基于逆向工程的玩偶数据点云处理技术

江苏省徐州机电工程高等职业学校  陈子银

本文对逆向工程中数据格式转换及补偿、噪声点剔除、多视图数据整合对齐、数据点精化、数据点加密、数据点排序和数据点分割的原理进行分析。通过对玩偶扫描数据的处理，重点研究了逆向工程中一种快速提出噪声点的3D边界法。

    一.引言

为了实现对点云数据的处理，目前许多CAD/CAM公司推出的软件中都不断地增加了这些功能。如SIEMENS公司的UG、美国PTC公司的Pro/ENGINEER、法国的CATIA、以色列的Cimatron等软件，它们都增加了逆向工程扫描数据的处理模块。这些软件中的逆向工程扫描处理模块，能实现数据处理的目的，它获得所测量数据的基本特征信息，这些信息包括扫描的方向、步距、扫描点总数、扫描线总数、三维空间极值等，这些信息都有助于进行后续的曲面重构。

二.玩偶的数据点云处理技术

由于实物几何和测量手段的制约，在数据测量时，会存在部分测量盲区和缺口，给后续的造型带来影响。“点云”是三维空间中的数据点的集合。因此，有必要对测量数据进行有效地处理，使得后续的模型重构方便可行。对于玩偶的点云数据，在模型重构之前需要对其作一些列的前期处理，如数据平滑、可视化分析、数据分割等。测量数据处理技术是产品逆向建模的重要基础。下面结合玩偶点云实际，说明点云数据处理技术。

1.数据格式转换与补偿

目前，市场上应用的CAD/CAM软件类型较多，而且每一种CAD/CAM系统都有自己的数据文件格式，这给实现这些CAD/CAM软件之间的数据通信带来了许多不便。正由于市场上流行的CAD/CAM系统内部产品模型的数据结构和格式各不相同，影响了数据传输和程序衔接的自动化，也给三坐标测量机与CAD/CAM之间的数据通信带来困难。另外，在UG软件对玩偶曲面进行重构之后，也要降UG软件的数据格式转换到MasterCAM软件中进行自动编程与后置处理。而且在逆向工程的数据处理中，有些数据扫描系统，特别是接触式扫描系统，扫描获得零件表面的坐标值并非接触点的坐标值，而是反映测头中心或顶部的值，为了描述零件表面上点的实际坐标值，必须对这些坐标值进行补偿转换。

2.噪声点剔除

在玩偶曲面的实际测量过程中，由于各种人为或随机因素的影响，导致获得的原始数据点跟着产生噪声数据，即所谓的噪声点。根据经验和实践积累，这部分数据大约占数据总量的0.1%～5%。传统中使用的最简单的噪声剔除方法是人机交互，通过图形显示，判别明显坏点，在数据序列中将这些点剔除。还有一种去除噪声点的方法是角度判别法，以去除一些断点噪声。本文采用的UG软件进行玩偶曲面的数据处理，采用的方法就是使用角度判别法进行自动断点探测。

3. 多视数据整合对齐

多视数据整合对齐有两种方式：一种是事后的数据对齐处理；一种是通过专用的测量装置实现测量数据的直接对齐。通过长期的研究和实践，通常将事后的数据对齐处理分为数据的直接对齐（它是直接对数据点集进行操作实现数据对齐）和基于图形的对齐（基于图形的操作快捷、结果准确，多视数据整合对齐大多采用事后数据直接对齐）两种方法。

4.数据点精化

在玩偶数据点精化的研究中，提出了各种处理方法。用均匀网格精化数据，选择图像处理过程中的中值滤波。

三.基于UG软件的玩偶数据处理技术

UG的逆向造型遵循：点→线→面→体的一般原则。事实上，一些圆柱、凸台等特征是在整体轮廓确定之后，测量实体模型并结合扫描数据生成的。同时，应尽量选择一些扫描质量比较好的点或线，对其进行拟合。下面以三坐标测量机扫描测量得到的玩偶数据为例，说明扫描数据的处理过程及使用的处理方法。

1.玩偶扫描数据的转换

NHL三坐标测量机的三维扫描Measure测量软件，它是采用基于特征测量方法的控制及数据处理软件，为用户提供了一个非常容易学习的图形接口。它减少了误差的可能性，并可使任何接受过基本培训的人都可以进行测量。该软件系统具有执行诸如将测量同统计估算结合的多任务的功能，并能通过柔性协议同几乎任何打印机、绘图仪或监测装置进行通讯。此外，还有应用程序软件包，它包括SPC、手动或自动连续扫描及DMIS转换程序，另外还配有能以图形方式显示测量结果转换成管理报告。Measure测量软件可将获得的玩偶点云数据输出为“IGES”格式的CAD文件，如图11所示。

图1  Measure软件导出“IGES”文件

    在玩偶点云数据处理过程中，这里应用的是UG软件，并使用UG软件对玩偶数据点云预处理。如图2所示，可通过UG软件的标准数据接口方式，即通过文件菜单—输入栏目—IGES格式来读取Measure测量软件获得的玩偶“IGES”格式的扫描数据。

图2 导入的玩偶“点云”数据

2.玩偶“点云”数据噪声点的剔除

三坐标测量机在自动扫描到一些3D边界以外的数据点，转换成“点云”数据后，点数比较多，对曲面重构来说这些都是测量过程中产生的噪声点。这些噪声点由于数量太多，难以手工逐一剔除。

本文噪声点快速剔除方法是采用的一种3D边界法。它是以玩偶的三维边界作为依据，来形成一个多边形将要剔除的玩偶“点云”数据包围，然后将多边形内部的点云剔除。如图3所示为3D边界法去除噪声点。

图3 3D边界法去除噪声点

旋转模型进行观察，可以看到模型上有些数据点是在中间平面另一侧的，属于冗余数据，要将其删除，其结果如图4所示。另外，单击“降低噪音”按钮进行设置后，模型中跃幅过大的点将被去除，其结果如图5所示。

图4 删除玩偶冗余数据点

图5 降低模型噪音

 3.玩偶“点云”数据的精化

玩偶“点云”数据是通过三坐标测量机扫描得到的，它是庞大的数据点集合。由于玩偶曲面是由许多个小平面组成，而数据采集是通过均匀采点得到，玩偶曲面局部区域产生较大的曲率变化，这样会在这些小平面上出现数据的缺失部分和在短些的截面线上会出现数据点过密。

精化玩偶点云数据进采用的是最小距离过滤法，对玩偶曲面设置的最小距离d_min应小些，一直过滤到d_min=0.4位置。如图6所示为玩偶耳朵处的点云精化。

图6 玩偶耳朵处的点云精化

用使用UG软件的数据精化功能对玩偶的顶部和其它部位进行精化处理，其结果分别如图7为玩偶顶部的点云精化，图8所示为其它需要的点云精化。

图7 玩偶顶部的点云精化

图8 其它需要的点云精化

玩偶的三维扫描数据在精化之前含有42218个点，简化之后有10443个点，在其折弯处曲率较大，保留了较多的点，如在眼睛、嘴巴、鼻子等处曲率大，保留了较多的点，在脸、耳朵等处曲率小，保留的点较少。

四.结束语

    本问就逆向建模技术中的数据预处理理论知识进行论述，主要以逆向建模的思路为主线，逐次对数据的预处理展开讨论，包括噪声点的剔除、数据的精化等，通过数据预处理，能够很好地进行后续的建模，可以提高后续逆向建模的质量和效率。