| 1 引言
反求工程（或稱逆向工程）是一門發(fā)展迅速的新興技術(shù)。實(shí)物反求技術(shù)被用于基于已有產(chǎn)品實(shí)物的產(chǎn)品再設(shè)計(jì)，或?qū)σ恍o法用數(shù)字化手段直接表述和設(shè)計(jì)、而只能以實(shí)物形式表達(dá)的產(chǎn)品模型（如油泥模型）進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換，以實(shí)施對(duì)這些產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造。例如，在對(duì)飛機(jī)、導(dǎo)彈等飛行器的外型進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，完全基于實(shí)驗(yàn)優(yōu)化得到的實(shí)物模型無法直接用現(xiàn)有的CAD/CAM系統(tǒng)進(jìn)行建模表述，因此，為了實(shí)現(xiàn)這些飛行器的數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造，就必須利用實(shí)物反求工程中的點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集技術(shù)將實(shí)物模型轉(zhuǎn)換為CAD模型。目前，實(shí)物反求技術(shù)已在新產(chǎn)品設(shè)計(jì)、產(chǎn)品維修、產(chǎn)品在線檢測(cè)等方面得到了廣泛應(yīng)用。
在實(shí)物反求工程中，為實(shí)現(xiàn)對(duì)象數(shù)字化，必須利用相應(yīng)的測(cè)量或設(shè)備對(duì)產(chǎn)品三維實(shí)物模型進(jìn)行測(cè)量或掃描，以獲得實(shí)物模型的空間拓?fù)潆x散點(diǎn)數(shù)據(jù)點(diǎn)云。因此，點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集是實(shí)物反求時(shí)首先必須完成的工作。在各種實(shí)物測(cè)量技術(shù)中，近年來出現(xiàn)的光學(xué)掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集技術(shù)具有測(cè)量效率高、數(shù)據(jù)完整性好、適用范圍廣、可采集數(shù)據(jù)范圍寬（從數(shù)毫米至數(shù)十米）等諸多優(yōu)點(diǎn)。
近年來，國(guó)內(nèi)不少高校和科研院所對(duì)實(shí)物反求技術(shù)進(jìn)行了大量研究和開發(fā)，并在一些關(guān)鍵技術(shù)上有所突破。通過自主開發(fā)和技術(shù)合作，國(guó)內(nèi)在接觸式測(cè)量技術(shù)及設(shè)備的開發(fā)與應(yīng)用上已日趨成熟。但對(duì)于非接觸測(cè)量的光學(xué)掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集技術(shù)，目前還很少見到有國(guó)內(nèi)研制開發(fā)的成熟產(chǎn)品及其在汽車、模具等行業(yè)成功應(yīng)用的公開報(bào)道。為促進(jìn)對(duì)光學(xué)掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集及處理技術(shù)的研究與開發(fā)，并提供對(duì)外技術(shù)服務(wù)，我校引進(jìn)了國(guó)外某公司生產(chǎn)的流動(dòng)式光學(xué)掃描設(shè)備。在設(shè)備使用過程中，經(jīng)常因操作失誤、調(diào)整不當(dāng)?shù)仍蛟斐蓽y(cè)量誤差過大的問題。為了透徹消化國(guó)外引進(jìn)技術(shù)，筆者結(jié)合工作實(shí)踐對(duì)此進(jìn)行了研究和分析，并提出了相應(yīng)的解決方案。
2 測(cè)量誤差主要表現(xiàn)形式
（1）采集數(shù)據(jù)缺失或數(shù)據(jù)密度達(dá)不到要求。用這種不完整的數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)云擬合，誤差較大，難以達(dá)到要求的測(cè)量精度。
?。?）對(duì)同一表面的數(shù)據(jù)采集結(jié)果表現(xiàn)為多層點(diǎn)云。這種情況往往出現(xiàn)于被測(cè)對(duì)象為大型工件或工件為透明物體時(shí)。
?。?）單幅采集數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，影響整體測(cè)量精度。
（4）累積誤差過大，使測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)明顯偏差。
（5）點(diǎn)云拼接錯(cuò)誤，導(dǎo)致較大測(cè)量誤差。
?。?）測(cè)量結(jié)果中粗大點(diǎn)(噪音)數(shù)據(jù)過多。
3 誤差原因分析及提高精度的對(duì)策
筆者結(jié)合實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，通過測(cè)試分析，將產(chǎn)生較大測(cè)量誤差的主要原因歸納為：標(biāo)定不當(dāng)、標(biāo)尺使用不當(dāng)；測(cè)頭鏡頭組合選擇不當(dāng);測(cè)量順序不當(dāng)；測(cè)量策略選擇不當(dāng);工件表面標(biāo)志點(diǎn)安放不當(dāng)；測(cè)量過程中操作不當(dāng)；工件被測(cè)表面預(yù)處理不當(dāng)；后處理不當(dāng)；測(cè)量環(huán)境選擇不當(dāng)?shù)?，現(xiàn)分別分析如下：
（1）標(biāo)定不當(dāng)、標(biāo)尺使用不當(dāng)
掃描測(cè)量頭（測(cè)頭）由光源、CCD攝像機(jī)及相應(yīng)的鏡頭組構(gòu)成。在進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集之前，首先需要對(duì)測(cè)頭進(jìn)行初始化，主要內(nèi)容包括：
?、俑鶕?jù)被測(cè)對(duì)象的大小、表面特征的多少及其復(fù)雜程度選擇不同的鏡頭組合；
②根據(jù)測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)條件、被測(cè)對(duì)象的表面形態(tài)及表面處理情況確定主光源的光強(qiáng)；
③根據(jù)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)工作流程對(duì)所選定的鏡頭組合進(jìn)行標(biāo)定，使標(biāo)定精度值≤0.020；
如果測(cè)量之前未進(jìn)行上述工作，而是直接使用以前標(biāo)定的測(cè)頭進(jìn)行測(cè)量，則可能因鏡頭組合、光源光強(qiáng)、標(biāo)定精度不符合本次測(cè)量要求而無法保證測(cè)量精度，導(dǎo)致產(chǎn)生較大誤差。
在測(cè)量中，如果因操作失誤而使測(cè)頭受到?jīng)_擊、碰撞，應(yīng)及時(shí)對(duì)測(cè)頭進(jìn)行檢查，如已發(fā)生損壞，要進(jìn)行修理；如未發(fā)生損壞，也必須對(duì)測(cè)頭進(jìn)行重新標(biāo)定；即使測(cè)量中未發(fā)生任何操作失誤，但如果測(cè)量時(shí)間較長(zhǎng)，也需定時(shí)對(duì)測(cè)頭進(jìn)行快速標(biāo)定，檢查測(cè)頭的精度狀況。
標(biāo)尺是對(duì)大型工件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)利用數(shù)碼像機(jī)對(duì)整個(gè)工件上的標(biāo)識(shí)點(diǎn)進(jìn)行定位的必備工具，所使用標(biāo)尺上的標(biāo)準(zhǔn)尺寸應(yīng)與實(shí)際利用照片進(jìn)行處理時(shí)所顯示的尺寸數(shù)值一致。
?。?）測(cè)頭鏡頭組合選擇不當(dāng)
采集大型工件表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)選用測(cè)量范圍較大的鏡頭組合，以實(shí)現(xiàn)總體數(shù)據(jù)的快速采集；對(duì)于其中部分特征較多、較小的區(qū)域，則最好選用測(cè)量范圍較小的鏡頭組合再進(jìn)行局部小特征的突出測(cè)量，以獲得較好的測(cè)量效果。
對(duì)于大型工件，如選擇測(cè)量范圍較小的鏡頭組合進(jìn)行測(cè)量，則要求工件表面有較多用于點(diǎn)云拼接的標(biāo)識(shí)點(diǎn)，這就會(huì)延長(zhǎng)工件預(yù)處理時(shí)間，加大測(cè)量時(shí)間跨度，因環(huán)境溫度隨時(shí)間變化引起的誤差就會(huì)反映到測(cè)量結(jié)果中，且會(huì)影響整個(gè)測(cè)量效率。如果用數(shù)碼像機(jī)對(duì)整個(gè)工件上的標(biāo)識(shí)點(diǎn)進(jìn)行定位，測(cè)量時(shí)自動(dòng)進(jìn)行拼接，則因標(biāo)識(shí)點(diǎn)數(shù)較多、出現(xiàn)標(biāo)識(shí)點(diǎn)之間關(guān)系相同的概率變大，容易發(fā)生拼接錯(cuò)誤；如果不用數(shù)碼相機(jī)對(duì)整個(gè)工件上的標(biāo)識(shí)點(diǎn)進(jìn)行定位，相鄰單幅點(diǎn)云之間利用共同標(biāo)識(shí)點(diǎn)進(jìn)行拼接，則由于拼接次數(shù)較多，也會(huì)產(chǎn)生拼接累積誤差過大的現(xiàn)象。
反之，對(duì)于小型工件，如果選擇測(cè)量范圍較大的鏡頭組合進(jìn)行測(cè)量，則無法準(zhǔn)確反映工件上的小特征，使測(cè)量結(jié)果達(dá)不到要求的精度，需要重新更換合適的鏡頭組合，重新進(jìn)行標(biāo)定和測(cè)量。
?。?）測(cè)量順序不當(dāng)
測(cè)量順序是指測(cè)量時(shí)相鄰單幅測(cè)量結(jié)果間的疊加順序。以測(cè)量一個(gè)細(xì)長(zhǎng)工件為例，圖中1,2,3,4,5所示矩形區(qū)域?yàn)楫?dāng)前標(biāo)定測(cè)頭的測(cè)量范圍。當(dāng)按圖所示發(fā)射狀排列方式測(cè)量工件時(shí)，首先測(cè)量工件中間位置，完成中間第1幅的測(cè)量后，再測(cè)量第2幅，然后利用三個(gè)共同的標(biāo)志點(diǎn)將第2幅與第1幅進(jìn)行拼合，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)拼接誤差。同樣，第3幅與第2幅之間進(jìn)行拼合時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)拼接誤差。假設(shè)所有的拼接誤差大小相同，則1,2,3之間產(chǎn)生的累積誤差為28，1,4,5之間產(chǎn)生的累積誤差也為28。測(cè)量結(jié)果顯示，1,2,3之間的累積誤差與1,4,5之間的累積誤差并不形成疊加關(guān)系，因此總的累積誤差仍為28。如按圖2所示的順序排列方式測(cè)量工件，則最大累積誤差為48。因此，測(cè)量時(shí)應(yīng)盡可能采用“以中心為基準(zhǔn)，發(fā)射狀排列”的測(cè)量順序，以減小累積誤差。
?。?）測(cè)量策略選擇不當(dāng)
測(cè)量時(shí)，應(yīng)將被測(cè)工件按大型工件、中型工件、小尺寸多特征工件、內(nèi)腔工件等進(jìn)行分類，對(duì)于每類工件應(yīng)相應(yīng)采取不同的測(cè)量策略。
測(cè)量大型工件時(shí)，可首先用數(shù)碼像機(jī)對(duì)標(biāo)識(shí)點(diǎn)進(jìn)行總體定位，然后選擇一個(gè)單幅測(cè)量范圍較大的鏡頭組合進(jìn)行測(cè)量；如工件尺寸過大，可分兩次進(jìn)行測(cè)量，然后利用共同的參考點(diǎn)進(jìn)行拼合；如大尺寸工件中存在較多的局部小特征，則可在測(cè)量基本完成后，再選用一組測(cè)量范圍較小的鏡頭組合進(jìn)行局部測(cè)量。為便于小范圍測(cè)量的自動(dòng)拼合，對(duì)該局部進(jìn)行預(yù)處理時(shí)應(yīng)增加參考點(diǎn)的密度。
測(cè)量中、小型工件時(shí)，應(yīng)注意采用正確的測(cè)量順序，以減少累積誤差。實(shí)際上，對(duì)中、小型工件也可以采用對(duì)大尺寸工件的測(cè)量策略，但必須配備用于對(duì)參考點(diǎn)進(jìn)行總體定位的數(shù)碼像機(jī)及相關(guān)軟件。
測(cè)量工件內(nèi)腔表面時(shí)，為克服光學(xué)掃描測(cè)量設(shè)備的景深限制，可采取一些技術(shù)手段將內(nèi)腔測(cè)量轉(zhuǎn)化為外型測(cè)量，如可將硅膠注人工件內(nèi)腔中，待其凝固后取出，對(duì)其外型進(jìn)行測(cè)量。
?。?）工件表面標(biāo)志點(diǎn)安放不當(dāng)
不管是大型工件還是中、小型工件的測(cè)量，都會(huì)遇到工件表面標(biāo)志點(diǎn)的安放問題。
大型工件的數(shù)據(jù)采集一般需要使用標(biāo)尺和數(shù)碼像機(jī)，測(cè)量可分兩步進(jìn)行:第一步，利用大的數(shù)碼點(diǎn)對(duì)用于單幅測(cè)量點(diǎn)云拼合的標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行整體構(gòu)造，為保證通過正常運(yùn)算獲得單幅測(cè)量用的標(biāo)志點(diǎn)點(diǎn)云，必須遵循圖1所示的排列規(guī)則；第二步，以標(biāo)志點(diǎn)點(diǎn)云作為參考系，系統(tǒng)會(huì)將測(cè)得的每個(gè)單幅點(diǎn)云中的標(biāo)志點(diǎn)與已有參考點(diǎn)云中的標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行比較，如二者吻合，則自動(dòng)進(jìn)行拼合，兩個(gè)相鄰單幅點(diǎn)云之間不必再有重疊部分。也可進(jìn)行測(cè)量，但前提是每個(gè)單幅點(diǎn)云都必須包含至少三個(gè)標(biāo)志點(diǎn)，此時(shí)需對(duì)被測(cè)區(qū)域適當(dāng)粘貼標(biāo)志點(diǎn)，否則會(huì)造成測(cè)量困難或使測(cè)量精度下降。
中型工件的標(biāo)志點(diǎn)粘貼與大型工件有所不同，由于相鄰兩幅點(diǎn)云的自動(dòng)(或手工)拼合需要根據(jù)相鄰單幅點(diǎn)云的共同標(biāo)志點(diǎn)來完成，因此中型工件的標(biāo)志點(diǎn)粘貼密度應(yīng)大于大型工件，否則難以實(shí)現(xiàn)相鄰兩幅點(diǎn)云的拼合。
由于小型工件標(biāo)志點(diǎn)的安放會(huì)不同程度地掩蓋工件上的特征，因此工件表面應(yīng)盡量少貼或不貼標(biāo)志點(diǎn)，以獲得較完整的掃描數(shù)據(jù)。
此外，一般應(yīng)將標(biāo)志點(diǎn)粘貼在工件上較平整的位置，以減小對(duì)標(biāo)志點(diǎn)處點(diǎn)云補(bǔ)缺的難度及相應(yīng)的測(cè)量誤差。
（6）測(cè)量過程中操作不當(dāng)
在測(cè)量過程中，應(yīng)注意以下操作要點(diǎn)：
①調(diào)整測(cè)頭方位，使被測(cè)部位同時(shí)位于兩個(gè)測(cè)頭的測(cè)量范圍之內(nèi)；
②調(diào)整主光源的光強(qiáng)，分別調(diào)整標(biāo)識(shí)點(diǎn)和工件表面的清晰度，使測(cè)量部位的標(biāo)識(shí)點(diǎn)及工件表面達(dá)到最清晰程度；
?、蹨y(cè)量過程中應(yīng)盡量避免對(duì)測(cè)頭的沖擊或碰撞。如不慎發(fā)生這種情況，應(yīng)及時(shí)對(duì)測(cè)頭進(jìn)行檢查和重新標(biāo)定，以保持后續(xù)測(cè)量的精度，否則，測(cè)量結(jié)果會(huì)顯示測(cè)量部件數(shù)據(jù)缺失，甚至使測(cè)量完全無法繼續(xù)進(jìn)行。
?。?）工件被測(cè)表面預(yù)處理不當(dāng)
開始測(cè)量前，需要對(duì)工件表面進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理。如果工件形狀十分簡(jiǎn)單，且工件尺寸較小，通過單幅測(cè)量即可完成數(shù)據(jù)采集，則只需使工件表面能在主光源照射下形成漫反射即可。但通常情況下，僅僅通過單幅掃描測(cè)量很難完成對(duì)一個(gè)完整工件的數(shù)據(jù)采集，且一般的工件表面在主光源照射下也很難形成符合測(cè)量要求的漫反射，因此必須在工件表面預(yù)設(shè)一些參考點(diǎn)，利用共同的參考點(diǎn)對(duì)各次測(cè)量結(jié)果進(jìn)行拼合，并用著色劑對(duì)工件表面進(jìn)行均勻噴涂處理，使工件表面形成較理想的漫反射。
被測(cè)工件表面預(yù)處理不當(dāng)主要指：
①工件表面某些部位反光過強(qiáng)或吸光過多，不能形成適合掃描要求的漫反射，導(dǎo)致無法形成有效的點(diǎn)云，測(cè)量結(jié)果顯示該部位數(shù)據(jù)缺失；
②缺乏足夠的參考點(diǎn)，導(dǎo)致無法進(jìn)行拼合，即使能形成點(diǎn)云，也只是分散點(diǎn)云而不是整體點(diǎn)云；
③工件表面參考點(diǎn)的粘貼一致性太強(qiáng)，缺少特點(diǎn)，使系統(tǒng)無法有效識(shí)別單幅點(diǎn)云的拼合位置，從而容易產(chǎn)生拼合錯(cuò)誤，難以形成被測(cè)工件的整體點(diǎn)云。
工件被測(cè)表面預(yù)處理不當(dāng)還包括未對(duì)工件表面不能正確反映設(shè)計(jì)意圖的部分進(jìn)行修正、工件表面在測(cè)量中被碰傷而未及時(shí)修復(fù)、工件安放狀態(tài)不當(dāng)(如工件受力)等非測(cè)量因素。此外，在對(duì)工件內(nèi)腔(如發(fā)動(dòng)機(jī)氣道)進(jìn)行硅膠注射以形成模型時(shí)，注射量不足或硅膠中氣泡過多也會(huì)使形成的模型不能正確反映工件內(nèi)腔實(shí)際形狀。
?。?）后處理不當(dāng)
在光學(xué)掃描測(cè)量中，并非測(cè)量所得數(shù)據(jù)即為點(diǎn)云數(shù)據(jù)，測(cè)量的過程實(shí)際上是形成工件影像的過程，要獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)，還需利用ATOS系統(tǒng)對(duì)形成的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理。對(duì)于用單幅點(diǎn)云進(jìn)行拼合生成的結(jié)果，首先需要利用幾個(gè)共同的標(biāo)識(shí)點(diǎn)將所有的單幅數(shù)據(jù)對(duì)齊，以減少累積誤差;然后利用對(duì)齊后的點(diǎn)云進(jìn)行重運(yùn)算，將影像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為點(diǎn)云數(shù)據(jù)。此時(shí)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)可能還存在密度不均勻、粗大誤差點(diǎn)多等問題，可再經(jīng)過三角網(wǎng)格化處理(Polygonize)，最終獲得質(zhì)量較好的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。
當(dāng)然，后處理不僅僅包括上述內(nèi)容。在實(shí)際測(cè)量中，掃描獲得的數(shù)據(jù)點(diǎn)并不一定只局限于所測(cè)實(shí)物模型，一些不屬于該模型的、測(cè)量環(huán)境中的隨機(jī)點(diǎn)也被同時(shí)測(cè)人，因此在進(jìn)行后處理時(shí)必須去除這些不需要的點(diǎn)，以減小其后在基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行三維CAD模型構(gòu)造時(shí)產(chǎn)生錯(cuò)誤的可能性。
此外，后處理還包括對(duì)點(diǎn)云的簡(jiǎn)化處理。在一個(gè)實(shí)物反求點(diǎn)云中，對(duì)工件各個(gè)部位的精度要求并非完全相同，因此，對(duì)一些不太重要的部位可作降低點(diǎn)云密度的簡(jiǎn)化處理；對(duì)一些比較重要的部位則可提高其點(diǎn)云密度。這樣不僅能保證三維模型構(gòu)造的精度要求，而且可大大提高建模效率。
當(dāng)然，后處理不僅僅包括上述內(nèi)容。在實(shí)際測(cè)量中，掃描獲得的數(shù)據(jù)點(diǎn)并不一定只局限于所測(cè)實(shí)物模型，一些不屬于該模型的、測(cè)量環(huán)境中的隨機(jī)點(diǎn)也被同時(shí)測(cè)人，因此在進(jìn)行后處理時(shí)必須去除這些不需要的點(diǎn)，以減小其后在基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行三維CAD模型構(gòu)造時(shí)產(chǎn)生錯(cuò)誤的可能性。
此外，后處理還包括對(duì)點(diǎn)云的簡(jiǎn)化處理。在一個(gè)實(shí)物反求點(diǎn)云中，對(duì)工件各個(gè)部位的精度要求并非完全相同，因此，對(duì)一些不太重要的部位可作降低點(diǎn)云密度的簡(jiǎn)化處理；對(duì)一些比較重要的部位則可提高其點(diǎn)云密度。這樣不僅能保證三維模型構(gòu)造的精度要求，而且可大大提高建模效率。
4 結(jié)語(yǔ)
近年來，實(shí)物反求技術(shù)在新產(chǎn)品設(shè)計(jì)、產(chǎn)品改型設(shè)計(jì)、等方面正發(fā)揮著越來越重要的作用，在汽車制造、航空航天、機(jī)床工具、國(guó)防軍工、電子、模具等領(lǐng)域的應(yīng)用日趨廣泛。但目前國(guó)內(nèi)對(duì)相關(guān)技術(shù)的研究還比較滯后，相關(guān)的技術(shù)裝備還主要依賴進(jìn)口。因此，研究和開發(fā)具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的實(shí)物反求技術(shù)及設(shè)備，并盡快實(shí)現(xiàn)商品化應(yīng)用，是該領(lǐng)域的當(dāng)務(wù)之急。本文對(duì)光學(xué)掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中的精度影響因素進(jìn)行了分析，并提出了相應(yīng)對(duì)策，希望能對(duì)提高相關(guān)測(cè)量設(shè)備的應(yīng)用水平有所幫助，同時(shí)也可為實(shí)物反求技術(shù)的研究提供一些可資借鑒的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，促進(jìn)我國(guó)反求工程技術(shù)開發(fā)、應(yīng)用水平的不斷提高。 | 
