專利名稱：基于空間編碼投影的逆向工程加工系統(tǒng)與方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及基于空間編碼投影的逆向工程，具體來(lái)說(shuō)設(shè)計(jì)一種基于空間編碼投影的逆向工程加工系統(tǒng)與方法。
背景技術(shù)：
逆向工程的研究與應(yīng)用，國(guó)內(nèi)發(fā)展時(shí)間相對(duì)較晚。上世紀(jì)90年代中后期，逆向工程才引起國(guó)內(nèi)的學(xué)者的關(guān)注和重視。南京航空航天大學(xué)的研究小組提出的基于截面數(shù)據(jù)的曲線重建沒(méi)有運(yùn)用基于特征的方法，即對(duì)于截面的數(shù)據(jù)點(diǎn)整體擬合一條B樣條曲線，然后基于B樣條曲線組進(jìn)行蒙皮計(jì)算。山東大學(xué)研究小組李剛根據(jù)逆向工程的基本原理和流程，將現(xiàn)有的測(cè)量設(shè)備、逆向軟件、CAD建模軟件等有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，對(duì)產(chǎn)品實(shí)物模型進(jìn)行外形的三維數(shù)據(jù)測(cè)量、數(shù)據(jù)處理、曲面重建等，并且在此基礎(chǔ)上，研究了接觸式和非接觸式測(cè)量方法的原理特點(diǎn)以及適合的場(chǎng)合；研究了如何在保證測(cè)量精度、正確反映幾何形狀的條件下，優(yōu)化測(cè)量路徑，減少測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)，提高測(cè)量效率，解決測(cè)量中遇到的各種問(wèn)題。浙江大學(xué)吳守春運(yùn)用理論和實(shí)踐想結(jié)合的方法，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)及網(wǎng)格數(shù)據(jù)的特性線提取、三角網(wǎng)格的脊線提取以及點(diǎn)云數(shù)據(jù)的形狀識(shí)別進(jìn)行了一定的研究，尋求計(jì)算效率高，結(jié)果美觀的計(jì)算機(jī)算法。浙江大學(xué)譚光華對(duì)點(diǎn)云以及網(wǎng)格模型中的形狀編輯問(wèn)題進(jìn)行理論探索與應(yīng)用研究，旨在提高現(xiàn)有模型的可重用性以及變形編輯的效率，減少三維建模以及動(dòng)畫設(shè)計(jì)的工作量，提出了一個(gè)基于ObbGraph的大規(guī)模點(diǎn)云曲面自由變形的方法。該方法結(jié)合了傳統(tǒng)的自由變形(Free FormDeform)比較快速的優(yōu)點(diǎn)以及微分網(wǎng)格變形技術(shù)中特征保持的優(yōu)點(diǎn)，從而在提高變形效率的同時(shí)，能夠較好的保持點(diǎn)云曲面的局部幾何細(xì)節(jié)。并且給出了點(diǎn)云曲面上頂點(diǎn)變形梯度的定義及其閉合解。不同于傳統(tǒng)的定義于三角面片上的變形梯度，點(diǎn)云曲面的頂點(diǎn)變形梯度直接定義于點(diǎn)云曲面的每個(gè)頂點(diǎn)，從而無(wú)需類似網(wǎng)格的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。山東大學(xué)何軍圍繞網(wǎng)格上的樣條曲面擬合和網(wǎng)格模型變形技術(shù)等問(wèn)題進(jìn)行了深入探討，針對(duì)網(wǎng)格上樣條曲面擬合問(wèn)題，提出一種在不規(guī)則控制網(wǎng)格上構(gòu)造有理雙三次曲面的新方法。通過(guò)均勻雙三次B樣條基函數(shù)的分解和子基函數(shù)的分類，使用類似于B樣條曲面的方法在不規(guī)則控制網(wǎng)格上構(gòu)造曲面。同時(shí)，針對(duì)網(wǎng)格模型尺寸調(diào)整問(wèn)題，提出一種新的保持模型特征的尺寸調(diào)整方法，可以很好的保持模型的感知敏感區(qū)域的特征，將變形盡量分布到非敏感區(qū)域。針對(duì)網(wǎng)格模型變形問(wèn)題，提出一種特征敏感的模型變形方法更加關(guān)注網(wǎng)格模型的特征細(xì)節(jié)。具體是通過(guò)在對(duì)偶網(wǎng)格中使用特征敏感度量的思想，直接將法向量考慮進(jìn)來(lái)，因此特征敏感的拉普拉斯算子對(duì)特征細(xì)節(jié)非常敏感。由于國(guó)內(nèi)制造迅速發(fā)展，涌現(xiàn)出一大批高科技公司推動(dòng)了逆向工程技術(shù)在我國(guó)迅速發(fā)展。西安愛(ài)德華測(cè)量設(shè)備有限公司，其在數(shù)控系統(tǒng)、測(cè)量軟件及光學(xué)圖像信息處理技術(shù)等核心技術(shù)上擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，在三坐標(biāo)數(shù)學(xué)處理模型的建立、PC總線下CNC控制、計(jì)算機(jī)圖像處理與坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)研究領(lǐng)域已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。由浙江大學(xué)和杭州一茗軟件公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的RE-SOFT軟件，提供了新一代以多級(jí)特征抽取、評(píng)價(jià)、設(shè)計(jì)、運(yùn)算、再現(xiàn)以及分析為核心的反求建模范式獨(dú)具特色的反求建模策略，為用戶提供了將點(diǎn)云轉(zhuǎn)化為設(shè)計(jì)概念、設(shè)計(jì)方法、功能原理、工程約束以及美學(xué)原理等高級(jí)信息的最先進(jìn)求解方法。軟件開(kāi)發(fā)應(yīng)用了模塊化開(kāi)發(fā)技術(shù)，由數(shù)據(jù)交換模塊、反求造型模塊、分析與測(cè)量模塊、輔助工具模塊、圖形顯示和用戶交互模塊組成。逆向工程在數(shù)據(jù)處理、曲面片擬合、規(guī)則特征識(shí)別、專用商業(yè)軟件和三維掃描儀的開(kāi)發(fā)等方面已取得非常顯著的進(jìn)步。但在實(shí)際應(yīng)用中，整個(gè)過(guò)程仍需大量的人工交互，操作者的經(jīng)驗(yàn)和素質(zhì)影響著產(chǎn)品的質(zhì)量，自動(dòng)重建曲面的光順性難以保證，而且沒(méi)有與實(shí)際加工結(jié)合的研發(fā)案例，因此迫切需要一種新的方法和系統(tǒng)解決上述技術(shù)問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明正是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問(wèn)題，提供一種基于空間編碼投影的逆向工程加工系統(tǒng)與方法，該方法通過(guò)視頻手段獲取被測(cè)物體空間尺度的坐標(biāo)信息，將其轉(zhuǎn)換成操控指令，在程控設(shè)備上快速成型，將視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)與快速加工技術(shù)相集成，建立一個(gè)面向高精密設(shè)備加工的自動(dòng)檢測(cè)與成型系統(tǒng)。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下，一種基于空間編碼投影的逆向工程加工方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟，I)向被采集物體投射空間編碼，再通過(guò)視頻手段獲取被測(cè)物體的空間尺度的坐標(biāo)信息，2)對(duì)采集到的圖像進(jìn)行處理，重構(gòu)并優(yōu)化為曲面模型；3)對(duì)生成的曲面模型進(jìn)行分析計(jì)算，生成刀具路徑。作為本發(fā)明的一種改進(jìn)，所述步驟2中對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理的過(guò)程包括，點(diǎn)云去噪、點(diǎn)云精簡(jiǎn)、孔洞修補(bǔ)以及點(diǎn)云變形，三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)中總會(huì)伴有噪聲點(diǎn)的存在，統(tǒng)計(jì)所得測(cè)量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中約0. 1% — 5%的噪聲點(diǎn)。噪聲點(diǎn)使得重構(gòu)的模型曲面不光滑、出現(xiàn)變形的情況，在模型重構(gòu)之前需要對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理。對(duì)于三維點(diǎn)云來(lái)說(shuō)，噪聲產(chǎn)生的原因來(lái)自兩方面，一是被測(cè)物體本身存在缺陷，例如表面粗糙、有波紋等，另一方面是測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)備，如CCD攝像機(jī)的非線性誤差、系統(tǒng)的電噪聲等。所述點(diǎn)云去噪，由k鄰域內(nèi)進(jìn)行剔除奇異點(diǎn)噪聲和利用均值漂移迭代進(jìn)行偏移點(diǎn)調(diào)整兩步驟組合完成。其中奇異點(diǎn)噪聲是在噪聲點(diǎn)數(shù)據(jù)中，某些點(diǎn)是明顯與周圍點(diǎn)處于不同范圍，在模型中體現(xiàn)為毛刺，因此先利用k鄰域內(nèi)篩選算法對(duì)于奇異點(diǎn)直接剔除；所述調(diào)整偏移點(diǎn)，是指對(duì)于一些偏離正常位置的噪聲點(diǎn)，需要進(jìn)行位置調(diào)整，使其更接近原始曲面的位置，因此再利用均值漂移迭代算法進(jìn)行偏移點(diǎn)調(diào)整。所述點(diǎn)云精簡(jiǎn)，是在點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)造的VOTonoi圖上，利用快速行進(jìn)算法來(lái)不斷擴(kuò)展采樣區(qū)域，同時(shí)利用最遠(yuǎn)點(diǎn)采樣條件來(lái)篩選出符合條件的采樣點(diǎn)。所述孔洞修補(bǔ)，主要包括(I)提取出孔洞邊界特征點(diǎn)(2)根據(jù)孔洞周邊點(diǎn)的信息利用徑向基函數(shù)擬合出孔洞上的曲面(3)根據(jù)一定的步長(zhǎng)，在曲面上進(jìn)行采樣(4)對(duì)所得到的點(diǎn)采用移動(dòng)最小二乘法進(jìn)行調(diào)整，使得修補(bǔ)后的曲面能夠與周圍曲面光滑銜接。所述點(diǎn)云模型變形優(yōu)化，是對(duì)點(diǎn)云模型進(jìn)行自由變形以得到更適應(yīng)加工的數(shù)據(jù)模型，所述自由變形的特性主要是通過(guò)基函數(shù)的性質(zhì)表現(xiàn)出來(lái)的，引入不同的基函數(shù)，就可以形成不同特性的自由變形。作為本發(fā)明的一種改進(jìn)，所述步驟3包括截面間距計(jì)算，刀位點(diǎn)計(jì)算，刀位路徑生成，數(shù)控代碼生成。
一種基于空間編碼投影的逆向工程加工系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括采集裝置，處理裝置和加工裝置，所述采集裝置連接處理裝置，所述處理裝置連接加工裝置，所述采集裝置、處理裝置、加工裝置裝置采用串行方式連接。作為本發(fā)明的一種改進(jìn)，所述采集裝置包括攝像頭、投影儀、采集卡，所述處理裝置為嵌入式主板，所述主板包括PCI接口芯片、ARM處理器，RAM,CPLD構(gòu)成的電平轉(zhuǎn)換芯片，所述處理裝置為數(shù)控機(jī)床，被測(cè)物體圖像通過(guò)兩個(gè)內(nèi)參數(shù)相同、呈對(duì)稱等高放置的CCD攝像頭被同步記錄，通過(guò)視頻采集卡采集，視頻采集卡通過(guò)PCI總線與系統(tǒng)主板連接，ARM芯片通過(guò)中斷方式控制PCI接口芯片，其數(shù)據(jù)交換通過(guò)雙口 RAM進(jìn)行緩沖，所述ARM通過(guò)PCI接口獲取圖像信息后進(jìn)行算法處理，最終生成三維機(jī)床的控制代碼，通過(guò)USB接口將控制代碼輸出至加工裝置。作為本發(fā)明的一種改進(jìn)，所述投影儀采用IXD液晶成像，投影距離設(shè)置為1.2 5. 7米，液晶板尺寸為0.7英寸，標(biāo)準(zhǔn)顯示分辨率為1024 X 768像素，標(biāo)稱對(duì)比450:1，標(biāo)稱光亮2000流明，鏡頭F值1.8 2.15，焦距23 27. 6毫米。作為本發(fā)明的一種改進(jìn)，所述攝像頭采用CXD攝像頭，采用1/3英寸數(shù)字成像板，其采用1/3英寸數(shù)字成像板，44萬(wàn)像素，535線高清晰的水平分辨率，最低照度0. 7流明，信噪比為50dB，內(nèi)置10位數(shù)字處理器，支持自動(dòng)背光補(bǔ)償與自動(dòng)白平衡。相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明設(shè)計(jì)具有良好的魯棒性和自適應(yīng)性的，具有廣泛的三維采集檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)視頻手段獲取被測(cè)物體空間尺度的坐標(biāo)信息，將其轉(zhuǎn)換成操控指令，在程控設(shè)備上快速成型，將視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)與快速加工技術(shù)相集成，建立一個(gè)面向高精密設(shè)備加工的自動(dòng)檢測(cè)與成型系統(tǒng)。(與權(quán)利書(shū)一樣修改)。


圖1為本發(fā)明加工方法整體流程 圖2為本發(fā)明加工系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖。其中I為攝像頭，2為投影儀，3為圖像采集卡，4為PCI接口，5為PCI接口芯片，6為ARM處理器，7為機(jī)床，8為RAM，9為CPLD構(gòu)成的電平轉(zhuǎn)換芯片，10為鍵盤，11為IXD顯示器，12為FLASH, 13為D/A轉(zhuǎn)換器，14為VGA接口，15為USB接口。
具體實(shí)施例方式為了加深對(duì)本發(fā)明的理解和認(rèn)識(shí)，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明和介紹。實(shí)施例1 :
參見(jiàn)圖1，一種基于空間編碼投影的逆向工程加工方法，所述方法包括以下步驟，I)向被采集物體投射空間編碼，再通過(guò)視頻手段獲取被測(cè)物體的空間尺度的坐標(biāo)信息，2)對(duì)采集到的圖像進(jìn)行處理，重構(gòu)并優(yōu)化為曲面模型；3)對(duì)生成的曲面模型進(jìn)行分析計(jì)算，生成刀具路徑。步驟I中，投影系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，在結(jié)構(gòu)光投影系統(tǒng)中，基于光路可逆原理，理想投影儀2可視為一個(gè)逆向理想的針孔攝像機(jī)，投影儀2的投影矩陣P可分解為3 X 3的內(nèi)參數(shù)矩陣Ap，3 X 3的旋轉(zhuǎn)矩陣Rp，3 X I的坐標(biāo)系間的平移向量Tp?；跀z像頭I的針孔模型建立理想投影儀的數(shù)學(xué)模型；基于條紋邊界的編碼方法，先采用圖論的方法，通過(guò)人工設(shè)置所得編碼的中心核，即中心條紋及其附近的編碼。這些編碼具有良好的對(duì)稱性與跳變性，便于數(shù)字圖像檢測(cè)與提取。然后利用Hadamard算法快速生成一個(gè)初始的編碼矩陣。再利用交換代數(shù)方式，將矩陣中的不同列進(jìn)行調(diào)換，使得該矩陣的最初幾列滿足條紋邊界編碼的設(shè)計(jì)要求，該優(yōu)點(diǎn)在于可以遍歷整個(gè)編碼空間，從而能找到較好的編碼序列。步驟2中，預(yù)處理的過(guò)程包括，點(diǎn)云去噪，點(diǎn)云精簡(jiǎn)、孔洞修補(bǔ)以及點(diǎn)云數(shù)據(jù)變形優(yōu)化，所述點(diǎn)云去噪為，三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)中總會(huì)伴有噪聲點(diǎn)的存在，統(tǒng)計(jì)所得測(cè)量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中約0. 1% — 5%的噪聲點(diǎn)。噪聲點(diǎn)使得重構(gòu)的模型曲面不光滑、出現(xiàn)變形的情況，在模型重構(gòu)之前需要對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理。對(duì)于三維點(diǎn)云來(lái)說(shuō)，噪聲產(chǎn)生的原因來(lái)自兩方面，一是被測(cè)物體本身存在缺陷，例如表面粗糙、有波紋等，另一方面是測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)備，如CCD攝像機(jī)的非線性誤差、系統(tǒng)的電噪聲等。本發(fā)明算法總體上來(lái)看分為k鄰域內(nèi)進(jìn)行剔除奇異點(diǎn)噪聲和利用均值漂移迭代進(jìn)行偏移點(diǎn)調(diào)整這兩個(gè)步驟，剔除奇異點(diǎn)，在噪聲點(diǎn)數(shù)據(jù)中，某些點(diǎn)是明顯與周圍點(diǎn)處于不同范圍，在模型中體現(xiàn)為毛刺，對(duì)于奇異點(diǎn)直接剔除。調(diào)整偏移點(diǎn)，對(duì)于一些偏離正常位置的噪聲點(diǎn)，需要進(jìn)行位置調(diào)整，使其更接近原始曲面的位置。所述點(diǎn)云精簡(jiǎn)為，多余的點(diǎn)云數(shù)據(jù)會(huì)影響三維重建效率。對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡(jiǎn)后大大減輕了計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和運(yùn)算的負(fù)擔(dān)。快速行進(jìn)法是水平集方法，用來(lái)跟蹤運(yùn)動(dòng)邊界行進(jìn)過(guò)程。這里的邊界是指連接內(nèi)部和外部區(qū)域的臨界域，臨界域在二維平面中為閉合曲線，三維空間中為封閉曲面。在點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)造的VOTonoi圖上，利用快速行進(jìn)算法來(lái)不斷擴(kuò)展采樣區(qū)域，同時(shí)利用最遠(yuǎn)點(diǎn)采樣條件來(lái)篩選出符合條件的采樣點(diǎn)。所述孔洞修補(bǔ)為，按照邊界點(diǎn)是否能連接成閉合曲線可以將點(diǎn)云孔洞分為封閉孔洞和非封閉孔洞兩類。封閉孔洞按照是否有實(shí)心點(diǎn)分為單個(gè)孔洞和島嶼孔洞。非封閉孔洞按其孔洞附近點(diǎn)是否含有某種特征分為特征孔洞和無(wú)特征孔洞。算法的主要步驟首先提取出孔洞邊界特征點(diǎn)，隨后根據(jù)孔洞周邊點(diǎn)的信息利用徑向基函數(shù)擬合出孔洞上的曲面，隨后根據(jù)一定的步長(zhǎng)，在曲面上進(jìn)行采樣，所得的點(diǎn)進(jìn)行移動(dòng)最小二乘法的對(duì)所得到的點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整，使得修補(bǔ)后的曲面能夠與周圍曲面光滑銜接。所述點(diǎn)云模型變形優(yōu)化，是對(duì)點(diǎn)云模型進(jìn)行自由變形以得到更適應(yīng)加工的數(shù)據(jù)模型，所述自由變形的特性主要是通過(guò)基函數(shù)的性質(zhì)表現(xiàn)出來(lái)的，引入不同的基函數(shù)，就可以形成不同特性的自由變形。本發(fā)明針對(duì)以上提出的幾點(diǎn)設(shè)計(jì)了詳細(xì)算法如下
(I)本發(fā)明采用KD樹(shù)結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)空間編碼投影采集所得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，基于KD樹(shù)的k鄰域搜索算法完成邊界點(diǎn)的檢測(cè)與邊界線的連接。(2)對(duì)點(diǎn)云邊界點(diǎn)的數(shù)據(jù)的鄰域進(jìn)行分析，提取出邊界特征點(diǎn)，利用法向量選取適合的鄰域范圍，縮小采樣點(diǎn)的范圍，同時(shí)對(duì)點(diǎn)列進(jìn)行參數(shù)化，為后續(xù)計(jì)算進(jìn)行簡(jiǎn)化。(3)曲面擬合階段，對(duì)徑向基函數(shù)的核函數(shù)進(jìn)行選擇，選取適合的徑向基函數(shù)的核函數(shù)，并在此基礎(chǔ)上對(duì)孔洞邊界進(jìn)行擴(kuò)張，在擴(kuò)張的過(guò)程中充分利用邊界特征點(diǎn)的鄰域信息產(chǎn)生填充點(diǎn),完成對(duì)孔洞的修補(bǔ)。(4)對(duì)孔洞修補(bǔ)后的填充點(diǎn)進(jìn)行再次調(diào)整。確保了填充點(diǎn)與周圍鄰域點(diǎn)能光滑連接。
作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，對(duì)孔洞修補(bǔ)后的點(diǎn)云模型進(jìn)行自由變形，使其更適應(yīng)于進(jìn)行后期分析與加工。所述自由變形的特性主要是通過(guò)基函數(shù)的性質(zhì)表現(xiàn)出來(lái)的，引入不同的基函數(shù)，就可以形成不同特性的自由變形?；贐樣條基函數(shù)的自由變形是這方面的典型?；谪惾麪柕腇FD變形具有全局性，而基于B樣條的FFD具有局域性。而如果把貝塞爾和B樣條結(jié)合起來(lái)，則可以在全局性和局域性之間找到一個(gè)平衡點(diǎn)。同時(shí)由于變形后的點(diǎn)云模型可能密度變小，需要進(jìn)行點(diǎn)云上采樣，Alexa提出一種基于移動(dòng)最小二乘投影的點(diǎn)云上采樣。該方法的主要思路是在移動(dòng)最小二乘曲面上計(jì)算Voronoi圖，因?yàn)閂oronoi圖的頂點(diǎn)就是曲面上到周圍已存在點(diǎn)距離最大的點(diǎn)，因此這些頂點(diǎn)將是增加的點(diǎn)。然而在移動(dòng)最小二乘曲面上計(jì)算Voronoi圖的計(jì)算量是巨大的，因此Alexa采用一個(gè)局部近似。上述算法是投影到MLS曲面上的點(diǎn)云上采樣，但是在本發(fā)明中，點(diǎn)云經(jīng)過(guò)曲面重構(gòu)后是由三角片組成的。所以上面對(duì)上面的算法必須進(jìn)行改進(jìn)才能用于本項(xiàng)目中。改進(jìn)的步驟是第四步。當(dāng)最大的圓被選擇之后，其圓心并不是投影到MLS曲面上，而是找周圍點(diǎn)中距離最近的原始點(diǎn)云投影點(diǎn)，用該圓形左垂直于局部平面的垂線，向上與這三個(gè)點(diǎn)的三維點(diǎn)形成的三角形相交，則相交的就是新增加的點(diǎn)。實(shí)施例2 :作為本發(fā)明的一種改進(jìn)，對(duì)處理后的圖像進(jìn)行三維重構(gòu)，主要包括曲面重構(gòu)與曲面光順。三角剖分即曲面重構(gòu)，逆向工程中，曲面重構(gòu)承接三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取與處理，同時(shí)又是后續(xù)的曲面空間濾波和光順的基礎(chǔ)，逆向工程中，曲面重構(gòu)的定義如下對(duì)于給定的一組測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)，重構(gòu)一張曲面，使其能很好地逼近實(shí)際模型表面。依據(jù)曲面重構(gòu)的實(shí)現(xiàn)策略，可將目前曲面重構(gòu)的方法分成兩類一是由測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)擬合得到曲線進(jìn)行曲面建模，另一種是利用測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)直接進(jìn)行曲面擬合，即是直接從散亂點(diǎn)云中尋找彼此之間的拓?fù)潢P(guān)系，建立曲面。而這一過(guò)程中研究最廣泛，應(yīng)用最成熟的技術(shù)即為三角剖分。三角剖分要解決的典型問(wèn)題為給定散亂數(shù)據(jù)點(diǎn)集
權(quán)利要求
1.基于空間編碼投影的逆向工程加工方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟，I)向被采集物體投射空間編碼，再通過(guò)視頻手段獲取被測(cè)物體的空間尺度的坐標(biāo)信息，2)對(duì)采集到的圖像進(jìn)行處理，重構(gòu)并優(yōu)化為曲面模型；3)對(duì)生成的曲面模型進(jìn)行分析計(jì)算，生成刀具路徑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于空間編碼投影的逆向工程加工方法，其特征在于，所述步驟2中對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理的過(guò)程包括，點(diǎn)云去噪、點(diǎn)云精簡(jiǎn)、孔洞修補(bǔ)與點(diǎn)云模型變形優(yōu)化；所述點(diǎn)云去噪主要包括剔除奇異點(diǎn)噪聲和利用均值漂移迭代進(jìn)行偏移點(diǎn)調(diào)整，其中剔除奇異點(diǎn)，在噪聲點(diǎn)數(shù)據(jù)中，某些點(diǎn)是明顯與周圍點(diǎn)處于不同范圍，在模型中體現(xiàn)為毛刺， 對(duì)于奇異點(diǎn)直接剔除；所述調(diào)整偏移點(diǎn)，對(duì)于一些偏離正常位置的噪聲點(diǎn)，需要進(jìn)行位置調(diào)整，使其更接近原始曲面的位置；所述點(diǎn)云精簡(jiǎn)為在點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)造的VOTonoi圖上，利用快速行進(jìn)算法來(lái)不斷擴(kuò)展采樣區(qū)域，同時(shí)利用最遠(yuǎn)點(diǎn)采樣條件來(lái)篩選出符合條件的采樣點(diǎn)； 所述孔洞修補(bǔ)主要包括，首先提取出孔洞邊界特征點(diǎn)，隨后根據(jù)孔洞周邊點(diǎn)的信息利用徑向基函數(shù)擬合出孔洞上的曲面，隨后根據(jù)一定的步長(zhǎng)，在曲面上進(jìn)行采樣，對(duì)所得到的點(diǎn)采用移動(dòng)最小二乘法進(jìn)行調(diào)整，使得修補(bǔ)后的曲面能夠與周圍曲面光滑銜接；所述點(diǎn)云模型變形優(yōu)化，是對(duì)點(diǎn)云模型進(jìn)行自由變形以得到更適應(yīng)加工的數(shù)據(jù)模型，所述自由變形的特性主要是通過(guò)基函數(shù)的性質(zhì)表現(xiàn)出來(lái)的，引入不同的基函數(shù)，就可以形成不同特性的自由變形。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于空間編碼投影的逆向工程加工方法，其特征在于，所述步驟3包括截面間距計(jì)算，刀位點(diǎn)計(jì)算，刀位路徑生成，數(shù)控代碼生成。
4.一種基于空間編碼投影的逆向工程加工系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括采集裝置、 處理裝置、加工裝置；采集裝置連接處理裝置，所述處理裝置連接加工裝置；所述采集裝置、處理裝置、加工裝置采用串行方式連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于空間編碼投影的逆向工程加工系統(tǒng)，其特征在于，所述采集裝置包括攝像頭、投影儀、采集卡，所述處理裝置為嵌入式主板，所述主板包括PCI接口芯片、ARM處理器，RAM、CPLD構(gòu)成的電平轉(zhuǎn)換芯片，所述處理裝置為數(shù)控機(jī)床，被測(cè)物體圖像通過(guò)兩個(gè)攝像頭被同步記錄，通過(guò)視頻采集卡采集，視頻采集卡通過(guò)PCI總線與系統(tǒng)主板連接，ARM芯片通過(guò)中斷方式控制PCI接口芯片，其數(shù)據(jù)交換通過(guò)雙口 RAM進(jìn)行緩沖， 所述ARM通過(guò)PCI接口獲取圖像信息后進(jìn)行算法處理，最終生成三維機(jī)床的控制代碼，通過(guò) USB接口將控制代碼輸出至加工裝置。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于空間編碼投影的逆向工程加工系統(tǒng)，其特征在于，所述投影儀采用IXD液晶成像，投影距離設(shè)置為1. 2 5.7米，液晶板尺寸為O. 7英寸，標(biāo)準(zhǔn)顯示分辨率為1024 X 768像素，標(biāo)稱對(duì)比450 : 1，標(biāo)稱光亮2000流明，鏡頭F值1. 82.15，焦距23 27. 6毫米。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于空間編碼投影的逆向工程加工系統(tǒng)，其特征在于，所述攝像頭采用CCD攝像頭，采用1/3英寸數(shù)字成像板，其采用1/3英寸數(shù)字成像板，44萬(wàn)像素，535線高清晰的水平分辨率，最低照度O. 7流明，信噪比為50dB，內(nèi)置10位數(shù)字處理器， 支持自動(dòng)背光補(bǔ)償與自動(dòng)白平衡。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于空間編碼投影的逆向工程加工系統(tǒng)與方法，所述系統(tǒng)包括采集裝置、處理裝置、加工裝置。采集裝置連接處理裝置，所述處理裝置連接加工裝置；所述方法包括以下步驟，1)向被采集物體投射空間編碼，再通過(guò)視頻手段獲取被測(cè)物體的空間尺度的坐標(biāo)信息，2)對(duì)采集到的圖像進(jìn)行處理，重構(gòu)并優(yōu)化為曲面模型；3)對(duì)生成的曲面模型進(jìn)行分析計(jì)算，生成刀具路徑。本發(fā)明設(shè)計(jì)具有良好的魯棒性和自適應(yīng)性，通過(guò)視頻手段獲取被測(cè)物體空間尺度的坐標(biāo)信息，建立曲面模型，在此基礎(chǔ)上生成刀具路徑，并將其轉(zhuǎn)換成操控指令，在程控設(shè)備上快速成型。此方法將視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)與快速加工技術(shù)相集成，可建立一個(gè)面向高精密設(shè)備加工的自動(dòng)檢測(cè)與成型系統(tǒng)。
文檔編號(hào)G06F17/50GK103049622SQ20131001574
公開(kāi)日2013年4月17日 申請(qǐng)日期2013年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月16日
發(fā)明者劉京南, 楊安康, 朱昊, 余玲玲, 敬銳, 湯傳吉 申請(qǐng)人:楊安康