基于三維測量數(shù)據(jù)和CAD模型的自由曲面數(shù)字化檢測關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、現(xiàn)代工程運行于兩個相互聯(lián)系的三維世界:一個是物質(zhì)世界,另一個是計算機(jī)中的虛擬世界.從虛擬世界到物質(zhì)世界的信息流動由計算機(jī)輔助制造技術(shù)實現(xiàn),而從物質(zhì)世界到虛擬世界的信息流動則借助于各種三維坐標(biāo)測量設(shè)備.從物質(zhì)世界獲取三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)以后,有時通過反向工程技術(shù)在這些測量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上重構(gòu)CAD模型,有時則把這些測量數(shù)據(jù)與已經(jīng)存在的CAD模型進(jìn)行比較.后者實際上是三維測量數(shù)據(jù)的分析過程,它在自由曲面產(chǎn)品的設(shè)計、制造和檢測過程中都有著極其重要的應(yīng)用.

2、雖然有些三維坐標(biāo)測量設(shè)備(如三坐標(biāo)測量機(jī))提供專有的數(shù)據(jù)分析功能,但它們都不同程度地依賴于硬件本身.因此,開發(fā)不依賴于特定測量硬件的通用數(shù)據(jù)分析軟件具有很大的實用價值和商業(yè)潛力.該文主要研究這種數(shù)據(jù)分析過程,并稱之為"基于三維測量數(shù)據(jù)和CAD模型的數(shù)字化檢測".一維測量數(shù)據(jù)位于測量設(shè)備的坐標(biāo)系中,而CAD模型位于計算機(jī)中的一個任意坐標(biāo)系.這兩個數(shù)據(jù)集代表同一個幾何實體,但在空間中卻處于不同的位置和方向.顯然,在計算三維測量數(shù)據(jù)與CAD模

3、型之間的差別之前,必須首先矯正兩者在位置和方向上的差異,這個解決坐標(biāo)系差異的過程稱為"配準(zhǔn)"(registration).對于本身缺乏基準(zhǔn)特征的自由曲面來說,配準(zhǔn)是數(shù)字化檢測系統(tǒng)的核心和難點.理想的數(shù)字化檢測系統(tǒng)要求配準(zhǔn)過程具有高精度、高效率和對初始相對位姿具有優(yōu)異的魯棒性,此外必須能夠處理局部重疊所造成的局外點問題.國內(nèi)外相關(guān)研究以及現(xiàn)普遍采用的商業(yè)軟件(如Imageware)都尚未完全達(dá)到這些性能要求,因而不能很好地滿足工程實際的需

4、要.有鑒于此,該文試圖研究在上述方面的性能上都有所改進(jìn)的自由曲面配準(zhǔn)方法.目前CAD模型廣泛采用NURBS幾何表示.對于以檢測為目標(biāo)的NURBS曲面與三維測量數(shù)據(jù)之間的配準(zhǔn),首要的性能要求是獲得高精度,其次具有高效率.為此該文提出了實現(xiàn)精細(xì)配準(zhǔn)的"雙階段策略",即第一階段在NURBS的自適應(yīng)離散三角網(wǎng)格面與三維測量數(shù)據(jù)之間使用"點—點"對齊法,第二階段在NURBS曲面本身與三維測量數(shù)據(jù)之間使用"點—面"對齊法.也就是說,雙階段配準(zhǔn)策略包

5、含兩方面內(nèi)容:一方面分階段采用不同的CAD模型表示方式,另一方面分階段采用不同的對齊方法.由于涉及參數(shù)曲面的計算需要求解計算量很大的非線性方程組,通過在配準(zhǔn)過程的前期迭代步中CAD模型使用逼近網(wǎng)格面,顯著減低了計算量并提高了速度.而分階段采用兩種不同的對齊方法,既利用了"點—點"對齊法計算量較小、存在封閉形式解法等優(yōu)點,又利用了"點—面"對齊法收斂速度快、對局部極值更魯棒等優(yōu)點.在實現(xiàn)第一階段配準(zhǔn)過程中,采用幾個匹配準(zhǔn)則來考察網(wǎng)格頂點之

6、間的對應(yīng)關(guān)系,以此減輕或消除局部重疊所造成的局外點的影響.在實現(xiàn)第二階段配準(zhǔn)過程中,提出了一種新的方法來驗證"點—面"對應(yīng)關(guān)系,從而既避免了原始"點—面"對齊法中選擇控制點的困難,又保證了獲得高精度.另外,通過對測量數(shù)據(jù)實施自適應(yīng)縮減,進(jìn)一步提高了處理海量點云的配準(zhǔn)效率.提出采用幾種指標(biāo)來度量配準(zhǔn)精度,使用模擬數(shù)據(jù)(包括含噪聲情況)進(jìn)行了實例計算,與文獻(xiàn)中普遍采用的全過程單一"點—點"對齊法(即ICP法)相比,該文方法能夠在更短的時間內(nèi)

7、獲得更精確的結(jié)果(精度提高了近二倍),并且具有相似的對于測量噪聲的魯棒性能.由于上述精細(xì)配準(zhǔn)是一個迭代的距離極小化過程,它需要好的初值才能收斂到全局最優(yōu)解.為此該文提出了一種全新的三角網(wǎng)格面自動粗略配準(zhǔn)方法,用來大致對齊相對位姿偏差較大的三維測量數(shù)據(jù)(以三角網(wǎng)格面表示)與NURBS曲面的離散網(wǎng)格(為減小計算量起見,此處不使用NURBS曲面本身).為配準(zhǔn)兩個局部重疊的網(wǎng)格面,采用最小平方中值(LMS)估算器來計算剛體變換,它由"假設(shè)的產(chǎn)生

8、"和"假設(shè)的驗證"等兩個部分組成.為產(chǎn)生剛體變換的假設(shè),利用以網(wǎng)格頂點為中心的球面與網(wǎng)格面求交計算一種特殊結(jié)構(gòu),稱為"控制點集".控制點集由一個位于中心的網(wǎng)格頂點和若干圍繞中心頂點有序排列的周圍點組成,每個點都是帶有法矢的"中向點".控制點集反映了中心頂點周圍的局部表面形狀,而且對于剛體坐標(biāo)變換具有不變性.基于中心頂點處曲率相似性以及關(guān)于距離與夾角的剛性約束,提出了利用控制點集實現(xiàn)任意相對位姿的兩個局部表面區(qū)域之間匹配的方法,進(jìn)而產(chǎn)生有

9、可能匹配兩個整體網(wǎng)格的剛體變換假設(shè).在剛體變換假設(shè)的驗證階段,計算施加每個變換后兩個網(wǎng)格面之間的平方殘余距離的中值,最終從中選擇對應(yīng)于最小值的剛體變換作為粗略配準(zhǔn)問題的解.使用模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行了實例計算,表明該方法對初始相對位姿和局外點都具有優(yōu)異的魯棒性,能夠從任意初始相對位姿出發(fā)實現(xiàn)局部重疊(可容忍50％的局外點)的復(fù)雜曲面的大致對齊.該文初步實現(xiàn)了"基于三維測量數(shù)據(jù)和CAD模型的自由曲面數(shù)字化檢測"的原型系統(tǒng).結(jié)合面向?qū)ο笳Z言,闡述了系

10、統(tǒng)的構(gòu)成與實現(xiàn).開發(fā)了有關(guān)數(shù)據(jù)輸入、組織和處理的大量程序,如STL文件和IGES文件的后處理器、NURBS曲面的自適應(yīng)離散算法等.采用以模擬數(shù)據(jù)設(shè)計的具有不同初始相對位姿的案例,以及車窗玻璃的實際測量數(shù)據(jù)的案例,驗證了該文配準(zhǔn)方法的正確性和實用性.與商業(yè)軟件Imageware的比較表明,該文配準(zhǔn)方法具有更高的精度,速度是可以接受的.更為突出的是,Imageware不能處理工程實際中常見的局部重疊曲面配準(zhǔn)問題,而該文配準(zhǔn)方法能夠從任意初始