1、測量機與測量數據測量機與測量數據反求工程出現反求工程出現n反求思維在工程中的應用源遠流長，而反求思維在工程中的應用源遠流長，而提出這種術語并作為一門學問去研究，提出這種術語并作為一門學問去研究，則是則是60年代初出現的年代初出現的n日本在日本在60年代初提出科技立國方針：一年代初提出科技立國方針：一代引進、二代國產化、三代改進出口、代引進、二代國產化、三代改進出口、四代占領國際市場四代占領國際市場 nReverse Engineering 反求工程定義反求工程定義n廣義定義廣義定義：針對消化吸收先進技術的一系列分：針對消化吸收先進技術的一系列分析方法和應用技術的組合。它是以先進產品設析方法和應

2、用技術的組合。它是以先進產品設備的備的實物、軟件實物、軟件（圖紙、程序、技術文件等）（圖紙、程序、技術文件等）或或影像影像（圖片、照片等）作為研究對象，應用（圖片、照片等）作為研究對象，應用現代設計理論方法、生產工程學、材料學和有現代設計理論方法、生產工程學、材料學和有關專業知識進行系統深入的分析和研究，探索關專業知識進行系統深入的分析和研究，探索其關鍵技術，進而其關鍵技術，進而開發出同類的先進產品開發出同類的先進產品。n包括包括：設計設計反求（幾何、材料）、反求（幾何、材料）、工藝工藝反求等反求等 反求工程定義反求工程定義n狹義定義狹義定義：根據實物模型的坐標：根據實物模型的坐標測量數測量數

3、據據，構造實物的，構造實物的數字化模型數字化模型（CAD模模型），使得能利用型），使得能利用CAD/CAM、RPM、PDM及及CIMS等先進技術對其進行處理等先進技術對其進行處理或管理。或管理。n包括：幾何形狀的反求包括：幾何形狀的反求 反求工程目標反求工程目標n反求工程并不限于樣件復制，目標是：反求工程并不限于樣件復制，目標是：在獲得實物基本數據的條件下，對數據在獲得實物基本數據的條件下，對數據進行必要的處理，對模型進行進行必要的處理，對模型進行分析、修分析、修改改等等 反求工程與正向工程反求工程與正向工程 n正向工程正向工程：（正向設計）是根據市場需求，提出目：（正向設計）是根據市場需求，

4、提出目標和技術要求，進行功能設計，變為產品標和技術要求，進行功能設計，變為產品n市場需求，設計要求市場需求，設計要求設計師的創造性活動設計師的創造性活動產品產品n怎么做怎么做n反求工程反求工程：從已知事物的有關信息，去尋求這些信：從已知事物的有關信息，去尋求這些信息的科學性、技術性、先進性、經濟性、合理性、息的科學性、技術性、先進性、經濟性、合理性、國產化的可能性等等，再回溯這些信息的科學依據，國產化的可能性等等，再回溯這些信息的科學依據，即充分消化與吸收，更重要的是在此基礎上進行改即充分消化與吸收，更重要的是在此基礎上進行改進、挖潛和再創造進、挖潛和再創造n已知事物已知事物消化、再創造消化、

5、再創造市場競爭的新產品市場競爭的新產品n為什么這樣做為什么這樣做 反求工程應用領域反求工程應用領域n外形美學要求較高的零部件的設計外形美學要求較高的零部件的設計 ，先作，先作黏黏土模型土模型 ，再測量造型，再測量造型n單件產品快速定制生產單件產品快速定制生產 ，如頭盔、假發套、如頭盔、假發套、服裝服裝 等等n醫學領域醫學領域 ，如，如假肢制造、牙齒鑲復假肢制造、牙齒鑲復 n十分復雜外形的物體，如動物、植物、玩具、十分復雜外形的物體，如動物、植物、玩具、藝術品，可用于動畫制作藝術品，可用于動畫制作 n地理信息領域地理信息領域 ，地貌數據地貌數據 n計算機輔助檢測計算機輔助檢測 反求工程步驟反求工

6、程步驟Stepsn數據獲取數據獲取 Data Capturen數據預處理數據預處理 Preprocessingn數據分塊與曲面擬合數據分塊與曲面擬合 Segmentation and Surface fittingnCAD模型生成模型生成 CAD model creation測量機分類測量機分類n接觸式接觸式n三坐標測量機（三坐標測量機（CMM coordinate measure machine） n機械手機械手 n非接觸式非接觸式 n光學測量光學測量 n聲學測量聲學測量 n磁學測量磁學測量 n破壞式破壞式自動斷層掃描自動斷層掃描 接觸式測量機接觸式測量機 n工作方式工作方式：點觸發，連續或

7、間斷式數據采集：點觸發，連續或間斷式數據采集n特點特點：不受物體表面顏色及光照的限制，對物：不受物體表面顏色及光照的限制，對物體邊界也能產生準確的測量結果體邊界也能產生準確的測量結果n缺點缺點：由于測頭的限制，可能丟失某些測頭不：由于測頭的限制，可能丟失某些測頭不可到達的細節數據可到達的細節數據n不能測量軟材料不能測量軟材料n測量速度受到機構運動的限制測量速度受到機構運動的限制三坐標測量機（三坐標測量機（CMM）一般工作臺面是花一般工作臺面是花崗巖，測頭為寶石崗巖，測頭為寶石我們學校，意大利我們學校，意大利MISTRAL070705型型 意大利意大利COORD3公司公司半橋式半橋式CMM測量機

8、測量機龍門式龍門式CMMCMM系統組成系統組成n計算機計算機控制零件程序的執行和進行結果處理，實現控制零件程序的執行和進行結果處理，實現與外設的通訊與外設的通訊n數控設備數控設備計算機和測量機的接口，控制測量機運動計算機和測量機的接口，控制測量機運動n測量機機體測量機機體底座、工作臺、立柱、導軌、測頭、驅動電底座、工作臺、立柱、導軌、測頭、驅動電機機機械手式測量機機械手式測量機 n測量方法測量方法：操作者手：操作者手持測量手臂，末端探持測量手臂，末端探針接觸被測量物體表針接觸被測量物體表面時按下按鈕，記錄面時按下按鈕，記錄坐標和探針手柄方向，坐標和探針手柄方向，通過串口線傳到各種通過串口線傳到

9、各種軟件包軟件包上上FaroARM手動式手動式 精度低，范圍大精度低，范圍大Cimcore手動式手動式接觸式測量數據接觸式測量數據光學測量光學測量機機n激光三角形法激光三角形法 n激光測距法激光測距法 n投影光柵法投影光柵法 n圖像分析法圖像分析法 特點特點：高速測量，短時間內測量大量的點：高速測量，短時間內測量大量的點缺點缺點：對：對表面粗糙表面粗糙和和表面漫反射率表面漫反射率敏感（如透明、高光）敏感（如透明、高光）激光三角形法激光三角形法n原理原理：激光帶投射到被測物體表面，反：激光帶投射到被測物體表面，反射光在圖象傳感器上成像，按照預設定射光在圖象傳感器上成像，按照預設定的三角形光路原理

10、的測到被測物體的坐的三角形光路原理的測到被測物體的坐標，物體的全輪廓是通過多軸可控機械標，物體的全輪廓是通過多軸可控機械運動輔助獲得運動輔助獲得 laser stripe triangulation 原理圖原理圖23,000 points per second. 3D Scanners三維激光掃描儀三維激光掃描儀（3D laser scanners） Scantech三維激光三維激光掃描儀非常便于安裝掃描儀非常便于安裝在所有在所有CNC機床上，機床上，無論其大小。可以安無論其大小。可以安裝于任何裝于任何3軸、軸、5軸銑軸銑床或床或3軸車床，激光軸車床，激光掃描儀比探針掃描儀掃描儀比探針掃描儀快

11、快10倍，還可以掃描倍，還可以掃描柔軟和易碎的物體。柔軟和易碎的物體。 3D Scanner CyberWare測量機測量機 Cyberware公司的三維掃描儀，在公司的三維掃描儀，在80年代就年代就被迪斯尼等動畫和特技公司采用，用于被迪斯尼等動畫和特技公司采用，用于終結者終結者II，侏羅紀公園侏羅紀公園，蝙蝠俠蝙蝠俠II，機械戰警機械戰警等等影片。還用于快速雕塑系統。影片。還用于快速雕塑系統。90年代的掃描儀可年代的掃描儀可對人體全身掃描，給出對象的多邊形、對人體全身掃描，給出對象的多邊形、NURBS曲曲面、點、面、點、Spline曲線方式描述，可進行彩色掃描。曲線方式描述，可進行彩色掃描。

12、掃描速率可達掃描速率可達1.4萬點萬點/秒。秒。3030RGB型掃描物型掃描物體的尺寸在體的尺寸在30cm，深度方向測量精度，深度方向測量精度100-400m，用于動畫、人類學研究、服裝設計等方，用于動畫、人類學研究、服裝設計等方面。面。 CyberWare測量機測量機構成：構成：平臺平臺傳感器（光學系統）傳感器（光學系統）計算機計算機處理軟件處理軟件 Cyberware激光測距法激光測距法 n激光束的飛行時間轉化為被測點與參考激光束的飛行時間轉化為被測點與參考平面間的距離平面間的距離 投影光柵法投影光柵法 n采用普通白光將矩形光柵投影于物體表采用普通白光將矩形光柵投影于物體表面，攝取變形光柵

13、圖像，根據灰度值變面，攝取變形光柵圖像，根據灰度值變化，算出空間坐標化，算出空間坐標 ATOS流動光學三坐標測量系統流動光學三坐標測量系統 atos 貼標簽定位貼標簽定位 Atos測量數據測量數據光照圖光照圖圖像分析法圖像分析法 n利用高分辨率的數碼相機，拍攝多個圖利用高分辨率的數碼相機，拍攝多個圖像，利用一個點在多個圖像中的相對位像，利用一個點在多個圖像中的相對位置，通過視差計算距離，從而得到點的置，通過視差計算距離，從而得到點的空間坐標空間坐標 自動斷層掃描自動斷層掃描 n逐層去除材料與逐層掃描相結合的方法逐層去除材料與逐層掃描相結合的方法n將待測零件用專用樹脂材料（填充石墨粉或顏料）將待

14、測零件用專用樹脂材料（填充石墨粉或顏料）完全封裝，完全封裝，n待樹脂固化后，固定到銑床上，進行微吃刀量切待樹脂固化后，固定到銑床上，進行微吃刀量切削，得到包含零件和樹脂材料的截面，削，得到包含零件和樹脂材料的截面，n移到移到CCDCCD攝像機下，對當前截面進行采樣量化，由攝像機下，對當前截面進行采樣量化，由于封裝材料與零件存在明顯邊界，利用濾波、邊于封裝材料與零件存在明顯邊界，利用濾波、邊緣提取、紋理分析、二值化等數字圖像處理技術緣提取、紋理分析、二值化等數字圖像處理技術進行邊界輪廓提取，得到各輪廓的坐標值。進行邊界輪廓提取，得到各輪廓的坐標值。1)1)重復步驟重復步驟2 2、3 3，再到銑床

15、上切削，再分析。，再到銑床上切削，再分析。 自動斷層掃描數據自動斷層掃描數據測量中的問題測量中的問題 n精度標定精度標定n透鏡變形，非線性因素等的影響，存在系統傳感透鏡變形，非線性因素等的影響，存在系統傳感誤差誤差n不可測量性不可測量性n陰影、障礙物，夾具陰影、障礙物，夾具n多個視點測量，再進行多視拼合多個視點測量，再進行多視拼合n測量噪聲測量噪聲 n被測物體表面特征的影響被測物體表面特征的影響n光潔度、表面涂層對光線的反射率光潔度、表面涂層對光線的反射率n頭發測量，粗糙表面的典型實例頭發測量，粗糙表面的典型實例測量數據類型測量數據類型 n散亂點云（散亂點云（Point Cloud）n掃描線點

16、云掃描線點云n網格化點云網格化點云 n三角網格點云三角網格點云 n多邊形點云多邊形點云 散亂點云散亂點云 n測量點沒有明顯的幾何分布特征，呈散測量點沒有明顯的幾何分布特征，呈散亂無序狀態亂無序狀態n隨機掃描下的隨機掃描下的CMM，光學測量系統多張光學測量系統多張數據拼合后數據拼合后散亂點云數據散亂點云數據掃描線點云掃描線點云 n點云由一組掃描線組成，掃描線上的所點云由一組掃描線組成，掃描線上的所有點位于掃描平面內有點位于掃描平面內nCMM、激光三角形測量系統沿直線掃描、激光三角形測量系統沿直線掃描、線結構光掃描測量線結構光掃描測量 掃描線點云數據掃描線點云數據掃描線點云數據掃描線點云數據網格化

17、點云網格化點云 n點云中所有點都與參數域中一個均勻網點云中所有點都與參數域中一個均勻網格的頂點對應格的頂點對應n網格化插值網格化插值 網格數據表示網格數據表示三角網格點云三角網格點云 n點云中的點與鄰點構成三角網格拓撲關點云中的點與鄰點構成三角網格拓撲關系系nATOS流動光學三坐標測量機流動光學三坐標測量機 三角網格點云數據三角網格點云數據多邊形點云多邊形點云 n測量點分布在一系列平行平面內，用一測量點分布在一系列平行平面內，用一小線段將同一平面內距離最小的若干相小線段將同一平面內距離最小的若干相鄰點依次連接，可形成有嵌套的平行多鄰點依次連接，可形成有嵌套的平行多邊形邊形n層切法、核磁共振、工

18、業層切法、核磁共振、工業CT 多邊形點云多邊形點云數據數據數據預處理內容數據預處理內容n數據拼合數據拼合n數據光滑數據光滑n數據簡化數據簡化n數據修復數據修復n數據分塊數據分塊數據拼合數據拼合也叫多視拼合，因為也叫多視拼合，因為一次測量完成對全體一次測量完成對全體件的數字化是很困難的件的數字化是很困難的 nCMM中多次裝夾中多次裝夾n光學測量儀中，多視角測量光學測量儀中，多視角測量可以在測量過程中由軟件自動拼合，也可可以在測量過程中由軟件自動拼合，也可以在測量結束后輸入到反求工程軟件中以在測量結束后輸入到反求工程軟件中拼合拼合拼合方法拼合方法點位法：測量點中確定三個非共線點，作為分視圖點位法：

19、測量點中確定三個非共線點，作為分視圖的局部坐標系標準的局部坐標系標準 拼合結果拼合結果數據光滑數據光滑實際測量過程中受到人為或隨機因素的影實際測量過程中受到人為或隨機因素的影響，使得測量結果包含噪聲，為了降低響，使得測量結果包含噪聲，為了降低或消除噪聲對后續建模質量的影響，有或消除噪聲對后續建模質量的影響，有必要對數據進行平滑濾波。必要對數據進行平滑濾波。n人機交互人機交互 n程序濾波程序濾波n變形光順變形光順 人工交互人工交互濾波方法濾波方法n高斯濾波高斯濾波：指定域內的權重為高斯分布，平均效果較小，：指定域內的權重為高斯分布，平均效果較小，在濾波的同時能較好的保持原數據的形貌。在濾波的同時

20、能較好的保持原數據的形貌。DK = D * Gn平均濾波平均濾波：采樣點的值取濾波窗口內各數據點的統計平：采樣點的值取濾波窗口內各數據點的統計平均值。均值。n中值濾波中值濾波：采樣點的值取濾波窗口內各數據點的統計中：采樣點的值取濾波窗口內各數據點的統計中值，消除數據毛刺的效果較好。典型的低通濾波器。在值，消除數據毛刺的效果較好。典型的低通濾波器。在圖像處理中，就是指把以某點圖像處理中，就是指把以某點(x,y)為中心的小窗口內為中心的小窗口內的所有像素的灰度按從大到小的順序排列，將中間值作的所有像素的灰度按從大到小的順序排列，將中間值作為為(x,y)處的灰度值處的灰度值(若窗口中有偶數個像素，則

21、取兩個若窗口中有偶數個像素，則取兩個中間值的平均中間值的平均)。 濾波示意圖濾波示意圖程序濾波程序濾波局部特征去除局部特征去除光順效果光順效果光順效果光順效果數據修復數據修復n測量過程中因為貼定位片、遮擋等原因測量過程中因為貼定位片、遮擋等原因導致部分數據測量不完整導致部分數據測量不完整n重新測量重新測量n軟件中修補軟件中修補數據修復數據修復修復修復數據簡化數據簡化n按數據點間的距離按數據點間的距離 指定數據點間的臨界距離，兩個測點間的距離小于臨指定數據點間的臨界距離，兩個測點間的距離小于臨界距離，則刪除其中的一個。界距離，則刪除其中的一個。n按給定的法向精度按給定的法向精度根據刪除一個點在曲面法向引起的誤差大小作為測點根據刪除一個點