逆向工程測量技術初步探討

武興權

（遼寧省有色地質局一〇三隊，遼寧 丹東 118008）

0 引言

數據的獲取、測量是逆向工程中的第一個步驟，也是逆向工程測量最關鍵的技術之一。綜合接觸式工程測量技術和非接觸式工程測量技術的實物數據獲取方法，是目前眾多逆向工程測量技術中針對大型的、結構復雜的測量對象最具有高效性的一種工程測量方式。這種方法由接觸式工程測量技術獲取散布在被測物體上或周圍的人工標記點群的三維坐標，再以這些坐標數據作為非接觸式工程測量數據拼接的依據，從而獲取得到整體測量數據。這種綜合方法既具有以往工程測量技術的高效性，又消除了數據拼接時的累積誤差。

1 逆向工程概念

逆向工程，又稱反求工程、反向工程，指通過各種測量手段和三維幾何建模方法，將已有實物原型轉化為計算機上的三維數字模型的過程，是工程測量技術、計算機軟硬件技術的綜合。近幾十年來，隨著計算機技術的發展，CAD技術已經廣泛地應用于工程測量工作，但由于多種因素的限制，現實世界中的很多物體形狀并不能完全用CAD設計的方法進行描述。因而，我們提出了逆向工程的概念。這種實物數字化建模的方法如今己經發展為CAD/CAM中的一個相對獨立的范疇，成為復雜工程測量的重要手段之一。

2 逆向工程測量數據獲取技術研究

數據獲取是反求工程的關鍵技術，數據的獲取通常是利用一定的測量設備對所測工程進行數據采樣，得到的是采樣數據點的（x，y，z）坐標值。數據獲取的方法大致分為兩類：接觸式和非接觸式。

2．1 接觸式工程測量技術

接觸式工程測量技術是在機械手臂的末端安裝探頭，通過與工程表面接觸來獲取表面信息，目前最常用的接觸式測量系統是三坐標測量機（CMM）。傳統的坐標測量機多采用機械探針等觸發式測量頭，可通過編程規劃掃描路徑進行點位測量，每一次獲取被測形面上一點的（x，y，z）坐標值，測量速度都很慢。CMM的優點是測量精度高，對被測工程無特殊要求，對不具有復雜內部型腔、特征幾何尺寸繁多、只有少量特征曲面的被測工程，CMM是一種非常有效可靠的三維數字化手段。它的缺點是不能對軟物體進行精密測量；價格昂貴，對使用環境要求高；測量速度慢，測量數據密度低，測量過程需人工干預；還需要對測量結果進行探頭損傷及探頭半徑補償，無法測量小于測頭半徑的凹面工程，這些不足限制了它在快速反求領域中的應用。

2．2 非接觸式工程測量技術

2．2．1 激光線結構光掃描測量技術

激光線結構光掃描測量技術是一種基于三角測量原理的主動式結構光編碼工程測量技術，亦稱為光切法，通過將一線狀激光束投射到三維物體上，利用CCD攝取物面上的二維變形線圖像，即可解算出相應的三維坐標。每個測量周期可獲取一條掃描線，物體的全輪廓測量是通過多軸可控機械運動輔助實現的。這類設備的掃描速度可達15000 點/秒，測量精度在±0．01～±0．1mm 之間，價格適中，對測量工程對象型面的光學特性要求不高。

2．2．2 投影光柵測量技術

投影光柵測量技術是一類主動式全場三角測量技術，通常采用普通白光將正弦光柵或矩形光柵投影于被測物面上，根據CCD攝取變形光柵圖像，根據變形光柵圖像中條紋像素的灰度值變化，可解算出被測物面的空間坐標，這類測量方法具有很高的測量速度和較高的精度，是近年發展起來的一類較好的三維傳感技術。根據形變、高度關系的描述方法的不同，光柵測量可分為兩類：直接三角法和相位測量法。直接三角法原理簡單、速度快，不易受被測工程物面不連續等干擾的影響，但是其測量精度不高，不能實現全場測量；而相位測量法測量精度相對較高。

2．2．3 計算機斷層掃描（CT）技術

計算機斷層掃描（CT）技術最具代表的是基于X射線的CT掃描機，它是以測量物體對X射線的衰減系數為基礎，用數學方法經過計算機處理而重建斷層圖像，這種方法最早是應用于醫療領域，目前已經廣泛用于工程測量領域，即稱為“工程CT”。對中空物體的無損三維測量，這種方法是目前較先進的非接觸式檢測方法，它可對被測工程的內部形狀、壁厚、材料，尤其是內部構造進行測量，該方法同樣能夠獲得被測工程內表面數據，且不破壞工程結構。但它存在造價高，測量系統的空間分辨率低，獲取數據時間長，設備體積大等缺點。

2．2．4 立體視覺測量技術

立體視覺測量是根據同一個三維空間點在不同空間位置的兩個（或多個）攝像機拍攝的圖像中的視差，以及攝像機之間位置的空間幾何關系來獲取該點的三維坐標值。立體視覺測量方法可以對處于兩個（或多個）攝像機共同視野內的目標特征點進行測量，而無須伺服機等掃描裝置。立體視覺測量面臨的最大困難是空間特征點在多幅數字圖像中提取與匹配的精度與準確性等問題。近來出現了將具有空間編碼的結構光投射到被測工程表面，制造測量特征的方法有效解決了測量特征提取和匹配的問題，但在測量精度與測量點的數量上仍需改進。

3 實際施工中的測量技術

綜合接觸式工程測量技術和非接觸式工程測量技術的實物數據獲取方法，是目前眾多逆向工程測量技術中針對大型的、結構復雜的測量對象最具有高效性的一種工程測量方式。這種方法由接觸式工程測量技術獲取散布在被測物體上或周圍的人工標記點群的三維坐標，再以這些坐標數據作為非接觸式工程測量數據拼接的依據，從而獲取得到整體測量數據。這種綜合方法既具有以往工程測量技術的高效性，又消除了數據拼接時的累積誤差。

在實際測量中,測量方法的選用需根據被測物體的形狀特征和應用目的決定。作為一種檢測儀器出現的三坐標測量機在逆向工程應用中發展成為實物外形數字化的主要設備,但存在測量速度慢,需要進行測頭半徑補償;因測量力過大,不能測量松軟材料樣件等缺點。隨著硬件技術的不斷發展,光學非接觸式測量技術得到了迅速發展。以高響應,高分辨率著稱。該方法具有測量速度快,測量精度高,不受環境電磁場干擾,工作距離大,可測量材質松軟的樣件等優點,成功地解決了接觸式測量方法所存在的問題。在未來的發展趨勢中,非接觸式測量將越來越占據主要地位,但三坐標測量機在精度方面仍具有優勢。對一些具有特殊的數字化要求的實物 (如內部結構),基于 CT和MRI的測量依然是一種不可替代的測量手段?？梢哉f,迄今為止,還沒有一種完全適合于快速逆向技術的快速、精確的全能測量方法。

4 結束語

現代逆向工程測量技術是將接觸式測量技術和非接觸式測量技術相融合，是實現被測工程整體測量和數據拼接的有效方法，其使用越來越廣泛。它繼承了“攝影測量與遙感”領域的許多知識和技術，同時又發展出許多自身特有的技術和方法，比如設置人工標志點。筆者認為，研究逆向工程測量技術，對現代工程測量技術的發展有著重要的現實意義。

［1］張義力．逆向工程數據獲取中測量關鍵技術研究[J]．上海交通大學學報,2009：12-13．

［2］曹劍清．數字攝影測量[M]．武漢：武漢測繪科技大學出版社,2009：34-35．

［3］沈學標．工程測量的發展[J]．地礦測繪,1997(03)．