基于CATIA逆向模块的点云合成方法研究

2019-01-21孔繁宇吕德刚

长春工程学院学报（自然科学版） 2018年4期

孔繁宇，吕德刚，田芳

(1.哈尔滨市信息中心，哈尔滨150001；2.黑龙江工程学院汽车与交通工程学院，哈尔滨150050)

0 前言

在CATIA软件中，点云处理模块已经比较成熟，经常在工业上被用于逆向工程。对某一目标产品进行三维扫描，获得点云，导入CATIA点云处理模块进行处理，清除多余点云，同时进行分析、研究，并重新进行设计[1-2]。这种设计方法可以快速获得产品尺寸和外形，结合其他设计工具，如ANSYS、AutoCAD等软件，可以快速进行产品的改进和优化设计。逆向设计的前提是获得点云，通过工业3D扫描仪扫描目标产品时，通常采取的方法是先在反光面喷涂显影剂，然后在比较平整的表面贴好坐标点，再用扫描仪进行扫描[3-4]。扫描过程中可能需要辅助扫描工具协助，同时还要对目标零件多次从不同角度重复扫描，才能获得比较完整的点云[5]。

对体积较大、外形变化不大的扫描对象，这种扫描方法能够获得质量较好，比较完整的点云。但对于体积较小、表面形状变化比较大的目标对象，这种扫描方法就显得力所不能及。多次重复扫描，就需要多次重新建立参考坐标系，会严重影响扫描速度，降低扫描效率。因此，寻找一种快速扫描表面曲率梯度大、体积小的目标对象的方法，是亟待解决的问题。

1 点云获得过程

本次逆向设计采用的3D扫描仪是加拿大Creaform HandySCAN 300TM型扫描仪，扫描仪包括高分辨率的CCD系统，精度为0.030 mm，分辨率为0.050 mm。这种扫描仪无需固定安装，使用前在扫描对象上贴好靶标，以实现自动定位，扫描过程中需保证在扫描仪视野中至少有3个靶标，它使用光学反射标靶进行扫描，光源采取3束交叉激光线条，通过扫描可自动生成STL格式三角网格面，可以转换成.dae、.fbx、.igs、.wrl、.x3d等多种常见输出格式[6]。

为了快速获得完整点云，探索一种新的扫描方法，特扫描一种常见的塑料玩具熊，在扫描的过程中在玩具熊的顶部固定一个工业用量块，量块的精度等级为0.002 mm，超过扫描仪精度，完全可以作为定位用辅助工具。先后扫描玩具熊的前后两面，不在玩具熊的表面贴坐标点，而是在玩具熊和放置的底板上贴坐标点，玩具熊外形如图1所示。由于这种塑料玩具表面反光严重，必须在其表面喷涂显影剂，喷涂显影剂后的效果如图2所示。

图1 扫描前外形图

图2 喷涂显影剂后外形图

扫描后获得的玩具熊前后两部分点云如图3～4所示。为方便区分，将后部点云改成淡蓝色。

图3 玩具熊前部点云

图4 玩具熊后部点云

2 点云的合成与分析

打开CATIA软件，切换到点云处理模块，导入玩具熊前、后点云，并去除杂点。两部分点云分别导入到同一个坐标系下，相互没有制约关系，所以相对位置随机，如图5所示。

图5 前后部点云导入效果图

量块放置在玩具熊顶部，无论扫描玩具熊前部还是后部，都应该将量块扫描进去。至少保证量块的3个面被扫描进去，这样才能保证后续建立坐标系并合成点云，量块扫描图如图6所示。把CATIA软件切换到点云识别模块，选择量块上表面的点云，识别为平面，识别时注意只选取中间平整处的点云，如图7所示。在量块前面中间的平整点云处，随机选择两点，建立一条直线，如图8所示。通过投影命令，把这条直线投影到上表面所建立的平面，建立一垂直于上表面的平面。在第3个面上，选取一点，通过此点做前面两个面的垂直面。将上述3个平面两两之间做相交线，则生成3个相互垂直的直线和3个相互垂直的平面，如图9所示。

利用上述3个相互垂直的直线和3个相互垂直的平面，建立一个笛卡尔坐标系，坐标系原点就在3条直线相交处，坐标系如图10所示。对于玩具熊后部点云，采取同样方式，在背面点云上建立坐标系，注意两个坐标系方向、原点需一致如图11所示。