基于CATIA逆向模塊的點(diǎn)云合成方法研究

孔繁宇，呂德剛，田 芳

(1.哈爾濱市信息中心，哈爾濱150001；2.黑龍江工程學(xué)院汽車與交通工程學(xué)院，哈爾濱150050)

0 前言

在CATIA軟件中，點(diǎn)云處理模塊已經(jīng)比較成熟，經(jīng)常在工業(yè)上被用于逆向工程。對(duì)某一目標(biāo)產(chǎn)品進(jìn)行三維掃描，獲得點(diǎn)云，導(dǎo)入CATIA點(diǎn)云處理模塊進(jìn)行處理，清除多余點(diǎn)云，同時(shí)進(jìn)行分析、研究，并重新進(jìn)行設(shè)計(jì)[1-2]。這種設(shè)計(jì)方法可以快速獲得產(chǎn)品尺寸和外形，結(jié)合其他設(shè)計(jì)工具，如ANSYS、AutoCAD等軟件，可以快速進(jìn)行產(chǎn)品的改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)。逆向設(shè)計(jì)的前提是獲得點(diǎn)云，通過(guò)工業(yè)3D掃描儀掃描目標(biāo)產(chǎn)品時(shí)，通常采取的方法是先在反光面噴涂顯影劑，然后在比較平整的表面貼好坐標(biāo)點(diǎn)，再用掃描儀進(jìn)行掃描[3-4]。掃描過(guò)程中可能需要輔助掃描工具協(xié)助，同時(shí)還要對(duì)目標(biāo)零件多次從不同角度重復(fù)掃描，才能獲得比較完整的點(diǎn)云[5]。

對(duì)體積較大、外形變化不大的掃描對(duì)象，這種掃描方法能夠獲得質(zhì)量較好，比較完整的點(diǎn)云。但對(duì)于體積較小、表面形狀變化比較大的目標(biāo)對(duì)象，這種掃描方法就顯得力所不能及。多次重復(fù)掃描，就需要多次重新建立參考坐標(biāo)系，會(huì)嚴(yán)重影響掃描速度，降低掃描效率。因此，尋找一種快速掃描表面曲率梯度大、體積小的目標(biāo)對(duì)象的方法，是亟待解決的問(wèn)題。

1 點(diǎn)云獲得過(guò)程

本次逆向設(shè)計(jì)采用的3D掃描儀是加拿大Creaform HandySCAN 300TM型掃描儀，掃描儀包括高分辨率的CCD系統(tǒng)，精度為0.030 mm，分辨率為0.050 mm。這種掃描儀無(wú)需固定安裝，使用前在掃描對(duì)象上貼好靶標(biāo)，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定位，掃描過(guò)程中需保證在掃描儀視野中至少有3個(gè)靶標(biāo)，它使用光學(xué)反射標(biāo)靶進(jìn)行掃描，光源采取3束交叉激光線條，通過(guò)掃描可自動(dòng)生成STL格式三角網(wǎng)格面，可以轉(zhuǎn)換成.dae、.fbx、.igs、.wrl、.x3d等多種常見輸出格式[6]。

為了快速獲得完整點(diǎn)云，探索一種新的掃描方法，特掃描一種常見的塑料玩具熊，在掃描的過(guò)程中在玩具熊的頂部固定一個(gè)工業(yè)用量塊，量塊的精度等級(jí)為0.002 mm，超過(guò)掃描儀精度，完全可以作為定位用輔助工具。先后掃描玩具熊的前后兩面，不在玩具熊的表面貼坐標(biāo)點(diǎn)，而是在玩具熊和放置的底板上貼坐標(biāo)點(diǎn)，玩具熊外形如圖1所示。由于這種塑料玩具表面反光嚴(yán)重，必須在其表面噴涂顯影劑，噴涂顯影劑后的效果如圖2所示。

圖1 掃描前外形圖

圖2 噴涂顯影劑后外形圖

掃描后獲得的玩具熊前后兩部分點(diǎn)云如圖3～4所示。為方便區(qū)分，將后部點(diǎn)云改成淡藍(lán)色。

圖3 玩具熊前部點(diǎn)云

圖4 玩具熊后部點(diǎn)云

2 點(diǎn)云的合成與分析

打開CATIA軟件，切換到點(diǎn)云處理模塊，導(dǎo)入玩具熊前、后點(diǎn)云，并去除雜點(diǎn)。兩部分點(diǎn)云分別導(dǎo)入到同一個(gè)坐標(biāo)系下，相互沒(méi)有制約關(guān)系，所以相對(duì)位置隨機(jī)，如圖5所示。

圖5 前后部點(diǎn)云導(dǎo)入效果圖

量塊放置在玩具熊頂部，無(wú)論掃描玩具熊前部還是后部，都應(yīng)該將量塊掃描進(jìn)去。至少保證量塊的3個(gè)面被掃描進(jìn)去，這樣才能保證后續(xù)建立坐標(biāo)系并合成點(diǎn)云，量塊掃描圖如圖6所示。把CATIA軟件切換到點(diǎn)云識(shí)別模塊，選擇量塊上表面的點(diǎn)云，識(shí)別為平面，識(shí)別時(shí)注意只選取中間平整處的點(diǎn)云，如圖7所示。在量塊前面中間的平整點(diǎn)云處，隨機(jī)選擇兩點(diǎn)，建立一條直線，如圖8所示。通過(guò)投影命令，把這條直線投影到上表面所建立的平面，建立一垂直于上表面的平面。在第3個(gè)面上，選取一點(diǎn)，通過(guò)此點(diǎn)做前面兩個(gè)面的垂直面。將上述3個(gè)平面兩兩之間做相交線，則生成3個(gè)相互垂直的直線和3個(gè)相互垂直的平面，如圖9所示。

利用上述3個(gè)相互垂直的直線和3個(gè)相互垂直的平面，建立一個(gè)笛卡爾坐標(biāo)系，坐標(biāo)系原點(diǎn)就在3條直線相交處，坐標(biāo)系如圖10所示。對(duì)于玩具熊后部點(diǎn)云，采取同樣方式，在背面點(diǎn)云上建立坐標(biāo)系，注意兩個(gè)坐標(biāo)系方向、原點(diǎn)需一致如圖11所示。

圖6 量塊掃描效果圖

圖7 量塊上表面平面生成

圖8 量塊側(cè)面建立直線

圖9 垂直平面示意圖

圖10 正面點(diǎn)云坐標(biāo)系

圖11 背面點(diǎn)云坐標(biāo)系

使用“坐標(biāo)平移”命令，把前后兩部分點(diǎn)云合成一體，從側(cè)面看，前后點(diǎn)云吻合良好，如圖12所示。觀察玩具熊所放置底板點(diǎn)云，兩種顏色點(diǎn)云相互滲透，同時(shí)放大玩具熊頂部量塊點(diǎn)云，也是兩種顏色點(diǎn)云相互均勻滲透，如圖13所示，足以證明前、后點(diǎn)云相互融合效果良好。

圖12 點(diǎn)云合成圖

圖13 量塊點(diǎn)云合成效果圖

3 結(jié)語(yǔ)

本文以一常見玩具模型掃描過(guò)程為例，針對(duì)CATIA逆向工程模塊在使用過(guò)程中經(jīng)常遇到的問(wèn)題，研究了逆向設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)于那些外形曲率變化大、體積小的掃描對(duì)象，如何解決掃描效率低的問(wèn)題。經(jīng)過(guò)實(shí)踐操作，可以得出以下結(jié)論：

1)使用3D掃描儀獲得點(diǎn)云的過(guò)程中，以一工業(yè)量塊作為輔助工具，獲得多個(gè)點(diǎn)云文件，再使用CATIA軟件進(jìn)行合成，能夠快速獲得掃描對(duì)象的整體點(diǎn)云。

2)工業(yè)量塊的精度大于3D掃描儀的掃描精度，這是實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云合成的前提。

3)在點(diǎn)云合成過(guò)程中，必須慎重選擇點(diǎn)云重建基準(zhǔn)面，例如前后點(diǎn)云的坐標(biāo)系，選擇參考點(diǎn)應(yīng)盡量避免邊緣處，防止激光散射造成誤差過(guò)大。