海量数据点三维重构关键技术分析与应用

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1、东南入学烦L论义海量数据点三维重掏关键技术研究与j训羽§1．2逆向工程概念传统的产品开发，一般是首先有设计人员根据市场需求抽象出产品的功能描述，接着在CAD造型软件中进行产品的概念设计，再在此基础上进行详细设计，最后完成其物理实现，即制造出产品。为了实现快速产品开发，设计工程师常常需要以己知的样件(模型)为依据或参考原型，进行仿形、改型设计或工业造型设计。比如，在摩托车、汽车车身和覆盖件／装饰件等的工业设计和详细设计中，形状独特而复杂的自由曲面件一般不能直接建立CAD模型，往往是以制件模型(如粘土模型等)或经手工进行修改后的样件为设计原型；没有图纸和图

2、纸无法得到的已知复杂形面的产品造型或磨损零件，等等。这时就要求根据这些模型的表面测量数据，基于新的设计概念和功能描述重构CAD模型，然后用快速原型或数控加工方法得到样件并进行反复优化评估，直至得到满意的设计结果。这种对实物模型先后进行仿形测量、CAD模型重构、模型加工并进行优化评估的设计方法称为逆向工程(ReverseEngineering)。随着计算机技术、快速仿形测量与数据处理技术、曲面重构技术、快速原型技术等发展兴起，快速逆向工程技术(RRE：RapidReverseEngineering)应运而生，并迅速发展而趋向成熟，逐渐应用到生产实践中。这

3、进一步提高了开发速度，缩短了开发周期。RRE技术主要包括以下三个方面：(1)快速仿形测量⋯01在满足既定要求(如功能关系、装配关系、精度要求等)条件下，用三维数字化仪和其他测量系统对模型表面进行三维快速扫描测量，得到大量的模型表面离散数据。(2)曲面重构技术[11-20]首先将仿形测量的模型表面数据进行处理，然后进行曲面拟合，实现曲面的模型重构，并进行修改和优化设计。(3)快速原型技术[21-241利用快速原型技术实现CAD模型的快速加工，并对设计结果进行评估检验。通常快速逆向开发系统由以上三个模块组成，系统框图如图1．i。图1．i快速逆向开发系统框图

4、簿蹙敬掩舞二缝羲钩关整技戚lt拜梵。l随豫§1．3本课题的意义在逆向工程中，我们一般是通过三坐标测量机(CMM)、激光测量机、光栅扫攒仪或工监cT等先遴躺快速涮量系绕获毅海量教琵数据点(点云)，经过对这些点露数据的过滤处理和无缝拼谈，由攒接瑟瓣点云块速季亍锈餐褥蚕《截线云，再在点兢线的基础上构造丽。其中，测量部分篇予硬件模块，而其聪续操作属于软件模块。目前，国际市场最有影响的CAD软件谢：CATIA、Pro／ENGINEER、UG、I—DEAS、EUCLID等，这些国外的软件占据了CAD软件市场的70％以上的份额，每年的销售额数菩琵美元。然露露，象CA

5、TIA、Pro／E黼INEER，uG等这几个蘑际上最流行的CAD软件都无法对海爨散乱数据点壹菝送簿楚理，嚣溅量霉蘩豹点云壹予产品尺寸、拓扑等各种原因谯绝太多数情况下都怒经过多次测量拼接稻得到的散乱的海熬数据。因此，对于广大的CAD软件的使用者，需要能对散乱海量数据进行点的先期处理、得到有序的点、实现取线功能的中间软件模块。所以，当前国内急需开发毒鸯圭躲识产权黥点云处理软件。遮对于鼹决逆向工程的瓶颈阔题、逆向工稔亵我国静应爱露箍广骧及提裹我国毒《逡簸豹竞争力裁有t分鬟要熬意义。本软件的设计思想是：第一步作为三绒扫描系统和三维CAD软件的接口模块，搭起二者

6、之间的桥梁，然后在此基础上研究直接由点云做筒的方法．目的是通过对点云处理后能崴接输出可供CAM软件使用的曲面。§'。4主要技术灌点与重点开展的王{乍本课题主要开展的工作包括对整个系统的结构的设计：实现三维图形的显示；点云的预处理；荻取有序的截线云：构建曲线：自动生成特征曲线；由点云熏构曲面。要瓣凌懿技拳涟爨主要热下：}．数据输入输獭速度。本文针对豹始理数据是海量散氖数据，经常达黉上百万个点。因此读和写数据模块应设计得简洁高效，以降低读、写数据的等待时I司。2．内存的分配。闲为海量的数据，对内存的需求就很大，怎样合理的利用渴露，爱之跌寿强弱餐餐发挥塞器量

7、大黪凌效，对于整个软{孛懿瞧裴是至关重要静。可以说是整个系绞中懿瓶颈遗带。3．数据结构的设计。良好的符合实际需要的数据结构能使对数据的操作简便、直观、高效。本软件对数据的操作频繁，数据结构的好坏将极大的影响系统f；}《)性能好坏和编程的方便与否。我们把爱操作的点、点云、线、面等都用对象来泰褒夫学礞七论吏海潼数籀点=维垂捣关毽技零辑究每癍臻表示，把基本的操作封装起来，并用适当的数据结构进行组织，使操作简单、禽效。4．由型值点反求控制点，OpenGLl25-2s1提供的算法是由融知控制点求曲线，然露诗冀出斡篷线势不经遥控制患。露我髓实际工终中往往嚣黉麴线经

8、过一组点(帮整值点)。怎样囱～缀型蓬点霞楚抉瀵遣得至8控裁赢是一个难点。在计算橇上究成这种型值