三維反求技術的發展 ......



三維反求技術的發展
　　
　　 三維反求技術亦稱為逆向工程 (reverse engineering) ，原先這種技術是用于三維測量及質量檢定。
生產下來的產品，可利用這技術測量其外型尺寸及檢定它的質量，然后對比原先設計時的參數，是否附合要求或須要做出修改、優化等。這可
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以說三維反求技術是產品設計過程中的下游工序向上游工序反饋信息的一個途徑。
　　
　　 上世紀六十年代有學者提出利用電腦視覺技術(computer vision) 來獲取三維數據的可能性。隨后，多種技術被研發出來采集三維數據，

其中包括，立體視覺、結構光等。這些技術并沒有被商品化，因為當時候的圖像采集儀器、電子組件、軟件技術及電腦計算功能都很難滿足技

術要求。特別是在電腦計算功能上，當時的電腦沒法處理龐大的數據。
　　
　　 到上世紀八十年代，美國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，美國及日本公司相

繼投入巨大的人力物力資源開發相關的技術及掃描儀器，技術方面包括圖像雷達、聚焦測距、莫爾條紋等，而掃描儀器到現在已有近百種之多

。
　　
　　 三維反求技術原理及工作流程
　　
　　 三維反求技術包括影像反求、軟件反求及實物反求等三方面。目前相對最多人研究的是實物反求技術。它是研究實物CAD模型的重建和最

終產品的制造。陜義來說，三維反求技術是將實物模型數據化成設計、概念模型，并在此基礎上對產品進行分析、修改及優化等技術。
　　
　　 工作原理
　　
　　 三維反求技術是利用電子儀器去收集物體表面的原始數據, 之后再使用軟件，計算出采集數據的空間坐標，并得到對應的顏色。掃描儀是

對物體作全方位的掃描、然后整理數據、三維造型、格式轉換、輸出結果。整個操作過程，可以分為四個步驟：
　　
　　 （1） 物體數據化：普遍采用三坐標測量機或激光掃描儀來采集物體表面的空間坐標值。
　　
　　 （2） 從采集的數據中分析物體的幾何特征：依據數據的屬性，進行分割、再采用幾何特征和識別方法來分析物體的設計及加工特征。
　　
　　 （3） 物體三維模型重建：利用CAD軟件，把分割后的三維數據作表面模型的擬合，得出實物的三維模型。
　　
　　 （4） 檢驗、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現有的實物，使用數據化的儀器，準確、快速地采集表面輪廓的空間坐標值，然后構建曲面、經CAM軟

件產生CNC加工刀路，在CNC機床上把實物模型制造出來或利用快速原型制造機，把實物原型制造出來。在產品設計方面，采集的空間坐標值，

可對實體三維模型，作復雜的修改或再創新。快速原型制造機可讀取STL格式的文檔，可以由云點直接轉換或在建造的曲面、實體三維模型中

轉換。
　　
　　 三維數據采集方式
　　
　　 三維數據的采集方式，按照它們所采用的原理、有三種方式：一是接觸式，如三坐標測量；二是非接觸式，如結構光法、激光三角法等；

三是逐層掃描方法，如CT法和核磁共振法、自動斷層掃描法等。
　　
　　 采用哪種采集方式取決于被掃描對象的形狀、大小、物質、數據應用目的。在市場上掃描儀器種類很多，采集方式雖然不盡相同、但主要

由三個部份組成；即掃描裝置、傳感器及軟件。
　　 接觸式掃描或測量方法
　　
　　 這種采集方式主要是利用三坐標測量作掃描。采集方式主要是利用安裝在儀器上的探針(stylus) 逐點采集對象表面上的數據。探針沿對

象表面運行時，對象表面上反作用力使探針位移。位移是通過探頭內的彈簧反映出來。連接彈簧的傳感器(transducer)便會測量位移的大少、

方向等。之后便通過計算顯示各采集點的三維空間坐標。
　　
　　 由于三坐標測量儀本身的機械結構及設計，采集數據精度高，對被掃描對象的表面的顏色及反射特性沒有特別要求。采集數據時，探針是

壓著被對象運行的，所以一些材質較軟的發泡膠等便不能準確掃描，因為被掃描對象會被探針壓著而變形。探針經常在堅韌的對象表面運行時

，容易磨損，所以須要經常較正探針的直徑，維持一定的精度。由于它是逐點采集數據，所以掃描速度相對較慢，主要是用來測量不太復雜，

具有少量特征曲面的對象。
　　
　　 現時市場上，有一種專用的接觸式掃描機。由英國Renishaw公司提供的Cyclone掃描機可以采集復雜的對象表面曲線數據，采點速度每秒

四百點及每分鐘掃描三米，操作容易。所采集的數據，通過掃描機原身配備的軟件，轉化成電腦加工中的刀路，直接制造模具。
　　
　　 非接觸掃描方法
　　
　　 結構光法的操作原理是把一定模式的光源，投射到被掃描對象的表面上，投射參考面光源，會被放在該位置的被掃描對象阻擋而發生變形

，此時使用不同的鏡頭攝取不同角度的圖像，再分析變形的光源, 就可計算出被測對象表面的整幅圖像的三維坐標。結構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。而相移法相對較為準確，這種方法的優點是測量的速度很快、掃描的

面積大、設備相對輕便方面攜帶、測量場地沒有特別要求。在汽車行業，它普遍被用來掃描汽車的車身等大面積對象。德國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，隨意移動至任何位置作高速掃描、攝像

器更可以裝上機械手上，掃描復雜的對象，分辨率可達400萬象素之高。對一些精細零件都能采集良好的數據。
　　
　　 激光三角法
　　
　　 激光三角法是在被掃描物的表面用有規則幾何圖形的激光束，如點光源或線光源，進行掃描，被掃描面便會形成漫反射光點、光帶，接著
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安裝在光路的圖像傳感器接收這光點、光帶，然后利用三角原理計算出被采集點的空間坐標。激光三角法的技術成熟、被廣泛使用，掃描速度

高、精度高。它的圖像傳感器體積細而輕，安裝方便。它甚至可以它裝在三坐標上，安裝拆卸容易，這是它另一個特點。它也可以掃描材質較