基于三维图像的逆向工程重构系统

曾月鹏

摘 要： 传统逆向工程重构系统进行逆向工程重构时，由于Image ware软件无法处理数据规模较大的点云数据，容易出现点云同三维曲面的吻合度较差，工件曲面的三维重构精度低。设计基于三维图像的逆向工程重构系统，通过系统输入/输出文件格式、平滑滤波、边缘检测和阈值分割系统等软件功能，将三维图形进行重构与显示得到三维图像的测量与输出结果，对输出结果进行矢量和格式转换实现CAD三维建模。三维数字化尺寸检测将三维模型的测量点云位置与物体重合，对测量点云进行旋转和平移的操作使其能够同三维曲面模型达到最高程度的吻合，在三维空间对三维曲面进行取样，获取各点法向量，将点云数据与法向量结合，实现工程工件曲面的三维重构。实验结果表明，所设计系统可显著提高点工件点云数据处理结果的清晰度，工件三维曲面拟合精度较高。

关键词： 三维图像； 逆向工程； 重构系统； 数字化尺寸检测； 点云数据； 曲面

中图分类号： TN911.73?34； TP391.41 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）20?0168?04

Abstract： As the Image ware software cannot process large?scale point cloud data， problems of poor goodness of fit between the point cloud and 3D curved surface， and low 3D reconstruction accuracy for curved surfaces of the workpiece are likely to occur during the reverse engineering construction of the traditional reverse engineering reconstruction system. Therefore， a reverse engineering reconstruction system based on 3D images is designed. 3D graphics are reconstructed and displayed by utilizing the system′s software functions such as output of input file format， smooth filtering， edge detection and threshold segmentation， so as to obtain the measurement and output results of 3D images. Vector and format conversions are conducted for the output results to achieve CAD 3D modeling. The measured point cloud location of the 3D model is overlapped with the object by utilizing the 3D digital size detection. The rotation and translation operations of the measured point cloud are conducted to enable it to achieve highest degree of goodness of fit with the 3D curved surface model. Sampling of 3D curved surfaces is conducted in 3D space to obtain the normal vector of each point. 3D reconstruction for curved surfaces of the engineering workpiece is realized by combining the point cloud data with normal vector. The experimental results show that the designed system can significantly improve the resolution for point cloud data processing results of the workpiece， and has high fitting accuracy for 3D curved surfaces of the workpiece.

Keywords： 3D image； reverse engineering； reconstruction system； digital size detection； point cloud data； curved surface

逆向工程在许多领域中都有着极其重要的作用，其不但能够缩短产品开发的时间，也能够检测现有的产品、修复损坏的产品、检测产品的实际数据与设计数据之间的误差[1]。传统基于Image ware的逆向工程重构系统进行逆向工程重构时，容易出现点云数据处理结果周围存在大量噪声干扰问题，导致点云同三维曲面的吻合度较差，工件曲面的三维重构精度低。针对该问题，本文设计基于三维图像技术的逆向工程重构系统，提高工件曲面三维重构精度，增强逆向工程的应用价值。

1 基于三维图像的逆向工程重构系统

1.1 软件功能设计

本文设计的逆向工程重构系统软件由文件操作、图像处理及图形处理三部分组成[2]。逆向工程重构的实现流程图如图1所示。

1） 输入/输出文件格式。基于三维图像能够浏览图像文件，实现对三维断层图像文件及三维模型文件进行读取或输出[3]。

2） 平滑滤波。图像平滑能够降低图像噪声，均值滤波和中值滤波具有计算简便、效率高等优点，应用最为广泛。

3） 边缘检测。边缘检测是在进行各种基于边界分割法之前进行的操作[4]。其中抗噪声干扰效果最好、定位结果最准确的是Roberts算子和Sobel算子，因为两者都具有八方向算子模板。

4） 阈值分割。完成断层图像边缘检测操作之后，利用二值处理方法对图像边缘的梯度赋值进行计算，即可获取该物体的具体边界轮廓。该过程由直接输入阈值法、最佳阈值法以及局部阈值法组成，同时也可以分割灰度级不相同的工件。由于边界细化所用的是二值图像，因此本算法也是为边界细化打好基础。

1.2 三维图形重构与显示

三维图形重构与显示，该功能的实现需同时满足多个重叠物品的有效顯示。若未选取特定部分的ROI范围，则输出结果为整个物品的三维模型[5]。能够生成和存储三维体数据；能够对图像进行旋转，即分割前原始灰度投影旋转和分割后旋转。

1.3 三维图像测量与结果输出

三维测量由距离测量、已确定三维模型某个特定位置的总灰度值、平均灰度值和标准差共同组成。

三维输出是通过STL格式输出实现，STL格式能够直接将数据传输到快速成型机中，进而实现RE操作。除此之外，AVI（Audio Video Interleaved）格式旋转动画输出也属于三维输出。

1.4 矢量化及格式转换

在进行矢量化操作时可以通过人工确认其中的参数，例如是否合并轮廓线（直线或弧）、拟合轮廓线之前和之后各点的标准差参数等。这类参数决定了矢量化过程中的拟合精度[6?7]，从而提高了CAD逆向三维建模精度，降低数据处理规模。

本文系统所存储的矢量化文件为DXF（Drawing Interchange and File Formats）格式，目的为方便用户使用CAD软件对本系统所输出的图形文件进行读取[8]。这一过程是RE的另一种实现方法。虽然通过RE输出的图形文件与加工图纸间还存在着许多差异，但经过CAD软件再次对图形文件进行修改即可解决该问题。

2 逆向设计流程

利用3D扫描仪器对物体进行测量，得到所测物体外部轮廓空间的三维点云数据，再利用CAD软件对3D数字模型进行重组。图2为逆向设计工作流程图。此流程中最为重要的部分是物理模型数据的获取、CAD模型的建立。本文检测物品点云数据的方式是通过TRI?TOP及ATOS相互联合，并通过CAT?IA对CAD模型进行重建。

2.1 三维数字化尺寸检测在逆向工程中的应用

利用逆向工程对某物品进行精准的测量并获得所需数据，再利用计算机建立数字模型。研究人员根据所得到的结果进行筛选。

图3为点云数据的导入，其实现过程是利用数字曲面编辑模块，在CATIA中输入点云数据（asc格式）。所得到较高品质的点云基本上不需要再经过CATIA软件做删除操作。

鉴于点云数据量庞大，需要大量存储空间，就要通过Filter过滤器对点云数据进行筛选，仅留下被测物品所需的外貌点。利用Mesh Creation（网格创建命令）将点云网格化，通过观察被网格化的点云得到被测物品的详细特点。

2.2 曲面拟合重构

逆向工程的重心是曲面拟合重构[8]，具体包括：

1） 公差球方法的使用，小球的位置是根据界面上显示的半径和具体位置进行设置，过滤小球半径范围内除了起始点以外的数据。

2） 弦高差方法使用了最大弦高差和任意两点云间的最大距离，过滤某个所选区间外的数据。可以缩短计算运行周期。

曲面拟合重构，即在三维空间中对曲面进行取样，获得许多分散开的点云数据和空间坐标值，从而获取每个点的法向量。然后根据点云数据与法向量重建曲面，并将重建曲面与真实曲面之间的误差降到最低[9?10]。逆向工程的重要步骤是曲面拟合重构。

3 实验分析

3.1 点云数据分析

用图4表示本文系统和传统基于Image ware的逆向工程重构系统的点云数据结果。

对比分析图4可知，采用本文系统处理后点云数据清晰度较高，牛奶瓶表面的拟合效果较好且点云数据周围的噪声干扰较少，点云数据利用率较高。综合说明本文系统在进行逆向工程重构时点云效果较好，有利于后续模型重构工作有效进行。

3.2 曲面重构分析

图5为采用本文系统进行逆向工程重构的汽车发电机端盖的曲面重构结果。图6为对汽车发电机端盖整体进行精度检测的云图。从图5和图6可以看出，采用本文系统进行逆向工程重构得到的电机端盖逆向模型与实际尺寸偏差结果较小。个别区域因三维图像扫描过程中点云数据获取有缺漏或扫描时将坏点扫描进去，造成尺寸误差较大。但偏差最大的出现通常为端盖圆孔或者是边缘处，对电机整体功能影响较低，采用本文系统进行逆向工程重构时精度较高，符合设计要求。

3.3 系统评价

表1和表2为专家对采用本文系统和基于Image ware的逆向工程重构系统进行逆向工程重构模型评价结果。

分析表1和表2数据可知，采用本文系统进行逆向工程重构模型的评价结果较高。采用本文系统进行逆向工程重构的软件功能评价平均结果为9.2分，传统系统的得分仅为5.6，说明采用本文系统进行模型重构软件部分功能较好；同样从其他角度的评分结果得出，采用本文系统进行的逆向工程重构模型图像处理能力、重构与显示效果、尺寸检测结果、点云数据导入以及曲面重构效果均要优于传统系统的模型重构结果，本文系统有较强应用性。

4 结 论

本文设计了基于三维图像的逆向工程重构系统。该系统可提高工件点云数据处理结果，增强模型重构过程中三维数字化尺寸检测精度，提升逆向工程应用性。

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