逆向工程多块三维离散数据点云的STL重构

逆向工程中为了获取被测物体不同方位的表面信息，通常采用多次测量的方法。提出了一种基于点位法的数据转换对齐方法，通过重复测量三个基准点，求出坐标变换矩阵，实现多次测量数据的对齐。提出了一种基于扫描线数据点云的STL重构算法。     

自遮挡物体线激光测量视点规划

针对未知自遮挡物体的测量和三维重建问题,提出利用Kinect Fusion技术快速重建和线激光精密测量相结合的视点规划新方法。应用Kinect Fusion技术快速获取未知自遮挡物体表面的深度信息模型,研究提出轮廓表面的截面特征信息提取方法,在此基础上分析轮廓表面的截面形状特征,根据五自由度线激光测量系统的左右方向和上下方向测量可视性判断,在最佳测量范围内进行线激光测量全局视点规划,准确、快速消除自遮挡和点云孔洞,最后获得重建精度高的三维物体表面。经过自遮挡物体重建实验,验证了所提方法的可行性及有效性。     

实物表面海量点云的分治并行重建

为了兼顾海量点云各块子集重建效率以及分治重建网格拓扑正确拼接的问题，提出一种实物表面海量点云的分治并行重建方法。首先基于八叉树对海量点云进行空间分割；然后采用Delaunay网格过滤算法与增量生长算法相结合的方法，基于多核计算机并行计算框架，并行重建海量点云的各块子集；最后通过基于相邻网格之间边界区域样点集合二次重构的网格拼接方法，实现海量点云各块分治重建网格的拼接，获得插值于整体采样点集的二维定向流形网格。实验验证该算法可在保证重建结果拓扑正确性的前提下显著提高海量点云的重建效率。     

基于主成分分析的大型管道三维表面重建

针对大量的点云数据要求快速、方便且精度高的特点,在轮廓线拼接建模方法的基础上提出一种结合主成分分析的三维表面建模方法。由结构光扫描系统获得点云;通过热传导模型将点云进行片层分割并进行主成分分析,得到纬度圈,从而获得纬度圈上的所有对应点对;在相邻点对之间进行柱面插值连接,生成物体的四边形网格模型和三维表面模型。结果显示,被测管道重构表面平均误差为0.19 mm,小于采用基于轮廓线拼接方法得到模型的平均误差。结果表明,采用基于主成分分析的方法进行管道三维表面重构,其精度得到了有效地提高,满足工程测量的精度要求;同时也证明了该方法的正确性。该重构方法适用于表面是一阶连续性被测物体尺寸及变形的分析。     

基于立体视觉的大尺寸工业测量系统

针对工业制造领域普遍存在的大型物体全尺寸测量难题,提出并实现了一种基于立体视觉技术的便携式工业测量系统。该系统采用多个CCD视觉传感器,获取被测物体的多视图像序列,通过前方交会由二维像点坐标计算物体表面点的三维坐标。全局关键点测量由多目立体视觉系统完成,使用CCD相机从多个位置和方向拍摄物体,获得多目视差照片,由测量软件二维处理并完成三维重建。局部区域密集点云的测量由双目立体觉系统完成,左右两相机同步拍摄由投影机投向物体表面的编码条纹,测量软件自动进行立体匹配和三维重建后获得物体表面局部的密集点云。最后测量软件根据局部的关键点完成密集点云的坐标系转换。实验表明,该系统的测量精度达到0.1mm/3m,可以满足工业现场大尺寸测量对精度和效率的要求。     

逆向工程中的数据点云的分割

逆向工程中由数据点云构建物体表面模型中，对数据点云恰当的分割是表面建模的一个很重要步骤。文中以激光-机器视觉测量方式得到的曲面数据云为基础，探讨了曲面密集三维散乱点群数据的分割技术。根据激光测量方式和三维点群分布的特点，建立了在计算机中表示散乱点群数据结构。建立树形空间结构完成对密集散乱点群进行空间分割，由此实现对散乱点群数据的几何分割。     

复杂曲面特征线自动提取技术研究

复杂曲面零件的几何模型重构是逆向工程的研究重点之一,由零件表面的数字化数据提取特征线是构造几何模型的重要步骤。针对由CMM获取的三维数据“点云”,提出了基于扫描线的三维分层式方法实现特征线的自动提取,提出了基于局部增量网格扩张的三维散乱数据三角剖分算法,实现任意曲面尖锐棱线的自动提取。实践说明,通过该算法得到的复杂曲面的边界线能够满足模型重建的工程需求。     

基于NURBS曲面重建的大型曲面结构制造偏差分析方法

火箭贮箱箱底为大型曲面结构，在环缝焊接时对箱底结构的形状精度具有极高的要求，因此需要对焊装完成后的箱底结构的形状偏差进行分析与评价。利用点云测量设备获得实际构件表面的三维点云，对原始点云数据进行预处理，之后提取截面点云数据，进而采用NURBS曲面对实际构件表面进行重建，最后通过计算理论模型上测试点集到重建曲面的最小距离对形状偏差进行表征与计算。利用本文方法对贮箱箱底结构模拟件进行了形状偏差分析，得到了箱底结构测试点集的偏差大小和空间分布规律，并验证文中所提方法的准确性。     

基于形态学算法的摄影测量数据噪声滤波

摄影测量的点云数据通常叠加有多种形式的噪声信号,针对摄影测量中得到的扫描线形式的点云数据,采用形态学算子进行了噪声滤除。在完成噪声滤波的同时,在一定程度上对零件陡峭处获得的数据进行自动拟合。实例验证表明,该滤波方法处理速度快,其效果比其他的滤波方法好,滤波后的数据符合曲线曲面重构的要求。     

基于Imageware的多视点云拼合技术研究和应用

逆向工程技术应用中,由于物体的几何形状复杂,测量仪器不能一次完成整个表面的测量工作,需要从多个角度实现对物体表面的完整测量。为了得到完整的数据模型,必须进行数据拼接处理,其目的是通过在两片或多片数据点云(点集)中找出正确的排列关系,使它们能够拼合成一片完整的数据点云。本文以固定球法从不同角度进行多次测量获得多视点云,利用Imageware逆向软件的数据对齐技术实现其多视点云拼合并完成模型重构。     

基于线结构光的三维垂线位移测量方法

垂线测量法是观测大坝变形位移的一种简便而有效的方法,在实际大坝变形监测中得到广泛应用。 针对现有垂线坐标 仪大多只能测量垂线二维位移且结构复杂的问题,本文提出了一种基于线结构光的三维垂线测量方法。 基于垂线测量中垂线 方向不变,利用线结构光测量原理实现垂线三维位移测量。 首先,本文采用线结构光测量获取垂线二维位移,然后基于垂线上 固定标志点的成像光线和垂线相交于一点的事实,综合垂线二维测量结果和通过相机内参数恢复的固定标志点成像光线方程, 实现垂线三维位移测量。 实验结果表明,本方法在水平面内 Y 方向上的位移测量精度为±0. 1 mm,在水平面内 X 方向和竖直 Z 方向上的位移测量精度达到±0. 05 mm,测量范围为 0~ 80 mm。 相较目前垂线位移测量方法,本文方法垂线位移测量精度和测 量范围更高,且测量结构简单。     

基于多线结构光的弱纹理物体形貌测量方法

大多数现有的主流结构光测量装置在被测物体的表面上投射单条激光,通过移动装置实现物体表面的扫描重建。为了实现物体表面的在线快速重建,将多线结构光和双目立体视觉理论相结合,设计了一种新的三维测量方法。提出了一种结合形态滤波和Zhang-Suen细化算法的光条骨架提取方法和基于光条序列关系的光条匹配算法,并通过极线约束实现光条上特征点的精确匹配。通过实验验证了方法的有效性,相对误差在3%以内。     

Path planning of multi-patched freeform surfaces for laser scanning

In this paper, a new method for scanning a complex surface model with multiple patches is proposed. In scanning of freeform-shaped models, it is difficult to generate a measuring plan by human intuition due to the complexity of the part. The developed method calculates the number of scans, scan direction, and scan path for a stripe-type laser scanner. The user can designate the surface patches that need to be scanned. In generating the scan plan, surface information is first extracted from the CAD model automatically. Other information such as, design knowledge, functionality and machine parameters are provided interactively. Based on this information, the original surface model is sampled in the u, v parameter domain and the sampled points are grouped using the view angle of the laser scanner. The scan direction is determined by calculating the global mean vector of the sampled points that belong to a group. The range of the view angle can be varied to enhance the quality of captured point data. The optical scan paths for each scan direction are calculated by projecting the sampled points onto a 2D plane. The optical constraints are also verified to guarantee the generated scan plan.     

The hybrid contact-optical coordinate measuring system

This paper presents a hybrid contact-optical coordinate measuring system which was designed to measure and analyze the geometry of objects. It combines the accuracy of contact measurement regarding the identification of measurement points and the speed of full-field structured light optical scanning methods. The measurement process starts from fast optical acquisition by structured light system(s), positioned around the working space, then numerical analysis is performed to calculate a set of surface points that should be finally re-measured by the CMM. Both set-ups work in a common coordinate system created according to existing metrological strategies. Final metrological analysis is performed using classic, certified metrological software. In this paper we also describe the maximum permissible error of length measurement of the hybrid system.     

三维表面扫描机器人误差建模与补偿方法

对于三维表面扫描机器人系统,整个系统的测量误差主要来源于如下几个环节:机器人的本体定位误差、线结构光传感器的数据采集误差和手眼矩阵带来的误差。对于以上环节的各个部分,可以看成是局部过程。不论各个环节或部分的误差为多大,最后的误差均归结于所得到的测量数据。然而,整个系统的误差模型很难通过解析方法得到。为了提高系统的测量精度,通过微粒群径向基神经网络建立系统的误差模型,网络的输入选择激光条纹图像坐标系中的坐标,输出选择为经过迭代最近点算法配准后的最近点与测量点之间的误差。利用微粒群算法优化初始所得的神经元中心和宽度,在相同网络性能的前提下,压缩了网络的规模。在测量过程中利用所建立的误差网络模型将测量误差得以补偿,通过实际的试验验证该方法提高系统测量精度的有效性。     

利用寻位信息的自由曲面在线测量路径规划方法

自由曲面的高速、高精度、扫描测量是曲面在线检测需要解决的首要问题.为此,提出一种基于寻位信息的测量路径规划方法,使得在满足精度要求的前提下,实现测点优化分布;在此基础上,将自适应控制理论应用在测头自动跟踪控制中,以便测头能够跟随曲面的变化自动调整其位置,完成自由曲面的高速、高精度、扫描测量,理论分析与仿真实验结果表明,所提出的测量方法可行,为曲面的精密测量开辟了一条新的有效途径.     

基于三坐标测量机双参数向自适应测量自由曲面

提出一种基于三坐标测量机的双参数向自适应测量自由曲面方法。CMM手动测量被测曲面边界点后,连接点生成可测区域,由可测区域自动拓扑生成几条均布初始扫描线以及每条扫描线的均匀初始点,对于U向的各条扫描线,CMM在自动测完初始点后,不断拟合已测点为B样条曲线,由曲线末端曲率自适应预测下一测点并指导CMM自动测量。测完初始扫描线后拟合已测点云为B样条曲面,由曲面V向边界最大曲率自适应确定下一扫描线位置,并进行该条扫描线U向自适应测量,重复这一过程直至曲面测量完毕。测点可随被测曲面自身曲率变化特性而疏密分布,曲率变化大的重要特征区域分布密集,曲率变化小的非重要区域分布稀疏,既保证了重要特征点不会遗漏又避免了数据冗余。理论曲线曲面自适应测量实验结果表明该方法测量精度可达微米级,实例零件应用验证了该方法的可行性。     

大面积形体的三维无接触精确测量的研究

对大面积形体实现高精度三维无接触检测,是三维检测技术研究的难点和热点。提出了基于编码标志点的框架拼接法,采用数码相机三维重构与结构光三维扫描技术相结合的方法,实现了大面积形体的三维精确测量。阐述了大面积形体测量拼接框架构造的基本原理,对其中的关键技术如数码相机的标志点三维检测与重构,局部点云与空间框架的拼接进行了介绍,并给出了检测实例。实验表明该系统具有操作方便、测量范围大、测量精度高等的特点。     

Comparing laser and polychromatic confocal optical displacement sensors for the 3D measurement of cylindrical artefacts containing microscopic grooved structures

A scanning system has been developed for measuring the surface of early cylinder mechanical sound recordings to high precision, both for surface preservation and for post-processing of the data to recover the sound encoded in the grooves. Research has identified that high sensor axial resolution is required to resolve the smallest amplitude groove modulations contained on typical cylinder artefacts resulting in the selection of confocal laser and white light (polychromatic) confocal sensors as suitable sensing technologies. This paper presents data acquired by the two confocal sensor technologies, comparing the measured surface profiles with data obtained using a stylus profilometer. We investigate limitations of the sensors, relating their characteristics to the ongoing development of the scanning system.     

基于主动视觉标定线结构光传感器中的光平面

提出了一种基于主动视觉的光平面标定方法实现对线结构光传感器的自动标定.与以往求取光平面上标定点后拟合平面的方法不同,该方法通过控制传感器做若干平移运动分两步完成标定.首先,经多次平移运动得到光平面中相互平行直线在摄像机中的投影,经计算消影点完成光平面法向的标定.然后,控制传感器沿设定的与光平面法向垂直的方向做2次平移运动,使其满足三点透视模型(P3P),完成摄像机坐标系原点到光平面距离信息的标定.实验结果表明:该标定方法具有较高的准确性,平均绝对测量偏差为0.015 4 mm,相对误差为0.183 0％.该方法本质上属于自标定方法,标定过程无需使用标靶,降低了标定成本,且操作灵活方便,适合现场标定.