逆向工程中数据点预处理程序系统的开发

逆向工程中数据点预处理程序系统的开发I．Budaka,J.Hodolica,M.Sokovic(a.诺维萨德大学科学与技术学院，塞尔维亚学院，塞尔维亚和黑山，621000;b.卢布尔雅那大学机械工程学院,卢布尔雅那,斯洛文尼亚,6,SI-1000)摘要在当前市场要求极高的情况下，企业必须要反映迅速，在很短时间内开发出形状复杂的产品。用标准的CAD工具为这类产品建模，有时非常困难，甚至有些不可能。在此基础上出现的专门解决复杂形状产品设计的方法——逆向工程，在过去十年里发展相当快。虽然有了十年以上的快速发展，逆向工程还是有些明显的缺陷，其中一个主要问题是三维数字化结果质量差(噪音，计量错误，数据冗余，数据不完整等)，这意味着表面重建精度较低。通过数据过滤、数据平滑、数据缩减可以解决或者至少可以改善这个问题，其的步骤大部分都包含在逆向工程的预处理阶段。本文为三维数字化数据点预处理系统提供了方案。所推荐的系统是基于目前主要在工业中应用的横截面方法。文中所提到的方案是目前已由实际应用和一些实验结果所证实。关键字：逆向工程；数据预处理；噪声滤波；数据整理1前言目前全球市场一方面需求表明，依靠快速和频繁的产品设计，新产品开发必要时间不断缩短。另一方面，出于对美学和人机工程学的要求，诸如包装、玩具、汽车这些产品的形状越来越复杂化。传统加工方式愈加难以满足这些要求。这就意味着会发展一种抽象的概念——一种思想，通过概念物，然后通过计算机辅助设计与制造进行设计。从这种意义上说，逆向工程技术为大部分当代市场需求都提供了解决方案，这种技术已经发展开来。十年前，逆向工程在文献中并不常见，实际应用则更是少见。而如今逆向工程技术在许多领域的应用已经屡不见鲜：工艺设计、软件工程、电影业、娱乐行业、化学工程、电子技术行业等。最近，逆向工程在电子机械系统行业中也有了应用的先例。从广泛意义上将，包括各种以确定的产品功能或分析理念和技术处理方法。这些方法应用在产品逆向工程的原始开发。毫无疑问，在CAD产品建模过程中，逆向工程所扮演的角色越来越重要，尤其是涉及到复杂表面加工，用现代CAD系统往往是非常困难甚至有些不可能。然而，这些复杂形状表面可以通过“艺术建模”(在粘土、石膏、高分子材料、木材等中)方法建模，然后用逆向工程技术将成品模型转化为CAD模型。不论是个体应用还是产品竞争，逆向工程在重设计过程中的应用都能够大大加速和改善过程本身。在没有足够的技术文件的情况下生产零部件和产品副本，逆向工程技术肯定是独占鳌头。2逆向工程中的数据点预处理逆向工程过程处理的出发点时一个物理对象，它可以是现有的零件、产品、手工模型或者通过一些快速成型技术得到的模型。这个物理对象经三维数字化、数据预处理和表面重构，转化成适合现代计算机辅助技术的模型，不过过程比较复杂。尽管逆向工程过程处理在过去几年获得快速发展，还是有些影响预处理质量的明显问题。最突出的问题之一便是以点云传开的三维数字化结果的质量，当然这也会大大影响建模的结构。很多种类的三维数字化系统已经存在，其中最突出的要数三坐标测量机，激光扫描仪、比例绘图仪、CCD摄像头、计算机断层扫描等。他们的共同点是存在噪音且在结果中有些错误，这意味着会有些模型会不合理。此外，现代三维数字化系统，尤其是激光系统，会产生大量的点，这一方面使得速度明显减缓，在极端情况下，也会防止数据点的处理。另一方面，太冗杂的数据点会导致表面建模不当。因此，在表面重构之前，有必要准备好点云。这个准备工作通常被称为“预处理”。截至应用数字化系统，逆向工程、表面重构、数据预处理阶段有不同的处理过程，有噪音和误差滤波器、数据优化、数据平滑、数据压缩、数据分段、数据回归等。在些处理过程中，噪音过滤、数据平滑和数据压缩最重要的阶段。2.1前人研究成果过去十年中，已有大量逆向工程系统被开发。他们的方法中，应用了硬件组件(用于三位数字化)和软件支持，这个系统之间颇有不同。本节从目前数据点预处理的角度对已有的几个逆向工程系统的特点做一个简要概述。汤普森等人提出了一种交互式逆向工程系统——REFAB，这个系统允许用户自定义来自三维表面点集的机械特性模型。按照点云的生产特征认可标准，预处理所存在的问题严重超标了。当然，这种解决方案的应用是局限于有唯一机械特征标准零部件之中。王先生等人基于四轴激光扫描系统，提出了用于曲面设计的逆向工程系统。这个系统致力于三维数字化数据点的预处理，用中值滤波消除了脉冲式噪音。而且，根据扫描曲线的直线度，为冗余数据的消除提出了一种智能算法。李和吴[12]提出了一种结合逆向工程技术和快速成型技术的新颖算法。以相邻数据点曲率计算为依据，横截面数据压缩的智能算法也包含着数据预处理。卡伯恩等人结合视觉系统和三坐标测量机，为自由曲面的逆向工程提出了一种算法。通过为分类和数据压缩开发合理的程序来进行点云预处理。为减少过多的数据点，他们提出了两种算法。随机算法允许用户根据指定的概率删除数据。如果在光滑曲面区域有大量数据点需要删除，这种算法很有用，二次数据压缩算法以切线或曲率公差变化为依据提出。Lee等人提出了在预处理阶段有强烈地方色彩的逆向工程算法。去除来自最初点云的离群值和峰值后，就可以应用压缩算法。该算法是基于单向或双向非均匀网格提出的。黄和泰用预处理程序提出了一种逆向工程系统算法。该算法的思想是将数据点集简化成隐形或明确形式的非参数方程。这个方程也满足曲率的连续性。噪音资料由用户手动删除，用中位过滤器进行数据平滑处理。常和常主要针对预处理阶段提出了一种可再生能源开发流程。用滤波器进行噪声处理，用高度决策方法进行数据压缩，这种决策方法集成了空间概念和数据点的高度特征。佩尔科科和斯皮纳基于遗传算法对复杂形状曲面提出了一种算法，用于进行数据点的压缩。该算法由用户固定一组代表精度损失最小的扫描点，检索最佳数据点群。彭和洛夫特斯基于神经网络提出了带有图像处理功能的逆向工程系统算法。神经网络用于以光照参数为依据进行型状复原。可以说预处理是通过一系列“学会”如何处理所获数据的神经网络来完成的。3数据点预处理程序系统在逆向工程过程中，业已存在的主要问题之一涉及到三维数字化结果的质量，这个结果会使工艺和表面生成大大复杂化。同时，当代CAD软件系统中，大多数表面重建模块都是内置式的，数据点预处理功能很差，或者根本就没这个功能。本文的研究重点是对三维数字化结果预处理程序系统的发展。图3已开发程序实验系统组成所开发系统的总体流程图如图1所示。从该系统中可以挑出以下几个基本要素：数据点准备错误点过滤数据点平滑，数据点压缩输出生成的文件格式本文研究的数据点预处理系统是在横截面逆求方法的基础上开发出来的。这个系统能从三维数字化系统中获得数据点信息，使之能在CAD模型中被接收、充分准备并为形体重建所适应。这个模块的开发，应用了先进的算法。它可用在体积和角方法过滤、中值和平均值法数据平滑、统一采样(空间、切线、直线度)法数据压缩。通过对同一种功能进行多种方法嵌入，数据点就能由来自不同三维数字化系统的不同特征数据来保证。本文的程序系统是在已有的算法模型基础上开发出来的。完整的解决方案是独创的，且在Matlab6.5的环境下实现了算法程序。开发出的程序系统的主要图形用户界面、算法定义的子界面、数据过滤、平滑和压缩参数如图2所示。图2数据点预处理程序系统图形用户界面4结果与讨论开发的程序系统的功能和效率已由一实际应用所检验。该实验系统的元件及其之间的连接方法如图3所示。图3实验系统的元件及其之间的连接方法作为输入的物理实体，这里应用了大众汽车模型的发动机罩，这个模型是来自于20世纪60年代的“卡曼-格希亚”模型。图4给出了一个接触式扫描的三维数字化结果，有关数据来自英国雷尼绍的商用旋风2系统。图4三维数字化结果(7652点)正如已提到，开发的预处理系统是以横截面法为根据的。这就意味着全部数据都是通过一个一个的横断面曲线扫描来完成数据点预处理的。这种方法的基本步骤如图5所示。这里必须指出，该系统只适合整个数据点的过滤。图5横截面曲线扫描的预处理步骤本文开发的程序一重要特征是每种功能从几种方法中选择方案(两种数据过滤和数据平滑方法、四种数据压缩方法，如图1所示)。图1所开发数据点程序系统算法流程图为便于数据压缩阶段分析，用四种嵌入式方法所得结果的并行审查分成了四个区域，如图6所示。图6第70跟扫描曲线数据点的并行审查表1给出了数据压缩方法所得结果的报告。表中的压缩参数与所得数据点的结果同样具有应用价值，因为他们都分析了横截面曲线和所有数据。表1所得用于数据压缩方法的物理参数报告图7给出了一个预处理最终结果的例子。该结果是用体积法进行前置滤波、角度法噪声过滤、中值法数据平滑和空间法数据压缩的。图7预处理最终结果(3946点)经过比较原始三维数字化生成结果的表面模型，由数据点预处理方法得到的表面模型证实了预处理程序在所开发的程序系统中功能。该表面模型是用横截面曲线法通过融合过程(也成为放样或蒙皮)生成的，这些横截面曲线是在各个独立横截面的数据点中生成的。在图7的基础上又产生的表面模型如图8和图9所示，图中模型是在Pro/E软件系统生成。图8由数据点预处理生成的横截面曲线在Pro/E中，用其比较模块也对表面模型进行了比较。这个模块在定义的的公差范围内以三维区域图的形式输出图形。蓝色区域表示公差为负，红色区域表示公差为正。由数据预处理(图9)模型生成的表面模型是从原始三维数字化结果得到的，该模型的比较结果如图10所示，图9生成的表面模型图10模型结果在Pro/E中的比较5结论为了得到合理的CAD模型，有必要在表面重建之前进行数据点预处理。因为基于未经处理的三维数字化数据得到的CAD表面重构模型往往难以令人满意。本文对数据点预处理提出了程序系统，整个程序涉及到数据准备、错误点过滤、数据平滑、数据压缩、输出文件。开发的程序系统在已知方法的基础上实现了噪声滤波、数据平滑、数据压缩。该程序是在Matlab6.5的环境下开发的。为验证假说和所开发程序功能的正确性，还展开了实验。从所获得的结果中，我们可以得出结论：该假设是有效的，且已校核程序系统的功能。致谢感谢多特蒙德大学的乔恩博士，感谢加工技术部提供了本文作为输入的三维数字化结果数据。