现代工程中数据精简的技术研究
导读：逆向反求技术包括几何逆向反求、材料逆向反求、工艺逆向反求等。几何反求仅仅是逆向工程的一个分支，但在我国的逆向工程技术中却占据了半壁江山。大多表现为中小型企业的产品仿造和快速反求，因为这样能使其在科研创新能力不强或者匾乏的情况下实现产品的“推陈出新”，从而提高企业的市场生命力和竞争力。由本站硕士论文中心整理。
1绪论
1.1课题研究的意义及方法
计算机技术的发展推动了先进制造技术的进步并逐渐得到普及，逆向工程技术作为先进制造技术的新军正在倍受制造业青睐。结合快速发展的激光技术和数控技术，逆向工程正在成为汽车、航空航天、模具、玩具、船舶等工业领域产品设计制造的重要手段。它基于实物模型来获得造型数据、提取模型参数，通过模型重构来吸收和消化先进的设计思想、制造理念以及产品制造过程中的管理方法，并通过对其修改和再优化设计，来获得更为适应市场要求的产品。这种设计思想和制造方法大大降低了产品的生产周期，提高了生产效率，是一门涉及计算机图形学、计算机图像处理，微分几何，计算几何、数理统计、软件工程等多门学科的CAD技术。
逆向工程也称反求工程(Reverse Engineering— RE)。它的意义不仅仅在于消化吸收并改进国内外的先进技术，更应该体现在在逆向反求的过程中接纳先进的设计思想和制造理念，进而实现理论上和思想上的创新，这对于我国的科技进步和经济发展才具有更为重要的意义。然而，目前我国的逆向工程的发展还仅限于引进国外先进技术的初级阶段—应用和消化。应用阶段一般只考虑购买国外先进的机器设备，在这一阶段，引进工作的主要目的是使这些设备在生产过程中发挥作用;消化阶段则在引进国外先进的机器设备或产品的同时进行深入分析和研究，以科学的理论和先进的测试设备对其性能进行研究，这一阶段的主要目的是仿制引进的先进设备或产品。
自深圳市鑫磊实业有限公司于90年代末首先在国内业界推出拥有部分自主知识产权的逆向工程专用三维激光线扫描机，便开启了我国在逆向工程技术领域的里程碑〔’〕。华中科技大学、天津大学、西安交通大学、清华大学等众多高校近年来也加强了对反求工程测量设备的研发，现已实现产品化，并广泛应用于机械、汽车、家用电器、医疗、轻工等行业中。面对国外先进的逆向反求产品(包括设备和软件系统)如:英国3D-Scanner公司REPLICA激光快速扫描测量仪、美国“Laser Design"Surveyor1200立体激光扫描系统、德国GOM公司的ATOS测量仪等，我国产品则在功能和自动化程度上还有相当大的提升空间，综合考虑国家“创新;自主知识产权”等政策的支持，以及我国制造业市场的强大需求;鉴于价格和性能的权衡，在国内逆向工程有较大的发展潜力和空间。
逆向反求技术包括几何逆向反求、材料逆向反求、工艺逆向反求等〔2l。几何反求仅仅是逆向工程的一个分支，但在我国的逆向工程技术中却占据了半壁江山。大多表现为中小型企业的产品仿造和快速反求，因为这样能使其在科研创新能力不强或者匾乏的情况下实现产品的“推陈出新”，从而提高企业的市场生命力和竞争力。所谓几何反求就是根据实物样品的表面轮廓的数字化数据反求出样件的CAD模型;有三种方法可以实现:
(1)利用测量设备对实物样件进行表面轮廓的数字化测量，从而获得其表面点云数据，对数据进行预处理(除噪、特征提取、精简、平滑光顺等)后，利用系统平台进行CAD模型重构，在已得CAD模型的基础上进行相应的改进和再优化设计，为后续产品评价和加工做好准备。在获得CAD模型后，可以利用快速原型制造技术直接进行加工或模具制造，也可以利用系统平台生成NC文档进行数控加工，最终实现事物样品的仿制或改进。
(2)当不能够得到实物样品的表面轮廓的数字化点云数据数时据，就需要使用另外一种几何反求方法—影像反求。虽不能进行表面测量但可以利用摄影技术获得其多方位多角度的数码照片，利用这些照片来实现实物样品的仿制过程。这样就可以通过调整所获数据的维度和参数来更加灵活的实现逆向反求。比如:降低空间维度而增加色彩维度，从而在获得几何形状的同时实现色彩的反求。影像反求虽过程更为简捷，但在技术的实现上却不是很成熟。
(3)产品样本的技术文件、设计书、使用说明书、图纸、有关规范和标准、管理规范和质量保证手册等均称为技术软件〔3〕。通过对样件的技术软件来分析研究，提取出产品样件的设计参数和思路来完成产品反求，称之为软件反求。
目前逆向工程的解决方案主要有以下两大类〔动〕:
一、沿袭正向建模的思路，从点到线，再从线到面。这种方案的一般处理过程如下:首先从数据点云中提取原始物体的截面线、特征线或边界线，然后采用扫琼、蒙面、裁剪等一系列常规曲面构造方法，得到主要以NURBS曲面表示的产品CAD模型。从模型的重建过程可以看出，这是一种准逆向工程的思路，自动化程度较低且需要较多的人工干预，但得到的重构模型比较符合原始产品。
二、完全逆向工程的做法，即由点云数据直接反求CAD模型。目前的研究主要以反求曲面模型为主，通常有两种表达方式:一种是用三角Bezier曲面片来逼近模型，首先对点云数据三角化，然后根据三角网格进行C’连续的三角Bezier曲面片插值重建，目前应用较少:另外一种是用NURBS曲面表示，通过用户指定重构曲面的次数和范围，自动进行参数分割，由点云数据反求NURBS曲面的控制顶点。这种方法计算耗费大，数据的噪声以及参数分割的好坏对重构后曲面的质量和光顺度有较大的影响。与准逆向工程的解决方法相比，此方法虽然自动化程度较高，但有时会出现反求曲面与期望值有较大偏差的情况。
为了使反求后的产品更能符合原始样件，本课题在第一种逆向反求技术的基础上提出以下方案:
(1)对点云数据进行特征提取工作，提取出关键点、特征线等。
(2)对提取出的截面线、边界线等特征数据进行精简和光顺处理。
(3)把处理后的数据导入通用CAD/CAM软件系统Pro/E进行模型重构。
利用点数据和截面曲线建构曲面是逆向工程特有的曲面建构方法，此法可以快速建构自由曲面〔5]。特征提取和数据精简是逆向工程技术中曲面建构的关键技术，它直接影响曲线拟合和曲面重构的速度和质量。直接由点云数据提取具有特征的点、线、面等，并将这些特征信息表达成为目前CAD / CAM商业软件能够读取的文件格式，无疑，这将极大地缩短逆向反求进程。
Pro/E是美国参数化技术公司(PTC)的软件产品，它是新一代CAD/CAM软件的杰出代表，具有强大的曲线曲面造型功能。它有唯一的关系数据库，所有设计环节都公用此数据库，一旦工程图有任何修改，三维模型随之改变，NC刀具路径也会自动更新;Pro/E也集成有逆向工程模块(Pro/scantool)，但其自动化程度不高，需要太多的人工干预。本方案在Pro/E系统中利用从点云数据中提取出来的特征参数进行模型重构，充分地集逆向反求和正向设计优势于一体，大大提高设计精度和效率，具有可行性和经济性。
回转面是常见的规则曲面，其主要特征是轴线和母线;如果能把回转面的这些特征参数直接从测量数据中提取出来，进行精简、拟合、平滑光顺处理后形成特征线，再把这些特征线通过适当的数据接口导入Pro/E系统进行正向设计，应用Pro/E强大的曲面及曲面编辑功能最终完成建模。再则，可以为通用CAD/CAM系统的二次开发提供良好的前向通道。比如:把此技术设计为一个模块移植或嫁接到通用CAD/CAM软件(UG,Pro/E, CATIA等)中，直接进行正向设计，将大大缩短逆向工程的设计周期，实现正向和逆向的集成。国外计算机辅助设计与制造技术应用发展的成功经验表明:企业解决前进中的难题并取得显著的效益，很多是从集成应用中得到的，而不是单项应用的成果〔57。
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摘要 3-4
ABSTRACT 4-5
1 绪论 8-15
1.1 课题研究的意义及方法 8-10
1.2 逆向工程的应用 10-12
1.3 蚁群算法理论 12-13
1.4 本文主要研究内容 13-15
2 任意位置圆柱面特征参数的提取 15-21
2.1 空间任意位置圆柱面 15-19
2.1.1 轴线矢量方向的求解原理 15-17
2.1.2 水平面内任意位置椭圆参数的求解原理 17-18
2.1.3 圆柱面特征参数的提取过程 18-19
2.2 求解实例 19-20
2.3 本章小结 20-21
3 任意位置回转面特征参数的提取 21-28
3.1 空间任意位置回转面 21
3.2 回转面特征参数提取原理 21-22
3.3 基于极小惯量的对称轴提取 22-25
3.4 回转面特征参数的提取 25
3.5 求解实例 25-27
3.6 本章小结 27-28
4 基于蚁群算法的回转面特征参数的提取 28-39
4.1 前言 28
4.2 连续优化问题的蚁群算法 28-31
4.3 基于ACA回转面特征参数提取数学模型 31-33
4.4 基于蚁群算法的回转轴提取 33-34
4.5 计算结果与比较 34-38
4.6 本章小结 38-39
5 基于蚁群算法的数据点排序技术 39-51
5.1 绪论 39-40
5.2 基本蚁群算法的TSP数学模型 40-46
5.2.1 TSP描述 40-41
5.2.2 基本TSP算法数学模型 41-42
5.2.3 TSP蚁群算法中参数设置 42-44
5.2.4 TSP蚁群算法的实现步骤及程序流程图 44-46
5.3 基于TSP原理的数据点排序 46-50
5.4 本章小结 50-51
6 点云截面数据点处理技术 51-63
6.1 绪论 51
6.2 截面数据点的获取 51-53
6.2.1 分层位向的选择 51-52
6.2.2 截面轮廓数据点的提取方法 52-53
6.3 点云数据的分层处理 53-57
6.3.1 曲率计算 54-55
6.3.2 非等厚分层实例分析 55-57
6.4 截面数据点的精简处理 57-62
6.4.1 扫描线数据的精简准则 57-58
6.4.2 非定最小距离数据点精简方法 58-60
6.4.3 应用实例 60-62
6.5 本章小结 62-63
7 课题实例分析 63-68
课题实例 1 63-64
课题实例 2 64-68
8 总结与展望 68-70
8.1 论文总结 68-69
8.2 展望 69-70
致谢 70-71
参考文献 71-74
攻读硕士学位期间发表的学术论文 74
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