模型重建技术汇总课件

第4章 模型重建技术4.1 概 述 一 曲面重建过程曲面重建：曲面重建：方法方法1 先将测量点拟合成曲线，再通过曲先将测量点拟合成曲线，再通过曲面造型的方式将曲线构建曲面面造型的方式将曲线构建曲面(曲面片曲面片)；方法方法2 直接对测量数据拟合，生成曲面直接对测量数据拟合，生成曲面(曲曲面片面片)，最终经过曲面片的过渡、拼接和裁，最终经过曲面片的过渡、拼接和裁剪等曲面编辑操作，完成曲面模型的构建。剪等曲面编辑操作，完成曲面模型的构建。第4章 模型重建技术4.1 概 述 一 曲面1模型重建技术汇总课件2二 曲面连续性位置连续位置连续切线连续切线连续曲率连续曲率连续表示曲面间或曲线间仅有边界上相接的关系。表示曲面间或曲线间仅有边界上相接的关系。这种相接的关系可能形成一个尖锐的边界。这种相接的关系可能形成一个尖锐的边界。表示曲面间或曲线间的连续处有相同的切线角度。表示曲面间或曲线间的连续处有相同的切线角度。表示曲面间或曲线间的连续处有相同的曲率。表示曲面间或曲线间的连续处有相同的曲率。一般用于镜面、车灯等特殊产品。一般用于镜面、车灯等特殊产品。（连续连续）（连续连续）（连续连续）二 曲面连续性位置连续切线连续曲率连续表示曲面间或曲线间仅有3三 曲线与曲面的数学模型1 1、BezierBezier曲线曲线/曲面曲面(1)(1)曲线的形状可由控制点来任意曲线的形状可由控制点来任意操控；操控；(2)(2)控制点与曲线端点重合，这一特控制点与曲线端点重合，这一特点有利于曲线与曲线的接合。点有利于曲线与曲线的接合。缺点：缺点：缺少区域性控制，即当曲线上的任缺少区域性控制，即当曲线上的任意一个控制点被牵动时，整条曲线意一个控制点被牵动时，整条曲线都要受到牵动；都要受到牵动；缺乏局部修改的能力。缺乏局部修改的能力。三 曲线与曲面的数学模型1、Bezier曲线/曲面(1)曲4模型重建技术汇总课件52 2、B B样条（样条（B-Spline B-Spline）曲线）曲线/曲面曲面与与BezierBezier曲线的区别：曲线的区别：局部控制性。当控制点改变时，只会影响部分曲线。局部控制性。当控制点改变时，只会影响部分曲线。2、B样条（B-Spline）曲线/曲面与Bezier曲线63 3、非均匀有理、非均匀有理B B样条（样条（NUBRS）曲线）曲线/曲面曲面 利用利用NUBRSNUBRS曲线，可以同时利用控制点的移动曲线，可以同时利用控制点的移动和权系数的修改来获得局部的形状控制。和权系数的修改来获得局部的形状控制。3、非均匀有理B样条（NUBRS）曲线/曲面 利用7模型模型优优 点点缺缺 点点Bezier整体逼近，具有对称性网格整体逼近，具有对称性网格构造时控制多边形顶点数构造时控制多边形顶点数目决定曲面的阶次，缺乏目决定曲面的阶次，缺乏局部修改性局部修改性B-Spline其阶次与控制点数目无关，其阶次与控制点数目无关，具有局部修改性，曲面片无具有局部修改性，曲面片无条件光滑拼接条件光滑拼接曲面片一般不通过特征网曲面片一般不通过特征网格的任意一个顶点格的任意一个顶点NURBS将标准解析曲线和自由曲线将标准解析曲线和自由曲线数学描述统一，保留了数学描述统一，保留了B-B-SplineSpline的优点，具有通过修的优点，具有通过修改权因子实现修改曲线形状改权因子实现修改曲线形状的能力的能力计算量大，影响软件运行计算量大，影响软件运行速度速度模型优 点缺 点Bezier整体逼近，具有对称性84.2 曲线拟合造型 数字化设备数字化设备数据预处理数据预处理曲线拟合曲线拟合曲面片重建曲面片重建曲面模型曲面模型实体模型实体模型应应 用用4.2 曲线拟合造型 数字化设备数据预处理曲线拟合曲面片9 一 曲线的基本概念 给定一组有序的数据点，构造一条顺序通过这些数据给定一组有序的数据点，构造一条顺序通过这些数据点的曲线，所采用的数学方法称为点的曲线，所采用的数学方法称为1 1、插值（、插值（InterpolationInterpolation）优点：优点：所得曲线通过所有给定的点数据，曲线与点数据的所得曲线通过所有给定的点数据，曲线与点数据的误差为零。误差为零。缺点：缺点：当点数据过大时，则曲线控制点也相对增多。当点数据过大时，则曲线控制点也相对增多。点数据有噪声存在时，应先进行数据平滑处理，以去点数据有噪声存在时，应先进行数据平滑处理，以去除噪声。除噪声。插值法插值法。一 曲线的基本概念 给定一组有序的数据点，构造10 给定一组有序的数据点，构造一条曲线，使之最接近给定一组有序的数据点，构造一条曲线，使之最接近给定的数据点，所采用的数学方法称为给定的数据点，所采用的数学方法称为2 2、逼近、逼近(Approximation)(Approximation)逼近法逼近法。给定一组有序的数据点，构造一条曲线，使之最接113 3、曲线的基本元素、曲线的基本元素（1 1）方向）方向（2 2）节点）节点（3 3）段）段（4 4）起始点、终点）起始点、终点（5 5）控制点）控制点（6 6）阶次）阶次阶次决定曲线的外形，阶次决定曲线的外形，2 22222直线直线2 2阶，圆弧阶，圆弧3 3阶，其它阶，其它4 4阶阶控制点均匀分布控制点均匀分布控制点非均匀分布控制点非均匀分布3、曲线的基本元素（1）方向（2）节点（3）段（4）起始点、124 4、曲线的分类、曲线的分类（1 1）曲面上的曲线）曲面上的曲线（2 2）3D3D曲线曲线4、曲线的分类（1）曲面上的曲线（2）3D曲线13 二 曲线的构建1 1、自由曲线、自由曲线均匀曲线（均匀曲线（Uniform CurveUniform Curve）公差曲线（公差曲线（Tolerance CurveTolerance Curve）要求点云与曲线的偏差在允许的范围内要求点云与曲线的偏差在允许的范围内插值曲线（插值曲线（Interpolate CurveInterpolate Curve）要求曲线精确地通过每个点，一般只对精确的数据用要求曲线精确地通过每个点，一般只对精确的数据用该方法。该方法。二 曲线的构建1、自由曲线均匀曲线（Uniform Cur143 3种曲线构建方式比较种曲线构建方式比较曲线类型曲线类型精确度精确度光顺光顺参数分布参数分布均匀曲线均匀曲线有一定的精度，有一定的精度，曲线通过点云数曲线通过点云数据的平均位置据的平均位置可通过调节控制可通过调节控制点数量使曲线光点数量使曲线光顺顺控制点在空间上控制点在空间上平均分布平均分布公差曲线公差曲线可以控制曲线的可以控制曲线的误差误差允许在偏差范围允许在偏差范围内控制曲线光顺内控制曲线光顺精确度和光顺度精确度和光顺度最佳最佳插值曲线插值曲线百分之百精确，百分之百精确，曲线通过每一点曲线通过每一点只能和数据一样只能和数据一样光顺光顺点云上每一点在点云上每一点在曲线上都有一个曲线上都有一个对应的控制点对应的控制点3种曲线构建方式比较曲线类型精确度光顺参数分布均匀曲线有一定152 2、派生曲线、派生曲线（1 1）曲面上的曲线（）曲面上的曲线（2D2D曲线或曲线或CONSCONS曲线）曲线）（2 2）由曲线生成曲线）由曲线生成曲线依附其它几何体的曲线依附其它几何体的曲线2D2D曲线转化为曲线转化为3D3D曲线曲线混成曲线混成曲线曲线依附于曲面上曲线依附于曲面上2、派生曲线（1）曲面上的曲线（2D曲线或CONS曲线）（216 三 曲线的编辑1 1、调整控制点、调整控制点2 2、重新参数化曲线、重新参数化曲线3 3、插入、删除节点、插入、删除节点4 4、曲线修剪、曲线修剪5 5、曲线延伸、曲线延伸 三 曲线的编辑1、调整控制点2、重新参数化曲线3、插入、删176 6、连接曲线、连接曲线匹配：匹配：两条曲线独立两条曲线独立混成：混成：间隙处增加一条曲线间隙处增加一条曲线不改变原有曲线不改变原有曲线6、连接曲线匹配：混成：18 四 曲面的构建1 1、曲面的基本元素、曲面的基本元素(1)(1)法线法线(3)(3)控制点控制点曲面有一个法线方向，正方向曲面有一个法线方向，正方向显示为曲面的颜色，负方向显显示为曲面的颜色，负方向显示为灰色。示为灰色。(2)(2)节点和跨度节点和跨度当通过曲线来创建曲面时，曲当通过曲线来创建曲面时，曲面将有和曲线一样的节点和跨面将有和曲线一样的节点和跨度。度。如同曲线的控制点，曲面的控制点是在小区域内影响以及约如同曲线的控制点，曲面的控制点是在小区域内影响以及约束曲面形状的点。束曲面形状的点。四 曲面的构建1、曲面的基本元素(1)法线(3)控制点曲面19(4)(4)阶次阶次 平面通常是一个平面通常是一个2 2阶的曲面，球体是一个阶的曲面，球体是一个3 3阶的曲面，阶的曲面，其他的曲面大多数可以用其他的曲面大多数可以用4 4阶曲面来描述。阶曲面来描述。(5)u(5)u和和v v的方向的方向每个每个NURBSNURBS曲面都有四条边，在两条边之间相互垂直的地曲面都有四条边，在两条边之间相互垂直的地方被分为方被分为u u、v v方向。方向。(4)阶次 平面通常是一个2阶的曲面，球体是一个3阶的曲面，202 2、曲面构建常用方法、曲面构建常用方法(1)旋转曲面旋转曲面轮廓曲线绕某一轴线旋转某一角度而生成的曲面。轮廓曲线绕某一轴线旋转某一角度而生成的曲面。(2)线性拉伸面线性拉伸面一曲线沿某一矢量方向拉伸一段距离而得到的曲面。一曲线沿某一矢量方向拉伸一段距离而得到的曲面。多条线沿某个方向多条线沿某个方向(u或或v)构成面。构成面。生成曲面时，把相邻两曲线参数值相同的点用直线段连接得到曲面。生成曲面时，把相邻两曲线参数值相同的点用直线段连接得到曲面。(3)直纹面直纹面2、曲面构建常用方法(1)旋转曲面轮廓曲线绕某一轴线旋转某一21(5)网格曲面网格曲面由一系列曲线构成的曲面。由一系列曲线构成的曲面。由四条曲线做边界创建一个封闭的曲面。由四条曲线做边界创建一个封闭的曲面。(6)边界曲面边界曲面(7)(7)填充曲面填充曲面在在N N条边界包围的区域填充形成的曲面。条边界包围的区域填充形成的曲面。单方向网格曲面由一组平行或近似乎行的曲线构成；单方向网格曲面由一组平行或近似乎行的曲线构成；双方向网格曲面由一组横向曲线和另一组与之相交的纵向曲线构成。双方向网格曲面由一组横向曲线和另一组与之相交的纵向曲线构成。(4)扫描面扫描面截面发生线沿方向控制曲线（截面发生线沿方向控制曲线（1、2、3条）扫描而生成的曲面。条）扫描而生成的曲面。(5)网格曲面由一系列曲线构成的曲面。由四条曲线做边界创建一22 五 模型精度评价1 1、模型精度评价问题、模型精度评价问题（1 1）由逆向工程中重建得到的模型）由逆向工程中重建得到的模型和实物样件的误差到底有多大？和实物样件的误差到底有多大？（2 2）所建立的模型是否可以接受？）所建立的模型是否可以接受？（3 3）根据模型制造的零件是否与）根据模型制造的零件是否与数字模型相吻合。数字模型相吻合。对重构的对重构的CADCAD模型评价模型评价对零件的制造误差评价对零件的制造误差评价 五 模型精度评价1、模型精度评价问题（1）由逆向工程中重建23评价逆向工程过程的精度或误差大小。评价逆向工程过程的精度或误差大小。模型精度评价过程模型精度评价过程过程过程1 1：曲面评价方法，即问题：曲面评价方法，即问题(1)(1)和和(2)(2)；对模型的光滑性能，即曲面质量进行评价。对模型的光滑性能，即曲面质量进行评价。过程过程2 2：检验制造产品和：检验制造产品和CADCAD模型的差异，即问题模型的差异，即问题(3)(3)。通过比较数据模型和通过比较数据模型和CADCAD模型的差异来评价模型精度；模型的差异来评价模型精度；测量规划，对产品进行数字化，然后将数据点和模型对齐测量规划，对产品进行数字化，然后将数据点和模型对齐后，通过计算点到模型的距离来比较差异。后，通过计算点到模型的距离来比较差异。评价逆向工程过程的精度或误差大小。模型精度评价过程过程1：曲24两个过程的精度之和即为逆向工程的总精度或总误差。两个过程的精度之和即为逆向工程的总精度或总误差。两个过程的精度之和即为逆向工程的总精度或总误差。252 2、误差的构成、误差的构成2、误差的构成26（1 1）、原型误差）、原型误差磨损误差磨损误差原产品实物误差原产品实物误差制造误差制造误差实物儿何尺寸和设计参数之间偏差实物儿何尺寸和设计参数之间偏差原型使用过程磨损原型使用过程磨损（1）、原型误差磨损误差原产品实物误差制造误差实物儿何尺寸和27（2 2）、测量误差）、测量误差测量设备系统误差测量设备系统误差测量人员视觉和操作误差测量人员视觉和操作误差产品的变形误差产品的变形误差标定误差标定误差+温度误差温度误差+探针弯曲误差探针弯曲误差主要由接触式坐标测量机的探头半径补偿造成。主要由接触式坐标测量机的探头半径补偿造成。（3 3）、测头半径误差）、测头半径误差（2）、测量误差测量设备系统误差测量人员视觉和操作误差产品的28（4 4）、数据处理误差）、数据处理误差数据平滑数据平滑数据转换（数据坐标变换）数据转换（数据坐标变换）多视数据的重定位，数据的坐标变换，多视数据的重定位，数据的坐标变换，基准点的选择、基准点的测量误差都基准点的选择、基准点的测量误差都将影响变换的精度。将影响变换的精度。会损失特征点的信息。会损失特征点的信息。（4）、数据处理误差数据平滑数据转换（数据坐标变换）多视数据29（5 5）、造型误差）、造型误差实体造型误差实体造型误差曲线、曲曲的拟合误差曲线、曲曲的拟合误差（5）、造型误差实体造型误差曲线、曲曲的拟合误差303 3、模型精度评价、模型精度评价（1 1）模型精度评价指标）模型精度评价指标 整体指标整体指标精度：实物和逆向模型以及模型和产品差距的大小精度：实物和逆向模型以及模型和产品差距的大小局部指标局部指标实物或模型总体性质实物或模型总体性质整体几何尺寸、体积、面积整体几何尺寸、体积、面积(表面积表面积)；曲面片与实物对应曲面的偏离程度。曲面片与实物对应曲面的偏离程度。几何特征间的几何约束关系，如孔、槽间的尺寸几何特征间的几何约束关系，如孔、槽间的尺寸和定位关系；和定位关系；量化指标和非量化指标量化指标和非量化指标3、模型精度评价（1）模型精度评价指标 整体指标精度：31（2 2）曲面品质分析方法）曲面品质分析方法主要是分析曲面的光顺性主要是分析曲面的光顺性主要以人的眼光米判断曲面是否光顺主要以人的眼光米判断曲面是否光顺(观察曲率图、矢量图和反射线图等观察曲率图、矢量图和反射线图等)。非量化指标非量化指标（2）曲面品质分析方法主要是分析曲面的光顺性主要以人的眼光米32 反射线法反射线法如果两相邻曲面上的反射线断开，则该两曲面最多点连续；如果两相邻曲面上的反射线断开，则该两曲面最多点连续；反射线的构成原理反射线的构成原理反射线由曲面上的一组点反射线由曲面上的一组点P P组成组成N N与矢量与矢量a a夹角夹角=N=N与视点与视点EpEp夹角夹角光源光源视点视点法线法线如反射线有尖点，则曲面切矢连续；如反射线有尖点，则曲面切矢连续；如反射线光滑过渡，则两曲面曲率连续。如反射线光滑过渡，则两曲面曲率连续。反射线法如果两相邻曲面上的反射线断开，则该两曲面最多点连33模型重建技术汇总课件34 高光线法高光线法光源与视点重合光源与视点重合 高光线法光源与视点重合 35 等照度线法等照度线法等照度线：等照度线：法向法向N与光照方向与光照方向L所成角度一致所成角度一致由曲面上具有相同光照度由曲面上具有相同光照度的点的集合所形成的曲线。的点的集合所形成的曲线。相邻曲面上的等照度线是光滑过渡的，相邻曲面上的等照度线是光滑过渡的，则这些曲面之间满足曲率连续。则这些曲面之间满足曲率连续。等照度线法等照度线：法向N与光照方向L所成角度一致由曲面36模型重建技术汇总课件37模型重建技术汇总课件384 4、模型精度量化指标、模型精度量化指标（1 1）模型精度量化指标）模型精度量化指标 精度量化指标：精度量化指标：各项误差的均方根作为精度误差各项误差的均方根作为精度误差 实际工程应用中，通常是用测量点到曲面模型的距离实际工程应用中，通常是用测量点到曲面模型的距离来作一种判定指标。来作一种判定指标。距离指标：最大距离、平均距离和距离误差估计。距离指标：最大距离、平均距离和距离误差估计。原型误差、测量误差、数据处理误差、造型误差和制造误差原型误差、测量误差、数据处理误差、造型误差和制造误差4、模型精度量化指标（1）模型精度量化指标 精度量化指39（2 2）点到面的最小距离）点到面的最小距离 （2）点到面的最小距离 40模型重建技术汇总课件415 5、提高精度的措施、提高精度的措施（1 1）仿制产品）仿制产品 仿制产品分为仿制产品分为功能逆向功能逆向和和外形逆向外形逆向 选用激光或计算机断层测量技术；选用激光或计算机断层测量技术；原型尽量选用示使用过的产品，以消除磨损误差；原型尽量选用示使用过的产品，以消除磨损误差；几何特征明确的，如直线、圆、抛物线面等，可基几何特征明确的，如直线、圆、抛物线面等，可基于其外形修正。于其外形修正。选择整体装配进行测量。选择整体装配进行测量。5、提高精度的措施（1）仿制产品 仿制产品分为功能逆向42（2 2）误差控制）误差控制 控制测量环境控制测量环境提高测量人员素质；提高测量人员素质；实现测量自动化和专门化；实现测量自动化和专门化；采用三维补偿采用三维补偿（2）误差控制 控制测量环境提高测量人员素质；实现测量43