基于逆向工程的汽車三維數(shù)據(jù)采集、處理方法及應用

季鋒　羅火賢　鄭瑞欣

摘要：使用三維掃描技術進行汽車三維數(shù)據(jù)的采集，利用Geomagic Studio、CATIA等計算機輔助軟件對點云進行處理分析，可以獲取整車內外型面、總布置尺寸、人機布置參數(shù)等數(shù)據(jù)，能為汽車開發(fā)和汽車分析提供數(shù)據(jù)支持及參考。

關鍵詞：汽車；三維數(shù)據(jù)；點云；數(shù)據(jù)采集；數(shù)據(jù)處理

引言

汽車整車開發(fā)過程中，在定義整車內外部造型、總布置尺寸、人機布置參數(shù)等數(shù)據(jù)時，或在分析自身與競爭產品之間的優(yōu)劣性時，通常需要大量的競爭產品數(shù)據(jù)來做支撐。經過多年的研究和實踐，采用逆向工程技術進行三維數(shù)據(jù)采集，并通過計算機輔助工具進行處理與分析，是獲取這些數(shù)據(jù)的最佳方法。采用這種方法得到的數(shù)據(jù)三維可視化程度高，便于做各類定量分析，且分析結果較其他方法準確，通過數(shù)據(jù)積累與分析反過來也能優(yōu)化定義。近幾年隨著逆向工程技術軟、硬件的發(fā)展，數(shù)據(jù)采集的速度與質量、數(shù)據(jù)處理的效率都有了大幅度的提升，逆向技術不僅在曲面重構等設計方面，在結構分析、參數(shù)計算等質量改進方面都有應用，進一步滿足了汽車開發(fā)領域的需求。

本文結合MAXscan掃描儀和Geomagic Studio、CATIA數(shù)據(jù)處理軟件，在整車非拆解狀態(tài)下進行汽車三維數(shù)據(jù)采集、處理分析方法的研究。

1.采集項目與方法

1.1車輛狀態(tài)

逆向工程，也稱反求工程，目的是還原初始狀態(tài)。汽車由于其特性，有多種狀態(tài)和使用工況。在數(shù)據(jù)采集之前，根據(jù)需求工況，對車輛狀態(tài)進行適當調整。一般將車輛停放至平整的水平地面或平臺上，調整到整備質量狀態(tài)，并將輪胎氣壓按照氣壓標識調整至規(guī)定值，保證車輛狀態(tài)接近廠家定義，便于做數(shù)據(jù)對比分析。將位置可調的座椅調整至規(guī)定位置：如能獲得廠家定義的座椅設計基準點，則將座椅調整至設計R點位置；如不能獲得則調整至最后最下位置。座椅靠背角度通過安放三維H點裝置調整，其中轎車為25°，SUV和MPV為22°，非連續(xù)可調的座椅靠背初始角度為其最后位置。

1.2采集項目

通過多年的實踐，在汽車開發(fā)過程中，對汽車三維數(shù)據(jù)需求項目主要有車身外表面、內部非運動件、內部運動件、三維H點裝置、四門兩蓋開啟件、車輛底部、儲物空間、整車姿態(tài)、坐標系特征元素等。

車身外表面數(shù)據(jù)用于造型A面、造型特征元素分析，也用于整車外部尺寸分析；內部非運動件主要有儀表板、副儀表板、護板、頂棚、地毯等，用于內型面分析，結合三維H點裝置用于內部乘坐空間、人機尺寸、部件布置分析；內部運動件包括座椅、方向盤、踏板、換擋操作手柄、駐車制動手柄、空調出風口、遮陽板等，結合三維H點裝置用于人機布置參數(shù)、操作方便性分析；三維H點裝置采集軀干、大腿、小腿、踵點、H點位置等數(shù)據(jù)，是做人機相關分析的依據(jù)；四門兩蓋采集各開啟角度的特征元素，用于分析開啟角度和確定車門開啟的旋轉軸心；儲物空間采集乘客艙和行李艙儲物空間的三維幾何曲面，用于做儲物容積及存取方便性分析；整車姿態(tài)采集三種載荷狀態(tài)，即整備質量、設計質量、滿載質量下輪胎及地面相對車身的數(shù)據(jù)，用于確定地面線、輪心輪眉高度及接近角、離去角等，做整車尺寸和姿態(tài)分析；坐標系特征元素用于確定基準平面、建立整車坐標系，是進行所有數(shù)據(jù)分析的基礎。

隨著汽車開發(fā)過程中的分工、指標細化，汽車三維數(shù)據(jù)采集項目會越來越多，在汽車開發(fā)后期，也會利用逆向技術進行實物與數(shù)模的對比，便于找出質量問題。未來車輛三維數(shù)據(jù)采集的項目和方向還將持續(xù)擴充。

1.3采集設備及原理

Maxscan為手持式三維激光掃描儀，精度最高達到0.050mm。它采用激光三角法，通過激光光源發(fā)射光線，以固定角度將光線照射到被測物體上，然后通過高精度的CCD鏡頭與光源之間的位置以及投影和反射光線之間的夾角。換算出被測點所在的位置，通過配套的Vxelements軟件構造三角面片，輸出stl格式的數(shù)據(jù)，稱之為點云數(shù)據(jù)文件。

1.4預處理

三維激光掃描儀是基于反射投影原理，在車輛表面易反光或易透光部位進行數(shù)據(jù)采集時，會出現(xiàn)無法生成面片或出現(xiàn)干擾面片的情況，為了防止這種情況的發(fā)生，在玻璃、車燈、組合儀表、鍍鉻裝飾條等部位，采用著色滲透探傷劑一顯影劑（DPT-8）做表面均勻著色噴涂處理。

為了保證整車掃描精度，在車輛采集部位粘貼定位標點，進行坐標系和定位系統(tǒng)的建立。粘貼定位標點有以下原則可遵循：①各定位標點盡量接近等邊三角形，且間距不小于20mm；②在曲率變化不大的表面上，定位標點間距以100～150mm為宜；③在曲率變化較大的曲面上，適當縮短定位標點問距；④定位標點距被測表面邊緣12ram以上；⑤定位標點應粘貼牢固，若在采集過程人為或偶然因素引起了定位標點發(fā)生位置變化，應揭下此定位標點，重新粘貼新的定位標點。

完成定位標點的粘貼后，再布置編碼點、標定桿和磁力坐標參考架，利用VXelements中的攝影幾何測量定位系統(tǒng)完成所有定位標點的識別定位、定位標點位置和距離的標定、設備坐標系的建立。最終生成一個定位點模型features。

為了提高整車定位精度，一臺整車一般需要進行3次單獨定位，第1次是在車門、機罩、行李箱蓋/后背門、車門玻璃都正常關閉狀態(tài)下，進行車輛外表面定位系統(tǒng)的建立，如圖1所示，記為featuresl；第2次是在車門、機罩、行李箱蓋/后背門最大開啟狀態(tài)下，進行車輛內表面定位系統(tǒng)的建立，如圖2所示，記為features2；第3次車輛在舉升機上，進行車輛底部定位系統(tǒng)的建立（圖），如圖3所示，記為features3；這3個feature分別表征外表面、內表面以及車身底部，由于是分次建立，所以不在同一個坐標下，采集的點云也不在同一坐標下，須在車身粘貼一些形成特殊形狀的定位點，這3次定位都必須包含這些共同的定位點，后期在軟件中可以很便捷地找到這些共用定位點，利用它們對齊點云。

2.數(shù)據(jù)采集

掃描參數(shù)的設置包括表面分辨率、激光參數(shù)的設置，直接影響三維點云數(shù)據(jù)的精度和效果，也影響采集的效率。在VXelements軟件的控制面板上，可以設置表面分辨率，即采集點的間距，表面分辨率值設定的越低，采集點的間距越小，構建的三角面片就越多，更精細，但采集速度會變慢，即采集時間、生成面片數(shù)與分辨率呈反比。出于對采集精度和采集時間的平衡考慮，經過長時間的摸索，一般在采集汽車外型面數(shù)據(jù)時，采用1.0mm-1.5mm的分辨率，坐標特征建立元素采用0.5mm的分辨率，其他數(shù)據(jù)采集用1.6mm～2.0mm的分辨率。

依次打開定位點模型featuresl、features2、features3后，分別掃描外表面、內表面以及車身底部，進行三維數(shù)據(jù)的采集。

對于有不同空間位置的活動件，一般可采取兩種方法進行掃描：第一種為完整掃描法，第二種為特征法。第一種方法適用于活動件較小的情況，例如踏板、換擋桿等，視部件的大小粘貼定位點，相對較小的部件不粘貼定位點，直接通過其他固定不動的定位點來進行定位掃描，相對較大的部件需要粘貼定位點，每次需要掃描前需從其他定位點過渡，識別當前位置部件上的定位點，在掃描下一個位置時需要重新過渡，并且需要刪除前一次的定位點。

第二種適用于活動件較大的情況，例如車門、機罩、行李箱蓋/后背門，如果將不同位置的車門做完整掃描，會耗費大量的時間。以車門為例，一般只在關閉位置下做完整的掃描，各開啟位置只做特征的掃描，如圖6所示，將完整的車門點云通過特征對齊到各個狀態(tài)下即可得到各開啟位置完整的點云，如圖7所示，這種方法節(jié)省了時問，并且數(shù)據(jù)的一致性好。

3.數(shù)據(jù)處理

激光三維掃描測量設備是靠被測物體表面對光的反射接收數(shù)據(jù)的，易受環(huán)境光線及雜散光影響，故測量噪點會較多；由于部件表面的曲率不一樣，采集軟件會自動計算采集點的密度，即點云是不均勻的，有的區(qū)域密，有的區(qū)域疏，這些都會加大后續(xù)數(shù)據(jù)處理軟件的運算量；同時，由于采集的原始點云文件是在3個不同的坐標系，故在數(shù)據(jù)采集完成后，還需對點云文件進行對齊。

第一步，可將采集的整車內外部三維點云數(shù)據(jù)導人Geomagic Studio中，主要進行修補、特征加強等處理，目的是提高點云文件的光順質量、特征結構、文件大小的合理性。該軟件主要包括Capture、Wrap、Shape、Fashion四個通用模塊。打開或導人需處理的點云數(shù)據(jù)文件，通過點階段（Capture模塊）操作進行點云拼接、數(shù)據(jù)清理、噪音減少、采樣和三角網格化，經過封裝就自動進入多邊形階段；在多邊形階段（Wrap模塊）進行孔填充、特征處理、修復三角形、修復邊界、簡化三角形處理。

第二步，針對在featuresl、features2、features3三個定位系統(tǒng)下掃描的點云，通過共同的定位點進行對齊合并，使它們都位于featuresl的坐標系下，如圖8，9所示：

第三步，建立汽車整車坐標系，由于汽車的制造誤差以及掃描過程中的誤差，導致整車點云不可能與汽車設計時數(shù)模完全一致，即Y向不可能完全對稱。為了盡量接近設計時的狀態(tài)，在確定YO面時，一般選取自車身上相對不動的部件作為對稱特征，如車門鎖扣的對稱安裝點，門檻梁上的對稱孔位、車身底部縱梁上的對稱孑L位，在車輛的前、中、后三個區(qū)域選擇6～8組左右的對稱特征，作6～8個對稱中心點，通過CATIA中的“平均通過點”命令作Y0面，初步確定Y0面后，將整車點云沿Y0面切割成左側點云、右側點云兩部分，將左側點云沿Y0面鏡像到右側，和原采集的右側點云進行偏差對比，偏差在1mm以內，視為合格；如偏差大于1mm，則繼續(xù)調整YO面，直至偏差在1mm以內。z面是將車體（白車身）放平的平面，一般選取白車身門檻平面，取之與Y0面的交線，將Y0面繞交線旋轉90°即為z面。坐標系原點一般選取設計狀態(tài)下前輪輪心連線與YO面的交點。建立汽車整車坐標系后，運用軸系轉換，將整車點云調整至該坐標系下。

4.應用場景

在CATIA軟件內利用DSE、QSR、GSD等逆向模塊進行點、線、面捕捉和曲面重構、封閉等數(shù)據(jù)處理操作，根據(jù)SAE、GB等相關標準完成例如整車尺寸、人體布置、操作方便性、乘坐空間、儲物空間、上下車方便性、視野等分析，如圖10和圖11所示：

在所有相關的分析中，人體布置的流程是最復雜的，其中關鍵步驟是確定駕駛員的R點。在點云采集時，駕駛員座椅的6個不同位置都進行三維H點裝置的掃描，分別是座椅最后最下位置、最后最上位置、最前最下位置、最前最上位置以及2個中問位置，其中座椅在最前最上位置時，受空間限制，在大部分的車上95百分位的三維H點裝置是無法完全放入的，此位置的H點只供參考，H點行程軌跡通過其他位置H點位置及理論的平行關系來確定，如圖12所示。

參照SAE標準，通過H點的軌跡行程，首先確定R點的高度線，如果上下行程小于40mm，R點高度線在H點軌跡的中間高度，如果上下行程大于40 mm，R點高度線在最下H點軌跡向上20ram；接著運用95百分位假人2D模型，約束腳角為87。，根據(jù)加速踏板平面、壓縮地毯平面確定AHP（加速踏板踵點）和BOFRP（跖球參考點），根據(jù)X95與H30的函數(shù)關系（X95=913.7+0.6723 16xH30-0.00195530xH30）得到曲線，與R點高度線的交點即為R點，如圖12所示，其中X95是BOFRP與R點的x向距離，H30是AHP與R點的z向距離。

5.結語

講述了利用三維激光掃描設備采集汽車三維數(shù)據(jù)的方法，包括采集項目、采集前預處理及采集過程，并研究逆向工程軟件處理分析點云數(shù)據(jù)的方法。通過構建整車坐標系、獲取點云數(shù)據(jù)上的特征元素，可以進行整車尺寸、人體布置、操作方便性、乘坐空間、儲物空間、上下車方便性、視野等數(shù)據(jù)分析，為汽車開發(fā)和汽車分析提供數(shù)據(jù)支持及參考。未來隨著逆向工程技術的進步，會在汽車領域的其他方面廣泛運用。