逆向工程領(lǐng)域中葉輪點(diǎn)云模型的三維重建

王 偉，習(xí)世龍

（1.建筑安全與環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013；2.石家莊鐵道大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北 石家莊 050043）

現(xiàn)代生產(chǎn)制造技術(shù)不斷發(fā)展，產(chǎn)品的精度要求越來越高，許多產(chǎn)品的生產(chǎn)制造需要進(jìn)行數(shù)字化處理與三維掃描測(cè)量；在逆向工程領(lǐng)域中，三維數(shù)據(jù)的采集與模型的重建具有著十分重要的意義[1]。三維激光掃描儀出現(xiàn)于20 世紀(jì)90 年代，經(jīng)過多年的拓展延伸，該技術(shù)已經(jīng)逐漸成熟。該技術(shù)主要是采用激光測(cè)距的原理，快速獲取目標(biāo)物體的三維坐標(biāo)值、紋理等相關(guān)信息，并用計(jì)算機(jī)對(duì)其進(jìn)行加工處理，能夠快速建立起目標(biāo)物體三維模型等信息，以高精度、適用范圍廣等優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療器械、機(jī)械制造、文物保護(hù)等方面。就機(jī)械工程而言，無論是在三維測(cè)量還是智能制造方面，都對(duì)產(chǎn)品的制造精度有極高的要求，尤其是對(duì)精密脆弱零件的重構(gòu)時(shí)，往往需要使用非接觸的方式，而三維激光掃描技術(shù)無疑為解決這一問題提供了一條有效途徑，在機(jī)械工程領(lǐng)域有著非常重要的意義。

總而言之，三維激光掃描技術(shù)通過快速、精確地獲取物體的三維形狀信息，使得測(cè)量和建模變得更加迅速、準(zhǔn)確。三維激光掃描技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了醫(yī)療器械、文物保護(hù)、機(jī)械工程等學(xué)科的發(fā)展進(jìn)步[2]。

其中點(diǎn)云模型的重建需要經(jīng)歷以下步驟：點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集、點(diǎn)云模型的重建以及對(duì)重建模型進(jìn)行誤差分析。

1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集

本文點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集基于手持三維激光掃描儀以及設(shè)備關(guān)聯(lián)軟件實(shí)現(xiàn)。手持式三維激光掃描儀具有便于攜帶的優(yōu)點(diǎn)，可以方便地進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)或室內(nèi)外的測(cè)量工作，所以更適用于葉輪的數(shù)據(jù)采集。

1.1 手持式三維激光掃描儀的工作原理

由激光掃描儀的光源孔發(fā)射水平的激光束，物體表面的特征會(huì)導(dǎo)致光線以不同的角度反射[3]。經(jīng)過被掃錨物體的表面反射后被掃描儀的傳感器所采集，通過測(cè)量激光束從發(fā)射到接收的時(shí)間，可以計(jì)算出激光束與物體表面的距離[4]。利用測(cè)量的距離和傳感器記錄的位置信息，計(jì)算出物體表面的三維坐標(biāo)。整合處理從而得到被掃描物體的形狀信息。本次數(shù)據(jù)采集工作所采用的是PRINCE775 手持三維激光掃描儀。

1.2 葉輪的數(shù)據(jù)采取

葉輪結(jié)構(gòu)可以大致劃分為基體、13 個(gè)大小葉片。其基體是形狀較為規(guī)則的類圓錐，大小葉片相隔間開，13 大葉片是各不相同的復(fù)雜曲面，在模型重構(gòu)時(shí)候需要對(duì)各個(gè)大葉片分別處理，與大葉片相比，小葉片形狀較為簡單，且形狀相同。這種結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)目的可以更好地起到分流增壓的作用，故葉輪的大小葉片的曲面設(shè)計(jì)與重建就顯得尤為重要。

在掃描前，需要對(duì)激光掃描儀中使用的相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定。這一步驟的目的是通過采集特定的標(biāo)定板圖像，校正相機(jī)的內(nèi)外部參數(shù)，水平放置標(biāo)定板，對(duì)激光掃描儀分別進(jìn)行紅光和藍(lán)光的標(biāo)定。

在掃描工作臺(tái)上貼上標(biāo)記點(diǎn)用以設(shè)置掃描背景和識(shí)別和跟蹤掃描位置坐標(biāo)，根據(jù)葉輪的大小以及結(jié)構(gòu)合理布設(shè)背景標(biāo)記點(diǎn)的位置與數(shù)量，貼放標(biāo)記點(diǎn)要包裹住葉輪在工作平面投影的最大輪廓線，控制標(biāo)記點(diǎn)之間的距離，使得標(biāo)記點(diǎn)的密度大致均勻，即掃描儀視野中標(biāo)記點(diǎn)的數(shù)量保持在3 個(gè)以上以確保數(shù)據(jù)點(diǎn)連接的準(zhǔn)確性。由于葉輪的形狀復(fù)雜，且要求精度較高，需要在葉輪表面貼標(biāo)記點(diǎn)，需要注意的是，標(biāo)記點(diǎn)的位置要選擇特征較少形狀較為規(guī)則的凸頂平面，或者是圓錐基體上，防止在模型重構(gòu)時(shí)由于數(shù)據(jù)的缺失造成模型精度的下降。

激光掃描儀先使用多條紅光直接測(cè)量葉輪的外表面，在掃掠過程中觀察銜接卡頓的地方補(bǔ)充添加標(biāo)記點(diǎn)，但由于大葉片的背面與基體銜接處空間狹窄，激光測(cè)量儀器無法直接伸入內(nèi)部測(cè)量，所采集的特征數(shù)據(jù)點(diǎn)較少，針對(duì)這一問題，可以將多條紅光改為單條紅光，增加數(shù)據(jù)點(diǎn)的提取率。在激光點(diǎn)掃描中，曝光度和解析度是兩個(gè)重要的參數(shù)，曝光度選擇的過大或過小可能會(huì)出現(xiàn)過曝光或欠曝光的問題，解析度的選擇直接影響到掃描數(shù)據(jù)的精度以及掃描以及后續(xù)處理的效率。所以，合理地優(yōu)化這兩個(gè)參數(shù)可以提高葉輪三維模型的質(zhì)量。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的較暗的光線與葉輪的拋光表面，曝光度選較小值，經(jīng)過幾次掃描試驗(yàn)后最終選擇曝光度為3，葉輪的數(shù)據(jù)采集采用紅光，解析度為0.25 時(shí)模型數(shù)據(jù)細(xì)節(jié)特征保持最好。

考慮到葉輪部分結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度與精度要求，對(duì)精度要求較高的大葉片和漏掃的區(qū)域進(jìn)行有選擇的局部精掃，提高精度并且盡可能地避免出現(xiàn)遺漏。

1.3 激光點(diǎn)文件的保存

手動(dòng)刪除聚集的噪聲點(diǎn)云簇和標(biāo)記點(diǎn)，對(duì)掃面的點(diǎn)云進(jìn)行簡單的優(yōu)化，為了后續(xù)模型的重建，可以將模型保存為txt 格式。

2 點(diǎn)云模型的重建

點(diǎn)云數(shù)據(jù)的簡單預(yù)處理以及模型的構(gòu)建[5]都可以在Geomagic designX 軟件實(shí)現(xiàn)。

在點(diǎn)云模型重建之前需要對(duì)模型進(jìn)行預(yù)處理。點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理是三維重建的基礎(chǔ)，點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理的結(jié)果直接影響到三維模型的質(zhì)量。其中點(diǎn)云的預(yù)處理包括：點(diǎn)云精簡、點(diǎn)云去噪、點(diǎn)云特征提取、點(diǎn)云縫補(bǔ)、點(diǎn)云拼接等。點(diǎn)云精簡的目的是提高后續(xù)點(diǎn)云處理的運(yùn)算效率，精簡點(diǎn)云在最大限度地保持目標(biāo)幾何外形的前提下，力爭用較少的規(guī)則化的點(diǎn)集來代替原始掃描數(shù)據(jù)。在進(jìn)行大規(guī)模的點(diǎn)云數(shù)據(jù)集的采集時(shí)，所需要采集的點(diǎn)云的數(shù)據(jù)量十分龐大，要先對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡，點(diǎn)云去噪的目的是盡可能完全地去除模型點(diǎn)以外的噪點(diǎn)，同時(shí)保持模型的細(xì)節(jié)特征不被破壞。點(diǎn)云去噪也可以通過濾波算法來實(shí)現(xiàn)，例如：DBSCAN聚類、雙邊濾波、半徑濾波、K-means 聚類、柵格劃分等[6]都是一些應(yīng)用較為廣泛的點(diǎn)云去噪算法，但是這些傳統(tǒng)算法由于本身的局限性，需要針對(duì)要處理的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的類型或特點(diǎn)進(jìn)行一定的優(yōu)化，以達(dá)到更優(yōu)的去噪效果。點(diǎn)云模型的縫補(bǔ)可以通過軟件Geomagic designX 來進(jìn)行縫補(bǔ)。

2.1 點(diǎn)云精簡、去噪

三維激光掃描儀在采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)的同時(shí)，會(huì)參雜存在大量的重復(fù)點(diǎn)數(shù)據(jù)以及一定數(shù)量的噪聲點(diǎn)，冗余數(shù)據(jù)會(huì)影響三維重建效率，噪聲點(diǎn)會(huì)影響重建的精度，所以需要通過Geomagic designX 對(duì)模型進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)處理。利用Geomagic designX 中“點(diǎn)”選項(xiàng)中的“采樣”命令來去除冗余點(diǎn)，利用“雜點(diǎn)消除”命令去除噪聲點(diǎn)。通過預(yù)覽設(shè)置多次實(shí)驗(yàn)雜點(diǎn)消除、采樣的參數(shù)，選擇最優(yōu)的去噪?yún)?shù)為最小鄰域數(shù)為121，最優(yōu)的采樣參數(shù)為等密度采樣80%。對(duì)小尺度浮點(diǎn)較多，不平滑區(qū)域采用“平滑”命令，以提高重建模型精度。圖1 為未經(jīng)處理的原始葉輪數(shù)據(jù)。

圖1 葉輪的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)

2.2 點(diǎn)云的面片化

為了使點(diǎn)云在Geomagic designX 中可以被操作，需要將處理好的點(diǎn)云進(jìn)行點(diǎn)云面片化，為接下來的劃分領(lǐng)域提供基礎(chǔ)。

2.3 點(diǎn)云面片的縫補(bǔ)

針對(duì)三維激光掃描儀掃描補(bǔ)全的情況，采用“多邊形”命令里面的“填孔”“境界”“修補(bǔ)精靈”等命令進(jìn)行人工修補(bǔ)。面片化后的葉輪模型如圖2 所示。

圖2 面片化后的葉輪模型

2.4 點(diǎn)云分割

點(diǎn)云分割是點(diǎn)云處理中必不可少的環(huán)節(jié)。本文三維模型重建基于Geomagic designX 軟件中實(shí)現(xiàn)，重建前要進(jìn)行領(lǐng)域劃分，領(lǐng)域的劃分可以依據(jù)點(diǎn)云各個(gè)形狀特征由軟件自動(dòng)識(shí)別，也可以進(jìn)行領(lǐng)域的手動(dòng)插入。手動(dòng)插入領(lǐng)域雖然效率較低，但是使用者可以根據(jù)本人的建模思想進(jìn)行領(lǐng)域劃分，為后續(xù)的重建降低工作量，也可以將軟件自動(dòng)劃分的領(lǐng)域進(jìn)行人工分割、合并、插入、刪除等方式，使領(lǐng)域劃分得更加完美。

2.5 模型的對(duì)齊

針對(duì)較為規(guī)則、掃描數(shù)據(jù)較好的模型，可以根據(jù)劃分的領(lǐng)域?yàn)榛鶞?zhǔn)來完成模型的坐標(biāo)對(duì)齊；為了提高對(duì)齊精度，可以通過畫輔助線的方法來完成模型的對(duì)齊。根據(jù)面片草圖擬合一條水平直線，構(gòu)建出空間垂直相交線，拉伸為面片以面片中心線的中間為位置原點(diǎn)，兩面片的邊線為x、y 軸的指向，構(gòu)建出整齊標(biāo)準(zhǔn)的空間坐標(biāo)。

2.6 曲面重建

曲面重建是點(diǎn)云處理中的最后環(huán)節(jié)，也是最重要的環(huán)節(jié)，在這個(gè)環(huán)節(jié)中我們可以得到我們想要的三維模型。本文三維模型重建基于Geomagic designX 軟件中實(shí)現(xiàn)，針對(duì)簡單的結(jié)構(gòu)，利用軟件草圖命令模塊，提取各個(gè)領(lǐng)域的輪廓線，依據(jù)真實(shí)掃描并處理過后的領(lǐng)域輪廓線來進(jìn)行繪圖，對(duì)于較為復(fù)雜的曲面，則需要對(duì)劃分的鄰域進(jìn)行曲面擬合[7]，為了解決葉輪擬合曲面的數(shù)據(jù)缺失模型失真的問題，在擬合過程中，對(duì)葉輪的大葉片等復(fù)雜曲面使用多種重構(gòu)方式，并在該過程中不斷進(jìn)行曲面分析，以便及時(shí)對(duì)擬合曲面進(jìn)行修改和調(diào)整，使擬合曲面達(dá)到精度要求。對(duì)葉輪的大葉片劃分曲面，分區(qū)域應(yīng)用多種重構(gòu)方式完成最終葉片的建模重構(gòu)。將重構(gòu)處理出來的曲面進(jìn)行修剪、合并等命令得到最終誤差最小的葉輪葉片模型，最后將所有面片縫合，得到實(shí)體。

3 實(shí)驗(yàn)

本文用葉輪來進(jìn)行試驗(yàn)，葉輪的大小及形狀如圖3。

圖3 葉輪

通過分析可以判斷葉輪表面的誤差隨其形狀的變化情況。曲面曲率變化比較大的部位其誤差較大，曲面曲率比較均勻的部位其誤差較小。最大誤差不超過0.09mm，最小誤差為-0.1mm。通過分析得出的總體誤差波動(dòng)不大，極大值誤差出現(xiàn)在葉輪基體邊緣的部位，這些部位是非重要的表面，該結(jié)果在一定程度上驗(yàn)證了葉輪的數(shù)字化測(cè)量方法的有效性及曲面重構(gòu)的質(zhì)量，為其他模型的優(yōu)化與工藝改進(jìn)提供了借鑒價(jià)值。

4 結(jié)論

本文通過對(duì)三元離心葉輪的三維激光掃描測(cè)繪，逆向建立其三維模型。通過對(duì)三元葉輪的激光掃描，得到其自由曲面葉片的點(diǎn)云數(shù)據(jù)點(diǎn)文件。在掃描過程中，合理解決了金屬光澤反光的問題。通過對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)的分析，對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行去噪、精簡和特征提取，準(zhǔn)確識(shí)別葉輪的自由曲面及其邊緣數(shù)據(jù)。在逆向建模過程中，需要對(duì)模型進(jìn)行縫合，建立完整的三元葉輪模型。最后，通過對(duì)建立的葉輪模型和點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析可知，本文對(duì)三元葉輪的測(cè)繪和逆向建模可以達(dá)到較高的精度。