直接加工中散乱点云拓扑结构建立的研究

论文摘要

逆向工程是实现自由曲面零件数字化仿制和改进的一项重要技术,拥有非常广阔的应用前景。在目前的逆向工程中,都要由测量点云经曲面拟合、等距、裁剪等操作进行曲面重构,进而才能在曲面模型上生成数控加工刀位,这类方法中的自由曲面重构过程相当繁琐费时,而且精度难以保证。由此,我们派生出由测量点云来直接生成数控加工路径的思想,它可跳过复杂且难以控制的曲面重构环节。基于直接加工的思想,着重研究了散乱点云的拓扑结构重建方法。通过大量零件表面数据的测量,比较自由曲面测量的各种手段,并采用TDV800型激光扫描仪测得典型零件的散乱点云作为研究对象,研究包括数据拼合、滤波、精简及坐标变换等预处理操作;在拓扑结构重构过程中,将散乱点云进行等间隔区域分割,同时建立新的链表结构分区存储点云数据。在每个区域内通过邻域法将点云进行压缩并投影至切平面,得到一系列的切平面散乱点集。由平面上点的二维坐标定位,提出基于正交投影理论的双映射算法。该算法能快速定位点的位置及其邻域搜索范围,采用双映射算法对切平面上的散乱点进行排序,分析平面点自然次序邻接排序的局限性,通过计算当前点与其邻近点的矢量分布趋势,提出双映射排序中邻近次序点的判断准则,进一步改进双映射排序算法,完成各切片上数据的拓扑重构。在各切片之间,采用三角网格剖分手段来建立点云在空间的完整拓扑结构,并提出了相邻截面线之间添加剖分线段的改进算法,在网格线的二次剖分中,对剖分情况进行分类,结合采用最小内角法计算余下剖分线段。同时设计三角面片的存储数据结构并保存输出三角面片,完成点云截面线的三角化;针对本文各项研究,采用VC++编程开发工具结合OpenGL开放式图形库设计可视化应用软件,通过叶子和叶片等“点云”演示了软件的可操作性及本文中提出的散乱点云拓扑重构理论。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 逆向工程定义及应用
• 1.1.1 逆向工程的定义
• 1.1.2 逆向工程的应用
• 1.2 自由曲面直接加工及本课题研究意义
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 散乱点云拓扑结构建立的研究现状
• 1.3.2 散乱点云数据加工的研究现状
• 1.4 本课题研究内容
• 第二章 散乱点云数据获取及预处理研究
• 2.1 引言
• 2.2 数据获取方法分类与比较
• 2.2.1 接触式测量
• 2.2.2 非接触式测量
• 2.3 测量数据分类
• 2.3.1 散乱点云
• 2.3.2 栅格点云
• 2.3.3 等值线点云
• 2.3.4 扫描线点云
• 2.4 散乱点云预处理
• 2.4.1 测量数据格式转换
• 2.4.2 数据拼合
• 2.4.3 数据滤波
• 2.4.4 数据精简
• 2.4.5 三维点云的模型变换与几何坐标变换
• 2.5 本章小结
• 第三章 散乱点云切片技术研究
• 3.1 引言
• 3.2 切片参数的选取
• 3.2.1 切片方向的确定
• 3.2.2 切片厚度
• 3.2.3 切片邻域
• 3.3 切片数据结构设计
• 3.3.1 双向链表定义及建立
• 3.3.2 双向链表操作
• 3.4 截面数据的拓扑结构建立
• 3.4.1 基于双映射思想的排序算法
• 3.4.2 改进的双映射排序算法
• 3.5 本章小结
• 第四章 点云截面线的三角化研究
• 4.1 引言
• 4.2 相邻截面线三角剖分网格生成
• 4.2.1 三角剖分常见问题
• 4.2.2 第一次剖分
• 4.2.3 第二次剖分
• 4.3 三角面片保存与法矢量计算
• 4.3.1 STL 语言介绍
• 4.3.2 三角面片数据结构设计
• 4.3.3 三角网格保存
• 4.3.4 三角面片的法向量计算
• 4.4 本文三角面片重构算法效果与误差比较
• 4.4.1 ImageWare 重构效果
• 4.4.2 本文算法重构与误差比较
• 4.5 本章小结
• 第五章 散乱点云拓扑重构软件设计
• 5.1 引言
• 5.2 OpenGL 的特点及其使用方法
• 5.2.1 OpenGL 的体系结构
• 5.2.2 渲染上下文（RC）
• 5.2.3 MFC 中使用OpenGL 的方法
• 5.3 课题软件界面设计与模块介绍
• 5.3.1 软件主窗口界面
• 5.3.2 软件主要功能模块
• 5.4 软件操作说明与应用实例
• 5.4.1 原始点云读入与坐标变换
• 5.4.2 点云切片
• 5.4.3 切片数据拓扑重构
• 5.4.4 三角化拓扑重构
• 5.5 本章小结
• 第六章 论文工作总结与展望
• 6.1 全文工作总结
• 6.2 后续研究工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录：作者在攻读硕士学位期间发表的论文