張開生 秦 博

（陜西科技大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，陜西西安，710021）

內(nèi)包裝作為貴重物品的重要附屬物，起到承載、保護(hù)作用。一般的物品因其規(guī)格統(tǒng)一的特點(diǎn)，其包裝通常可批量生產(chǎn)。而一些特殊的貴重物品如文物等，由于外形的特異性，傳統(tǒng)的內(nèi)包裝與其契合度不高，影響保護(hù)效果。我國每年因包裝問題造成的經(jīng)濟(jì)損失超過百億元。針對此類問題，傳統(tǒng)的應(yīng)對方法是增加包裝的厚度，同時(shí)采用多層包裝的方法，這雖能夠在一定程度上提升保護(hù)效果，但是會(huì)使包裝成本增加，并非最優(yōu)解決方案。

目前，國內(nèi)外學(xué)者在貴重物品內(nèi)包裝成型領(lǐng)域開展了廣泛的研究工作。陸穎昭等［1］綜述了造紙?jiān)显诔尚退茉祛I(lǐng)域所迸發(fā)出的生機(jī)和活力，為改善貴重物品內(nèi)包裝質(zhì)量提供了新的思路和契入點(diǎn)。張雪等［2-3］對紙基包裝材料的研究現(xiàn)狀進(jìn)行深入分析，指出了紙基包裝材料在“綠色革命”中的廣闊應(yīng)用前景和發(fā)展機(jī)遇。針對紙基包裝材料的性能問題，韓卿［4］提出了一種高強(qiáng)耐水包裝紙的生產(chǎn)方法，有效改善了紙質(zhì)包裝的防水性和防油性，拓寬了其適用范圍。Mou等［5］研制了一種基于纖維素和石墨烯的導(dǎo)電紙，并對其抗靜電性能進(jìn)行了測試。Chen等［6］利用纖維素、石墨和聚苯胺制備了一種復(fù)合紙膜，適用作包裝材料，可使貴重物品的內(nèi)包裝具備一定的抗靜電能力，增強(qiáng)保護(hù)效果。Yun等［7］提出了一種纖維素基復(fù)合材料的制備工藝，所得復(fù)合材料具備良好的疏水性和機(jī)械強(qiáng)度，該工藝對于優(yōu)化紙漿纖維的性質(zhì)、提升貴重物品內(nèi)包裝質(zhì)量具有較高的實(shí)用價(jià)值。張偉等［8-9］進(jìn)一步指出了紙漿制品在作為防護(hù)包裝時(shí)所具備的優(yōu)良緩沖特性。黃俊彥等［10-12］詳細(xì)分析了未來紙漿模塑的創(chuàng)新空間和挖掘價(jià)值。夏玉柱等［13-14］針對文物安全運(yùn)輸問題，指出了文物包裝及緩沖材料應(yīng)與其外形相契合的必要性及其性能要求。Bassoli等［15］指出了3D打印技術(shù)在模具快速成型方面的優(yōu)勢，并預(yù)測了該技術(shù)向包裝成型領(lǐng)域延伸的可能。Caterina等［16］分析了三維技術(shù)在文物保護(hù)方面的重要貢獻(xiàn)，提出紙漿類包裝模型在文物保護(hù)方面的應(yīng)用潛力。段振云等［17-19］提出一種通過逆向工程設(shè)計(jì)，利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重構(gòu)的方法。由于紙漿纖維具有資源豐富、綠色環(huán)保及可塑性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可保證被包裝的貴重物品不受破壞，是塑造貴重物品內(nèi)包裝的理想材料。本課題組構(gòu)建了基于紙漿纖維的貴重物品內(nèi)包裝塑造系統(tǒng)（以下簡稱“系統(tǒng)”），采用Statistical-Gaussian算法對三維掃描儀獲取的貴重物品點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分割濾噪，以優(yōu)化點(diǎn)云質(zhì)量；利用Poisson重建算法綜合貴重物品內(nèi)包裝的主體點(diǎn)云信息，通過對Poisson方程的求解和等值面的提取，對貴重物品內(nèi)包裝的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行曲面擬合，通過下位機(jī)（微處理器）控制笛卡爾右手坐標(biāo)系下x、y、z3組傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作，帶動(dòng)擠漿口在三維歐式空間自由運(yùn)動(dòng)，根據(jù)貴重物品內(nèi)包裝的三維模型，實(shí)現(xiàn)基于紙漿纖維的貴重物品內(nèi)包裝的塑造。

1 系統(tǒng)方案構(gòu)建

系統(tǒng)的主要工作由兩方面構(gòu)成：一是對三維掃描儀獲取到的貴重物品的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分割濾噪等優(yōu)化處理，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建其內(nèi)包裝的三維模型，待包裝貴重物品的三維點(diǎn)云特征如圖1所示；二是下位機(jī)根據(jù)內(nèi)包裝塑造的執(zhí)行代碼進(jìn)行步進(jìn)電機(jī)的傳動(dòng)控制，使擠漿口根據(jù)既定模型需求在三維歐式空間中自由運(yùn)動(dòng)，擠出紙漿纖維，塑造貴重物品的內(nèi)包裝。

圖1 待包裝貴重物品的三維點(diǎn)云特征Fig.1 3Dpoint cloud featuresof valuablestobepackaged

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，三維掃描儀初步獲取待包裝貴重物品的三維表面信息，通過通用串行總線（USB）將貴重物品的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)輸出給主控計(jì)算機(jī)，經(jīng)優(yōu)化算法對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，構(gòu)建貴重物品內(nèi)包裝的三維模型，最后將控制3組傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行代碼以串口或SD卡存儲(chǔ)的方式下載到下位機(jī)中，執(zhí)行貴重物品內(nèi)包裝的塑造工作。

圖2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Overall structurediagramof thesystem

1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，硬件部分主要由三維掃描儀、主控計(jì)算機(jī)、下位機(jī)、A4988驅(qū)動(dòng)模塊、42步進(jìn)電機(jī)、蜂鳴器、熱漿器MK8及LED指示燈構(gòu)成，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)硬件框圖Fig.3 Hardwareblock diagramof thesystem

下位機(jī)采用嵌入式微處理器LPC2103，功耗低、

圖2所示的工作臺(tái)作為內(nèi)包裝塑造的直接載體，靠近邊側(cè)有2條柱形通孔，柱形通孔內(nèi)表面光滑，2根滑桿各穿其中，通過4顆螺釘固定在呈“口”形的底座上，對工作臺(tái)起到支撐和輔助滑動(dòng)的作用，工作臺(tái)下方與同步帶相粘連。第一步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)同步輪轉(zhuǎn)動(dòng)，同步帶與同步輪隨動(dòng)，通過底座另一側(cè)軸承的輔助作用，工作臺(tái)可沿著滑桿在x軸（笛卡爾右手坐標(biāo)系下）平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)。

第二步進(jìn)電機(jī)通過z軸聯(lián)軸器連接z軸絲杠，通過z軸螺母連接件載著第三步進(jìn)電機(jī)上下移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)z軸運(yùn)動(dòng)。同理，第三步進(jìn)電機(jī)通過y軸聯(lián)軸器控制y軸絲杠的傳動(dòng)，y軸螺母連接件搭載擠漿口，實(shí)現(xiàn)y軸運(yùn)動(dòng)。擠漿口套有熱漿器，將紙漿加熱后擠出，塑造內(nèi)包裝。進(jìn)漿口作為內(nèi)包裝材料——紙漿纖維的輸入端，通過輸漿通道將紙漿傳輸至擠漿口。下位機(jī)控制3組步進(jìn)電機(jī)和擠漿口的工作，使擠漿口可在三維歐式空間中自由運(yùn)動(dòng)，擠出紙漿纖維進(jìn)行貴重物品內(nèi)包裝的塑造。體積小，能滿足系統(tǒng)下位機(jī)的控制需求。HOLON380型號(hào)的三維掃描儀采用6+1條激光線和雙工業(yè)相機(jī)設(shè)計(jì)，具備標(biāo)志點(diǎn)自動(dòng)拼接技術(shù)，能適應(yīng)本系統(tǒng)掃描三維點(diǎn)云輪廓的需要，通過USB3.0接口可將點(diǎn)云數(shù)據(jù)可靠傳輸給主控計(jì)算機(jī)。

LED指示燈實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)的上電情況。若步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)出現(xiàn)故障，蜂鳴器發(fā)出警報(bào)。3組傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包含4路A4988電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和對應(yīng)42步進(jìn)電機(jī)，受控于下位機(jī)，每一路電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的兩對輸出端分別連接每臺(tái)步進(jìn)電機(jī)的兩相繞組。x軸和y軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)各包含一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)，分別為第一步進(jìn)電機(jī)和第三步進(jìn)電機(jī)，以及對應(yīng)的驅(qū)動(dòng)模塊。不同的是，z軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包含2臺(tái)步進(jìn)電機(jī)（即第二步進(jìn)電機(jī)）及對應(yīng)的驅(qū)動(dòng)模塊，以增強(qiáng)豎直運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性。熱漿器可加熱由進(jìn)漿口和輸漿通道傳輸至擠漿口的紙漿纖維，便于擠出紙漿纖維塑型。

1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)部分為貴重物品內(nèi)包裝點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理算法設(shè)計(jì)。通過三維掃描獲取到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中難免會(huì)存在噪聲干擾，使貴重物品的三維點(diǎn)云模型出現(xiàn)異常點(diǎn)，影響對物品實(shí)際輪廓的準(zhǔn)確建模。主控計(jì)算機(jī)通過逆向工程設(shè)計(jì)，對貴重物品的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分析優(yōu)化。設(shè)定誤差限，通過最小二乘法擬合貴重物品的輪廓線，根據(jù)外形輪廓確定曲線階次，計(jì)算各數(shù)據(jù)點(diǎn)與擬合曲線間的距離，剔除誤差過大的離散點(diǎn)。通過Statistical濾波、Gaussian濾波或雙邊濾波等方法對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪，結(jié)合插補(bǔ)策略對掃描儀盲區(qū)進(jìn)行插補(bǔ)校正，進(jìn)一步完善物品的點(diǎn)云模型，提高曲面擬合精度。

根據(jù)待包裝貴重物品的內(nèi)包裝安全等級(jí)要求，確定內(nèi)包裝的相應(yīng)參數(shù)。具體地，根據(jù)內(nèi)包裝內(nèi)壁與貴重物品的間隙參數(shù)，對貴重物品的點(diǎn)云輪廓（即第一點(diǎn)云輪廓）進(jìn)行等距擴(kuò)大，得到第二點(diǎn)云輪廓，第二點(diǎn)云輪廓將形成貴重物品內(nèi)包裝的內(nèi)壁，與其外形形狀契合，僅大小不同；根據(jù)內(nèi)包裝的厚度要求，在第二點(diǎn)云輪廓的基礎(chǔ)上再次擴(kuò)大，得到內(nèi)包裝的第三點(diǎn)云輪廓，如圖4所示。

圖4 3種點(diǎn)云輪廓示意圖Fig.4 Outlinesof threekindsof point clouds

第三點(diǎn)云輪廓將形成內(nèi)包裝的外壁，可采用任何形狀，如方形（這里主要考慮與常見的方形運(yùn)輸箱契合）。上述第二點(diǎn)云輪廓和第三點(diǎn)云輪廓共同構(gòu)成貴重物品內(nèi)包裝的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過有效特征點(diǎn)的提取建立內(nèi)包裝的點(diǎn)云模型。以“四塊式”結(jié)構(gòu)的內(nèi)包裝為例，對上述處理后得到的內(nèi)包裝點(diǎn)云模型進(jìn)行進(jìn)一步數(shù)據(jù)分割，成為4個(gè)部分（使貴重物品可立于其中，受到內(nèi)包裝的緩沖保護(hù)），如圖5所示。

圖5 “四塊式”內(nèi)包裝點(diǎn)云模型Fig.5 Point cloud model of"four block"inner packaging

隨后對各個(gè)部分進(jìn)行切片處理，將三維模型轉(zhuǎn)換為若干等距的二維平面切片，并輸出基于該貴重物品內(nèi)包裝模型的用以控制3組傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行代碼。在實(shí)際實(shí)施時(shí)，基于紙漿纖維黏度大的優(yōu)點(diǎn)，可通過分層塑造并自動(dòng)粘合的方式，完成貴重物品內(nèi)包裝的成型塑造。

2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理算法

2.1 Statistical-Gaussian算法

系統(tǒng)通過三維掃描儀初步獲取到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中，包含了一些由于噪聲干擾引起的離散點(diǎn)，它們的空間分布呈現(xiàn)一定的共性，即主要稀疏分布在主體點(diǎn)云周圍，或是遠(yuǎn)離主體點(diǎn)云的分布區(qū)域，而表征貴重物品三維特征的主體點(diǎn)云分布則呈現(xiàn)集中化、高密度的特征。因而，就點(diǎn)與點(diǎn)之間的鄰域特征而言，離散點(diǎn)彼此之間的鄰域距離值遠(yuǎn)大于主體點(diǎn)。基于此類特征，Statistical-Gaussian算法通過對各點(diǎn)及其鄰域特征進(jìn)行比對分析，發(fā)現(xiàn)并濾除離散點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對貴重物品三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的初步優(yōu)化。

假設(shè)由三維掃描儀輸出的點(diǎn)云數(shù)據(jù)集合（M）以式（1）表示：

經(jīng)Statistical-Gaussian算法濾波后的貴重物品三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)集合（M*）以式（2）表示：

式（1）和式（2）中，對于任意元素mi，設(shè)其鄰域Q內(nèi)共包含q個(gè)點(diǎn)，平均距離（Si）以式（3）表示：

Statistical-Gaussian算法認(rèn)為，式（1）集合中各點(diǎn)代入式（3）中所得平均距離Si服從Gaussian分布，其主要參數(shù)指標(biāo)均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別以μ和σ表示，分別如式（4）和式（5）所示：

另外，可在Statistical-Gaussian算法基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)優(yōu)化，增設(shè)均值倍數(shù)α和標(biāo)準(zhǔn)差倍數(shù)β，實(shí)現(xiàn)對鄰域范圍的條件界定，進(jìn)行主體點(diǎn)篩選指標(biāo)的設(shè)置。進(jìn)而，在貴重物品點(diǎn)云數(shù)據(jù)中，離散點(diǎn)具備式（6）特征，可對其進(jìn)行濾除。

貴重物品的點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)Statistical-Gaussian改進(jìn)算法處理后，在不損傷主體點(diǎn)云的前提下，有助于提高降噪效果，即式（1）集合中（n-n*）個(gè)離散點(diǎn)被分割濾除，點(diǎn)云集合中各點(diǎn)的鄰域平均距離Si浮動(dòng)減弱，主體點(diǎn)特征被強(qiáng)化，點(diǎn)云質(zhì)量得到優(yōu)化，如圖6所示。

圖6 濾波算法處理前后點(diǎn)云數(shù)據(jù)對比圖Fig.6 Comparison of point cloud data before and after filteringalgorithmprocessing

2.2 Poisson重建算法

Poisson重建作為一種典型的基于隱函數(shù)的三維模型重建算法，將貴重物品內(nèi)包裝的模型重構(gòu)問題演變?yōu)閷oisson方程的求解問題。該算法綜合了經(jīng)Statistical-Gaussian算法處理后的待包裝貴重物品的所有主體點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上根據(jù)內(nèi)包裝規(guī)格要求，擴(kuò)大貴重物品的點(diǎn)云輪廓，得到其內(nèi)包裝點(diǎn)云數(shù)據(jù)。對于帶法線的貴重物品內(nèi)包裝的點(diǎn)云模型，如果全部的點(diǎn)云數(shù)據(jù)皆處在其表面的鄰近區(qū)域，則可以按照模型的指示函數(shù)與梯度間的數(shù)學(xué)關(guān)系建立Poisson方程，并據(jù)此求解梯度場與向量場，通過確定恰當(dāng)?shù)牡戎档玫脚c貴重物品內(nèi)包裝主體點(diǎn)逼近度高的重構(gòu)擬合曲面。

通過Poisson方程進(jìn)行貴重物品內(nèi)包裝曲面的重構(gòu)，通常利用隱函數(shù)f(x，y，z)對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，曲面的隱式方程f(x，y，z)=0。

曲面附近的各點(diǎn)符合式（7）所示的約束條件：

點(diǎn)云中的任一點(diǎn)m(x0，y0，z0)所在切平面方程如式（8）所示：

對應(yīng)的法線方程如式（9）所示：

因此，曲面位于點(diǎn)m處的法向量如式（10）所示：

設(shè)置指示函數(shù)χ以進(jìn)一步處理數(shù)據(jù)點(diǎn)與擬合曲面的關(guān)系，進(jìn)一步地，模型以內(nèi)的點(diǎn)以“1”表示，模型以外則以“0”表示。指示函數(shù)χ在給定區(qū)域R內(nèi)的梯度（gradχ）可由式（11）得到：

由于指示函數(shù)χ在除曲面附近的區(qū)域外基本恒定，因而對于其他區(qū)域而言，指示函數(shù)χ的梯度值皆為0。因此，曲面內(nèi)法線可由指示函數(shù)χ表示，采樣點(diǎn)云數(shù)據(jù)可由指示函數(shù)χ的梯度來表征。

由Poisson重建算法構(gòu)建貴重物品內(nèi)包裝模型的過程中，計(jì)算梯度算子可以得到擬合曲面的指示函數(shù)χ，其梯度場與點(diǎn)云模型的向量場等效，因此通過對指示函數(shù)χ的構(gòu)造，使其梯度場可以最佳逼近向量場，即則梯度場可進(jìn)一步由散度算子來表征。由于向量場具有不可積的特點(diǎn)，因此散度算子可進(jìn)一步簡化為Poisson方程，式（12）成立。

在此基礎(chǔ)上先后進(jìn)行向量場離散化、Poisson方程求解及等值面提取，得到重構(gòu)曲面。

（1）向量場離散化

選擇自適應(yīng)八叉樹將點(diǎn)云數(shù)據(jù)劃分為離散化空間，同時(shí)定義節(jié)點(diǎn)函數(shù)空間Fo，由式（13）表示，其中任意定向點(diǎn)皆存在唯一確定的葉節(jié)點(diǎn)與之對應(yīng)。

式中，o.w表示以o.c為中心坐標(biāo)的節(jié)點(diǎn)的包圍面的寬度，F(xiàn)表示基函數(shù)，由濾波信號(hào)B（t）的卷積得到，如式（14）所示：

通過三線插值的方法改善節(jié)點(diǎn)函數(shù)的性能，得到向量場函數(shù)(q)，如式（15）所示：

式中，NgbrD(s)表示節(jié)點(diǎn)所在鄰域內(nèi)的8個(gè)節(jié)點(diǎn)，深度為D，三線插值的權(quán)重記為αο.s，插值處的法向量記為s.。

（2）Poisson方程求解

結(jié)合式（15），由于?V→與Δ在八叉樹空間O的映射最為接近，因此通過對最小值的求解能使問題得到進(jìn)一步簡化，進(jìn)而使的梯度更為接近，如式（16）所示：

式中，表示指示函數(shù)的估計(jì)值，Δ表示指示函數(shù)梯度場的散度算子估計(jì)值，?表示向量場的梯度，F(xiàn)o表示節(jié)點(diǎn)函數(shù)空間。

設(shè)L為|O|×|O|階稀疏矩陣，且對于?o，o'∈O，式（17）成立：

定義|O|維向量可使式（18）逼近最小值以得到指示函數(shù)。

（3）等值面提取

等值面的提取是利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行曲面重構(gòu)的關(guān)鍵，選取與點(diǎn)云數(shù)據(jù)具有高逼近度的等值面有利于改善貴重物品內(nèi)包裝模型的契合度，如式（19）所示，可對指示函數(shù)在點(diǎn)云中的位置進(jìn)行多次估算并取其平均值來獲取最優(yōu)等值。

式中，?M表示曲面重構(gòu)提取的等值面，表示指示函數(shù)在葉節(jié)點(diǎn)q處的估計(jì)值，γ表示指示函數(shù)的位置估計(jì)平均值，s.q表示葉節(jié)點(diǎn)處差值。

采用移動(dòng)立方體法對節(jié)點(diǎn)周圍的8個(gè)體素點(diǎn)（構(gòu)成體元）與等值面進(jìn)行相交處理，其頂點(diǎn)值與等值面存在“高于”“等于”“低于”3種關(guān)系，分別對應(yīng)該點(diǎn)處于等值面的“內(nèi)部”“面上”“外部”。因此，當(dāng)體元的所有頂點(diǎn)值包含了上述3種關(guān)系時(shí)，其必與等值面相交，遍歷體元，進(jìn)一步對相交點(diǎn)采取線性插值，取得具備一致性的三角面片，通過拼接組合輸出貴重物品內(nèi)包裝點(diǎn)云的重構(gòu)曲面。

通過Poisson重建算法進(jìn)行貴重物品內(nèi)包裝曲面重構(gòu)的整個(gè)處理過程如圖7所示。

圖7 Poisson重建算法示意圖Fig.7 Diagramof Poisson reconstruction algorithm

3 貴重物品內(nèi)包裝塑造

3.1 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)初始化后，通過三維掃描儀對貴重物品的三維表面進(jìn)行掃描，可采取多次掃描及改變角度和方位的方式以確保掃描數(shù)據(jù)的完整性，通過USB接口向主控計(jì)算機(jī)輸出包含貴重物體表面三維特征的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。利用Statistical-Gaussian算法對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分割濾噪，去除異常點(diǎn)，突出點(diǎn)云中的主體點(diǎn)特征，優(yōu)化點(diǎn)云質(zhì)量。在此基礎(chǔ)上按照貴重物品內(nèi)包裝的規(guī)格要求擴(kuò)大點(diǎn)云輪廓，構(gòu)建貴重物品內(nèi)包裝的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過Poisson重建算法提取等值面，建立內(nèi)包裝模型。主控計(jì)算機(jī)基于貴重物品內(nèi)包裝的三維模型，將控制3組傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行代碼下載到下位機(jī)中。下位機(jī)控制第一步進(jìn)電機(jī)、第二步進(jìn)電機(jī)、第三步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，帶動(dòng)擠漿口在三維歐式空間自由運(yùn)動(dòng)。通過進(jìn)漿口和輸漿通道獲取紙漿纖維，由熱漿器對紙漿纖維進(jìn)行加熱，并通過擠漿口擠出，最后經(jīng)分層塑造自動(dòng)粘合后，完成貴重物品內(nèi)包裝的塑造，系統(tǒng)工作流程如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)工作流程圖Fig.8 Flow chart of the system

內(nèi)包裝作為貴重物品本體和外包裝之間的緩沖部分，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，“四塊式”內(nèi)包裝將貴重物品夾持于其間，與貴重物品的外形相契合，起到有效的緩沖保護(hù)作用，如圖9所示。

圖9 貴重物品內(nèi)包裝Fig.9 Inner packagingof valuables

3.2 并行運(yùn)行模式

系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)，生產(chǎn)過程主要包括3個(gè)階段：三維掃描—數(shù)據(jù)處理—執(zhí)行塑造，對應(yīng)的時(shí)間耗費(fèi)分別為t1、t2、t3。

三維掃描作為第一階段，其時(shí)間花費(fèi)主要是對物品三維輪廓的捕獲，系統(tǒng)所采用的HOLON380型三維掃描儀每秒掃描次數(shù)可超20萬次，具有較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性。在實(shí)際獲取不規(guī)則貴重物品的三維特征時(shí)，為獲取充足的數(shù)據(jù)量，對細(xì)節(jié)特征進(jìn)行多次、多角度精確掃描，所需時(shí)間記為t1。

數(shù)據(jù)處理作為第二階段，主要由主控計(jì)算機(jī)運(yùn)行優(yōu)化算法對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，64位主控計(jì)算機(jī)可并行處理8字節(jié)數(shù)據(jù)，每秒可執(zhí)行上億條指令運(yùn)算，耗時(shí)較短，對貴重物品的點(diǎn)云處理及重建所需時(shí)間記為t2。

執(zhí)行塑造作為第三階段，主要由下位機(jī)控制3組傳動(dòng)機(jī)構(gòu)工作，此階段的時(shí)間花費(fèi)主要取決于內(nèi)包裝的規(guī)格，主要受包裝的截面積、高度及壁厚等參數(shù)的影響。此外，為確保紙漿的充分粘合及內(nèi)包裝成品的穩(wěn)定性，保障塑造效果，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)工作不宜過快，因此第三階段的耗時(shí)大于第二階段，該階段所需時(shí)間記為t3。

對于上述單件貴重物品內(nèi)包裝塑造用時(shí)，所需時(shí)間T1滿足下式：

進(jìn)一步地，在批量生產(chǎn)時(shí)，3個(gè)階段可采用多級(jí)流水線的方式進(jìn)行，將各個(gè)階段的處理通過錯(cuò)時(shí)的方法并行運(yùn)行，如圖10所示。

圖10 多級(jí)流水線示意圖Fig.10 Schematic diagram of multistage pipeline

圖10中，批量生產(chǎn)所需時(shí)間Tn與生產(chǎn)件數(shù)n滿足式（21）關(guān)系。

相比于單件逐次生產(chǎn)，并行的批量生產(chǎn)方式在生產(chǎn)n件產(chǎn)品時(shí)，總時(shí)間縮短了（n-1）（t1+t2），具有較高的實(shí)時(shí)性。

3.3 系統(tǒng)性能評(píng)估

系統(tǒng)性能評(píng)估包括可用性、有效性、精度以及先進(jìn)性等，接下來從這4個(gè)方面對系統(tǒng)性能進(jìn)行進(jìn)一步說明。

（1）可用性：目前紙塑包裝的可靠性已得到普遍認(rèn)可，3D打印技術(shù)亦逐步發(fā)展成熟。本系統(tǒng)以3D打印技術(shù)為啟發(fā)，將其引入造紙行業(yè)，在此基礎(chǔ)上不斷完善，進(jìn)一步挖掘造紙?jiān)系臐撛趦r(jià)值，拓寬紙漿纖維的實(shí)用面，塑造的貴重物品內(nèi)包裝具備現(xiàn)實(shí)可用性。

（2）有效性：圖2和圖3中描述了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和硬件構(gòu)成，所涉及設(shè)備及器件目前已發(fā)展成熟，性能穩(wěn)定，點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理算法亦在完善中不斷創(chuàng)新，為本系統(tǒng)的有效性提供了理論和技術(shù)支撐。

（3）精度：基于系統(tǒng)所用硬件的選型，第一階段的三維掃描分辨率為0.05 mm，體積精度達(dá)到百分之一毫米級(jí)。第二階段的數(shù)據(jù)處理會(huì)通過優(yōu)化算法對掃描過程中的噪聲等干擾進(jìn)行進(jìn)一步分割濾除，最大限度地減小環(huán)境誤差。在第三階段傳動(dòng)機(jī)構(gòu)執(zhí)行塑造工作時(shí)，其精度約為0.2 mm，最終輸出的貴重物品內(nèi)包裝誤差控制在0.3 mm之內(nèi)，具有較高的精度。

內(nèi)包裝三維重建效果如圖11所示。

圖11 內(nèi)包裝三維重建效果Fig.11 Display of 3Dreconstruction for theinner packaging

（4）先進(jìn)性：紙漿纖維內(nèi)包裝具備一定的機(jī)械強(qiáng)度和彈性，相比于傳統(tǒng)的塑性包裝，應(yīng)對各類突發(fā)撞擊時(shí)，能起到更好的緩沖保護(hù)作用，不易破損，且重量較輕，幾乎不會(huì)增加貴重物品的運(yùn)輸負(fù)擔(dān)。本系統(tǒng)可通過多級(jí)流水線并行生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)批量塑造，生產(chǎn)效率較高。此外，基于紙漿纖維的內(nèi)包裝可回收再利用，符合節(jié)能減排戰(zhàn)略的要求。

4 結(jié)語

自然界中紙漿纖維資源豐富，可在環(huán)境中自行降解，屬于綠色環(huán)保材料，符合可持續(xù)發(fā)展的理念。以紙漿纖維為原料的貴重物品內(nèi)包裝，密封性能好，可塑性強(qiáng)。基于紙漿纖維的貴重物品內(nèi)包裝塑造系統(tǒng)，充分利用了紙漿纖維的先天優(yōu)勢，通過逆向工程設(shè)計(jì)，采用Statistical-Gaussian算法、Poisson重建算法對貴重物品的內(nèi)包裝進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)分析，通過下位機(jī)控制笛卡爾右手坐標(biāo)系下3組傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)擠漿口在三維歐式空間的自由運(yùn)動(dòng)并擠出紙漿。經(jīng)分層塑造、自動(dòng)粘合，為貴重物品塑造“量身定制”的內(nèi)包裝，性能穩(wěn)定、環(huán)境友好。本研究為貴重物品內(nèi)包裝的設(shè)計(jì)和制造提供了新的思路，在一定程度上反映了造紙?jiān)系纳顚觾r(jià)值，體現(xiàn)了造紙行業(yè)對整個(gè)社會(huì)發(fā)展的潛在推動(dòng)力。