三維反求技術(shù)及其應(yīng)用

    三維反求技術(shù)的發(fā)展
　　
　　三維反求技術(shù)亦稱為逆向工程 (reverse engineering) ，原先這種技術(shù)是用于三維測(cè)量及質(zhì)量檢定。
生產(chǎn)下來的產(chǎn)品，可利用這技術(shù)測(cè)量其外型尺寸及檢定它的質(zhì)量，然后對(duì)比原先設(shè)計(jì)時(shí)的參數(shù)，是否附合要求或須要做出修改、優(yōu)化等。這可以說三維反求技術(shù)是產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中的下游工序向上游工序反饋信息的一個(gè)途徑。
　　
　　上世紀(jì)六十年代有學(xué)者提出利用電腦視覺技術(shù)(computer vision) 來獲取三維數(shù)據(jù)的可能性。隨后，多種技術(shù)被研發(fā)出來采集三維數(shù)據(jù)，其中包括，立體視覺、結(jié)構(gòu)光等。這些技術(shù)并沒有被商品化，因?yàn)楫?dāng)時(shí)候的圖像采集儀器、電子組件、軟件技術(shù)及電腦計(jì)算功能都很難滿足技術(shù)要求。特別是在電腦計(jì)算功能上，當(dāng)時(shí)的電腦沒法處理龐大的數(shù)據(jù)。
　　
　　到上世紀(jì)八十年代，美國(guó)Cyberware公司研制了一部用來掃描人頭的三維掃描儀，并成功地用于影視特技制作。之后，美國(guó)及日本公司相繼投入巨大的人力物力資源開發(fā)相關(guān)的技術(shù)及掃描儀器，技術(shù)方面包括圖像雷達(dá)、聚焦測(cè)距、莫爾條紋等，而掃描儀器到現(xiàn)在已有近百種之多。
　　
　　三維反求技術(shù)原理及工作流程
　　
　　三維反求技術(shù)包括影像反求、軟件反求及實(shí)物反求等三方面。目前相對(duì)最多人研究的是實(shí)物反求技術(shù)。它是研究實(shí)物CAD模型的重建和最終產(chǎn)品的制造。陜義來說，三維反求技術(shù)是將實(shí)物模型數(shù)據(jù)化成設(shè)計(jì)、概念模型，并在此基礎(chǔ)上對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行分析、修改及優(yōu)化等技術(shù)。
　　
　　工作原理
　　
　　三維反求技術(shù)是利用電子儀器去收集物體表面的原始數(shù)據(jù), 之后再使用軟件，計(jì)算出采集數(shù)據(jù)的空間坐標(biāo)，并得到對(duì)應(yīng)的顏色。掃描儀是對(duì)物體作全方位的掃描、然后整理數(shù)據(jù)、三維造型、格式轉(zhuǎn)換、輸出結(jié)果。整個(gè)操作過程，可以分為四個(gè)步驟：
　　
　　（1） 物體數(shù)據(jù)化：普遍采用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)或激光掃描儀來采集物體表面的空間坐標(biāo)值。
　　
　?。?） 從采集的數(shù)據(jù)中分析物體的幾何特征：依據(jù)數(shù)據(jù)的屬性，進(jìn)行分割、再采用幾何特征和識(shí)別方法來分析物體的設(shè)計(jì)及加工特征。
　　
　?。?） 物體三維模型重建：利用CAD軟件，把分割后的三維數(shù)據(jù)作表面模型的擬合，得出實(shí)物的三維模型。
　　
　?。?） 檢驗(yàn)、修正三維模型。
　　
　　工作流程
　　
　　三維反求的典型工作流程主要是對(duì)現(xiàn)有的實(shí)物，使用數(shù)據(jù)化的儀器，準(zhǔn)確、快速地采集表面輪廓的空間坐標(biāo)值，然后構(gòu)建曲面、經(jīng)CAM軟件產(chǎn)生CNC加工刀路，在CNC機(jī)床上把實(shí)物模型制造出來或利用快速原型制造機(jī)，把實(shí)物原型制造出來。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面，采集的空間坐標(biāo)值，可對(duì)實(shí)體三維模型，作復(fù)雜的修改或再創(chuàng)新?？焖僭椭圃鞕C(jī)可讀取STL格式的文檔，可以由云點(diǎn)直接轉(zhuǎn)換或在建造的曲面、實(shí)體三維模型中轉(zhuǎn)換。
　　
　　三維數(shù)據(jù)采集方式
　　
　　三維數(shù)據(jù)的采集方式，按照它們所采用的原理、有三種方式：一是接觸式，如三坐標(biāo)測(cè)量；二是非接觸式，如結(jié)構(gòu)光法、激光三角法等；三是逐層掃描方法，如CT法和核磁共振法、自動(dòng)斷層掃描法等。
　　
　　采用哪種采集方式取決于被掃描對(duì)象的形狀、大小、物質(zhì)、數(shù)據(jù)應(yīng)用目的。在市場(chǎng)上掃描儀器種類很多，采集方式雖然不盡相同、但主要由三個(gè)部份組成；即掃描裝置、傳感器及軟件。

　　接觸式掃描或測(cè)量方法
　　
　　這種采集方式主要是利用三坐標(biāo)測(cè)量作掃描。采集方式主要是利用安裝在儀器上的探針(stylus) 逐點(diǎn)采集對(duì)象表面上的數(shù)據(jù)。探針沿對(duì)象表面運(yùn)行時(shí)，對(duì)象表面上反作用力使探針位移。位移是通過探頭內(nèi)的彈簧反映出來。連接彈簧的傳感器(transducer)便會(huì)測(cè)量位移的大少、方向等。之后便通過計(jì)算顯示各采集點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)。
　　
　　由于三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x本身的機(jī)械結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)，采集數(shù)據(jù)精度高，對(duì)被掃描對(duì)象的表面的顏色及反射特性沒有特別要求。采集數(shù)據(jù)時(shí)，探針是壓著被對(duì)象運(yùn)行的，所以一些材質(zhì)較軟的發(fā)泡膠等便不能準(zhǔn)確掃描，因?yàn)楸粧呙鑼?duì)象會(huì)被探針壓著而變形。探針經(jīng)常在堅(jiān)韌的對(duì)象表面運(yùn)行時(shí)，容易磨損，所以須要經(jīng)常較正探針的直徑，維持一定的精度。由于它是逐點(diǎn)采集數(shù)據(jù)，所以掃描速度相對(duì)較慢，主要是用來測(cè)量不太復(fù)雜，具有少量特征曲面的對(duì)象。
　　
　　現(xiàn)時(shí)市場(chǎng)上，有一種專用的接觸式掃描機(jī)。由英國(guó)Renishaw公司提供的Cyclone掃描機(jī)可以采集復(fù)雜的對(duì)象表面曲線數(shù)據(jù)，采點(diǎn)速度每秒四百點(diǎn)及每分鐘掃描三米，操作容易。所采集的數(shù)據(jù)，通過掃描機(jī)原身配備的軟件，轉(zhuǎn)化成電腦加工中的刀路，直接制造模具。
　　
　　非接觸掃描方法
　　
　　結(jié)構(gòu)光法的操作原理是把一定模式的光源，投射到被掃描對(duì)象的表面上，投射參考面光源，會(huì)被放在該位置的被掃描對(duì)象阻擋而發(fā)生變形，此時(shí)使用不同的鏡頭攝取不同角度的圖像，再分析變形的光源, 就可計(jì)算出被測(cè)對(duì)象表面的整幅圖像的三維坐標(biāo)。結(jié)構(gòu)光法采用的光源以光柵影線較為普遍。目前分析光柵影線變形的方法主要有傳里葉及相移法。而相移法相對(duì)較為準(zhǔn)確，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量的速度很快、掃描的面積大、設(shè)備相對(duì)輕便方面攜帶、測(cè)量場(chǎng)地沒有特別要求。在汽車行業(yè)，它普遍被用來掃描汽車的車身等大面積對(duì)象。德國(guó)Steinblicher公司的 COMET IV掃描儀，可以掃描的面積從 100×75mm2到1200×1200mm2。它的攝像器可裝在三腳架上，隨意移動(dòng)至任何位置作高速掃描、攝像器更可以裝上機(jī)械手上，掃描復(fù)雜的對(duì)象，分辨率可達(dá)400萬象素之高。對(duì)一些精細(xì)零件都能采集良好的數(shù)據(jù)。
　　
　　激光三角法
　　
　　激光三角法是在被掃描物的表面用有規(guī)則幾何圖形的激光束，如點(diǎn)光源或線光源，進(jìn)行掃描，被掃描面便會(huì)形成漫反射光點(diǎn)、光帶，接著安裝在光路的圖像傳感器接收這光點(diǎn)、光帶，然后利用三角原理計(jì)算出被采集點(diǎn)的空間坐標(biāo)。激光三角法的技術(shù)成熟、被廣泛使用，掃描速度高、精度高。它的圖像傳感器體積細(xì)而輕，安裝方便。它甚至可以它裝在三坐標(biāo)上，安裝拆卸容易，這是它另一個(gè)特點(diǎn)。它也可以掃描材質(zhì)較柔軟的對(duì)象，如橡膠等。日本的 Konica Minolta公司的非接觸儀 Vivid 9i的掃描精度可達(dá)0.05mm，只需要2.5秒便可獲取精確的數(shù)據(jù)。
　　
　　三維反求技術(shù)的應(yīng)用
　　
　　三維反求技術(shù)的應(yīng)用十分廣泛，一些高技術(shù)含量的航空、航天工業(yè)，汽車工業(yè)都采用了這技術(shù)于產(chǎn)品研發(fā)及制造。在制造工業(yè)上，采集的數(shù)據(jù)用于模具制造，產(chǎn)品設(shè)計(jì)、開發(fā)，例如消費(fèi)性的電子產(chǎn)品等。
　　
　　此外，反求技術(shù)配合快速原型制造技術(shù)，更能發(fā)揮快速原型技術(shù)的優(yōu)勢(shì)、擴(kuò)大它的應(yīng)用范疇。憑借反求技術(shù)及有關(guān)的軟件，設(shè)計(jì)者可以快速制造實(shí)物，同時(shí)可以快速對(duì)實(shí)物修改、優(yōu)化和創(chuàng)新設(shè)計(jì)，這樣便可以縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)的周期，加速了新產(chǎn)品的出現(xiàn)，提高公司的競(jìng)爭(zhēng)力。三維反求技術(shù)的應(yīng)用綜合如下：

　　1. 從概念到快速原型制造。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，有些實(shí)物很難利用CAD軟件來建造CAD模型，來表達(dá)設(shè)計(jì)概念，但有了三維反求技術(shù)后，該過程變得簡(jiǎn)單了！
　　
　　2. 快速制造模具。技術(shù)人員利用反求技術(shù)掃描實(shí)物，然后把采集得到的數(shù)據(jù)，通過專門的軟件，如 Renishaw 公司的Tracecut軟件，直接產(chǎn)生刀路，輸出到數(shù)控加工中心，制造出模具來。這種情況，在汽車的后市場(chǎng)(after market) 及電子消費(fèi)品特別普遍。汽車的原廠零部件相對(duì)較貴，所以傾向于尋找代替品，價(jià)格相對(duì)便宜的。由于市場(chǎng)相當(dāng)龐大，所以誘發(fā)一批廠家生產(chǎn)這些代替品。由于沒有原廠產(chǎn)品技術(shù)資料，如實(shí)物的工程圖或CAD模型，他們只好利用反求技術(shù)，采集實(shí)物的三維數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化成刀路，直接制造模具。另一種情況是一些停產(chǎn)老產(chǎn)品，現(xiàn)在有需求。由于停產(chǎn)多時(shí)，原始數(shù)據(jù)都沒有了，只好把現(xiàn)有的實(shí)物掃描、采集數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)成刀路來制造模具，實(shí)現(xiàn)再次生產(chǎn)。
　　
　　3. 快速制造。反求技術(shù)把實(shí)物數(shù)據(jù)化之后，通過有專用軟件，轉(zhuǎn)化成可用的數(shù)據(jù)，就可以與CAD/CAM/CAE、ERP等軟件，電腦數(shù)控機(jī)床，進(jìn)行信息、數(shù)據(jù)交替，縮短生產(chǎn)的等候時(shí)間，大幅度提高生產(chǎn)效率，增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力。
　　
　　4. 仿制流線型、形狀復(fù)雜而且無法用人工方法準(zhǔn)確量度的實(shí)物。航空、航天器的有些零部件流線型特別強(qiáng)，一般的測(cè)量?jī)x器是絕對(duì)無法準(zhǔn)確測(cè)量其曲面！反求技術(shù)便可以在一個(gè)面積細(xì)小表面上采集上百萬、上千萬的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)、之后便可以通過軟件建造曲面。在一個(gè)相等面積的表面，三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)愈多，建造的曲面便愈準(zhǔn)確。
　　
　　5. 產(chǎn)品復(fù)制、修改、設(shè)計(jì)。當(dāng)實(shí)物被數(shù)據(jù)化后，技術(shù)人員便可建造CAD實(shí)體模型、曲面，這樣設(shè)計(jì)師便可以迅速在軟件上作有關(guān)的產(chǎn)品修改、創(chuàng)新的設(shè)計(jì)。
　　
　　未來展望
　　
　　隨著國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的普及，更容易獲取資訊，商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，要取勝就要不斷的有新產(chǎn)品投放到市場(chǎng)，縮短生產(chǎn)周期是競(jìng)爭(zhēng)一個(gè)重點(diǎn)策略之一。反求技術(shù)在時(shí)間方面發(fā)揮了它的作用，所以會(huì)廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品開發(fā)方面。在技術(shù)方面，軟件的快速開發(fā)，使數(shù)據(jù)的運(yùn)算更快、掃描后數(shù)據(jù)處理更容易；圖像攝像機(jī)的發(fā)展，使采集的數(shù)據(jù)更多、更快。這樣，掃描速度便可以更快，掃描精度更高，種種技術(shù)發(fā)展，使用掃描儀來測(cè)量的精度大為提高。綜上所述，反求技術(shù)將會(huì)有更大的發(fā)展空間，應(yīng)用到更多的領(lǐng)域中。