逆向工程中数据点预处理程序系统的开发I．Budaka,J.Hodolica,M.Sokovic(a. 诺维萨德大学科学与技术学院，塞尔维亚学院，塞尔维亚和黑山，621000;b. 卢布布尔雅那那大学机机械工程程学院,, 卢布尔尔雅那,, 斯洛文文尼亚,,6,SSI-110000)摘要在当前市场场要求极极高的情情况下，企企业必须须要反映映迅速，在在很短时时间内开开发出形形状复杂杂的产品品用标标准的CCAD工工具为这这类产品品建模，有有时非常常困难，甚甚至有些些不可能能在此此基础上上出现的的专门解解决复杂杂形状产产品设计计的方法法——逆向向工程，在在过去十十年里发发展相当当快虽虽然有了了十年以以上的快快速发展展，逆向向工程还还是有些些明显的的缺陷，其其中一个个主要问问题是三三维数字字化结果果质量差差(噪音音，计量量错误，数数据冗余余，数据据不完整整等)，这意意味着表表面重建建精度较较低通通过数据据过滤、数数据平滑滑、数据据缩减可可以解决决或者至至少可以以改善这这个问题题，其的的步骤大部部分都包包含在逆逆向工程程的预处处理阶段段本文文为三维维数字化化数据点点预处理理系统提提供了方方案所所推荐的的系统是是基于目目前主要要在工业业中应用用的横截截面方法法。
文中中所提到到的方案案是目前前已由实实际应用用和一些些实验结结果所证证实关键字：逆逆向工程程； 数数据预处处理； 噪声滤滤波； 数据整整理1 前言目前全球市市场一方方面需求求表明，依依靠快速速和频繁繁的产品品设计，新新产品开开发必要要时间不不断缩短短另一一方面，出出于对美美学和人人机工程程学的要要求，诸诸如包装装、玩具具、汽车车这些产产品的形形状越来来越复杂杂化传传统加工工方式愈愈加难以以满足这这些要求求这就就意味着着会发展展一种抽抽象的概概念———一种思思想，通通过概念念物，然然后通过过计算机机辅助设设计与制制造进行行设计从这种意义上说，逆向工程技术为大部分当代市场需求都提供了解决方案，这种技术已经发展开来十年前，逆逆向工程程在文献献中并不不常见，实实际应用用则更是是少见而而如今逆逆向工程程技术在在许多领领域的应应用已经经屡不见见鲜：工工艺设计计、软件件工程、电电影业、娱乐行业、化学工程、电子技术行业等最近，逆向工程在电子机械系统行业中也有了应用的先例从广泛意义上将，包括各种以确定的产品功能或分析理念和技术处理方法这些方法应用在产品逆向工程的原始开发毫无疑问，在CAD产品建模过程中，逆向工程所扮演的角色越来越重要，尤其是涉及到复杂表面加工，用现代CAD系统往往是非常困难甚至有些不可能。
然而，这些复杂形状表面可以通过“艺术建模”(在粘土、石膏、高分子材料、木材等中)方法建模，然后用逆向工程技术将成品模型转化为CAD模型不论是个体应用还是产品竞争，逆向工程在重设计过程中的应用都能够大大加速和改善过程本身在没有足够的技术文件的情况下生产零部件和产品副本，逆向工程技术肯定是独占鳌头2 逆向工工程中的的数据点点预处理理逆向工程过过程处理理的出发发点时一一个物理理对象，它它可以是是现有的的零件、产产品、手手工模型型或者通通过一些些快速成成型技术术得到的的模型这这个物理理对象经经三维数数字化、数数据预处处理和表表面重构构，转化化成适合合现代计计算机辅辅助技术术的模型型，不过过过程比比较复杂杂尽管管逆向工工程过程程处理在在过去几几年获得得快速发发展，还还是有些些影响预预处理质质量的明明显问题题最突突出的问问题之一一便是以以点云传传开的三三维数字字化结果果的质量量，当然然这也会会大大影影响建模模的结构构很多种类的的三维数数字化系系统已经经存在，其其中最突突出的要要数三坐坐标测量量机，激激光扫描描仪、比比例绘图图仪、CCCD摄摄像头、计计算机断断层扫描描等他他们的共共同点是是存在噪噪音且在在结果中中有些错错误，这这意味着着会有些些模型会会不合理理。
此外外，现代代三维数数字化系系统，尤尤其是激激光系统统，会产产生大量量的点，这这一方面面使得速速度明显显减缓，在在极端情情况下，也会防止数据点的处理另一方面，太冗杂的数据点会导致表面建模不当因此，在表面重构之前，有必要准备好点云这个准备工作通常被称为“预处理”截至应用数字化系统，逆向工程、表面重构、数据预处理阶段有不同的处理过程，有噪音和误差滤波器、数据优化、数据平滑、数据压缩、数据分段、数据回归等在些处理过程中，噪音过滤、数据平滑和数据压缩最重要的阶段2.1 前前人研究究成果过去十年中中，已有有大量逆逆向工程程系统被被开发他他们的方方法中，应应用了硬硬件组件件(用于于三位数数字化))和软件件支持，这这个系统统之间颇颇有不同同本节节从目前前数据点点预处理理的角度度对已有有的几个个逆向工工程系统统的特点点做一个个简要概概述汤普森等人人提出了了一种交交互式逆逆向工程程系统———REEFABB，这个个系统允允许用户户自定义义来自三三维表面面点集的的机械特特性模型型按照照点云的的生产特特征认可可标准，预预处理所所存在的的问题严严重超标标了当当然，这这种解决决方案的的应用是是局限于于有唯一一机械特特征标准准零部件件之中。
王先生等人人基于四四轴激光光扫描系系统，提提出了用用于曲面面设计的的逆向工工程系统统这个个系统致致力于三三维数字字化数据据点的预预处理，用用中值滤滤波消除除了脉冲冲式噪音音而且且，根据据扫描曲曲线的直直线度，为冗余数据的消除提出了一种智能算法李和吴[112]提提出了一一种结合合逆向工工程技术术和快速速成型技技术的新新颖算法法以相相邻数据据点曲率率计算为为依据，横截面数据压缩的智能算法也包含着数据预处理卡伯恩等人人结合视视觉系统统和三坐坐标测量量机，为为自由曲曲面的逆逆向工程程提出了了一种算算法通通过为分分类和数数据压缩缩开发合合理的程程序来进进行点云云预处理理为减减少过多多的数据据点，他他们提出出了两种种算法随随机算法法允许用用户根据据指定的的概率删删除数据据如果果在光滑滑曲面区区域有大大量数据据点需要要删除，这这种算法法很有用用，二次数数据压缩缩算法以以切线或或曲率公公差变化化为依据据提出Lee等人人提出了了在预处处理阶段段有强烈烈地方色色彩的逆逆向工程程算法去除来自最初点云的离群值和峰值后，就可以应用压缩算法该算法是基于单向或双向非均匀网格提出的黄和泰用预预处理程程序提出出了一种种逆向工工程系统统算法。
该该算法的的思想是是将数据据点集简简化成隐隐形或明明确形式式的非参参数方程程这个个方程也也满足曲曲率的连连续性噪噪音资料料由用户户手动删删除，用用中位过过滤器进进行数据据平滑处处理常和常主要要针对预预处理阶阶段提出出了一种种可再生生能源开开发流程程用滤滤波器进进行噪声声处理，用用高度决决策方法法进行数数据压缩缩，这种种决策方方法集成成了空间间概念和和数据点点的高度度特征佩尔科科和和斯皮纳纳基于遗遗传算法法对复杂杂形状曲曲面提出出了一种种算法，用用于进行行数据点点的压缩缩该算算法由用用户固定定一组代代表精度度损失最最小的扫扫描点，检检索最佳佳数据点点群彭和洛夫特特斯基于于神经网网络提出出了带有有图像处处理功能能的逆向向工程系系统算法法神经经网络用用于以光光照参数数为依据据进行型型状复原原可以以说预处处理是通通过一系系列“学会”如何处处理所获获数据的的神经网网络来完完成的3 数据点点预处理理程序系系统在逆向工程程过程中中，业已已存在的的主要问问题之一一涉及到到三维数数字化结结果的质量，这这个结果果会使工艺和表表面生成成大大复复杂化同同时，当当代CAAD软件件系统中中，大多多数表面面重建模模块都是内置置式的，数数据点预预处理功功能很差差，或者者根本就就没这个个功能。
本本文的研研究重点点是对三三维数字字化结果果预处理理程序系系统的发发展图3 已开开发程序序实验系系统组成成所开发系统统的总体体流程图图如图11所示从从该系统统中可以以挑出以以下几个个基本要要素：l 数据点准备备l 错误点过滤滤l 数据点平滑滑，l 数据点压缩缩l 输出生成的的文件格格式本文文研究的的数据点点预处理理系统是是在横截截面逆求求方法的的基础上上开发出出来的这个系统能从三维数字化系统中获得数据点信息，使之能在CAD模型中被接收、充分准备并为形体重建所适应这个模块的的开发，应应用了先先进的算算法它它可用在在体积和和角方法法过滤、中中值和平平均值法法数据平平滑、统统一采样样(空间间、切线线、直线线度)法法数据压压缩通通过对同同一种功功能进行行多种方方法嵌入入，数据据点就能能由来自自不同三三维数字字化系统统的不同同特征数数据来保保证本文的程序序系统是是在已有有的算法法模型基基础上开开发出来来的完完整的解解决方案案是独创创的，且且在Maatlaab 66.5的的环境下下实现了了算法程程序开开发出的的程序系系统的主主要图形形用户界界面、算算法定义义的子界界面、数数据过滤滤、平滑滑和压缩缩参数如如图2所所示。
图2 数据据点预处处理程序序系统图图形用户户界面 4 结果与与讨论开发的程序序系统的的功能和和效率已已由一实实际应用用所检验验该实实验系统统的元件件及其之之间的连连接方法法如图33所示图3 实实验系统统的元件件及其之之间的连连接方法法作为输入的的物理实实体，这这里应用用了大众众汽车模模型的发发动机罩罩，这个个模型是是来自于于20世世纪600年代的的“卡曼--格希亚亚”模型图图4给出出了一个个接触式式扫描的的三维数数字化结结果，有有关数据据来自英英国雷尼尼绍的商用旋风风2系统统图4 三三维数字字化结果果(76652点点)正如已提到到，开发的的预处理理系统是是以横截截面法为为根据的的这就就意味着着全部数数据都是是通过一一个一个个的横断断面曲线线扫描来来完成数数据点预预处理的的这种种方法的的基本步步骤如图图5所示示这里里必须指指出，该系统统只适合合整个数数据点的的过滤图5 横截截面曲线线扫描的的预处理理步骤本文开发的的程序一一重要特特征是每每种功能能从几种种方法中中选择方方案(两两种数据据过滤和和数据平平滑方法法、四种种数据压压缩方法法，如图图1所示示)图1 所开开发数据据点程序序系统算算法流程程图为便于数据据压缩阶阶段分析析，用四种嵌嵌入式方方法所得得结果的的并行审审查分成成了四个个区域，如如图6所所示。
图6 第770跟扫扫描曲线线数据点点的并行行审查 表1给出了了数据压压缩方法法所得结结果的报报告表表中的压压缩参数数与所得得数据点点的结果果同样具具有应用用价值，因因为他们们都分析析了横截截面曲线线和所有有数据表1所得用用于数据据压缩方方法的物物理参数数报告图7给出了了一个预预处理最最终结果果的例子子该结结果是用用体积法法进行前置置滤波、角角度法噪噪声过滤滤、中值值法数据据平滑和和空间法法数据压压缩的图7 预处处理最终终结果((39446点))经过比较原原始三维维数字化化生成结结果的表表面模型型，由数数据点预预处理方方法得到到的表面面模型证证实了预预处理程程序在所所开发的的程序系系统中功功能该该表面模模型是用用横截面面曲线法法通过融融合过程程(也成成为放样样或蒙皮皮)生成成的，这这些横截截面曲线线是在各各个独立立横截面面的数据据点中生生成的在图7的基础上又产生的表面模型如图8和图9所示，图中模型是在Pro/E软件系统生成图 8 由由数据点点预处理理生成的的横截面面曲线在Pro//E中，用用其比较较模块也也对表面面模型进进行了比比较这这个模块块在定义义的的公公差范围围内以三三维区域域图的形形式输出出图形。
蓝蓝色区域域表示公公差为负负，红色区区域表示示公差为为正由由数据预预处理((图9))模型生成成的表面面模型是是从原始始三维数数字化结结果得到到的，该该模型的的比较结结果如图图10所所示，图 9 生生成的表表面模型型图 10 模型结结果在PPro//E中的的比较5 结论为了得到合合理的CCAD模模型，有有必要在在表面重重建之前前进行数数据点预预处理因因为基于于未经处处理的三三维数字字化数据据得到的的CADD表面重重构模型型往往难难以令人人满意本本文对数数据点预预处理提提出了程程序系统统，整个个程序涉涉及到数数据准备备、错误误点过滤滤、数据据平滑、数数据压缩缩、输出出文件开开发的程程序系统统在已知知方法的的基础上上实现了了噪声滤滤波、数数据平滑滑、数据据压缩该该程序是是在Maatlaab 66.5的的环境下下开发的的为验证假说说和所开开发程序序功能的的正确性性，还展展开了实实验从从所获得得的结果果中，我我们可以以得出结结论：该该假设是是有效的的，且已已校核程程序系统统的功能能致谢感谢多特蒙蒙德大学学的乔恩博士士，感谢加加工技术术部提供供了本文文作为输输入的三三维数字字化结果果数据。