逆向工程中關鍵技術的研究

周建釗，杜文超，顏雨吉

（陸軍工程大學野戰(zhàn)工程學院，江蘇 南京210007）

逆向工程[1]（Reverse Engineering，簡稱RE）是根據(jù)現(xiàn)有的產品模型，利用數(shù)字化測試設備獲取實體數(shù)據(jù)，進而對數(shù)據(jù)進行處理，重構出完整的三維模型，并在此基礎上，進行優(yōu)化、創(chuàng)新設計、二次開發(fā)以及生產的過程[2]。作為一種新的產品設計方法，它在吸收國內外先進制造技術、降低生產成本、縮短產品開發(fā)周期等諸多方面都發(fā)揮著重要的作用。

國內外生產制造技術的不斷攀升，對三維模型的構建提出了更高的要求，對高精度、高效率的實現(xiàn)逆向工程也提出了更高的要求。因此，高精度、高效率地實現(xiàn)數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理以及模型重構顯得尤為重要。本文在對比國內外發(fā)展現(xiàn)狀的基礎上著重分析了逆向工程中的關鍵技術，為后續(xù)研究和開發(fā)提供思路與參考。

數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理以及模型重構是逆向工程領域最主要的關鍵技術。下面主要從這三個方面來分析。

1 數(shù)據(jù)獲取

數(shù)據(jù)獲取是數(shù)據(jù)處理、模型重建的基礎，是實現(xiàn)逆向工程的基礎和關鍵技術[3]。隨著科學技術的日趨發(fā)展，新理論、新技術層出不窮的引入，測量技術獲得了十足的發(fā)展。由于數(shù)字顯示技術在測量上得到了充分的應用，讀數(shù)精度和可靠性得到了顯著提高；光波干涉技術特別是激光技術的投入實用化使得測量精度得到顯著提高；光電攝像技術與計算技術的結合，極大地提高了對復雜零件測量的精度和效率。

1.1 數(shù)據(jù)獲取方法

數(shù)據(jù)獲取設備一般可以分為接觸式設備和非接觸式設備兩大類。常用的數(shù)據(jù)采集的方法如圖1所示。

圖1 常用數(shù)據(jù)采集方法的分類[4]

接觸式測量通過測量頭與被測物體的表面發(fā)生接觸，通過由傳感器記錄測量頭與被測物體表面的接觸位置，計算得到被測物體的坐標信息。

接觸式測量設備最典型的是坐標測量機（Coordinates Measuring Machine）。其優(yōu)點是結構相對穩(wěn)定，并且不會因被測物體的表面材料和特性的不同的而影響測量結果。其明顯的缺點是由于測量頭與被測物體工件長期接觸容易導致測量頭磨損，需要經常對其重新標定，同時，接觸式測量的測量速度較慢，且對于自由曲面難以測量。圖2所示是兩種典型的接觸式測量設備。

圖2 典型接觸式測量設備

非接觸式測量是利用電磁波、光、聲波等介質與被測物體的表面發(fā)生作用，并通過產生的相互作用來獲取被測物表面的坐標。當前使用最普遍的當屬激光式測量方法，其激光三角法測量原理如圖3所示。

圖3 激光三角法測量原理圖

非接觸式測量因為沒有測量頭與物體接觸，所以不會因接觸力與摩擦而產生測量誤差。非接觸式測量比接觸式測量數(shù)據(jù)采集速度快，且獲得點云的數(shù)量一般較大，非接觸式測量避免了接觸式測量時易發(fā)生的曲率干涉問題，能夠更加真實的反映被測表面的實際形狀。但非接觸式測量的缺點是容易受到外部環(huán)境的干擾，其測量數(shù)據(jù)的質量好壞與材料表面特性、環(huán)境光等因素都有著直接關系。圖4所示兩種設備是常用的非接觸式測量設備。

圖4 典型非接觸式測量設備

1.2 點云類型

根據(jù)設備的不同，采集到的點云也不盡相同。根據(jù)點云的分布，可以將點云大致分為散亂點云、掃描線點云、網格點云、多邊形點云四種點云數(shù)據(jù)類型[5]，如圖5所示。

圖5 點云類型示意圖

2 數(shù)據(jù)處理

三維數(shù)據(jù)獲取時，直接獲取的點云的數(shù)據(jù)數(shù)量龐大，而且由于點云獲取設備、采集環(huán)境以及測量方式等影響因素的存在，不可避免的會引入噪聲點、異常點等數(shù)據(jù)誤差。同時，經過多次測量才能得到完整的測量數(shù)據(jù)，點云數(shù)據(jù)中不可避免地產生很多的冗余點。所以，對點云數(shù)據(jù)進行處理是曲面重建前的必要環(huán)節(jié)，點云數(shù)據(jù)的處理效果將直接影響到模型重構的質量與效率。點云數(shù)據(jù)處理是保證三維模型重構質量和效率的前提條件。

2.1 點云去噪

由于儀器、環(huán)境以及測量方式等影響因素，測量數(shù)據(jù)不可避免的存在偏離點、無效點，影響重建模型的準確性。因此，對點云數(shù)據(jù)進行去噪處理，是建模的必要條件。點云去噪示意圖如圖6所示。

圖6 點云去噪示意圖

對于有序點云，均值濾波、中值濾波和高斯濾波是常用的濾波算法[6]，示意圖如圖7.均值濾波容易破壞模型細節(jié)特征，只對大量的不規(guī)則噪聲有較好的平滑效果。中值濾波無法去除大范圍的噪聲點，只能通過選取噪聲點周圍適當點值進行替換，僅對濾除少量且分布均勻噪聲效果明顯。高斯濾波法只能在指定域內將高頻噪聲濾除同時較好的保持原數(shù)據(jù)形貌，但在低頻區(qū)域對模型細節(jié)特征保護不夠。

圖7 常見濾波算法示意圖

對于散亂點云，目前主要分為基于投影濾波和基于鄰域濾波兩種濾波算法。在基于投影濾波的方法中，最具代表性的就是Levin等提出的移動最小二乘曲面法（MLS）。在基于鄰域濾波的方法中，主要使用拉普拉斯算子，或者是將2D圖像的濾波方法擴展到3D點云上。

2.2 點云精簡

在數(shù)據(jù)處理過程中，針對大量散亂無序的點云，很大程度上增加了數(shù)據(jù)處理的時間，影響了三維模型重建的效率。因此，為了減少后期數(shù)據(jù)處理和曲面重構的處理運算量和處理時間，提高三維模型重建的效率，必須對點云數(shù)據(jù)進行精簡處理。點云精簡示意圖如圖8所示。

圖8 點云精簡示意圖

目前主要分為基于空間分割的精簡算法和基于曲率的精簡算法[7]。基于空間分割的精簡方法是利用點云數(shù)據(jù)中最大值與最小值作為邊界位置構建一個初始包圍盒，根據(jù)劃分條件對初始包圍盒進行劃分，劃分得到大量小包圍盒，在每一個小包圍盒內根據(jù)自己的方法進行局部精簡，從而達到精簡目的。基于空間分割的精簡算法，效率上得到了提高，但是容易丟失模型的幾何特征，造成重建效果不佳。基于曲率的精簡算法[8]能夠彌補空間分割算法的劣勢，可以較好地保留物體表面的特征點，但相對于基于空間分割的精簡法效率低，尤其是面對海量點云數(shù)據(jù)時，基于曲率的精簡方法的效率會降低得很明顯。

2.3 點云配準

在數(shù)據(jù)獲取過程中，一般在一次測量中無法得到物體表面完整的測量數(shù)據(jù)，需要通過多次不同方位得測量才能夠獲取完整的表面數(shù)據(jù)。但是，由于每次測量的參考坐標系是不同的，所以需要進行坐標系變換，從而達到配準的目的，就需要對不同的坐標系進行旋轉變換和平移變換。因此，要先整合和配準這些局部點云數(shù)據(jù)，才能得到物體表面完整的點云數(shù)據(jù)。點云配準示意圖如圖9所示點云配準的實現(xiàn)算法有多種，如標記法、三點對齊變換法、ICP算法[9]等等。其中ICP算法是較為經典的算法，是目前點云配準必不可少的算法，也是最基本的算法之一。但是ICP算法極大地依賴配準的初始狀態(tài)，假如出現(xiàn)錯誤匹配，極易陷入局部極小值的死循環(huán)。點云配準實質上是一次矩陣變換，利用平移矩陣和旋轉矩陣將目標點云配準至參考點云。因此，點云配準的實現(xiàn)算法實質上就是找出最合適的旋轉矩陣和平移矩陣，使得目標點云和參考點云匹配得最精確。

圖9 點云配準前后示意圖

2.4 特征識別

特征識別是從測量數(shù)據(jù)重建模型的一個有用的特征點，然后根據(jù)這些特征點生成特征曲線或特征表面。這些特征曲線或特征曲面對重建模型的質量具有十分重要的作用。經過一系列處理后，測量數(shù)據(jù)可以提取數(shù)據(jù)的線特征，然后提取數(shù)據(jù)的表面特征以實現(xiàn)特征識別。特征識別主要是通過濾波方法實現(xiàn)的，主要基于集合曲率變化梯度、預測和鑒別點云突變特征，從而便于后續(xù)重建模型。

3 模型重構

模型重構是逆向工程關鍵技術之一，是實現(xiàn)CAE（工程分析）、NC（產品數(shù)控加工）以及產品創(chuàng)新設計的基礎。三維模型的重構，是通過利用物體表面的點云數(shù)據(jù)，通過逼近（Approximation）或插值（Interpolation）等方法進行擬合，重構出原物體的表面特征信息，從而構造一個與原物體近似的三維模型[11]。模型重構的實現(xiàn)一般有兩種途徑：

一種是將所得點云數(shù)據(jù)擬合成曲線，然后將曲線通過特定的方式構建成曲面片，如圖10所示。通過這種“點—線—面”方式得到的模型曲面，精度一般較高，光順性也較好。

圖10 “點—線—面”的方式擬合實現(xiàn)的曲面

另一種是直接對點云數(shù)據(jù)進行擬合，構建成曲面片，最后通過對所得曲面片裁剪、過渡和拼接等操作進行曲面編輯來實現(xiàn)曲面模型的重構，如圖11所示。這種直接利用點云數(shù)據(jù)進行曲面的擬合的方法，主要用于對模型精度要求不高的場合，或者對小范圍的模型曲面進行擬合。

圖11 點云數(shù)據(jù)直接擬合實現(xiàn)的曲面

4 結束語

本文通過對逆向工程關鍵技術的研究，總結了前輩對點云獲取、點云處理以及模型重構等關鍵技術的研究，總結并研究了接觸式、非接觸式點云獲取的方法，以及通過不同的采集設備不同方式掃描獲得的四種類型的點云；研究分析了點云去噪、點云精簡、點云配準以及特征識別等點云處理的常用方法，為后續(xù)高精度、高效率的實現(xiàn)點云處理的改進算法提供了參考。最后，研究總結了曲面模型重構的一般途徑，為改進現(xiàn)有算法給出了思路和出發(fā)點。

高精度、高效率的實現(xiàn)逆向工程，就要求點云獲取、點云處理以及模型重構等環(huán)節(jié)擁有更良好的設備和更優(yōu)秀的算法。因此，通過本文的深入總結分析，為后續(xù)研究和開發(fā)提供思路與參考具有重要意義。