1逆向工程關(guān)鍵技術(shù)(已修改)
2025-07-07 05:17 本頁面
【正文】 逆向工程中的關(guān)鍵技術(shù) 數(shù)據(jù)采集技術(shù) 目前，用來采集物體表面數(shù)據(jù)的測量設(shè)備和方法多種多樣，其原理也各不相同。測量方法的選用是逆向工程中一個(gè)非常重要的問題。不同的測量方式，不但決定了測量本身的精度、速度和經(jīng)濟(jì)性，還造成測量數(shù)據(jù)類型及后續(xù)處理方式的不同。根據(jù)測量探頭是否和零件表面接觸，逆向工程中物體表面數(shù)字化三維數(shù)據(jù)的采集方法基本上可以分為接觸式(Contact)和非接觸式（Noncontact）兩種。 接觸式包括三坐標(biāo)測量機(jī)（Coordinate Measuring Machining，CMM）和關(guān)節(jié)臂測量機(jī)；而非接觸式主要有基于光學(xué)的激光三角法、激光測距法、結(jié)構(gòu)光法、圖像分析法以及基于聲波、磁學(xué)的方法等。這些方法都有各自的特點(diǎn)和應(yīng)用范圍，具體選用何種測量方法和數(shù)據(jù)處理技術(shù)應(yīng)根據(jù)被測物體的形體特征和應(yīng)用目的來決定。目前，還沒有找到一種完全使用于工業(yè)設(shè)計(jì)逆向測量方法。 在接觸式測量方法中，CMM是應(yīng)用最為廣泛的一種測量設(shè)備；CMM通常是基于力變形原理，通過接觸式探頭沿樣件表面移動(dòng)并與表面接觸時(shí)發(fā)生變形，檢測出接觸點(diǎn)的三維坐標(biāo)，按采樣方式又可分為單點(diǎn)觸發(fā)式和連續(xù)掃描式兩種。CMM對被測物體的材質(zhì)和色澤沒有特殊要求，可達(dá)到很高的測量精度（177。），對物體邊界和特征點(diǎn)的測量相對精確，對于沒有復(fù)雜內(nèi)部型腔、特征幾何尺寸多、只有少量特征曲面的規(guī)則零件反求特別有效。主要缺點(diǎn)是效率低，測量過程過分依賴于測量者的經(jīng)驗(yàn)，特別是對于幾何模型未知的復(fù)雜產(chǎn)品，難以確定最優(yōu)的采樣策略與路徑。計(jì)算機(jī)斷層掃描X射線法激光三角法激光測距法非接觸式結(jié)構(gòu)光法光學(xué)法圖像分析法 超聲波法聲波法核磁共振法磁學(xué)法機(jī)關(guān)節(jié)臂測量機(jī)CMM激光追蹤層析法組合式接觸式逆向工程數(shù)據(jù)采集方法 逆向工程數(shù)據(jù)采集方法分類隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，CMM也由以前的機(jī)械式發(fā)展為目前的計(jì)算機(jī)數(shù)字控制（CNC）型的高級階段。目前，智能化是CMM發(fā)展的方向。智能測量機(jī)的研究是利用計(jì)算機(jī)內(nèi)的知識(shí)庫與決策庫確定測量策略，其關(guān)鍵技術(shù)包括零件位置的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)、測量決策智能化和測量路徑規(guī)劃、CAD/CAM集成技術(shù)等。隨著快速測量的需求及光電技術(shù)的發(fā)展，以計(jì)算機(jī)圖像處理為主要手段的非接觸式測量技術(shù)得到飛速發(fā)展，該方法主要是基于光學(xué)、聲學(xué)、磁學(xué)等領(lǐng)域中的基本原理，將一定的物理模擬量通過適當(dāng)?shù)乃惴ㄞD(zhuǎn)化為樣件表面的坐標(biāo)點(diǎn)。一般常用的非接觸式測量方法分為被動(dòng)視覺和主動(dòng)視覺兩大類。被動(dòng)式方法中無特殊光源，只能接收物體表面的反射信息，因而設(shè)備簡單，操作方便，成本低，可用于戶外和遠(yuǎn)距離觀察中，特別適用于由于環(huán)境限制不能使用特殊照明裝置的應(yīng)用場合，但算法較復(fù)雜；主動(dòng)方法使用一個(gè)專門的光源裝置來提供目標(biāo)周圍的照明，通過發(fā)光裝置的控制，使系統(tǒng)獲得更多的有用信息，降低問題難度。被動(dòng)式非接觸測量的理論基礎(chǔ)是計(jì)算機(jī)視覺中的三維視覺重建。根據(jù)可利用的視覺信息，被動(dòng)視覺方法包括由明暗恢復(fù)形狀（Shape From Shading，SFS）、由紋理恢復(fù)形狀、光度立體法、立體視覺和由遮擋輪廓恢復(fù)形狀等，其中在工程中應(yīng)用較多的是后兩種方法。立體視覺又稱為雙目視覺或機(jī)器視覺，其基本原理是從兩個(gè)（或多個(gè)）視點(diǎn)觀察同一景物，以獲取不同視角下的感知圖像，通過三角測量原理計(jì)算圖像像素間的位置偏差（即視差）來獲取景物的三維信息，這一過程與人類視覺的立體感知過程是類似的。，其中P是空間中任意一點(diǎn)，CC2是兩個(gè)攝像機(jī)的焦點(diǎn)，類似于人的雙眼，PP2是P點(diǎn)在兩個(gè)成像面上的像點(diǎn)。空間點(diǎn)P、CC2形成一個(gè)三角形，且連線C1P與像平面交于P1點(diǎn)，連線C1P與像平面交于P2點(diǎn)。因此，若已知像點(diǎn)pp2，則連線C1P1和C2P2必交于空間點(diǎn)P，這種確定空間點(diǎn)坐標(biāo)的方法稱為三角測量原理。 立體視覺原理圖 一個(gè)完整的立體視覺系統(tǒng)通常由圖像獲取、攝像機(jī)標(biāo)定、特征提取、立體匹配、深度確定和內(nèi)插6部分組成。由于它直接模擬了人類視覺的功能，可以在多種條件下靈活地測量物體的立體信息；而且通過采用高精度的邊緣提取技術(shù)，可以獲得較高的空間地位精度（相對誤差為1%~2%），因此在計(jì)算機(jī)被動(dòng)測距中得到廣泛應(yīng)用。但立體匹配始終是立體視覺中最重要的也是最困難的問題，其有效性有賴于三個(gè)問題的解決，即選擇正確的匹配特征，特征間的本質(zhì)屬性及建立能正確匹配所選特征的穩(wěn)定算法。雖然已提出了大量各具特色的匹配算法，但場景中光照、物體的幾何形狀與物理性質(zhì)、攝像機(jī)特性、噪聲干擾和畸變等諸多因素影響，至今仍未有很好地解決。利用圖像平面上將物體與背影分割開來的遮擋輪廓信息來重構(gòu)表面，稱為遮擋輪廓恢復(fù)形狀。將視點(diǎn)與物體的遮擋輪廓線相連，即可構(gòu)成一個(gè)視錐體。當(dāng)從不同的視點(diǎn)觀察時(shí)，就會(huì)形成多個(gè)視錐體，物體一定位于這些視錐體的共同交集內(nèi)。因此，通過體相交法，將各個(gè)視錐體相交便得到了物體的三維模型。 體相交法原理 遮擋輪廓恢復(fù)形狀方法通常由相機(jī)標(biāo)定、遮擋輪廓提取以及物體與輪廓間的投影相交三個(gè)步驟完成，而且遮擋輪廓恢復(fù)形狀方法在實(shí)現(xiàn)時(shí)僅涉及基本的矩陣運(yùn)算，因此具有運(yùn)算速度快、計(jì)算過程穩(wěn)定、可獲得物體表面致密點(diǎn)集的優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是精度較低，難以達(dá)到工程實(shí)用的要求，目前多用于計(jì)算機(jī)動(dòng)畫、虛擬現(xiàn)實(shí)模型、網(wǎng)上展示等場合，而且該方法無法應(yīng)用于某些具有凹陷表面的物體。如美國Immersion公司開發(fā)了Lightscribe系統(tǒng)，該系統(tǒng)由攝像頭、背景屏幕、旋轉(zhuǎn)平臺(tái)及軟件系統(tǒng)組成。首先對放置在自動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上的物體進(jìn)行攝像，將攝得的圖像輸入軟件后利用體相交技術(shù)可自動(dòng)生成物體的三維模型，但對于物體表面的一些
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