逆向工程測量技術(shù)初步探討

武興權(quán)

（遼寧省有色地質(zhì)局一〇三隊，遼寧 丹東 118008）

0 引言

數(shù)據(jù)的獲取、測量是逆向工程中的第一個步驟，也是逆向工程測量最關鍵的技術(shù)之一。綜合接觸式工程測量技術(shù)和非接觸式工程測量技術(shù)的實物數(shù)據(jù)獲取方法，是目前眾多逆向工程測量技術(shù)中針對大型的、結(jié)構(gòu)復雜的測量對象最具有高效性的一種工程測量方式。這種方法由接觸式工程測量技術(shù)獲取散布在被測物體上或周圍的人工標記點群的三維坐標，再以這些坐標數(shù)據(jù)作為非接觸式工程測量數(shù)據(jù)拼接的依據(jù)，從而獲取得到整體測量數(shù)據(jù)。這種綜合方法既具有以往工程測量技術(shù)的高效性，又消除了數(shù)據(jù)拼接時的累積誤差。

1 逆向工程概念

逆向工程，又稱反求工程、反向工程，指通過各種測量手段和三維幾何建模方法，將已有實物原型轉(zhuǎn)化為計算機上的三維數(shù)字模型的過程，是工程測量技術(shù)、計算機軟硬件技術(shù)的綜合。近幾十年來，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，CAD技術(shù)已經(jīng)廣泛地應用于工程測量工作，但由于多種因素的限制，現(xiàn)實世界中的很多物體形狀并不能完全用CAD設計的方法進行描述。因而，我們提出了逆向工程的概念。這種實物數(shù)字化建模的方法如今己經(jīng)發(fā)展為CAD/CAM中的一個相對獨立的范疇，成為復雜工程測量的重要手段之一。

2 逆向工程測量數(shù)據(jù)獲取技術(shù)研究

數(shù)據(jù)獲取是反求工程的關鍵技術(shù)，數(shù)據(jù)的獲取通常是利用一定的測量設備對所測工程進行數(shù)據(jù)采樣，得到的是采樣數(shù)據(jù)點的（x，y，z）坐標值。數(shù)據(jù)獲取的方法大致分為兩類：接觸式和非接觸式。

2．1 接觸式工程測量技術(shù)

接觸式工程測量技術(shù)是在機械手臂的末端安裝探頭，通過與工程表面接觸來獲取表面信息，目前最常用的接觸式測量系統(tǒng)是三坐標測量機（CMM）。傳統(tǒng)的坐標測量機多采用機械探針等觸發(fā)式測量頭，可通過編程規(guī)劃掃描路徑進行點位測量，每一次獲取被測形面上一點的（x，y，z）坐標值，測量速度都很慢。CMM的優(yōu)點是測量精度高，對被測工程無特殊要求，對不具有復雜內(nèi)部型腔、特征幾何尺寸繁多、只有少量特征曲面的被測工程，CMM是一種非常有效可靠的三維數(shù)字化手段。它的缺點是不能對軟物體進行精密測量；價格昂貴，對使用環(huán)境要求高；測量速度慢，測量數(shù)據(jù)密度低，測量過程需人工干預；還需要對測量結(jié)果進行探頭損傷及探頭半徑補償，無法測量小于測頭半徑的凹面工程，這些不足限制了它在快速反求領域中的應用。

2．2 非接觸式工程測量技術(shù)

2．2．1 激光線結(jié)構(gòu)光掃描測量技術(shù)

激光線結(jié)構(gòu)光掃描測量技術(shù)是一種基于三角測量原理的主動式結(jié)構(gòu)光編碼工程測量技術(shù)，亦稱為光切法，通過將一線狀激光束投射到三維物體上，利用CCD攝取物面上的二維變形線圖像，即可解算出相應的三維坐標。每個測量周期可獲取一條掃描線，物體的全輪廓測量是通過多軸可控機械運動輔助實現(xiàn)的。這類設備的掃描速度可達15000 點/秒，測量精度在±0．01～±0．1mm 之間，價格適中，對測量工程對象型面的光學特性要求不高。

2．2．2 投影光柵測量技術(shù)

投影光柵測量技術(shù)是一類主動式全場三角測量技術(shù)，通常采用普通白光將正弦光柵或矩形光柵投影于被測物面上，根據(jù)CCD攝取變形光柵圖像，根據(jù)變形光柵圖像中條紋像素的灰度值變化，可解算出被測物面的空間坐標，這類測量方法具有很高的測量速度和較高的精度，是近年發(fā)展起來的一類較好的三維傳感技術(shù)。根據(jù)形變、高度關系的描述方法的不同，光柵測量可分為兩類：直接三角法和相位測量法。直接三角法原理簡單、速度快，不易受被測工程物面不連續(xù)等干擾的影響，但是其測量精度不高，不能實現(xiàn)全場測量；而相位測量法測量精度相對較高。

2．2．3 計算機斷層掃描（CT）技術(shù)

計算機斷層掃描（CT）技術(shù)最具代表的是基于X射線的CT掃描機，它是以測量物體對X射線的衰減系數(shù)為基礎，用數(shù)學方法經(jīng)過計算機處理而重建斷層圖像，這種方法最早是應用于醫(yī)療領域，目前已經(jīng)廣泛用于工程測量領域，即稱為“工程CT”。對中空物體的無損三維測量，這種方法是目前較先進的非接觸式檢測方法，它可對被測工程的內(nèi)部形狀、壁厚、材料，尤其是內(nèi)部構(gòu)造進行測量，該方法同樣能夠獲得被測工程內(nèi)表面數(shù)據(jù)，且不破壞工程結(jié)構(gòu)。但它存在造價高，測量系統(tǒng)的空間分辨率低，獲取數(shù)據(jù)時間長，設備體積大等缺點。

2．2．4 立體視覺測量技術(shù)

立體視覺測量是根據(jù)同一個三維空間點在不同空間位置的兩個（或多個）攝像機拍攝的圖像中的視差，以及攝像機之間位置的空間幾何關系來獲取該點的三維坐標值。立體視覺測量方法可以對處于兩個（或多個）攝像機共同視野內(nèi)的目標特征點進行測量，而無須伺服機等掃描裝置。立體視覺測量面臨的最大困難是空間特征點在多幅數(shù)字圖像中提取與匹配的精度與準確性等問題。近來出現(xiàn)了將具有空間編碼的結(jié)構(gòu)光投射到被測工程表面，制造測量特征的方法有效解決了測量特征提取和匹配的問題，但在測量精度與測量點的數(shù)量上仍需改進。

3 實際施工中的測量技術(shù)

綜合接觸式工程測量技術(shù)和非接觸式工程測量技術(shù)的實物數(shù)據(jù)獲取方法，是目前眾多逆向工程測量技術(shù)中針對大型的、結(jié)構(gòu)復雜的測量對象最具有高效性的一種工程測量方式。這種方法由接觸式工程測量技術(shù)獲取散布在被測物體上或周圍的人工標記點群的三維坐標，再以這些坐標數(shù)據(jù)作為非接觸式工程測量數(shù)據(jù)拼接的依據(jù)，從而獲取得到整體測量數(shù)據(jù)。這種綜合方法既具有以往工程測量技術(shù)的高效性，又消除了數(shù)據(jù)拼接時的累積誤差。

在實際測量中,測量方法的選用需根據(jù)被測物體的形狀特征和應用目的決定。作為一種檢測儀器出現(xiàn)的三坐標測量機在逆向工程應用中發(fā)展成為實物外形數(shù)字化的主要設備,但存在測量速度慢,需要進行測頭半徑補償;因測量力過大,不能測量松軟材料樣件等缺點。隨著硬件技術(shù)的不斷發(fā)展,光學非接觸式測量技術(shù)得到了迅速發(fā)展。以高響應,高分辨率著稱。該方法具有測量速度快,測量精度高,不受環(huán)境電磁場干擾,工作距離大,可測量材質(zhì)松軟的樣件等優(yōu)點,成功地解決了接觸式測量方法所存在的問題。在未來的發(fā)展趨勢中,非接觸式測量將越來越占據(jù)主要地位,但三坐標測量機在精度方面仍具有優(yōu)勢。對一些具有特殊的數(shù)字化要求的實物 (如內(nèi)部結(jié)構(gòu)),基于 CT和MRI的測量依然是一種不可替代的測量手段。可以說,迄今為止,還沒有一種完全適合于快速逆向技術(shù)的快速、精確的全能測量方法。

4 結(jié)束語

現(xiàn)代逆向工程測量技術(shù)是將接觸式測量技術(shù)和非接觸式測量技術(shù)相融合，是實現(xiàn)被測工程整體測量和數(shù)據(jù)拼接的有效方法，其使用越來越廣泛。它繼承了“攝影測量與遙感”領域的許多知識和技術(shù)，同時又發(fā)展出許多自身特有的技術(shù)和方法，比如設置人工標志點。筆者認為，研究逆向工程測量技術(shù)，對現(xiàn)代工程測量技術(shù)的發(fā)展有著重要的現(xiàn)實意義。

［1］張義力．逆向工程數(shù)據(jù)獲取中測量關鍵技術(shù)研究[J]．上海交通大學學報,2009：12-13．

［2］曹劍清．數(shù)字攝影測量[M]．武漢：武漢測繪科技大學出版社,2009：34-35．

［3］沈?qū)W標．工程測量的發(fā)展[J]．地礦測繪,1997(03)．