逆向工程在“一滴血”纪念碑重建中的应用

2011-11-14北京则泰盛业科技发展有限公司刘丽惠

测绘通报 2011年6期

关键词：纪念碑扫描仪逆向

北京则泰盛业科技发展有限公司刘丽惠薛勇蒋涛

解放军信息工程大学翟翊

则泰三维技术应用专栏

逆向工程在“一滴血”纪念碑重建中的应用

北京则泰盛业科技发展有限公司刘丽惠薛勇蒋涛

解放军信息工程大学翟翊

随着社会生产水平的不断提高以及三维激光扫描技术的成熟，逆向工程作为一项全新高效的技术在很多领域得到应用。以大连英雄纪念碑“一滴血”为例，探讨其在雕塑重建工程中的应用，通过介绍三维激光扫描仪及数据获取方法，提出一个可行方案。

纪念碑;重建;逆向工程;三维激光扫描;曲面重构

一、引言

“一滴血”英雄纪念碑坐落于大连市西岗区英雄纪念公园内，建成于1998年，碳钢结构，高17 m，重150 t。它全身鲜红色呈放射状，似血滴掉在地上飞溅的瞬间，如英雄洒下的热血，是大连一道醒目的景观。经过多年的风吹日晒雨淋，“一滴血”纪念碑已锈迹斑斑，碑体受到严重腐蚀，成为广场上的安全隐患(如图1所示)。经过多方鉴定，其维修的价值不大，原址原样重建方案得到了最终采纳。但是，如今已经找不到可利用的设计施工资料，要想重建一个形状、大小、尺寸完全一样的雕塑，采用逆向工程(反求工程)方法是比较理想的方案。

图1 “一滴血”纪念碑现状

逆向工程(reverse engineering，RE)技术是指在没有设计图纸或者设计图纸不完整，以及没有CAD模型的情况下，对产品(或零件)的实物进行测量、数据处理，并在此基础上构造出实体的CAD模型的过程。逆向工程中为了获得物体表面数据，测量方式分为两种:一种是接触式测量;另一种是非接触式测量。接触式测量一般测量精度高，但是数据获取效率低;非接触式测量则恰恰相反。但是近年来随着三维激光扫描仪的问世，这种测量方式已经在很多领域得到广泛应用，如虚拟现实、工业制造、船舶设计、文物保护、灾害评估等。它的特点是自动化程度高、速度快、测量简便。目前三维激光扫描仪包含两种类型的产品，即脉冲式与相位式。一般来说，脉冲式扫描仪距离长、速度慢;相位式扫描仪距离短、速度快。两者各有利弊，所以可以根据各自工程的特点选择不同型号的仪器。

二、逆向工程体系结构

1.数据采集

针对“一滴血”纪念碑的大小、高度，考虑到测量速度、采样密度、测量精度、时间及稳定性等方面的因素，本次扫描选用了Lecia相位式HDS6100超高速三维激光扫描仪，扫描速度为50.8千点/秒，最远测程为79 m。这款设备扫描精度高，噪音点少，在90%发射率条件下，25 m处测量数据建模后精度可达±1 mm;在18%反射率条件下，25 m处测量数据建模后精度为±2 mm，完全可以满足本次重建工作的精度要求。Leica HDS6100内置了操控面板、电池和硬盘，是一款完全一体化的仪器，无需连接任何外部设备就可以完成扫描作业，内置的电池可以连续工作2.5 h，标配的两块电池可以进行5 h的连续作业。这样使得外业的数据采集变得尤为简单和方便，此次数据扫描，只携带了扫描仪主机(内置充满电的电池)和一个三脚架。因为Leica三维激光扫描仪后处理软件Cyclone在进行数据拼接时非常灵活，支持特征点和点云匹配拼接，所以本次扫描不需要携带标靶和进行标靶扫描。

(1)扫描站点布设

三维激光扫描仪采用的是自由架站，只要地面坚硬稳固即可。经过对现场情况的仔细勘察，根据纪念碑的外形特征，为了采集比较完整的数据，本次扫描共布设了7站，位置如图2所示。其中扫描站1位于纪念碑下方正中心位置，扫描站2至扫描站7分别位于纪念碑四周。这样确保了“一滴血”纪念碑重要特征和轮廓的完整采集。

图2 扫描站点设置

(2)扫描参数设置

“一滴血”纪念碑高度为17 m，扫描仪距离纪念碑的最远直线距离约30 m，最近距离约5 m。因此采用了“High”模式的扫描分辨率(15 m处点间隔9 mm)进行了全景(水平360°×垂直310°)扫描，扫描仪很快完成全景扫描工作，而且完整采集到周边平台、台阶、栏杆以及树木等特征，方便了后续的数据拼接以及新雕塑的安装定位。扫描仪参数设置如图3所示。

每站的数据扫描时间约3 min 15 s，因此包括架站及迁移时间，7站扫描总共约1 h就完成了本次数据采集任务。单站扫描数据如图4所示。

图3 扫描仪参数设置

图4 单站扫描数据

(3)数据拼接

数据采集完成后，经过下载从扫描仪内置硬盘复制到计算机中，然后使用Cyclone软件加载。此时每一站数据都使用的是各自独立的相对坐标系，为了将所有的数据统一到同一个坐标系中，需要对数据进行拼接，即将其中任意一站的坐标系设为母站，其他测站的数据都以此站为基准，进行平移、旋转。

式中，Δx0、Δy0、Δz0为3个平移参数;ωx、ωy、ωz为3个旋转参数。

从式中可以看到，两站之间进行拼接至少需要选取3个公共特征点。为了有多余观测，查看拼接精度，最好选4个公共特征点。此外为了提高拼接的精度，选取的公共特征点要分布均匀，距离不要太近。

数据拼接是三维激光扫描数据后处理中非常重要的一步，数据拼接的精度直接影响到建模以及各种线、面、体数据的精度。Leica Cyclone软件中提供了多种灵活的拼接方法，控制点拼接、标靶拼接、点云拼接，并且相互之间可以补充，即当标靶约束不够时可以用点云约束做补充，点云约束有困难时也可以添加标靶约束。本纪念碑扫描的数据采用脱机扫描，并且扫描距离可靠，站位布设合理，点云质量好，重合区域充分，因此采用了点云约束的方式进行拼接。

在Cyclone软件中有直观的数据交互拼接和检查工具，并可以提供拼接误差分析报告，供数据处理参考和调整。如图5所示，7站扫描数据拼接中，最大的拼接误差为8 mm，最小拼接误差为0 mm，精度可以满足本纪念碑重构的需要。点云拼接结果如图6所示。

图5 点云拼接和检查

图6 点云拼接结果

2.面重构

(1)点云预处理

曲面重构是将离散的测量数据重构成连续变化的曲面的过程。目前，逆向工程非接触式测量方式的一个最大缺陷就是数据量非常庞大，并且常常带有许多杂点、噪音点，影响后续的模型建立以及曲线、曲面数据的提取。因此需要对点云进行去噪以及对模型进行检查修复等处理，处理工作流程大致如图7所示。

图7

本次工程曲面重构用到的软件为Geomagic Studio，它是全球四大逆向工程软件之一，也是目前市场上对点云处理及三维曲面构建功能最强大的软件。可以轻而易举地根据扫描所得的点云数据创建出完美的多边形模型，并可自动转化为NURBS曲面。

该软件支持手动选择噪音点删除，也可以设置合适的参数使软件自动选择噪音点并删除，如图8所示。如果利用软件自动删除，此过程可以多进行几次，直到选择的噪音点很少为止。

(2)三维曲面构建

三维曲面构建是Geomagic Studio的强大功能之一，软件可以自动完成点到三角面片的转换(即封装)。封装完成后可以对三角网进行自动检测、修复，并且可以根据周围模型的曲率对扫描盲区进行填充。软件支持对三角网的编辑修改，如松弛、光顺、雕刻、锐化、去除特征、创建特征等操作，以便最大限度地与实际物体相吻合，如图9所示。