产品工业CT扫描重建模型与CAD模型比对技术的研究与实现

摘要

随着人们对工业产品复杂程度的要求越来越高，通过计算机辅助设计(Computer Aided Design，CAD)的产品经过制造加工成型后，其检测难度也越来越高。在众多检测方法中，工业CT(Computed Tomography)检测因其能够对工件内部结构和材料性质进行无损测试，而成为一种优秀的检测手段。对工件的检测中，关键的一步就是将CT切片重建模型与原始CAD模型进行配准比对，从而得到正确的检测结果。目前三维配准领域众多算法研究中，主要以激光扫描等获取三维点云方法为主，工业CT领域的三维配准研究较少，且针对性较差，与实用阶段还有较大距离。
　　 本文根据工业CT扫描重建模型与CAD模型配准比对的流程，以及工业CT扫描对象的特点，提出了能适应复杂工件的初始配准方法。在分析了各初始配准方法的基础上，主要以经典的主成分分析方法为原型，通过引入点云形心与质心之间的位置关系，来判断主成分分析方法的配准是否有反向问题发生，进而修正发生反向的配准模型，保证了在较短的时间内实现正确的初始配准。
　　 为了在初始配准的基础上进一步实现两模型的精确配准，本文对标准迭代最近点算法的最近点对搜索方法和旋转矩阵的求解方法进行了探讨。通过引入k最近邻原理，建立一个近邻点的快速搜索树，提高搜索速度。通过采用奇异值分解方法来求解旋转矩阵，相对于标准算法使用的四元数方法，提高了求解速度，并尽量保持了计算精度。本文提出的这种改进的精确配准方法，相对于使用标准迭代最近点算法以及以往改进算法的运算速度，有较明显的提高，而配准误差保持在相同的范围。
　　 最后，本文利用三维图形开发包OpenInventor开发了工业CT扫描重建模型与CAD模型比对软件，以上提出的初始配准方法和精确配准方法均在该软件中实现，并提供了配准比对模型的显示、结果输出等相关辅助功能。