基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的大型機(jī)械裝備逆向工程的研究

曲霄紅,胡立華

(1.山西大同大學(xué)教育科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山西大同037009；2.太原科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山西太原 030024)

基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的大型機(jī)械裝備逆向工程的研究

曲霄紅1,胡立華2

(1.山西大同大學(xué)教育科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山西大同037009；2.太原科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山西太原 030024)

逆向工程作為一種新的先進(jìn)制造技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在機(jī)械裝備等行業(yè)，計(jì)算機(jī)視覺(jué)作為一種非接觸式測(cè)量方法，應(yīng)用于逆向工程具有精度高、速度快、不受被測(cè)物體環(huán)境影響等優(yōu)點(diǎn)。目前大多數(shù)研究人員采用計(jì)算機(jī)視覺(jué)方法，對(duì)小型機(jī)械產(chǎn)品的逆向工程進(jìn)行了研究，而對(duì)大型機(jī)械裝備逆向工程的研究比較少。本文從計(jì)算機(jī)視覺(jué)的角度，對(duì)大型機(jī)械裝備逆向工程進(jìn)行了綜述，歸納出了基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的大型機(jī)械裝備逆向過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)，即：大型機(jī)械裝備圖像采集方法選擇、圖像的特征提取與匹配、及圖像拼接等，并對(duì)各個(gè)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入分析和討論，分別給出其解決的有效途徑。

大型機(jī)械裝備；逆向工程；計(jì)算機(jī)視覺(jué)；特征檢測(cè)

近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展及社會(huì)需求的多樣化，加劇了市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)性和產(chǎn)品的更新?lián)Q代速度，因而對(duì)機(jī)械制造業(yè)提出了更高的要求。不僅要求企業(yè)盡可能地縮短設(shè)計(jì)和生產(chǎn)周期，降低產(chǎn)品成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量，而且針對(duì)產(chǎn)品的外形提出了更高的要求。研究表明[1-2]，一個(gè)機(jī)械產(chǎn)品生產(chǎn)周期的60%～80%都是由設(shè)計(jì)階段決定的。因此，加快產(chǎn)品生產(chǎn)周期的關(guān)鍵步驟是如何縮短其設(shè)計(jì)周期，但傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足企業(yè)的需求。為了提高生產(chǎn)效率，縮短生產(chǎn)周期，設(shè)計(jì)一種新的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)方法顯得非常迫切。

逆向工程[3]（Reverse Engineering-RE）也稱(chēng)為反求工程或反求設(shè)計(jì)。是20世紀(jì)80年代后期出現(xiàn)在先進(jìn)制造領(lǐng)域里的一種新技術(shù)。隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)及有限元分析技術(shù)的發(fā)展，與逆向工程結(jié)合形成了一種新的現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論和方法，為企業(yè)快速開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品提供了一種新手段。在機(jī)械工程領(lǐng)域[4]，逆向工程是指在沒(méi)有模型或者圖紙不完整的情況下，按照現(xiàn)有的模型，利用各種技術(shù)重新構(gòu)建模型的過(guò)程。據(jù)報(bào)道[5]，國(guó)內(nèi)機(jī)械裝備開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品，70%以上都是在借鑒國(guó)外產(chǎn)品的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)的。如果采用傳統(tǒng)機(jī)械裝備設(shè)計(jì)方法，因產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期較長(zhǎng)而不能滿(mǎn)足市場(chǎng)的需求。采用逆向工程進(jìn)行機(jī)械產(chǎn)品開(kāi)發(fā)則可以縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，提高企業(yè)生產(chǎn)效率。

大型機(jī)械裝備是指直徑或者跨度超過(guò)500cm的機(jī)械產(chǎn)品。若采用傳統(tǒng)的方法，大型機(jī)械設(shè)備的逆向工程存在以下問(wèn)題：大型機(jī)械裝備多在室外，室外環(huán)境復(fù)雜，數(shù)據(jù)采集不易；大型機(jī)械裝備體積較大，整體三維模型不易獲得。因此，需要結(jié)合一種新技術(shù)針對(duì)大型機(jī)械裝備進(jìn)行逆向開(kāi)發(fā)。計(jì)算機(jī)視覺(jué)是一種非接觸式測(cè)量方法，采用計(jì)算機(jī)視覺(jué)進(jìn)行逆向開(kāi)發(fā)具有精度高、速度快、不受被測(cè)物體環(huán)境影響等優(yōu)點(diǎn)。本文以計(jì)算機(jī)視覺(jué)為基礎(chǔ)，針對(duì)大型機(jī)械裝備的逆向工程技術(shù)進(jìn)行了分析。首先針對(duì)機(jī)械裝備的逆向工程技術(shù)進(jìn)行了綜述，其次針對(duì)基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的大型機(jī)械裝備逆向工程技術(shù)的模型及關(guān)鍵步驟進(jìn)行了分析，最后針對(duì)各個(gè)步驟中存在的問(wèn)題進(jìn)行討論，并給出了解決問(wèn)題的有效途徑。

1 機(jī)械產(chǎn)品逆向工程

傳統(tǒng)的機(jī)械產(chǎn)品開(kāi)發(fā)方法[2]如圖1所示，一般從產(chǎn)品（實(shí)體）概念設(shè)計(jì)開(kāi)始，然后進(jìn)行模型圖紙的設(shè)計(jì)，最終形成產(chǎn)品。這個(gè)過(guò)程中，概念設(shè)計(jì)將占用60%左右的周期。而機(jī)械產(chǎn)品逆向工程與傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)方法不同，它的主要流程（如圖2）是：機(jī)械產(chǎn)品逆向工程從現(xiàn)有的產(chǎn)品的原型出發(fā)，運(yùn)用各種技術(shù)，結(jié)合專(zhuān)業(yè)人員的工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)已有的產(chǎn)品進(jìn)行剖析、研究和再創(chuàng)造，最后利用各種數(shù)字化技術(shù)獲得原產(chǎn)品的模型，并加以改造，從而完成新產(chǎn)品設(shè)計(jì)的過(guò)程。因此，相對(duì)于傳統(tǒng)的開(kāi)發(fā)方法，機(jī)械產(chǎn)品逆向工程縮短了開(kāi)發(fā)周期，有效地提高了新產(chǎn)品的市場(chǎng)響應(yīng)速度。

圖1 傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)流程

圖2 逆向工程設(shè)計(jì)流程

從圖2中可以看出，數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理與三維重建這三個(gè)模塊代替了傳統(tǒng)方法的實(shí)體概念設(shè)計(jì)，成為機(jī)械產(chǎn)品逆向工程方法的核心，因此這三個(gè)過(guò)程的效率直接決定了圖紙或產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。

1.1數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集[6-8]是機(jī)械產(chǎn)品逆向工程的第一步，也稱(chēng)為逆向測(cè)量。測(cè)量數(shù)據(jù)的精度直接影響數(shù)據(jù)建模的精度，是整個(gè)機(jī)械產(chǎn)品逆向工程的基礎(chǔ)。機(jī)械產(chǎn)品逆向測(cè)量是指通過(guò)特定的測(cè)量設(shè)備和測(cè)量方法獲取產(chǎn)品表面離散點(diǎn)的三維幾何坐標(biāo)數(shù)據(jù)。因此如何高效、準(zhǔn)確的采集到機(jī)械產(chǎn)品表面的三維幾何坐標(biāo)數(shù)據(jù)成為逆向測(cè)量研究的重點(diǎn)。根據(jù)測(cè)量的方式不同，逆向測(cè)量方法主要有兩種方法：接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量。

1.2數(shù)據(jù)處理

在機(jī)械產(chǎn)品實(shí)物的數(shù)據(jù)獲取過(guò)程中，由于人為的誤差及測(cè)量設(shè)備的誤差等因素的影響，不可避免地產(chǎn)生一些噪音點(diǎn)，而且測(cè)量往往容易出現(xiàn)漏測(cè)現(xiàn)象。如果這些點(diǎn)不及時(shí)處理，將直接影響后期的三維重建的效率。一方面會(huì)使得建立的模型效率低，另一方面會(huì)影響所建立的模型質(zhì)量，從而導(dǎo)致后期無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際工程的需求。因此在模型重建之前，首先要對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行噪音平滑、降維[9]等處理。

1.3三維建模

三維模型重建也是機(jī)械產(chǎn)品逆向工程中的關(guān)鍵步驟，如何構(gòu)建產(chǎn)品的三維模型是機(jī)械產(chǎn)品逆向工程中研究的一個(gè)重要課題。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)機(jī)械產(chǎn)品逆向工程模型重建進(jìn)行了大量的研究[10-13]，他們從不同的側(cè)面提出了各種模型重建技術(shù)，這些研究方法主要集中在曲面的擬合方法上[14]。傳統(tǒng)的三維重建方法不管是基于邊的擬合或者是基于面的擬合，都存在這樣一個(gè)缺陷：將模型重建分割為孤立的曲面片造型，而忽略了產(chǎn)品模型的整體屬性。

目前，許多國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)逆向工程方法進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了各種數(shù)據(jù)采集方法、數(shù)據(jù)處理方法及三維模型重建方法[8-14]。其中針對(duì)機(jī)械產(chǎn)品，采用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的逆向開(kāi)發(fā)研究的比較多，例如國(guó)外開(kāi)發(fā)出來(lái)的用于機(jī)械產(chǎn)品逆向工程的軟件或者模塊[5]有：Imageware公司開(kāi)發(fā)的Surefacer,DelCAM公司開(kāi)發(fā)的CopyCAD等。這些軟件的逆向開(kāi)發(fā)過(guò)程為：首先測(cè)量產(chǎn)品或者零件的尺寸，然后根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行產(chǎn)品的重構(gòu)，但是這些軟件只能重構(gòu)一些簡(jiǎn)單的平面線框模型，而且重構(gòu)速度慢。國(guó)內(nèi)一些大學(xué)于20世紀(jì)90年代也開(kāi)始進(jìn)行基于機(jī)器視覺(jué)的逆向軟件的開(kāi)發(fā)[5]，例如清華大學(xué)、浙江大學(xué)、西安交通大學(xué)等高校先后開(kāi)展了這方面的工作。國(guó)內(nèi)的基于機(jī)器視覺(jué)的逆向研究過(guò)程為：首先采用激光、CT等設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后進(jìn)行模型的重建。但是很多研究針對(duì)的都是特定的小型零件，而且缺乏具體的平臺(tái)支持；即使目前已有的一些機(jī)械零件逆向技術(shù)也存在不少問(wèn)題，例如通過(guò)測(cè)量實(shí)物數(shù)據(jù)構(gòu)建數(shù)字模型相對(duì)滯后。這些因素使得逆向工程在國(guó)內(nèi)機(jī)械行業(yè)的研究及應(yīng)用受到了很大的限制。

2 基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的大型機(jī)械逆向工程模型

結(jié)合圖2，采用計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)進(jìn)行大型機(jī)械裝備逆向設(shè)計(jì)的模型如圖3：

基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的大型機(jī)械裝備逆向工程技術(shù)將計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)與逆向工程技術(shù)相結(jié)合。該技術(shù)以大型機(jī)械裝備為研究對(duì)象，以圖像采集模塊為開(kāi)始流程，通過(guò)圖像數(shù)據(jù)處理模塊，最終構(gòu)造出大型機(jī)械產(chǎn)品的三維模型。該技術(shù)可以分為三個(gè)關(guān)鍵步驟：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和三維重建。

2.1圖像采集

基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)[15-16]的大型機(jī)械裝備逆向工程研究是從獲取客觀世界的圖像開(kāi)始的，圖像采集是獲取信息的過(guò)程。圖像采集需要使用一定的采集裝置或設(shè)備（如照相機(jī)、攝像機(jī)），采集裝置和設(shè)備的性能會(huì)影響數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量；客觀物體要受到光源的照射才能被采集裝置或設(shè)備采集到。因此，數(shù)據(jù)采集設(shè)備和光源的選擇會(huì)直接影響圖像數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量。

圖3 基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的大型機(jī)械裝備逆向模型

在計(jì)算機(jī)視覺(jué)中，采集圖像最終的目的是：采用計(jì)算機(jī)技術(shù)從圖像中獲取客觀物體的二維信息。數(shù)據(jù)采集根據(jù)攝像機(jī)數(shù)目的不同，可以分為單目視覺(jué)、雙目視覺(jué)、三目視覺(jué)及多目視覺(jué)[15]。

2.1.1單目視覺(jué)

單目視覺(jué)是指使用一臺(tái)攝像機(jī)進(jìn)行三維重建的方法。所使用的圖像可以是單幅或者多幅圖像。單目視覺(jué)方法主要通過(guò)圖像的特征計(jì)算圖像的深度信息。由于該方法研究對(duì)象較少，因此，理論發(fā)展相對(duì)較成熟。

2.1.2雙目視覺(jué)

雙目視覺(jué)是目前研究比較活躍的一個(gè)方向。此方法模擬人眼立體成像的過(guò)程，采用兩個(gè)數(shù)相機(jī)同時(shí)獲取對(duì)象的圖像，然后通過(guò)圖像處理技術(shù)獲取物體表面的三維坐標(biāo)。

2.1.3多目視覺(jué)和多目視覺(jué)

雙目視覺(jué)方法在重建過(guò)程中存在假目標(biāo)、重建的空間點(diǎn)少等缺點(diǎn)。針對(duì)上述問(wèn)題，提出了三目視覺(jué)和多目視覺(jué)方法。多目視覺(jué)方法的一個(gè)基本思想是在雙目視覺(jué)的基礎(chǔ)上增加多臺(tái)攝像機(jī)來(lái)避免雙目視覺(jué)方法的不足。由于多目視覺(jué)以增加額外的硬件設(shè)備為前提，從而使得設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制上難于實(shí)現(xiàn)，因此具體的應(yīng)用場(chǎng)合受到了限制。多目視覺(jué)也可以通過(guò)一個(gè)數(shù)據(jù)采集設(shè)備先后在同一個(gè)場(chǎng)景對(duì)客觀實(shí)體進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

2.2圖像處理

圖像處理在計(jì)算機(jī)視覺(jué)領(lǐng)域分為以下過(guò)程：圖像的預(yù)處理、圖像特征的檢測(cè)及對(duì)應(yīng)關(guān)系確定。

2.2.1圖像的預(yù)處理

由于采集的圖像受到光照、陰影等因素的影響，所以在特征檢測(cè)之前需要針對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理。目前，預(yù)處理的方法有：曝光矯正、彩色平衡、圖像降噪、圖像增強(qiáng)、改變色調(diào)[23-24]等等。有些學(xué)者將這些概念歸到信號(hào)處理范疇，但是很多計(jì)算機(jī)視覺(jué)應(yīng)用為了獲得好的效果，常常需要用到圖像的預(yù)處理技術(shù)。

2.2.2圖像特征的檢測(cè)及對(duì)應(yīng)

目前基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的逆向過(guò)程中的圖像處理算法總體來(lái)說(shuō)可以通過(guò)以下步驟進(jìn)行構(gòu)造：首先檢測(cè)圖像中的特征信息；然后針對(duì)檢測(cè)出來(lái)的特征信息進(jìn)行描述；最后查找圖像之間的特征匹配關(guān)系。

基于視覺(jué)的特征檢測(cè)主要包括邊緣、角點(diǎn)、直線段及圓（孔）等的檢測(cè)，有時(shí)也采用結(jié)合的方式進(jìn)行檢測(cè)，比如：直線段和點(diǎn)的結(jié)合、邊緣和角點(diǎn)的結(jié)合等。特征點(diǎn)的檢測(cè)及對(duì)應(yīng)在過(guò)去二十多年來(lái)發(fā)展迅速，已經(jīng)提出了很多有效的算法，其中大多數(shù)算法都是基于特征描述子進(jìn)行特征的匹配，一些典型的描述子比如：canny描述子、sift描述子等得到了廣泛的應(yīng)用。針對(duì)直線檢測(cè)也提出了相應(yīng)的算法，比如hough變換、DSL算法等。采用的特征匹配算法同樣也是基于點(diǎn)或者基于直線的方法。點(diǎn)匹配算法：一般通過(guò)極幾何將對(duì)應(yīng)點(diǎn)限制在極線上，然后通過(guò)灰度相似性進(jìn)行對(duì)應(yīng)點(diǎn)的確定。而直線之間的匹配主要采用以下兩種方法：（1）以直線上的關(guān)鍵點(diǎn)信息為基礎(chǔ)，將關(guān)鍵點(diǎn)的信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，以找到最匹配的直線；（2）采用直線的鄰域信息，計(jì)算直線鄰域范圍內(nèi)的關(guān)鍵點(diǎn)信息，并以具有仿射不變性的均值標(biāo)準(zhǔn)差描述子為基礎(chǔ)進(jìn)行直線的匹配。

2.3三維重建

在機(jī)械產(chǎn)品逆向工程的設(shè)計(jì)中，產(chǎn)品的仿形設(shè)計(jì)應(yīng)用最為廣泛。針對(duì)大型機(jī)械裝備，產(chǎn)品外觀的三維坐標(biāo)信息是逆向工程研究的一個(gè)重點(diǎn)。設(shè)備運(yùn)輸難、場(chǎng)地不易選擇等問(wèn)題成為大型機(jī)械產(chǎn)品外觀測(cè)量的一個(gè)難題，而且測(cè)量出來(lái)的產(chǎn)品精度問(wèn)題不易掌握。如果產(chǎn)品測(cè)量誤差大，將會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品的報(bào)廢，直接影響到產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期，因此產(chǎn)品的外觀測(cè)量精度問(wèn)題顯得至關(guān)重要。基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的大型機(jī)械產(chǎn)品逆向工程三維重建過(guò)程可以很好地解決外觀三維坐標(biāo)測(cè)量的問(wèn)題。

基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的逆向三維重建過(guò)程需要確定對(duì)象在世界坐標(biāo)下的位置。要獲得大型機(jī)械裝備的數(shù)據(jù)，首先必須將不同角度拍攝的圖片信息轉(zhuǎn)化到同一坐標(biāo)系下進(jìn)行計(jì)算，即檢測(cè)到同一坐標(biāo)下對(duì)象的三維參數(shù)。由于圖像在射影變換下形狀、位置會(huì)發(fā)生變化，因此，首先需要多幅圖像進(jìn)行還原。這個(gè)過(guò)程需要通過(guò)坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)化完成，圖像點(diǎn)與世界之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系為：

從公式可知，要獲取世界坐標(biāo)(XW,YW,ZW)，必須知道圖像坐標(biāo)(u,v,1)及攝像的內(nèi)參數(shù)u0,v0,dx,dy,f及攝像機(jī)的外部參數(shù)R,t,并且對(duì)一般場(chǎng)景，需要至少兩幅圖像。

3 大型機(jī)械裝備逆向工程中的關(guān)鍵技術(shù)

從圖3中大型機(jī)械產(chǎn)品模型的三個(gè)模塊出發(fā)，基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的大型機(jī)械裝備逆向工程中的關(guān)鍵技術(shù)包括：大型機(jī)械裝備圖像采集方法選擇，圖像的特征提取與匹配，圖像拼接。

3.1圖像采集方法

基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的大型機(jī)械產(chǎn)品逆向建模主要針對(duì)采集的圖像進(jìn)行分析，然后根據(jù)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行建模。根據(jù)分析圖像數(shù)量的不同可以分為兩種方法：對(duì)平面物體的分析與對(duì)一般三維物體的分析。

針對(duì)平面物體的分析一般通過(guò)單張圖像就可以進(jìn)行，這種方法原理簡(jiǎn)單，但是單幅圖像重建后僅僅是對(duì)象的一部分模型，無(wú)法真實(shí)反映物體的三維尺寸。因此，在大型機(jī)械裝備逆向工程中并不適用。

對(duì)物體的三維分析需要多幅圖像，本質(zhì)上就是從多幅圖像中恢復(fù)產(chǎn)品的三維結(jié)構(gòu)。因此，基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的大型機(jī)械產(chǎn)品逆向工程需要采用基于多幅圖像進(jìn)行分析的方法。采用單目視覺(jué)、雙目視覺(jué)還是三目視覺(jué)依據(jù)具體情況而定。針對(duì)環(huán)境比較復(fù)雜的場(chǎng)景，由于攝像機(jī)的內(nèi)參數(shù)及外參數(shù)不易標(biāo)定，因此單目視覺(jué)比較實(shí)用；針對(duì)數(shù)據(jù)精度要求高的情況，盡量采用雙目視覺(jué)或者三目視覺(jué)比較合適。

3.2數(shù)據(jù)處理方法

目前，基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的三維模型重建研究中針對(duì)的大都是紋理清晰、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的對(duì)象，采用的方法主要有：（1）基于特征點(diǎn)的三維重建；（2）基于特征直線的三維重建。

針對(duì)紋理清楚、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的對(duì)象比如：清華大學(xué)的清華門(mén)、大型古建筑物等可以采用基于點(diǎn)的重建方法；針對(duì)結(jié)構(gòu)規(guī)整的對(duì)象比如：房屋、教堂等對(duì)象可以采用直線重建方法。

而大型機(jī)械裝備的結(jié)構(gòu)有其自身的特點(diǎn)：基本元素規(guī)則、簡(jiǎn)單，基本上都是由直線、圓等基本元素構(gòu)成，成品顏色相近，多數(shù)產(chǎn)品圖像紋理不太豐富等。如果采用基于點(diǎn)的三維重建或基于直線的三維重建方法，存在以下缺點(diǎn)：（1）由于大型機(jī)械裝備的紋理不太豐富，所以從圖像中能提取的關(guān)鍵點(diǎn)比較少；針對(duì)大型機(jī)械裝備的數(shù)據(jù)采集，由于采集地點(diǎn)距離對(duì)象比較遠(yuǎn)，因此關(guān)鍵點(diǎn)定位信息存在一定的誤差，這個(gè)誤差將會(huì)對(duì)世界坐標(biāo)信息的恢復(fù)帶來(lái)很大的影響；（2）直線斷線情況比較嚴(yán)重，而且提取的線段端點(diǎn)信息不準(zhǔn)確，這些缺點(diǎn)會(huì)直接影響檢測(cè)的精度；（3）基于點(diǎn)的三維重建對(duì)諸如圓等特征的擬合效果不佳。這三個(gè)原因直接導(dǎo)致了重建后的大型機(jī)械裝備效果不理想，因此傳統(tǒng)的方法不能直接應(yīng)用于大型機(jī)械裝備逆向工程，針對(duì)大型機(jī)械產(chǎn)品的三維重建需要依據(jù)對(duì)象設(shè)計(jì)相應(yīng)的的特征提取與匹配方法。

基于大型機(jī)械裝備自身的幾何特點(diǎn)，因此，大型機(jī)械裝備的逆向過(guò)程可以將大型機(jī)械裝備的高級(jí)語(yǔ)義（比如機(jī)械產(chǎn)品的中常用的長(zhǎng)方形、圓等元素）與計(jì)算機(jī)視覺(jué)中的特征提取相結(jié)合，設(shè)計(jì)一種基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的大型機(jī)械裝備快速特征提取及匹配算法。

3.3三維重建方法

由于基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的大型機(jī)械裝備逆向過(guò)程需要恢復(fù)三維結(jié)構(gòu)，這個(gè)過(guò)程需要考慮以下因素：（1）攝像機(jī)模型的選擇及攝像機(jī)參數(shù)的估計(jì)。由于各個(gè)坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換不可避免的會(huì)產(chǎn)生一定地誤差，因此，為了提高三維重建結(jié)果的精度，針對(duì)攝像機(jī)參數(shù)的標(biāo)定需要研究一種高精度的標(biāo)定方法。當(dāng)拍攝對(duì)象的所有攝像機(jī)的內(nèi)參數(shù)及攝像機(jī)的外部參數(shù)均已知時(shí)，對(duì)象在空間中各點(diǎn)的位置均可通過(guò)計(jì)算得知。因此基于單幅圖像的產(chǎn)品三維模型很容易繪制出來(lái)；（2）圖像的拼接技術(shù)。基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的大型機(jī)械裝備逆向工程針對(duì)的是大型機(jī)械裝備，如果重建的三維模型需要的精度比較高時(shí)，對(duì)象采集的距離不能太遠(yuǎn)，因此圖像中的對(duì)象會(huì)產(chǎn)生斷裂情況。為了獲得大型機(jī)械產(chǎn)品的整體三維結(jié)構(gòu)，基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的大型機(jī)械裝備逆向工程需要采用計(jì)算機(jī)視覺(jué)中的點(diǎn)云融合技術(shù)。因此，設(shè)計(jì)一種高效、快速的點(diǎn)云融合技術(shù)也是基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的大型機(jī)械產(chǎn)品逆向工程研究的一個(gè)重點(diǎn)。

4 總結(jié)

逆向工程作為機(jī)械行業(yè)的一種先進(jìn)制造技術(shù)，能有效地縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，提高產(chǎn)品開(kāi)發(fā)效率。目前，機(jī)械產(chǎn)品逆向工程的研究對(duì)象主要針對(duì)一些小零件，大型機(jī)械裝備的逆向開(kāi)發(fā)由于場(chǎng)地、環(huán)境等因素的制約，研究過(guò)程及實(shí)際應(yīng)用均受到了極大限制。由于計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)具有非接觸、不受被測(cè)環(huán)境影響、重建速度快等優(yōu)點(diǎn)，因此，可以將計(jì)算機(jī)視覺(jué)與大型機(jī)械裝備逆向相結(jié)合。本文比較詳細(xì)地分析和討論了基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的大型機(jī)械裝備逆向工程模型和關(guān)鍵技術(shù)，并指出了每一種關(guān)鍵技術(shù)中存在的問(wèn)題。

為了提高基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的大型機(jī)械裝備逆向工程重建的三維模型精度與速度，可采用如下途徑解決目前存在的問(wèn)題：

（1）數(shù)據(jù)采集方法選擇：數(shù)據(jù)采集方法可以采用單目視覺(jué)采集方法，該方法可有效地解決大型機(jī)械裝備逆向開(kāi)發(fā)中場(chǎng)地、環(huán)境復(fù)雜等問(wèn)題；

（2）數(shù)據(jù)處理方法：充分利用大型機(jī)械裝備的高級(jí)幾何語(yǔ)義設(shè)計(jì)一種新的特征描述與匹配算法，可以提高大型機(jī)械裝備特征匹配的速度和精度；

（3）三維重建方法：引入高精度的攝像機(jī)參數(shù)估計(jì)方法及點(diǎn)云融合技術(shù)，可以提高大型機(jī)械裝備的三維模型精度。

理論模型都是在一定假設(shè)的條件下建立起來(lái)的。由于機(jī)械裝備實(shí)際場(chǎng)景比較復(fù)雜，圖像采集情況變化多樣，和實(shí)際情況有一些偏差。因此，基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的大型機(jī)械裝備逆向工程仍處于研究階段，若要達(dá)到實(shí)際應(yīng)用過(guò)程，仍需要進(jìn)一步深入研究。隨著問(wèn)題的深入研究，將會(huì)引起國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者的重視，相信這個(gè)問(wèn)題在不久的將來(lái)會(huì)有所突破。

[1]BECCARI C V,FARELLA E,LIVERANI A,et al.A fast interactive reverse-engineering system[J].Computer-Aided Design,2010,42(10)：860-873.

[2]SOKOVIC M,KOPAC J.RE(reverse engineering)as necessary phase by rapid product development[J].Journal of Materials Processing Technology,2006,175(1)：398-403.

[3]李志新,黃曼慧,成思源.逆向工程技術(shù)及其應(yīng)用[J].現(xiàn)代制造工程,2007（2）：58-60.

[4]LI D P.Application of Coordinate Measuring Machine in Reverse Engineering[J].Advanced Materials Research,2011(301)：269-274.

[5]羅小賓.機(jī)械產(chǎn)品圖像識(shí)別技術(shù)及其在反求設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究[D].成都：四川大學(xué),2004.

[6]余國(guó)鑫,成思源,張湘?zhèn)?等.典型逆向工程CAD建模系統(tǒng)的比較[J].機(jī)械設(shè)計(jì),2006,23(12)：1-3.

[7]柯映林,肖堯先,李江雄.反求工程CAD建模技術(shù)研究[J].計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào),2001,13(6)：570-575.

[8]趙萍,李永奎,白雪衛(wèi),等.逆向工程中數(shù)字化測(cè)量方法及其應(yīng)用[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2009(2)：98-100.

[9]LEE K H,WOO H,SUK T.Data reduction methods for reverse engineering[J].The International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2001,17(10)：735-743.

[10]呂國(guó)剛,諶永祥,李永橋.反求工程測(cè)量技術(shù)簡(jiǎn)述[J].機(jī)械研究與應(yīng)用,2006,19(4)：7-8.

[11]羅大兵,高明,王培俊.逆向工程中數(shù)字化測(cè)量與點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2005,9(9)：56-58.

[12]齊從謙,陳亞洲,甘屹,等.反求工程中復(fù)雜曲面數(shù)字化重構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)的研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2003,39(4)：131-135.

[13]劉興偉,殷國(guó)富,羅陽(yáng).基于局部曲面重建的逆向工程系統(tǒng)模型的研究[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng),2001,7(4)：12-16.

[14]孫福輝,席平,唐榮錫.復(fù)雜產(chǎn)品集成逆向工程系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào),2001,27(3)：351-355.

[15]章毓晉.計(jì)算機(jī)視覺(jué)教程[M].北京：人民郵電出版社，2011.

[16]艾海州，興軍亮.計(jì)算機(jī)視覺(jué)——算法與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2012.

Research on the Large Mechanical Reverse Engineering Measurement Based on Computer Vision

QU Xiao-hong1,HU Li-hua2
(1.School of Education al Science and Technology，Shanxi Datong University，Datong Shanxi,037009;2.School of Computer Sclence and Technlolgy,Taiyuan University of Science and Technology,Taiyuan Shanxi,030024)

Reverse engineering,which is a new advanced manufacturing technology,has been widely used in various industries.The computer vision,which is a non-contact measurement method used in reverse engineering,has the advantage of high accuracy,high speed,and insensitive to the environment variations of the object to be measured.Computer vision based reverse engineering has been extensively studied in both academia and industry,but few people made a research on the large mechanical equipments using the computer vision.In this work,computer vision based large mechanical equipments reverse engineering is reviewed.Three key steps：data acquisition,data processing and modeling of large mechanical equipment are summarized and the existing problems in each step are discussed deeply，followed by some possible promising techniques.

large mechanical equipment；reverse engineering；computer vision；feature detection；

TP 391.72

A

〔責(zé)任編輯 高海〕

1674-0874(2017)01-0010-06

2016-08-08

太原科技大學(xué)博士啟動(dòng)基金[20160009]

曲霄紅（1980-），女，山西應(yīng)縣人，碩士，講師，研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)。