北京則泰盛業(yè)科技發(fā)展有限公司 劉麗惠 薛 勇 蔣 濤

解放軍信息工程大學(xué) 翟 翊

則泰三維技術(shù)應(yīng)用專欄

逆向工程在“一滴血”紀(jì)念碑重建中的應(yīng)用

北京則泰盛業(yè)科技發(fā)展有限公司 劉麗惠 薛 勇 蔣 濤

解放軍信息工程大學(xué) 翟 翊

隨著社會生產(chǎn)水平的不斷提高以及三維激光掃描技術(shù)的成熟，逆向工程作為一項全新高效的技術(shù)在很多領(lǐng)域得到應(yīng)用。以大連英雄紀(jì)念碑“一滴血”為例，探討其在雕塑重建工程中的應(yīng)用，通過介紹三維激光掃描儀及數(shù)據(jù)獲取方法，提出一個可行方案。

紀(jì)念碑;重建;逆向工程;三維激光掃描;曲面重構(gòu)

一、引 言

“一滴血”英雄紀(jì)念碑坐落于大連市西崗區(qū)英雄紀(jì)念公園內(nèi)，建成于1998年，碳鋼結(jié)構(gòu)，高17 m，重150 t。它全身鮮紅色呈放射狀，似血滴掉在地上飛濺的瞬間，如英雄灑下的熱血，是大連一道醒目的景觀。經(jīng)過多年的風(fēng)吹日曬雨淋，“一滴血”紀(jì)念碑已銹跡斑斑，碑體受到嚴(yán)重腐蝕，成為廣場上的安全隱患(如圖1所示)。經(jīng)過多方鑒定，其維修的價值不大，原址原樣重建方案得到了最終采納。但是，如今已經(jīng)找不到可利用的設(shè)計施工資料，要想重建一個形狀、大小、尺寸完全一樣的雕塑，采用逆向工程(反求工程)方法是比較理想的方案。

圖1 “一滴血”紀(jì)念碑現(xiàn)狀

逆向工程(reverse engineering，RE)技術(shù)是指在沒有設(shè)計圖紙或者設(shè)計圖紙不完整，以及沒有CAD模型的情況下，對產(chǎn)品(或零件)的實物進行測量、數(shù)據(jù)處理，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)造出實體的CAD模型的過程。逆向工程中為了獲得物體表面數(shù)據(jù)，測量方式分為兩種:一種是接觸式測量;另一種是非接觸式測量。接觸式測量一般測量精度高，但是數(shù)據(jù)獲取效率低;非接觸式測量則恰恰相反。但是近年來隨著三維激光掃描儀的問世，這種測量方式已經(jīng)在很多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，如虛擬現(xiàn)實、工業(yè)制造、船舶設(shè)計、文物保護、災(zāi)害評估等。它的特點是自動化程度高、速度快、測量簡便。目前三維激光掃描儀包含兩種類型的產(chǎn)品，即脈沖式與相位式。一般來說，脈沖式掃描儀距離長、速度慢;相位式掃描儀距離短、速度快。兩者各有利弊，所以可以根據(jù)各自工程的特點選擇不同型號的儀器。

二、逆向工程體系結(jié)構(gòu)

1.數(shù)據(jù)采集

針對“一滴血”紀(jì)念碑的大小、高度，考慮到測量速度、采樣密度、測量精度、時間及穩(wěn)定性等方面的因素，本次掃描選用了Lecia相位式HDS6100超高速三維激光掃描儀，掃描速度為50.8千點/秒，最遠測程為79 m。這款設(shè)備掃描精度高，噪音點少，在90%發(fā)射率條件下，25 m處測量數(shù)據(jù)建模后精度可達±1 mm;在18%反射率條件下，25 m處測量數(shù)據(jù)建模后精度為±2 mm，完全可以滿足本次重建工作的精度要求。Leica HDS6100內(nèi)置了操控面板、電池和硬盤，是一款完全一體化的儀器，無需連接任何外部設(shè)備就可以完成掃描作業(yè)，內(nèi)置的電池可以連續(xù)工作2.5 h，標(biāo)配的兩塊電池可以進行5 h的連續(xù)作業(yè)。這樣使得外業(yè)的數(shù)據(jù)采集變得尤為簡單和方便，此次數(shù)據(jù)掃描，只攜帶了掃描儀主機(內(nèi)置充滿電的電池)和一個三腳架。因為Leica三維激光掃描儀后處理軟件Cyclone在進行數(shù)據(jù)拼接時非常靈活，支持特征點和點云匹配拼接，所以本次掃描不需要攜帶標(biāo)靶和進行標(biāo)靶掃描。

(1)掃描站點布設(shè)

三維激光掃描儀采用的是自由架站，只要地面堅硬穩(wěn)固即可。經(jīng)過對現(xiàn)場情況的仔細勘察，根據(jù)紀(jì)念碑的外形特征，為了采集比較完整的數(shù)據(jù)，本次掃描共布設(shè)了7站，位置如圖2所示。其中掃描站1位于紀(jì)念碑下方正中心位置，掃描站2至掃描站7分別位于紀(jì)念碑四周。這樣確保了“一滴血”紀(jì)念碑重要特征和輪廓的完整采集。

圖2 掃描站點設(shè)置

(2)掃描參數(shù)設(shè)置

“一滴血”紀(jì)念碑高度為17 m，掃描儀距離紀(jì)念碑的最遠直線距離約30 m，最近距離約5 m。因此采用了“High”模式的掃描分辨率(15 m處點間隔9 mm)進行了全景(水平360°×垂直310°)掃描，掃描儀很快完成全景掃描工作，而且完整采集到周邊平臺、臺階、欄桿以及樹木等特征，方便了后續(xù)的數(shù)據(jù)拼接以及新雕塑的安裝定位。掃描儀參數(shù)設(shè)置如圖3所示。

每站的數(shù)據(jù)掃描時間約3 min 15 s，因此包括架站及遷移時間，7站掃描總共約1 h就完成了本次數(shù)據(jù)采集任務(wù)。單站掃描數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖3 掃描儀參數(shù)設(shè)置

圖4 單站掃描數(shù)據(jù)

(3)數(shù)據(jù)拼接

數(shù)據(jù)采集完成后，經(jīng)過下載從掃描儀內(nèi)置硬盤復(fù)制到計算機中，然后使用Cyclone軟件加載。此時每一站數(shù)據(jù)都使用的是各自獨立的相對坐標(biāo)系，為了將所有的數(shù)據(jù)統(tǒng)一到同一個坐標(biāo)系中，需要對數(shù)據(jù)進行拼接，即將其中任意一站的坐標(biāo)系設(shè)為母站，其他測站的數(shù)據(jù)都以此站為基準(zhǔn)，進行平移、旋轉(zhuǎn)。

式中，Δx0、Δy0、Δz0為3個平移參數(shù);ωx、ωy、ωz為3個旋轉(zhuǎn)參數(shù)。

從式中可以看到，兩站之間進行拼接至少需要選取3個公共特征點。為了有多余觀測，查看拼接精度，最好選4個公共特征點。此外為了提高拼接的精度，選取的公共特征點要分布均勻，距離不要太近。

數(shù)據(jù)拼接是三維激光掃描數(shù)據(jù)后處理中非常重要的一步，數(shù)據(jù)拼接的精度直接影響到建模以及各種線、面、體數(shù)據(jù)的精度。Leica Cyclone軟件中提供了多種靈活的拼接方法，控制點拼接、標(biāo)靶拼接、點云拼接，并且相互之間可以補充，即當(dāng)標(biāo)靶約束不夠時可以用點云約束做補充，點云約束有困難時也可以添加標(biāo)靶約束。本紀(jì)念碑掃描的數(shù)據(jù)采用脫機掃描，并且掃描距離可靠，站位布設(shè)合理，點云質(zhì)量好，重合區(qū)域充分，因此采用了點云約束的方式進行拼接。

在Cyclone軟件中有直觀的數(shù)據(jù)交互拼接和檢查工具，并可以提供拼接誤差分析報告，供數(shù)據(jù)處理參考和調(diào)整。如圖5所示，7站掃描數(shù)據(jù)拼接中，最大的拼接誤差為8 mm，最小拼接誤差為0 mm，精度可以滿足本紀(jì)念碑重構(gòu)的需要。點云拼接結(jié)果如圖6所示。

圖5 點云拼接和檢查

圖6 點云拼接結(jié)果

2.面重構(gòu)

(1)點云預(yù)處理

曲面重構(gòu)是將離散的測量數(shù)據(jù)重構(gòu)成連續(xù)變化的曲面的過程。目前，逆向工程非接觸式測量方式的一個最大缺陷就是數(shù)據(jù)量非常龐大，并且常常帶有許多雜點、噪音點，影響后續(xù)的模型建立以及曲線、曲面數(shù)據(jù)的提取。因此需要對點云進行去噪以及對模型進行檢查修復(fù)等處理，處理工作流程大致如圖7所示。

圖7

本次工程曲面重構(gòu)用到的軟件為Geomagic Studio，它是全球四大逆向工程軟件之一，也是目前市場上對點云處理及三維曲面構(gòu)建功能最強大的軟件。可以輕而易舉地根據(jù)掃描所得的點云數(shù)據(jù)創(chuàng)建出完美的多邊形模型，并可自動轉(zhuǎn)化為NURBS曲面。

該軟件支持手動選擇噪音點刪除，也可以設(shè)置合適的參數(shù)使軟件自動選擇噪音點并刪除，如圖8所示。如果利用軟件自動刪除，此過程可以多進行幾次，直到選擇的噪音點很少為止。

(2)三維曲面構(gòu)建

三維曲面構(gòu)建是Geomagic Studio的強大功能之一，軟件可以自動完成點到三角面片的轉(zhuǎn)換(即封裝)。封裝完成后可以對三角網(wǎng)進行自動檢測、修復(fù)，并且可以根據(jù)周圍模型的曲率對掃描盲區(qū)進行填充。軟件支持對三角網(wǎng)的編輯修改，如松弛、光順、雕刻、銳化、去除特征、創(chuàng)建特征等操作，以便最大限度地與實際物體相吻合，如圖9所示。

圖8 軟件自動選取噪音點

圖9 生成的模型狀

(3)特征提取

為了獲取“一滴血”紀(jì)念碑較完整的細部特征，筆者采用了高密度的掃描模式，因此數(shù)據(jù)量比較大。考慮到計算機的運算能力及效率，對模型進行了分塊處理。通過設(shè)置曲率敏感度，軟件自動根據(jù)模型的曲率變化提取出線條，生成輪廓線，如圖10所示。

圖10 生成的輪廓線

圖11 完整輪廓線

將其余部分模型也生成輪廓線，并將其合并，得到整體的輪廓線，如圖11所示。

3.CAD模型建立

因為本紀(jì)念碑相關(guān)的數(shù)據(jù)要提供給機械加工工廠，并要實現(xiàn)三維的分解及裝配，因此要通過提取的輪廓線，利用機械設(shè)計軟件Autodesk Inventor完成了最終三維模型的構(gòu)造，如圖12所示。

圖12 完整三維模型

三、結(jié)束語

逆向工程為生產(chǎn)加工制造提供了新思路，三維激光掃描技術(shù)為逆向工程提供了新的解決方案。正是因為使用了這種新技術(shù)才能在時間緊、任務(wù)重、精度要求高的情況下高質(zhì)量地完成本次數(shù)據(jù)采集任務(wù)，這是傳統(tǒng)的測繪手段所無法企及的。使用Lecia HDS6100三維激光掃描儀的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在:

1)工作效率顯著提高，從采集數(shù)據(jù)到成果提交僅用了不到兩周的時間。

2)大大減少了外業(yè)工作量，三維激光掃描儀獲取數(shù)據(jù)快，信息量大，在短時間內(nèi)采集到完整的數(shù)據(jù)后，剩下的工作可以在計算機中完成。

3)數(shù)據(jù)更完善、翔實、精準(zhǔn)，可以體現(xiàn)紀(jì)念碑雕塑的整體形狀和局部細節(jié)。

4)測繪簡單，無需過多的人工參與，儀器可自動完成掃描任務(wù)。

5)非接觸測量，避免了對紀(jì)念碑雕塑的二次破壞。

6)實現(xiàn)傳統(tǒng)測繪手段無法操作或記錄對象的測繪。

7)實現(xiàn)了紀(jì)念碑雕塑在計算機中的真實再現(xiàn)和永久保存。

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2011-05-23

劉麗惠(1981—)，女，山西洪洞人，助理工程師，主要從事三維激光掃描技術(shù)研究工作。

(本專欄由則泰集團和本刊編輯部共同主辦)