3D反求技术

本书是在“中国制造2025”“‘十三五’国家科技创新规划”及“国家增材制造产业发展推进计划”等背景下策划的“3D打印前沿技术丛书”中的一本。丛书由卢秉恒院士、王华明院士、聂祚仁院士等任丛书顾问，史玉升教授为丛书主编，多名3D打印领域专家共同研讨策划。本书入选湖北省学术著作出版专项资金资助，作者在3D反求领域有着多年研究，总结分析了3D反求技术，具有较好的学术价值及参考价值，可供行业相关人员参考。全书为精装彩色印刷。 

内容简介反求技术用于获得实物的三维数据模型，其与3D打印技术紧密配合，可有效缩短产品的开发周期，提高产品更新换代的速度，增强企业竞争力。本书从数据采集、数据处理及数据建模三个方面对3D反求技术所涉及的各种理论与方法进行了系统性的阐述，尤其是详细介绍了各种先进的光学三维测量理论与方法，并介绍了一些典型案例，以使读者了解3D反求技术在工业、医学等各个领域的应用前景。本书可作为高等院校机械工程专业本科和专科学生的实践教材、培训教程或参考书，对于相关领域的专业工程技术人员和研究人员也具有很高的参考价值。

 

目录

 

 

 

第1章概论(1)

 

1.13D反求基本原理(1)

 

1.23D反求基本流程及关键技术(3)

 

1.33D反求应用领域(15)

 

1.4本章小结(17)

 

参考文献(18)

 

第2章光学三维测量的视觉几何基础(19)

 

2.1人类视觉的形成(19)

 

2.2Marr视觉理论(21)

 

2.3相机模型(23)

 

2.4空间几何变换(26)

 

2.5视觉几何(31)

 

2.6本章小结(34)

 

参考文献(35)

 

第3章人工标志点识别技术(36)

 

3.1人工标志点类型(36)

 

3.2人工标志点识别(41)

 

3.3人工标志点在光学三维测量中的应用(57)

 

3.4本章小结(62)

 

参考文献(62)

 

第4章相机标定技术(64)

 

4.1标定方法概述(64)

 

4.2相机畸变模型(66)

 

4.3标定靶标(70)

 

4.4Tsai两步法标定法(75)

 

4.5张正友平面标定法(77)

 

4.6基于近景工业摄影测量的相机标定方法(81)

 

4.7基于消隐点的相机自标定方法(85)

 

4.8本章小结(88)

 

参考文献(89)

 

第 5 章近景工业摄影测量技术(91)

 

5.1近景工业摄影测量基本原理(91)

 

5.2近景工业摄影测量关键技术(94)

 

5.3典型的近景工业摄影测量系统(106)

 

5.4近景工业摄影测量技术的应用(108)

 

5.5本章小结(120)

 

参考文献(121)

 

第6章三维激光扫描测量技术(122)

 

6.1激光(122)

 

6.2脉冲式激光测距技术(128)

 

6.3相位式激光测距技术(131)

 

6.4激光三角法测距技术(135)

 

6.5三维激光扫描技术(140)

 

6.6典型的三维激光扫描系统及其应用(143)

 

6.7本章小结(149)

 

参考文献(149)

 

3D反求技术

目录

 

第7章光栅投影式面结构光三维测量技术(151)

 

7.1结构光编码方法(151)

 

7.2结构光三维重建(155)

 

7.3光栅投影式面结构光扫描策略(161)

 

7.4典型面结构光三维重建系统的应用(164)

 

7.5本章小结(169)

 

参考文献(169)

 

第8章点云处理技术(172)

 

8.1点云初始化(173)

 

8.2点云配准(178)

 

8.3点云融合(180)

 

8.4点云去噪(184)

 

8.5点云采样(186)

 

8.6孔洞修补(189)

 

8.7三角化(191)

 

8.8本章小结(193)

 

参考文献(194)

 

第9章三角网格处理技术(198)

 

9.1三角网格光顺(198)

 

9.2三角网格简化(200)

 

9.3三角网格细分(202)

 

9.4三角网格孔洞修补(204)

 

9.5重新网格化(207)

 

9.6三角网格修复(209)

 

9.7开源点云处理软件(215)

 

9.8本章小结(217)

 

参考文献(218)

 

第10章曲面建模技术(224)

 

10.1曲面重构(224)

 

10.2曲面品质评价(235)

 

10.3常用建模软件(238)

 

10.4本章小结(241)

 

参考文献(242)

 

第11章3D反求应用案例(243)

 

11.1人体3D反求(243)

 

11.23D反求技术在大型雕塑制作中的应用(247)

 

11.33D反求技术在零件修复中的应用(253)

 

11.43D反求技术在产品质量检测中的应用(256)

 

11.53D反求技术在医学上的应用(259)

 

11.6本章小结(261)

 

总序一

“中国制造2025”提出通过三个十年的“三步走”战略，使中国制造综合实力进入世界强国前列。近三十年来，3D打印（增材制造）技术是欧美日等高端工业产品开发、试制、定型的重要支撑技术，也是中国制造业创新、重点行业转型升级的重大共性需求技术。  新的增材原理、新材料的研发、设备创新、标准建设、工程应用，必然引起各国“产学研投”界的高度关注。

　　3D打印是一项集机械、计算机、数控、材料等多学科于一体的，新的数字化先进制造技术，应用该技术可以成形任意复杂结构。其制造材料涵盖了金属、非金属、陶瓷、复合材料和超材料等，并正在从3D打印向4D、5D打印方向发展，尺度上已实现8 m构件制造并向微纳制造发展，制造地点也由地表制造向星际、太空制造发展。这些进展促进了现代设计理念的变革，而智能技术的融入又会促成新的发展。3D打印应用领域非常广泛，在航空、航天、航海、潜海、交通装备、生物医疗、康复产业、文化创意、创新教育等领域都有非常诱人的前景。中国高度重视3D打印技术及其产业的发展，通过国家基金项目、攻关项目、研发计划项目支持3D打印技术的研发推广，经过二十多年培养了一批老中青结合、具有国际化视野的科研人才，国际合作广泛深入，国际交流硕果累累。作为“中国制造2025”的发展重点，3D打印在近几年取得了蓬勃发展，围绕重大需求形成了不同行业的示范应用。通过政策引导，在社会各界共同努力下，3D打印关键技术不断突破，装备性能显著提升，应用领域日益拓展，技术生态和产业体系初步形成；涌现出一批具有一定竞争力的骨干企业，形成了若干产业集聚区，整个产业呈现快速发展局面。

　　华中科技大学出版社紧跟时代潮流，瞄准3D打印科学技术前沿，组织策划了本套“3D打印前沿技术丛书”，并且，其中多部将与爱思唯尔（Elsevier）出版社一起，向全球联合出版发行英文版。本套丛书内容聚焦前沿、关注应用、涉猎广泛，不同领域专家、学者从不同视野展示学术观点，实现了多学科交叉融合。本套丛书采用开放选题模式，聚焦3D打印技术前沿及其应用的多个领域，如航空航天、工艺装备、生物医疗、创新设计等领域。本套丛书不仅可以成为我国有关领域专家、学者学术交流与合作的平台，也是我国科技人员展示研究成果的国际平台。

　　近年来，中国高校设立了3D打印专业，高校师生、设备制造与应用的相关工程技术人员、科研工作者对3D打印的热情与日俱增。由于3D打印技术仅有三十多年的发展历程，该技术还有待于进一步提高。希望这套丛书能成为有关领域专家、学者、高校师生与工程技术人员之间的纽带，增强作者、编者与读者之间的联系，促进作者、读者在应用中凝练关键技术问题和科学问题，在解决问题的过程中，共同推动3D打印技术的发展。

　　我乐于为本套丛书作序，感谢为本套丛书做出贡献的作者和读者，感谢他们对本套丛书长期的支持与关注。

 

西安交通大学教授

中国工程院院士

卢秉恒

 

2018年11月

 

 

总序二

3D打印是一种采用数字驱动方式将材料逐层堆积成形的先进制造技术。它将传统的多维制造降为二维制造，突破了传统制造方法的约束和限制，能将不同材料自由制造成空心结构、多孔结构、网格结构及功能梯度结构等，从根本上改变了设计思路，即将面向工艺制造的传统设计变为面向性能优的设计。3D打印突破了传统制造技术对零部件材料、形状、尺度、功能等的制约，几乎可制造任意复杂的结构，可覆盖全彩色、异质、功能梯度材料，可跨越宏观、介观、微观、原子等多尺度，可整体成形甚至取消装配。

3D打印正在各行业中发挥作用，极大地拓展了产品的创意与创新空间，优化了产品的性能；大幅降低了产品的研发成本，缩短了研发周期，极大地增强了工艺实现能力。因此，3D打印未来将对各行业产生深远的影响。为此，“中国制造2025”、德国“工业4.0”、美国“增材制造路线图”，以及“欧洲增材制造战略”等都视3D打印为未来制造业发展战略的核心。

基于上述背景，华中科技大学出版社希望由我组织全国相关单位撰写“3D打印前沿技术丛书”。由于3D打印是一种集机械、计算机、数控和材料等于一体的新型先进制造技术，涉及学科众多，因此，为了确保丛书的质量和前沿性，特聘请卢秉恒、王华明、聂祚仁等院士作为顾问，聘请3D打印领域的著名专家作为编审委员会委员。

各单位相关专家经过近三年的辛勤努力，即将完成20余部3D打印相关学术著作的撰写工作，其中已有2部获得国家科学技术学术著作出版基金资助，多部将与爱思唯尔（Elsevier）联合出版英文版。

本丛书内容覆盖了3D打印的设计、软件、材料、工艺、装备及应用等全流程，集中反映了3D打印领域的新研究和应用成果，可作为学校、科研院所、企业等单位有关人员的参考书，也可作为研究生、本科生、高职高专生等的参考教材。

由于本丛书的撰写单位多、涉及学科广，是一个新尝试，因此疏漏和缺陷在所难免，殷切期望同行专家和读者批评与指正！

 

华中科技大学教授

史玉升

2018年11月

 

 前言

 

 

3D反求技术亦称逆向工程（reverse
engineering，RE）技术。3D反求是指采用一定的反求手段或反求设备对产品实物或模型进行反求测量，获得测量数据，然后在三维逆向设计软件中重构出产品的三维CAD数字模型，并在此基础上进行生产加工、改型或再创新，是一个从产品到三维CAD数字模型再到新产品的设计过程。利用3D反求技术，在消化、吸收先进技术的基础上，设计和开发各种新产品，可有效缩短产品开发周期，提高产品更新换代的速度，增强企业竞争力。

 

本书从数据采集、数据处理及数据建模三个方面对3D反求技术所涉及的各种理论与方法进行了系统性的阐述。第1章对3D反求的基本原理，3D反求与正向设计及3D打印的关系，3D反求的基本流程、关键技术及应用领域进行了概述。第2章至第7章介绍了各种先进的点云数据采集理论与方法，包括近景工业摄影测量理论与方法、三维激光扫描测量理论与方法、光栅投影式面结构光测量理论与方法等。第8章介绍了各种点云数据处理理论与方法。第9章与第10章论述了点云数据建模理论与方法。第11章围绕人体三维快速反求、大型雕塑建模、零件修复等案例展开，介绍了3D反求技术在工业、医学等各个领域的应用前景。

本书由西安交通大学梁晋教授和西安电子科技大学史宝全副教授编著。此外，西安交通大学的博士研究生千勃兴参与了第4、5章的撰写，博士研究生冯超参与了第8、9章的撰写，硕士研究生梁瑜参与了第10章的撰写，研究生魏斌、龚春园、刘世凡、赵蒙、张铭凯、牌文延等参与了校稿。本书在梁晋教授团队多年从事光学三维非接触式测量技术研究与应用的基础上撰写而成，课题组多位博士和硕士研究生参与了相关工作，相关研究也得到国家自然科学基金（项目编号：51675404、51421004、51405363）的资助，在此表示衷心的感谢。此外，为了使本书内容尽量全面覆盖3D反求技术所涉及的各种理论与方法，在撰写过程中也借鉴了国内外同行在3D反求理论与技术方面的研究成果，在此一并致谢。后，感谢华中科技大学出版社对本书出版工作的鼎力支持。

由于作者水平有限，书中疏漏及不足在所难免，恳请广大读者批评指正，提出宝贵意见。

作者

2018.09