獲取在具體的解算過(guò)程中，平差初值的選取十分重要，是光束平差測(cè)量能否實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。平差初值主要分為3種：①攝像機(jī)在各測(cè)站下的位置姿態(tài)初值；②被測(cè)點(diǎn)三維坐標(biāo)初值；③攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)初值。在平差優(yōu)化過(guò)程中將對(duì)攝像機(jī)的內(nèi)部參數(shù)和位姿參數(shù)、測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)同時(shí)進(jìn)行優(yōu)化，并最終同時(shí)得到攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)精確值，這個(gè)過(guò)程也稱(chēng)為攝像機(jī)自標(biāo)定過(guò)程。如果攝像機(jī)在各測(cè)站下的位置姿態(tài)初值已知，則可以利用雙目立體視覺(jué)模型將被測(cè)點(diǎn)在空間的三維坐標(biāo)初值解算出來(lái)。因此，在光束平差的3種初值中，攝像機(jī)在各測(cè)站下的位置姿態(tài)初值的獲取是最關(guān)鍵、最核心的問(wèn)題。攝像機(jī)在各測(cè)站下的位置姿態(tài)初值的獲取問(wèn)題稱(chēng)為攝像機(jī)的初始定向問(wèn)題。上圖所示的是一個(gè)10位的環(huán)形編碼標(biāo)志。編碼標(biāo)志中心的圓稱(chēng)為定位圓，用于提供編碼標(biāo)志的位置信息；周?chē)沫h(huán)形扇形區(qū)域稱(chēng)為編碼段，用來(lái)提供編碼標(biāo)志的編碼值信息。每個(gè)編碼標(biāo)志均對(duì)應(yīng)唯一的一個(gè)編碼值，在測(cè)量圖像中，能夠通過(guò)編碼標(biāo)志自身的編碼值實(shí)現(xiàn)同名編碼標(biāo)志的匹配。4.5數(shù)字化視覺(jué)精密測(cè)量系統(tǒng)

數(shù)字化視覺(jué)精度測(cè)量是數(shù)字近景近景攝影測(cè)量、數(shù)字化成像技術(shù)以及工業(yè)應(yīng)用需求相互作用、相互促進(jìn)的結(jié)果。該方法利用單臺(tái)或多臺(tái)高分辨率數(shù)字相機(jī)在不同的位置對(duì)已知空間坐標(biāo)的控制點(diǎn)（ControlPoint/GroundPoint）和被測(cè)點(diǎn)進(jìn)行成像，利用控制點(diǎn)和被測(cè)點(diǎn)的成像特征定位信息，根據(jù)攝影測(cè)量中的共線方程，建立同名點(diǎn)對(duì)應(yīng)光束的交會(huì)約束關(guān)系，經(jīng)由優(yōu)化算法求解出獲取被測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息和被測(cè)體的三維形貌。與常規(guī)的視覺(jué)測(cè)量不同，三維光學(xué)檢測(cè)具有大視場(chǎng)、大景深、高精度（相對(duì)測(cè)量精度）、信息量大、算法復(fù)雜等特點(diǎn)。4.5.1測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)成數(shù)字化視覺(jué)精密測(cè)量系統(tǒng)一般由數(shù)字圖像采集裝置（數(shù)字相機(jī)及其附件）、外部方位裝置（EO）、比例基準(zhǔn)尺（ReferenceScaleBar）、編碼特征點(diǎn)(CodedTarget)、控制點(diǎn)(ContrloTarget)、