【文章內(nèi)容簡介】 出被測物體的空間坐標(biāo)。激光三角法根據(jù)入射光不同，以三角法為原理的測量方法可分為點測量、線測量和面測量三種。點式激光三角測量法常采用直射式和斜射式兩種。直射式三角測量法的原理如圖22所示。當(dāng)光點在成像面上的位移為x’時，可計算出被測面的位移x: X=ax39。bsinθx39。sinθ （21）式中： a—激光束光軸與接收透鏡光軸的交點到接收透鏡前主面的距離；b—接收透鏡后主面到成像面中心點的距離。θ—激光束光軸與接收透鏡光軸之間的夾角。圖22直射式三角測量法的原理斜射式是激光器發(fā)出的光和被測面的法線成一定的角度入射到被測面上，其原理如圖2一3所示。當(dāng)光點在成像面上的位移為x’時，可計算出被測面的位移x: X=ax39。cosθ1bsinθ1+θ2x39。cos?(θ1+θ2) （21）式中： θ1—為激光束光軸與被測面法線的夾角。θ2—為成像透鏡光軸和被測面法線的夾角。圖23單點斜射式激光原理圖 2)結(jié)構(gòu)光法:結(jié)構(gòu)光法的基本原理是把一定模式的光源投影到被測件表面，受到被測件表面高度的限制，光柵影線發(fā)生變形，利用兩個鏡頭獲取不同角度的圖像，通過解調(diào)變形光柵影線就可以得到被測表面的三維坐標(biāo)。這種方法中最著名的是投影光柵法。其原理如圖24所示。測量時，入射光線P照射到參考平面上的A點，放上被測物體后，P照射到被測物體上的D點，從圖示觀察A點就移動到C點，距離AC就包含了高度信息:z=h (x,y)，即高度受到了表面形狀的調(diào)制。圖24 結(jié)構(gòu)光法基本原理3)激光測距法:將光束的飛行時間轉(zhuǎn)化為被測點與參考面間的距離，主要有脈沖波、調(diào)幅連續(xù)波、調(diào)頻連續(xù)波等工作方式?？紤]到精度問題，實踐中多采用單一頻率調(diào)制的激光束，比較發(fā)射光束和接收光束之間的相位計算距離。4)干涉法:由一個光源射出的一束光經(jīng)過分光后產(chǎn)生的兩束光分別射向參考平面和目標(biāo)平面，反射后的兩束光產(chǎn)生干涉圖樣，通過分析指定的入射光的波長與干涉圖樣之間的關(guān)系測得目標(biāo)平面與參考平面的距離。5)圖像分析法:與結(jié)構(gòu)光法的區(qū)別在于它不采用投影模板，而是利用一點在多個圖像中的相對位置，通過視差計算距離，得到點的空間坐標(biāo)。6)CT測量法:計算機斷層掃描(CT)的主要結(jié)構(gòu)包括兩大部分:X線體層掃描裝置和計算機系統(tǒng)。CT測量法是目前最先進的非接觸式測量方法，它可以在不破壞樣件的情況下測量樣件的內(nèi)部形狀、壁厚，尤其是內(nèi)部結(jié)構(gòu)。但是它的空間分辨率低，獲取數(shù)據(jù)需要較長的積分時間，重建圖像計算量大，造價高。7)MRI測量法:磁共振成像術(shù)(MRD也稱為核磁共振，其基本原理是用磁場來標(biāo)定人體某層面的空間位置，然后用射頻脈沖序列照射，當(dāng)被激發(fā)的核在動態(tài)過程中自動恢復(fù)到靜態(tài)場的平衡時，把吸收的能量發(fā)射出來。然后利用線圈來檢測這種信號，信號輸入計算機，經(jīng)過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換在屏幕上顯示圖像。MRI測量法能深入物體內(nèi)部而不破壞物體，對生物沒有損害，在醫(yī)療上具有廣泛的應(yīng)用。但是這種方法造價高，空間分辨率不及CT，且對非生物材料不適用。8)超聲波測量法:超聲波測量法的原理是當(dāng)超聲波脈沖到達被測物體時，在被測物體的兩種介質(zhì)變界面會發(fā)生回波發(fā)射，通過測量回波與零點脈沖的時間間隔，即可計算出各面到零點的距離。這種方法相對于CT和MRI來說，設(shè)備簡單，成本低，但是測量速度較低且精度不高。目前主要用于物體的無損檢測和壁厚測量。9)層去掃描法:層去掃描法是一種直接從樣件到模型的實用、可靠的方法，它可以對任意復(fù)雜形狀的樣件進行快速測量。這種測量方法可以對具有孔或者內(nèi)腔的物體進行測量，測量精度高，得到的數(shù)據(jù)完整，但是這種測量方法是破壞性的。與接觸式測量方法相比較，非接觸式測量方法具有以下特點：優(yōu)點:測量速度快，曲面數(shù)據(jù)獲取容易。2)不需要進行測量半徑補償。3)無接觸力，不會損傷精確表面，可以直接測量軟工件、薄工件、不可接觸的工件。缺點:1)測量精度較低，無法判定特定的幾何特征，價格較高。2)易受工件表面的反射特性的影響，如顏色、斜率等。3)工件表面的粗糙度和明暗度會影響測量結(jié)果。4)易受環(huán)境光線以及雜亂光線的影響產(chǎn)生噪聲，數(shù)據(jù)處理比較麻煩。5)對邊線、孔以及不連續(xù)形狀的處理比較困難。非接觸式測量方法在高速采集數(shù)據(jù)方面具有顯著的優(yōu)勢而且數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理能夠進行并行處理，因此越來越受到重視。其中，光學(xué)原理的測量方法在非接觸式測量方法中應(yīng)用最為廣泛，基于光學(xué)原理的測量設(shè)備在逆向工程中的應(yīng)用最為廣泛。 數(shù)據(jù)獲取方法比較實物的數(shù)據(jù)測量方法很多，但各有優(yōu)點與缺陷。從目前使用情況看，一般采用三坐標(biāo)測量機、投影光柵法和激光三角形法等對實物原型的外部形狀進行測量；對于物體內(nèi)部輪廓的測量則常用工業(yè)CT和逐層切削照相測量，可完成復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)實物的測量。通過對上述兩種測量方法原理的分析，對其優(yōu)缺點比較如表21所示：表21 測量方法的比較優(yōu)點缺點接觸式測量方法1. 因為機電技術(shù)的成熟，有較高的準(zhǔn)確性和可靠性；2. 與工件表面反射特性無關(guān)，與曲率關(guān)系不大；3. 適合基本幾何形狀的測量；4. 測量精度高。1. 需要特殊夾具，使測量成本增加；2. 需要經(jīng)常校正測頭；3. 操作不當(dāng)容易損傷零件表面精度和測頭；4. 需要對測頭進行半徑補償，會導(dǎo)致修正誤差的問題。非接觸式測量方法1. 不必作測頭半徑補償；2. 測量速度快；3. 軟、薄、不可接觸的工件可直接測量。1. 測量精度較低；2. 易受工件表面反射特性的影響，如顏色、斜率等；3. 噪聲較高。 激光掃描機 本課題采用的數(shù)字化設(shè)備是LaserRE600III復(fù)合型激光掃描機，如圖25所示。它的應(yīng)用領(lǐng)域主要有：復(fù)雜曲面抄數(shù)、文物數(shù)字化產(chǎn)品仿真、反求工程設(shè)計、零件質(zhì)量檢測及快速成型應(yīng)用等。它的主要特征如下：（1）快速準(zhǔn)確地采集完整的三維幾何點云數(shù)據(jù)；（2）獨特的濾光設(shè)計，可使CCD基本不受環(huán)境光影響；兩組測頭從兩側(cè)不同方位測量，幾乎沒有測量死角；（3）整個系統(tǒng)的掃描驅(qū)動、位移值獲取、圖像信號采集、信號處理、系統(tǒng)定標(biāo)全部采用電腦控制；（4）被測工件可以任意擺放，采用四軸全自動掃描，旋轉(zhuǎn)軸中心自動定位實現(xiàn)全自動化掃描，并可實現(xiàn)多角度掃描，所測數(shù)據(jù)自動拼接；（5）通過高精度光學(xué)放大測頭，將被測微小尺寸予以放大，利用先進的圖像信息處理技術(shù)，可編程控制光學(xué)照明技術(shù)實現(xiàn)對微小或易變形的零部件的非接觸測量，輕松實現(xiàn)2D輪廓測量，彌補了單純?nèi)S激光掃描不能確定產(chǎn)品準(zhǔn)確邊界條件的不足。圖25 LaserRE600III復(fù)合型激光掃描機其規(guī)格參數(shù)及技術(shù)指標(biāo)如下表22：表22 激光掃描儀的規(guī)格參數(shù)及技術(shù)指標(biāo)基本參數(shù)LaserRE600III行程(mm) (X，Y，Z)500*600*400旋轉(zhuǎn)臺360176。重復(fù)精度(mm)定位精度(mm)外形尺寸(mm)1000*1300*1600重量(kg)650圖像采集系統(tǒng)Euresys高速圖像采集卡+精工鏡頭+低照度高分辨率CCD環(huán)境條件標(biāo)準(zhǔn)辦公室環(huán)境，無強光或陽光激光掃描參數(shù)精度(mm)激光650nm,20mW掃描速度100015000points/sec掃描軟件Rescantm掃描寬度(mm)50掃描景深(mm)1502D投影參數(shù)精度(mm)放大倍數(shù)20光學(xué)解析度(mm)數(shù)據(jù)格式ASCII, IGS, STL, DXF, IMW 汽車后視鏡的數(shù)據(jù)獲取實現(xiàn)各種數(shù)據(jù)采集方法都存在一定的局限性，要根據(jù)逆向工程中測量樣件的具體要求選擇相應(yīng)的測量方式，也可以采用不同測量的方式相互補充，以便高效率、高精度地實現(xiàn)樣件表面的數(shù)據(jù)采集。本課題采用的數(shù)字化設(shè)備是LaserRE600III復(fù)合型激光掃描機，它的應(yīng)用領(lǐng)域主要有：復(fù)雜曲面抄數(shù)、文物數(shù)字化產(chǎn)品仿真、反求工程設(shè)計、零件質(zhì)量檢測及快速成型應(yīng)用等。要掃描的工件如圖26所示。圖26 后視鏡罩與底座掃描原件在進行實際測量前觀察樣件的形狀復(fù)雜度、表面明暗度、測量環(huán)境等。如果表面反光應(yīng)噴灑表面噴劑，以便得到較好的測量效果。在測量過程中要盡量保證工作環(huán)境的溫度和光線的穩(wěn)定性，以免影響測量精度和速度。在樣件裝配完整的情況下，為了采集完整的數(shù)據(jù)需要在不破壞樣件的基礎(chǔ)上對測量樣件進行分解。在進行樣件分解時，要明確它的裝配工藝避免樣件在外力作用下發(fā)生變形影響最后的測量精度。由于該后視鏡的面比較多，需要進行多次測量。在保證能夠獲得完整測量數(shù)據(jù)的情況下，盡量減少分塊數(shù)據(jù)的數(shù)量并且保證每個數(shù)據(jù)具有明顯的形狀特征，這樣可以減少數(shù)據(jù)拼接時的誤差，使獲得的后視鏡的數(shù)據(jù)具有較高的精度。為了保證后視鏡與車架的裝配關(guān)系，需要測量出它們之間的裝配基準(zhǔn)。經(jīng)掃描得到的點云數(shù)據(jù)如圖27所示，圖27 后視鏡罩和后視鏡底座掃描點暈數(shù)據(jù)著色圖第3章 點云數(shù)據(jù)處理技術(shù) 點云數(shù)據(jù)分類測量數(shù)據(jù)按反映特征和組織結(jié)構(gòu)大致可分為二類:有序點和無序點。無論采用何種測量設(shè)備，如果使用了多次測量的方法，導(dǎo)致數(shù)據(jù)在分布上不遵循一定的規(guī)律，無明顯的幾何關(guān)系則稱為散亂點，在測量整個零件的外曲面時常出現(xiàn)。散亂點數(shù)據(jù)除要進行數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)分塊外，還要進行數(shù)據(jù)優(yōu)化及散亂點數(shù)據(jù)的拓樸關(guān)系。根據(jù)點云中的點的分布特征，點云可分為散亂點云、網(wǎng)格點云、等值線點云、掃描線點云。(1)散亂點云測量點沒有明顯的幾何分布特征，呈散亂無序狀態(tài)。隨機掃描方式下的CMM、激光掃描測量、結(jié)構(gòu)光測量等系統(tǒng)的點云呈現(xiàn)散亂狀態(tài)。對這種點云進行數(shù)據(jù)處理時，首先要建立其拓撲關(guān)系，可以通過三角劃分建立三角網(wǎng)格拓撲結(jié)構(gòu)，以便于后續(xù)的數(shù)據(jù)處理。圖31 散亂點云(2)網(wǎng)格點云點云中所有點都與參數(shù)域中的一個均勻網(wǎng)格的頂點對應(yīng)。將CMM、激光掃描系統(tǒng)、投影光柵測量系統(tǒng)及立體視差法獲得的數(shù)據(jù)經(jīng)過網(wǎng)格化插值后得到的“點云”即為網(wǎng)格化點云。圖32 網(wǎng)格點云(3)等值線點云測量點分布在一系列平行平面內(nèi)，用小線段將同一平面內(nèi)距離最小的若干相鄰點依次連接可形成一組有嵌套的平面多邊形。莫爾等高線測量、工業(yè)CT、層切法等系統(tǒng)的測量點云呈現(xiàn)多邊形特征。圖33 等值線點云(4)掃描線點云點云由一組掃描線組成，掃描線上的所有點都位于掃描平面內(nèi)。CMM自動跟蹤測量、CMM、激光測量系統(tǒng)沿自線掃描的測量數(shù)據(jù)和線結(jié)構(gòu)光掃描數(shù)據(jù)呈現(xiàn)掃描線特征。此外，對海量散亂點沿某一方向進行橫截面法得到的也是掃描線點云。圖34 掃描線點云 點云數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵技術(shù)測量數(shù)據(jù)的處理在反求工程中占有極為重要的地位，是反求工程的關(guān)鍵技術(shù)之一。由于系統(tǒng)誤差和隨機誤差的存在，測量數(shù)據(jù)中難免存在誤差較大的數(shù)據(jù)點，也會出現(xiàn)測量遺漏和數(shù)據(jù)重復(fù)現(xiàn)象。通過造型軟件提供的各種視圖和編輯工具可以從多個角度觀察原始型面數(shù)據(jù)，找出上述缺陷。對于上述誤差明顯偏大的數(shù)據(jù)點需要將其剔除，以免影響造型精度。另一方面是，一般測量的數(shù)據(jù)點的數(shù)據(jù)太大，即使很小一個模型也要上萬個點。因此數(shù)據(jù)精簡是必要的。數(shù)據(jù)預(yù)處理的任務(wù)是針對不同曲線曲面構(gòu)建方法，對測量數(shù)據(jù)進行相對應(yīng)的處理，以滿足其對數(shù)據(jù)質(zhì)量及拓撲結(jié)構(gòu)的不同要求。預(yù)處理過程包括多視點云的拼合、誤差點的識別和去除、點云的光順和平滑、精簡點云數(shù)據(jù)、特征提取、點云數(shù)據(jù)修補、點云數(shù)據(jù)分塊等多個方面。其工作流程圖如圖35所示。圖35 點云數(shù)據(jù)處理流程圖 點云數(shù)據(jù)點階段預(yù)處理1）點云數(shù)據(jù)注冊及拼合多坐標(biāo)多視點云數(shù)據(jù)的拼合是逆向工程中測量數(shù)據(jù)處理的一個基本問題，目前處理該問題常用的方法是 ICP(Iterative Closet Point Algorithm)算法，該算法首先由點云數(shù)據(jù)構(gòu)造出局部幾何特征，然后進行點云數(shù)據(jù)的重定位。其基本思想是：給定兩個