基于ATOS系统在逆向工程中的应用

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摘要：ATOS三维光学测量系统是逆向工程技术的关键技术之一，通过分析ATOS组成、测量原理和测量方法，对ATOS系统扫描获得点云数据进行了详细分析，可以得到其误差主要由测量设备即零部件变形摩擦以及表面油膜分布不均造成，工作时温差以及磁场变化等因素对其也有影响，对减少ATOS系统测量误差具有一定指导意义。

关键词：ATOS逆向工程点云数据数据误差

0 引言

逆向工程主要包含有数据的测量、数据的预处理、曲面重构、CAD模型的建立和修改等四个阶段，其中数据的测量是逆向工程中的关键，数据的测量可以分为接触式测量和非接触式测量两类。在非接触式中，其中结构光测量技术在商品化的光学测量中最为流行，其中ATOS三维光学测量系统就是其中很有代表性的一种，它可以迅速采集大量实物表面数据点坐标而且能获得很高的精度。

1 ATOS的组成

ATOS由硬件和软件组成，硬件设施如图1所示。

1.1 计算机和显示器：用来安装曲面处理软件和测量系统软件，并控制测量的过程，最终运算得到光顺的曲线曲面。

1.2 传感器头：主要由主光源、光栅器件组和2个CCD光学测量传感器组成，用来对焦和发出扫描的光栅光束以及通过检测照射在曲面的光点数据上，获取原型曲面的点云数据。

1.3 校准平板：用来校准系统测量的精度。

1.4 支架：用来支撑测量光学器件组。

1.5 通讯电缆：把控制信号输送给检测系统，再把测量传感器中数据反馈给控制系统以做下一步处理。

2 ATOS系统的原理及测量方法

ATOS系统是一个基于结构光的测量系统，它的测量实物的过程如图2所示，它由光源发出普通的白炽光投射到透射光栅上，然后通过聚光镜的聚焦从而形成平行的光栅条纹投影到被测的产品实体上，由于投影条纹受到了实体面形的调制而得到畸变的调制条纹，这样的调制条纹包含了实体的三维轮廓面形的全部信息。用CCD相机拍摄，再用图象处理方法来分析摄取到的信息最后再计算出要测实体的表面数据。

atos系统的数据测量包含有摄影测量以及光栅测量。其中通过摄影测量获得参考点坐标值。把摄影测量和光栅测量结合起来从而形成三维测量技术能够获得准确的数据。

3 ATOS系统的基本工作流程

3.1 ATOS系统扫描获得点云数据

ATOS是通过光栅条纹相移和光学三角形以及参考点的自动拼合等原理经过对物体的扫描得到数据。其中所说的光学三角形原理就是光源发出光线经聚焦透镜后投到物体表面而得到光斑，通过透镜成像原理把反射光线聚集到透镜焦平面并在这个位置安放CCD。由于被测物体的表面有突起所以使得反射光斑也随之起伏就导致CCD上的成像光点也随之移动。被测表面位置量可通过传感器结构尺寸和像移动距离来确定。光栅条纹相移原理就是把正弦型条纹投到要测量的表面，我们把条纹以相位角逐渐递增形式投影，从而CCD像素读入也是正弦方式变化而且周期和条纹的周期相同。投影到表面的条纹，把变形光栅像看做是三维实物面对投影栅像相位和振幅调制所得到的。所以我们解调方法获得由于高度变化引起的相位变化，最后由高度关系求出相对参考面的高度数据。

3.2 误差点去除

在测量过程中因为测量设备精度、操作者经验、被测实物表面质量、环境等因素的影响，会产生一些误差点，误差点将直接影响重构模型的光顺性，应该把其剔除。

误差点又叫失真点，它是由于测量设备的参数改变或者环境变化而造成的。若是人工测量会产生操作误差，所以数据预处理关键是找出潜在的误差点。在相同的一个截面扫描中，若一点和它邻近的偏差较大，我们就把这个点认为是一个误差点。判别误差点方法有：直观检查法、角度判断法、曲线检测法等。

3.3 点云对齐

为要得到一个完整的模型，在测量尺寸较大的实物时要将不同视角下测量的点云数据合成为一个单独点云数据或者把点云数据对齐到已经存在的CAD模型中。在反向工程中，有时要测的产品尺寸会大于设备测量范围，所以要从多个视角测量来获取产品表面的全部数据。多视角测量就是把实物从不同角度装夹测量来获取实物的表面数据。因为每次测量的点集是在不同的坐标系下测得，因此必须进行数据对齐处理使各个坐标系统一，我们把这叫做多视点云对齐。

3.4 点云多边形化

因为散乱的点云数据缺乏明显的拓扑关系，所以要在CAD建模之前建立各点拓扑关系即点云多边形化。我们把散乱的点集重结曲面的难点是怎样自动获得相邻点间的正确拓扑连接关系。因为正确拓扑关系可以展现散乱点集所对应的原始实物表面形状以及拓扑结构。

我们通常用N边形网格建立没有规律点集的拓扑关系，这个网格中涵盖了点云数据中所有的点，相邻点之间的连接关系通过这个网格结构得到体现。网格虽然连续但不光滑，只能近似表示真实实物表面。其中三角形网格是N边形网格中N值最小的，这种能适应各种复杂形状而且也方便建立统一数据结构。如果网格中的把每个三角形节点看做三角形平面片那么三角网格就表示插值于散乱点的分段线性插值曲面模型，它具有结构简单和逼近性好的优点。

我们使用三角化算法首先要考虑点云数据中误差点和非均匀分布数据以及数据的异常值带来的影响。三角化的形体要是一维流形或二维流形因为测量数据会出现开放边界以及出现孔不相连的情况。

3.5 数据光顺

主要是去除和修正数据中的误差点来降低后面拟合曲面中的误差。因为光学测量仪器非常敏感，所以在点云数据中存在有偏差很大的误差点而把这些误差点称为尖峰或，如图4.3所示。其中通过图形显示和人工直接判别明显坏点是逆向工程中最简单的方。然而这种方法并不适用数据量大的情况。我们用基于角度去除误差点方式和一些滤波方式来处理高密度点云数据。

3.6 数据精简

就是要去除点云数据中的多余数据缩小数据量，从而减轻后面的工作量。因为庞大的点云数据量和大量多余数据严重影响了对曲面重构的质量和速度，所以要对数据进行精简以降低数据处理量。而且要用不同的方法来精简不同类型的数据。用随机采样方式来简化散乱的“点云数据”；用等间距缩减和倍率缩减等方式扫描线“点云数据”和多边形“点云数据”；用分布密度法和最小包围区域法方式处理网格化“点云数据”。其中数据的精简只是对原始点云数据简单删减，不会产生新的坐标点。

4 结束语

对于一个测量系统，有很多因素能够导致测量误差，所以分析各个方面的误差对系统精度的提高以及降低误差很关键。根据多次的实验，使用ATOS产生误差主要有系统自身误差、拍摄环境影响、拍摄中产生的误差和所设置的系统参数带来的误差等。通过对这些误差的分析，可以看出主要由于测量设备方面的原因也就是零部件变形摩擦以及表面油膜分布不均等；还有环境原因其中温度变化光度变化以及磁场变化等；测量方式的原因有应用相似公式计算而带来的误差；还有由于操作人员的操作不规范以及读数有误差等带来的影响。

参考文献：

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通讯作者：杨兰玉