1逆向工程关键技术.docx

1逆向工程关键技术.docx

《1逆向工程关键技术.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《1逆向工程关键技术.docx（22页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

1逆向工程关键技术

1逆向工程关键技术

1.3逆向工程中的关键技术

1.3.1数据采集技术

目前，用来采集物体表面数据的测量设备和方法多种多样，其原理也各不相同。

测量方法的选用是逆向工程中一个非常重要的问题。

不同的测量方式，不但决定了测量本身的精度、速度和经济性，还造成测量数据类型及后续处理方式的不同。

根据测量探头是否和零件表面接触，逆向工程中物体表面数字化三维数据的采集方法基本上可以分为接触式（Contact）和非接触式（Non-contact）两种。

接触式包括三坐标测量机（CoordinateMeasuringMachining，CMM）和关节臂测量机；而非接触式主要有基于光学的激光三角法、激光测距法、结构光法、图像分析法以及基于声波、磁学的方法等。

这些方法都有各自的特点和应用范围，具体选用何种测量方法和数据处理技术应根据被测物体的形体特征和应用目的来决定。

目前，还没有找到一种完全使用于工业设计逆向测量方法。

各种数据采集方法分类如图1.3所示。

在接触式测量方法中，CMM是应用最为广泛的一种测量设备；CMM通常是基于力-变形原理，通过接触式探头沿样件表面移动并与表面接触时发生变形，检测出接触点的三维坐标，按采样方式又可分为单点触发式和连续扫描式两种。

CMM对被测物体的材质和色泽没有特殊要求，可达到很高的测量精度（±0.5μm），对物体边界和特征点的测量相对精确，对于没有复杂内部型腔、特征几何尺寸多、只有少量特征曲面的规则零件反求特别有效。

主要缺点是效率低，测量过程过分依赖于测量者的经验，特别是对于几何模型未知的复杂产品，难以确定最优的采样策略与路径。

图1.3逆向工程数据采集方法分类

随着电子技术、计算机技术的发展，CMM也由以前的机械式发展为目前的计算机数字控制（CNC）型的高级阶段。

目前，智能化是CMM发展的方向。

智能测量机的研究是利用计算机内的知识库与决策库确定测量策略，其关键技术包括零件位置的自动识别技术、测量决策智能化和测量路径规划、CAD/CAM集成技术等。

随着快速测量的需求及光电技术的发展，以计算机图像处理为主要手段的非接触式测量技术得到飞速发展，该方法主要是基于光学、声学、磁学等领域中的基本原理，将一定的物理模拟量通过适当的算法转化为样件表面的坐标点。

一般常用的非接触式测量方法分为被动视觉和主动视觉两大类。

被动式方法中无特殊光源，只能接收物体表面的反射信息，因而设备简单，操作方便，成本低，可用于户外和远距离观察中，特别适用于由于环境限制不能使用特殊照明装置的应用场合，但算法较复杂；主动方法使用一个专门的光源装置来提供目标周围的照明，通过发光装置的控制，使系统获得更多的有用信息，降低问题难度。

被动式非接触测量的理论基础是计算机视觉中的三维视觉重建。

根据可利用的视觉信息，被动视觉方法包括由明暗恢复形状（ShapeFromShading，SFS）、由纹理恢复形状、光度立体法、立体视觉和由遮挡轮廓恢复形状等，其中在工程中应用较多的是后两种方法。

立体视觉又称为双目视觉或机器视觉，其基本原理是从两个（或多个）视点观察同一景物，以获取不同视角下的感知图像，通过三角测量原理计算图像像素间的位置偏差（即视差）来获取景物的三维信息，这一过程与人类视觉的立体感知过程是类似的。

双目立体视觉的原理如图1.4所示，其中P是空间中任意一点，C1、C2是两个摄像机的焦点，类似于人的双眼，P1、P2是P点在两个成像面上的像点。

空间点P、C1、C2形成一个三角形，且连线C1P与像平面交于P1点，连线C1P与像平面交于P2点。

因此，若已知像点p1、p2，则连线C1P1和C2P2必交于空间点P，这种确定空间点坐标的方法称为三角测量原理。

图1.4立体视觉原理图

一个完整的立体视觉系统通常由图像获取、摄像机标定、特征提取、立体匹配、深度确定和内插6部分组成。

由于它直接模拟了人类视觉的功能，可以在多种条件下灵活地测量物体的立体信息；而且通过采用高精度的边缘提取技术，可以获得较高的空间地位精度（相对误差为1%~2%），因此在计算机被动测距中得到广泛应用。

但立体匹配始终是立体视觉中最重要的也是最困难的问题，其有效性有赖于三个问题的解决，即选择正确的匹配特征，特征间的本质属性及建立能正确匹配所选特征的稳定算法。

虽然已提出了大量各具特色的匹配算法，但场景中光照、物体的几何形状与物理性质、摄像机特性、噪声干扰和畸变等诸多因素影响，至今仍未有很好地解决。

利用图像平面上将物体与背影分割开来的遮挡轮廓信息来重构表面，称为遮挡轮廓恢复形状，其原理如图1.5中所示。

将视点与物体的遮挡轮廓线相连，即可构成一个视锥体。

当从不同的视点观察时，就会形成多个视锥体，物体一定位于这些视锥体的共同交集内。

因此，通过体相交法，将各个视锥体相交便得到了物体的三维模型。

图1.5体相交法原理

遮挡轮廓恢复形状方法通常由相机标定、遮挡轮廓提取以及物体与轮廓间的投影相交三个步骤完成，而且遮挡轮廓恢复形状方法在实现时仅涉及基本的矩阵运算，因此具有运算速度快、计算过程稳定、可获得物体表面致密点集的优点。

缺点是精度较低，难以达到工程实用的要求，目前多用于计算机动画、虚拟现实模型、网上展示等场合，而且该方法无法应用于某些具有凹陷表面的物体。

如美国Immersion公司开发了Lightscribe系统，该系统由摄像头、背景屏幕、旋转平台及软件系统组成。

首先对放置在自动旋转平台上的物体进行摄像，将摄得的图像输入软件后利用体相交技术可自动生成物体的三维模型，但对于物体表面的一些局部细节和凹陷区域，该系统还需要结合主动式的激光扫描进行细化。

在主动式方法中，除了激光以外，也可以采用光栅或白光源投影。

投影光栅发的基本思想是把光栅投影到被测物体表面上，受到被测物体表面高度的调制，光栅投影线发生变形，变形光栅携带了物体表面的三维信息，通过解调变形的光栅影线，从而得到被测表面的高度信息，其原理如图1.7中所示。

入射光线P照射到参考平面上的A点，放上被测物体后，P照射到物体上的B点，此时从图示方向观察，A点就移动到新的位置C点，距离AC就携带了物体表面的高度信息Z=h（x,y），即高度受到了表面形状的调制。

按照不同的解调原理，就形成了诸如莫尔条纹法、傅里叶变换轮廓法和相位测量法等多种投影光栅的方法。

图1.7投影光栅法原理图

投影光栅法的主要优点是测量范围大、速度快、成本低、且精度较高（±0.04㎜）；缺点是只能测量表面起伏不大较平坦的物体，对于表面变化剧烈的物体，在陡峭处往往会发生相位突变，使测量精度大大降低。

总的来说，精度与速度是数字化方法最基本的指标。

数字化方法的精度决定了CAD模型的精度及反求的质量，测量速度也在很大程度上影响着反求过程的快慢。

目前，常用的各种方法在这两方面各有优缺点，且有一定的适用范围，所以在应用是应根据被测物体的特点及对测量精度的要求来选择对应的测量方法。

在接触式测量方法中，CMM是应用最广泛的一种测量设备；而在非接触式测量方法中，结构光法被认为是目前最成熟的三维形状测量方法，在工业界广泛应用，德国GOM公司研发的ATOS测量系统及Steinbicher公司的COMET测量系统都是这种方法的典型代表。

表1.1对CMM与激光扫描数字化测量方法进行了全面比较，从表中可以清楚的看出，每一种测量方法都有其优势与不足，在实际测量中，两种测量技术的结合将能够为逆向工程带来很好的弹性，有助于逆向工程的进行。

表1.1三坐标测量和激光扫描测量优缺点比较

三坐标测量数据采集

激活扫描测量数据采集

优点

●数据收集精度高；

●可使用的技术广泛；

●具备在一定遮挡场合进行数据收集的能力；

●收集的离散点集CAD软件处理容易；

●不会破坏数字化对象

●数字化速度快，整个测量过程时间短；

●收集的数据密度大，有助于改善建模的可视化和细节分析

●无须过多的数据收集预先规划；

●不破坏数字化对象；

●可以对柔软或易碎对象进行测量

缺点

●测量过程周期长，探头半径补偿繁琐；

●不能对物体内部实现测量；

●对软工件或易碎件实现测量的能力有限；

●测量前必须制定相应的测量规划和策略；

●探头的半径大小限制了对工件细部特征的测量

●要实现对高反射光或发散光的工件表面进行测量，需要使用着色剂；

●不能对物体内部或者被遮挡的几何特征进行测量；

●许多CAD软件往往不易处理测量所获取的高密度离散几何数据；

●技术成本高；

●扫描设备需要与被测对象隔开一定的距离，增大整个系统的工作空间

目前，除了充分发挥现有数字化方法的特点与优势外，一个重要的研究方向就是以传感器规划和信息融合为基础，开发多种数字化方法的联合使用方法与集成系统，其中CMM与视觉方法的集成由于在测量速度，精度与物理特性等方面具有较强的互补性，是目前最具有发展前景的集成数字方法。

但如何提高集成过程中的自动化、智能化程度，以下一些关键问题值得进一步研究：

（1）基于视觉技术的边界轮廓和物体特征的识别方法；

（2）CMM智能化测量技术；

（3）高效的多传感器数据融合方法；

（4）考虑后续的模型重建的要求，数字化过程与表面重构的集成化研究。

1.3.2CAD建模技术

产品的三维CAD建模是指从一个已有的物理模型或者实物零件产生出相应的CAD模型的过程，包括物体离散数据点的网格化、特征提取、表面分片和曲面生成等，是整个逆向过程中最关键、最复杂的一环，也为后续的工程分析、创新设计和加工制造等应用提供数学模型支持。

其内容涉及计算机、图像处理、图形学、计算几何、测量和数控加工等众多交叉学科和工程领域，是国内外学术界，尤其是CAD/CAM领域广泛关注的热点和难度问题。

在实际的产品中，只由一张曲面构成的情况不多，产品往往有多张曲面混合而成。

由于组成曲面类型不同，因此，CAD模型重建的一般步骤：

先根据几何特征对点云数据进行分割，然后分别对各个曲面片进行拟合，再通过曲面的过渡、相交、裁剪、倒圆、等手段，将多个曲面“缝合”成一个整体，即重建的CAD模型。

在逆向工程应用初期，由于没有专用的逆向软件，只能选择一些正向的CAD系统来完成模型的重建；后来，为满足复杂曲面重建的要求，一些软件商在其传统CAD系统里集成了逆向造型模块，如Pro/Scan-tools、PointCloudy等；而伴随着逆向工程及其相关技术理论研究的深入进行及其成果商业应用的广泛展开，大量的商业化专用逆向工程CAD建模系统不断涌现。

当前，市场上提供了逆向建模功能的系统达数十种之多，较具代表性的有EDS公司的ImagewareGeomagic公司的GeomagicStudio、Paraform公司的Paraform、PTC公司的ICEMSurf、DELCAM公司的CopyCAD软件以及国内浙江大学的Re-Soft等。

1.逆向工程CAD系统的分类

1）根据CAD系统提供方式分类

以测量数据点为研究对象的逆向工程技术，其逆向软件的开发经历了两个阶段。

第一阶段是一些商品化的CAD/CAM软件集成进专用的逆向模块，典型的如PTC的Pro/Scan-tools模块、CATIA的QSR/GSD/DSE/FS模块及UG的Pointcloudy功能等。

随着市场需求的增长，这些有限的功能模块已不能满足数据处理、造型等逆向技术的要求；第二阶段是专用的逆向软件开发，目前面世的产品类型已达数十种之多，典型的如Imageware,Geomagic,Polyworks,CopyCAD,ICEMSurf和RE-Soft等。

2）根据CAD系统建模特点与策略分类

根据CAD系统提供方式的分类多少显得有些笼统，难以为逆向软件的类型提供更为明确的指导，因为逆向CAD建模通常都是曲面模型的构建，对CAD系统的曲面、曲面处理功能要求较高