基于海量点云的复杂曲面重构及误差分析

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1、第１０卷第４期南京工业职业技术学院学报Ｖｏｌ．１０，Ｎｏ．４２０１０年１２月ＪｏｕｒｎａｌｏｆＮａｎｊｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＩｎｄｕｓｔｒｙＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＤｅｃ．，２０１０基于海量点云的复杂曲面重构及误差分析金葵（新疆工业高等专科学校机械工程系，新疆乌鲁木齐８３００９１）摘要：对逆向重构技术在实践应用中出现的一些技术问题，以海量点云数据为基础对曲面重构方法和技巧进行了探讨研究，并应用３Ｄ点云对重构模型进行了误差分析。将该方法应用于工业产品复杂曲面的实际制造中，提高了设计精度，缩短了生产周期

2、，对实际生产具有重要意义。关键词：逆向工程；点云处理；曲面重构；误差分析中图分类号：ＴＰ３９１．４１文献标识码：Ａ文章编号：１６７１４６４４（２０１０）０４００１３０３１．２点云数据采集与预处理引言数据采集技术是通过特定的测量设备和测量方法获取常见工业产品中有大量的复杂曲面，如轮毂、叶片、夹具零件表面离散点的几何坐标数据，是曲面重构的基础。等。这些曲面的设计制造直接影响了产品的性能和效率。在逆向工程的数据采集过程中，通常采用密集采样方由于复杂曲面制造样板需经过反复的试验与修改，因此开发式。由于测量得到

3、的“点云”数据非常庞大，但测量精度并非设计周期较长，校核判断复杂。和测量数据点数量成正比，其中包含大量无用的数据给后续逆向工程是在消化现有技术基础上进行更高水平的再工作带来了困难；另外，应用三维光学测量系统采集复杂曲创造过程，是对现有设计的再设计。应用逆向曲面重构技术面原始测量数据时，扫描得到的产品外型数据会不可避免的可使设计者在设计和制造过程的各个阶段从物体模型（实引入数据误差，尤其是尖锐边和边界附近的测量数据，测量物）上获得数据信息并生成准确的设计替代模型，以获得物数据中的坏点，可能使该点及其周围

4、的曲面片偏离原曲面；体模型和设计模型之间的比较差异，使新产品的设计与制还有，由于测量采用的是光学原理，受光照条件、测量工件表造，起点高，周期短，成效快。面的反射特性和传感器噪声等的影响，测量数据还会存在大在海量点云采集的基础上，应用曲面重构基本理论，结量无用的数据，即所谓“噪声”点，这些数据的存在对零件的［１］合正逆向工程软件，取长补短，对复杂曲面进行逆向三维重造型有害无益，要将其剔除。通常，对原始点云数据的预构设计，建立精确的光顺的ＣＡＤ数字模型，并应用３Ｄ点云处理的方法主要有以下几种。对齐的方式对

5、重构模型进行误差分析，以达到最佳的重构（１）去噪音点效果。数据获取的方法虽然多样，但在实际的测量过程中受到人为或随机因素的影响，都不可避免会引入不合理的噪音１曲面逆向重构关键技术点，这部分数据约占数据总量的０．１－５％。去除噪音点常用１．１样件模型分析及方案制定的检查方法是将点云显示在图形终端上，或者生成曲线曲在产品进行三维实体重构前首先应做以下分析方可制面，采用半交互半自动的光顺方法对点云数据进行检查定建模方案。调整。（１）了解模型的最终用途。曲面数字模型后续应用的（２）数据精简场合不同，对模型的要

6、求就不同。如果是用于ＲＰ原型或有对于高密度点云数据，由于存在大量的冗余数据，有时限元分析，则要求得到封闭的曲面模型，曲面模型完成后要需要按一定要求减少测量点的数量。不同类型的“点云”可进行封闭性检查。如果用于ＣＡＭ加工，可以允许一定的曲采用不同的精简方式，散乱“点云”可通过随机采样的方法来面间隙（曲面间位置误差不能超过０．１２７ｍｍ，切向误差要在精简；对于扫描线“点云”和多边形“点云”可采用等间距缩０．５０ｍｍ左右），同时要考虑刀具能否加工出曲面最小圆角。减、倍率缩减、等量缩减、弦偏差等方法；网格化“

7、点云”可采（２）了解客户对于曲面的精度要求和光顺度要求。对用等分布密度法和最小包围区域法进行数据缩减。数据精于有装配约束的面，对精度要求高一些。而对重要的外观曲简操作只是简单地对原“点云”中的点进行了删减，不产生面而言，曲面的光顺程度才是第一要考虑的要素。新点。（３）分析零件的几何特征中，哪些是可以在曲面建模时（３）数据插补先忽略的，模型是否具有对称特征等等。由于实物拓扑结构以及测量仪器的限制，一种情况是在收稿日期：２０１００９２５作者简介：金葵（１９７０），女，新疆乌鲁木齐人，新疆工业高等专科学校讲

8、师，工程硕士。１４南京工业职业技术学院学报第１０卷第４期实物数字化时会存在一些探头无法测量的区域。常用的解本文采用的检测方法是将标准数模与原零件扫描点云决办法是通过数据插补的方法来补齐“空白”处的数据，最大进行３Ｄ点云对齐比较，用彩色图显示之间差异，并将数据直限度获得实物剪裁前的信息，这将有助于模型重建工作，并观显示出来，根据建模方案及时调整误差。使恢复的模型更加准确。目前应用于逆向工程的数据插补２应用实例方法主要有实物填充法、造型设计法和曲线、曲面插值