基于Imageware逆向工程的關鍵技術與應用

摘 要:Imageware是很好逆向工程軟件，它可以迅速的將掃描數據以點云呈現，操作嚴謹，能對重構的曲面加以高精度的誤差處理。本文在介紹逆向工程的現狀以及其工流程后，又通過一個golf點云重構實例，主要有點云預處理、由點生線、由線生面，誤差分析等過程，來介紹imageware在逆向工程中的關鍵技術與應用。

關鍵詞:Imageware 曲面重構 高精度

中圖分類號:TP3\t\t\t文獻標識碼:A\t\t\t文章編號:1672-3791(2011)10(a)-0028-02

在逆向工程中，對于大量離散數據的曲面重構，是一關鍵環節，它需要先對表面測量數據進行處理，然后進行曲面擬合，曲面的修改、光順和優化設計。在曲面造型編輯方面，目前也已經有許多比較優秀的反求軟件系統，如美國EDS公司的Imageware，英國Delcam公司的CopyCAD，英國MDTV公司的STRIM and Surface Reconstruction，英國Renishaw公司的TRACE，我國浙江大學推出了RE-Soft系統。

1 逆向工程的工作流程

逆向工程是以先進產品設備的實物、軟件(包括圖紙、程序、技術文件等)或影像(圖像、照片等)作為研究的對象，應用現代設計方法學原理、生產工程學、材料學和有關專業知識進行系統深入地分析和研究，探索掌握其關鍵技術，進而開發出同類的更為先進的產品。從定義上，我們不能僅僅把逆向工程看成是產品的復制、產品的簡單再現，而是對產品改進和創新。這一點和工業設計的創新相吻合。

2 數據采集

表面數字化技術，即樣件表面數據的數字化，它是逆向工程的基礎根據量方式的不同可以將數據采集方法分為接觸式和非接觸式兩大類。

接觸式測量可獲得準確可靠的數據，不受工件表面光學性質的影響，但由于和零件表面接觸，探頭易磨損，測量速度低，有半徑補償誤差，對零件表面硬度也有一定要求。非接觸式測量方法近年來發展較快，近幾年來，隨著計算機、傳感、控制等技術的更新，出現了三角形法、結構光法、計算機視覺法、激光干涉法、激光衍射法、莫爾等高線法等。其測量速度快，可以密集地對產品表面進行測量，從而形成“點云”數據。

3 點云預處理

完整的產品逆向工程中數據處理是尤為重要的一步，其決定后期重構技術難易，以及最重要的精度問題，我們以高爾夫的逆向及曲面重構為例，介紹Imageware的逆向工程中曲面重構的關鍵技術。

預處理的過程包括精簡點云，在非接觸激光測量中，為了能夠獲得零件表面的精確信息，通常采用密集的掃描方式。因此，數據稀化、精減和規則化也是反求工程中重點研究問題之一。過濾時考慮實體的大小來選擇過濾時距離公差的大小。

點云數據網格化是點云預處理的最后一步，網格化點云質量的好壞直接影響到下一步的點云數據分塊，而對最終生成的曲面也有一定的影響。三角網格化距離也要根據實體來選擇，距離越大，覆蓋面越廣，質量也相對偏差，距離越小，覆蓋面小，但質量越好，越能體現實體形狀。

完成了以上步驟，基本完成了點云的預處理過程，細致的預處理為下面的重構奠定了基礎，也相對提高了逆向誤差。

4 曲面重構

在逆向設計中，在逆向設計中，由點云一次性生成符合要求的曲面不僅實現起來有一定困難，而且即便生成了，在光順性上也不能滿足要求。因此需要首先將點云數據進行分塊，分別構造曲面，然后通過橋接、過渡、裁剪等細節特征處理而最終生成全部曲面。對于規則數據點常用的分塊方法是曲率法，通過計算點云的曲率找到尖邊區域，以此作為邊界進行區域劃分。在此實例中，我們將golf化分為五部分，上表面，底面，打擊面，裙部，以及喉部。圖1為golf的曲率分布圖。

在本文實例中，由于上下表面，打擊面和裙部的重構方法幾乎相同，所以我們著重介紹上表面和喉部的曲面重構。

在設計好了整體曲面的分塊，下一步就進行剪裁。對于喉部而言，是標準的圓柱體，即方便了我們擬合。用如下命令便能完成喉部的重構。

對于上表面，我們采用先構建邊界曲線，在利用邊界和邊界內點云擬合的方式來對曲面重構。

通過3D樣條取錢和在選取的交互式點云在原始點云上析出的直線，在擬合為直線，而后通過兩邊延長、雙邊打斷、通過閉合曲線提取相應點云，通過如下命令完成上表面的擬合。如圖2所示。

邊角處擬合的曲面在邊角處有部分的翹起，我們通過調整控制點，來調整擬合出的面與點云之間的誤差。

每擬合好一個面，我們就通過曲面與點云之間的誤差來判定曲面的擬合質量，快捷鍵shift+Q來實現此功能。從圖4中便能顯示曲面點云的誤差分析。

通過圖4我們可以清晰地看出擬合誤差，最大誤差不超過±0.5mm，可以達到誤差要求。若在擬合過程中，發現誤差較大的點，兩種情況，一方面通過調整控制點縮小步距接近點云，另一方面，也有可能出現點云噪點而造成的粗大誤差，此時，我們通過圈選的方式來刪除噪點，以達到精度要求。

這樣我們的上表面就擬合完畢了，下表面、打擊面、裙部是類似的擬合方法，不同的曲面我們考慮用不同的擬合方法，例如裙部需要較為光順的曲面連接，所以我們選擇掃略的方式構造曲面，其控制點排列通常會比其他方式好，曲面也較為平順，但此方法可能會與點云誤差比較大，因而需要做進一步調整。

其余5個面選擇適當的方法進行擬合方法構造曲面。由于所有的面都是光順連接，需要倒角，所以我們要做的就是曲面的延伸、倒角、剪裁、橋接。

由于喉部其余四個面是光順連接，所以我們將每個面分片的與喉部連接，從而完成最后處理。

構造曲面的每一步，都要進行誤差分析。當曲面剪裁完成后，大體上曲面都有縫隙，所以我們要將最后處理的所有面匹配(Match)、合并(Merge)，完成golf的逆向。完成三維造型后，可以在Imageware軟件中對點云數據曲率變換較大的地方重構出來的曲面進行誤差分析，通過用彩色云圖將差異顯示出來，并且可以指定一個可接受的公差帶，求出在公差帶內點的數量，顯示重構完的結果與實際點云的誤差。圖6為最后完成圖。

5 誤差分析

檢測曲面和點云重合精度的方法是誤差分析，在曲面擬合中，可以利用測量點的參數直接算出測量點的誤差，也可以用一定數量測量點的最大擬合偏差、最小擬合偏差和標準差來評價曲面對數據點的擬合程度，還可以用平均誤差來評價曲面的逼近程度，在實際工作中，平均誤差是評價曲面與點云重合度的非常重要的指標。

而在數字化測量中，誤差來源主要有數字化測量儀器誤差、周圍環境引起的誤差、測量人員引起的誤差和最大的擬合偏差。

對于此golf實例中，由于各種誤差之間都互不相關。其中，儀器誤差為0.01mm，測量環境引起的誤差為0.01mm，測量人員引起的誤差為0.01mm，最大的擬合偏差為0.49mm。

所以逆向工程曲面重構綜合誤差為:

滿足擬合曲面的誤差要求。

6 結語

通常所講的逆向設計是指將實物樣件轉變為CAD模型，點云數據可通過一些設備由實物獲取。Imageware是一門專業的逆向設計軟件，該軟件逆向設計功能強大、用途專一、效率高，但用途單一，對于產品結構逆向設計等方面不夠靈活。利用專業逆向設計軟件(如Imageware)和基于正向的高端CAD/CAM軟件(如UG)來進行產品的逆向設計，會帶來前所未有的方便和快捷。