逆向工程也稱為反求工程试伙，是指用一定的測(cè)量手段對(duì)實(shí)物或模型進(jìn)行測(cè)量忧埠，根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)三維幾何建模方法舌恬，重構(gòu)實(shí)物的cAD模型遥加，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造的過(guò)程袱蔓。與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造方法不同，逆向工程是利用測(cè)量手段準(zhǔn)確快速地測(cè)量樣品表面數(shù)據(jù)或輪廓外形观复。加以點(diǎn)數(shù)據(jù)處理偏序、曲面創(chuàng)建、三維實(shí)體模型重構(gòu)胖替⊙腥澹可以通過(guò)對(duì)已有產(chǎn)品進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量、擬合独令、分析端朵，快速實(shí)現(xiàn)改進(jìn)設(shè)計(jì)。逆向工程已經(jīng)成為工業(yè)領(lǐng)域吸收消化和二次開發(fā)的一種重要手段燃箭。激光掃描技術(shù)為逆向工程提供了強(qiáng)大的技術(shù)支持冲呢。

激光掃描測(cè)量技術(shù)是最近發(fā)展迅速的一種新技術(shù)，已成為空間數(shù)據(jù)獲取的一種重要技術(shù)手段招狸，它是集光學(xué)敬拓、機(jī)械、電氣控制和計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體的高新技術(shù)裙戏。主要是利用激光快速對(duì)物體空間外形和結(jié)構(gòu)進(jìn)行逐點(diǎn)掃描測(cè)量乘凸，從而獲取物體表面上億萬(wàn)個(gè)點(diǎn)的空間坐標(biāo)和顏色信息。再通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的拼接完成整個(gè)物體表面形狀的擬合挽懦，最終將實(shí)物立體準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)翰意。將激光掃描測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于艦船逆向工程可以快速獲取目標(biāo)實(shí)物的精細(xì)三維坐標(biāo)，生成具有可測(cè)量性的高精度这旋、高密度點(diǎn)云數(shù)據(jù)集蛛，利用配套軟件進(jìn)行建模處理，得到物體的三維立體模型、剖面圖挟酗、斷面圖秆刑、計(jì)算面積、體積虏斤，作為形體分析唧谊、深人設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

與傳統(tǒng)的測(cè)量手段相比脊距，激光掃描技術(shù)有自己獨(dú)特的優(yōu)勢(shì):①數(shù)據(jù)獲取速度快露惑，實(shí)時(shí)性強(qiáng);②數(shù)據(jù)量大，點(diǎn)位密集种诫，精度較高;③主動(dòng)性強(qiáng)钢老，能在各種環(huán)境下工作;④全數(shù)字特征，信息傳輸烫饼、加工猎塞、表達(dá)容易等。激光掃描儀使測(cè)量工作從傳統(tǒng)的單點(diǎn)采集數(shù)據(jù)變?yōu)槊芗茏荨⑦B續(xù)地自動(dòng)獲取大量數(shù)據(jù)荠耽，大大地增加了信息量，提高了工作效率比藻÷亮浚可以說(shuō)激光掃描技術(shù)是一項(xiàng)測(cè)量技術(shù)革新，將使測(cè)量數(shù)據(jù)的研究?jī)?nèi)容韩容、研究方法進(jìn)人新的發(fā)展階段款违。

激光掃描技術(shù)在我國(guó)相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用剛剛起步，很多科研機(jī)構(gòu)和院校正在加快地面三維激光掃描技術(shù)的基本理論和技術(shù)應(yīng)用方面的研究群凶。國(guó)內(nèi)有用短距離測(cè)量頭進(jìn)行單個(gè)汽車零件的測(cè)量、藝術(shù)頭像的測(cè)量哄辣，以及中長(zhǎng)距離的測(cè)量頭進(jìn)行地形请梢、古跡等場(chǎng)景的測(cè)量，但基本上處于起步階段力穗，需要人工干預(yù)多笋棵，沒有形成一個(gè)較完整的面向某種應(yīng)用的系統(tǒng)。

在國(guó)外褪鸳，成熟的微觀和短距離三維激光掃描測(cè)量技術(shù)已經(jīng)較為廣泛地應(yīng)用于醫(yī)學(xué)研究與臨床診斷治療蛾岳、機(jī)器人三維可視化、工業(yè)產(chǎn)品的模具設(shè)計(jì)和制造等方面揣响，如零件的快速成型工藝簿睦、汽車模型制造、手機(jī)模型設(shè)計(jì)等領(lǐng)域儿猪。

激光掃描技術(shù)應(yīng)用于船舶工業(yè)在國(guó)外也已見諸報(bào)道派暴。2003年彩淮，荷蘭科學(xué)家成功地將光學(xué)測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于艦船維修中，他們將需改建或已損壞的艦船區(qū)域進(jìn)行測(cè)量后進(jìn)行模型重建咏逛，并使用通用的CAO/CAM軟件進(jìn)行工程造型懊潜，制造新的船殼來(lái)替換損壞的區(qū)域，降低了測(cè)量预隆、工程圖制作等人工耗時(shí)乔蜀。

1 激光掃描硬件系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)

激光掃描技術(shù)應(yīng)用于艦船逆向工程的研究，重點(diǎn)是針對(duì)激光掃描全過(guò)程(數(shù)據(jù)獲取膳灶、數(shù)據(jù)后處理拷泽、容積計(jì)算、三維可視化表達(dá))中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行系統(tǒng)的研究袖瞻，形成一套艦船曲面外形逆向工程適用的方法司致。具體內(nèi)容包括了激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)的組織管理、噪聲的自動(dòng)剔除聋迎、關(guān)鍵信息的自動(dòng)化提取等處理與分析脂矫、復(fù)雜物體表面的自動(dòng)建模、基于點(diǎn)云及模型的容積計(jì)算方法霉晕、真實(shí)模型的快速可視化表達(dá)庭再、與CAD接口和成圖等方面進(jìn)行較深人的研究，并具體研究開發(fā)相應(yīng)數(shù)據(jù)后處理牺堰、三維成圖應(yīng)用軟件系統(tǒng)拄轻。

下面介紹系統(tǒng)的組成及信息交互模式。

系統(tǒng)框架如圖1所示伟葫，首先通過(guò)三維激光掃描儀和附帶的CCD攝像頭恨搓，由專用軟件如Cydone將艦船外殼、艙體等對(duì)象按測(cè)量規(guī)劃進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集;用專用拼接軟件polyworks或GeomagiC將所采集的多站位數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接和數(shù)據(jù)處理酒旷。然后根據(jù)采集的對(duì)象特點(diǎn)雳犹，對(duì)采集的數(shù)據(jù)分別以基于數(shù)學(xué)方法用C語(yǔ)言開發(fā)的數(shù)據(jù)處理包或基于專業(yè)處理軟件等方法獲取船體曲面表達(dá)。最后在通用的CAD平臺(tái)UGll上將艦船殼體曲面及構(gòu)件進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模裝配后渡表，計(jì)算相應(yīng)的艙容并進(jìn)行二維出圖和模型可視化表達(dá)娶讽。整個(gè)系統(tǒng)建立在具有艦船曲面重構(gòu)所需信息的數(shù)據(jù)庫(kù)和知識(shí)庫(kù)上，使得在不同平臺(tái)上開發(fā)的各個(gè)模塊得到數(shù)據(jù)流赐罪、信息流的統(tǒng)一涉等，有利于數(shù)據(jù)的管理、信息的互訪及知識(shí)的共享详础。

圖1 系統(tǒng)框架

主要介紹目前引進(jìn)的激光影像掃描測(cè)量技術(shù)以及激光掃描技術(shù)在船舶逆向工程中的應(yīng)用程挑，并對(duì)基于裝配技術(shù)的船舶液艙模型的建立進(jìn)行了分析。

2 激光掃描硬件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集處理

2.1 艦船艙數(shù)據(jù)采集過(guò)程

(1)分析常用的艦船主尺度、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)缚袒、艙布局方式付找，對(duì)不同的對(duì)象研究作業(yè)規(guī)劃參數(shù)、特點(diǎn)及整體和局部流程绢贵。

(2)通過(guò)粗掃描艰争，來(lái)獲取艦船主參數(shù)，采用測(cè)量參數(shù)定義辦法采集滿足艙容計(jì)量測(cè)量精度要求的桂对、點(diǎn)數(shù)合理的數(shù)據(jù)包甩卓。并通過(guò)試驗(yàn)評(píng)估激光掃描儀本身及其在大曲面測(cè)量中的精度。

2.2 數(shù)據(jù)處理流程

點(diǎn)云數(shù)據(jù)蕉斜、激光影像和光學(xué)成像數(shù)據(jù)是激光掃描的直接原始觀測(cè)數(shù)據(jù)成果逾柿，其中包含高密度的空間及屬性信息;突破傳統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)的處理方法，進(jìn)行新的數(shù)據(jù)挖掘和開發(fā)研究;激光掃描數(shù)據(jù)的后處理為本研究的重點(diǎn)宅此。圖2和圖3表達(dá)了整個(gè)系統(tǒng)中的各模塊節(jié)點(diǎn)之間為實(shí)現(xiàn)從激光掃描到艙容計(jì)算等的支撐平臺(tái)机错、信息流及輸人輸出格式等的關(guān)系。

圖2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理

圖3 數(shù)據(jù)建模

2.3 無(wú)序點(diǎn)云的有序化

從測(cè)量獲得的是經(jīng)轉(zhuǎn)換的點(diǎn)云文件父腕，其輸出格式是以xYZ為后綴名的文件弱匪，它是一種文本格式的散亂點(diǎn)云文件，給后續(xù)的數(shù)據(jù)處理帶來(lái)了很大的不便璧亮，為此萧诫，首先需要進(jìn)行有序化處理。其實(shí)枝嘶，不同的掃描儀都有自己獨(dú)特的內(nèi)部數(shù)據(jù)格式帘饶。我們使用的是leicaHDS3O00掃描儀，它的原始數(shù)據(jù)內(nèi)部記錄了旋轉(zhuǎn)角度膜暴、坐標(biāo)原點(diǎn)疯煮、間隔等信息。這些信息對(duì)后續(xù)的數(shù)據(jù)處理軟件來(lái)說(shuō)十分重要本博，但它的格式不公開就留，因此我們?cè)谘芯?a target="_blank" class="mmstipl4" href="http://www.atkqc.com/3d-scanner/">三維掃描儀及其控制軟件管理的各站數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù)格式基礎(chǔ)上，建立一個(gè)高效的將無(wú)序點(diǎn)云有序化處理的軟件包何大。

2.4 構(gòu)件的識(shí)別

通過(guò)專門的軟件來(lái)拼接各站數(shù)據(jù)、消除大的噪聲梆载、進(jìn)行用戶坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后摇蝗，將船舶特征點(diǎn)云組合，進(jìn)行手工一分割后撵刷，交予開發(fā)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)機(jī)器學(xué)習(xí)模塊裆蛆，為后續(xù)的同類特征識(shí)別提供基礎(chǔ)。已有的CAD系統(tǒng)UGllNX提供了豐富的二次開發(fā)下具構(gòu)建點(diǎn)云擬合系統(tǒng)，不僅可提供各種特征庫(kù)啼术，而且允許用戶對(duì)一些通用特征進(jìn)行定義稍浆，并提供與通用CAD標(biāo)準(zhǔn)(例如IGES、STEP等)的接口猜嘱。以u(píng)Gll系統(tǒng)作為開發(fā)平臺(tái)衅枫，對(duì)其提供的特征類進(jìn)行封裝，使用智能特征識(shí)別與交互特征識(shí)別相結(jié)合方式實(shí)現(xiàn)特征識(shí)別;利用二次開發(fā)建立特征樹朗伶，實(shí)現(xiàn)構(gòu)件三維模型的重建弦撩。

2.5 基于數(shù)學(xué)有限網(wǎng)格的艙容計(jì)算

對(duì)于雙底雙殼無(wú)內(nèi)構(gòu)件的船艙來(lái)說(shuō)，可以直接利用所測(cè)量的密集點(diǎn)云進(jìn)行艙容計(jì)算论皆。將排序好的點(diǎn)進(jìn)行均勻網(wǎng)格化后益楼，構(gòu)建液位數(shù)據(jù)面計(jì)算艙容。

2.6 曲面反求

首先要進(jìn)行去除雜點(diǎn)点晴，然后將點(diǎn)云分片感凤。在這里用到UG軟件。船體等復(fù)雜構(gòu)件粒督，其外形曲面件是由許多基本子曲面通過(guò)光滑連接陪竿、修整、裁剪坠陈、過(guò)渡拼合而成的復(fù)合曲面贝泞。先把這些型值點(diǎn)導(dǎo)人uG軟件中進(jìn)行建模。選用UG是因?yàn)樗袃?yōu)良的曲面編輯功能蘸错，能很好滿足船體曲面特性的要求牡罚。而且UG軟件帶有檢測(cè)功能，可以及時(shí)地對(duì)cAD模型和點(diǎn)云進(jìn)行檢測(cè)冬溯，以判斷是否達(dá)到精度要求缰伶。如果達(dá)到要求，進(jìn)行下一步處理;不然录教，需進(jìn)行修改壮煎。其實(shí)這是一個(gè)迭代的過(guò)程，最終要達(dá)到允許的誤差精度字瘫。除此之外触迄，UG還提供連續(xù)性檢查和具有編輯功能，這對(duì)于像船艙這樣要求光順的CAD模型而言是極為重要的借街。

2.7 殼體曲面與構(gòu)件的裝配

對(duì)船艙構(gòu)件自動(dòng)裝配問(wèn)題的關(guān)鍵在于如何找到各構(gòu)件間在統(tǒng)一坐標(biāo)系下的空間坐標(biāo)分布惦参。而整個(gè)檢測(cè)建模系統(tǒng)中有兩個(gè)地方要用到此技術(shù)。一個(gè)是在對(duì)于單個(gè)船艙中各構(gòu)件的裝配;另一個(gè)是在將各單艙裝配成整船時(shí)听想。對(duì)于第一種情況腥刹，由于船艙建模的所有信息都來(lái)自于點(diǎn)云马胧，而一個(gè)單艙的點(diǎn)云圖可以完全反映出船艙中各構(gòu)件間的位置關(guān)系。我們將利用建模軟件的坐標(biāo)查詢功能求出定位點(diǎn)的坐標(biāo)衔峰，并將其導(dǎo)人裝配程序進(jìn)行各組件的自動(dòng)裝配佩脊。對(duì)于第二種情況，由于各艙之間的點(diǎn)云坐標(biāo)是相對(duì)獨(dú)立的垫卤，因此我們必須借助坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和各艙間的相對(duì)位置關(guān)系進(jìn)行裝配威彰。

2.8 二維圖輸出與三維顯示

研究將現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量坐標(biāo)系、艙容計(jì)量坐標(biāo)系和設(shè)計(jì)坐標(biāo)系相互之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系葫男，通過(guò)二維模板開發(fā)艦船型線圖的繪制模塊抱冷。通過(guò)CCD采集的船舶外表圖像紋理，將艦船外觀通過(guò)貼圖方式較真實(shí)地三維展現(xiàn)梢褐。

3 結(jié)語(yǔ)

激光掃描技術(shù)可以快速獲取密集的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)旺遮，是重構(gòu)復(fù)雜曲面物體的理想工具，但由于采樣的是海量數(shù)據(jù)盈咳，數(shù)據(jù)的有效組織管理和處理是研究的難點(diǎn)耿眉。在使用通用軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)初步處理后，一定要結(jié)合實(shí)際應(yīng)用淳某，開發(fā)有針對(duì)性的軟件才能滿足實(shí)際工作的需要溅鞠。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，還必須注意保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)馍上，當(dāng)然這是另一個(gè)領(lǐng)域的問(wèn)題仙茴。

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