逆向工程在“一滴血”紀念碑重建中的應用

北京則泰盛業科技發展有限公司 劉麗惠 薛 勇 蔣 濤

解放軍信息工程大學 翟 翊

則泰三維技術應用專欄

逆向工程在“一滴血”紀念碑重建中的應用

北京則泰盛業科技發展有限公司 劉麗惠 薛 勇 蔣 濤

解放軍信息工程大學 翟 翊

隨著社會生產水平的不斷提高以及三維激光掃描技術的成熟，逆向工程作為一項全新高效的技術在很多領域得到應用。以大連英雄紀念碑“一滴血”為例，探討其在雕塑重建工程中的應用，通過介紹三維激光掃描儀及數據獲取方法，提出一個可行方案。

紀念碑;重建;逆向工程;三維激光掃描;曲面重構

一、引 言

“一滴血”英雄紀念碑坐落于大連市西崗區英雄紀念公園內，建成于1998年，碳鋼結構，高17 m，重150 t。它全身鮮紅色呈放射狀，似血滴掉在地上飛濺的瞬間，如英雄灑下的熱血，是大連一道醒目的景觀。經過多年的風吹日曬雨淋，“一滴血”紀念碑已銹跡斑斑，碑體受到嚴重腐蝕，成為廣場上的安全隱患(如圖1所示)。經過多方鑒定，其維修的價值不大，原址原樣重建方案得到了最終采納。但是，如今已經找不到可利用的設計施工資料，要想重建一個形狀、大小、尺寸完全一樣的雕塑，采用逆向工程(反求工程)方法是比較理想的方案。

圖1 “一滴血”紀念碑現狀

逆向工程(reverse engineering，RE)技術是指在沒有設計圖紙或者設計圖紙不完整，以及沒有CAD模型的情況下，對產品(或零件)的實物進行測量、數據處理，并在此基礎上構造出實體的CAD模型的過程。逆向工程中為了獲得物體表面數據，測量方式分為兩種:一種是接觸式測量;另一種是非接觸式測量。接觸式測量一般測量精度高，但是數據獲取效率低;非接觸式測量則恰恰相反。但是近年來隨著三維激光掃描儀的問世，這種測量方式已經在很多領域得到廣泛應用，如虛擬現實、工業制造、船舶設計、文物保護、災害評估等。它的特點是自動化程度高、速度快、測量簡便。目前三維激光掃描儀包含兩種類型的產品，即脈沖式與相位式。一般來說，脈沖式掃描儀距離長、速度慢;相位式掃描儀距離短、速度快。兩者各有利弊，所以可以根據各自工程的特點選擇不同型號的儀器。

二、逆向工程體系結構

1.數據采集

針對“一滴血”紀念碑的大小、高度，考慮到測量速度、采樣密度、測量精度、時間及穩定性等方面的因素，本次掃描選用了Lecia相位式HDS6100超高速三維激光掃描儀，掃描速度為50.8千點/秒，最遠測程為79 m。這款設備掃描精度高，噪音點少，在90%發射率條件下，25 m處測量數據建模后精度可達±1 mm;在18%反射率條件下，25 m處測量數據建模后精度為±2 mm，完全可以滿足本次重建工作的精度要求。Leica HDS6100內置了操控面板、電池和硬盤，是一款完全一體化的儀器，無需連接任何外部設備就可以完成掃描作業，內置的電池可以連續工作2.5 h，標配的兩塊電池可以進行5 h的連續作業。這樣使得外業的數據采集變得尤為簡單和方便，此次數據掃描，只攜帶了掃描儀主機(內置充滿電的電池)和一個三腳架。因為Leica三維激光掃描儀后處理軟件Cyclone在進行數據拼接時非常靈活，支持特征點和點云匹配拼接，所以本次掃描不需要攜帶標靶和進行標靶掃描。

(1)掃描站點布設

三維激光掃描儀采用的是自由架站，只要地面堅硬穩固即可。經過對現場情況的仔細勘察，根據紀念碑的外形特征，為了采集比較完整的數據，本次掃描共布設了7站，位置如圖2所示。其中掃描站1位于紀念碑下方正中心位置，掃描站2至掃描站7分別位于紀念碑四周。這樣確保了“一滴血”紀念碑重要特征和輪廓的完整采集。

圖2 掃描站點設置

(2)掃描參數設置

“一滴血”紀念碑高度為17 m，掃描儀距離紀念碑的最遠直線距離約30 m，最近距離約5 m。因此采用了“High”模式的掃描分辨率(15 m處點間隔9 mm)進行了全景(水平360°×垂直310°)掃描，掃描儀很快完成全景掃描工作，而且完整采集到周邊平臺、臺階、欄桿以及樹木等特征，方便了后續的數據拼接以及新雕塑的安裝定位。掃描儀參數設置如圖3所示。

每站的數據掃描時間約3 min 15 s，因此包括架站及遷移時間，7站掃描總共約1 h就完成了本次數據采集任務。單站掃描數據如圖4所示。

圖3 掃描儀參數設置

圖4 單站掃描數據

(3)數據拼接

數據采集完成后，經過下載從掃描儀內置硬盤復制到計算機中，然后使用Cyclone軟件加載。此時每一站數據都使用的是各自獨立的相對坐標系，為了將所有的數據統一到同一個坐標系中，需要對數據進行拼接，即將其中任意一站的坐標系設為母站，其他測站的數據都以此站為基準，進行平移、旋轉。

式中，Δx0、Δy0、Δz0為3個平移參數;ωx、ωy、ωz為3個旋轉參數。

從式中可以看到，兩站之間進行拼接至少需要選取3個公共特征點。為了有多余觀測，查看拼接精度，最好選4個公共特征點。此外為了提高拼接的精度，選取的公共特征點要分布均勻，距離不要太近。

數據拼接是三維激光掃描數據后處理中非常重要的一步，數據拼接的精度直接影響到建模以及各種線、面、體數據的精度。Leica Cyclone軟件中提供了多種靈活的拼接方法，控制點拼接、標靶拼接、點云拼接，并且相互之間可以補充，即當標靶約束不夠時可以用點云約束做補充，點云約束有困難時也可以添加標靶約束。本紀念碑掃描的數據采用脫機掃描，并且掃描距離可靠，站位布設合理，點云質量好，重合區域充分，因此采用了點云約束的方式進行拼接。

在Cyclone軟件中有直觀的數據交互拼接和檢查工具，并可以提供拼接誤差分析報告，供數據處理參考和調整。如圖5所示，7站掃描數據拼接中，最大的拼接誤差為8 mm，最小拼接誤差為0 mm，精度可以滿足本紀念碑重構的需要。點云拼接結果如圖6所示。

圖5 點云拼接和檢查

圖6 點云拼接結果

2.面重構

(1)點云預處理

曲面重構是將離散的測量數據重構成連續變化的曲面的過程。目前，逆向工程非接觸式測量方式的一個最大缺陷就是數據量非常龐大，并且常常帶有許多雜點、噪音點，影響后續的模型建立以及曲線、曲面數據的提取。因此需要對點云進行去噪以及對模型進行檢查修復等處理，處理工作流程大致如圖7所示。

圖7

本次工程曲面重構用到的軟件為Geomagic Studio，它是全球四大逆向工程軟件之一，也是目前市場上對點云處理及三維曲面構建功能最強大的軟件。可以輕而易舉地根據掃描所得的點云數據創建出完美的多邊形模型，并可自動轉化為NURBS曲面。

該軟件支持手動選擇噪音點刪除，也可以設置合適的參數使軟件自動選擇噪音點并刪除，如圖8所示。如果利用軟件自動刪除，此過程可以多進行幾次，直到選擇的噪音點很少為止。

(2)三維曲面構建

三維曲面構建是Geomagic Studio的強大功能之一，軟件可以自動完成點到三角面片的轉換(即封裝)。封裝完成后可以對三角網進行自動檢測、修復，并且可以根據周圍模型的曲率對掃描盲區進行填充。軟件支持對三角網的編輯修改，如松弛、光順、雕刻、銳化、去除特征、創建特征等操作，以便最大限度地與實際物體相吻合，如圖9所示。

圖8 軟件自動選取噪音點

圖9 生成的模型狀

(3)特征提取

為了獲取“一滴血”紀念碑較完整的細部特征，筆者采用了高密度的掃描模式，因此數據量比較大。考慮到計算機的運算能力及效率，對模型進行了分塊處理。通過設置曲率敏感度，軟件自動根據模型的曲率變化提取出線條，生成輪廓線，如圖10所示。

圖10 生成的輪廓線

圖11 完整輪廓線

將其余部分模型也生成輪廓線，并將其合并，得到整體的輪廓線，如圖11所示。

3.CAD模型建立

因為本紀念碑相關的數據要提供給機械加工工廠，并要實現三維的分解及裝配，因此要通過提取的輪廓線，利用機械設計軟件Autodesk Inventor完成了最終三維模型的構造，如圖12所示。

圖12 完整三維模型

三、結束語

逆向工程為生產加工制造提供了新思路，三維激光掃描技術為逆向工程提供了新的解決方案。正是因為使用了這種新技術才能在時間緊、任務重、精度要求高的情況下高質量地完成本次數據采集任務，這是傳統的測繪手段所無法企及的。使用Lecia HDS6100三維激光掃描儀的優勢主要體現在:

1)工作效率顯著提高，從采集數據到成果提交僅用了不到兩周的時間。

2)大大減少了外業工作量，三維激光掃描儀獲取數據快，信息量大，在短時間內采集到完整的數據后，剩下的工作可以在計算機中完成。

3)數據更完善、翔實、精準，可以體現紀念碑雕塑的整體形狀和局部細節。

4)測繪簡單，無需過多的人工參與，儀器可自動完成掃描任務。

5)非接觸測量，避免了對紀念碑雕塑的二次破壞。

6)實現傳統測繪手段無法操作或記錄對象的測繪。

7)實現了紀念碑雕塑在計算機中的真實再現和永久保存。

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2011-05-23

劉麗惠(1981—)，女，山西洪洞人，助理工程師，主要從事三維激光掃描技術研究工作。

(本專欄由則泰集團和本刊編輯部共同主辦)