基于特征表面的逆向工程中曲面重构技术研究
摘要
本文针对逆向工程中复杂零件表面的反求过程，提出对复杂零件表面按特征划分进行测量和曲面重构的反求路线。对实物反求过程中的各关键技术作了研究，包括：曲面的特征测量、逐行扫描测量数据的预处理、曲线曲面的特征表示及其拟合、曲面的特征识别以及曲面模型向CAD模型的转化。
对曲面的特征测量，采用曲面的自适应特征数字化方法解决采样数据的密度分配问题，对有标准参考坐标下和在不同参考坐标下的多视拼合问题，导出了坐标变换的公式并提出了数据拼合的计算过程。
针对大量含奇异点的数据点云，本文提出了剔除粗大误差的孤立点统计排异法，该方法根据对相邻点距离的统计，剔除在正态分布以外的点；对大量数据的精减，利用角度和弦高的最大允许偏差法进行点云精减。
对NURBS的直线、圆和圆弧、平面、柱面和球面等的表示方法作了理论研究，同时对NURBS曲线曲面的进行插值的计算，插值后的NURBS曲面，利用其表面局部微分几何特性，提出依据曲面的主曲率来提取特征面(平面、柱面和球面)的方法。
根据本文所涉及到的计算与模型的转换，以Windows 2000为操作系统平台，以VC++6.0为开发工具，结合OpenGL三维图形标准库，采用面向对象的设计方法完成一应用程序，该程序能够导入测量点数据并对其作相应处理，并将文中曲面数据以3DS的格式输出。
In view of the process of reproducing of actual details in reverse engineering, a new process is proposed in this paper in which the surface of details is dividing by character in its measurement and reconstruction. According to this process, the key technology which including the characteristic measurement of surface, the pretreatment of data getting by line scan, the character expression and fitting of curve and surface, the characteristic identify of surface and translation from the model of surface to CAD.
In the characteristic measurement of surface, a method of surface' s self-adoption-character measurement is adopted in the paper to achieve the distribution of data' s density. The formula of coordinate transformation is educed and the calculate process in data fitting is proposed.
An isolated point' s statistic excluding method is proposed in this paper to eliminate crassitude error in clouding data, which include plenty of oddity data. The method based on the distance between two neighbour points can eliminate the data beyond normal distribution. A error limitation of angle and chordal highness method is used to filtrate clouding point.
The methods that represent geometry elements such as line, circle and arc, plan, cylinder, cone and sphere in NURBS form are studied. Meanwhile, the calculating process that interpose to NURBS curve and surface are advanced. To the processed surface, the paper brings forward a method to distill its character (plan, cylinder and sphere) by the main curvature of surface using its local differential coefficient geometry characteristic.
According to the calculating methods in the paper, combining converting to CAD model, a application is completed using 00D technology, it base on Windows 2000 operating system, use VC++6.0 and OpenGL three-dimension graph standard as exploiting tools and can dispose the imported point data from outsides and export surface data in system as 3DS form.
对曲面的特征测量，采用曲面的自适应特征数字化方法解决采样数据的密度分配问题，对有标准参考坐标下和在不同参考坐标下的多视拼合问题，导出了坐标变换的公式并提出了数据拼合的计算过程。
针对大量含奇异点的数据点云，本文提出了剔除粗大误差的孤立点统计排异法，该方法根据对相邻点距离的统计，剔除在正态分布以外的点；对大量数据的精减，利用角度和弦高的最大允许偏差法进行点云精减。
对NURBS的直线、圆和圆弧、平面、柱面和球面等的表示方法作了理论研究，同时对NURBS曲线曲面的进行插值的计算，插值后的NURBS曲面，利用其表面局部微分几何特性，提出依据曲面的主曲率来提取特征面(平面、柱面和球面)的方法。
根据本文所涉及到的计算与模型的转换，以Windows 2000为操作系统平台，以VC++6.0为开发工具，结合OpenGL三维图形标准库，采用面向对象的设计方法完成一应用程序，该程序能够导入测量点数据并对其作相应处理，并将文中曲面数据以3DS的格式输出。
In view of the process of reproducing of actual details in reverse engineering, a new process is proposed in this paper in which the surface of details is dividing by character in its measurement and reconstruction. According to this process, the key technology which including the characteristic measurement of surface, the pretreatment of data getting by line scan, the character expression and fitting of curve and surface, the characteristic identify of surface and translation from the model of surface to CAD.
In the characteristic measurement of surface, a method of surface' s self-adoption-character measurement is adopted in the paper to achieve the distribution of data' s density. The formula of coordinate transformation is educed and the calculate process in data fitting is proposed.
An isolated point' s statistic excluding method is proposed in this paper to eliminate crassitude error in clouding data, which include plenty of oddity data. The method based on the distance between two neighbour points can eliminate the data beyond normal distribution. A error limitation of angle and chordal highness method is used to filtrate clouding point.
The methods that represent geometry elements such as line, circle and arc, plan, cylinder, cone and sphere in NURBS form are studied. Meanwhile, the calculating process that interpose to NURBS curve and surface are advanced. To the processed surface, the paper brings forward a method to distill its character (plan, cylinder and sphere) by the main curvature of surface using its local differential coefficient geometry characteristic.
According to the calculating methods in the paper, combining converting to CAD model, a application is completed using 00D technology, it base on Windows 2000 operating system, use VC++6.0 and OpenGL three-dimension graph standard as exploiting tools and can dispose the imported point data from outsides and export surface data in system as 3DS form.
引文
1．唐荣锡．CAD／CAM技术．北京：北京航空航天大学出版社．1994．9
2．文福安．最新计算机辅助设计．北京：北京邮电大学出版社，2000．5
3．许智钦，孙长库．逆向工程技术．北京：中国计量出版社，2002．3
4．李明，杨洪夫，陈东帆．逆向工程技术在模具制造中的应用．模具工业，1998，(9)：3～6．
5. Pal Benko & Tamas Varady. Direct segmentation of smooth, multiple point regions. Computer Society. 2002:1;
6．李江雄，柯映林，程耀东．基于实物的复杂曲面产品反求工程中的CAD建模技术[J]．中国机械工程，1999，10(4)：390～393．
7．李忠杰，涂劲松，王洪涛等．逆向工程技术探讨．橡塑技术与装备，2001．Vol27．
8．武殿梁．汽车覆盖件模具快速开发系统及若干关键技术研究．西安交通大学博士学位论文，2002．
10．李建军，温建勇，肖祥芷．逆向工程及其相关技术．机械与电子．1999(3)
11．郑康平．基于云点数据的曲面重构关键技术的研究．西安交通大学博士学位论文2001．
12．雷刚，邹昌平，黄剑鸣．快速逆向工程研究进展．机械工艺师，2000．10．
13．罗飞路，陈棣湘，周继伟．实现3D离散点优化三角划分的三维算法[J]．计算机辅助设计与图形学学报，1994，6(4)：241～248．
14．刘之生，黄纯芝．反求工程技术．机械工业出版社，1992．
15．杨铁牛．原始设计参数还原的研究与实践．液压与机床．2000．No．6
16．吴华杰．实物反求设计中尺寸精度的控制．机械设计．2001．2．No．2
17．邱泽阳．一种趋于逼近理论的曲面重构方法．计算机辅助设计与图形学学报．2001．7．Vol．13．No．7；
18．李明．逆向工程的应用及其集成．机械制造，1996，11：4．
19．张丽艳，廖文和，周儒荣．逆向工程的关键技术及其应用研究[J]．数据采集与处理，1999，14(1)：33～36
20．颜永年 机械工程科学技术前沿[M] 北京：机械工业出版社，1996．
21．陈浪 秦大同 郑小光 基于形状特征的自由曲面建模技术 机械工程学报 Vol．38 No．11 Nov．2002
22．熊有伦，杨叔子测量自动化、集成化和智能化中国机械工程，1992：(1)：20～22
23. Sarvajit S. Sinha, Brian G. Schunck: A Two-stage Algorithm for discontinuity-preserving Surface Reconstruction. IEEE Transaction on Pattern Analysis and Machine Intelligence, Vol 14, No.1, 36-55,1992
24．冯雷．自由曲面重构原型系统的开发和研究 西安交通大学硕士学位论文 2002．
25. Filip D, Magedson R, Markot R. Surface algorithms using bounds on derivatives[J]. Computer Aided Geometric Design, 1986.3:295～311
26. W. Sun, C. Bradley,Y.F. Zhang, H.T. Loh. Cloud data modelling employing a unified non-redundant triangular mesh[J]. Computer-Aided Design, 2001.33:183～193.
27. Matthias Eck, Tony DeRose, Tom Duchamp. Multiresolution Analysis of Arbitrary Meshes【Z】. http://www. stat. washington. edu/wxs/Singgraph-95/siggreph95. pdf.
28. Surfacer 10.5 软件help文件．
29. Piegl L, Tiller W. The NURBS book. Berlin Heidelberg: Springer-Verlag, Second Edition:1997
30．李强 席光 王尚锦．NURBS表示圆弧与整圆的的算法研究计算机辅助设计与图形学学报 Vol．11 No．5 1999．9
31．施法中．计算机辅助几何设计与非均匀有理B样条(CAGD&NURBS)北京：北京航空航天大学出版社，1994．2
32．范劲松 安军 徐宗俊．用三次NURBS表示圆弧与整圆的算法研究 计算机辅助设计与图形学学报 Vol．9 No．5 1997．9
33．颜庆津．数值分析(修订版)．北京：北京航空航天大学出版社．2002．2
34．陈绍平．三次NURBS曲线的插值与应用．机械科学与技术．2001．9 Vol．20 No．5
35. BKChoi, eta】. Matrix Representation for NURBS Curves and Surfaces[J]. CAD, 1990, 22(4): 235～240
36．程少华．用二次NURBS作曲线插值．河南科学．1996．3 Vol．14 No．1
37. N. Werghi, R. Fisher, and C. Robertson. Object Reconstruction gy Incorporating Geometric Constraints in Reverse Engineerings. Computer-Aided Design. 1999, 31:363-399
38．和平鸽工作室．OpenGL高级编程与可视化系统开发·高级编程篇．北京：中国水利水电出版社，2002．
39．刘军强，李言，李淑娟等．OpenGL来实现NURBS曲面的真实感显示．制造技术自动化学术会议论文集．2003．11·西安
40．李刚，张凤军，吴睿等．OpenGL中NURBS曲面造型及应用．计算机辅助设计与制造．1999．8．
41．李博轩．Visual C++图形用户界面开发指南．北京：清华大学出版社．2000
42．谢歆，赵国华．Visual C++高级编程实例精解．北京：国防工业出版社．2001
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