基于三維圖像的逆向工程重構(gòu)系統(tǒng)

曾月鵬

摘 要： 傳統(tǒng)逆向工程重構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行逆向工程重構(gòu)時(shí)，由于Image ware軟件無法處理數(shù)據(jù)規(guī)模較大的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，容易出現(xiàn)點(diǎn)云同三維曲面的吻合度較差，工件曲面的三維重構(gòu)精度低。設(shè)計(jì)基于三維圖像的逆向工程重構(gòu)系統(tǒng)，通過系統(tǒng)輸入/輸出文件格式、平滑濾波、邊緣檢測和閾值分割系統(tǒng)等軟件功能，將三維圖形進(jìn)行重構(gòu)與顯示得到三維圖像的測量與輸出結(jié)果，對(duì)輸出結(jié)果進(jìn)行矢量和格式轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)CAD三維建模。三維數(shù)字化尺寸檢測將三維模型的測量點(diǎn)云位置與物體重合，對(duì)測量點(diǎn)云進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和平移的操作使其能夠同三維曲面模型達(dá)到最高程度的吻合，在三維空間對(duì)三維曲面進(jìn)行取樣，獲取各點(diǎn)法向量，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)與法向量結(jié)合，實(shí)現(xiàn)工程工件曲面的三維重構(gòu)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)可顯著提高點(diǎn)工件點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理結(jié)果的清晰度，工件三維曲面擬合精度較高。

關(guān)鍵詞： 三維圖像； 逆向工程； 重構(gòu)系統(tǒng)； 數(shù)字化尺寸檢測； 點(diǎn)云數(shù)據(jù)； 曲面

中圖分類號(hào)： TN911.73?34； TP391.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）20?0168?04

Abstract： As the Image ware software cannot process large?scale point cloud data， problems of poor goodness of fit between the point cloud and 3D curved surface， and low 3D reconstruction accuracy for curved surfaces of the workpiece are likely to occur during the reverse engineering construction of the traditional reverse engineering reconstruction system. Therefore， a reverse engineering reconstruction system based on 3D images is designed. 3D graphics are reconstructed and displayed by utilizing the system′s software functions such as output of input file format， smooth filtering， edge detection and threshold segmentation， so as to obtain the measurement and output results of 3D images. Vector and format conversions are conducted for the output results to achieve CAD 3D modeling. The measured point cloud location of the 3D model is overlapped with the object by utilizing the 3D digital size detection. The rotation and translation operations of the measured point cloud are conducted to enable it to achieve highest degree of goodness of fit with the 3D curved surface model. Sampling of 3D curved surfaces is conducted in 3D space to obtain the normal vector of each point. 3D reconstruction for curved surfaces of the engineering workpiece is realized by combining the point cloud data with normal vector. The experimental results show that the designed system can significantly improve the resolution for point cloud data processing results of the workpiece， and has high fitting accuracy for 3D curved surfaces of the workpiece.

Keywords： 3D image； reverse engineering； reconstruction system； digital size detection； point cloud data； curved surface

逆向工程在許多領(lǐng)域中都有著極其重要的作用，其不但能夠縮短產(chǎn)品開發(fā)的時(shí)間，也能夠檢測現(xiàn)有的產(chǎn)品、修復(fù)損壞的產(chǎn)品、檢測產(chǎn)品的實(shí)際數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)之間的誤差[1]。傳統(tǒng)基于Image ware的逆向工程重構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行逆向工程重構(gòu)時(shí)，容易出現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理結(jié)果周圍存在大量噪聲干擾問題，導(dǎo)致點(diǎn)云同三維曲面的吻合度較差，工件曲面的三維重構(gòu)精度低。針對(duì)該問題，本文設(shè)計(jì)基于三維圖像技術(shù)的逆向工程重構(gòu)系統(tǒng)，提高工件曲面三維重構(gòu)精度，增強(qiáng)逆向工程的應(yīng)用價(jià)值。

1 基于三維圖像的逆向工程重構(gòu)系統(tǒng)

1.1 軟件功能設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的逆向工程重構(gòu)系統(tǒng)軟件由文件操作、圖像處理及圖形處理三部分組成[2]。逆向工程重構(gòu)的實(shí)現(xiàn)流程圖如圖1所示。

1） 輸入/輸出文件格式?；谌S圖像能夠?yàn)g覽圖像文件，實(shí)現(xiàn)對(duì)三維斷層圖像文件及三維模型文件進(jìn)行讀取或輸出[3]。

2） 平滑濾波。圖像平滑能夠降低圖像噪聲，均值濾波和中值濾波具有計(jì)算簡便、效率高等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用最為廣泛。

3） 邊緣檢測。邊緣檢測是在進(jìn)行各種基于邊界分割法之前進(jìn)行的操作[4]。其中抗噪聲干擾效果最好、定位結(jié)果最準(zhǔn)確的是Roberts算子和Sobel算子，因?yàn)閮烧叨季哂邪朔较蛩阕幽０濉?/p>

4） 閾值分割。完成斷層圖像邊緣檢測操作之后，利用二值處理方法對(duì)圖像邊緣的梯度賦值進(jìn)行計(jì)算，即可獲取該物體的具體邊界輪廓。該過程由直接輸入閾值法、最佳閾值法以及局部閾值法組成，同時(shí)也可以分割灰度級(jí)不相同的工件。由于邊界細(xì)化所用的是二值圖像，因此本算法也是為邊界細(xì)化打好基礎(chǔ)。

1.2 三維圖形重構(gòu)與顯示

三維圖形重構(gòu)與顯示，該功能的實(shí)現(xiàn)需同時(shí)滿足多個(gè)重疊物品的有效顯示。若未選取特定部分的ROI范圍，則輸出結(jié)果為整個(gè)物品的三維模型[5]。能夠生成和存儲(chǔ)三維體數(shù)據(jù)；能夠?qū)D像進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，即分割前原始灰度投影旋轉(zhuǎn)和分割后旋轉(zhuǎn)。

1.3 三維圖像測量與結(jié)果輸出

三維測量由距離測量、已確定三維模型某個(gè)特定位置的總灰度值、平均灰度值和標(biāo)準(zhǔn)差共同組成。

三維輸出是通過STL格式輸出實(shí)現(xiàn)，STL格式能夠直接將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇焖俪尚蜋C(jī)中，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)RE操作。除此之外，AVI（Audio Video Interleaved）格式旋轉(zhuǎn)動(dòng)畫輸出也屬于三維輸出。

1.4 矢量化及格式轉(zhuǎn)換

在進(jìn)行矢量化操作時(shí)可以通過人工確認(rèn)其中的參數(shù)，例如是否合并輪廓線（直線或?。M合輪廓線之前和之后各點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)差參數(shù)等。這類參數(shù)決定了矢量化過程中的擬合精度[6?7]，從而提高了CAD逆向三維建模精度，降低數(shù)據(jù)處理規(guī)模。

本文系統(tǒng)所存儲(chǔ)的矢量化文件為DXF（Drawing Interchange and File Formats）格式，目的為方便用戶使用CAD軟件對(duì)本系統(tǒng)所輸出的圖形文件進(jìn)行讀取[8]。這一過程是RE的另一種實(shí)現(xiàn)方法。雖然通過RE輸出的圖形文件與加工圖紙間還存在著許多差異，但經(jīng)過CAD軟件再次對(duì)圖形文件進(jìn)行修改即可解決該問題。

2 逆向設(shè)計(jì)流程

利用3D掃描儀器對(duì)物體進(jìn)行測量，得到所測物體外部輪廓空間的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再利用CAD軟件對(duì)3D數(shù)字模型進(jìn)行重組。圖2為逆向設(shè)計(jì)工作流程圖。此流程中最為重要的部分是物理模型數(shù)據(jù)的獲取、CAD模型的建立。本文檢測物品點(diǎn)云數(shù)據(jù)的方式是通過TRI?TOP及ATOS相互聯(lián)合，并通過CAT?IA對(duì)CAD模型進(jìn)行重建。

2.1 三維數(shù)字化尺寸檢測在逆向工程中的應(yīng)用

利用逆向工程對(duì)某物品進(jìn)行精準(zhǔn)的測量并獲得所需數(shù)據(jù)，再利用計(jì)算機(jī)建立數(shù)字模型。研究人員根據(jù)所得到的結(jié)果進(jìn)行篩選。

圖3為點(diǎn)云數(shù)據(jù)的導(dǎo)入，其實(shí)現(xiàn)過程是利用數(shù)字曲面編輯模塊，在CATIA中輸入點(diǎn)云數(shù)據(jù)（asc格式）。所得到較高品質(zhì)的點(diǎn)云基本上不需要再經(jīng)過CATIA軟件做刪除操作。

鑒于點(diǎn)云數(shù)據(jù)量龐大，需要大量存儲(chǔ)空間，就要通過Filter過濾器對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，僅留下被測物品所需的外貌點(diǎn)。利用Mesh Creation（網(wǎng)格創(chuàng)建命令）將點(diǎn)云網(wǎng)格化，通過觀察被網(wǎng)格化的點(diǎn)云得到被測物品的詳細(xì)特點(diǎn)。

2.2 曲面擬合重構(gòu)

逆向工程的重心是曲面擬合重構(gòu)[8]，具體包括：

1） 公差球方法的使用，小球的位置是根據(jù)界面上顯示的半徑和具體位置進(jìn)行設(shè)置，過濾小球半徑范圍內(nèi)除了起始點(diǎn)以外的數(shù)據(jù)。

2） 弦高差方法使用了最大弦高差和任意兩點(diǎn)云間的最大距離，過濾某個(gè)所選區(qū)間外的數(shù)據(jù)?？梢钥s短計(jì)算運(yùn)行周期。

曲面擬合重構(gòu)，即在三維空間中對(duì)曲面進(jìn)行取樣，獲得許多分散開的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和空間坐標(biāo)值，從而獲取每個(gè)點(diǎn)的法向量。然后根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)與法向量重建曲面，并將重建曲面與真實(shí)曲面之間的誤差降到最低[9?10]。逆向工程的重要步驟是曲面擬合重構(gòu)。

3 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)分析

用圖4表示本文系統(tǒng)和傳統(tǒng)基于Image ware的逆向工程重構(gòu)系統(tǒng)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)結(jié)果。

對(duì)比分析圖4可知，采用本文系統(tǒng)處理后點(diǎn)云數(shù)據(jù)清晰度較高，牛奶瓶表面的擬合效果較好且點(diǎn)云數(shù)據(jù)周圍的噪聲干擾較少，點(diǎn)云數(shù)據(jù)利用率較高。綜合說明本文系統(tǒng)在進(jìn)行逆向工程重構(gòu)時(shí)點(diǎn)云效果較好，有利于后續(xù)模型重構(gòu)工作有效進(jìn)行。

3.2 曲面重構(gòu)分析

圖5為采用本文系統(tǒng)進(jìn)行逆向工程重構(gòu)的汽車發(fā)電機(jī)端蓋的曲面重構(gòu)結(jié)果。圖6為對(duì)汽車發(fā)電機(jī)端蓋整體進(jìn)行精度檢測的云圖。從圖5和圖6可以看出，采用本文系統(tǒng)進(jìn)行逆向工程重構(gòu)得到的電機(jī)端蓋逆向模型與實(shí)際尺寸偏差結(jié)果較小。個(gè)別區(qū)域因三維圖像掃描過程中點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取有缺漏或掃描時(shí)將壞點(diǎn)掃描進(jìn)去，造成尺寸誤差較大。但偏差最大的出現(xiàn)通常為端蓋圓孔或者是邊緣處，對(duì)電機(jī)整體功能影響較低，采用本文系統(tǒng)進(jìn)行逆向工程重構(gòu)時(shí)精度較高，符合設(shè)計(jì)要求。

3.3 系統(tǒng)評(píng)價(jià)

表1和表2為專家對(duì)采用本文系統(tǒng)和基于Image ware的逆向工程重構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行逆向工程重構(gòu)模型評(píng)價(jià)結(jié)果。

分析表1和表2數(shù)據(jù)可知，采用本文系統(tǒng)進(jìn)行逆向工程重構(gòu)模型的評(píng)價(jià)結(jié)果較高。采用本文系統(tǒng)進(jìn)行逆向工程重構(gòu)的軟件功能評(píng)價(jià)平均結(jié)果為9.2分，傳統(tǒng)系統(tǒng)的得分僅為5.6，說明采用本文系統(tǒng)進(jìn)行模型重構(gòu)軟件部分功能較好；同樣從其他角度的評(píng)分結(jié)果得出，采用本文系統(tǒng)進(jìn)行的逆向工程重構(gòu)模型圖像處理能力、重構(gòu)與顯示效果、尺寸檢測結(jié)果、點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入以及曲面重構(gòu)效果均要優(yōu)于傳統(tǒng)系統(tǒng)的模型重構(gòu)結(jié)果，本文系統(tǒng)有較強(qiáng)應(yīng)用性。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了基于三維圖像的逆向工程重構(gòu)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可提高工件點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理結(jié)果，增強(qiáng)模型重構(gòu)過程中三維數(shù)字化尺寸檢測精度，提升逆向工程應(yīng)用性。

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