逆向工程數(shù)據(jù)處理的簡(jiǎn)化方法

幸 鑫

逆向工程數(shù)據(jù)處理的簡(jiǎn)化方法

幸 鑫

（重慶科創(chuàng)職業(yè)學(xué)院，重慶 402160）

文章所指的工程是反向創(chuàng)造的過(guò)程，即從現(xiàn)有的部分?jǐn)?shù)據(jù)通過(guò)使用掃描或測(cè)量裝置重建其現(xiàn)有的部分。三維激光掃描儀已經(jīng)變得更加準(zhǔn)確、數(shù)據(jù)采集的速度急劇增加。但是，它每秒產(chǎn)生數(shù)千點(diǎn)，處理大量的數(shù)據(jù)是一個(gè)大問(wèn)題。因此,必須減少獲得點(diǎn)數(shù)據(jù),并將它轉(zhuǎn)換成生產(chǎn)過(guò)程所需的格式。本文提出的方法可以有效地減少點(diǎn)數(shù)據(jù)的數(shù)量，同時(shí)保持精度。

減少點(diǎn)數(shù)據(jù)；逆向工程；三維激光掃描儀；均勻和非均勻網(wǎng)格方法

一、激光掃描逆向工程

逆向工程過(guò)程包括點(diǎn)數(shù)據(jù)采集、噪聲過(guò)濾、數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化/排列/注冊(cè)、分割、曲線/曲面擬合和三維表面模型生成[1]。數(shù)據(jù)采集被認(rèn)為是反求工程的關(guān)鍵步驟，因?yàn)樵紨?shù)據(jù)的質(zhì)量決定了結(jié)果表面的質(zhì)量。一旦原始數(shù)據(jù)在掃描過(guò)程中產(chǎn)生噪聲數(shù)據(jù)點(diǎn)，即所謂的離群值或峰值,必須通過(guò)刪除、平滑和合并等預(yù)處理予以消除，從而提高點(diǎn)數(shù)據(jù)的質(zhì)量。消除峰值的方法如下：

（1）考慮兩個(gè)連續(xù)點(diǎn)之間的角度,并且與前一個(gè)大于給定值的點(diǎn)成一個(gè)角。

（2）峰值點(diǎn)可以移到中值。

（3）在允許的距離內(nèi)，點(diǎn)可以沿指定的軸向上或向下移動(dòng)到指定的水平位置[2]。

刪除峰值之后，應(yīng)考慮掃描裝置的特性來(lái)執(zhí)行數(shù)據(jù)縮減方法。

1.三維激光掃描儀

3D激光掃描裝置獲取部分表面信息，通過(guò)激光束從表面發(fā)射和CCD相機(jī)感應(yīng)來(lái)接收。激光束通?？煞譃辄c(diǎn)型和條型，條型掃描儀照射到表面上可以得到多個(gè)點(diǎn)，而點(diǎn)型掃描儀一次只能獲得一個(gè)點(diǎn)。根據(jù)配置不同，激光掃描設(shè)備可分為三類，如圖1所示。

圖1 激光掃描設(shè)備分類

當(dāng)激光探頭掃描一個(gè)物體時(shí)，由CCD相機(jī)感測(cè)到的光線作為強(qiáng)度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在像素中，然后通過(guò)圖像處理和三角測(cè)量方法將此信息轉(zhuǎn)換為掃描點(diǎn)的三維坐標(biāo)。圖2顯示了三角測(cè)量法的原理。

圖2 三角測(cè)量方法

圖3 掃描操作

本文中使用的激光掃描儀屬于第一種類型，它使用一個(gè)探測(cè)器，沿著圖3所示的掃描路徑移動(dòng)時(shí)發(fā)出一系列激光條紋。三維點(diǎn)坐標(biāo)x和y是根據(jù)探頭直接由運(yùn)輸機(jī)構(gòu)控制的位置獲得，此時(shí)x和y值是可靠的，但一般的z值顯示精度差，因?yàn)閆值由CCD攝像機(jī)處理檢測(cè)射線測(cè)定，Z軸的誤差范圍從0.01mm到0.10mm，主要取決于掃描設(shè)備的質(zhì)量。因此，由激光掃描儀產(chǎn)生點(diǎn)云數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)該控制z軸誤差以產(chǎn)生精確的表面。

2.使用均勻網(wǎng)格的點(diǎn)數(shù)據(jù)縮減方法

通過(guò)將數(shù)據(jù)劃分為網(wǎng)格并從每個(gè)網(wǎng)格中采樣代表點(diǎn)，可以減少點(diǎn)數(shù)據(jù)的數(shù)量。由于激光掃描儀的特點(diǎn)，z值誤差大，所以在網(wǎng)格中使用中值濾波。首先，網(wǎng)格面是由與掃描方向垂直的大小相同的網(wǎng)格組成，數(shù)據(jù)縮減率由網(wǎng)格大小決定，網(wǎng)格尺寸越小，整個(gè)點(diǎn)云中采樣的點(diǎn)越多。在創(chuàng)建一個(gè)均勻的網(wǎng)格平面之后，所有的點(diǎn)都被投影到網(wǎng)格平面上，并且每個(gè)網(wǎng)格被分配相應(yīng)的點(diǎn)。其次，從每個(gè)網(wǎng)格中選擇一個(gè)點(diǎn)中位數(shù)篩選規(guī)則[3]。每個(gè)網(wǎng)格中的點(diǎn)按照到網(wǎng)格平面的距離進(jìn)行排序，并選擇一個(gè)位于中間的點(diǎn)，如圖4所示。

使用均勻網(wǎng)格的中值濾波，那些被認(rèn)為是噪聲的點(diǎn)很可能被丟棄。如果掃描的表面垂直于掃描方向，則該方法表現(xiàn)出更好的性能。這種方法對(duì)于保持原始點(diǎn)的數(shù)據(jù)是很好的，因?yàn)樗x擇點(diǎn)而不是改變點(diǎn)的位置。均勻網(wǎng)格法特別適用于表面相對(duì)簡(jiǎn)單的零件必須快速減少數(shù)據(jù)的情況。

圖4 均勻網(wǎng)格方法

二、使用非均勻網(wǎng)格的數(shù)據(jù)縮減方法

應(yīng)用均勻網(wǎng)格法時(shí)，由于沒(méi)有考慮零件的形狀，所以零件形狀急劇變化的一些點(diǎn)，可能會(huì)丟失。本文提出了非均勻網(wǎng)格方法，其中網(wǎng)格的大小可以根據(jù)零件的形狀而變化。根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)的特點(diǎn)提出了兩種非均勻網(wǎng)格方法：?jiǎn)蜗蚝碗p向。

1.單向非均勻網(wǎng)格法

在單向非均勻網(wǎng)格法中，使用角度偏差法從部件表面獲取的點(diǎn)云中采樣，如圖5所示，角度偏差法根據(jù)由連續(xù)的三個(gè)點(diǎn)構(gòu)成的矢量，例如（x1，y1），（x2，y2），（x3，y3）計(jì)算的角度來(lái)選擇點(diǎn)。

圖5 角度偏差法

角度表示曲率，當(dāng)角度小時(shí)曲率小，反之[4]，使用這些角度，可以提取高曲率的點(diǎn)。由角度偏差提取的點(diǎn)表示高曲率區(qū)域，并且在數(shù)據(jù)縮減期間必須保留它們以精確地表示零件形狀。因此，如圖6（a）所示，在使用角度偏差法提取點(diǎn)之后，根據(jù)提取的點(diǎn)來(lái)劃分沿v方向的網(wǎng)格，在劃分網(wǎng)格時(shí)，如果網(wǎng)格大于用戶預(yù)定的最大尺寸，則進(jìn)一步劃分網(wǎng)格以使其不超過(guò)最大網(wǎng)格尺寸圖6（b）。然后，將中值濾波應(yīng)用于每個(gè)網(wǎng)格中的點(diǎn)。與均勻網(wǎng)格方法相比，該方法在保持零件形狀精度的同時(shí)能夠更有效地減少點(diǎn)數(shù)據(jù)。

圖6 單向不均勻網(wǎng)格生成

（2）雙向非均勻網(wǎng)格法

在雙向非均勻網(wǎng)格法中，計(jì)算各個(gè)點(diǎn)的法向矢量，并根據(jù)這些信息進(jìn)行數(shù)據(jù)縮減。首先，在確定點(diǎn)的法向矢量時(shí)，使用相鄰三角形的法向矢量。如圖7所示，對(duì)于點(diǎn)p，六個(gè)相鄰存在三角形，并且點(diǎn)N的正常值可以使用式（1）。

圖7 正常值計(jì)算

在計(jì)算所有點(diǎn)的法向量時(shí)，生成網(wǎng)格平面，網(wǎng)格大小由用戶定義并取決于給定零件形狀的預(yù)期數(shù)據(jù)縮減率。如果需要大量減少點(diǎn)數(shù)據(jù)，網(wǎng)格的大小將會(huì)增加；反之，通過(guò)投影網(wǎng)格平面上的點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的每個(gè)網(wǎng)格的點(diǎn)被分組，并且這些點(diǎn)的正常值被平均。作為網(wǎng)格細(xì)分的標(biāo)準(zhǔn)，使用點(diǎn)正常值的標(biāo)準(zhǔn)偏差?？紤]到部件形狀和期望的點(diǎn)數(shù)據(jù)縮減比率，標(biāo)準(zhǔn)偏差的水平是預(yù)定的。如果網(wǎng)格中的標(biāo)準(zhǔn)偏差很大，則表示與網(wǎng)格相對(duì)應(yīng)的零件幾何形狀是復(fù)雜的，因此需要進(jìn)一步細(xì)分網(wǎng)格以便采樣更多的點(diǎn)。如果網(wǎng)格的標(biāo)準(zhǔn)偏差大于給定值，則網(wǎng)格被細(xì)分為四個(gè)單元格。這個(gè)過(guò)程重復(fù)進(jìn)行，直到網(wǎng)格的標(biāo)準(zhǔn)偏差小于給定值，或者網(wǎng)格尺寸達(dá)到用戶指定的最小限度。與單向方法相比，這種雙向方法提取更多點(diǎn)，從而更準(zhǔn)確地表示零件的形狀。

三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

提出了基于非均勻網(wǎng)格的點(diǎn)數(shù)據(jù)縮減方法，使用不同類型的零件表面進(jìn)行了測(cè)試。在應(yīng)用簡(jiǎn)化算法之前，從初始點(diǎn)云中去除異常值或峰值。

1.均勻網(wǎng)格到簡(jiǎn)單的表面

在討論所提出的數(shù)據(jù)縮減方法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果之前，使用均勻網(wǎng)格方法來(lái)顯示由激光掃描儀獲得的點(diǎn)云的中值濾波的有效性。表1中總結(jié)了原始點(diǎn)云均勻網(wǎng)格和均勻采樣點(diǎn)的平滑度和點(diǎn)數(shù)。

表1 平滑度的比較

結(jié)果表明，使用中值濾波將z軸上的點(diǎn)云誤差范圍降至最小。

2.非均勻網(wǎng)格自由曲面

由于網(wǎng)格大小的靈活性，非均勻網(wǎng)格方法更有效地處理自由形狀的物體，如較小的網(wǎng)格用于高度彎曲和細(xì)節(jié)的區(qū)域，較大的網(wǎng)格用于平面和接近平面的區(qū)域。為便于比較，其他數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化方法也適用于同一模型，結(jié)果匯總在表2中。

表2 樣品偏差匯總表（單位：mm）

隨著縮減比的增加，縮減點(diǎn)數(shù)據(jù)組與原始模型的偏差更大，然而對(duì)于所有級(jí)別的減少，雙向非均勻網(wǎng)格方法顯示的偏差比其他方法更少。而且即使增加減少，考慮精確度和點(diǎn)數(shù)，確定最佳的數(shù)據(jù)縮減率取決于在零件形狀上。雖然每個(gè)方法只有一個(gè)自由形式模型被測(cè)試，但是這個(gè)研究證明了非均勻網(wǎng)格方法在減少自由形狀零件的點(diǎn)云數(shù)據(jù)方面的有效性。

四、結(jié)論

本文研究了用激光掃描儀采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)的過(guò)程，隨著掃描設(shè)備技術(shù)的提高，數(shù)據(jù)采集的速度可能會(huì)增加，這將必須自動(dòng)增加點(diǎn)數(shù)據(jù)量的處理。從激光掃描中出現(xiàn)的零件形狀和z軸誤差的角度出發(fā)，提出并實(shí)現(xiàn)了采用單向或雙向不均勻網(wǎng)格的數(shù)據(jù)壓縮方法。將所提出的方法應(yīng)用于具有自由形狀的樣本模型，并將結(jié)果與其他常規(guī)方法進(jìn)行比較分析，所提出的方法證明了可以在保持點(diǎn)數(shù)據(jù)質(zhì)量的同時(shí)有效地執(zhí)行減少。

[1]B. L .Curless. “New Methods for Surface Reconstruction from Range Images”，PhD thesis[M].Stanford University，1997.

[2]Data Sculpt User’s Manual Version 4.0[Z].Laser Design，1995.

[3]A. D. Marshall and R. R. Martin. Computer Vision Models and Inspection[J].World Scienti?c，1993.

[4]B. Hamann and J. Chen. Data point selection for piecewise linear curve approximation[J].Computer Aided Geometric Design，1994(11): 289–301.

Simplified Methods for Data Processing in Reverse Engineering

XING Xin

(Chongqing Creation Vocational College, Chongqing 402160, China)

The project referred in this article is the reverse-created process which means to reconstruct its existing part by existing partial data through using scanning or measuring equipment[1]. 3D laser scanners have become more accurate and the speed of data acquisition has dramatically increased. However, there is a big problem that it generates thousands of points per second and handles large amount of data. Therefore, in order to reduce the number of points obtained and convert it to the format required by the production process, this paper proposes a method can effectively reduce the amount of point data while maintaining the accuracy.

reduced point data; reverse engineering; 3D laser scanner; uniform and non-uniform grid method.

TP391.7

A

1008—6129（2018）01—0097—05

2018—01—08

幸鑫（1991—），女，重慶人，重慶科創(chuàng)職業(yè)學(xué)院，助教。