| 1 引言 反求工程（或稱逆向工程）是一門發(fā)展迅速的新興技術(shù)。實物反求技術(shù)被用于基于已有產(chǎn)品實物的產(chǎn)品再設(shè)計，或?qū)σ恍o法用數(shù)字化手段直接表述和設(shè)計、而只能以實物形式表達(dá)的產(chǎn)品模型（如油泥模型）進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換，以實施對這些產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)計與制造。例如，在對飛機、導(dǎo)彈等飛行器的外型進(jìn)行空氣動力學(xué)設(shè)計時，完全基于實驗優(yōu)化得到的實物模型無法直接用現(xiàn)有的CAD/CAM系統(tǒng)進(jìn)行建模表述，因此，為了實現(xiàn)這些飛行器的數(shù)字化設(shè)計與制造，就必須利用實物反求工程中的點云數(shù)據(jù)采集技術(shù)將實物模型轉(zhuǎn)換為CAD模型。目前，實物反求技術(shù)已在新產(chǎn)品設(shè)計、產(chǎn)品維修、產(chǎn)品在線檢測等方面得到了廣泛應(yīng)用。
在實物反求工程中，為實現(xiàn)對象數(shù)字化，必須利用相應(yīng)的測量或掃描設(shè)備對產(chǎn)品三維實物模型進(jìn)行測量或掃描，以獲得實物模型的空間拓?fù)潆x散點數(shù)據(jù)點云。因此，點云數(shù)據(jù)采集是實物反求時首先必須完成的工作。在各種實物測量技術(shù)中，近年來出現(xiàn)的光學(xué)掃描點云數(shù)據(jù)采集技術(shù)具有測量效率高、數(shù)據(jù)完整性好、適用范圍廣、可采集數(shù)據(jù)范圍寬（從數(shù)毫米至數(shù)十米）等諸多優(yōu)點。
近年來，國內(nèi)不少高校和科研院所對實物反求技術(shù)進(jìn)行了大量研究和開發(fā)，并在一些關(guān)鍵技術(shù)上有所突破。通過自主開發(fā)和技術(shù)合作，國內(nèi)在接觸式測量技術(shù)及設(shè)備的開發(fā)與應(yīng)用上已日趨成熟。但對于非接觸測量的光學(xué)掃描點云數(shù)據(jù)采集技術(shù)，目前還很少見到有國內(nèi)研制開發(fā)的成熟產(chǎn)品及其在汽車、模具等行業(yè)成功應(yīng)用的公開報道。為促進(jìn)對光學(xué)掃描點云數(shù)據(jù)采集及處理技術(shù)的研究與開發(fā)，并提供對外技術(shù)服務(wù)，我校引進(jìn)了國外某公司生產(chǎn)的流動式光學(xué)掃描設(shè)備。在設(shè)備使用過程中，經(jīng)常因操作失誤、調(diào)整不當(dāng)?shù)仍蛟斐蓽y量誤差過大的問題。為了透徹消化國外引進(jìn)技術(shù)，筆者結(jié)合工作實踐對此進(jìn)行了研究和分析，并提出了相應(yīng)的解決方案。 2 測量誤差主要表現(xiàn)形式
（1）采集數(shù)據(jù)缺失或數(shù)據(jù)密度達(dá)不到要求。用這種不完整的數(shù)據(jù)進(jìn)行點云擬合，誤差較大，難以達(dá)到要求的測量精度。
（2）對同一表面的數(shù)據(jù)采集結(jié)果表現(xiàn)為多層點云。這種情況往往出現(xiàn)于被測對象為大型工件或工件為透明物體時。
（3）單幅采集數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，影響整體測量精度。
（4）累積誤差過大，使測量結(jié)果出現(xiàn)明顯偏差。
（5）點云拼接錯誤，導(dǎo)致較大測量誤差。
（6）測量結(jié)果中粗大點(噪音)數(shù)據(jù)過多。
3 誤差原因分析及提高精度的對策
筆者結(jié)合實際工作經(jīng)驗，通過測試分析，將產(chǎn)生較大測量誤差的主要原因歸納為：標(biāo)定不當(dāng)、標(biāo)尺使用不當(dāng)；測頭鏡頭組合選擇不當(dāng);測量順序不當(dāng)；測量策略選擇不當(dāng);工件表面標(biāo)志點安放不當(dāng)；測量過程中操作不當(dāng)；工件被測表面預(yù)處理不當(dāng)；后處理不當(dāng)；測量環(huán)境選擇不當(dāng)?shù)龋F(xiàn)分別分析如下：
（1）標(biāo)定不當(dāng)、標(biāo)尺使用不當(dāng)
掃描測量頭（測頭）由光源、CCD攝像機及相應(yīng)的鏡頭組構(gòu)成。在進(jìn)行點云數(shù)據(jù)采集之前，首先需要對測頭進(jìn)行初始化，主要內(nèi)容包括：
①根據(jù)被測對象的大小、表面特征的多少及其復(fù)雜程度選擇不同的鏡頭組合；
②根據(jù)測量現(xiàn)場條件、被測對象的表面形態(tài)及表面處理情況確定主光源的光強；
③根據(jù)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)工作流程對所選定的鏡頭組合進(jìn)行標(biāo)定，使標(biāo)定精度值≤0.020；
如果測量之前未進(jìn)行上述工作，而是直接使用以前標(biāo)定的測頭進(jìn)行測量，則可能因鏡頭組合、光源光強、標(biāo)定精度不符合本次測量要求而無法保證測量精度，導(dǎo)致產(chǎn)生較大誤差。
在測量中，如果因操作失誤而使測頭受到?jīng)_擊、碰撞，應(yīng)及時對測頭進(jìn)行檢查，如已發(fā)生損壞，要進(jìn)行修理；如未發(fā)生損壞，也必須對測頭進(jìn)行重新標(biāo)定；即使測量中未發(fā)生任何操作失誤，但如果測量時間較長，也需定時對測頭進(jìn)行快速標(biāo)定，檢查測頭的精度狀況。
標(biāo)尺是對大型工件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時利用數(shù)碼像機對整個工件上的標(biāo)識點進(jìn)行定位的必備工具，所使用標(biāo)尺上的標(biāo)準(zhǔn)尺寸應(yīng)與實際利用照片進(jìn)行處理時所顯示的尺寸數(shù)值一致。
（2）測頭鏡頭組合選擇不當(dāng)
采集大型工件表面點云數(shù)據(jù)時，應(yīng)選用測量范圍較大的鏡頭組合，以實現(xiàn)總體數(shù)據(jù)的快速采集；對于其中部分特征較多、較小的區(qū)域，則最好選用測量范圍較小的鏡頭組合再進(jìn)行局部小特征的突出測量，以獲得較好的測量效果。
對于大型工件，如選擇測量范圍較小的鏡頭組合進(jìn)行測量，則要求工件表面有較多用于點云拼接的標(biāo)識點，這就會延長工件預(yù)處理時間，加大測量時間跨度，因環(huán)境溫度隨時間變化引起的誤差就會反映到測量結(jié)果中，且會影響整個測量效率。如果用數(shù)碼像機對整個工件上的標(biāo)識點進(jìn)行定位，測量時自動進(jìn)行拼接，則因標(biāo)識點數(shù)較多、出現(xiàn)標(biāo)識點之間關(guān)系相同的概率變大，容易發(fā)生拼接錯誤；如果不用數(shù)碼相機對整個工件上的標(biāo)識點進(jìn)行定位，相鄰單幅點云之間利用共同標(biāo)識點進(jìn)行拼接，則由于拼接次數(shù)較多，也會產(chǎn)生拼接累積誤差過大的現(xiàn)象。
反之，對于小型工件，如果選擇測量范圍較大的鏡頭組合進(jìn)行測量，則無法準(zhǔn)確反映工件上的小特征，使測量結(jié)果達(dá)不到要求的精度，需要重新更換合適的鏡頭組合，重新進(jìn)行標(biāo)定和測量。
（3）測量順序不當(dāng)
測量順序是指測量時相鄰單幅測量結(jié)果間的疊加順序。以測量一個細(xì)長工件為例，圖中1,2,3,4,5所示矩形區(qū)域為當(dāng)前標(biāo)定測頭的測量范圍。當(dāng)按圖所示發(fā)射狀排列方式測量工件時，首先測量工件中間位置，完成中間第1幅的測量后，再測量第2幅，然后利用三個共同的標(biāo)志點將第2幅與第1幅進(jìn)行拼合，此時會產(chǎn)生一個拼接誤差。同樣，第3幅與第2幅之間進(jìn)行拼合時，也會產(chǎn)生一個拼接誤差。假設(shè)所有的拼接誤差大小相同，則1,2,3之間產(chǎn)生的累積誤差為28，1,4,5之間產(chǎn)生的累積誤差也為28。測量結(jié)果顯示，1,2,3之間的累積誤差與1,4,5之間的累積誤差并不形成疊加關(guān)系，因此總的累積誤差仍為28。如按圖2所示的順序排列方式測量工件，則最大累積誤差為48。因此，測量時應(yīng)盡可能采用“以中心為基準(zhǔn)，發(fā)射狀排列”的測量順序，以減小累積誤差。
（4）測量策略選擇不當(dāng)
測量時，應(yīng)將被測工件按大型工件、中型工件、小尺寸多特征工件、內(nèi)腔工件等進(jìn)行分類，對于每類工件應(yīng)相應(yīng)采取不同的測量策略。
測量大型工件時，可首先用數(shù)碼像機對標(biāo)識點進(jìn)行總體定位，然后選擇一個單幅測量范圍較大的鏡頭組合進(jìn)行測量；如工件尺寸過大，可分兩次進(jìn)行測量，然后利用共同的參考點進(jìn)行拼合；如大尺寸工件中存在較多的局部小特征，則可在測量基本完成后，再選用一組測量范圍較小的鏡頭組合進(jìn)行局部測量。為便于小范圍測量的自動拼合，對該局部進(jìn)行預(yù)處理時應(yīng)增加參考點的密度。
測量中、小型工件時，應(yīng)注意采用正確的測量順序，以減少累積誤差。實際上，對中、小型工件也可以采用對大尺寸工件的測量策略，但必須配備用于對參考點進(jìn)行總體定位的數(shù)碼像機及相關(guān)軟件。
測量工件內(nèi)腔表面時，為克服光學(xué)掃描測量設(shè)備的景深限制，可采取一些技術(shù)手段將內(nèi)腔測量轉(zhuǎn)化為外型測量，如可將硅膠注人工件內(nèi)腔中，待其凝固后取出，對其外型進(jìn)行測量。
（5）工件表面標(biāo)志點安放不當(dāng)
不管是大型工件還是中、小型工件的測量，都會遇到工件表面標(biāo)志點的安放問題。
大型工件的數(shù)據(jù)采集一般需要使用標(biāo)尺和數(shù)碼像機，測量可分兩步進(jìn)行:第一步，利用大的數(shù)碼點對用于單幅測量點云拼合的標(biāo)志點進(jìn)行整體構(gòu)造，為保證通過正常運算獲得單幅測量用的標(biāo)志點點云，必須遵循圖1所示的排列規(guī)則；第二步，以標(biāo)志點點云作為參考系，系統(tǒng)會將測得的每個單幅點云中的標(biāo)志點與已有參考點云中的標(biāo)志點進(jìn)行比較，如二者吻合，則自動進(jìn)行拼合，兩個相鄰單幅點云之間不必再有重疊部分。也可進(jìn)行測量，但前提是每個單幅點云都必須包含至少三個標(biāo)志點，此時需對被測區(qū)域適當(dāng)粘貼標(biāo)志點，否則會造成測量困難或使測量精度下降。
中型工件的標(biāo)志點粘貼與大型工件有所不同，由于相鄰兩幅點云的自動(或手工)拼合需要根據(jù)相鄰單幅點云的共同標(biāo)志點來完成，因此中型工件的標(biāo)志點粘貼密度應(yīng)大于大型工件，否則難以實現(xiàn)相鄰兩幅點云的拼合。
由于小型工件標(biāo)志點的安放會不同程度地掩蓋工件上的特征，因此工件表面應(yīng)盡量少貼或不貼標(biāo)志點，以獲得較完整的掃描數(shù)據(jù)。
此外，一般應(yīng)將標(biāo)志點粘貼在工件上較平整的位置，以減小對標(biāo)志點處點云補缺的難度及相應(yīng)的測量誤差。
（6）測量過程中操作不當(dāng)
在測量過程中，應(yīng)注意以下操作要點：
①調(diào)整測頭方位，使被測部位同時位于兩個測頭的測量范圍之內(nèi)；
②調(diào)整主光源的光強，分別調(diào)整標(biāo)識點和工件表面的清晰度，使測量部位的標(biāo)識點及工件表面達(dá)到最清晰程度；
③測量過程中應(yīng)盡量避免對測頭的沖擊或碰撞。如不慎發(fā)生這種情況，應(yīng)及時對測頭進(jìn)行檢查和重新標(biāo)定，以保持后續(xù)測量的精度，否則，測量結(jié)果會顯示測量部件數(shù)據(jù)缺失，甚至使測量完全無法繼續(xù)進(jìn)行。
（7）工件被測表面預(yù)處理不當(dāng)
開始測量前，需要對工件表面進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理。如果工件形狀十分簡單，且工件尺寸較小，通過單幅測量即可完成數(shù)據(jù)采集，則只需使工件表面能在主光源照射下形成漫反射即可。但通常情況下，僅僅通過單幅掃描測量很難完成對一個完整工件的數(shù)據(jù)采集，且一般的工件表面在主光源照射下也很難形成符合測量要求的漫反射，因此必須在工件表面預(yù)設(shè)一些參考點，利用共同的參考點對各次測量結(jié)果進(jìn)行拼合，并用著色劑對工件表面進(jìn)行均勻噴涂處理，使工件表面形成較理想的漫反射。
被測工件表面預(yù)處理不當(dāng)主要指：
①工件表面某些部位反光過強或吸光過多，不能形成適合掃描要求的漫反射，導(dǎo)致無法形成有效的點云，測量結(jié)果顯示該部位數(shù)據(jù)缺失；
②缺乏足夠的參考點，導(dǎo)致無法進(jìn)行拼合，即使能形成點云，也只是分散點云而不是整體點云；
③工件表面參考點的粘貼一致性太強，缺少特點，使系統(tǒng)無法有效識別單幅點云的拼合位置，從而容易產(chǎn)生拼合錯誤，難以形成被測工件的整體點云。
工件被測表面預(yù)處理不當(dāng)還包括未對工件表面不能正確反映設(shè)計意圖的部分進(jìn)行修正、工件表面在測量中被碰傷而未及時修復(fù)、工件安放狀態(tài)不當(dāng)(如工件受力)等非測量因素。此外，在對工件內(nèi)腔(如發(fā)動機氣道)進(jìn)行硅膠注射以形成模型時，注射量不足或硅膠中氣泡過多也會使形成的模型不能正確反映工件內(nèi)腔實際形狀。
（8）后處理不當(dāng)
在光學(xué)掃描測量中，并非測量所得數(shù)據(jù)即為點云數(shù)據(jù)，測量的過程實際上是形成工件影像的過程，要獲得點云數(shù)據(jù)，還需利用ATOS系統(tǒng)對形成的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理。對于用單幅點云進(jìn)行拼合生成的結(jié)果，首先需要利用幾個共同的標(biāo)識點將所有的單幅數(shù)據(jù)對齊，以減少累積誤差;然后利用對齊后的點云進(jìn)行重運算，將影像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為點云數(shù)據(jù)。此時的點云數(shù)據(jù)可能還存在密度不均勻、粗大誤差點多等問題，可再經(jīng)過三角網(wǎng)格化處理(Polygonize)，最終獲得質(zhì)量較好的點云數(shù)據(jù)。
當(dāng)然，后處理不僅僅包括上述內(nèi)容。在實際測量中，掃描獲得的數(shù)據(jù)點并不一定只局限于所測實物模型，一些不屬于該模型的、測量環(huán)境中的隨機點也被同時測人，因此在進(jìn)行后處理時必須去除這些不需要的點，以減小其后在基于點云數(shù)據(jù)進(jìn)行三維CAD模型構(gòu)造時產(chǎn)生錯誤的可能性。
此外，后處理還包括對點云的簡化處理。在一個實物反求點云中，對工件各個部位的精度要求并非完全相同，因此，對一些不太重要的部位可作降低點云密度的簡化處理；對一些比較重要的部位則可提高其點云密度。這樣不僅能保證三維模型構(gòu)造的精度要求，而且可大大提高建模效率。
當(dāng)然，后處理不僅僅包括上述內(nèi)容。在實際測量中，掃描獲得的數(shù)據(jù)點并不一定只局限于所測實物模型，一些不屬于該模型的、測量環(huán)境中的隨機點也被同時測人，因此在進(jìn)行后處理時必須去除這些不需要的點，以減小其后在基于點云數(shù)據(jù)進(jìn)行三維CAD模型構(gòu)造時產(chǎn)生錯誤的可能性。
此外，后處理還包括對點云的簡化處理。在一個實物反求點云中，對工件各個部位的精度要求并非完全相同，因此，對一些不太重要的部位可作降低點云密度的簡化處理；對一些比較重要的部位則可提高其點云密度。這樣不僅能保證三維模型構(gòu)造的精度要求，而且可大大提高建模效率。
4 結(jié)語
近年來，實物反求技術(shù)在新產(chǎn)品設(shè)計、產(chǎn)品改型設(shè)計、模具制造等方面正發(fā)揮著越來越重要的作用，在汽車制造、航空航天、機床工具、國防軍工、電子、模具等領(lǐng)域的應(yīng)用日趨廣泛。但目前國內(nèi)對相關(guān)技術(shù)的研究還比較滯后，相關(guān)的技術(shù)裝備還主要依賴進(jìn)口。因此，研究和開發(fā)具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的實物反求技術(shù)及設(shè)備，并盡快實現(xiàn)商品化應(yīng)用，是該領(lǐng)域的當(dāng)務(wù)之急。本文對光學(xué)掃描點云數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實際應(yīng)用中的精度影響因素進(jìn)行了分析，并提出了相應(yīng)對策，希望能對提高相關(guān)測量設(shè)備的應(yīng)用水平有所幫助，同時也可為實物反求技術(shù)的研究提供一些可資借鑒的實際經(jīng)驗，促進(jìn)我國反求工程技術(shù)開發(fā)、應(yīng)用水平的不斷提高。 | 
