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《北京工業職業技術學院學報》2016年第3期

摘要:

三維數字化掃描檢測技術已經廣泛應用于航空航天、汽車、模具、制造業、雕塑、文物保護等多個行業，對于大型復雜物體，快速準確獲取物體的三維信息是一個非常重要的研究領域。為解決大物體測量存在誤差大、速度慢的問題，以現代索納塔汽車為載體，采用德國Carl－Zeiss公司的PHOTOGRAMMETRY照相法系統和COMET三維掃描儀的方法，研究出整體精度控制方法。

關鍵詞:

逆向工程;點云;參考點;大物體測量

0引言

隨著人們生活水平的日益提高，汽車已經以必需品的角色走進了尋常百姓家，人們在追求汽車性能的同時更多的關注汽車的外形設計。汽車工業面臨著巨大的挑戰，從幾年設計一款車型到現在每年推出多款車型來滿足大眾日益多樣化的市場需求，以求更快的占領市場。一款車型的投產是需要多環節以及大量的資金來支撐，以車身的設計來說，三維數字化測量技術的應用可大大縮短新車型的開發周期，在競爭激烈的市場上搶占先機。

1三維數字化測量技術概述

逆向工程也稱反求工程，它是在已有的產品模型或實物模型基礎上，通過三維數字化測量系統得到數據，從而建立起數字模型，然后將這些模型或者部分表征用于產品的分析、設計、制造以及加工生產的過程［1］。三維數字化測量技術是逆向工程技術的首要環節，也是關鍵環節，被測物體的數據是否能夠準確、完整的獲取，直接影響到后續重構數學模型以及產品二次開發等環節的質量。常用的三維數字化測量系統主要分為接觸式以及非接觸式測量2種。接觸式的點測量設備主要有三坐標、劃線機、關節臂點接觸掃描儀等，精度最高，為μm級，但是耗時過長，對于物體不能實現完全特征掃描。非接觸式掃描儀多為光學掃描儀，市場上主要有加拿大形創激光掃描儀、德國Stein-bichler、GOM、博爾克曼公司的結構光掃描儀，國內的有天遠三維等。當前市面上最多的為非接觸式光學掃描儀，質量良莠不齊，國內的設備多為131萬像素，從精度上來說德國的設備在國際上屬于頂尖水平，目前最高端設備已達到1600萬像素。

2汽車車身數據采集

2．1三維數字化測量設備方案制定

考慮到汽車車身整體尺寸大，汽車車身為中心平面對稱，各曲面為A級曲面，同時需要整合進入車身原始坐標系，對掃描精度要求極高，故采用龍門式三坐標、德國Steinbichler公司照相法PHOTOGRAMME-TRY、COMETL3D藍光三維掃描設備以及COMETplus軟件相結合的方式，采取分區域數據采集，最終通過GEOMAGICSTUDIO軟件處理車身整體曲面數據。PHOTOGRAMMETRY照相法(如圖1所示)是利用專業數碼相機對被測物體從不同角度拍攝圖片，根據三角測量原理來計算參考點的空間三維坐標，該系統主要應用于中型、大型(幾米甚至幾十米)工件，使用照相法進行測量，可輕易獲取被測物所有的三維參考點數據(將數碼相機作為數據采集器，對編碼點與標記點進行空間三角測量)。通過照相法獲得的參考點空間三維坐標數據，可直接使用測量被測物體的尺寸等相關信息數據，也可為光學三維掃描系統提供精確的參考坐標，使其可將任意單幅測量數據逐一、準確地拼接與吻合起來［2］。并可通過COMETPLUS軟件將由三坐標測得車身原始框架關鍵點坐標與照相法測得框架坐標系整合進原始坐標系，使坐標系得到精確控制。COMETL3D2M藍光三維掃描設備(如圖2所示)由光學投影模塊(藍光)、數據采集模塊(CCD攝像機)組成，采用光學三角原理的相位測量法，是將一系列不同密度的黑白相間的光柵投影到被測物體表面，形成一塊待測區域，通過光柵線發生的畸變以及光學三角原理獲得物體表面的三維數字化信息［3］。該款設備采用創新的藍色LED照明技術和先進的單目技術，精度更高，數據采集更快(單次少于1．5s)，并配有多組鏡頭滿足不同特征的需要，最為關鍵的是設計為重量輕的便攜式設備，使用操作極為方便。

2．2準備工作

測量過程中不可避免的存在隨機誤差，為了保證精度盡量選擇環境溫度、光線穩定的室內空間，并保證在長時間的測量過程中溫度、光線不要變化，采用藍光掃描儀，可以減少由于光線變化引起的誤差，保證空間足夠大，攝影測量系統要求照相機距離被測表面至少2～3m，而且測量大物體時COMETL3D需要固定于大的立柱支架上，便于升降以及移動，有助于提高掃描的速度以及穩定性。故需考慮立柱支架的體積以及伸縮臂的長度。如圖3所示，汽車表面反光需要均勻的薄薄的噴涂一層顯像劑，從側面看不反光即可。大部分三維掃描設備對深顏色的物體不識別，特別是黑色，此款掃描儀可通過調整曝光以識別深色并可不需要參考點直接通過曲率拼接，但由于此案例為與照相法相配合大物體測量，需要進行標記點拼接。本案例選擇了3種三維數字化測量設備相結合的方法，故需要準備3種不同類型的參考點:一種是龍門式三坐標測量坐標值的帶中心點的標記點A;一種是與照相法相配合的編碼點B，每個編碼點都有唯一的編號;還有一種就是與CometL3D配合的直徑6mm的普通參考點C。粘貼參考點規則:一般情況下A類的標記點整車貼個20個左右;B類的編碼點，要保證1個點至少出現在5張不同角度的照片中;C類保證單幅測量范圍4至5個點，盡可能不在一條直線上。

2．3車身三維數字化測量

當所有的準備工作完成以后，開始進行數據的采集。首先將十字標尺和比例尺放正，通過照相法從不同角度對被測物拍攝圖片，進行車身框架坐標系的采集。一字標尺共4個編碼點，距離較遠不易同時識別，可以采取遠距離拍攝同時取到4個點;十字標尺材料為碳纖維材料，可定義照相法獲取數據的XYZ3個坐標方向，對十字標尺進行拍攝識別時，最少4張圖片參與標定過程;保證其余每個編碼點至少被5張圖片拍到。在整體坐標系統采集的時候，必須保證標尺完全被采集上，標尺決定了全局坐標系統的精度。最后將這些圖片導入COMETplus軟件中，由三角測量原理，軟件自動將這些圖片進行運算，即可得到車身整體的全局三維坐標系統，如圖4所示。照相法參考點三維坐標數據計算結果中，如圖5所示，可以將少于5張照片識別的參考點(如圖5右側框內)刪除，也可以將參考點中識別誤差較大的參考點(如圖5左側豎框)刪除，并重新綁定計算結果，以提高測量精度，更好的控制整體車身誤差。之后，通過三坐標劃線機將帶中心孔的各參考點的坐標值求出，代入到全局坐標系統，找正全局坐標系統對齊到車身原始坐標系統，使坐標系保持一致，坐標對齊更精準。全局定位完成之后不要立刻拆下編碼點，先用COMETL3D掃描設備進行試驗，無問題后可將編碼點以及標尺移除，分區域進行掃描，數據獲取過程如圖6所示。由于車身為對稱式，故只需要掃描一半即可。數據采集的過程中，曲率平緩處，例如四門、兩蓋可以利用框架點拼接，曲率較大并有特征處可以使用自由拼接，也可使用手動拼接，即使掃描區域參考點數量不足，也無需增加參考點，直接使用COMETplus軟件的特征拼接功能即可實現拼合，提高掃描效率。在掃描過程中，可使用拼合誤差彩圖功能隨時查看掃描拼合誤差，及時發現掃描過程中存在的問題，避免重復工作，提高掃描數據整體質量及掃描效率。掃描長物體的時候，一般從兩邊向中間掃描，如果從一邊掃到另一邊會積累誤差較大，使整體誤差變得更大。當數據采集完成后，COMETplus在數據拼接上，提供了最終全局優化拼接，使車身整體點云數據拼接達到全局最優。綜上所述，整車三維數字化測量流程如圖7所示。

2．4GEOMAGIC點云數據處理

本次采用GeomagicStudio2012軟件對采集的點云數據進行降噪處理以及數據的精簡、數據修復等工作，這個處理環節直接影響曲面重構的精度。點云數據中存在著一些偏離原曲面的壞點，我們通常叫做噪點，這是不可避免的。要對這些測量數據進行降噪處理，但為保證精度，不宜做過多處理，特別是刪除體外孤點不可多次使用，會使數據產生輕微變形［4］。如果點云數據量過大則可通過曲率方式進行采樣，便于后期的建模，處理后的整車數字化模型如圖8所示。提供信息化技能培訓，提高其對網絡的應用能力。與此同時進行網絡信息安全教育［5］，提高用戶的網絡安全意識和網絡安全管理水平，使其能夠意識到信息時代網絡安全的重要性，自覺遵守網絡安全相關法律法規，自覺抵制網絡不良信息，不發表反動言論，做到文明上網、科學用網。

3結論

建設一個人人使用、人人滿意的數字化校園，是學校每一位信息化建設工作者不懈的追求。這不僅需要學校層面的頂層設計，技術人員的精心運維，更加需要每一位校園網絡用戶共同的努力。希望通過大家共同的努力，建成一個網絡穩定、性能優良、信息安全的數字化校園。

參考文獻：

［1］游佳易宇峰．校園網絡管理難點及對策研究［J］．西南科技大學學報，2008(10):95－98．

［2］楊梅，甘露，張林濤．校園網絡管理和信息安全保障實踐探討［J］．玉林師范學院學報，2013(01):112－116．

［3］李苗利．高校校園網絡文化建設與管理存在的主要問題及對策［J］．科技信息，2014(3):115－116．

［4］劉定一．數字化校園安全管理研究［J］．網絡安全技術與應用，2014(2):67－68．

［5］孫茂圣．校園網建設與管理中幾對矛盾關系的分析［J］．揚州大學學報，2003(6):72－74．

作者:楊曉雪 單位:北京工業職業技術學院機電工程學院