模具逆向工程中的对象数字化技术
“lansy610”通过精心收集，向本站投稿了4篇模具逆向工程中的对象数字化技术，以下是小编帮大家整理后的模具逆向工程中的对象数字化技术，仅供参考，欢迎大家阅读。
篇1：模具逆向工程中的对象数字化技术
一、引言
逆向工程广泛应用于飞机、汽车、医疗设备、工艺品、玩具等模具设计中，逆向工程图根据现有的产品或模型，通过数字化测量设备取得产品或模型的云状数据，再利用云状数据通过曲面重构获得产品或模型的数据模型，从而为创新设计提供基础。
二、数字化方法
目前，用来采集物体表面数据的测量设备和方法多种多样，其工作原理也各不相同。各种测量方法的具体分类如图1所示。
图1 数字化方法的分类
在接触式测量方法中，三坐标测量机是应用最广泛的一种测量设备。而在非接触式测量方法中，基于三角形法的激光扫描和基于相位光栅投影的结构光法被认为是目前最成熟的三维形状测量方法。
三坐标测量机的测量精度高，对环境(如：温度、湿度、防震等)要求也高，接触法测量的测头在工件上要逐点测量，所以测量速度较慢，三坐标测量机一般用作零件的形位误差检测。另外，被测工件的材质也不能过软，因此，现在三坐标测量机一般较少用于逆向工程中的表面数字化测量。
三角法是根据光学三角形测量原理，利用激光光源和光敏元件之间的位置和角度关系来计算零件表面点的坐标数据，是目前应用较广泛的一种方法。可分为点光源、线光源和面光源测量法。该测量方法使用方便，运算速度也快，因而广泛应用在逆向工程测量中。但是，该测量方法在应用上有许多定位参数要求，对于大型工件的测量不够方便。
结构光法：结构光三维视觉在对景物或物体三维信息提取中占有重要地位，产品已经非常成熟。在航空摄影中有广泛的用途，现在也在工业界广泛应用，ATOS测量系统是这种方法的典型代表。其他的表面数字化方法由于受到各方面条件的限制，在工业产品逆向工程中应用不够成熟，现在应用还较少。下面以结构光法为例，介绍船用螺旋桨模具设计中的表面数字化方法。
三、螺旋桨的表面数字化方法
1. 仪器介绍
采用德国GOM公司的ATOS400型三维光学扫描仪。仪器的扫描精度为5~50um;仪器的测量范围：175L×140L~1700L×1360L；点云密度：0.035~1L(在1.2m×0.96m测量面积)；该测量系统可以在1min内完成一幅包括430000个像素点的图像的测量，精度达0.03L。
2. 仪器工作原理
仪器由1个光栅投射器、2台1300000像素的数码摄像机和1台工作站计算机组成。
仪器采用非接触式几何光学法测量微型元件的形貌轮廓，运用条纹结构光经由投射器将条纹光栅投射至待测物表面，再以CCD摄影机作取像动作，最后合并格雷氏编码与相位移法计算得到其绝对相位，配合三角测量原理便可得到待测物三维形貌轮廓。
这种方法采用光学投射器将光栅投影于物体表面，在表面上形成由被测物体表面形状所调制的光栅条纹三维图像(如图2所示)，该三维条纹图像由处于另一位置的摄像机拍摄，从而获得光栅条纹的二维变形条纹图像。条纹的变形程度取决于光学投射器与摄像机之间的相对位置和物体表面形廓(高度)。直观上，条纹在法线方向的位移(或偏移)与物体表面深度成比例，扭结表示了平面的变化，不连续显示了表面的物理突变或间隙。当光学投射器与摄像机之间的相对位置一定时，由变形的条纹图像可以重现物体表面形廓，即可
一、引言
逆向工程广泛应用于飞机、汽车、医疗设备、工艺品、玩具等模具设计中。逆向工程图根据现有的产品或模型，通过数字化测量设备取得产品或模型的云状数据，再利用云状数据通过曲面重构获得产品或模型的数据模型，从而为创新设计提供基础。
二、数字化方法
目前，用来采集物体表面数据的测量设备和方法多种多样，其工作原理也各不相同。各种测量方法的具体分类如图1所示。
图1 数字化方法的分类
在接触式测量方法中，三坐标测量机是应用最广泛的一种测量设备。而在非接触式测量方法中，基于三角形法的激光扫描和基于相位光栅投影的结构光法被认为是目前最成熟的三维形状测量方法。
三坐标测量机的测量精度高，对环境(如：温度、湿度、防震等)要求也高，接触法测量的测头在工件上要逐点测量，所以测量速度较慢，三坐标测量机一般用作零件的形位误差检测。另外，被测工件的材质也不能过软，因此，现在三坐标测量机一般较少用于逆向工程中的表面数字化测量。
三角法是根据光学三角形测量原理，利用激光光源和光敏元件之间的位置和角度关系来计算零件表面点的坐标数据，是目前应用较广泛的一种方法。可分为点光源、线光源和面光源测量法。该测量方法使用方便，运算速度也快，因而广泛应用在逆向工程测量中。但是，该测量方法在应用上有许多定位参数要求，对于大型工件的测量不够方便。
结构光法：结构光三维视觉在对景物或物体三维信息提取中占有重要地位，产品已经非常成熟，
在航空摄影中有广泛的用途，现在也在工业界广泛应用，ATOS测量系统是这种方法的典型代表。其他的表面数字化方法由于受到各方面条件的限制，在工业产品逆向工程中应用不够成熟，现在应用还较少。下面以结构光法为例，介绍船用螺旋桨模具设计中的表面数字化方法。
三、螺旋桨的表面数字化方法
1. 仪器介绍
采用德国GOM公司的ATOS400型三维光学扫描仪。仪器的扫描精度为5~50um;仪器的测量范围：175L×140L~1700L×1360L；点云密度：0.035~1L(在1.2m×0.96m测量面积)；该测量系统可以在1min内完成一幅包括430000个像素点的图像的测量，精度达0.03L。
2. 仪器工作原理
仪器由1个光栅投射器、2台1300000像素的数码摄像机和1台工作站计算机组成。
仪器采用非接触式几何光学法测量微型元件的形貌轮廓，运用条纹结构光经由投射器将条纹光栅投射至待测物表面，再以CCD摄影机作取像动作，最后合并格雷氏编码与相位移法计算得到其绝对相位，配合三角测量原理便可得到待测物三维形貌轮廓。
这种方法采用光学投射器将光栅投影于物体表面，在表面上形成由被测物体表面形状所调制的光栅条纹三维图像(如图2所示)，该三维条纹图像由处于另一位置的摄像机拍摄，从而获得光栅条纹的二维变形条纹图像。条纹的变形程度取决于光学投射器与摄像机之间的相对位置和物体表面形廓(高度)。直观上，条纹在法线方向的位移(或偏移)与物体表面深度成比例，扭结表示了平面的变化，不连续显示了表面的物理突变或间隙。当光学投射器与摄像机之间的相对位置一定时，由变形的条纹图像可以重现物体表面形廓，即可
以对物体进行三维表面测量。
图2 条纹结构光测量法
图3为结构光成像模型，其中(Xw，Yw，Zw)为世界坐标系，(Xc，Yc，Zc)为摄像机坐标系，(X，Y)为图像坐标系。摄像机坐标系的原点在世界坐标系中的坐标为(Ix，0，Iz)。将世界坐标系下的点变换到摄像机坐标系的点的步骤为：首先作平移[-Ix，0，-Iz]然后绕OcXc轴旋转180°，再绕OcYc轴旋转B角，最后再变换到图像坐标系中。
图3 条纹结构光成像模型
世界坐标系与摄像机坐标系坐标变换可用下式来表示：
设结构光入射平面通过点(0，0，Pz)，其方程为
图像坐标系与摄像机坐标系变换关系为
由关系式(1)、(2)、(3)可以得到被测物体表面上任一点在世界坐标系下的坐标(Xw，Yw，Zw)与图像坐标系的变换关系，即结构光三维成像模型为：
(4)式中：
其中f为摄像机焦距，Xu、Yu为像素点在图像坐标系中的坐标。
结构光三维成像模型中的Pz、Ix、Iz、H、B、f等的参数值可以通过摄像机标定来确定。
3. 扫描实例
工件为一个塑料制成的螺旋桨模型，如图4所示。
图4 工件
面贴上参考标记点，以便于计算机对多幅照片点云的精确拼合。为了完整地扫描一个三维物体，通常需要从不同的角度多次扫描。为获得完整的工件点云数据，单幅扫描的点云必须合并到统一的坐标系统。扫描时要求每一幅照片都至少要看到不在同一直线上的3点，且后一幅照片必须要看到前一幅照片的至少3个参考点。
扫描完毕后形成的点云数据可以利用仪器自带的ATOSV5.3.0系统处理，提取工件表面的特征，包括：圆孔，槽孔，矩形孔、槽，边界线，进行拼合、对齐、三角网格化、错误消除、消除碎片、光顺、过滤等的计算，生成三角网格数据，形成stl、igs等文件格式，直接用于快速原型制造，然后设计、制造模具，或导入UG、CATIA或IMAGEWARE等软件重构模型后再设计、制作模具。图5为工件扫描完毕后，将stl格式的数据模型在CATIA软件中进行重构的模型。
图5 工件的导入CATIA中的STL模型
四、结束语
结构光三维扫描具有大量程、大视场、较高精度、光学条纹或结构光特征图像信息提取简单、实时性强及主动受控等特点，近年来在模具设计中得到了愈来愈广泛的应用。同时由于使用高能量光源照明，可以在自然环境下工作，抗杂光干扰能力强。实践证明，采用光栅投影法对三维物体形状进行自动检测，速度快，精度较高，是很有应用价值的非接触光学测试技术，因此在模具逆向工程设计中有广阔的应用前景。
篇2：逆向工程技术在模具制造中的应用
一、逆向工程技术的内容及其应用范围
随着计算机技术的发展，CAD技术已成为产品设计人员进行研究开发的重要工具，其中的三维造型技术已被制造业广泛应用于产品及模具设计、方案评审、自动化加工制造及管理维护各个方面，在实际开发制造过程中，设计人员接收的技术资料可能是各种数据类型的三维模型，但很多时候，却是从上游厂家得到产品的实物模型。设计人员需要通过一定的途径，将这些实物信息转化为CAD模型，这就应用到了逆向工程技术(Reverse Engineering)。
所谓逆向工程技术，是指用一定的测量手段对实物或模型进行测量，根据测量数据通过三维几何建模方法重构实物的CAD模型的过程。
逆向工程技术与传统的正向设计存在很大差别。逆向工程是从产品原型出发，进而获取产品的三维数字模型，使得能够进一步利用CAD/ACE/CAM以及CIMS等先进技术对其进行处理。与传统设计方法的不同之处在于设计的起点不同，相应的设计自由度和设计要求也不相同。
一般来说，产品逆向工程包括形状反求、工艺反求和材料反求等几个方面，在工业领域的实际应用中，主要包括以下几个内容：
(1)新零件的设计，主要用于产品的改型或彷型设计。
(2)已有零件的复制，再现原产品的设计意图。
(3)损坏或磨损零件的还原。
(4)数字化模型的检测，例如检验产品的变形分析、焊接质量等，以及进行模型的比较。
逆向工程技术为快速设计和制造提供了很好的技术支持，它已经成为制造业信息传递的重要而简洁途径之一。
二、逆向工程技术实施的条件
1.逆向工程技术实施的硬件条件
在逆向工程技术设计时，需要从设计对象中提取三维数据信息。检测设备的发展为产品三维信息的获取提供了硬件条件。目前，国内厂家使用较多的有英国、意大利、德国、日本等国家生产的三坐标测量机和三维扫描仪。就测头结构原理来说，可分为接触式和非接触式两种，其中，接触式测头又可分为硬测头和软测头两种，这种测头与被测头物体直接接触，获取数据信息。非接触式测头则是应用光学及激光的原理进行的。近几年来，扫描设备有了很大发展。例如，英国雷尼绍公司的CYCLON2高速扫描仪，可实现激光测头和接触式扫描头的互换，激光测头的扫描精度达0.05mm，接触式扫描测头精度可达0.02mm。可对易碎、易变形的形体及精细花纹进行扫描。德国GOM公司的ATOS扫描仪在测量时，可随意绕被测物体进行移动，利用光带经数据影象处理器得到实物表面数据，扫描范围可达8m×8m。ATOS扫描不仅适于复杂轮廓的扫描，而且可用于汽车、摩托车内外饰件的造型工作。此外，日本罗兰公司的PIX-30网点接触式扫描仪，英国泰勒·霍普森公司的TALYSCAN 150多传感扫描仪等，集中体现了检测设备的高速化、廉价化和功能复合化等特点。为实现从实物——建立数学模型——CAD/CAE/CAM一体化提供了良好的硬件条件。
不同的测量对象和测量目的，决定了测量过程和测量方法的不同。在实际三坐标测量时，应该根据测量对象的特点以及设计工作的要求确定合适的扫描方法并选择相应的扫描设备。例如，材质为硬质且形状较为简单、容易定位的物体，应尽量使用接触式扫描仪。这种扫描仪成本较低，设备损耗费相对较少，且可以输出扫描形式，便于扫描数据的进一步处理。但在对橡胶、油泥、人体头像或超薄形物体进行扫描时，则需要采用非接触式测量方法，它的特点是速度快，工作距离远，无材质要求，但设备成本较高。
2.逆向工程技术实施的软件条件
目前比较常用的通用逆向工程软件有Surfacer、Delcam、Cimatron以及Strim。具体应用的反向工程系统主要有以下几个：Evans开发的针对机械零件识别的逆向工程系统；Dvorak开发的仿制旧零件的逆向工程系统；H.H.Danz de CNC CMM系统。这些系统对逆向设计中的实际问题进行处理，极大地方便了设计人员。此外，一些大型CAD软件也逐渐为逆向工程提供了设计模块。例如Pro/E的ICEM Surf和Pro/SCANTOOLS模块，可以接受有序点(测量线)，也可以接受点云数据。其它的象UG软件，随着版本的提高，逆向工程模块也逐渐丰富起来。这些软件的发展为逆向工程的实施提供了软件条件。
三、逆向工程设计前的准备工作
做一个逆向设计的工作，可能比做一个正向设计更具有挑战性。在设计一个产品之前，首先必须尽量理解原有模型的设计思想，在此基础上还可能要修复或克服原有模型上存在的缺陷。从某种意义上看，逆向设计也是一个重新设计的过程。在开始进行一个逆向设计前，应该对零件进行仔细分析，主要考虑以下一些要点：
(1)确定设计的整体思路，对自己手中的设计模型进行系统地分析。面对大批量、无序的点云数据，初次接触的设计人员会感觉到无从下手。这是应首先要周全地考虑好先做什么，后做什么，用什么方法做，主要是将模型划分为几个特征区，得出设计的整体思路，并找到设计的难点，基本做到心中有数。
(2)确定模
四、逆向工程工作中应该注意的问题
在实际设计中，目前存在的这些软件还存在着其较大的局限性。在机械设计领域中，集中表现为软件智能化低；点云数据的处理方面功能弱；建模过程主要依靠人工干预，设计精度不够高；集成化程度低等问题。例如，Surfacer软件在读取点云等数据时，系统工作速度较快，并且能较容易地进行点线的拟合。但通过Surfacer进行面的拟合时，软件所提供的工具及面的质量却不如其它的CAD软件如Pro/E、UG等。在很多时候，在Surfacer里做成的面，还需要到UG等软件中修改。但是，使用Pro/E、UG等软件读取点云数据时，却会造成数据庞大的问题，对它们来说，一次读取如此多的点是比较困难的。
在具体工程设计中，一般采用几种软件配套使用、取长补短的方式。例如上海交通大学模具技术研究所承接的逆向工程项目，采用了Surfacer与UG和Pro/E功能结合的方法，在具体操作中，使用Surfacer进行点、线处理，得到基本控制曲线，然后使用UG和Pro/E引入控制线的数据，进行曲面造型。其中，Pro/E应用的模块主要有ICEM Surf、Pro/DESIGNER(CDRS)等，UG使用的模块主要是UG/Modeling和UG/Surface模块。这几个设计模块都是一般CAD设计时常用到的。
值得注意的是，在设计过程中，并不是所有的点都是要选取的，因此，在确定基本曲面的控制曲线时，需要找出哪些点或线是可用的，哪些点或线是一些细化特征的，需要在以后的设计中用到，而不是在总体设计中就体现出来的。事实上，一些圆柱、凸台等特征是在整体轮廓确定之后，测量实体模型并结合扫描数据生成的。同时应尽量选择一些扫描质量比较好的点或线，对其进行拟合。
五、曲线曲面的光顺处理
由于测量过程中测得的是离散点数据，缺乏必要的特征信息，往往存在数字化误差，需要对曲面和曲线进行光顺。光顺是一个工程上的概念，包括光滑和顺眼两方面的含义。光滑是指空间曲线和曲面的连续阶，数学上一阶倒数连续的曲线即为光滑的曲线；而顺眼是人的主观感觉评价。对于平面曲线，光顺需要满足以下几点：曲线C2连续；没有多余拐点；曲率变化均匀。在逆向设计中，曲线的光顺性调节是非常重要的。扫描或拟合得到的曲线一般很难保证其光顺，为了构造出一条光顺的插值曲线，需要修正原形值点序列，利用软件的相关功能模块进行调节。目前采用的曲线光顺方法主要是能量法和圆率法。设计的准则是曲线上曲率极值点尽可能少些；相邻两个极值点之间的曲率尽可能接近线性变化。
曲面的光顺往往归结为网格的光顺。所谓网格的光顺，其含义是指网格的每一条曲线都是光顺的，光顺的曲面，应该是没有凸区和凹区的。在数学上，判断曲面是否满足上述条件的依据是高斯曲率。在一般CAD软件中，可以到分析模块中使用高斯曲率法对曲面进行分析。当曲面曲率变化比较均匀时，即可为达到设计要求。若曲面质量很差，需要对构成的曲线进行重新调整，直至曲面让人满意为止。
逆向工程既要保证曲面质量，又要保证设计精度。除了对原始型值点进行光顺之外，有时还要控制修改后的型值点同原始型值点的坐标偏差，该偏差不应太大，以保证设计部门给出的指标不致受太大的影响。
六、结束语
逆向工程是一项开拓性、实用性和综合性很强的技术，逆向工程技术已经广泛应用到新产品的开发、旧零件的还原以及产品的检测中，它不仅消化和吸收实物原型，并且能修改再设计以制造出新的产品。但同时设计过程中系统集成化程度比较低，人工干预的比重大，将来有望形成集成化逆向工程系统，以软件的智能化来代替人工干预的不足。
型的基本构成形状的曲面类型，这关系到相应设计软件的选择和软件模块的确定，
对于自由曲面，例如汽车、摩托车的外覆盖件和内饰件等，一般需要采用具有方便调整曲线和曲面的模块；对于初等解析曲面件，如平面、圆柱面、圆锥面等则没必要因为有测量数据而用自由曲面去拟合一张显然是平面或圆柱面的曲面。
一、逆向工程技术的内容及其应用范围
随着计算机技术的发展，CAD技术已成为产品设计人员进行研究开发的重要工具，其中的三维造型技术已被制造业广泛应用于产品及模具设计、方案评审、自动化加工制造及管理维护各个方面。在实际开发制造过程中，设计人员接收的技术资料可能是各种数据类型的三维模型，但很多时候，却是从上游厂家得到产品的实物模型。设计人员需要通过一定的途径，将这些实物信息转化为CAD模型，这就应用到了逆向工程技术(Reverse Engineering)。
所谓逆向工程技术，是指用一定的测量手段对实物或模型进行测量，根据测量数据通过三维几何建模方法重构实物的CAD模型的过程。
逆向工程技术与传统的正向设计存在很大差别。逆向工程是从产品原型出发，进而获取产品的三维数字模型，使得能够进一步利用CAD/ACE/CAM以及CIMS等先进技术对其进行处理。与传统设计方法的不同之处在于设计的起点不同，相应的设计自由度和设计要求也不相同。
一般来说，产品逆向工程包括形状反求、工艺反求和材料反求等几个方面，在工业领域的实际应用中，主要包括以下几个内容：
(1)新零件的设计，主要用于产品的改型或彷型设计。
(2)已有零件的复制，再现原产品的设计意图。
(3)损坏或磨损零件的还原。
(4)数字化模型的检测，例如检验产品的变形分析、焊接质量等，以及进行模型的比较。
逆向工程技术为快速设计和制造提供了很好的技术支持，它已经成为制造业信息传递的重要而简洁途径之一。
二、逆向工程技术实施的条件
1.逆向工程技术实施的硬件条件
在逆向工程技术设计时，需要从设计对象中提取三维数据信息。检测设备的发展为产品三维信息的获取提供了硬件条件。目前，国内厂家使用较多的有英国、意大利、德国、日本等国家生产的三坐标测量机和三维扫描仪。就测头结构原理来说，可分为接触式和非接触式两种，其中，接触式测头又可分为硬测头和软测头两种，这种测头与被测头物体直接接触，获取数据信息。非接触式测头则是应用光学及激光的原理进行的。近几年来，扫描设备有了很大发展。例如，英国雷尼绍公司的CYCLON2高速扫描仪，可实现激光测头和接触式扫描头的互换，激光测头的扫描精度达0.05mm，接触式扫描测头精度可达0.02mm。可对易碎、易变形的形体及精细花纹进行扫描。德国GOM公司的ATOS扫描仪在测量时，可随意绕被测物体进行移动，利用光带经数据影象处理器得到实物表面数据，扫描范围可达8m×8m。ATOS扫描不仅适于复杂轮廓的扫描，而且可用于汽车、摩托车内外饰件的造型工作。此外，日本罗兰公司的PIX-30网点接触式扫描仪，英国泰勒·霍普森公司的TALYSCAN 150多传感扫描仪等，集中体现了检测设备的高速化、廉价化和功能复合化等特点。为实现从实物——建立数学模型——CAD/CAE/CAM一体化提供了良好的硬件条件。
不同的测量对象和测量目的，决定了测量过程和测量方法的不同。在实际三坐标测量时，应该根据测量对象的特点以及设计工作的要求确定合适的扫描方法并选择相应的扫描设备。例如，材质为硬质且形状较为简单、容易定位的物体，应尽量使用接触式扫描仪。这种扫描仪成本较低，设备损耗费相对较少，且可以输出扫描形式，便于扫描数据的进一步处理。但在对橡胶、油泥、人体头像或超薄形物体进行扫描时，则需要采用非接触式测量方法，它的特点是速度快，工作距离远，无材质要求，但设备成本较高。
2.逆向工程技术实施的软件条件
目前比较常用的通用逆向工程软件有Surfacer、Delcam、Cimatron以及Strim。具体应用的反向工程系统主要有以下几个：Evans开发的针对机械零件识别的逆向工程系统；Dvorak开发的仿制旧零件的逆向工程系统；H.H.Danz de CNC CMM系统。这些系统对逆向设计中的实际问题进行处理，极大地方便了设计人员。此外，一些大型CAD软件也逐渐为逆向工程提供了设计模块。例如Pro/E的ICEM Surf和Pro/SCANTOOLS模块，可以接受有序点(测量线)，也可以接受点云数据。其它的象UG软件，随着版本的提高，逆向工程模块也逐渐丰富起来。这些软件的发展为逆向工程的实施提供了软件条件。
三、逆向工程设计前的准备工作
做一个逆向设计的工作，可能比做一个正向设计更具有挑战性。在设计一个产品之前，首先必须尽量理解原有模型的设计思想，在此基础上还可能要修复或克服原有模型上存在的缺陷。从某种意义上看，逆向设计也是一个重新设计的过程。在开始进行一个逆向设计前，应该对零件进行仔细分析，主要考虑以下一些要点：
(1)确定设计的整体思路，对自己手中的设计模型进行系统地分析。面对大批量、无序的点云数据，初次接触的设计人员会感觉到无从下手。这是应首先要周全地考虑好先做什么，后做什么，用什么方法做，主要是将模型划分为几个特征区，得出设计的整体思路，并找到设计的难点，基本做到心中有数。
(2)确定模
四、逆向工程工作中应该注意的问题
在实际设计中，目前存在的这些软件还存在着其较大的局限性。在机械设计领域中，集中表现为软件智能化低；点云数据的处理方面功能弱；建模过程主要依靠人工干预，设计精度不够高；集成化程度低等问题。例如，Surfacer软件在读取点云等数据时，系统工作速度较快，并且能较容易地进行点线的拟合。但通过Surfacer进行面的拟合时，软件所提供的工具及面的质量却不如其它的CAD软件如Pro/E、UG等。在很多时候，在Surfacer里做成的面，还需要到UG等软件中修改。但是，使用Pro/E、UG等软件读取点云数据时，却会造成数据庞大的问题，对它们来说，一次读取如此多的点是比较困难的。
在具体工程设计中，一般采用几种软件配套使用、取长补短的方式。例如上海交通大学模具技术研究所承接的逆向工程项目，采用了Surfacer与UG和Pro/E功能结合的方法，在具体操作中，使用Surfacer进行点、线处理，得到基本控制曲线，然后使用UG和Pro/E引入控制线的数据，进行曲面造型。其中，Pro/E应用的模块主要有ICEM Surf、Pro/DESIGNER(CDRS)等，UG使用的模块主要是UG/Modeling和UG/Surface模块。这几个设计模块都是一般CAD设计时常用到的。
值得注意的是，在设计过程中，并不是所有的点都是要选取的，因此，在确定基本曲面的控制曲线时，需要找出哪些点或线是可用的，哪些点或线是一些细化特征的，需要在以后的设计中用到，而不是在总体设计中就体现出来的。事实上，一些圆柱、凸台等特征是在整体轮廓确定之后，测量实体模型并结合扫描数据生成的。同时应尽量选择一些扫描质量比较好的点或线，对其进行拟合。
五、曲线曲面的光顺处理
由于测量过程中测得的是离散点数据，缺乏必要的特征信息，往往存在数字化误差，需要对曲面和曲线进行光顺。光顺是一个工程上的概念，包括光滑和顺眼两方面的含义。光滑是指空间曲线和曲面的连续阶，数学上一阶倒数连续的曲线即为光滑的曲线；而顺眼是人的主观感觉评价。对于平面曲线，光顺需要满足以下几点：曲线C2连续；没有多余拐点；曲率变化均匀。在逆向设计中，曲线的光顺性调节是非常重要的。扫描或拟合得到的曲线一般很难保证其光顺，为了构造出一条光顺的插值曲线，需要修正原形值点序列，利用软件的相关功能模块进行调节。目前采用的曲线光顺方法主要是能量法和圆率法。设计的准则是曲线上曲率极值点尽可能少些；相邻两个极值点之间的曲率尽可能接近线性变化。
曲面的光顺往往归结为网格的光顺。所谓网格的光顺，其含义是指网格的每一条曲线都是光顺的，光顺的曲面，应该是没有凸区和凹区的。在数学上，判断曲面是否满足上述条件的依据是高斯曲率。在一般CAD软件中，可以到分析模块中使用高斯曲率法对曲面进行分析。当曲面曲率变化比较均匀时，即可为达到设计要求。若曲面质量很差，需要对构成的曲线进行重新调整，直至曲面让人满意为止。
逆向工程既要保证曲面质量，又要保证设计精度。除了对原始型值点进行光顺之外，有时还要控制修改后的型值点同原始型值点的坐标偏差，该偏差不应太大，以保证设计部门给出的指标不致受太大的影响。
六、结束语
逆向工程是一项开拓性、实用性和综合性很强的技术，逆向工程技术已经广泛应用到新产品的开发、旧零件的还原以及产品的检测中，它不仅消化和吸收实物原型，并且能修改再设计以制造出新的产品。但同时设计过程中系统集成化程度比较低，人工干预的比重大，将来有望形成集成化逆向工程系统，以软件的智能化来代替人工干预的不足。
型的基本构成形状的曲面类型，这关系到相应设计软件的选择和软件模块的确定。对于自由曲面，例如汽车、摩托车的外覆盖件和内饰件等，一般需要采用具有方便调整曲线和曲面的模块；对于初等解析曲面件，如平面、圆柱面、圆锥面等则没必要因为有测量数据而用自由曲面去拟合一张显然是平面或圆柱面的曲面。
篇3：基于数字化测绘技术在工程测量中的应用论文
基于数字化测绘技术在工程测量中的应用论文
Abstract：In the implementation of the construction project, there are engineering surveys at each link. The engineering survey work seems simple and the actual operation is more and more complex. With the continuous development of society and economy, construction projects are increasing day by day. The problems that arise in construction are also increasing, and the difficulty of measurement has increased. The traditional measurement methods still cannot meet the needs of measurement. Therefore, the digital mapping technology came into being. It uses the corresponding software for digital measurement of the project through the program input of the computer, the quality and efficiency have been greatly improved. This article elaborates the field digital surveying and mapping technology, and then points out the application of digital surveying and mapping technology in engineering survey from four aspects. It aims to provide a certain theoretical guidance for the surveying industry, and at the same time hopes that digital surveying can be applied in all walks of life in society and provide strong support for economic development.
Keyword：engineering survey; digital mapping; field surveying and mapping;
随着科技的不断深入和经济的蓬勃发展, 在工程测量中, 传统的测量方式已经不能完成一些复杂的问题, 所以数字化测绘技术应运而生, 它的出现为很多领域解决了之前未完成的事宜, 该测量技术已经越来越多的应用到各个行业, 并取得了良好的效果。在传统的测量方式中, 由于传统方式以人力劳动为主, 人力劳动产生的误差较大, 而且不易察觉, 在资源浪费的同时, 其准确率也不高, 对于一些较为复杂的问题根本无从下手;数字化测绘技术的产生, 大大降低了人力劳动的成本, 通过计算机数字化处理, 将复杂的工作都能很快的高效率的完成, 省时省力, 效率高, 所以数字化测绘技术代替传统的测量技术是时代的发展必然, 同时也是经济发展到一定阶段的必然产物。
1、野外数字测绘技术
1.1、全站仪+电子记录簿+测图软件
野外数字测绘技术作为完成地籍测绘工作的主要技术之一, 其的应用可以分为多种。其中, 使用较为广泛的是全站仪结合电子记录簿和测图软件这种使用方法。这种使用方法的过程是在进行野外测绘的时候, 测绘人员使用采集软件对土地的各项数据进行采集, 并将采集到的土地信息上传到电子记录簿中去, 然后测绘人员在对记录簿中的各项信息进行整合, 并依据这些信息设计草图, 随后利用测图软件对草图进行完整编辑, 最终会使这份草图变成完整的测绘图。全站仪结合电子记录簿和测图软件这种使用方法的特点是简便、快捷, 而且部分信息的计算可以通过自动化完成。而这种使用方法的缺点是在地籍测绘过程中, 测绘技术中使用的设备和仪器很容易受到干扰, 这会使得地籍测绘工作的结果受到很大影响。
1.2、全站仪+便携式计算机+测图软件
全站仪结合便携式计算机和测图软件这种使用方法的工作原理是在测绘人员利用全站仪采集完各项土地信息后, 这些信息会被上传到便携式计算机中去, 而测绘人员利用计算机对这些信息进行处理, 就可以得到测绘图中的符号与图形, 而且便携式计算机可以存储已测的土地信息, 这对已测土地信息的多次使用有着极大的便利。这种测绘搭配方法的特点是直观性比较强, 并且在保证测绘结果准确性的同时, 也能提高测绘效率。但是, 这种方法的缺点就是使用成本比较高, 且在野外测绘所容易受到的影响比较大。
1.3、全站仪+掌上电脑 (PDA) +测图软件
全站仪结合掌上电脑和测图软件的这种测绘搭配方法的原理是利用全站仪进行各项土地信息采集, 然后利用蓝牙将土地信息上传到掌上电脑中去, 以便测绘人员对这些信息进行整合和储存。
因为掌上电脑的特点是体积比较小, 且便于使用, 由于地籍测绘所设计的范围比较广, 而掌上电脑的特点可以使地籍测绘变得更加容易、简便。同时, 在地籍测绘过程中, 实施这种测绘搭配方法可以对土地信息进行多样化体现, 也可以使土地信息变成可视化信息。而且, 这种搭配方法的应用所需要的实施成本比较低, 然而这种搭配方法的使用尚处于实验阶段, 测绘搭配方法还不是很成熟, 这就使得地籍测绘工作的开展很容易出现问题, 只有对这些问题进行有效解决, 地籍测绘工作的开展才能够顺利的完成。
2、野外数字化测图概述
野外数据采集工作是在野外直接测定地形特征点的位置, 并记录地物连接关系和属性, 为内业数据处理提供必要的绘图信息和便于数字地图的深加工利用。它通过全站仪或RTK接收机实施测定地形特征点的高程与平面位置, 并将点位的信息存储在仪器的存储器电子手薄中。野外数字测圈也被称为内外一体化测图, 它实现了数据采集的自动记录, 并在现场绘制出地形草图, 将室内数据自动传输到计算机中, 经过人机交互编辑以后, 再由计算机自动生成数字地图, 并控制绘图仪启动绘制出地形图。
野外数学测图改变了传统的测图作业方式, 省去了展点、绘图和对图纸清绘练工作程序, 其主要特点有:
2.1、先进的作业方式
在传统测图作业中, 主要通过手工操作进行外业的人工绘制地形和人工记录。野外数字测图使野外的测量实现了自动记录和自动计算处理的效果, 同时还提供了使用方便的数字化地图软盘。随着当前野外数字化测图的自动化程度不断提高, 在测图作业中的出错概率也相应降低, 并能实现对地图高程、距离和坐标的自动提取, 使绘制的地形图也更加的规范、精确和美观。
2.2、点位的精度高
在传统的经纬仪配合量角器、平板的图解测图方法中, 其地物点的平面位置误差往往容易受到测定误差、展绘误差、方向误差等的影响, 点位精度值普遍不高, 且随着倾斜角的增大高程测定误差也会急剧增加。通过野外数字化测图的应用, 实现了传输、记录、存储、处理和成图的自动化, 使会过程中原始数据精度没有受到损失, 从而获得了高精度的测量结果。
2.3、方便图件的更新
随着当前我国大量建设和施工, 加速了图件中各类地物点的变化。野外数字化测图, 从根本上改变了传统测图更新困难的问题, 传统的测图一旦数据发生了变化, 就要重新进行测量, 耗时耗力, 最终测量的结果还不理想。而野外数字化测图, 是信息直接输入到计算机中, 更新和修改较为方便, 最终保证了图件的准确性。
3、数字化测绘技术在工程测量中的应用
3.1、数字化原图处理
工程测量中的.数字化处理是重要的内容之一, 将理论部分输入到设备中, 扫描原图得到新的地图, 这样不但操作过程简单, 而且得出的测量结果的准确率也有所提高, 现阶段, 该处理方式已经应用到大多数企业, 也同时受到了企业的一致好评。
3.2、数字化绘图
数字化绘图是在一个规范的模本上, 有统一的标准和统一的格式, 只要进行正确的输入, 其准确率就较高。而传统的手工绘图, 由于手工上的误差, 不规范的书写方式, 图标的偏差等都会降低绘图的准确率, 往往在大多数时候, 绘图者会根据以往经验进行绘制, 这种情况下产生的误差会大些。所以数字化绘图必然会代替传统的绘图方式, 不仅提高了工作效率, 而且提升了绘图的质量和准确性。
3.3、地籍测量
伴随城镇化步伐的不断加速, 地籍测量的工作是十分重要, 也是对未来的土地管理有着举足轻重的影响。地籍测量主要目的是能够建立土地管理的体系, 以便在查询时有据可查, 城镇化步伐的加速, 只有对土地有一个明确的认识, 包括土地的面积、位置、用途等, 才能够在日后的土地使用中更为简便, 所以对于地籍测量的工作任重道远, 无论是当下还是未来都应该将此作为重要的工作内容来抓。
3.4、在工程测图内容方面的应用
(1) 原图的数字化处理。数字化处理原图以扫描矢量化和手扶跟踪数字化为主要处理方式。其中扫描矢量化的特点是工作效率高、精确度高, 而精确的程度和操作人员的技术成正比。因为扫描矢量化只能显示出白纸图, 无法显示不同地表结构的图纸, 会造成数字图显示结果出现误差。因此, 扫描矢量化通常被应用于紧急情况的处理技术。
但是在条件允许的情况下, 使用扫描矢量化时, 可以选择一些辅助技术来帮助扫描矢量化完成数字地图的检测, 为了确保检测结果的精确度, 可以通过测量地形技术结合地物信息数字化的方式进行测量或者利用多种相关技术相结合, 力争达到最精准的数字化检测结果。通过这种方式可以最大化地完善实测的地形点坐标精确度, 而手持跟踪数字化就是通过数字化仪器获取图纸数据。扫描矢量化的处理方式在精度方面要求更高, 而且工作效率也相对较快, 也有一定的问题存在, 我们进行获取的数字测图的精度一般的情况都是比较低的, 这方面的很大的程度来自于我们工作人员一些工作不到位, 不按照相应的规定开展的工作, 这样为我们后续的工作造成了极大的麻烦。
(2) 地面数字测图。地面数字测图在实际工程测量中是应用最为普遍的一种测量技术, 主要因为其精确度高、不受地图比例尺的限制。地面数字测图也较为方便, 可以直接将数字图进行数据收集、复制绘图进行整合并输出精确的数字图。在传统测量的辅助下可以将测绘的主要地物及地表控制在一定的精确范围内。
4、结束语
近几十年来, 随着电子计算机技术、激光技术、空间技术、微电子技术等新型技术的发展与应用, 我国的数字化测图作业也发生了巨大的变化, 并取得了显着的成就。伴随着野外数字化测图新方式、新仪器的日益普及与应用, 测图过程中自动化和一体化的程度也得到了不断加强。在当今信息时代高速发展, 并追求效率、倡导经费节省的大环境下, 大力发展和应用野外数字化测图, 已成为了测绘工作的重点发展方向与必然趋势。
参考文献
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篇4：数字化测绘技术在水利工程测量中的作用论文
数字化测绘技术在水利工程测量中的作用论文
随着社会经济的不断发展和科学技术的不断进步，很多的数字化技术，例如遥感技术（RS）、地理信息技术（GIS）、全球定位技术（GPS）以及数字化技术等多种新兴的数字化技术的发展前景都较为良好，并且很多的数字化技术应用在水利工程的测量当中，经过多年的研究和发展已经在各个领域尤其是工程测量当中得到较为成熟的应用。总的来说，数字化测绘技术是一种较为先进的测绘技术，它的发展与网络技术、测量仪器的智能化发展有着密切的关系，能够促进项目的顺利进行，对水利工程的建设有着重要意义。
一、水利工程测量中的现代数字化测绘技术
1.水利工程测量中的地图数字化技术GIS技术即地理信息技术，是基于计算机技术和网络通信技术的一种空间信息技术，主要解决与地球空间住处有关的数据获取、存储、管理、分析与应用等问题，它的技术优势不仅仅在于它能够集地理数据采集存储、管理、分析、三维可视化显示与成果输出于一体，还包括着它对于空间的预测和辅助决策的功能，因此在建立GIS系统时，要对原有的地图进行数字化的处理，为专业信息系统提供及时、准确、标准化、数字化的基础空间信息，从而提高数字化测绘技术的准确性。
2.水利工程测量中的数字化成图手段测绘工作是水利工程测量中的重要内容，因此在进行工程图以及比例尺较大的.地图的测绘时，要使用数字化成图的手段来最大限度的提升地图的质量，降低野外测绘的复杂程度，缩短测绘的周期，尽量满足客户的需求，保证数字化测绘的精度。传统的测绘成图方法工作量较大且作业的程序复杂，还要处理繁琐的内业数据，这就使得成图的周期较长，且精度较低。而数字化成图手段可以将地表和地理要素转化为数字量，然后再通过计算机技术对其进行相应的技术处理，从而形成电子图形，这种数字化成图手段的优点在于精度高，工作量较小且易于保存和管理，因此在水利工程的测量中得到了较为广泛的应用。
3.水利工程测量中的全球卫星定位技术（GPS技术）全球卫星定位技术也称为GPS技术，是由空间系统、用户设备和地面控制三部分组成的，其主要功能在于能够全天自动化高精度地实现军事及民用交通的导航、摄影和大地测量，并且实现快速准确地定位三维坐标，在水利工程的测量过程中，GPS技术正是由于其体积小、重量轻且定位的准确度较高的特点使得其在工程的测量中得到了极大的应用。总体来说，GPS技术的主要优点在于其能够准确的定位、测量的时间较短、且操作简单能够及时地提供三维坐标，并且观测站之间无需通视就可以进行测量，还可以在任何时间任何地点不间断地连续作业，水利工程的业外实施工作包括选点、测量以及数据传输和数据预处理等都可以由它完成。
二、数字化测绘技术在水利工程测量中的优点
1.数字化测绘技术的成图精度较高传统的绘图方式主要是人工完成的，相比于传统的手工绘图，数字化测绘技术成图技术的精度要高很多，并且数字化测绘技术在进行外业数据的采集和处理时，一般情况下会选择全站仪现场自动采集的地形地物点的三维坐标进行自动的保存和处理，另外在进行内业的数据处理时，会尽量减少误差，提高和保持测量的精度。除此之外，在进行数字化的测绘过程中，还可以省略传统绘图方式中的计算、读数等步骤，大大地减少了工作人员的作业量，缩短测量的绘图时间，提高外业工作的效率，从而提高企业的经济效益，为企业创造更大的收益。
2.数字化测绘技术可以更好地存放数字化产品传统的测绘技术不能够满足人们对于数字化产品的形成和保存，因此人们在经过大量地研究和实践之后逐渐形成了对于数字化产品形成以及保存的现代化技术，通过运用现代数字化测绘技术可以对各种有效的数据和要素实施数据的加工和整理，并且使用计算机技术和现代媒体技术将这些数据形成各种不同用途的图件产品，即我们所说的数字化产品，进而对其进行报关和存放，以此来满足不同用户的不同需求。
3.进行相应的修改和订正，因为数字化测绘技术形成的测绘结果在进行数据的处理过程中，客户可能还会根据实际的设计和规划进行相应的调整和修改，例如对城市道路网络进行相应的设计规划，对土地资源的使用情况进行更加详细的统一规划等等，这些都是在测绘成图过程中可能遇到的问题，需要数字化测绘技术能够进行相应的修正。现代数字化测绘技术可以提供相应的修正，并且通过一定的修正可以提高产品的质量，提高企业的经济效益。
三、数字化测绘技术在水利工程测量中的应用
1.数字化测绘技术在水利工程测图内容方面的应用
在水利过程的测量过程中，数字化测绘技术主要包括对原图实施数字化以及进行地面数字测图。在对原图实施数字化的过程中，有扫描矢量化及手扶跟踪数字化两种方式。扫描矢量化在测量的过程中具有较高的精度，工作效率也明显比手扶跟踪数字化要高很多，但是用这种方法获取的数字图与原图相比精度较低，数字化的处理过程有一定的误差。除此之外，这种扫描矢量化的方法所呈现出的各个地表及地物的外貌成图过程的实时性比较弱，因此这种方式一般应用于水利工程测量的应急处理措施中。在工程测量中，地面数字测图则是内外业一体化数字测图方法中比较典型的方法之一，适用于测量进度要求较高，比例尺较大的地图，可以获取较高精度的数字地图。
2.数字化测绘技术在数字地球中的应用
在水利工程的测量当中，数字地球是利用计算机技术将地理坐标的构筑进行统一，进而形成一个统一的框架体系，在这个体系中可以对重要的社会信息和数据资料进行保存和维护，客户也可以通过通信网络对数据进行访问。由于数字地球的科技含量较高，且系统工程复杂、庞大，综合性和涉及的内容也比较广泛，因此在这个体系当中需要各个部门的相互配合和协调，数字化测绘是空间技术部门、信息科学部门、地球科学部门以及多个部门的关键工作内容，对于水利工程的测量和数据的获取也有着非常重要的影响，因此也要注重对于空间信息的建设和管理。从事测绘工作的专业人员也要通过计算机网络技术对信息进行处理，形成完整的信息源，以此来保证数字化测绘技术的精度要求。
四、结语
在进行水利工程的建设时，运用现代数字化测绘技术可以对各个要素进行数据的加工和处理，从而形成各种用途的图件产品，满足不同用户的需求，还可以提高产品的精度，保证测量工作的准确性。在科学技术不断发展的大背景下，数字化测绘技术也在不断发展更新，这就极大地推动了测量工作的发展，以保证水利工程测量的准确性和可靠性。
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