反向工程中自動(dòng)精確模型重建的關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、反向工程作為產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)和制造的重要途徑之一,在航空、航天、汽車、模具、醫(yī)療等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景,受到了各國(guó)工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的重視。測(cè)量點(diǎn)集模型重建一直是反向工程的核心內(nèi)容和研究熱點(diǎn)。隨著測(cè)量技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步,模型重建技術(shù)也得到了快速發(fā)展。但在實(shí)際應(yīng)用中,面對(duì)不斷增大的點(diǎn)云規(guī)模以及日益復(fù)雜的實(shí)體模型,模型重建過(guò)程仍存在自動(dòng)化水平不高、精度損失較大、不能有效地與下游應(yīng)用集成等問(wèn)題。本文針對(duì)模型重建理論及其應(yīng)用問(wèn)題,從點(diǎn)云幾何信息提

2、取、數(shù)據(jù)分割、曲面類型與參數(shù)提取及層切模型轉(zhuǎn)換等方面對(duì)模型重建關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的理論研究和實(shí)踐。
　　 點(diǎn)云幾何屬性(法矢、曲率等)的精確分析是模型重建的基礎(chǔ)。為了提高反向工程中大規(guī)模、形狀復(fù)雜且?guī)г肼朁c(diǎn)云的曲率計(jì)算精度,本文提出了基于移動(dòng)最小二乘曲面的曲率計(jì)算方法。根據(jù)移動(dòng)最小二乘曲面隱式表達(dá)推導(dǎo)了計(jì)算主曲率、方向曲率等的解析公式,并以實(shí)驗(yàn)和推導(dǎo)相結(jié)合的方法給出了自適應(yīng)選擇高斯核寬度的經(jīng)驗(yàn)公式。
　　 數(shù)據(jù)分割在模型

3、重建中起到承上啟下的作用。為了減少分割中的交互操作,準(zhǔn)確刻畫(huà)模型的幾何特征,本文提出了基于Morse-Smale復(fù)形的點(diǎn)云數(shù)據(jù)分割方法。通過(guò)在三角網(wǎng)格上建立和簡(jiǎn)化Morse-Smale復(fù)形對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行自動(dòng)劃分。在復(fù)形簡(jiǎn)化的基礎(chǔ)上,根據(jù)點(diǎn)云幾何屬性分布,實(shí)現(xiàn)了過(guò)渡特征及頂點(diǎn)混合特征的自動(dòng)分離,使分割結(jié)果更適應(yīng)于反向工程模型重建的要求。
　　 基于特征的反求建模策略能夠捕捉原始設(shè)計(jì)意圖,得到較高的模型重建精度?；谔卣鞯慕?其關(guān)鍵在

4、于特征識(shí)別及特征參數(shù)的提取。本文利用高斯映射和法曲率映射并結(jié)合概率和最小二乘方法進(jìn)行曲面類型自動(dòng)判別,能夠準(zhǔn)確識(shí)別出平面、規(guī)則二次曲面和旋轉(zhuǎn)拉伸面等特征。針對(duì)拉伸特征和旋轉(zhuǎn)特征,提出了基于點(diǎn)集對(duì)齊原理的參數(shù)調(diào)整方法,以提高參數(shù)的計(jì)算精度。
　　 復(fù)雜自由曲面重建需要對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行再劃分,采用多張面片擬合并拼接而成。為了合理確定面片數(shù)量和位置,本文提出了一種基于區(qū)域生長(zhǎng)的算法對(duì)自由曲面子域點(diǎn)云進(jìn)行自動(dòng)劃分。算法以Bezier曲面擬合誤

5、差作為控制參數(shù),通過(guò)區(qū)域擴(kuò)張過(guò)程得到各分區(qū)點(diǎn)云。
　　 基于測(cè)量點(diǎn)云的直接分層技術(shù)有著廣泛的應(yīng)用。然而由于直接分層以散亂的海量點(diǎn)云為輸入,數(shù)據(jù)間缺少有效聯(lián)系,可能導(dǎo)致層切模型的精度損失或結(jié)構(gòu)缺失。為此,本文提出了散亂測(cè)量點(diǎn)云整體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的提取算法,并將點(diǎn)云拓?fù)浜蛶缀涡畔?yīng)用于快速原型直接分層計(jì)算中,以提高層切模型建立的正確性和精度,并取得快速原型加工精度和速度之間的平衡。
　　 本文利用C++和OpenGL庫(kù),將上述關(guān)鍵