三維反求技術(shù)的發(fā)展 ......



三維反求技術(shù)的發(fā)展
　　
　　 三維反求技術(shù)亦稱為逆向工程 (reverse engineering) ，原先這種技術(shù)是用于三維測量及質(zhì)量檢定。
生產(chǎn)下來的產(chǎn)品，可利用這技術(shù)測量其外型尺寸及檢定它的質(zhì)量，然后對比原先設(shè)計時的參數(shù)，是否附合要求或須要做出修改、優(yōu)化等。這可
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以說三維反求技術(shù)是產(chǎn)品設(shè)計過程中的下游工序向上游工序反饋信息的一個途徑。
　　
　　 上世紀(jì)六十年代有學(xué)者提出利用電腦視覺技術(shù)(computer vision) 來獲取三維數(shù)據(jù)的可能性。隨后，多種技術(shù)被研發(fā)出來采集三維數(shù)據(jù)，

其中包括，立體視覺、結(jié)構(gòu)光等。這些技術(shù)并沒有被商品化，因為當(dāng)時候的圖像采集儀器、電子組件、軟件技術(shù)及電腦計算功能都很難滿足技

術(shù)要求。特別是在電腦計算功能上，當(dāng)時的電腦沒法處理龐大的數(shù)據(jù)。
　　
　　 到上世紀(jì)八十年代，美國Cyberware公司研制了一部用來掃描人頭的三維掃描儀，并成功地用于影視特技制作。之后，美國及日本公司相

繼投入巨大的人力物力資源開發(fā)相關(guān)的技術(shù)及掃描儀器，技術(shù)方面包括圖像雷達(dá)、聚焦測距、莫爾條紋等，而掃描儀器到現(xiàn)在已有近百種之多

。
　　
　　 三維反求技術(shù)原理及工作流程
　　
　　 三維反求技術(shù)包括影像反求、軟件反求及實物反求等三方面。目前相對最多人研究的是實物反求技術(shù)。它是研究實物CAD模型的重建和最

終產(chǎn)品的制造。陜義來說，三維反求技術(shù)是將實物模型數(shù)據(jù)化成設(shè)計、概念模型，并在此基礎(chǔ)上對產(chǎn)品進(jìn)行分析、修改及優(yōu)化等技術(shù)。
　　
　　 工作原理
　　
　　 三維反求技術(shù)是利用電子儀器去收集物體表面的原始數(shù)據(jù), 之后再使用軟件，計算出采集數(shù)據(jù)的空間坐標(biāo)，并得到對應(yīng)的顏色。掃描儀是

對物體作全方位的掃描、然后整理數(shù)據(jù)、三維造型、格式轉(zhuǎn)換、輸出結(jié)果。整個操作過程，可以分為四個步驟：
　　
　　 （1） 物體數(shù)據(jù)化：普遍采用三坐標(biāo)測量機或激光掃描儀來采集物體表面的空間坐標(biāo)值。
　　
　　 （2） 從采集的數(shù)據(jù)中分析物體的幾何特征：依據(jù)數(shù)據(jù)的屬性，進(jìn)行分割、再采用幾何特征和識別方法來分析物體的設(shè)計及加工特征。
　　
　　 （3） 物體三維模型重建：利用CAD軟件，把分割后的三維數(shù)據(jù)作表面模型的擬合，得出實物的三維模型。
　　
　　 （4） 檢驗、修正三維模型。
　　
　　 工作流程
　　
　　 三維反求的典型工作流程主要是對現(xiàn)有的實物，使用數(shù)據(jù)化的儀器，準(zhǔn)確、快速地采集表面輪廓的空間坐標(biāo)值，然后構(gòu)建曲面、經(jīng)CAM軟

件產(chǎn)生CNC加工刀路，在CNC機床上把實物模型制造出來或利用快速原型制造機，把實物原型制造出來。在產(chǎn)品設(shè)計方面，采集的空間坐標(biāo)值，

可對實體三維模型，作復(fù)雜的修改或再創(chuàng)新。快速原型制造機可讀取STL格式的文檔，可以由云點直接轉(zhuǎn)換或在建造的曲面、實體三維模型中

轉(zhuǎn)換。
　　
　　 三維數(shù)據(jù)采集方式
　　
　　 三維數(shù)據(jù)的采集方式，按照它們所采用的原理、有三種方式：一是接觸式，如三坐標(biāo)測量；二是非接觸式，如結(jié)構(gòu)光法、激光三角法等；

三是逐層掃描方法，如CT法和核磁共振法、自動斷層掃描法等。
　　
　　 采用哪種采集方式取決于被掃描對象的形狀、大小、物質(zhì)、數(shù)據(jù)應(yīng)用目的。在市場上掃描儀器種類很多，采集方式雖然不盡相同、但主要

由三個部份組成；即掃描裝置、傳感器及軟件。
　　 接觸式掃描或測量方法
　　
　　 這種采集方式主要是利用三坐標(biāo)測量作掃描。采集方式主要是利用安裝在儀器上的探針(stylus) 逐點采集對象表面上的數(shù)據(jù)。探針沿對

象表面運行時，對象表面上反作用力使探針位移。位移是通過探頭內(nèi)的彈簧反映出來。連接彈簧的傳感器(transducer)便會測量位移的大少、

方向等。之后便通過計算顯示各采集點的三維空間坐標(biāo)。
　　
　　 由于三坐標(biāo)測量儀本身的機械結(jié)構(gòu)及設(shè)計，采集數(shù)據(jù)精度高，對被掃描對象的表面的顏色及反射特性沒有特別要求。采集數(shù)據(jù)時，探針是

壓著被對象運行的，所以一些材質(zhì)較軟的發(fā)泡膠等便不能準(zhǔn)確掃描，因為被掃描對象會被探針壓著而變形。探針經(jīng)常在堅韌的對象表面運行時

，容易磨損，所以須要經(jīng)常較正探針的直徑，維持一定的精度。由于它是逐點采集數(shù)據(jù)，所以掃描速度相對較慢，主要是用來測量不太復(fù)雜，

具有少量特征曲面的對象。
　　
　　 現(xiàn)時市場上，有一種專用的接觸式掃描機。由英國Renishaw公司提供的Cyclone掃描機可以采集復(fù)雜的對象表面曲線數(shù)據(jù)，采點速度每秒

四百點及每分鐘掃描三米，操作容易。所采集的數(shù)據(jù)，通過掃描機原身配備的軟件，轉(zhuǎn)化成電腦加工中的刀路，直接制造模具。
　　
　　 非接觸掃描方法
　　
　　 結(jié)構(gòu)光法的操作原理是把一定模式的光源，投射到被掃描對象的表面上，投射參考面光源，會被放在該位置的被掃描對象阻擋而發(fā)生變形

，此時使用不同的鏡頭攝取不同角度的圖像，再分析變形的光源, 就可計算出被測對象表面的整幅圖像的三維坐標(biāo)。結(jié)構(gòu)光法采用的光源以光

柵影線較為普遍。目前分析光柵影線變形的方法主要有傳里葉及相移法。而相移法相對較為準(zhǔn)確，這種方法的優(yōu)點是測量的速度很快、掃描的

面積大、設(shè)備相對輕便方面攜帶、測量場地沒有特別要求。在汽車行業(yè)，它普遍被用來掃描汽車的車身等大面積對象。德國Steinblicher公司

的 COMET IV掃描儀，可以掃描的面積從 100×75mm2到1200×1200mm2。它的攝像器可裝在三腳架上，隨意移動至任何位置作高速掃描、攝像

器更可以裝上機械手上，掃描復(fù)雜的對象，分辨率可達(dá)400萬象素之高。對一些精細(xì)零件都能采集良好的數(shù)據(jù)。
　　
　　 激光三角法
　　
　　 激光三角法是在被掃描物的表面用有規(guī)則幾何圖形的激光束，如點光源或線光源，進(jìn)行掃描，被掃描面便會形成漫反射光點、光帶，接著
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安裝在光路的圖像傳感器接收這光點、光帶，然后利用三角原理計算出被采集點的空間坐標(biāo)。激光三角法的技術(shù)成熟、被廣泛使用，掃描速度

高、精度高。它的圖像傳感器體積細(xì)而輕，安裝方便。它甚至可以它裝在三坐標(biāo)上，安裝拆卸容易，這是它另一個特點。它也可以掃描材質(zhì)較