基于三維測量數據和CAD模型的自由曲面數字化檢測關鍵技術研究.pdf

1、現(xiàn)代工程運行于兩個相互聯(lián)系的三維世界:一個是物質世界,另一個是計算機中的虛擬世界.從虛擬世界到物質世界的信息流動由計算機輔助制造技術實現(xiàn),而從物質世界到虛擬世界的信息流動則借助于各種三維坐標測量設備.從物質世界獲取三維坐標數據以后,有時通過反向工程技術在這些測量數據的基礎上重構CAD模型,有時則把這些測量數據與已經存在的CAD模型進行比較.后者實際上是三維測量數據的分析過程,它在自由曲面產品的設計、制造和檢測過程中都有著極其重要的應用.

2、雖然有些三維坐標測量設備(如三坐標測量機)提供專有的數據分析功能,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據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據分析過程,并稱之為"基于三維測量數據和CAD模型的數字化檢測".一維測量數據位于測量設備的坐標系中,而CAD模型位于計算機中的一個任意坐標系.這兩個數據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,在計算三維測量數據與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,這個解決坐標系差異的過程稱為"配準"(registration).對于本身缺乏基準特征的自由曲面來說,配準是數字化檢測系統(tǒng)的核心和難點.理想的數字化檢測系統(tǒng)要求配準過程具有高精度、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.國內外相關研究以及現(xiàn)普遍采用的商業(yè)軟件(如Imageware)都尚未完全達到這些性能要求,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的自由曲面配準方法.目前CAD模型廣泛采用NURBS幾何表示.對于以檢測為目標的NURBS曲面與三維測量數據之間的配準,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)精細配準的"雙階段策略",即第一階段在NURBS的自適應離散三角網格面與三維測量數據之間使用"點—點"對齊法,第二階段在NURBS曲面本身與三維測量數據之間使用"點—面"對齊法.也就是說,雙階段配準策略包

5、含兩方面內容: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,通過在配準過程的前期迭代步中CAD模型使用逼近網格面,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)第一階段配準過程中,采用幾個匹配準則來考察網格頂點之

6、間的對應關系,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)第二階段配準過程中,提出了一種新的方法來驗證"點—面"對應關系,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,通過對測量數據實施自適應縮減,進一步提高了處理海量點云的配準效率.提出采用幾種指標來度量配準精度,使用模擬數據(包括含噪聲情況)進行了實例計算,與文獻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

7、獲得更精確的結果(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.由于上述精細配準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格面自動粗略配準方法,用來大致對齊相對位姿偏差較大的三維測量數據(以三角網格面表示)與NURBS曲面的離散網格(為減小計算量起見,此處不使用NURBS曲面本身).為配準兩個局部重疊的網格面,采用最小平方中值(LMS)估算器來計算剛體變換,它由"假設的產生

8、"和"假設的驗證"等兩個部分組成.為產生剛體變換的假設,利用以網格頂點為中心的球面與網格面求交計算一種特殊結構,稱為"控制點集".控制點集由一個位于中心的網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,而且對于剛體坐標變換具有不變性.基于中心頂點處曲率相似性以及關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,進而產生有

9、可能匹配兩個整體網格的剛體變換假設.在剛體變換假設的驗證階段,計算施加每個變換后兩個網格面之間的平方殘余距離的中值,最終從中選擇對應于最小值的剛體變換作為粗略配準問題的解.使用模擬數據進行了實例計算,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)的復雜曲面的大致對齊.該文初步實現(xiàn)了"基于三維測量數據和CAD模型的自由曲面數字化檢測"的原型系統(tǒng).結合面向對象語言,闡述了系

10、統(tǒng)的構成與實現(xiàn).開發(fā)了有關數據輸入、組織和處理的大量程序,如STL文件和IGES文件的后處理器、NURBS曲面的自適應離散算法等.采用以模擬數據設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據的案例,驗證了該文配準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問題,而該文配準方法能夠從任意初始