1泥哨的曲面特征和测量原则
1.1泥哨的曲面特点
逆向工程处理的对象多为表面复杂的样件或零件(张昌明，2010)。简单的三维曲面模型可以直接利用三维CAD软件通过建模系统得到。然而对于表面复杂的样件，建模工作量太大，耗时长，而且无法精确表示样件局部的细微特征。尤其是对于民族工艺品这类对尺寸精度要求相对弱化，但对曲面的美观性、精确性、可制造性、经济性等要求较高的产品来说，逆向工程的数据测量是可行的方案之一。贵州泥哨多注重头部特征，形态夸张、形状迂回复杂、特征突出;周身造型简洁洗练，但表面具有装饰性的雕刻纹样或和图案，特征细小繁复(如图1所示)。泥哨底部留有回气孔，内部有空腔。这些特征，要求在选择泥哨数据测量方案时，综合分析对比各种测量方法，以求最优方案。
1.2选择泥哨测量方法的原则
选择测量方案时，应结合样件—泥哨表面的特点，综合考虑多个因素，如测量速度、测量精度、测量目的、测量成本等因素，力求测量方案最优化。在本文实验中主要考虑以下几个因素:(1)测量速度快，尽量缩短产品逆向制造的周期;(2)测量精度高，要满足实验要求精度以及后续曲面重构要求;(3)采集数据完整，以免后期数据处理时，丢失泥哨表面特征;(4)保证样件完整，实验以珍贵的工艺品为研究对象，在获得完整数据点云的同时必须保证泥哨的完整;(5)较低成本。要选择一个满足这些测量原则的最优方案，就需要对现有测量方法进行综合对比分析(张翠翠，2014)。
2测量方案的对比分析
2.1接触式测量法和非接触式测量法优缺点
接触式测量法和非接触式测量法依据的是测量过程中测头和被测表面之间的相对位置关系。他们的工作原理不同，适用范围不同(董锦菊，2007)。由表1可知，2种方法都有各自的优缺点，不论哪种方法都可以达到泥哨数据测量的目的，但接触式测量方法测量成本高、速度慢，而且无法测量复杂样件内部情况和一些软质样件表面。这不符合成本低、速度快的测量原则，相比非接触式测量法速度快，成本低。精度虽然不如接触式测量法高，但能满足泥哨数据测量要求，所以课题采用非接触式测量方法。
2.2非接触式测量方法综合性能分析
非接触式测量方法主要有激光三角形法、结构光法、投影光栅法(慈瑞梅，2005)，表2是三种测量方法的综合性能对比分析图。从对表2的分析可以看出:激光三角形测量法激光方向好、光功率高、分辨率高、稳定性强、测量精度高、检测速度快、适用范围广、对样件表面形状要求低、体积小易携带。但不能测长距、易受外界环境影响、易受表面材质、颜色的形象。投影光栅法测量范围广，速度较快，性能稳定、成本较低、设备携带方便、受外界环境影响小、易于操作和实现。但测量精度较低，只能测量表面轮廓较为平坦光滑的样件，对于表面特征突出形状变化剧烈的样件，在陡峭处不可避免的发生相位突变，导致测量误差，降低测量精度。工业CT法在保证不破坏样件的情况下，它可以测量任意样件的内部结构形状、壁厚，这是区别于其他测量方式的优点。而且该方法同样对样件的材料没有限制;但工业CT法测量系统的空间分辨率相对较低，测量速度慢，获取数据时间较长、图像重构的计算复杂、设备体积大、造价高。经过对以上几种非接触式测量方法综合性能对比分析，其中激光三角法综合性能最优，实验采用激光三角法对泥哨进行数据采集，使用的是非接触式三维扫描仪ＲANGE5，生成的是高密度无规则散乱扫描线点云数据，点云间具有一定的拓扑关系。
3数据测量系统
实验基于三角测量原理，使用二级半导体激光，光阻滞方法(如图2所示)的柯尼卡美能达非接触式三维扫描仪ＲANGE5采集数据。该扫描仪在无需二维草图的情况下，就可以得到三维设计数据。而且具有用户导航功能提高了操作性及可靠性，将错误的测量减少到最少。无论被测物体的形状和表面情况，它总是提供高质量的三维数据，保证±0.04mm的精度。柯尼卡美能达ＲANGE5的测量性能表如表3所示。
4泥哨的数据测量
4.1泥哨的数据测量方案
本文以贵州民族工艺品泥哨为研究对象，采用标识点与配对点相结合的方法测量数据(张翠翠，2014)，其具体流程如下:1)粘贴标识点，保证在监控视窗内能看到5～10个标识点。(如果带有特征标识的样件，此步骤可免除);2)执行扫描，保证样件在标识窗正中间位置，对焦，扫描;3)在连续两组数据点云的公有部位，通过人工识别匹配的3个标识点进行两组数据的自动拼接(寻找的的标识点最好呈三角形分布);4)重复步骤2和3，得到整体扫描点云数据。其流程图如下图3所示。
4.2泥哨的数据测量步骤
利用标识点完成泥哨侧面点云收集后，再基于配位点方法测量获得泥哨底部的点云数据，并根据泥哨底面和侧面点云数据相同的特征值进行拼接，得到泥哨的完整点云数据，具体步骤如下所示。a)把泥哨放入监视窗内，让泥哨位于监视窗正中间位置，寻找3～10个标识点，然后对焦，录入泥哨影像。b)前期准备工作做好后，固定好刚才选择的位置，执行“扫描”命令进行第一步扫描，如图5;c)将泥哨旋转一个角度后继续扫描，角度不宜太大，要保证旋转的角度后能看到至少3个标识点，如左图监视窗内泥哨的位置，执行扫描，扫描后如图6左上角所示。寻找标识点，标识点在扫描后点云中的位置(图6左上)和第一次扫描后的点云图中的位置(图6右)要一致。e)重复执行以上步骤直至泥哨360度扫描完整。如图8所示。最后得到泥哨的海量密集散乱点云数据图，如图9所示。利用这种方法得到的点云数据量非常庞大，是十分庞大的离散数据点，这样的数据不利于后续的曲面重建的效率。所以在曲面建模前，需要对海量点云数据进行必要的数据处理。点云数据点预处理主要包括:数据点滤波、数据点优化、数据点精简等处理。
5结语
少数民族文化是民族文化不可或缺的一部分，作为少数民族聚集地的贵州，拥有着灿烂的民族文化遗产。但随着社会工业化的进程，以及外地文化的侵入，贵州的传统文化受到了巨大的挑战，甚至有的民间传统艺术正在消失，因此必须加以重视民族文化遗产的保护与传承问题。论文将数字化技术应用于民族工艺品的保护是一条准确快捷而有效的保护途径，有利于实现贵州民族工艺品保护和开发，实现贵州民族工艺品商业化生产，促进贵州的旅游业发展。实验以具有贵州少数民族特色、具有商业开发价值的工艺品(泥哨)为研完对象，通过对泥哨的结构分析，确定了数据测量方案，详细阐述了泥哨的数据测量过程，完整的获取了泥哨表面的三维表面数据。尽管本文的研究已经完成预期的要求，但仍然存有些问题有待进一步探讨。1)如何完整获取复杂形状样件的三维数据一直是逆向工程中一个比较难的问题，尤其是具有繁复细微纹样的样件表面，有些死角特征很难测量，处理不当，很容易丢失;2)除了样件表面数据，在不破坏样件的基础上，如何获取样件内部结构的三维数据。利用现有的测量技术，还需进一步的研究。
作者：张翠翠 古文全 李英 单位：贵州省冶金化工研究所
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