|
1 引言 反求工程（或稱逆向工程）是一門發展迅速的新興技術。實物反求技術被用于基于已有產品實物的產品再設計，或對一些無法用數字化手段直接表述和設計、而只能以實物形式表達的產品模型（如油泥模型）進行數字化轉換，以實施對這些產品的數字化設計與制造。例如，在對飛機、導彈等飛行器的外型進行空氣動力學設計時，完全基于實驗優化得到的實物模型無法直接用現有的CAD/CAM系統進行建模表述，因此，為了實現這些飛行器的數字化設計與制造，就必須利用實物反求工程中的點云數據采集技術將實物模型轉換為CAD模型。目前，實物反求技術已在新產品設計、產品維修、產品在線檢測等方面得到了廣泛應用。 在實物反求工程中，為實現對象數字化，必須利用相應的測量或掃描設備對產品三維實物模型進行測量或掃描，以獲得實物模型的空間拓撲離散點數據點云。因此，點云數據采集是實物反求時首先必須完成的工作。在各種實物測量技術中，近年來出現的光學掃描點云數據采集技術具有測量效率高、數據完整性好、適用范圍廣、可采集數據范圍寬（從數毫米至數十米）等諸多優點。 近年來，國內不少高校和科研院所對實物反求技術進行了大量研究和開發，并在一些關鍵技術上有所突破。通過自主開發和技術合作，國內在接觸式測量技術及設備的開發與應用上已日趨成熟。但對于非接觸測量的光學掃描點云數據采集技術，目前還很少見到有國內研制開發的成熟產品及其在汽車、模具等行業成功應用的公開報道。為促進對光學掃描點云數據采集及處理技術的研究與開發，并提供對外技術服務，我校引進了國外某公司生產的流動式光學掃描設備。在設備使用過程中，經常因操作失誤、調整不當等原因造成測量誤差過大的問題。為了透徹消化國外引進技術，筆者結合工作實踐對此進行了研究和分析，并提出了相應的解決方案。 2 測量誤差主要表現形式 （1）采集數據缺失或數據密度達不到要求。用這種不完整的數據進行點云擬合，誤差較大，難以達到要求的測量精度。 （2）對同一表面的數據采集結果表現為多層點云。這種情況往往出現于被測對象為大型工件或工件為透明物體時。 （3）單幅采集數據不準確，影響整體測量精度。 （4）累積誤差過大，使測量結果出現明顯偏差。 （5）點云拼接錯誤，導致較大測量誤差。 （6）測量結果中粗大點(噪音)數據過多。 3 誤差原因分析及提高精度的對策 筆者結合實際工作經驗，通過測試分析，將產生較大測量誤差的主要原因歸納為：標定不當、標尺使用不當；測頭鏡頭組合選擇不當;測量順序不當；測量策略選擇不當;工件表面標志點安放不當；測量過程中操作不當；工件被測表面預處理不當；后處理不當；測量環境選擇不當等，現分別分析如下： （1）標定不當、標尺使用不當 掃描測量頭（測頭）由光源、CCD攝像機及相應的鏡頭組構成。在進行點云數據采集之前，首先需要對測頭進行初始化，主要內容包括： ①根據被測對象的大小、表面特征的多少及其復雜程度選擇不同的鏡頭組合； ②根據測量現場條件、被測對象的表面形態及表面處理情況確定主光源的光強； ③根據系統標準工作流程對所選定的鏡頭組合進行標定，使標定精度值≤0.020； 如果測量之前未進行上述工作，而是直接使用以前標定的測頭進行測量，則可能因鏡頭組合、光源光強、標定精度不符合本次測量要求而無法保證測量精度，導致產生較大誤差。 在測量中，如果因操作失誤而使測頭受到沖擊、碰撞，應及時對測頭進行檢查，如已發生損壞，要進行修理；如未發生損壞，也必須對測頭進行重新標定；即使測量中未發生任何操作失誤，但如果測量時間較長，也需定時對測頭進行快速標定，檢查測頭的精度狀況。 標尺是對大型工件進行數據采集時利用數碼像機對整個工件上的標識點進行定位的必備工具，所使用標尺上的標準尺寸應與實際利用照片進行處理時所顯示的尺寸數值一致。 （2）測頭鏡頭組合選擇不當 采集大型工件表面點云數據時，應選用測量范圍較大的鏡頭組合，以實現總體數據的快速采集；對于其中部分特征較多、較小的區域，則最好選用測量范圍較小的鏡頭組合再進行局部小特征的突出測量，以獲得較好的測量效果。 對于大型工件，如選擇測量范圍較小的鏡頭組合進行測量，則要求工件表面有較多用于點云拼接的標識點，這就會延長工件預處理時間，加大測量時間跨度，因環境溫度隨時間變化引起的誤差就會反映到測量結果中，且會影響整個測量效率。如果用數碼像機對整個工件上的標識點進行定位，測量時自動進行拼接，則因標識點數較多、出現標識點之間關系相同的概率變大，容易發生拼接錯誤；如果不用數碼相機對整個工件上的標識點進行定位，相鄰單幅點云之間利用共同標識點進行拼接，則由于拼接次數較多，也會產生拼接累積誤差過大的現象。 反之，對于小型工件，如果選擇測量范圍較大的鏡頭組合進行測量，則無法準確反映工件上的小特征，使測量結果達不到要求的精度，需要重新更換合適的鏡頭組合，重新進行標定和測量。 （3）測量順序不當 測量順序是指測量時相鄰單幅測量結果間的疊加順序。以測量一個細長工件為例，圖中1,2,3,4,5所示矩形區域為當前標定測頭的測量范圍。當按圖所示發射狀排列方式測量工件時，首先測量工件中間位置，完成中間第1幅的測量后，再測量第2幅，然后利用三個共同的標志點將第2幅與第1幅進行拼合，此時會產生一個拼接誤差。同樣，第3幅與第2幅之間進行拼合時，也會產生一個拼接誤差。假設所有的拼接誤差大小相同，則1,2,3之間產生的累積誤差為 28，1,4,5之間產生的累積誤差也為28。測量結果顯示，1,2,3之間的累積誤差與1,4,5之間的累積誤差并不形成疊加關系，因此總的累積誤差仍為28。如按圖2所示的順序排列方式測量工件，則最大累積誤差為48。因此，測量時應盡可能采用“以中心為基準，發射狀排列”的測量順序，以減小累積誤差。 （4）測量策略選擇不當 測量時，應將被測工件按大型工件、中型工件、小尺寸多特征工件、內腔工件等進行分類，對于每類工件應相應采取不同的測量策略。 測量大型工件時，可首先用數碼像機對標識點進行總體定位，然后選擇一個單幅測量范圍較大的鏡頭組合進行測量；如工件尺寸過大，可分兩次進行測量，然后利用共同的參考點進行拼合；如大尺寸工件中存在較多的局部小特征，則可在測量基本完成后，再選用一組測量范圍較小的鏡頭組合進行局部測量。為便于小范圍測量的自動拼合，對該局部進行預處理時應增加參考點的密度。 測量中、小型工件時，應注意采用正確的測量順序，以減少累積誤差。實際上，對中、小型工件也可以采用對大尺寸工件的測量策略，但必須配備用于對參考點進行總體定位的數碼像機及相關軟件。 測量工件內腔表面時，為克服光學掃描測量設備的景深限制，可采取一些技術手段將內腔測量轉化為外型測量，如可將硅膠注人工件內腔中，待其凝固后取出，對其外型進行測量。 （5）工件表面標志點安放不當 不管是大型工件還是中、小型工件的測量，都會遇到工件表面標志點的安放問題。 大型工件的數據采集一般需要使用標尺和數碼像機，測量可分兩步進行:第一步，利用大的數碼點對用于單幅測量點云拼合的標志點進行整體構造，為保證通過正常運算獲得單幅測量用的標志點點云，必須遵循圖1所示的排列規則；第二步，以標志點點云作為參考系，系統會將測得的每個單幅點云中的標志點與已有參考點云中的標志點進行比較，如二者吻合，則自動進行拼合，兩個相鄰單幅點云之間不必再有重疊部分。也可進行測量，但前提是每個單幅點云都必須包含至少三個標志點，此時需對被測區域適當粘貼標志點，否則會造成測量困難或使測量精度下降。 中型工件的標志點粘貼與大型工件有所不同，由于相鄰兩幅點云的自動(或手工)拼合需要根據相鄰單幅點云的共同標志點來完成，因此中型工件的標志點粘貼密度應大于大型工件，否則難以實現相鄰兩幅點云的拼合。 由于小型工件標志點的安放會不同程度地掩蓋工件上的特征，因此工件表面應盡量少貼或不貼標志點，以獲得較完整的掃描數據。 此外，一般應將標志點粘貼在工件上較平整的位置，以減小對標志點處點云補缺的難度及相應的測量誤差。 （6）測量過程中操作不當 在測量過程中，應注意以下操作要點： ①調整測頭方位，使被測部位同時位于兩個測頭的測量范圍之內； ②調整主光源的光強，分別調整標識點和工件表面的清晰度，使測量部位的標識點及工件表面達到最清晰程度； ③測量過程中應盡量避免對測頭的沖擊或碰撞。如不慎發生這種情況，應及時對測頭進行檢查和重新標定，以保持后續測量的精度，否則，測量結果會顯示測量部件數據缺失，甚至使測量完全無法繼續進行。 （7）工件被測表面預處理不當 開始測量前，需要對工件表面進行適當的預處理。如果工件形狀十分簡單，且工件尺寸較小，通過單幅測量即可完成數據采集，則只需使工件表面能在主光源照射下形成漫反射即可。但通常情況下，僅僅通過單幅掃描測量很難完成對一個完整工件的數據采集，且一般的工件表面在主光源照射下也很難形成符合測量要求的漫反射，因此必須在工件表面預設一些參考點，利用共同的參考點對各次測量結果進行拼合，并用著色劑對工件表面進行均勻噴涂處理，使工件表面形成較理想的漫反射。 被測工件表面預處理不當主要指： ①工件表面某些部位反光過強或吸光過多，不能形成適合掃描要求的漫反射，導致無法形成有效的點云，測量結果顯示該部位數據缺失； ②缺乏足夠的參考點，導致無法進行拼合，即使能形成點云，也只是分散點云而不是整體點云； ③工件表面參考點的粘貼一致性太強，缺少特點，使系統無法有效識別單幅點云的拼合位置，從而容易產生拼合錯誤，難以形成被測工件的整體點云。 工件被測表面預處理不當還包括未對工件表面不能正確反映設計意圖的部分進行修正、工件表面在測量中被碰傷而未及時修復、工件安放狀態不當(如工件受力)等非測量因素。此外，在對工件內腔(如發動機氣道)進行硅膠注射以形成模型時，注射量不足或硅膠中氣泡過多也會使形成的模型不能正確反映工件內腔實際形狀。 （8）后處理不當 在光學掃描測量中，并非測量所得數據即為點云數據，測量的過程實際上是形成工件影像的過程，要獲得點云數據，還需利用ATOS系統對形成的影像數據進行后處理。對于用單幅點云進行拼合生成的結果，首先需要利用幾個共同的標識點將所有的單幅數據對齊，以減少累積誤差;然后利用對齊后的點云進行重運算，將影像數據轉換為點云數據。此時的點云數據可能還存在密度不均勻、粗大誤差點多等問題，可再經過三角網格化處理(Polygonize)，最終獲得質量較好的點云數據。 當然，后處理不僅僅包括上述內容。在實際測量中，掃描獲得的數據點并不一定只局限于所測實物模型，一些不屬于該模型的、測量環境中的隨機點也被同時測人，因此在進行后處理時必須去除這些不需要的點，以減小其后在基于點云數據進行三維CAD模型構造時產生錯誤的可能性。 此外，后處理還包括對點云的簡化處理。在一個實物反求點云中，對工件各個部位的精度要求并非完全相同，因此，對一些不太重要的部位可作降低點云密度的簡化處理；對一些比較重要的部位則可提高其點云密度。這樣不僅能保證三維模型構造的精度要求，而且可大大提高建模效率。 當然，后處理不僅僅包括上述內容。在實際測量中，掃描獲得的數據點并不一定只局限于所測實物模型，一些不屬于該模型的、測量環境中的隨機點也被同時測人，因此在進行后處理時必須去除這些不需要的點，以減小其后在基于點云數據進行三維CAD模型構造時產生錯誤的可能性。 此外，后處理還包括對點云的簡化處理。在一個實物反求點云中，對工件各個部位的精度要求并非完全相同，因此，對一些不太重要的部位可作降低點云密度的簡化處理；對一些比較重要的部位則可提高其點云密度。這樣不僅能保證三維模型構造的精度要求，而且可大大提高建模效率。 4 結語 近年來，實物反求技術在新產品設計、產品改型設計、模具制造等方面正發揮著越來越重要的作用，在汽車制造、航空航天、機床工具、國防軍工、電子、模具等領域的應用日趨廣泛。但目前國內對相關技術的研究還比較滯后，相關的技術裝備還主要依賴進口。因此，研究和開發具有我國自主知識產權的實物反求技術及設備，并盡快實現商品化應用，是該領域的當務之急。本文對光學掃描點云數據采集系統實際應用中的精度影響因素進行了分析，并提出了相應對策，希望能對提高相關測量設備的應用水平有所幫助，同時也可為實物反求技術的研究提供一些可資借鑒的實際經驗，促進我國反求工程技術開發、應用水平的不斷提高。 |
