逆向工程測(cè)量技術(shù)初步探討

武興權(quán)

（遼寧省有色地質(zhì)局一〇三隊(duì)，遼寧 丹東 118008）

0 引言

數(shù)據(jù)的獲取、測(cè)量是逆向工程中的第一個(gè)步驟，也是逆向工程測(cè)量最關(guān)鍵的技術(shù)之一。綜合接觸式工程測(cè)量技術(shù)和非接觸式工程測(cè)量技術(shù)的實(shí)物數(shù)據(jù)獲取方法，是目前眾多逆向工程測(cè)量技術(shù)中針對(duì)大型的、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的測(cè)量對(duì)象最具有高效性的一種工程測(cè)量方式。這種方法由接觸式工程測(cè)量技術(shù)獲取散布在被測(cè)物體上或周圍的人工標(biāo)記點(diǎn)群的三維坐標(biāo)，再以這些坐標(biāo)數(shù)據(jù)作為非接觸式工程測(cè)量數(shù)據(jù)拼接的依據(jù)，從而獲取得到整體測(cè)量數(shù)據(jù)。這種綜合方法既具有以往工程測(cè)量技術(shù)的高效性，又消除了數(shù)據(jù)拼接時(shí)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(guò)各種測(cè)量手段和三維幾何建模方法，將已有實(shí)物原型轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)上的三維數(shù)字模型的過(guò)程，是工程測(cè)量技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的綜合。近幾十年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，CAD技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于工程測(cè)量工作，但由于多種因素的限制，現(xiàn)實(shí)世界中的很多物體形狀并不能完全用CAD設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行描述。因而，我們提出了逆向工程的概念。這種實(shí)物數(shù)字化建模的方法如今己經(jīng)發(fā)展為CAD/CAM中的一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的范疇，成為復(fù)雜工程測(cè)量的重要手段之一。

2 逆向工程測(cè)量數(shù)據(jù)獲取技術(shù)研究

數(shù)據(jù)獲取是反求工程的關(guān)鍵技術(shù)，數(shù)據(jù)的獲取通常是利用一定的測(cè)量設(shè)備對(duì)所測(cè)工程進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，得到的是采樣數(shù)據(jù)點(diǎn)的（x，y，z）坐標(biāo)值。數(shù)據(jù)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(cè)量技術(shù)

接觸式工程測(cè)量技術(shù)是在機(jī)械手臂的末端安裝探頭，通過(guò)與工程表面接觸來(lái)獲取表面信息，目前最常用的接觸式測(cè)量系統(tǒng)是三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（CMM）。傳統(tǒng)的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)多采用機(jī)械探針等觸發(fā)式測(cè)量頭，可通過(guò)編程規(guī)劃掃描路徑進(jìn)行點(diǎn)位測(cè)量，每一次獲取被測(cè)形面上一點(diǎn)的（x，y，z）坐標(biāo)值，測(cè)量速度都很慢。CMM的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量精度高，對(duì)被測(cè)工程無(wú)特殊要求，對(duì)不具有復(fù)雜內(nèi)部型腔、特征幾何尺寸繁多、只有少量特征曲面的被測(cè)工程，CMM是一種非常有效可靠的三維數(shù)字化手段。它的缺點(diǎn)是不能對(duì)軟物體進(jìn)行精密測(cè)量；價(jià)格昂貴，對(duì)使用環(huán)境要求高；測(cè)量速度慢，測(cè)量數(shù)據(jù)密度低，測(cè)量過(guò)程需人工干預(yù)；還需要對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行探頭損傷及探頭半徑補(bǔ)償，無(wú)法測(cè)量小于測(cè)頭半徑的凹面工程，這些不足限制了它在快速反求領(lǐng)域中的應(yīng)用。

2．2 非接觸式工程測(cè)量技術(shù)

2．2．1 激光線結(jié)構(gòu)光掃描測(cè)量技術(shù)

激光線結(jié)構(gòu)光掃描測(cè)量技術(shù)是一種基于三角測(cè)量原理的主動(dòng)式結(jié)構(gòu)光編碼工程測(cè)量技術(shù)，亦稱為光切法，通過(guò)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(yīng)的三維坐標(biāo)。每個(gè)測(cè)量周期可獲取一條掃描線，物體的全輪廓測(cè)量是通過(guò)多軸可控機(jī)械運(yùn)動(dòng)輔助實(shí)現(xiàn)的。這類設(shè)備的掃描速度可達(dá)15000 點(diǎn)/秒，測(cè)量精度在±0．01～±0．1mm 之間，價(jià)格適中，對(duì)測(cè)量工程對(duì)象型面的光學(xué)特性要求不高。

2．2．2 投影光柵測(cè)量技術(shù)

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

2．2．3 計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）技術(shù)

計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）技術(shù)最具代表的是基于X射線的CT掃描機(jī)，它是以測(cè)量物體對(duì)X射線的衰減系數(shù)為基礎(chǔ)，用數(shù)學(xué)方法經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)處理而重建斷層圖像，這種方法最早是應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域，目前已經(jīng)廣泛用于工程測(cè)量領(lǐng)域，即稱為“工程CT”。對(duì)中空物體的無(wú)損三維測(cè)量，這種方法是目前較先進(jìn)的非接觸式檢測(cè)方法，它可對(duì)被測(cè)工程的內(nèi)部形狀、壁厚、材料，尤其是內(nèi)部構(gòu)造進(jìn)行測(cè)量，該方法同樣能夠獲得被測(cè)工程內(nèi)表面數(shù)據(jù)，且不破壞工程結(jié)構(gòu)。但它存在造價(jià)高，測(cè)量系統(tǒng)的空間分辨率低，獲取數(shù)據(jù)時(shí)間長(zhǎng)，設(shè)備體積大等缺點(diǎn)。

2．2．4 立體視覺測(cè)量技術(shù)

立體視覺測(cè)量是根據(jù)同一個(gè)三維空間點(diǎn)在不同空間位置的兩個(gè)（或多個(gè)）攝像機(jī)拍攝的圖像中的視差，以及攝像機(jī)之間位置的空間幾何關(guān)系來(lái)獲取該點(diǎn)的三維坐標(biāo)值。立體視覺測(cè)量方法可以對(duì)處于兩個(gè)（或多個(gè)）攝像機(jī)共同視野內(nèi)的目標(biāo)特征點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，而無(wú)須伺服機(jī)等掃描裝置。立體視覺測(cè)量面臨的最大困難是空間特征點(diǎn)在多幅數(shù)字圖像中提取與匹配的精度與準(zhǔn)確性等問(wèn)題。近來(lái)出現(xiàn)了將具有空間編碼的結(jié)構(gòu)光投射到被測(cè)工程表面，制造測(cè)量特征的方法有效解決了測(cè)量特征提取和匹配的問(wèn)題，但在測(cè)量精度與測(cè)量點(diǎn)的數(shù)量上仍需改進(jìn)。

3 實(shí)際施工中的測(cè)量技術(shù)

綜合接觸式工程測(cè)量技術(shù)和非接觸式工程測(cè)量技術(shù)的實(shí)物數(shù)據(jù)獲取方法，是目前眾多逆向工程測(cè)量技術(shù)中針對(duì)大型的、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的測(cè)量對(duì)象最具有高效性的一種工程測(cè)量方式。這種方法由接觸式工程測(cè)量技術(shù)獲取散布在被測(cè)物體上或周圍的人工標(biāo)記點(diǎn)群的三維坐標(biāo)，再以這些坐標(biāo)數(shù)據(jù)作為非接觸式工程測(cè)量數(shù)據(jù)拼接的依據(jù)，從而獲取得到整體測(cè)量數(shù)據(jù)。這種綜合方法既具有以往工程測(cè)量技術(shù)的高效性，又消除了數(shù)據(jù)拼接時(shí)的累積誤差。

在實(shí)際測(cè)量中,測(cè)量方法的選用需根據(jù)被測(cè)物體的形狀特征和應(yīng)用目的決定。作為一種檢測(cè)儀器出現(xiàn)的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)在逆向工程應(yīng)用中發(fā)展成為實(shí)物外形數(shù)字化的主要設(shè)備,但存在測(cè)量速度慢,需要進(jìn)行測(cè)頭半徑補(bǔ)償;因測(cè)量力過(guò)大,不能測(cè)量松軟材料樣件等缺點(diǎn)。隨著硬件技術(shù)的不斷發(fā)展,光學(xué)非接觸式測(cè)量技術(shù)得到了迅速發(fā)展。以高響應(yīng),高分辨率著稱。該方法具有測(cè)量速度快,測(cè)量精度高,不受環(huán)境電磁場(chǎng)干擾,工作距離大,可測(cè)量材質(zhì)松軟的樣件等優(yōu)點(diǎn),成功地解決了接觸式測(cè)量方法所存在的問(wèn)題。在未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)中,非接觸式測(cè)量將越來(lái)越占據(jù)主要地位,但三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)在精度方面仍具有優(yōu)勢(shì)。對(duì)一些具有特殊的數(shù)字化要求的實(shí)物 (如內(nèi)部結(jié)構(gòu)),基于 CT和MRI的測(cè)量依然是一種不可替代的測(cè)量手段。可以說(shuō),迄今為止,還沒有一種完全適合于快速逆向技術(shù)的快速、精確的全能測(cè)量方法。

4 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)代逆向工程測(cè)量技術(shù)是將接觸式測(cè)量技術(shù)和非接觸式測(cè)量技術(shù)相融合，是實(shí)現(xiàn)被測(cè)工程整體測(cè)量和數(shù)據(jù)拼接的有效方法，其使用越來(lái)越廣泛。它繼承了“攝影測(cè)量與遙感”領(lǐng)域的許多知識(shí)和技術(shù)，同時(shí)又發(fā)展出許多自身特有的技術(shù)和方法，比如設(shè)置人工標(biāo)志點(diǎn)。筆者認(rèn)為，研究逆向工程測(cè)量技術(shù)，對(duì)現(xiàn)代工程測(cè)量技術(shù)的發(fā)展有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

［1］張義力．逆向工程數(shù)據(jù)獲取中測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)研究[J]．上海交通大學(xué)學(xué)報(bào),2009：12-13．

［2］曹劍清．?dāng)?shù)字?jǐn)z影測(cè)量[M]．武漢：武漢測(cè)繪科技大學(xué)出版社,2009：34-35．

［3］沈?qū)W標(biāo)．工程測(cè)量的發(fā)展[J]．地礦測(cè)繪,1997(03)．