不同数字化技术及其精度的比较分析

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快速发展的非接触三维数字化数据采集系统为逆向工程在设计领域提供了支撑。这在工业设计领域是一个特别的例子——用计算机辅助逆向程序产生曲面（普通自由曲面），重现点云并且能直观显示变形，但通常不能令人满意地获取设计的意图和要点。我们的工作并不是研究广泛存在的逆向设计方法而是比较不同的数字化数据采集系统。这主要是通过准备点云来获得一个合适的划分曲面进行比较的，包括消噪，去除点，网格三角划分，修复网格，空洞填充，因为它们在逆向工程中随后的处理重建曲面。根据普通的逆向设计图表，我们的工作即用划分的模块和相关点云比较不同数据采集系统。
在逆向设计中选择要选择好数据采集系统并不是件容易的事，通常是基于以下几方面的需求综合考虑：精度，数据模型的类别，数据质量。再者，考虑不同数字化系统的制造商提供的设备信息和技术效果，其演示效果与真实模型之间的匹配程度也是必要考虑的。  
因此史密斯强调了对数据的精度以及数模的建立过程和方法的认识的必要性，因为只有这样，这些数模的使用者和研究者才能得出这些数模的误差程度；并且虚拟的数模需要含有以下几方面的信息：在数模中分隔的扫描线的编号，数字化编辑后点云的编号和每个模型中的多边形的编号。他同时还阐明目前在关于比较不同扫描仪和扫描方案使用方面没有可利用的研究。这个作者为我们展示了对一颗螺栓的长度测量和一块直尺的面积和体积测量误差的初步研究，但是由于这两个项目都没有标准化，因此不能用来作为记录作为追踪标准，我们也不能用来作为比较项目。此外，保证所有被扫描点与其理论所在面的距离偏差在一个给的距离范围之内是非常重要的。
目前在逆向中应用最广泛数据采集系统的是光学扫描仪，以下为根据 Várady所提及的目前点云获取的现实问题：
——校准
——精度。这主要由扫描仪和被测物表面之间的距离以及扫描仪的运动决定的。
——考虑多角度扫描，我们就得移动被测物的时候从多方面运行数字化系统，然后通过定位和旋转调整点云。
——噪音点。振动,镜面反射,等等都可能引起噪音，消除噪音使我们能够消除掉边缘。
——不完整数据存在于被固定住的零件和一些由于阴影或被其他表面遮住而难以扫描到的表面。
——统计地分布零件     (山东华能三维扫描仪)
——表面粗糙度，粗糙表面比平滑表面产生的噪音多而且其反射光也会产生更多的噪音。
逆向工程的主要目的是将离散的模型数据转化为连续的根据其表面决定的连续性的模型数据。一般地，离散数据指的是带有X、Y、Z三坐标的通过规定或随机的方式数字化的点云。CT就是一个有序数字化数据的例子，因为每条扫描线都是由切平面获得。带CMM（坐标测量器）的扫描仪是一种获得有序数据的方法，可是当许多不同地方的通过相同的节点位置时，面积区域上这些节点就会重叠起来，并且这些点就会无序且不均匀地分布。如果这个扫描仪是人工控制的，而且其位置是由相机或者被测物控制，那么采集的点是随机无序分布的。有序点云的作用是促进三角网格划分使得文件占用更小空间，现在有大量关于减少和优化点云划分的算法设计的研究，可是我们研究在逆向设计有应用的那部分扫描技术。
五种数据采集方法的基本特征
1.Computerized Tomography （CT ）方法
Tomography这个词来源于希腊语中的τ ′ oμo?和—graph. τ ′ oμo?的意思是修剪和部分，graph的意思是图像的表示，所以Tomography的意思即是获得物体的部分或修剪的图像。
CT的工作原理大致如下：一个电离辐光束通过一个转动的物体，一套探测设备拾起通过了测量物的辐射光束，电脑将通过被测物的光束信息转化成为电子图像信息。被测物在CT上旋转，而探测器和Ｘ射线是固定的，这个过程重复于被测物的每个部分,移动模型垂直于每个0.2毫米的区段。
使用x射线的能量使它有可能更有效率穿透固体，可是这会使其对材料的密度和组成识别就不是特别的敏锐。Ketcham发现X射线的衰减与四种密度相似的石头类型相似,从大约125 keV的能量,不同的岩石类型区CT能够区分。我们用的是210 keV到225 keV,一个大小为2.8毫安,和一个像素大小尺寸为0.058到0.146毫米。
为了数字化零件，Ｘ光成像被工业化应用。这是一台西班牙布尔戈斯大学人类进化实验室（ＨＥＬ）的YXLON国际MU2000 - CT(图4)，根据卡尔森分类[35]，这是一台高精度的成像仪，能够精确到０.１mm，根据生产商介绍其测量精度有可能比0.1更精确，用这台设备可以测量直径 范围为335mm,高度范围为500mm的物体。CT的个别部分被认为是独立整体，利用软件Mimics13.0(Materialise N. V.)重构表面连接轮廓线得到相邻的部分。
     高精度的X射线CT摄像是采集数据理想技术，主要针对物体内部几何信息以及一些其他设备无法采集外部曲面信息，其质量主要由X射线的穿透物体衰减决定，反过来也是由物体的密度和厚度决定。
2.用CMM激光扫描
　　 大多数常见的扫描仪都是三角系统。图五所示就是一个普通的例子，发光系统产生一系列的激光投射于被测物进行扫描，一个传感器，通常是一个CCD摄像机、感应从物体反射的光，　软件提供扫描仪计算数组的深度值,从而可以由扫描仪的校准坐标系以及激光的方向和感应器通过扫描线和激光发射仪器的已知平面的相交得到三维点的位置。   
传感器和被测物表面之间有一个清晰的视角以便作为激光扫描仪三角划分的限制基础，表面的反射情况直接影响采集到数据的质量，表面过量或者向下面分散都会使得设备三角划分的效果很差。               (华能三维激光扫描仪价格)
3.激光HandyScan Exascan扫描
HandyScan Exascan运用VxScan软件，能够快速而且完整的扫描完整个零件的外部表面，激光通过扫描面时对目标表面实现自动定位。如果扫描的对象像我们这个例子中的一样较小的话，可以将扫描目标放置在一个定位模型中。不过这种类型的扫描不允许使用者向上放置扫描镜头来定位点，因为这样找不到参考目标。            
HandyScan Exascan为逆向设计提供选择，对于大型工件，像汽车之类的可以扫描其内部可见表面，但对于小于100mm的工件就不能扫描了，因为扫描测量无论在什么位置什么时候都至少要四个基准参考目标才能实现。Exascan精度为40μm.
4.激光Krypton Camera扫描
     我们用的是西班牙布尔戈斯大学人类进化实验室的Krypton Camera，这个数据采集系统的主要是3个安装在K-Scan的高分辨率CCD相机测量安装在K-Scan的20个不同位置的红外发光二级管。K-Scan是手动控制的且扫描器被安装在内部，系统安装了K-CMM控制单元来同步二极管的位置同时也作为电脑和相机之间的接口。Krypton K610 Camera的测量精度由被测物与镜头在z轴方向的距离决定，这个距离在3.5m到5m的时候，这个精度为±(20 μm +7 ? L) Y方向, of±(20 μm+7 ? L) X方向, and of±(64 μm+25?L) Z方向，根据 UNE-EN ISO 10360-2 [37]，置信度为95%，其中距离的单位是米但计算精度时单位为微米。               (华能3d扫描仪)
5.ATOS条纹投射扫描
     其他的扫描是基于条纹投射或结构白光，就是投射一系列黑白相间的条纹与被测物的表面。三维信息可根据照射在被测物的表面的光线反射回来的的光路变形获得，照相机捕获一系列包含工件和光路变形的图像，必要的是从不同的位置数字化一个目标作为参考，工件可能是放在这个目标上或其周围。运用参考基准之后，所有的数据信息都是自动配合的。这些投射和图像获取在几秒钟之内完成，然后一个被测物的三维点云就被计算出来了。这个系统的速度非常快，而且由高达30μm的精度，只是对炫目光线比较敏感。