三维反求技术及其应用

分享到：

三维反求技术的发展 ......



三维反求技术的发展
　　
　　 三维反求技术亦称为逆向工程 (reverse engineering) ，原先这种技术是用于三维测量及质量检定。
生产下来的产品，可利用这技术测量其外型尺寸及检定它的质量，然后对比原先设计时的参数，是否附合要求或须要做出修改、优化等。这可
本文有[www.0574-laser.com]提供，请及时关注[www.0574-laser.com]提供的内容

以说三维反求技术是产品设计过程中的下游工序向上游工序反馈信息的一个途径。
　　
　　 上世纪六十年代有学者提出利用电脑视觉技术(computer vision) 来获取三维数据的可能性。随后，多种技术被研发出来采集三维数据，

其中包括，立体视觉、结构光等。这些技术并没有被商品化，因为当时候的图像采集仪器、电子组件、软件技术及电脑计算功能都很难满足技

术要求。特别是在电脑计算功能上，当时的电脑没法处理庞大的数据。
　　
　　 到上世纪八十年代，美国Cyberware公司研制了一部用来扫描人头的三维扫描仪，并成功地用于影视特技制作。之后，美国及日本公司相

继投入巨大的人力物力资源开发相关的技术及扫描仪器，技术方面包括图像雷达、聚焦测距、莫尔条纹等，而扫描仪器到现在已有近百种之多

。
　　
　　 三维反求技术原理及工作流程
　　
　　 三维反求技术包括影像反求、软件反求及实物反求等三方面。目前相对最多人研究的是实物反求技术。它是研究实物CAD模型的重建和最

终产品的制造。陕义来说，三维反求技术是将实物模型数据化成设计、概念模型，并在此基础上对产品进行分析、修改及优化等技术。
　　
　　 工作原理
　　
　　 三维反求技术是利用电子仪器去收集物体表面的原始数据, 之后再使用软件，计算出采集数据的空间坐标，并得到对应的颜色。扫描仪是

对物体作全方位的扫描、然后整理数据、三维造型、格式转换、输出结果。整个操作过程，可以分为四个步骤：
　　
　　 （1） 物体数据化：普遍采用三坐标测量机或激光扫描仪来采集物体表面的空间坐标值。
　　
　　 （2） 从采集的数据中分析物体的几何特征：依据数据的属性，进行分割、再采用几何特征和识别方法来分析物体的设计及加工特征。
　　
　　 （3） 物体三维模型重建：利用CAD软件，把分割后的三维数据作表面模型的拟合，得出实物的三维模型。
　　
　　 （4） 检验、修正三维模型。
　　
　　 工作流程
　　
　　 三维反求的典型工作流程主要是对现有的实物，使用数据化的仪器，准确、快速地采集表面轮廓的空间坐标值，然后构建曲面、经CAM软

件产生CNC加工刀路，在CNC机床上把实物模型制造出来或利用快速原型制造机，把实物原型制造出来。在产品设计方面，采集的空间坐标值，

可对实体三维模型，作复杂的修改或再创新。快速原型制造机可读取STL格式的文档，可以由云点直接转换或在建造的曲面、实体三维模型中

转换。
　　
　　 三维数据采集方式
　　
　　 三维数据的采集方式，按照它们所采用的原理、有三种方式：一是接触式，如三坐标测量；二是非接触式，如结构光法、激光三角法等；

三是逐层扫描方法，如CT法和核磁共振法、自动断层扫描法等。
　　
　　 采用哪种采集方式取决于被扫描对象的形状、大小、物质、数据应用目的。在市场上扫描仪器种类很多，采集方式虽然不尽相同、但主要

由三个部份组成；即扫描装置、传感器及软件。
　　 接触式扫描或测量方法
　　
　　 这种采集方式主要是利用三坐标测量作扫描。采集方式主要是利用安装在仪器上的探针(stylus) 逐点采集对象表面上的数据。探针沿对

象表面运行时，对象表面上反作用力使探针位移。位移是通过探头内的弹簧反映出来。连接弹簧的传感器(transducer)便会测量位移的大少、

方向等。之后便通过计算显示各采集点的三维空间坐标。
　　
　　 由于三坐标测量仪本身的机械结构及设计，采集数据精度高，对被扫描对象的表面的颜色及反射特性没有特别要求。采集数据时，探针是

压着被对象运行的，所以一些材质较软的发泡胶等便不能准确扫描，因为被扫描对象会被探针压着而变形。探针经常在坚韧的对象表面运行时

，容易磨损，所以须要经常较正探针的直径，维持一定的精度。由于它是逐点采集数据，所以扫描速度相对较慢，主要是用来测量不太复杂，

具有少量特征曲面的对象。
　　
　　 现时市场上，有一种专用的接触式扫描机。由英国Renishaw公司提供的Cyclone扫描机可以采集复杂的对象表面曲线数据，采点速度每秒

四百点及每分钟扫描三米，操作容易。所采集的数据，通过扫描机原身配备的软件，转化成电脑加工中的刀路，直接制造模具。
　　
　　 非接触扫描方法
　　
　　 结构光法的操作原理是把一定模式的光源，投射到被扫描对象的表面上，投射参考面光源，会被放在该位置的被扫描对象阻挡而发生变形

，此时使用不同的镜头摄取不同角度的图像，再分析变形的光源, 就可计算出被测对象表面的整幅图像的三维坐标。结构光法采用的光源以光

栅影线较为普遍。目前分析光栅影线变形的方法主要有传里叶及相移法。而相移法相对较为准确，这种方法的优点是测量的速度很快、扫描的

面积大、设备相对轻便方面携带、测量场地没有特别要求。在汽车行业，它普遍被用来扫描汽车的车身等大面积对象。德国Steinblicher公司

的 COMET IV扫描仪，可以扫描的面积从 100×75mm2到1200×1200mm2。它的摄像器可装在三脚架上，随意移动至任何位置作高速扫描、摄像

器更可以装上机械手上，扫描复杂的对象，分辨率可达400万象素之高。对一些精细零件都能采集良好的数据。
　　
　　 激光三角法
　　
　　 激光三角法是在被扫描物的表面用有规则几何图形的激光束，如点光源或线光源，进行扫描，被扫描面便会形成漫反射光点、光带，接着
本文有[www.0574-laser.com]提供，请及时关注[www.0574-laser.com]提供的内容

安装在光路的图像传感器接收这光点、光带，然后利用三角原理计算出被采集点的空间坐标。激光三角法的技术成熟、被广泛使用，扫描速度

高、精度高。它的图像传感器体积细而轻，安装方便。它甚至可以它装在三坐标上，安装拆卸容易，这是它另一个特点。它也可以扫描材质较