PolyWorks在逆向工程點云數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用.kdh

1、Digital Desig n數(shù)字化設(shè)計點云數(shù)據(jù)的生成和處理是逆向工程中的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文以鼠標為例，介紹了利用非接觸式三維光學(xué)掃 描儀生成點云數(shù)據(jù)和PolyWork軟件進行點云數(shù)據(jù)處理的方法，并分析了點云數(shù)據(jù)處理質(zhì)量的影響因素。PolyWorks在逆向工程 點云數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用中國工程物理研究院工學(xué)院楊軍曾翠華鄭榮霞CAD/CAM與制造業(yè)信息化2008年第11期 55Digital Desig n數(shù)字化設(shè)計CAD/CAM與制造業(yè)信息化2008年第11期 #Digital Desig n數(shù)字化設(shè)計傳統(tǒng)的設(shè)計過程是一個從無到有 的過程：設(shè)計人員首先構(gòu)思產(chǎn)品的外 形、性能和大致的技術(shù)參數(shù)等，然后

2、利 用CAD技術(shù)建立產(chǎn)品的數(shù)字化模型，最 終將這個模型轉(zhuǎn)入制造流程，完成產(chǎn)品 整個設(shè)計制造周期。這樣的產(chǎn)品設(shè)計過 程稱之為“正向設(shè)計”。逆向工程設(shè)計 則是一個“從有到無”的過程。簡單地 說，就是根據(jù)已經(jīng)存在的產(chǎn)品模型，反 向推岀產(chǎn)品的設(shè)計數(shù)據(jù)(包括設(shè)計圖樣 或數(shù)字模型)的過程。一、逆向工程設(shè)計的流程逆向工程設(shè)計流程如圖1所示，主 要包括以下四個步驟。圖1逆向工程設(shè)計流程(1) 對象的數(shù)字化(object digitization ):指利用相關(guān)的測量 設(shè)備，根據(jù)產(chǎn)品模型測量得到空間拓 撲離散點數(shù)據(jù)，即點云數(shù)據(jù)，并將測 量結(jié)果以文件或數(shù)據(jù)庫的方式存儲起 來，以備將來調(diào)用。(2 )對象重構(gòu) (ob

3、ject modeling ):指根據(jù)空間拓撲離散點 數(shù)據(jù)反求出產(chǎn)品的三維C AD 莫型。并在 產(chǎn)品對象分析和插值檢測后，對模型 進行逼近調(diào)整和優(yōu)化。(3)對象分析(object analysis ):指將模型和設(shè)計表征用 于產(chǎn)品的面分析、有限元分析和工藝 分析。并將分析結(jié)果以文件或數(shù)據(jù)庫 的方式存儲起來，以備其他模塊檢索 調(diào)用。(4 )對象加工 (object manufacturing ):指根據(jù)分析結(jié)果生 成NC加工代碼，并在具體的NC設(shè)備上將對象加工岀來。二、點云數(shù)據(jù)的生成點云數(shù)據(jù)的生成作為逆向工程 的第一步，如何高效、高精度地獲得 實物表面數(shù)據(jù)是逆向工程實現(xiàn)的基礎(chǔ) 和關(guān)鍵技術(shù)之一?，F(xiàn)

4、有的數(shù)據(jù)采集方 法主要分為三大類，即接觸式數(shù)據(jù)測 量、非接觸式數(shù)據(jù)測量和逐層掃描數(shù) 據(jù)測量。本文以鼠標為例，采用德國 Steinbichler 公司的 Comet25(非接觸 式三維光學(xué)掃描儀(見圖2)完成鼠標 表面點云數(shù)據(jù)的生成。工作的物理基 礎(chǔ)是三角相位測量法。傳感器的工作溫度為29C左右，其點云數(shù)據(jù)精度可達0.04mm密度可達900000點/幅。圖2 Comet25非接觸式三維光學(xué)掃描儀1. 鼠標點云數(shù)據(jù)的生成打開C OMET25C三維光學(xué)掃描儀， 將要掃描的鼠標放在工作臺上，對好焦 距。同時打開掃描軟件COMETplus，打 開“ File ”菜單，再單擊“ Save”命令。根據(jù)提示調(diào)

5、節(jié)好對比度和亮度 后，單擊“O K'按鈕，稍等片刻就得 到這個面的單幅點云(如圖3)。然后后 再將鼠標換個角度(角度不能轉(zhuǎn)得太簫親 大，要和上一個掃描面有重復(fù)部分， 以便于后續(xù)的拼接)，重復(fù)上述步 驟，直到所有面全部掃描完成。圖3鼠標單幅點云CAD/CAM與制造業(yè)信息化2008年第11期 #數(shù)字化設(shè)計Digital Desig n2. 鼠標點云數(shù)據(jù)的輸出COMET25C三維光學(xué)掃描儀的默認 文件輸岀格式是A C文件，能夠直接輸 入PolyWorks中進行后續(xù)處理。也可以 用S TL或A SCU等文件格式輸出點云圖 文件。三、PolyWorks對點云數(shù)據(jù) 的處理在掃描過程中，為了得到完整

6、的 點云數(shù)據(jù)，需要從不同的角度對模型 進行掃描。由于在不同的角度進行測 量時所處的坐標系不同，即不同角度 測得即便是在模型上的同一點，其坐 標也不會相同。因此必須將各測量面 的數(shù)據(jù)進行必要的坐標轉(zhuǎn)換后，合成 同一坐標系的一組數(shù)據(jù)，該技術(shù)稱之 為數(shù)據(jù)縫合，即點云三維拼接。這里 采用PolyWorks直接讀入COMET250 描儀生成點云數(shù)據(jù)，然后再利用該軟 件進行點云的后續(xù)處理。1.PolyWorks 簡介PolyWorks是InnovMetric 公司的圖4 PolyWors軟件旗艦產(chǎn)品（見圖4）,它能快速和高 品質(zhì)地處理由各種各樣的三維掃描儀 獲取的點云數(shù)據(jù)，繼而自動生成多種 世界通用的標準

7、格式數(shù)據(jù)。PolyWorks 的主要功能分成兩大塊：一種是 Pol ywor ks/Model e，即自動建立模 型。數(shù)據(jù)的來源是世界上的任意一種 三維激光掃描儀；一種是Polyworks/ Inspection，即依據(jù)具有零誤差的CAD 設(shè)計數(shù)據(jù)和用掃描儀掃描所得的實際 物品數(shù)據(jù)，自動得出生產(chǎn)過程中造成 的人為誤差報告。2.分塊點云數(shù)據(jù)的對 整縫合PolyWorks的對齊方式有一點對齊和多點對齊。一點對齊是在兩幅點云的 公共特征處選取一點進行 對齊和拼接。操作簡單、 快速，主要用于共同特征 非常明顯的點云數(shù)據(jù)。多 點對齊是在兩幅點云上選 擇3個以上的點，首先進行 粗略對齊，再通過擬合計算進行

8、精準 對齊。選取的點越多，對齊越精準， 同時擬合計算的時間也越長。本文采 用多點對齊的方式進行拼接。輸入點云數(shù)據(jù)。打開PolyWorks 軟件，選擇I M寸整模塊，單擊“開 始”按鈕。打開“檔案”菜單，依 次選擇“輸入圖形” -“ 3D影像檔 案"，在彈岀的窗口中選擇鼠標點云 存放文件夾，輸入第一幅鼠標點云數(shù) 據(jù)。按照同樣的方法，調(diào)入第二幅點 云數(shù)據(jù)。這次會多彈出一個窗口，詢 問你是否將兩幅點云都放在窗口中， 選擇“是”按鈕，這樣剛才調(diào)入的兩 幅點云就以局部顯示模式（見圖5）同 時出現(xiàn)在窗口中。（2）兩幅點云數(shù)據(jù)的拼接。將兩 幅點云數(shù)據(jù)調(diào)整到相似的角度，單擊 “對接”按鈕，這時鼠標會

9、變成一支 筆，用筆分別在兩幅點云上選擇三個 以上位置大致相同的點。選好后，單 擊鼠標右鍵，這兩幅點云就拼接完成 了（見圖6）。 *1 I*（3）擬合計算。單擊“擬合”按 鈕，在彈岀的窗口中調(diào)節(jié)好擬合精度（見圖7）,單擊“開始”按鈕，軟件 就開始進行自動擬合計算。擬合計算 能夠大大提高拼接的精度。；* AJ叫豈I11 fi（4）按照上述步驟，將多幅點云數(shù)據(jù)一幅一幅地拼 接在一起（見圖 8）。拼接完成后 需要再進行一次 總的擬合計算。3. 三角網(wǎng)格 的生成與模型的 編輯56. J _.兩幅點云同時顯示后，為了方便后所有的點 云數(shù)據(jù)拼接完成Digital Desig n數(shù)字化設(shè)計圖8拼接完成后的鼠標

10、點云續(xù)應(yīng)用，還需對其進行三角網(wǎng)格的生成和模型編輯。點擊進入P ol yWOrks的I 1整合模塊，可以按照用戶的要求生成一個三 角網(wǎng)格模型，并根據(jù)設(shè)定的參數(shù)對其 進行平滑處理和數(shù)據(jù)的初步篩減。將 拼接好的點云數(shù)據(jù)調(diào)入I曬合模塊，設(shè)定好采樣間距、半徑和公差等參 數(shù)，以及保存路徑和文件名。再單擊“開始”，經(jīng)過軟件自動運算生成相應(yīng)的三角網(wǎng)格模型(見圖9)。激光掃描設(shè)備所獲取的點云非 常密集，存在大量的冗余。如果直接 對點云進行存儲和處理，將大大降低 模型重建的速度，使整個過程難以控制，所以需要進行數(shù)據(jù)精簡。經(jīng)過 Pol yWOrks的I M壓縮模塊精簡后的模 型，在曲率大的區(qū)域保留足夠多的數(shù) 據(jù)點，

11、在曲率小的區(qū)域保留較少的數(shù) 據(jù)點，在滿足一定精度條件的同時保 證了數(shù)據(jù)的形狀特征。本文中鼠標在 精簡前三角網(wǎng)格數(shù)目為39926個，精簡 精度為0.02mm寸三角網(wǎng)格數(shù)目為15357 個。精簡后的模型能夠以igs、s t I、pl y、d xf等多種格式輸入到建模軟件 中進行后續(xù)處理。四、處理點云數(shù)據(jù)的影響 因素在點云的生成和拼接過程中，影 響其精度和完整性的主要因素大致有 以下幾點。(1) 模型的材質(zhì)與表面顏色。模型 表面的材質(zhì)和顏色直接影響其表面對 照射光線的反光程度，進而嚴重影響 其點云數(shù)據(jù)的質(zhì)量。如果模型的表面 過于吸光或反光，需要采用專用的噴 粉將其表面噴涂成淺色。(2) 模型表面參考

12、點。進行點云拼 接是根據(jù)表面參考點來定位的，因此 在改變掃描角度時不能過大，要讓兩 幅點云有較多的重復(fù)點，以利于后續(xù) 的拼接。對于表面很難找到參考點的 模型，需要在其表面設(shè)置參考點。(3) 模型邊界的掃描。邊界掃描不 完整是光學(xué)掃描儀的共同缺陷，因此 在測量中應(yīng)加強對邊界的測量，可以 從不同的角度多掃描幾幅。(4) 拼接時對應(yīng)參考點的選取。在 進行點云拼接時，要使兩幅點云上相 對應(yīng)的參考點的位置盡量一致。這樣 能提高點云的拼接精度和縮短擬合計 算的時間。(5) 擬合計算精度的選擇。在進行 自動擬合計算時，要合理地選擇擬合 精度。例如，在進行拼接時，不用選 擇很高的擬合精度來提高計算和拼接 的速度，可以等全部點云拼接好進行 總的擬合計算時再選擇很高的擬合精 度。這樣可以提高工作效率。五、結(jié)束語逆向工程設(shè)計是一項開拓性、實 用性和綜合性很強的技術(shù)。點云數(shù)據(jù) 的采集及其后續(xù)處理是逆向工程中關(guān) 鍵的一步。本