逆向工程技术浅析

第 19卷 　第 8期 重 　庆 　工 　学 　院 　学 　报 2005年 8月 Vol. 19　No. 8 Journal of Chongqing Institute of Technology Aug. 2005 【车辆工程】 逆向工程技术浅析 3 黎　勇 a ,刘　峰 a ,张明德 b (重庆工学院 a. 材料科学与工程学院 ; b. 重庆汽车学院 , 重庆 　400050) 摘要 : 逆向工程技术的 3个主要设计工程是 :样品的数字化、特征提取和 CAD建模. 样品的数字化 由各种接触式或非接触式数字化仪器来实现 ; 特征提取通常分为数据分割和表面特征 (如边缘曲 线 )的提取 ;实体建模是按分割的数据点的形状来重构样品外形. 阐述了各种样品数字化、数据分 割以及曲面构造的方法. 关 键 词 : 逆向工程 ;样品数字化 ;计算机辅助设计 中图分类号 : TH122　　　　文献标识码 : A 文章编号 : 1671 - 0924 (2005) 08 - 0016 - 04 On Reverse Eng ineer ing Technology L I Yonga , L IU Fenga , ZHANG M ing2deb (1. Chongqing Institute of Technology a. School ofMaterial Science and Engineering; b. Chongqing Institute of Automobile, Chingqing, 400050, China) Abstract: Reverse engineering technology involves three major design p rojects, namely, samp le digiti2 zation, feature extraction, and CAD modeling. Samp le digitization is realized through a variety of con2 tact and non2contact digitalized devices. Feature extraction falls into the extraction of data and the ex2 traction of surface characteristics ( such as boundary curves). Part modeling is accomp lished by fitting variety of surface segmented data points. This paper reviews various techniques for part digitization, seg2 mentation and surface modeling. Key words: reverse engineering; samp le digitization; CAD 　　在产品的开发、设计和制造工程中 ,工程技术 人员所获得的技术资料并不完全 ,很多时候 ,是从 上游厂家直接得到产品的实物模型 ,因此 ,设计人 员需要通过一定的途径 ,将这些实物信息转化为 CAD模型 ,这就应用到了逆向工程技术 ( Reverse Engineering). 所谓逆向工程技术 ,是指用一定的测 量手段对实物或模型进行测量 ,根据测量数据通 过三维几何建模方法重构实物的 CAD模型的过 程. 逆向工程技术与传统的正向设计存在很大差 别 ,它是从产品原型出发 ,进而获取产品的三维数 字模型 ,使得能够进一步利用 CAD /ACE /CAM以 及 C IMS等先进技术对其进行处理. 它的设计过程 如图 1所示. 1　样品数字化技术综述 逆向工程技术的 3个主要设计工程是 :样品 的数字化、特征提取和 CAD建模 . 创建样品三维3 收稿日期 : 2005 - 04 - 07 作者简介 :黎勇 (1975 - ) ,男 ,四川人 ,硕士 ,主要从事模具数字化制造的研究. © 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 图 1　逆向工程技术的主要设计过程 实体模型的首要工作是样品数字化. 数字化处理 的结果是获得保存为图像格式的二维或三维点 云. 光强图像、磁共振图像 (MR I)以及热成像图像 是几种常见的二维图像类型. 光强图像 (L I)是最 常用的二维图像 ,它反映了一个景象上光强的变 化程度. 通常运用视觉系统来获得光强图像 [ 1 ] . 光 强图像是一个三维图像 ,通常被称为测程图像 ,它 是一个景象上不同点景深信息的映射. 测程图像 数据由接触式或非接触式设备测得. 非接触式测 量方法指测头与测量样品没有实际接触的数据获 取方法. 包括以下几种 [ 2 ] : 1) 结构采光 :用光源照射在样品表面 ,同时 用一个探测器捕捉样品表面上光像. 探测器的位 置可以变化. 光像可以是光柱、光条或者光栅格. 2) 点测距 :这种方法是用来确定某个点的范 围和 Z坐标值. 用光源或者超声波照射在样品表 面上 ,用探测仪捕捉样品表面反射光或者超声波. 探测仪与光源或者超声波是同轴安装的. Z坐标可 以通过对行进时间或者频调制的计算得到. X, Y 坐标由视觉系统得到. 3) 焦距测程 :这种方法是用聚焦距离来决定 Z坐标 , X, Y坐标同样由视觉系统得到. 4) 组织测程 :在捕捉图像时 ,观察到的组织等 强干涉有效数随观察距离的增加而增大. 如果扫 描设备参考晶体组织来校准 , 那么组织对于确定 数据采集的范围就非常有用. 5)立体扫描 :这种方法通过 2个摄像机在两 个不同位置探测样品来得到 Z坐标. 用三角测量 方法来找到测程信息. 坐标测量机 (CMM )是最常用的接触式测量设 备 ,用来提取样品表面的三维坐标. 另一种接触式 测量仪器是低量值电磁转换器 ,但仅限于测量非 金属材料的样品. 超声波成像也是一种接触式测 量技术 ,一种“枪 ”的端口发出超声波信号与样品 上的一个点接触. 一串传感器组成的一个参考坐 标系可以确定“枪 ”的端口位置 ,进而确定样品表 面点的坐标. 接触式测量速度比较慢 ,但是更准 确 ;非接触式测量速度较快 ,但是测量精度要低一 些. 数字化的二维或者三维的数据用于样品 CAD 模型的构建. 2　点云分割技术综述 对点云进行处理获得样品表面特征以便构造 样品的三维模型 ,表面特征包括边界线和面片. 三 维数字化数据或测程数据的分割技术已经被众多 学者所研究. 这些分割算法都基于一个假设 ,那就 是图像显示的曲面是相干的. Besl和 Jain认为图 像是一个分段光滑的曲面 ,推出了一种图像分割 算法. 这种算法被用于测程图像和光强图像. 这种 算法的第一阶段是把图像归为 8种不同的简单曲 面 ,它们是 :峰面、坑面、脊面、马鞍脊面、谷面、马 鞍谷面、平面和极小面. 简单面的类型取决于高斯 符号与平均曲率. 这些简单面存在着某些固有特 征 ,用来分类剖析任一给定曲面. 第 1阶段的输出 结果是一个标记图像. 从这个标记图像里边 ,提取 出一个种子面 ,这个种子面用于第 2阶段 ,即面的 扩大. 第 2阶段是一个面迭代扩大过程. 在这一阶 段 ,种子面近似为 1个双变量多项式曲面 (自由度 小于 5). 首先用一个一次多项式曲面 (平面 )来近 似替代种子面. 如果统计试验表明可行 ,种子面就 在平面的基础上扩大 ,否则 ,用一个二次多项式曲 面来近似替代种子面 ,如果可行 ,则种子面就以这 种类型的曲面扩大 ,如果仍然不行 ,则用更高次的 多项式曲面来尝试 ,直到曲面收敛或者所有多项 式都不能替代种子面为止. Hoffman和 Jain推出一 种提取三维物体相连平面、凸面或凹面的方法. 这 种方法分为 3个步骤. 首先 ,测程图像被分割为很 多曲面碎片. 有 4种不同的分组技术被用来形成 曲面碎片. 这 4种分组技术是 :最小生成树法、相 互最近邻法、分层分组法和平方误差分组法. 平方 误差分组法用于探测测程图像的曲面碎片时要优 于其他几种方法. 其次是把曲面碎片归类为平面、 凸面或者凹面. 有 3种不同的统计试验用于检测 分类是否正确. 这些统计试验有 :无参趋势平面性 试验、曲率平面性试验和本征值平面性试验. 最后 71黎勇 ,等 :逆向工程技术浅析 © 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 是把相邻曲面的边界划分为皱痕边或非皱痕边 , 并以此来合并相容碎片 [ 2 - 4 ] . 3　曲面建模技术综述 曲面分割得到特殊曲面的标识点. 几何建模 时 ,曲面近似为多面体表面或弧形曲面. 图 2为风 机外壳曲面的建立. 图 3为该样品的 CAD模型. Ryquicha, Hoffman , Vanecek, Hppere 等人阐述了 近似为多面体表面的方法. 近似为弧形曲面的方 法分为 3类 :代数法、参数法和对偶法. 代数法是 用一个形如 f ( x, y, z) = 0的多项式来近似曲面 ,其 曲面基本上是无界的 , 而参数法曲面是有界的. 对 偶表示法曲面包括了代数法曲面和参数法曲面. 代数法曲面拟合有 2种 :一种是插值法 ;另一种是 近似法. 常用的参数法曲面拟合有 B - 样条曲面 拟合和贝塞尔曲线曲面拟合 [ 5 - 7 ] . 图 2　曲面的建立及误差分析 图 3　样品 CAD模型 4　应用实例 逆向工程技术广泛应用于汽车的零部件设计 和制造过程. 如某企业生产的汽车仪表盘支撑挡 板 (见图 4). 此零件为冲压件 ,根据样件等厚的特点 ,可以 根据零件表面特征提取完成片体的重建 ,最后加 厚得到实物三维模型. 具体过程如图 4 ( a) ～ ( d) 所示. 图 4　汽车仪表盘支撑挡板逆向工程 图 5为重型汽车离合器端盖三维实体模型. 此模型为铸造件. 根据其对称性 ,只需重建其 1 /6 实体特征 ,然后由阵列操作可得其整体模型. 以上实例采用 serein激光扫描机扫描得到数 81 重 庆 工 学 院 学 报 © 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 图 5　汽车离合器端盖的逆向工程设计 据点云. 数据处理采用 surfacer 9. 0及 UGNX2. 0 软件. 对于完成的三维模型 ,可以输出工程图 ,也 可以直接对模型数控编程 ,由数控加工中心及电 火花设备加工. 5　结束语 逆向工程的三大步骤是 :样品的数字化 ,数据 分割 ,实体建模. 用于样品数字化的商用设备种类 繁多 ,包括 CMM、激光扫描仪和超声波数字化仪 器. 在大部分逆向工程软件中 ,数据分割都是由技 术人员在电脑屏幕上人工完成数据的分割. 建模 工作也是人工操作. 技术人员首先确定曲面类型 , 然后运用软件拟合分割的数据. 因此 ,目前逆向工 程研究工作重心集中在自动的数字化数据分割与 建模 [ 8 ] . 逆向工程是一项开拓性、实用性和综合性很强的 技术 ,已经广泛应用到新产品的开发、旧零件的还 原以及产品的检测中. 它不仅能消化和吸收实物 原型的技术 ,并且能进行修改再设计以制造出新 的产品. 但按现在的技术 ,其设计过程中系统集成 化程度还比较低 ,人工干预的比重较大 ,将来的发 展趋势是建立集成化逆向工程系统 ,以软件的智 能化来代替人工干预的不足 [ 9 - 10 ] . 参考文献 : [ 1 ] 　Javis R. A perspective on range finding techniques for computer vision[ J ]. IEEE Trans. PAM I, 1983, 5 (2) : 122 - 139. [ 2 ] 　Besl P , Jain R. A Segmengtation and classification of range images[ J ]. IEEE Trans, 1987, 9: 608 - 620. [ 3 ] 　Hope H, Derose T, Duchamp T, et al. A Surface re2 constructionFrom unorganized points[ J ]. Computer A i2 ded Design, University ofW ashington, 1992, (2) : 9. [ 4 ]　林瑞璋. 逆向工程软体 Surfacer使用 手册 华为质量管理手册 下载焊接手册下载团建手册下载团建手册下载ld手册下载 [M ]. 台 北 :全华科技图书股份有限公司 , 1998. [ 5 ]　曾向阳 . UGNX高级开发实例 [M ]. 北京 :电子工业 出版社 , 2004. [ 6 ]　张鹏. 产品 CAD /CAM逆向工程 [ J ]. 计算机辅助设 计与制造 , 1997, (3) : 11 - 14 . [ 7 ]　许智置 . 3D逆向工程技术 [M ]. 北京 :中国计量出版 社 , 2002. 4. [ 8 ]　杜静. 基于特征的曲面模型重建方法 [ J ]. 重庆大学 学报 (自然科学版 ) , 2002, (7) : 148 - 157. [ 9 ]　孙正新. 基于特征的工程机械 CAD 设计和研究 [M ]. 北京 :清华大学出版社 , 1999. [ 10 ]　王都. 欧美模具企业考察报告 [ J ]. 电加工与模具 , 2001, (2) : 66. (责任编辑 　刘 　舸 ) 91黎勇 ,等 :逆向工程技术浅析 © 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net