李永生 薛超仁 楊鵬飛

摘要：結(jié)合汽車發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程，通過雙目視覺采集技術(shù)獲取發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋A表面數(shù)據(jù)；通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)及修復(fù)處理實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)優(yōu)化；通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)空間定位實(shí)現(xiàn)曲面重構(gòu)特征創(chuàng)建及點(diǎn)云空間修復(fù)；通過曲面重構(gòu)實(shí)現(xiàn)基本曲面和過渡曲面的數(shù)模創(chuàng)建；最后通過重構(gòu)曲面誤差分析確定重構(gòu)曲面的準(zhǔn)確性。經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證，該方法能夠明顯縮短汽車A表面設(shè)計(jì)開發(fā)周期，大大提高汽車發(fā)動(dòng)機(jī)A表面重構(gòu)精度，為曲線和曲面重構(gòu)提出一種新的解決流程。

關(guān)鍵詞：逆向工程 精簡(jiǎn)與修復(fù) 空間定位 曲面重構(gòu) 誤差分析

BASED ON THE POINT CLOUD DATA IN REVERSE DESIGN MOTHOD OF AUTOMOBILE ENGINE COVER

Abstract：Combined with the automobile engine cover product design process， through the binocular vision acquisition technology， obtain the engine cover A surface data； 他、through point cloud data simplification and repair processing point cloud data optimization； Through point cloud data space positioning to achieve surface reconstruction of point cloud space feature creation and repair； through the realization of the basic curve surface reconstruction and transition curved surface model is created； finally through the surface reconstruction error analysis to determine the accuracy of surface reconstruction.It is verified by practice， this method can obviously shorten design period of automobile A surface， greatly improve the automobile engine A surface reconstruction precision for curve and surface reconstruction， this paper proposes a new solving process.

Key words：reverse engineering； simplification and repair； spatial orientation； surface reconstruction； error analysis.

“逆向工程”又稱反求工程，它與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)過程存在質(zhì)的不同。它是指在沒有設(shè)計(jì)圖紙或者設(shè)計(jì)圖紙不完整以及沒有CAD模型的情況下，利用3維數(shù)字化測(cè)量?jī)x測(cè)量出Sample（即零件原形或者塑造出的模型）表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查、修復(fù)、精簡(jiǎn)與定位之后，再對(duì)自由曲面進(jìn)行特征識(shí)別，包括樣件特征分析與分級(jí)及點(diǎn)云特征提取，然后傳至CAD/ CAM 系統(tǒng)，進(jìn)行自由曲面的重構(gòu)。

隨著新技術(shù)的廣泛應(yīng)用，特別是將“逆向工程”技術(shù)應(yīng)用于汽車車身造型階段，它可以快速地提供樣品的外形特征，從而能夠?qū)ζ鋷缀瓮庑芜M(jìn)行修改，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的快速改形，加快設(shè)計(jì)進(jìn)程，縮短生產(chǎn)周期，使之滿足多樣化、個(gè)性化、系列化等方面的需求。針對(duì)汽車結(jié)構(gòu)主要由自由曲面和過渡曲面組成這一特征，逆向設(shè)計(jì)起到了至關(guān)重要的作用。

1.點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取方法有接觸式數(shù)據(jù)采集法和非接觸式數(shù)據(jù)采集法，根據(jù)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋特征采用非接觸式采集方法——雙目視覺技術(shù)，該技術(shù)是基于視差原理并由多幅圖像獲取物體三維幾何信息的方法。雙目立體視覺系統(tǒng)一般由雙攝像機(jī)從不同角度同時(shí)獲得被測(cè)物的兩幅數(shù)字圖像，或由單攝像機(jī)在不同時(shí)刻從不同角度獲得被測(cè)物的兩幅數(shù)字圖像，并基于視差原理恢復(fù)出物體的三維幾何信息，重建物體三維輪廓及位置，其采集結(jié)果如圖1所示。

圖1 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集結(jié)果

2.點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理

由于實(shí)際測(cè)量過程中受到各種人為因素的影響，使得測(cè)量結(jié)果包含了噪聲，為了降低或消除噪聲對(duì)后續(xù)建模質(zhì)量的影響，有必要對(duì)測(cè)量“點(diǎn)數(shù)據(jù)”進(jìn)行預(yù)處理，目的是去除誤差或噪聲、數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)和抽取模型的特征信息，其預(yù)處理主要包括：點(diǎn)云數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)、點(diǎn)云數(shù)據(jù)修復(fù)和點(diǎn)云數(shù)據(jù)空間定位。

2.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)

數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)由于“點(diǎn)云”數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量非常大，并且存在大量的冗余數(shù)據(jù)，如此龐大的測(cè)量點(diǎn)集，會(huì)嚴(yán)重影響曲面重建的效率和質(zhì)量，因而有必要在滿足一定的條件下，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)化，減少數(shù)據(jù)的處理量。不同類型的“點(diǎn)云”可采用不同的精簡(jiǎn)方式，散亂“點(diǎn)云”可通過隨機(jī)采樣的方法來精簡(jiǎn)；掃描線“點(diǎn)云”和多邊形“點(diǎn)云”可采用等間距縮減、倍率縮減、等量縮減等方法；網(wǎng)格化“點(diǎn)云”可采用等分布密度法和最小包圍區(qū)域法進(jìn)行數(shù)據(jù)縮減。數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)操作只是簡(jiǎn)單的對(duì)原始“點(diǎn)云”中的點(diǎn)進(jìn)行了刪減，不產(chǎn)生新點(diǎn)。其精簡(jiǎn)處理過程如2所示：

圖2a 精簡(jiǎn)流程1 圖2b 精簡(jiǎn)流程

圖2c 精簡(jiǎn)流程3 圖2d 精簡(jiǎn)流程4

2.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)修復(fù)

通過geomagic studio11軟件實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云空洞修復(fù)。geomagic studio11軟件擁有一套直觀的多邊形編輯工具（包括一鍵式自動(dòng)網(wǎng)格修補(bǔ)工具）、交互式砂紙、曲率敏感光順和孔洞填補(bǔ)，即使在沒有完美的掃描數(shù)據(jù)的情況下，用戶依然可以創(chuàng)建出高質(zhì)量的三角網(wǎng)格面模型。智能簡(jiǎn)化工具在簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)后保證了高曲率區(qū)域的多邊形能購(gòu)創(chuàng)建更為有效的模型，該軟件修復(fù)點(diǎn)云空洞過程如圖3所示：

圖3a 精簡(jiǎn)后的點(diǎn)云數(shù)據(jù) 圖3b 點(diǎn)云數(shù)據(jù)修復(fù)結(jié)果

2.3點(diǎn)云空間定位

點(diǎn)云空間定位與調(diào)整參數(shù)化驅(qū)動(dòng)是通過將羅盤與點(diǎn)云數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)起來，通過調(diào)整羅盤的方位數(shù)據(jù)來調(diào)整點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并且配合對(duì)點(diǎn)云位置的判定，從而實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云的定位與調(diào)整。定位過程中需要預(yù)先新建一個(gè)參數(shù)化的點(diǎn)云定位工具文件，再與相關(guān)的數(shù)?；螯c(diǎn)云進(jìn)行裝配，利用參數(shù)驅(qū)動(dòng)點(diǎn)云的位置調(diào)整，或?qū)ふ覍?duì)稱中心面，根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)特征建立點(diǎn)云整體對(duì)稱中心點(diǎn)及點(diǎn)云特征局部坐標(biāo)系，其結(jié)果圖4所示：

圖4a 空間定位坐標(biāo)系創(chuàng)建 圖4b 點(diǎn)云數(shù)據(jù)空間位置轉(zhuǎn)換

3.點(diǎn)云曲面重構(gòu)

曲面重構(gòu)（亦稱曲面建模） 是實(shí)現(xiàn)逆向工程的重要環(huán)節(jié)，通過建?？梢詫㈦x散的測(cè)量數(shù)據(jù)重構(gòu)出連續(xù)變化的曲面。本文采用NURBS曲面重構(gòu)方法實(shí)現(xiàn)曲面重構(gòu)，對(duì)于u向k次v向1次的NURBS曲面重構(gòu)定為：

根據(jù)NURBS曲面插值公式，首先沿u向（ 這里是在切片方向） 對(duì)每個(gè)切片上的數(shù)據(jù)，把它們換算成帶權(quán)的型值點(diǎn)，再按照B樣條曲線的邊界條件及反算公式， 求出控制點(diǎn)；再把這些控制點(diǎn)看作v向的型值點(diǎn)，再沿v向按照B樣條曲線的邊界條件及反算公式進(jìn)行反算，求得Pij ，構(gòu)成控制網(wǎng)格。在反算過程中，應(yīng)用重節(jié)點(diǎn)端點(diǎn)條件，使特征多邊形的首、末頂點(diǎn)滿足型值點(diǎn)首、末端點(diǎn)的插值條件， 邊界條件取為自由端點(diǎn)條件，節(jié)點(diǎn)矢量按照累計(jì)弦長(zhǎng)法計(jì)算，得到控制網(wǎng)格進(jìn)行曲面重構(gòu)，其發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋曲面重構(gòu)結(jié)果如圖5所示：

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋曲面重構(gòu)結(jié)果

4.曲面重構(gòu)誤差分析

曲面重構(gòu)中控制點(diǎn)的改變對(duì)曲面形狀有很大影響， 對(duì)于一定的曲線， 控制點(diǎn)越少， 誤差越大，但隨著控制點(diǎn)數(shù)的不斷增加， 其誤差變化越來越小。對(duì)于長(zhǎng)度為200 mm 左右的曲線， 控制點(diǎn)一般在30～50 個(gè)較為適宜。表1為在點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集過程掃描的零件曲面精度隨控制點(diǎn)數(shù)的變化。

表1 控制點(diǎn)數(shù)與曲面精度關(guān)系

曲面重構(gòu)中控制頂點(diǎn)數(shù)的確定還應(yīng)考慮曲面的曲率半徑；對(duì)于一定曲率半徑， 增加控制點(diǎn)數(shù)量能使所重構(gòu)的自由曲面更加光順； 而在相同控制點(diǎn)的情況下， 曲率半徑越小則精度越高。表2為掃描不同曲率半徑的曲面所產(chǎn)生的誤差。

表2不同曲率半徑曲面的控制點(diǎn)數(shù)與曲面重構(gòu)精度

根據(jù)曲面重構(gòu)誤差來源，通過分析點(diǎn)云數(shù)據(jù)與曲面之間的最近距離，并列出之間的偏差量，利用Imagewarea軟件的檢測(cè)方法進(jìn)行分析， 如圖6所示，重構(gòu)的曲面與原始點(diǎn)云的誤差基本控制在0.005 mm 以下，這一曲面重構(gòu)精度不包含曲面配合邊界，該精度完全能夠滿足設(shè)計(jì)精度要求。

圖6 IMAGEWAREA發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋曲面誤差檢測(cè)結(jié)果

5.結(jié)論

本文通過對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋曲面逆向設(shè)計(jì)研究，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)噪聲去除、精簡(jiǎn)、修復(fù)和空間定位，在保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的同時(shí)能較好的改善點(diǎn)云特性；通過NURBS曲面實(shí)現(xiàn)基本曲面和過渡曲面的曲面重構(gòu)；通過采用距離法曲面誤差分析快速準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)曲面重構(gòu)質(zhì)量檢測(cè)與分析。經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證，該曲面逆向重構(gòu)流程，能夠縮短汽車A表面設(shè)計(jì)開發(fā)周期，提高曲面設(shè)計(jì)精度，節(jié)省產(chǎn)品開發(fā)成本。

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