基于點云數據的汽車發動機罩蓋逆向設計方法研究

李永生 薛超仁 楊鵬飛

摘要：結合汽車發動機罩蓋產品設計流程，通過雙目視覺采集技術獲取發動機罩蓋A表面數據；通過點云數據精簡及修復處理實現點云數據優化；通過點云數據空間定位實現曲面重構特征創建及點云空間修復；通過曲面重構實現基本曲面和過渡曲面的數模創建；最后通過重構曲面誤差分析確定重構曲面的準確性。經實踐驗證，該方法能夠明顯縮短汽車A表面設計開發周期，大大提高汽車發動機A表面重構精度，為曲線和曲面重構提出一種新的解決流程。

關鍵詞：逆向工程 精簡與修復 空間定位 曲面重構 誤差分析

BASED ON THE POINT CLOUD DATA IN REVERSE DESIGN MOTHOD OF AUTOMOBILE ENGINE COVER

Abstract：Combined with the automobile engine cover product design process， through the binocular vision acquisition technology， obtain the engine cover A surface data； 他、through point cloud data simplification and repair processing point cloud data optimization； Through point cloud data space positioning to achieve surface reconstruction of point cloud space feature creation and repair； through the realization of the basic curve surface reconstruction and transition curved surface model is created； finally through the surface reconstruction error analysis to determine the accuracy of surface reconstruction.It is verified by practice， this method can obviously shorten design period of automobile A surface， greatly improve the automobile engine A surface reconstruction precision for curve and surface reconstruction， this paper proposes a new solving process.

Key words：reverse engineering； simplification and repair； spatial orientation； surface reconstruction； error analysis.

“逆向工程”又稱反求工程，它與傳統的設計開發過程存在質的不同。它是指在沒有設計圖紙或者設計圖紙不完整以及沒有CAD模型的情況下，利用3維數字化測量儀測量出Sample（即零件原形或者塑造出的模型）表面的點云數據，對點云數據進行檢查、修復、精簡與定位之后，再對自由曲面進行特征識別，包括樣件特征分析與分級及點云特征提取，然后傳至CAD/ CAM 系統，進行自由曲面的重構。

隨著新技術的廣泛應用，特別是將“逆向工程”技術應用于汽車車身造型階段，它可以快速地提供樣品的外形特征，從而能夠對其幾何外形進行修改，實現產品的快速改形，加快設計進程，縮短生產周期，使之滿足多樣化、個性化、系列化等方面的需求。針對汽車結構主要由自由曲面和過渡曲面組成這一特征，逆向設計起到了至關重要的作用。

1.點云數據采集

原始點云數據獲取方法有接觸式數據采集法和非接觸式數據采集法，根據汽車發動機罩蓋特征采用非接觸式采集方法——雙目視覺技術，該技術是基于視差原理并由多幅圖像獲取物體三維幾何信息的方法。雙目立體視覺系統一般由雙攝像機從不同角度同時獲得被測物的兩幅數字圖像，或由單攝像機在不同時刻從不同角度獲得被測物的兩幅數字圖像，并基于視差原理恢復出物體的三維幾何信息，重建物體三維輪廓及位置，其采集結果如圖1所示。

圖1 汽車發動機罩蓋點云數據采集結果

2.點云數據預處理

由于實際測量過程中受到各種人為因素的影響，使得測量結果包含了噪聲，為了降低或消除噪聲對后續建模質量的影響，有必要對測量“點數據”進行預處理，目的是去除誤差或噪聲、數據精簡和抽取模型的特征信息，其預處理主要包括：點云數據精簡、點云數據修復和點云數據空間定位。

2.1 點云數據精簡

數據精簡由于“點云”數據的數據量非常大，并且存在大量的冗余數據，如此龐大的測量點集，會嚴重影響曲面重建的效率和質量，因而有必要在滿足一定的條件下，對測量數據進行簡化，減少數據的處理量。不同類型的“點云”可采用不同的精簡方式，散亂“點云”可通過隨機采樣的方法來精簡；掃描線“點云”和多邊形“點云”可采用等間距縮減、倍率縮減、等量縮減等方法；網格化“點云”可采用等分布密度法和最小包圍區域法進行數據縮減。數據精簡操作只是簡單的對原始“點云”中的點進行了刪減，不產生新點。其精簡處理過程如2所示：

圖2a 精簡流程1 圖2b 精簡流程

圖2c 精簡流程3 圖2d 精簡流程4

2.2 點云數據修復

通過geomagic studio11軟件實現點云空洞修復。geomagic studio11軟件擁有一套直觀的多邊形編輯工具（包括一鍵式自動網格修補工具）、交互式砂紙、曲率敏感光順和孔洞填補，即使在沒有完美的掃描數據的情況下，用戶依然可以創建出高質量的三角網格面模型。智能簡化工具在簡化數據后保證了高曲率區域的多邊形能購創建更為有效的模型，該軟件修復點云空洞過程如圖3所示：

圖3a 精簡后的點云數據 圖3b 點云數據修復結果

2.3點云空間定位

點云空間定位與調整參數化驅動是通過將羅盤與點云數據關聯起來，通過調整羅盤的方位數據來調整點云數據，并且配合對點云位置的判定，從而實現點云的定位與調整。定位過程中需要預先新建一個參數化的點云定位工具文件，再與相關的數模或點云進行裝配，利用參數驅動點云的位置調整，或尋找對稱中心面，根據點云數據特征建立點云整體對稱中心點及點云特征局部坐標系，其結果圖4所示：

圖4a 空間定位坐標系創建 圖4b 點云數據空間位置轉換

3.點云曲面重構

曲面重構（亦稱曲面建模） 是實現逆向工程的重要環節，通過建模可以將離散的測量數據重構出連續變化的曲面。本文采用NURBS曲面重構方法實現曲面重構，對于u向k次v向1次的NURBS曲面重構定為：

根據NURBS曲面插值公式，首先沿u向（ 這里是在切片方向） 對每個切片上的數據，把它們換算成帶權的型值點，再按照B樣條曲線的邊界條件及反算公式， 求出控制點；再把這些控制點看作v向的型值點，再沿v向按照B樣條曲線的邊界條件及反算公式進行反算，求得Pij ，構成控制網格。在反算過程中，應用重節點端點條件，使特征多邊形的首、末頂點滿足型值點首、末端點的插值條件， 邊界條件取為自由端點條件，節點矢量按照累計弦長法計算，得到控制網格進行曲面重構，其發動機罩蓋曲面重構結果如圖5所示：

圖5 發動機罩蓋曲面重構結果

4.曲面重構誤差分析

曲面重構中控制點的改變對曲面形狀有很大影響， 對于一定的曲線， 控制點越少， 誤差越大，但隨著控制點數的不斷增加， 其誤差變化越來越小。對于長度為200 mm 左右的曲線， 控制點一般在30～50 個較為適宜。表1為在點云數據采集過程掃描的零件曲面精度隨控制點數的變化。

表1 控制點數與曲面精度關系

曲面重構中控制頂點數的確定還應考慮曲面的曲率半徑；對于一定曲率半徑， 增加控制點數量能使所重構的自由曲面更加光順； 而在相同控制點的情況下， 曲率半徑越小則精度越高。表2為掃描不同曲率半徑的曲面所產生的誤差。

表2不同曲率半徑曲面的控制點數與曲面重構精度

根據曲面重構誤差來源，通過分析點云數據與曲面之間的最近距離，并列出之間的偏差量，利用Imagewarea軟件的檢測方法進行分析， 如圖6所示，重構的曲面與原始點云的誤差基本控制在0.005 mm 以下，這一曲面重構精度不包含曲面配合邊界，該精度完全能夠滿足設計精度要求。

圖6 IMAGEWAREA發動機罩蓋曲面誤差檢測結果

5.結論

本文通過對汽車發動機罩蓋曲面逆向設計研究，實現點云數據噪聲去除、精簡、修復和空間定位，在保證數據準確性的同時能較好的改善點云特性；通過NURBS曲面實現基本曲面和過渡曲面的曲面重構；通過采用距離法曲面誤差分析快速準確實現曲面重構質量檢測與分析。經實踐驗證，該曲面逆向重構流程，能夠縮短汽車A表面設計開發周期，提高曲面設計精度，節省產品開發成本。

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