基于ATOS的異形件逆向方法研究

（長春理工大學 光電工程學院，長春 130022）

隨著現代工業節奏的加快，在產品設計領域上，傳統的正向設計方法在很多情況下已經無法滿足要求，而與之對應的逆向工程技術則受到了人們重視。逆向工程又稱求反工程（Reverse Engineering），它是將實物的立體信息轉化成可用計算機直接處理的數字信號，從而建立實物的數字模型的過程［1］。逆向建模流程如圖1所示，主要由數據的測量、數據的預處理、曲面重構和CAD模型的建立和修改四部分組成，其中數據的測量是逆向工程中的關鍵一步。數據的測量根據測量頭是否與被測件表面接觸分為接觸式測量和非接觸式測量兩類。在非接觸式中，ATOS三維光學測量系統作為非接觸式測量技術的代表之一，在商品化的光學測量中最為流行，其優勢在于可迅速采集大量實物表面數據點并且精度很高［2］。

圖1 逆向建模流程

1 ATOS系統的工作原理

ATOS流動式光學掃描儀是基于光三角、條紋投影和相位移動等原理對被測物體進行快速高精度的非接觸測量。ATOS掃描系統由硬件系統和軟件系統組成，如圖2所示。硬件部分主要由測量頭、連接控制器、支架、高性能電腦、電纜等輔助測量裝置組成。其中測量頭主要是由兩個CCD相機和一個光源（藍光）組成，測量頭由一個帶有六個自由度的配套支架支撐，根據測量需要可隨意轉動測量頭以便測量［3］。軟件系統的操作平臺為Linux系統，ATOS系統自帶的GOM inspect軟件能實時監控測量結果，且具有數據預處理功能的相關模塊。整體掃描系統的實驗平臺搭建如圖2。

圖2 ATOS掃描系統

測量時光源發出的光照射到被測物體表面形成漫反射，兩臺CCD相機同時接收漫反射回來的光線，由于被測物體表面存在形狀特征高低變化，CCD接收到的成像點所呈現的位置也不斷變化，根據成像點移動距離的大小和傳感器的結構參數，結合三角形原理，可以計算出被測件表面的空間位置。

ATOS掃描系統在獲取點云數據時，需要對被測件進行多次多角度掃描，因此就需要系統識別出被測件表面的參考點進行點云數據拼合。第一次掃描時，系統會對識別到的參考點進行編號，在后續的測量中，只需保證至少三個有編號的參考點在拍攝范圍內即可實現對測得的不同點云數據進行拼合。

由系統識別并匹配出的參考點在兩個相機相面坐標系上的坐標，計算出坐標系轉換關系［4］。為了計算簡便，以匹配三個參考點為例，則它們的坐標變換關系如下表示：

通過變形整理可得：

求解上式可得r1～r3，即可求出tx、ty、tz，所以在每次拍攝時，保證至少能拍攝到三個有編號的參考點即可完成坐標系的轉換，實現參考點及點云數據的自動拼合。

2 異形件的曲面重構

2.1 數據的測量

數據的測量是逆向工程中關鍵一步。ATOS掃描系統安裝好后，首先要分別對軟件和硬件進行一次校準［5］。硬件校準主要是對兩臺CCD相機的光圈、焦距等參數進行校準，軟件校準則需要用到ATOS自帶標定板配合軟件是兩臺相機相對空間相同點坐標進行匹配［6］。ATOS系統掃描檢測被測件表面流程如圖3所示。

圖3 ATOS掃描系統操作流程

在對物體進行測量前首先要觀察被測物體表面的光澤度、尺寸大小等。如圖4為某型號汽車后視鏡外殼，由于表面顏色過深或存在反光現象，會對測量結果產生影響，則需要在表面均勻噴涂顯像劑。

圖4 某型號汽車后視鏡外殼

顯像劑噴涂時需要掌握好噴嘴按壓力度、移動速度和與被測件的距離，否則容易造成顯像劑噴涂不均勻，影響測量精度［7］。在物體表面粘貼紙質參考點時，根據物體表面的曲率變化確定粘貼參考點的位置。在參考點粘貼的方式上，常用的參考點粘貼方式有兩種：

（1）先噴涂顯像劑，后粘貼參考點；

（2）將參考點貼在拍攝背景上。

經過多次實驗發現，方法（1）雖然操作方便，但是存在粘貼不牢固的問題，而且顯像劑噴涂的時候可能存在噴涂不均的現象，導致測量誤差產生。方法（2）雖然能夠有效降低參考點帶來的誤差，但是在測量過程中存在被測件無法移動的問題，導致被測件點云信息采集不完整。

為克服上述方法的局限性本文提出一種新的參考點粘貼方式：先粘貼參考點，后噴涂顯像劑，再用沾水棉簽將附著在參考點上的顯像劑擦掉。這種方法雖然操作有些繁瑣，但是它既不存在參考點移動或脫落的現象也不怕被測件的位置發生移動，而且通過實驗發現ATOS系統具有自動補償功能，在測量結束后能夠自動補償掉由于參考點厚度產生的距離，從而大大減小了數據測量時的測量誤差。圖5為粘貼參考點并噴涂顯像劑后的汽車后視鏡外殼。

圖5 粘貼參考點并噴涂顯像劑后的汽車后視鏡外殼

每次拍攝時，只要保證至少有三個有編號的參考點，即可通過公式（2）完成坐標系的轉換，自動拼合出完整的點云數據。

使用ATOS掃描過程中發現改變設置參數也會對測量精度產生影響。根據控制變量法的思想，保持測量頭與被測件的相對距離、位置、角度均不發生改變，僅改變曝光值，在曝光值不同的情況下進行多次掃描，得到結果如表1所示。

表1 曝光值對測量精度的影響

從表1中可以看出，曝光值的改變對測量精度的影響并不大，所以在測量過程中，只需選取適合拍攝的曝光值即可，不用過分在意其數值大小。

因為曝光值得影響并不大，所以選取適當曝光值即可，本文選取曝光值為0.035，通過改變掃描頭與被測物距離，判斷距離對精度的影響，通過多次實驗得到結果如表2所示。

表2 測量距離對測量精度的影響

表2證明測量距離對測量精度的影響還是比較大的，測量距離在60～70cm左右時，測量誤差值較小，超出這個范圍，誤差值顯著增大。所以，最終選取測量距離在65cm左右。

掃描測量時兩臺CCD相機同時接收被測件的形貌信息，計算機自動進行處理運算，并且將掃描出來的點云圖像呈現在顯示器上。本文選取一款汽車后視鏡外殼為被測件，經過ATOS掃描系統測量后的點云數據如圖6所示。

圖6 汽車后視鏡點云數據

2.2 曲面重構

將點云數據輸出通過CATIA相應的模塊進行預處理及曲面擬合、CAD模型重建等相關工作。當今世界上常用的三維軟件眾多，法國達索公司開發的CATIA軟件功能強大，應用領域廣泛。在逆向工程中，常用到DSE（數字曲面編輯）、QSR（快速曲面重構）、創成式曲面設計等模塊［8-10］。三維模型重建流程如圖7所示。

通過DSE導入點云數據的點云數量高達361797個，如此多數量的點云不但存在噪聲點，還會降低CATIA的運行速度，降低了工作效率，所以有必要在保證精度的前提下減少數據量。目前常用的兩種點云過濾方式是公差球法和弦公差法，對采集到的部分數據分別進行兩種過濾方法過濾結果如圖8所示。

圖7 三維模型重建流程

圖8 兩種不同方法過濾后的點云

對比圖8（a）、（b）兩張圖可以看出，公差球法過濾后的點云對曲率變化不大的點云效果較好，但對存在突變、曲率變化大的地方效果較差，造成特征信息的嚴重丟失。弦公差法在曲率變化大的地方能夠很好的保留特征信息但是點云過濾的效果并不是很好。

本文根據被測件特征信息豐富，存在邊緣曲率變化大的特點，提出一種新的點云過濾方式，在保證特征信息不丟失的情況下盡可能多的過濾點云。先采用弦公差法過濾一部分點云，此時特征信息保留的非常完整，但是點云過濾效果一般，影響運行速度，再在此基礎上進行均勻過濾，稀化特征信息處的點云數量。效果如圖9所示。

圖9 本文提出的點云過濾方法處理結果

三種點云過濾方法處理后的點云擬合精度對比如表3所示。

表3 三種方法的擬合精度

由上表可以看出，本文所采用過濾方法所產生的誤差平方和最小，方程的確定系數R-square也更接近于1，說明此方法處理后的點云在進行曲面擬合時精度更高，而且能夠在保證被測件特征信息完整的前提下大大減少點云數量，縮短處理時間。所以此方法對于處理這種整體曲率變化不大，局部存在曲率變化大的物體效果較好。

為了能夠更好地辨識點云的各個特征，方便重建模型，需要將處理好的點云進行鋪面并進行補洞等網格處理。處理結果如圖10所示。

圖10 處理后的網格數據

最后根據特征線提取，強力擬合，倒圓角等操作獲取最終重建的模型。如圖11所示。

圖11 重建的模型

3 結論

針對表面反光的物體，本文采用了先粘貼標定點后噴涂顯像劑的方法對異形工件進行處理，此方法大大減少了測量誤差的產生，拍攝時選取65cm為最佳測量距離，并在點云過濾的時候采用了新的過濾的方法，這種方法不但縮短了數據處理的時間，同時在保證特征信息盡量不丟失的前提下，過濾掉了大量冗余點，點云擬合后的誤差平方和約為1.758e-26。根據處理后的點云構造出來的曲面具有良好的連接性，得到的三維模型也很完整。實驗結果證明：本文ATOS掃描參數的確定方法和點云過濾方法適合這類整體曲率變化小，邊緣曲率變化大，特征信息豐富的被測件，能夠為后期曲面擬合提供高質量的點云，達到提高曲面重構精確性和提高工作效率的目的。