第一篇：反求工程中幾何數(shù)據(jù)測量及數(shù)據(jù)預處理

反求工程中幾何數(shù)據(jù)測量及數(shù)據(jù)預處理

11成型二班 王宇豪 11010627 摘要：本文對反求工程技術中的兩大重要部分：幾何數(shù)據(jù)測量、數(shù)據(jù)預處理進行了研究。首先，綜合介紹實物三維幾何數(shù)據(jù)測量方法的分類、結(jié)構(gòu)原理及各自優(yōu)缺點進行了介紹。幾何數(shù)據(jù)測量方法分為接觸式測量方法和非接觸式測量方法兩類，精確的測量結(jié)果是后續(xù)數(shù)據(jù)處理及加工的重要基礎。其次本文對數(shù)據(jù)的預處理過程進行了探討，數(shù)據(jù)的預處理過程包括“點云”去噪、簡化采樣、“點云”的分割與縫合、構(gòu)建曲面,該過程是曲面重構(gòu)中的重要環(huán)節(jié)。

關鍵詞：反求工程 測量方法 數(shù)據(jù)的預處理 點云

Geometry Data Measurement And Data Preprocessing in

Reverse Engineering

Abstract The reverse engineering are two important parts of this article: geometry data measurement and data preprocessing.It introduces the measuring techniques for three-dimensional sorts as well as structure, principle of measurement and their advantages and disadvantages first.Geometric data measurement method can be divided into two types, contact measurement and non-contact measurement method, accurate measurement is an important foundation for subsequent data processing and machining.Secondly, the process of data preprocessing is discussed, data preprocessing includes reducing noise error of “point cloud” , simplify sampling,“point cloud” de-noising, simplify sampling, “point cloud” division and suture construct surfaces, data preprocessing is an important part.Key words Reverse Engineering Measurement methods Data preprocessing Points cloud 引言

反求工程（Reverse Engineering）是實現(xiàn)快速成型制造的核心技術之一，反求工程技術與傳統(tǒng)的設計方法不同，它是指在沒有具體工程圖紙的情況下，通過分析、研究和再創(chuàng)造原始物理模型，掌握其關鍵技術，利用CAD/CAE/CAM技術對原始物理模型進行再創(chuàng)新。反求工程廣泛應用于飛機、汽車、模具等行業(yè)之中，因此反求技術的研究具有廣闊的前景。

同時，反求技術已經(jīng)逐漸成為了學習國外先進技術成果的重要方法，甚至是我國追趕西方國家的重要手段之一。反求工程技術不是簡單的復制和模仿，它不僅僅要CAD/CAM/CAE等計算機輔助模塊能較好的獨立完成各項工作，而且關鍵在于各子模塊之間的信息集成，將已存在的實物零件轉(zhuǎn)化為數(shù)字模型，從而運用CAD/CAM/CAE等計算機輔助模塊對該零件進行工程分析、再設計、制造等進行集成化的并行處理。從而保證新產(chǎn)品在新環(huán)境下表現(xiàn)出更加優(yōu)良的性能，并使設計效率大大提高，從而縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期[1]。反求工程中，準確、快速地獲取實物的三維幾何數(shù)據(jù)。是實現(xiàn)反求工程的重要步驟之一。而數(shù)據(jù)預處理的效果直接影響曲面重建的質(zhì)量，將直接影響最終CAD模型的優(yōu)劣。反求工程中常用的測量方法

實物的數(shù)字化是反求工程實現(xiàn)的第一步，只有快速準確完整地獲取三維物體的數(shù)字化幾何信息，才能為后續(xù)的數(shù)據(jù)處理以及加工打下堅實的基礎。因此，測量是整個原型反求的基礎。反求工程中的測量方法可分為三大類：接觸式、非接觸式和逐層掃描測量法。

2.1 接觸式測量方法 2.1.1優(yōu)點：

（1）精確度高;（2）適合測量簡單幾何形狀。其于簡單幾何形狀的測量速度比較快，如面、圓孔、圓柱、圓錐等。

（3）可測量光學儀器死角的區(qū)域，例如深溝、間隙小的凹槽等區(qū)域。2.1.2缺點

（1）測量速度較慢;（2）測量時需要制訂測量基準點，需使用特殊的夾具，測量成本高;（3）測頭需接觸工件而造成磨損，為保證一定的精度，需要經(jīng)常校正測頭;（4）容易損壞某些軟質(zhì)物體（橡膠品、粘土模型）等;（5）在對具有內(nèi)孔的零件進行測量時，探頭的直徑必定要小于被測內(nèi)孔直徑;2.1.3分類

(1)三坐標測量機

三坐標測量機（coordinate measuring machine）是廣泛采用的接觸式測量設備。它的機械主體由三個相互垂直的測量軸(X軸、Y軸和Z軸)以及各自的長度測量系統(tǒng)組成。對應三個測量軸，它還具有三個方向的標尺，通過比較被測量與標準量來完成測量。作為一種大型精密的測量儀器，三坐標測量機開始是用于制造產(chǎn)品的檢測，可以對具有復雜形狀的工件的空間尺寸進行測量在反求工程應用的初期，三坐標測量機是數(shù)據(jù)采集的主要手段，三坐標測量機最大的優(yōu)勢就是測量精度高，而且具有適應性強的優(yōu)點，但一般接觸式測頭測量效率低，而且對一些軟質(zhì)表面無法進行測量，數(shù)據(jù)需進行測頭半徑補償。

（2）層切法

層切法可用于測量物體截面輪廓的幾何尺寸，其工作過程為:將待測零件用專用樹脂材料（填充石墨粉或顏料）完全封裝，待樹脂固化后，把它裝夾到銑床上，進行微吃刀量平面銑削，結(jié)果得到包含有零件與樹脂材料的截面，然后由數(shù)控銑床控制工作臺移動到CCD攝像機下，位置傳感器向計算機發(fā)出信號，計算機收到信號后，觸發(fā)圖像采集系統(tǒng)驅(qū)動CCD攝像機對當前截面進行采樣、量化，從而得到三維離散數(shù)字圖像。2.2 非接觸式測量方法

非接觸式測量根據(jù)測量原理的不同，有光學測量超聲波測量、電磁測量等方式較為成熟的是光學測量方法，有激光掃描、莫爾條紋結(jié)構(gòu)光、數(shù)字圖像處理等方法[2]。2.2.1優(yōu)點

（1）可實現(xiàn)復雜輪廓的高速測量;（2）不需逐點方式測量;（3）側(cè)的物體上大部分特征，資料取得較完全;（4）不需做測頭的補正;2.2.2缺點

（1）只適于外輪廓表面。

（2）測量精度較差，易受工件表面反射性及環(huán)境光源影響，造成測量干擾[3]。2.2.3分類

（1）激光線結(jié)構(gòu)光掃描

激光線結(jié)構(gòu)光掃描測量法是利用三角測量原理，又可稱為光切法（Light Sectioning），是通過將一激光線結(jié)構(gòu)光投射到三維物體上，利用CCD攝取物面上的二維變形線圖象，即可解算出相應的三維坐標。每個測量周期可獲取一條掃描線，物體的全輪廓測量是通過多軸可控機械運動輔助實現(xiàn)的。相對于激光點掃描法和投影光柵法，光切法在測量精度和測量速

度兩方面都較理想。

（2）莫爾條紋法

莫爾條紋法是將光柵條紋投射到被測物體表面，光柵條紋受到物體表面形狀的調(diào)制，其條紋間的相位關系會發(fā)生變化，再用數(shù)字圖像處理的方法解析出光柵條紋圖像的相位變化量來獲取被測物體的表面三維信息。2.3逐層掃描測量

逐層掃描測量是一種新興的測量技術，可以同時對零件的表面和內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行精確測量，而不受測量體復雜程度的現(xiàn)在，比其他方法獲得的數(shù)據(jù)更加密集完整。常用的方法有工業(yè)CT法、核磁共振法等。著重介紹一下工業(yè)CT技術（ICT），適合于測量形狀復雜的的內(nèi)部幾何形狀，可以直接獲得截面數(shù)據(jù)，它根據(jù)CT圖像來重構(gòu)三維模型，然后轉(zhuǎn)化為可以為激光快速成形設備所采用的STL或CI文件格式。但是，工業(yè)CT在Z軸方向測量精度不好，可測量的最小層厚為1mm。它是目前唯一一種測量形狀復雜的內(nèi)部幾何形狀而又不破壞零件的技術。數(shù)據(jù)的預處理

測量系統(tǒng)獲得的點云數(shù)據(jù)必須經(jīng)過處理才能夠使用。測量數(shù)據(jù)的預處理，是曲面重構(gòu)中的重要環(huán)節(jié)。將直接影響后續(xù)曲面的擬合精度和速度。數(shù)據(jù)測量得到的往往是以散亂點形式無序排列的大量“點云”。數(shù)據(jù)預處理是對測量的數(shù)據(jù)進行相應的處理，以滿足不同的要求。這里將通過“點云”去噪、簡化采樣、“點云”的分割與縫合、構(gòu)建曲面等方面進行探討。3.1 “點云”去噪

由于被測曲面的表面粗糙度、波紋等一系列表面缺陷，測量中出現(xiàn)噪聲點是不可避免的，噪聲點影響著實體造型，若不進行噪聲點的消除，將嚴重影響重建曲面的質(zhì)量，故一般在數(shù)據(jù)“點云”操作之前進行“點云”去噪。

通常需要采用數(shù)據(jù)平滑技術，高斯濾波法可以很好的保持數(shù)據(jù)原貌，中值濾波消除數(shù)據(jù)毛刺的效果較好，應用時可根據(jù)數(shù)據(jù)質(zhì)量和建模方法靈活選擇濾波算法。三種濾波方法如圖1所示：

圖1 三種不同的濾波方法[4]

3.2 簡化采樣

由于測量所得的數(shù)據(jù)量通常很大，比如三維激光掃描儀一次掃描就可以產(chǎn)生幾百萬甚至上千萬個字節(jié)。而且這些數(shù)據(jù)之間沒有顯式的拓撲關系，還產(chǎn)生了大量的冗余，這曲面重建工作難以保證速度，因此需要對它們做一些適度的簡化，最常用的是采樣法，根據(jù)一定的算法規(guī)則，從原始“點云”中抽取部分數(shù)據(jù)點，未抽取到的數(shù)據(jù)將被忽略[5]。典型的算法規(guī)則有均勻采樣法、弦偏差取樣法、倍率縮減法、柵格法還有基于點采樣曲面的采樣規(guī)則。本文選擇其中最常用的均勻采樣法和弦偏差取樣法進行介紹。

（1）均勻采樣法：

是根據(jù)數(shù)據(jù)點的存儲順序，每隔m-1個數(shù)據(jù)點采集一個數(shù)據(jù)點，其他的數(shù)據(jù)點都被忽略，這里的m稱為采樣間隔（或采樣率)。當均勻采樣法應用于有序數(shù)據(jù)(如掃描線數(shù)據(jù))時，便成為等間距采樣法;而應用于非有序數(shù)據(jù)時，由于數(shù)據(jù)排列的無規(guī)律性模擬了均勻采樣的隨機性，因而成為隨機采樣法。對于稠密的數(shù)字化樣件，均勻采樣法是一種常用的快速簡化方法。（2）弦偏差取樣法

采用弦偏差方法消減冗余數(shù)據(jù)時，使用最大偏差值及最大跨距兩個參數(shù)進行優(yōu)化處理。3.3 數(shù)據(jù)修補

經(jīng)過各種掃描設備獲得點云數(shù)據(jù)后，將其在反求工程軟件中打開時，我們經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)，點云表面會存在一些孔、洞等數(shù)據(jù)缺失現(xiàn)象。這些孔、洞的存在會使曲面建模工作變得異常困難，因此，在曲面建模之前需要對它們進行必要的處理，將這些缺失的數(shù)據(jù)信息補充完整。這就是所謂的缺損數(shù)據(jù)修復工作，也可稱為數(shù)據(jù)修補[6]。3.4 “點云”的分割與縫合

一般的CAD/CAM軟件應對形狀復雜的“點云”處理起來還很困難，我們可以通過數(shù)據(jù)處理，分割成一塊塊單一的小塊“點云”數(shù)據(jù)進行處理。按測量數(shù)據(jù)的幾何屬性對其進行分割，采用幾何特征匹配與識別的方法來獲取零件原形所具有的設計與加工特征，然后再進行整體匹配恢復原始實體形狀。進行“點云”分割時，應盡量使分割線界于曲率平滑處，在曲率變化大的地方避免分割線的介入，否則匹配時容易引起整體實體局部細節(jié)的變形。而在一些小的CAD環(huán)境里，讀入的都是較小的“點云”，我們還需要對各個小的“點云”進行縫合。

3.5 構(gòu)建曲面

曲線是構(gòu)建曲面的重要基礎，曲面造型中常用的基本曲線類型有Bezier曲線，B樣條曲線，有理的Bezier曲線和NURBS曲線。

目前我們所常用的CAD造型軟件，如UG、Pro/E等，其模型的表達方式一般都是采用矩形域的四邊曲面，而反求工程的難點在于這種四邊曲面無法建立需要的曲面模型。考慮到各方面因素，可以直接用“點云”創(chuàng)建面，即通過“點云”三角化的途徑或用構(gòu)造好的特征線來生成實體的曲面模型。以特征線為基礎構(gòu)造曲面時，需注意特征線的方向問題。特征線的方向代表著曲面矢量方向，如果特征線方向不正確，往往會得到不正確的曲面形式，甚至完全失去實體原來的形狀特征。我們往往需要通過多次平滑處理使其盡可能達到完全平滑。一般在通過曲線構(gòu)建和曲面構(gòu)建構(gòu)建好曲面后，都要反復通過使用平順曲面來平順。

曲面的光滑處理主要有以下幾種方法：能量法、回彈法、最小二乘法、磨光法、基養(yǎng)條法、圓率法等。應用實例[7]

目前,采用通用型應用軟件(如Pro/Engineer,UGII,STRIM100等)和專用掃描數(shù)據(jù)處理軟件結(jié)合,解決反求工程CAD建模問題的應用實例非常多.盡管這種解決問題的效率和質(zhì)量都比較低,但在先進的反求工程CAD系統(tǒng)出現(xiàn)以前,這種技術和思路還會繼續(xù)被工程界普遍采用.近年來,隨著高速掃描設備和計算機技術的飛速發(fā)展,特別是反求工程CAD軟件的研究和應用水平的不斷提高,能夠體現(xiàn)反求工程CAD建模問題特點的軟件也在不斷推出,比較有實力的系統(tǒng)包括:Surfacer,ICEM/Surf和RE-SOFT.這些系統(tǒng)除了能夠直接處理“點云”數(shù)據(jù)外,也具備了一定的完成曲面造型和計算的功能,是目前反求工程CAD領域中最有前途的軟件系統(tǒng)。

本文給出了按照這種技術和思路完成的反求工程CAD的應用實例。由ICEM/Surf和RE-SOFT合作解決,處理比較典型的掃描測量“點云”數(shù)據(jù)的曲面造型問題,圖2(a)—圖2(d)

示意了復雜曲面零件反求工程CAD建模的一般過程。

圖二

反求工程應用實例 結(jié)論

反求工程技術是測量技術、數(shù)據(jù)處理技術、圖形處理技術和加工技術相結(jié)合的一門結(jié)合性技術，隨著各項技術的成熟和計算機技術的高速發(fā)展，反求技術會在未來的新產(chǎn)品設計中得到越來越多的應用，本文所著重表述的幾何數(shù)據(jù)測量及數(shù)據(jù)預處理作為反求技術中的核心技術，正是先進制造技術的前進方向，在這次課程設計論文中，本人通過資料的查閱，深化了自己對反求工程技術的理解，初步了解了反求工程中的部分過程，國產(chǎn)化是創(chuàng)新，反求的本質(zhì)就是再創(chuàng)造。我也深信我國會通過對這項技術的運用提高國產(chǎn)化零件質(zhì)量的核心問題。

參考文獻：

[1]李岳凡,陳鋒.反求工程技術在新產(chǎn)品開發(fā)中的應用[J].機械設計與制造,2006,03:129-130.[2]柯映林,肖堯先,李江雄.反求工程CAD建模技術研究[J].計算機輔助設計與圖形學學報,2001,06:570-575.[3]金濤,單巖,胡明輔,童水光.反求工程中產(chǎn)品三維模型重建技術綜述[J].機械科學與技術,2001,05:787-789.[4]朱玉紅.基于快速原形制造的反求工程[J].機械設計與制造,2005,02:65-67.[5]賈雙斌.逆向工程中曲面重構(gòu)與實現(xiàn)技術的研究[D].導師：李言.西安理工大學,2007.[6]蔡勇.基于核機器學習方法的點云處理若干方法研究[D].導師：肖建.西南交通大學,2006.[7]曹曉興.逆向工程模型重構(gòu)關鍵技術及應用[D].導師：劉德平.鄭州大學,2012.

第二篇：實驗一：數(shù)據(jù)的預處理及探索

實驗一：數(shù)據(jù)的預處理及探索實驗目的：

1、數(shù)據(jù)的基本描述統(tǒng)計

2、找出變量中的離群值及極端值并修正（參考

5.1.2）

3、找出對輸出變量影響最重要的一些輸入變

量。（參考5.6.2）

第三篇：測量數(shù)據(jù)主持

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第四篇：建筑中有關數(shù)據(jù)

一、磚混結(jié)構(gòu)：

1、水泥用量160Kg/㎡

2、用磚量140-160塊/㎡

3、鋼筋用量18-20Kg/㎡

4、外墻抹灰面積=0.7-1倍建筑面積

5、內(nèi)墻抹灰面積=1.7倍建筑面積

6、室內(nèi)抹灰面積=3-3.4倍建筑面積7、240磚墻 529塊/m3；370磚墻 522塊/m3；490磚墻 518塊/m3；120磚墻 552塊/m3；180磚墻 539塊/m3；60磚墻 606塊/m38、外墻瓷磚面積=0.3-0.33倍建筑面積

二、工程造價：

1、磚混結(jié)構(gòu)：620-630元/㎡

2、框架結(jié)構(gòu)：900-1100元/㎡

3、底框結(jié)構(gòu)：650-680元/㎡

4、剪力墻結(jié)構(gòu)：1200元/㎡

5、短肢剪力墻結(jié)構(gòu)：860-900元/㎡

6、廠房框架：1300元/㎡

7、別墅：1000-1200元/㎡

8、辦公樓框架：1300-1500元/㎡

三、水泥地面抹灰3㎡/袋

四、框架結(jié)構(gòu)：

1、水泥用量175-190Kg/㎡

2、用磚量110-130塊/㎡

3、鋼筋用量35-40Kg/㎡；公共建筑50-60Kg/㎡：廠房：70Kg/㎡

4、外墻抹灰0.7-0.9建筑面積

5、內(nèi)墻抹灰面積=1.7倍建筑面積

6、粘灰面積=2倍建筑面積

五、損耗

外墻瓷磚：橫貼20-25%；豎貼10-15%；

六、配合比

C10配合比1：3.97:4.66:0.85 水泥用量235Kg/m3

C15配合比1：1.769:3.76:0.49水泥用量325Kg/m3泵送

C20配合比1：2.08:3.69:0.58水泥用量330Kg/m32:4:6

C25配合比1：1.74:3.23:0.47水泥用量373Kg/m32:3:5

C30配合比1：1.48:2.76:0.41水泥用量424Kg/m32:2:42：1：2

C35配合比1：1.67:3.25:0.44水泥用量398Kg/m32；：2：342.5水泥

第五篇：南水北調(diào)中線工程相關數(shù)據(jù)

南水北調(diào)中線工程相關數(shù)據(jù)匯編

一、中線工程建設相關數(shù)據(jù)

1、丹江口大壩加高后，壩長由2.5公里增至3.45公里；

2、壩頂高層由162米增至176.6米；

3、正常蓄水位由157米增至170米；

4、正常庫容由174.5億立方米增至290.5億立方米（增加了116億立方米）；

5、庫岸線由3524.8公里增至4610.6公里（十堰3524.8公里，占76.4%）；

6、水域面積由745平方公里增至1050平方公里（十堰620平方公里，占60%）；

7、十堰水源區(qū)面積20868平方公里占全市總面積2.368萬平方公里的88.1%；

8、匯入丹江口水庫的12條主要支流中，有10條在十堰境內(nèi)，其中漢江年均匯入水庫水量328億立方米，占全庫年均匯入總量的90%；

9、中線一期工程多年平均調(diào)水量95億立方米，其中河南37億立方米、河北35億立方米、北京11億立方米、天津12億立方米；

10、總干渠全長約1277公里，天津干渠154公里；

18.2萬人，占總數(shù)31.2萬人的58.4%。

3、丹江口大壩加高后，將淹沒涉及我市5個縣（市、區(qū)）、29個鄉(xiāng)鎮(zhèn)街辦、257個村居委會、1096個村民小組，淹沒房屋362.8萬平方米。共淹沒公路827公里、橋梁25座、碼頭72座；淹沒影響城(集)鎮(zhèn)13個、單位443個、工業(yè)企業(yè)125家。需動遷18.2萬人（農(nóng)村移民15.56萬人），其中外遷7.7萬人、后靠10.5萬人。4、2010年，全市1.8萬戶7.7萬外遷移民搬遷到位。全市共組織動員7100名干部、119批次，共轉(zhuǎn)運貨物12萬噸，累計行程超過850萬km，平均每天出動車輛32車次、外遷237人。

5、繼2011年完成9.2萬農(nóng)村移民內(nèi)安之后，2012年又完成了1.3萬人的集鎮(zhèn)移民內(nèi)安，共內(nèi)安移民10.5萬人。規(guī)劃生產(chǎn)安置農(nóng)業(yè)用地83806畝，已完成80697畝，占96.3％。共遷復建城集鎮(zhèn)13個，新建移民安置點249個，遷復建單位443家，補償遷建企業(yè)125家。公路、橋梁、電力、通信等基礎設施同步復建到位。6、2012年9月底，整個南水北調(diào)18.2萬人移民搬遷任務全面完成，圓滿實現(xiàn)了“四年任務、兩年基本完成，三年徹底掃尾”的莊嚴承諾，創(chuàng)造了移民工作史上的奇跡。庫區(qū)移民的生產(chǎn)生活條件明顯改善，人均居住面積由搬遷前的18.8平方米，提高到現(xiàn)在的38.7平方米，增加19.9平方米。