基于点云数据的汽车发动机罩盖逆向设计方法研究

李永生 薛超仁 杨鹏飞

摘要：结合汽车发动机罩盖产品设计流程，通过双目视觉采集技术获取发动机罩盖A表面数据；通过点云数据精简及修复处理实现点云数据优化；通过点云数据空间定位实现曲面重构特征创建及点云空间修复；通过曲面重构实现基本曲面和过渡曲面的数模创建；最后通过重构曲面误差分析确定重构曲面的准确性。经实践验证，该方法能够明显缩短汽车A表面设计开发周期，大大提高汽车发动机A表面重构精度，为曲线和曲面重构提出一种新的解决流程。

关键词：逆向工程 精简与修复 空间定位 曲面重构 误差分析

BASED ON THE POINT CLOUD DATA IN REVERSE DESIGN MOTHOD OF AUTOMOBILE ENGINE COVER

Abstract：Combined with the automobile engine cover product design process， through the binocular vision acquisition technology， obtain the engine cover A surface data； 他、through point cloud data simplification and repair processing point cloud data optimization； Through point cloud data space positioning to achieve surface reconstruction of point cloud space feature creation and repair； through the realization of the basic curve surface reconstruction and transition curved surface model is created； finally through the surface reconstruction error analysis to determine the accuracy of surface reconstruction.It is verified by practice， this method can obviously shorten design period of automobile A surface， greatly improve the automobile engine A surface reconstruction precision for curve and surface reconstruction， this paper proposes a new solving process.

Key words：reverse engineering； simplification and repair； spatial orientation； surface reconstruction； error analysis.

“逆向工程”又稱反求工程，它与传统的设计开发过程存在质的不同。它是指在没有设计图纸或者设计图纸不完整以及没有CAD模型的情况下，利用3维数字化测量仪测量出Sample（即零件原形或者塑造出的模型）表面的点云数据，对点云数据进行检查、修复、精简与定位之后，再对自由曲面进行特征识别，包括样件特征分析与分级及点云特征提取，然后传至CAD/ CAM 系统，进行自由曲面的重构。

随着新技术的广泛应用，特别是将“逆向工程”技术应用于汽车车身造型阶段，它可以快速地提供样品的外形特征，从而能够对其几何外形进行修改，实现产品的快速改形，加快设计进程，缩短生产周期，使之满足多样化、个性化、系列化等方面的需求。针对汽车结构主要由自由曲面和过渡曲面组成这一特征，逆向设计起到了至关重要的作用。

1.点云数据采集

原始点云数据获取方法有接触式数据采集法和非接触式数据采集法，根据汽车发动机罩盖特征采用非接触式采集方法——双目视觉技术，该技术是基于视差原理并由多幅图像获取物体三维几何信息的方法。双目立体视觉系统一般由双摄像机从不同角度同时获得被测物的两幅数字图像，或由单摄像机在不同时刻从不同角度获得被测物的两幅数字图像，并基于视差原理恢复出物体的三维几何信息，重建物体三维轮廓及位置，其采集结果如图1所示。

图1 汽车发动机罩盖点云数据采集结果

2.点云数据预处理

由于实际测量过程中受到各种人为因素的影响，使得测量结果包含了噪声，为了降低或消除噪声对后续建模质量的影响，有必要对测量“点数据”进行预处理，目的是去除误差或噪声、数据精简和抽取模型的特征信息，其预处理主要包括：点云数据精简、点云数据修复和点云数据空间定位。

2.1 点云数据精简

数据精简由于“点云”数据的数据量非常大，并且存在大量的冗余数据，如此庞大的测量点集，会严重影响曲面重建的效率和质量，因而有必要在满足一定的条件下，对测量数据进行简化，减少数据的处理量。不同类型的“点云”可采用不同的精简方式，散乱“点云”可通过随机采样的方法来精简；扫描线“点云”和多边形“点云”可采用等间距缩减、倍率缩减、等量缩减等方法；网格化“点云”可采用等分布密度法和最小包围区域法进行数据缩减。数据精简操作只是简单的对原始“点云”中的点进行了删减，不产生新点。其精简处理过程如2所示：

图2a 精简流程1 图2b 精简流程

图2c 精简流程3 图2d 精简流程4

2.2 点云数据修复

通过geomagic studio11软件实现点云空洞修复。geomagic studio11软件拥有一套直观的多边形编辑工具（包括一键式自动网格修补工具）、交互式砂纸、曲率敏感光顺和孔洞填补，即使在没有完美的扫描数据的情况下，用户依然可以创建出高质量的三角网格面模型。智能简化工具在简化数据后保证了高曲率区域的多边形能购创建更为有效的模型，该软件修复点云空洞过程如图3所示：

图3a 精简后的点云数据 图3b 点云数据修复结果

2.3点云空间定位

点云空间定位与调整参数化驱动是通过将罗盘与点云数据关联起来，通过调整罗盘的方位数据来调整点云数据，并且配合对点云位置的判定，从而实现点云的定位与调整。定位过程中需要预先新建一个参数化的点云定位工具文件，再与相关的数模或点云进行装配，利用参数驱动点云的位置调整，或寻找对称中心面，根据点云数据特征建立点云整体对称中心点及点云特征局部坐标系，其结果图4所示：

图4a 空间定位坐标系创建 图4b 点云数据空间位置转换

3.点云曲面重构

曲面重构（亦称曲面建模） 是实现逆向工程的重要环节，通过建模可以将离散的测量数据重构出连续变化的曲面。本文采用NURBS曲面重构方法实现曲面重构，对于u向k次v向1次的NURBS曲面重构定为：

根据NURBS曲面插值公式，首先沿u向（ 这里是在切片方向） 对每个切片上的数据，把它们换算成带权的型值点，再按照B样条曲线的边界条件及反算公式， 求出控制点；再把这些控制点看作v向的型值点，再沿v向按照B样条曲线的边界条件及反算公式进行反算，求得Pij ，构成控制网格。在反算过程中，应用重节点端点条件，使特征多边形的首、末顶点满足型值点首、末端点的插值条件， 边界条件取为自由端点条件，节点矢量按照累计弦长法计算，得到控制网格进行曲面重构，其发动机罩盖曲面重构结果如图5所示：

图5 发动机罩盖曲面重构结果

4.曲面重构误差分析

曲面重构中控制点的改变对曲面形状有很大影响， 对于一定的曲线， 控制点越少， 误差越大，但随着控制点数的不断增加， 其误差变化越来越小。对于长度为200 mm 左右的曲线， 控制点一般在30～50 个较为适宜。表1为在点云数据采集过程扫描的零件曲面精度随控制点数的变化。

表1 控制点数与曲面精度关系

曲面重构中控制顶点数的确定还应考虑曲面的曲率半径；对于一定曲率半径， 增加控制点数量能使所重构的自由曲面更加光顺； 而在相同控制点的情况下， 曲率半径越小则精度越高。表2为扫描不同曲率半径的曲面所产生的误差。

表2不同曲率半径曲面的控制点数与曲面重构精度

根据曲面重构误差来源，通过分析点云数据与曲面之间的最近距离，并列出之间的偏差量，利用Imagewarea軟件的检测方法进行分析， 如图6所示，重构的曲面与原始点云的误差基本控制在0.005 mm 以下，这一曲面重构精度不包含曲面配合边界，该精度完全能够满足设计精度要求。

图6 IMAGEWAREA发动机罩盖曲面误差检测结果

5.结论

本文通过对汽车发动机罩盖曲面逆向设计研究，实现点云数据噪声去除、精简、修复和空间定位，在保证数据准确性的同时能较好的改善点云特性；通过NURBS曲面实现基本曲面和过渡曲面的曲面重构；通过采用距离法曲面误差分析快速准确实现曲面重构质量检测与分析。经实践验证，该曲面逆向重构流程，能够缩短汽车A表面设计开发周期，提高曲面设计精度，节省产品开发成本。

参考文献：

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