基于非接觸式激光掃描的曲面反求重構(gòu)實驗

吳慧蘭， 宋 鵬

(華東理工大學 藝術(shù)設(shè)計與傳媒學院，上海 200237)

0 引 言

在產(chǎn)品造型日益多元化的今天，反求工程已成為產(chǎn)品開發(fā)中不可或缺的一環(huán)，其應(yīng)用范圍包括設(shè)計、質(zhì)量檢測、制造加工、實物復原、實驗教學,目前已廣泛地用于玩具、汽車、通信電器、文物及藝術(shù)品的修復、模具等產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計與創(chuàng)新設(shè)計中，成為消化、吸收先進設(shè)計技術(shù)，實現(xiàn)新產(chǎn)品開發(fā)生產(chǎn)不可缺少的手段[ 1-2]。

反求重構(gòu)是反求工程中的一個重要組成部分。反求重構(gòu)過程分為數(shù)據(jù)采集階段和模型重構(gòu)階段[3]。數(shù)據(jù)采集的精度將直接影響反求設(shè)計的精度和效率，數(shù)據(jù)采集的方法分為接觸式數(shù)據(jù)采集和非接觸式數(shù)據(jù)采集。隨著計算機技術(shù)與光電技術(shù)的發(fā)展，反求工程的數(shù)據(jù)采集較傾向于采用非接觸式三維激光掃描設(shè)備，其主要特點有：①數(shù)據(jù)采樣的過程是連續(xù)的，對于復雜曲面也可以精確快速的讀取數(shù)據(jù)，操作簡便、能夠達到較高的精度[4-6]；②不與樣件接觸，因而能對松軟材料的表面進行數(shù)據(jù)采集，可以探測到一般機械測頭難以測量的部位，最大限度地反映被測表面的真實形狀[7]。非接觸式掃描儀有日本Roland三維激光掃描儀和加拿大Creaform Inc 公司生產(chǎn)的HandyScan手持式激光掃描儀，通過比較，手持式掃描儀對物體大小、內(nèi)外均可，適用性強，但易受環(huán)境光線及雜散光影響，故一般點云雜點都較多，儀器價格貴，因此我們選用了本學院實驗室現(xiàn)有的日本Roland三維激光掃描儀(LPX-1200)進行數(shù)據(jù)采集實驗，并結(jié)合Geomagic反求建模軟件對數(shù)據(jù)進行處理及CAD模型重建。實驗證明，基于Roland三維激光掃描儀的數(shù)據(jù)采集與Geomagic反求建模軟件的曲面重構(gòu)，可獲得較高的建模效率和質(zhì)量，快速建立個性化數(shù)字模型，為三維數(shù)字化設(shè)計、模型創(chuàng)新設(shè)計奠定基礎(chǔ)。對于培養(yǎng)學生在現(xiàn)代設(shè)計方法的應(yīng)用和創(chuàng)新設(shè)計能力的提高具有積極的作用。

1 反求設(shè)計技術(shù)

1.1 數(shù)據(jù)采集

原始產(chǎn)品模型的數(shù)據(jù)采集是反求工程的第一步，也是關(guān)鍵的一步[8-9]。通常掃描后得到的測量數(shù)據(jù)是由大量的三維坐標點所組成，掃描參數(shù)和被測物體的大小，由幾百點到幾百萬點不等的三維數(shù)據(jù)點稱為點云。

經(jīng)過反復實驗發(fā)現(xiàn)，Roland掃描儀數(shù)據(jù)采集不會劃傷被測零件表面，但對被測物體的表面提出了一定的要求[10-11]。Roland掃描儀數(shù)據(jù)采集的點云對產(chǎn)品表面的依賴度較高，當物體表面明度較高、較平滑時,掃描獲得的點云數(shù)據(jù)效果最佳；當產(chǎn)品表面顏色偏深、材質(zhì)表面粗糙時掃描效果較差，如黑色、深藍色物體、皮革、布料等；對透明物體和表面呈現(xiàn)鏡面效果的物體，掃描后點云坐標往往錯亂或消失，所以掃描前要進行模型著色處理。另外測量點距越小，所獲得的點云數(shù)據(jù)就越逼近于所測量的實物表面，但相應(yīng)的掃描時間也更長。點距設(shè)置的大小主要取決于機器的精度及實物所要達到的要求，Roland激光掃描儀可以達到最小精度是0.05 mm的間距，完全能達到一般模型設(shè)計要求[12]。在測量的時候，由于激光掃描儀存在著掃描“死點”，或是對復雜形狀零件，點云數(shù)據(jù)不能一次性掃描得到，需要移動或旋轉(zhuǎn)零件多次掃描得到，這樣才能得到完整的數(shù)據(jù)，然后以STL的格式輸出。

本文以Kodak相機為研究對象，選用Roland三維激光掃描儀進行數(shù)據(jù)采集，其過程主要分為以下幾個步驟：

(1) 掃描前準備工作。即模型著色處理，以利于CCD采集數(shù)據(jù)；

(2) 數(shù)據(jù)掃描測量。啟動掃描軟件Dr.Picza3，把實物放到掃描儀里，找一個比較好測量的基準面做定位面，設(shè)置一些相應(yīng)的參數(shù),然后點擊“掃描”選項；

(3) 掃描獲得數(shù)據(jù)。掃描儀自動記錄下所獲取的曲面點云數(shù)據(jù)并保存在計算機里。

1.2 CAD模型重構(gòu)

CAD模型重構(gòu)階段主要是通過使用反求工程軟件對掃描點云進行數(shù)據(jù)預處理、特征提取并重構(gòu)出NURBS曲面模型[13]。Geomagic軟件具有強大的反求建模功能，可將三維掃描數(shù)據(jù)和多邊形網(wǎng)格轉(zhuǎn)換為精確的曲面化三維數(shù)字模型，以用于反求工程、產(chǎn)品設(shè)計、快速成型和分析。作為將三維掃描數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為參數(shù)化CAD模型和三維CAD模型的最快速的方法。

Geomagic Studio提供了4個處理模塊，分別是:①掃描數(shù)據(jù)處理(capture);②多邊形編輯(wrp);③NURBS曲面建模(shape);④CAD曲面建模(fashion)[14]。在實驗研究中，我們采用Geomagic軟件分為點階段、多邊形階段、形狀階段3個階段進行處理。

1.2.1點階段(掃描數(shù)據(jù)處理)

點階段目標是將原始點云數(shù)據(jù)生成多邊形模型(三角網(wǎng)格面)。一般情況下，由于通過激光掃描獲得的初始點云數(shù)量很大，可達到上百萬，使得處理速度較慢，同時掃描得到的產(chǎn)品外形數(shù)據(jù)會不可避免地引入數(shù)據(jù)誤差，尤其是尖銳邊和邊界附近的測量數(shù)據(jù)，測量數(shù)據(jù)中的壞點，可能使該點及其周圍的曲面片偏離原曲面，處理這些大型三維點云數(shù)據(jù)集可采用的方些有：①優(yōu)化掃描數(shù)據(jù)(通過檢測體外孤點、減少噪音點、去除重疊)；②自動或手動拼接與合并多個掃描數(shù)據(jù)集；③通過曲率采樣、格柵采樣、統(tǒng)一采樣和隨機采樣4種采樣算法來降低數(shù)據(jù)集的密度[15-16]。具體的操作步驟為：

(1) 噪點處理。手動去除雜點、著色點、斷開組件連接、全局注冊、聯(lián)合點對象、體外孤點、減少噪音、統(tǒng)一采樣、封裝，經(jīng)過上述操作后，點云可以被拼合并減少冗余數(shù)據(jù)，輸出有效的多邊形。其中手動去除雜點，斷開組件連接，體外孤點命令去除的是與模型真實形狀坐標相差較大的點。減少噪音，統(tǒng)一采樣命令是在保留物體真實形狀的基礎(chǔ)上去除冗余保留物體特征。Kodak相機模型噪點處理前后對比如圖1所示。

圖1 噪點處理前后對比

(2) 合并采集數(shù)據(jù)。對于形狀復雜的零件，曲面數(shù)據(jù)是無法一次性掃描得到，需要移動或旋轉(zhuǎn)零件，即還需要多次多角度掃描，掃描后的點云還要進行注冊拼接與合并多個掃描數(shù)據(jù)集，手動注冊如圖2所示。

圖2 手動拼接

其具體操作為：找到點云之間的共同特征，手動進行拼接，系統(tǒng)將自動進行匹配。 手動注冊模式分別為:①1點注冊，②n點注冊。1點注冊系統(tǒng)將根據(jù)選擇的1個公共點進行模型自動對齊；n點注冊則是根據(jù)定義的多個公共點進行模型對齊(最多9個點)。手動注冊適用于特征情況明顯的物體，根據(jù)特征定位，提高了點云拼接的準確性為后續(xù)工作打下基礎(chǔ)。手動注冊后進行全局注冊將進一步約束點云間的重疊，使點云間的注冊更加精細。

模型的拼合還可采用特征對齊拼接方式，根據(jù)選中點云的特征選擇相應(yīng)的擬合內(nèi)容，如點云是圓錐，在擬合區(qū)域中選擇圓錐。在特征工具欄選擇相應(yīng)的坐標軸或坐標面，進行創(chuàng)建匹配。最后通過復制，精確移動，全局注冊，聯(lián)合點對象，完成拼接。

1.2.2多邊形階段

點云數(shù)據(jù)封裝后即進入多邊形階段，該階段任務(wù)是對三角網(wǎng)格進行編輯優(yōu)化。主要通過三角形刪除、光滑曲面的多種方法、填充孔和修補技術(shù)來檢測、修復三角面的封閉與相交情況，簡化或細分三角面，平滑表面等操作以提高曲面重建的質(zhì)量。多邊形階段對物體表面三角面進行加工處理使多邊形更加規(guī)則化，使模型表面變得更加光華，為后續(xù)曲面模塊打下基礎(chǔ)。多邊形階段處理非常重要，因為處理后的模型必須具有最好的質(zhì)量，才能進入Shape階段，為生成NURBS曲面做準備。三角面處理前后對比如圖3所示。

圖3 三角面處理

(1) 補面及邊界加工。對于表面缺口較多可采用“全部填充”，“全部填充”可根據(jù)缺空周長大小進行有序排列選擇，對于結(jié)構(gòu)形狀復雜的可選擇不填充，以便以后手動對其進行填充，可控制精確的填充周長范圍及空的規(guī)律選定。在進行填充前可以先對空進行預加工選擇工具欄下的選擇邊界，確認后，退出命令后按“delete”進行刪除紅色被選中區(qū)域。經(jīng)過此步可以刪除缺空翹起邊界和不規(guī)則邊界，使得填充時補面能更好符合原始曲率。

“填充單個空”可應(yīng)對的各種空的填充，根據(jù)具體情況可分別采用填充封閉的孔洞、填充未封閉的孔洞、橋連兩片不相關(guān)的邊界。

(2) 三角面的處理。手動“去除特征”，可以去除凸臺等，點擊顯示欄中勾選“邊”可以方便觀察特征突出的三角面，可手動去除。如圖4所示，經(jīng)過“網(wǎng)格醫(yī)生”可智能修復和處理三角面。經(jīng)過簡化，松弛/砂紙，減少噪音命令可進一步光順表面。

圖4 觀察特征突出三角面

1.2.3形狀階段

形狀階段是從多邊形階段轉(zhuǎn)化后經(jīng)過一系列的技術(shù)處理，得到理想的曲面模型。其主要技術(shù)處理：首先根據(jù)曲面的曲率變化生成輪廓線，并對輪廓線進行編輯達到理想效果，通過輪廓線的劃分將整個模型分為多個曲面；其次根據(jù)輪廓線進行延伸并編輯，通過對輪廓線的延伸，完成各個曲面之間的連接，最后對各個曲面進行擬合，得到最后的CAD曲面。

通過檢測區(qū)域命令，根據(jù)曲率變化劃分每塊區(qū)域，如圖5所示。

圖5 檢測區(qū)域

模型通過編輯輪廓線命令添加、修改及移除輪廓線，如圖6所示。

圖6 編輯輪廓線

其中，在曲面編輯階段，若零件表面曲率變化不大，可以使用智能NURBS構(gòu)面，即由軟件自動優(yōu)化提取后的特征線生成NURBS曲面；若表面曲率變化較大，則可對零件進行分塊，再進行擬合生成NURBS曲面[12]。根據(jù)網(wǎng)格數(shù)據(jù)自動擬合以下曲面類型：平面、柱面、錐面、擠壓面、旋轉(zhuǎn)曲面、掃描曲面、放樣曲面和自由形狀曲面，如圖7所示。

最后對模型進行擬合曲面命令操作，發(fā)現(xiàn)橘黃色區(qū)域說明擬合精度不高，需調(diào)整回轉(zhuǎn)面的擬合精度。通過縫合命令．對擬合的初級曲面和連接曲面縫合成一個整體CAD模型，如圖8所示，保存輸出到imageware、UG、Pro-e、Catia等軟件進行曲面或?qū)嶓w重構(gòu)模塊。

圖7 區(qū)域劃分

圖8 CAD曲面

2 結(jié) 語

數(shù)據(jù)采集、曲面反求重構(gòu)是反求工程中的關(guān)鍵問題。介紹了以日本Roland非接觸式三維激光掃描儀作為點云數(shù)據(jù)采集裝置的曲面重構(gòu)技術(shù)，以Geomagic軟件進行曲面重構(gòu)，提供了一條曲面反求重構(gòu)的技術(shù)途徑，對工業(yè)產(chǎn)品造型設(shè)計等有一定的應(yīng)用價值。

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