基于Atos_Tritop的点云采集方法[1]

来源：九壹网

模具技术2004.N0.2　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　51

文章编号:1001-4934(2004)02-0051-04

基于Atos&Tritop的点云采集方法

周士侃,娄臻亮,舒世湘

(上海交通大学　国家模具CAD工程研究中心,上海　200030)

摘　要:简要介绍了反向工程领域中一种先进的点云采集方法。我们使用的扫描设备是Atos三坐标光学扫描系统。它是非接触式的利用光栅原理的光学扫描设备。还介绍了反向工程的一些基本概念和光学扫描的原理,并以汽车仪表板为例具体分析了Atos和UGII的工作原理。关键词:反向工程;点云;光栅扫描;汽车仪表板;Atos;Tritop中图分类号:TP391172　　　　文献标识码:AAbstract:WiththeintegrationofCADΠCAMsystemsandthetechnologyof3D2coordinatescan2ning,reverseengineering(RE)hasemergedasanimportantdesigntoolinrecentyears.Thispa2perbrieflyintroducesanadvancemethodofpointcollectioninreverseengineeringfield.Atos,the3D2coordinateopticalscanner,isusedasthe3D2measurement.Itisanon2contactopticalscannerwhichusingrastertheory.Thebasedtheoryinreverseisalsointroduced.TheprincipleofAtosandUGIIisdiscussedbytheexampleoffasciaboard.

KeyWords:reverseengineering;pointcloud;rasterscanning;fasciaboard;Atos;Tritop

0　引言

在机械领域中,反向工程(ReverseEngineer2ing)是在没有设计图纸或者设计图纸不完整以及没有CAD模型的情况下,按照现有零件的模型(称为零件原形),利用各种数字化技术及CAD技术重新构造原形CAD模型的过程。

反向工程是近年来发展起来的消化、吸收和提高先进技术的一系列分析方法和应用技术的组

[1]

合,其主要目的是为了改善技术水平,提高生产率,增强经济竞争力。世界各国在经济技术发展中,应用反向工程消化吸收先进技术经验,给人们有益的启示。据统计,各国百分之七十以上的技术源于国外,反向工程作为掌握技术的一种手段,可使产品研制周期缩短百分之四十以上,极大提高了生产率。因此研究反向工程技术,对我国国民经济的发展和科学技术水平的提高,具有重大的意义。

一般反向工程方法如下:

图1　反向工程的一般过程

收稿日期:2003-01-08

作者简介:周士侃(1979～),男,硕士研究生。

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　　由图1所示:反向工程系统将采集的点云数据,经过必要的编辑、多模型自动匹配、偏置、滤波、排序等优化处理,人工或半人工寻找结构特征线,根据结构线及域内点云拟合出各局部的曲面CAD模型。其中,点云采集是第一步,也是最关键的一步,只有采集到精确的点云数据,最后得出的CAD模型才会和实物匹配。因此,选用合适的点云采集方法是反向工程的关键。

介代替探针,甚至利用计算机视觉技术直接根据物体的图像来恢复三维信息。根据扫描方法不同

[2]

有点状激光式、线状激光式、光栅投影式、数码影像合成等。本文所要介绍的Atos扫描仪属于非接触光栅投影式扫描仪。

2　光栅式扫描仪Atos

Atos三维扫描仪是一种带有两个CCD摄像

1　常用的点云采集方法简介

目前国内外一般采用三维扫描仪进行点云采

集。三维扫描仪(3-DimensionalScanner),又称为三维数字化仪(3-DimensionalDigitizer)。不同的三维扫描仪所采用的原理、结构、工作方式都可能完全不同。目前的三维扫描仪可以分成两大类:接触式与非接触式。111　接触式扫描仪

机和一个投影单元的光学三维扫描仪。它的投影单元部分配备了一个白色的投射灯泡和

一个可规则滑动的复杂光栅。Atos扫描仪的传感器被固定在一个三脚架上,并可以十分方便的沿四轴方向转动。测量时,投射灯泡将规则变化的光栅投影到被测工件表面产生的摩尔条纹,摩尔条纹的变化被CCD镜头记录下来,并转送到计算机,经过处理以后得到两个CCD镜头分别拍摄到的两张“三维”照片。由于两个CCD镜头可以感知高达440,000个象素,所以每一单幅照片可以采集到113万个有效数据点。Atos软件可以在瞬间处理这113万个数据并精确的标定出其三维空间坐标值。

Atos光栅扫描仪的外形如图2所示,中间部分为一投影装置,将光栅影像投射到待测物体上;两侧白色部分为两个数码摄像头,综合分析以得到精确数据。

211　Atos测量系统的参考点设置

接触式扫描仪采用硬质探针或其他探头在物体表面接触扫描,可以对具有复杂形状的工件的空间尺寸进行测量,此类扫描仪的典型代表是英国Renishaw公司生产的系列三坐标测量仪(Co2ordinateMeasuringMachine,CMM),如CY2CLONE扫描仪。112　非接触式扫描仪

非接触式扫描仪以激光、超声波、红外线等媒

图2　Atos光栅扫描仪外形

　　在实际运用中,Atos测量系统依靠事先在工件表面所贴的参考点来定位(图3中的白色小圆点),并通过获取工件表面的反射光线得知工件表面的曲面信息。每一次拍摄必须要有三个以上的参考点被两个CCD镜头同时获得,而且其中的三个点必须是已经定义过的。然后便可根据这三个“老”点来定义“新”点。如此递推便可完成整个测量工作。

212　Atos扫描仪进行点云采集的顺序

在Atos扫描仪进行测量,即点云采集的过程

中,误差的产生是难以避免的,但如果误差累积到一定程度,就无法达到精度的要求。因此,正确的测量顺序应该是由中部向四周逐渐扩展测量,这样做所得到的误差是最小的。

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到解决了。

4　设计实例———汽车仪表板的点云采集

一般来说,汽车仪表板的构成十分复杂,而且主要是由大量的不规则自由曲面组成,因此只能

使用非接触式扫描仪进行点云采集。另外,仪表板的尺寸远大于Atos的测量范围,所以,先由Tritop进行定位是十分必要的。

只有定位的工作完成以后,才可以使用Atos

图3　Atos测量系统中的参考点

3　Atos的辅助工具———Tritop

Tritop测量系统是一种高性能的测量和检验

物体准确的坐标值和尺寸的测量系统,这种数字照相系统提供了一种测量物体空间三位坐标的方法。借助Tritop,可以直接得到所标记的点的坐标值,也可以通过使用特殊的适配器来得到测量的点、线、面的特征。这种基于光学特性的测量可以达到很高的进度,这使得Tritop软件系统能够自动、精确的将测量所得的标记点的坐标转换为物体的特征坐标值。311　Tritop的工作原理

Tritop数码相机系统是利用照相机技术来获

进行扫描。在扫描的过程中,有以下几点需要加

以注意:

(1)贴参考点时应注意技巧,在曲面较平坦的区域可以少贴一些,而在曲率变化较大的区域则应多贴。另外,不能将参考点贴在曲率变化较大的部位,以免影响点云数据。

(2)在测量的过程中,会出现点云与实物严重不符的情况。此时,应删去错误点云,重新选择参考点进行测量。

(3)在测量的过程中,应弃用误差较大的参考点,以免因误差累积而影响精度。

(4)最需要注意的是边界问题。边界点云不完整是Atos扫描的一大缺陷,因此在测量的过程中应加强边界测量。

Atos扫描所得到的点云如图4所示。

取某些特征标志点的三坐标位置。这些特征点以两种方式被数码照相机识别。通过这种识别方法,就可以将从每个摄像角度在可见范围内的被测物体上产生的一种圆锥形光线捕获并识别。一旦摄像角度被确定后,那些特征点的三维坐标就被确定下来了。并在Tritop软件的窗口中用十字叉来标记出来。当然,这些复杂的计算都是由软件本身自己解决的。

图4　汽车仪表板的点云采集

312　Atos与Tritop的结合

　　由图4可知,Atos&Tritop所采集到的点云数据非常详实与精确,有利于我们进行下一步的

三维造型和建模。图5即为使用三维造型软件UG对所采集到的点云数据进行处理后得到的仪表板的三维模型图。

由此实例可知,基于Atos&Tritop的点云采集方法在模具制造的反向工程领域有很大的用武之地。

正如前面所述,由于误差累积的原因,Atos在测量大型工件时定位的精度成为一个问题,而Tri2top照相系统正是解决这一问题的最好方法之一。

Tritop系统的单幅测量范围远远大于Atos系统,可以达到8m×8m的范围,而精度却可以达到011mmΠ1000mm。但是Tritop却又与Atos不同,Atos系统测量所得的数据是物体表面的点的数据,也就是点云;而Tritop系统测量所得的却是参考点的坐标。由前述可知,Atos正是根据这些参考点来为所测得的点云来定位的。因此,有了Tritop的辅助,Atos误差累积的问题就可以得

5　结论

光栅式测量仪Atos与Tritop数码相机的结

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体,在陡峭处往往会发生相位突变,使测量精度大

大降低。另外,Atos若应用于快速造型技术中,还存在着一个致命的缺陷———无法测量物体的内部轮廓。因而Atos在快速造型技术中的应用受

[3]

到了一定的。

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图5　汽车仪表板的三维造型

(11):851～855.

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合是目前反向工程领域中较为优秀的点云采集方

法。与传统的接触式扫描仪相比,其主要优点是测量范围大,速度快,易于实现。因此,它的应用范围涵盖了汽车工业与航天工业的各个方面。同时,Atos也具有显著的不足,即只能测量表面起伏不大的较平坦的物体,对于表面变化剧烈的物

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(上接第42页)

图8　方案二的压力降分布图9　方案二的流体前端的温度分布

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