简析逆向工程测量技术

摘 要：数据的获取、测量是逆向工程中的第一个步骤,也是逆向工程测量最关键的技术之一.综合接触式工程测量技术和非接触式工程测量技术的实物数据获取方法,是目前众多逆向工程测量技术中针对大型的、结构复杂的测量对象最具有高效性的一种工程测量方式.

关 键 词：逆向工程；测量；技术

一、引言

数据的获取、测量是逆向工程中的第一个步骤,也是逆向工程测量最关键的技术之一.综合接触式工程测量技术和非接触式工程测量技术的实物数据获取方法,是目前众多逆向工程测量技术中针对大型的、结构复杂的测量对象最具有高效性的一种工程测量方式.这种方法由接触式工程测量技术获取散布在被测物体上或周围的人工标记点群的三维坐标,再以这些坐标数据作为非接触式工程测量数据拼接的依据,从而获取得到整体测量数据.这种综合方法既具有以往工程测量技术的高效性,又消除了数据拼接时的累积误差.

二、逆向工程概述

逆向工程,又称反求工程、反向工程,指通过各种测量手段和三维几何建模方法,将已有实物原型转化为计算机上的三维数字模型的过程,是工程测量技术、计算机软硬件技术的综合.近几十年来,随着计算机技术的发展,CAD技术已经广泛地应用于工程测量工作,但由于多种因素的限制,现实世界中的很多物体形状并不能完全用CAD设计的方法进行描述.因而,我们提出了逆向工程的概念.这种实物数字化建模的方法如今己经发展为CAD/CAM中的一个相对独立的范畴,成为复杂工程测量的重要手段之一.

三、逆向工程测量数据获取技术研究

数据获取是反求工程的关键技术,数据的获取通常是利用一定的测量设备对所测工程进行数据采样,得到的是采样数据点的（x,y,z）坐标值.数据获取的方法大致分为两类：接触式和非接触式.

1.接触式工程测量技术接触式工程测量技术是在机械手臂的末端安装探头,通过与工程表面接触来获取表面信息,目前最常用的接触式测量系统是三坐标测量机（CMM）.传统的坐标测量机多采用机械探针等触发式测量头,可通过编程规划扫描路径进行点位测量,每一次获取被测形面上一点的（x,y,z）坐标值,测量速度都很慢.CMM的优点是测量精度高,对被测工程无特殊要求,对不具有复杂内部型腔、特征几何尺寸繁多、只有少量特征曲面的被测工程,CMM是一种非常有效可靠的三维数字化手段.它的缺点是不能对软物体进行精密测量；昂贵,对使用环境要求高；测量速度慢,测量数据密度低,测量过程需人工干预；还需要对测量结果进行探头损伤及探头半径补偿,无法测量小于测头半径的凹面工程,这些不足限制了它在快速反求领域中的应用.

2.非接触式工程测量技术

2.1激光线结构光扫描测量技术.激光线结构光扫描测量技术是一种基于三角测量原理的主动式结构光编码工程测量技术,亦称为光切法,通过将一线状激光束投射到三维物体上,利用CCD摄取物面上的二维变形线图像,即可解算出相应的三维坐标.每个测量周期可获取一条扫描线,物体的全轮廓测量是通过多轴可控机械运动辅助实现的.这类设备的扫描速度可达15000点/秒,测量精度在±0.01～±0.1mm之间,适中,对测量工程对象型面的光学特性要求不高.

2.2投影光栅测量技术.投影光栅测量技术是一类主动式全场三角测量技术,通常采用普通白光将正弦光栅或矩形光栅投影于被测物面上,根据CCD摄取变形光栅图像,根据变形光栅图像中条纹像素的灰度值变化,可解算出被测物面的空间坐标,这类测量方法具有很高的测量速度和较高的精度,是近年发展起来的一类较好的三维传感技术.根据形变、高度关系的描述方法的不同,光栅测量可分为两类：直接三角法和相位测量法.直接三角法原理简单、速度快,不易受被测工程物面不连续等干扰的影响,但是其测量精度不高,不能实现全场测量；而相位测量法测量精度相对较高.

2.3计算机断层扫描（CT）技术.计算机断层扫描（CT）技术最具代表的是基于X射线的CT扫描机,它是以测量物体对X射线的衰减系数为基础,用数学方法经过计算机处理而重建断层图像,这种方法最早是应用于医疗领域,目前已经广泛用于工程测量领域,即称为“工程CT”.对中空物体的无损三维测量,这种方法是目前较先进的非接触式检测方法,它可对被测工程的内部形状、壁厚、材料,尤其是内部构造进行测量,该方法同样能够获得被测工程内表面数据,且不破坏工程结构.但它存在造价高,测量系统的空间分辨率低,获取数据时间长,设备体积大等缺点.

2.4立体视觉测量技术.立体视觉测量是根据同一个三维空间点在不同空间位置的两个（或多个）摄像机拍摄的图像中的视差,以及摄像机之间位置的空间几何关系来获取该点的三维坐标值.立体视觉测量方法可以对处于两个（或多个）摄像机共同视野内的目标特征点进行测量,而无须伺服机等扫描装置.立体视觉测量面临的最大困难是空间特征点在多幅数字图像中提取与匹配的精度与准确性等问题.近来出现了将具有空间编码的结构光投射到被测工程表面,制造测量特征的方法有效解决了测量特征提取和匹配的问题,但在测量精度与测量点的数量上仍需改进.

四、实际施工中的测量技术

综合接触式工程测量技术和非接触式工程测量技术的实物数据获取方法,是目前众多逆向工程测量技术中针对大型的、结构复杂的测量对象最具有高效性的一种工程测量方式.这种方法由接触式工程测量技术获取散布在被测物体上或周围的人工标记点群的三维坐标,再以这些坐标数据作为非接触式工程测量数据拼接的依据,从而获取得到整体测量数据.这种综合方法既具有以往工程测量技术的高效性,又消除了数据拼接时的累积误差.

在实际测量中,测量方法的选用需根据被测物体的形状特征和应用目的决定.作为一种检测仪器出现的三坐标测量机在逆向工程应用中发展成为实物外形数字化的主要设备,但存在测量速度慢,需要进行测头半径补偿；因测量力过大,不能测量松软材料样件等缺点.随着硬件技术的不断发展,光学非接触式测量技术得到了迅速发展.以高响应,高分辨率著称.该方法具有测量速度快,测量精度高,不受环境电磁场干扰,工作距离大,可测量材质松软的样件等优点,成功地解决了接触式测量方法所存在的问题.在未来的发展趋势中,非接触式测量将越来越占据主要地位,但三坐标测量机在精度方面仍具有优势.对一些具有特殊的数字化要求的实物（如内部结构）,基于CT和MRI的测量依然是一种不可替代的测量手段.可以说,迄今为止,还没有一种完全适合于快速逆向技术的快速、精确的全能测量方法.

五、结束语

现代逆向工程测量技术是将接触式测量技术和非接触式测量技术相融合,是实现被测工程整体测量和数据拼接的有效方法,其使用越来越广泛.虽然关于摄影测量技术的研究几乎是自照相机发明以来就开始了,但是用于逆向测量工程的数字近景摄影测量技术仍然是一门“年轻”的技术,它继承了“摄影测量与遥感”领域的许多知识和技术,同时又发展出许多自身特有的技术和方法,比如设置人工标志点.笔者认为,研究逆向工程测量技术,对现代工程测量技术的发展有着重要的现实意义.