油泥模型車點云數據后處理方法淺析

司圣志

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

油泥模型車點云數據后處理方法淺析

司圣志

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

油泥模型是汽車造型設計必不可少一種手段，它是設計師實現從二維效果圖到真實模型的方法，油泥模型掃描結果的好壞直接影響到后期B面和A面制作的效果。文章在逆向工程設計思想的指導下，就油泥模型外觀的特性和技術要求，使用非接觸式的掃描方法掃描油泥模型。由于實際掃描過程中受到各種人為或隨機因素的影響，使得掃描結果包含噪聲點大量的冗余數據，這樣就不利于后續的油泥模型的B面和A面制作工作。文章針對激光三維掃描方法得到的油泥模型的點云數據，采用了快速、有效地處理技術。在最大程度上獲得了較好的點云數據結果，為后續的曲線曲面重構工作做出了理想的處理過程。

油泥模型；點云數據；逆向工程

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.12.057

CLC NO.: U466 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)12-166-04

引言

油泥模型的設計與制作在汽車造型設計中起著承前啟后的關鍵性作用。油泥模型的應用，一方面，它是連接設計與工程的媒介，即將二維的平面視圖、效果圖轉化為真實的三維實物，能夠有效的彌補平面表達中不能解決的許多空間問題，使設計對象更直觀、更具體。另一方面，技術人員將借助油泥模型對汽車造型的空間尺寸數據進行掃描并應用于汽車模具生產、加工。

實現逆向工程中的兩個必須的步驟是數據采集和數據后續處理。其中數據采集和處理的完成質量直接影響到所建幾何模型的質量。在數據采集過程中，我們采用ATOS光柵式掃描儀獲得油泥模型的點云數據。但在實際采集過程中，由于環境的影響，在采集點云數據中往往含有大量的噪聲點，如果這些數據不加處理而直接用來擬合曲線曲面，其造型的質量將遠遠達不到實際工程的要求，也就沒有實際意義，因此必須對數據進行處理。

1、油泥模型激光三維掃描點云數據

目前我國汽車工業中,車型以及許多關鍵零部件都是直接進口模具，沒有設計資料。而整個汽車工業的國產化又非常重要，其中汽車覆蓋件也屬于這種情況，都是在實際模型或油泥模型上不斷加以修改，最終形成產品模具。國內很多人在做這方面的工作。激光三維掃描系統可以很好完成逆向工程的數據獲取需要,為后面的快速成型、CAM等打下堅實的基礎。我們利用ATOS光柵式掃描儀，對油泥模型進行激光三維掃描，所獲得的油泥模型“點云”如（圖1）所示。三維掃描軟件導出IGS格式的三維數據文件，為后續的“點云”處理、曲面建模、實體生成等提供基礎。

在激光三維掃描過程中，我們獲得了初步的點云數據。由于在實際掃描過程中，存在遮擋、模型特性以及步進振動等問題。如（圖1）所示我們可以發現，在點云數據中，存在點云數據量大、表面點陣有重點和噪聲點等問題。這對于點云數據的曲面重構帶來極大的不便，因此需要通過噪聲點刪除、點云數據精減、點云平光順等這些后續工作獲得較好的、完整的“點云”。

圖1 油泥模型點云

2、油泥模型點云的處理

在我們對油泥模型進行激光三維掃描過程中，由于實際掃描過程中受到各種人為或隨機因素的影響。經檢測，發現掃描結果包含噪聲，并且數據間缺乏明顯的拓撲關系，這些會給后續的曲面重構帶來很大的麻煩。

因此必須對點云數據進行處理，一般需要對原數據進行再加工，在處理過程中，必須注意檢查數據的完整性及數據的一致性，對其中的噪聲數據進行去除，對海量的數據進行精簡，常見的數據處理方法為：噪聲點刪除、點云數據精簡、點云光順、點云拼合。

2.1 噪聲點的刪除

在任何的一種曲線曲面構造過程中噪聲點的危害很大，有時會因為噪聲點的影響而使整個構造算法失敗。而在本次對油泥模型的點云數據采集過程中，噪聲點的引入是不可避免的，因此必須進行噪聲點的刪除。統計結果表明，在本次掃描得到的點云數據中，有1% ～3%的噪聲點要予以去除。目前噪聲點的去除方法如下：

2.1.1 直接法刪除

對明顯的異常點和雜點，可通過肉眼判別，并用人機交互的方式直接刪除。

2.1.2 曲線檢查法刪除

通過截面的首末數據點，用最小二乘法擬合得到一條樣條曲線，曲線的階次可根據曲面截面的形狀決定，通常為3～4 階，然后分別計算中間數據點pi到樣條曲線的距離‖e‖，如果‖e‖E≥[ε]（[ε]為給定的允差) ，則認為pi 是壞點，應予以剔除如（圖2）。

2.1.3 弦高差方法刪除

連接檢查點的前后2 點，計算中間數據點pi 到弦的距離‖e‖，如果‖e‖E ≥[ε]（[ε]為給定的允差）， 則認為pi 是壞點，應予以剔除。這種方法適合于測量點均勻且較密集的場合，特別是在曲率變化較大的位置如（圖3）。

圖2 曲線檢查法

圖3 弦高差方法

2.1.4 高斯、平均或中值濾波算法刪除

高斯濾波器在指定域內的權重為高斯分布，其平均效果較小，故在濾波的同時能較好地保持原數據的形貌。平均濾波器采樣點的值取濾波窗口內各數據點的統計平均值。而中值濾波器采樣點的值取濾波窗口內各數據點的統計中值，這種濾波器消除數據毛刺效果較好。

油泥模型主要使用了（1）、（4）第方法刪除噪聲點如（圖4）所示。

圖 4 刪除噪聲點后的模型點云

2.2 點云數據精簡

在本次的掃描中，對油泥模型進行激光三維掃描的數據獲取速度快，單次掃描能獲得上萬個數據點。因此所獲得的掃描數據點群密度很大，存儲處理與顯示都消耗了大量的時間和計算機資源，并且影響到后續曲面構造的光順性。因而提取點云數據中反映曲面形狀的點，去除大量冗余數據點。即對大量點云數據的精簡處理也是逆向工程中的一項關鍵技術。對于掃描線點云，其中使用較常見的有取樣法、弦高偏移法、非均勻網格法等。

2.2.1 均勻取樣法

均勻取樣法是根據數據點的存儲順序，每隔（m-1）個數據點采取一個數據點，其他的數據點都被忽略，這里的m成為間隔（采樣率）。當均勻采樣法應用于有序數據（如掃描數據）時，便成為等間距采樣法；而應用于非有序數據時，由于數據排列的無規律性模擬了均勻采樣的隨機性，因而稱為隨機采樣法。它僅適合于實體是平面或接近于平面的情況下使用，缺點是很容易丟失邊界特征及曲率變化較大區域的信息。

2.2.2 弦高偏移法

根據抽樣定理，抽樣點的疏密應隨曲面曲率的變化而變化，曲率越大抽樣點越密。針對實際情況，由于激光掃描獲取的實物基本上是凸殼的，或者是多個凸殼的并集，而且掃描的數據是一條條的數據線，可以用基于弦值的方法對數據進行初步的線壓縮。這種方法在選點時由兩個參數決定，一個是最大偏移距離，另一個是已經保留的點與下一個保留點的兩點之間的距離。因為弦值的高低根曲率有密切關系，這種篩選數據點的辦法對于凸殼數據具有比較明顯的篩選效果。弦高偏移法能根據法矢的變化情況對數據進行精簡，這是比均勻取樣法優勝的地方。它可以滿足計算效率較高，曲率變化較大區域的數據精度。缺點是對于曲率變化較小且較平滑區域的精度不能得到很好的保證。

2.2.3 非均勻網格法

非均勻網格方法，分為單項非均勻網格方法和雙向非均勻網格方法。在單向非均勻網格方法中，采用角度偏差方法從點云數據中獲取特征點。角度反映了曲率信息，角度小的地方曲率也小，反之，曲率也大。通過這些角度，提取曲率較大處的點。雙向非均勻網格方法通過計算每一個點的法向向量，并以這一信息為基礎來進行數據精簡。對點云數據進行三角化。使用鄰近三角形的法向向量來確定某一點的法向向量,計算所有點的法向向量后，就生成了網格平面。網格的最小尺寸根據零件形狀的復雜程度而變化，網格規劃完成以后，采用中值濾波的方法從每個網格中選取一個代表點。這種雙向方法與單向方法相比，將從點云中提取更多的點，它將更精確地反映零件的形狀。

在完成噪聲點刪除步驟后，采用非均勻網格法中的雙向非均勻網格方法和弦高偏移法進行點云數據精簡處理，如（圖5）所示。

圖5 精簡后的模型點云

經檢驗表明，利用非均勻網格法可以獲得理想的精簡結果，結果如（表1）所示。

表1

2.3 點云光順

為了降低或消除油泥模型點云數據中噪聲對后續汽車覆蓋件建模質量的影響，有必要對精簡后的點云數據結果進行光順濾波。

一般而言，在掃描過程中時，由于種種原因，會造成噪聲點,可選用多種濾波，對點云進行光順處理，提高整個點云的質量。根據點云的特點采用合適的光順方法，盡量保持點云的輪廓原狀。數據光順通常采用標準高斯、平均或中值濾波算法，濾波效果如（圖6）所示。

圖6

2.3.1 高斯算法

高斯濾波器在指定域內的權重為高斯分布，其平均效果較小，故在濾波的同時能較好地保持原數據的形貌。

2.3.2 平均算法

平均濾波器是利用濾波窗口內各采樣數據點的統計平均值來代替當前點。二維圖像中的中值濾波器是查找采樣點的值，取濾波窗口灰度值序列中間的那個灰度值為中值，用它來代替窗口中心所對應象素的灰度。

2.3.3 中值算法

中值濾波是一種有效的非線性濾波，常用于消除隨機脈沖噪聲。

根據精簡后點云數據的特點，本文采用高斯濾波器對點云數據做光順處理。處理后的效果圖如（圖7）所示，由圖可以看出，該方法不僅有效的對數據做出了光順處理，而且在濾波的同時最大程度上保持了點云數據的輪廓原貌。

圖 7 平滑處理后的模型數據

2.4 點云數據拼合對齊

為完成對整個油泥模型的非接觸三維掃描，需要對油泥模型從各個視角分5塊進行掃描。由于在掃描不同區域時，都是在掃描位置對應的默認設備坐標系下進行的，因此多次掃描所對應的局部坐標系并不一致，所以必須把各次掃描對應的局部坐標系統一到同一坐標系，并消除相鄰2次掃描間的重疊部分，以得到被測物體表面的完整數據。

需要將分塊掃描所得到的多片點云數據拼合在一起，即點云數據的拼合對齊，其處理方法有2 種：

2.4.1 專用的測量裝置

通過專用的測量裝置實現數據的拼合對齊，它要求設計一個自動工件移動轉換平臺，用來直接記錄工件在掃描過程的移動量和轉動角度。

2.4.2 專業計算機軟件

用專門設計的計算機軟件（Imageware）實現多片塊點云數據的拼合對齊，從而實現原型的再構，這是現在非接觸三維掃描最常用的多片塊點云數據拼合對齊方法。分塊掃描得到的點云數據常可看作是一個剛體。數據對齊可以歸結為三維剛體的坐標轉換問題，即根據一些預先指定的最佳匹配規則，通過坐標變換，把部分重疊的兩片點云最優地對齊如（圖8）。

圖8

3、總結

點云數據后期處理是逆向設計中的關鍵技術之一。如何對數據進行后期處理，使處理后的數據減少計算復雜性，提高效率，保證重建曲面的精度，使點云密度隨著曲面曲率的變化而變化是未來逆向設計中點云數據處理的發展趨勢；選擇合理的方法對海量點云數據進行處理，對于保證曲面模型的重建精度和提高數據處理效率至關重要。針對激光三維掃描方法得到的油泥模型的點云數據，我們采用了噪聲點刪除、精簡、光順、拼合對齊等快速、有效的點云處理技術，從而在最大的程度上獲得了較好的點云數據結果，為后續的曲線曲面創建提供基礎。

[1] 劉之生.反求工程技術.北京:機械工業出版社,2003.

[2] 羅大兵,高明逆.向工程中數字化測量與點云數據處理.機械與制造,2005.

[3] 周力輝.汽車油泥模型設計制作.北京:清華大學出版社, 2006.

Clay model car postprocessing method of point cloud data

Si Shengzhi
(Anhui jianghuai Automobile Co., Ltd., Auhui Hefei 230601)

Clay model is essential to A kind of automobile modeling design method, it is designers from 2 d rendering to the real model, the method of scanning result is good or bad directly affect the clay model B surface and A surface post-production effect. Reverse engineering design is presented in this paper, under the guidance of clay model appearance features and technical requirements, using non-contact scanning methods of scanning clay model. Because the actual scanning process influenced by all kinds of man-made or random factors, makes the scan results A lot of redundant data containing noise point, which is not conducive to the follow-up of clay model B side and making A face. Laser 3 d scanning method, this paper get the clay model of point cloud data, using the rapid and effective processing technology. In the largest extent, the good point cloud data obtained as a result, the work for the follow-up of curve surface reconstruction has made the ideal process.

Clay model; Point cloud data; Contrary engineering

U466

A

1671-7988 (2016)12-166-04

司圣志，就職于安徽江淮汽車股份有限公司。