逆向工程燈罩曲面的測量與重構

摘要：在比較詳細介紹了曲面三維測量技術與設備的基礎上，通過光學三維掃描技術對燈罩實體曲面模型進行了快速掃描，從而獲得燈罩的點云數據；對于曲面重構方案、造型階段與處理軟件GeomagicStudio軟件作了較為詳細介紹，最終通過GeomagicStudio軟件的三大處理階段獲得燈罩曲面模型，為燈罩零件后續(xù)的三D模型的創(chuàng)建和改進提供了基礎。

關鍵詞：燈罩零件曲面測量 曲面重構 GeomagicStudio軟件

逆向工程（Reverse Engineering），又稱反求工程，與傳統(tǒng)的產品設計制造——從概念設計到圖樣設計，再制造出產品，稱之為正向工程（或順向工程）相反，它起源于精密測量，是將已有實物模型或產品模型轉化為工程設計的CAD模型，特別適合于復雜的三維曲面的測量與重構。可在此基礎上對已有實物或者產品進行分析、改造、再設計[1]，是在已有設計基礎上的再設計，是集測量技術、計算機軟硬件技術、現(xiàn)代產品設計與制造技術的綜合應用技術。

1 曲面的測量

逆向工程技術要從現(xiàn)有實體模型進行再模仿和改進設計，首先必須對于現(xiàn)有實體模型或者油泥模型進行測量，因此曲面數據的采集是逆向工程的最重要的步驟和工作內容。只有曲面的三維點云數據通過各種數據采集設備采集測量到后，才能根據點云數據進行曲面的重構和三D模型的再創(chuàng)建[2]。

1.1 曲面數據采集方法及其特點

曲面數據的采集方法大致可分為兩大類，一種是接觸式測量，另一種是非接觸式測量，這是按照被測量工件與測量設備儀器在具體測量過程中是否相接觸來進行的一種基本分類方法，此外根據測量原理等的不同，在基本分類基礎上還可細分出一些不同的曲面數據采集測量方法。

曲面測量時，測量數據的準確性、方便性、快捷性是衡量比較測量方法的優(yōu)劣的主要指標。如果需要高精度的數據采集，接觸式測量是最佳的選擇，不但接觸精度高抗干擾性好，操作也簡便，總體的測量成本不高；但是接觸式測量由于存在工件與測量設備之間的接觸產生的接觸壓力，使得對于某些質地柔軟的零件必然產生較大的測量誤差，且測頭半徑三維補償問題仍然存在。而在非接觸式測量中，因為測量設備與實測工件間，測頭與工件間是處于少接觸或者完全正確不接觸，僅僅通過中間介質如：激光，聲波，電磁場等來傳遞信息，幾乎不存在接觸力的問題，同時也沒有測頭半徑三維補償問題，因而特別適合于采集那些質地柔軟或彈塑性材料制成的零件的相關數據。

1.2 光為介質的非接觸式數據采集方法

光為介質的非接觸式數據采集方法通常具有數據采集速度快、精度高，排除了由測量摩擦力和接觸壓力造成的測量誤差，避免了接觸式測頭與被測表面由于曲率干涉產生的偽點；能得的密集的數據點云，最大限度地反映被測表面的真實形狀，因而光學原理的方法來采集數據的方法在當今逆向工程中獲得了大量的應用。

1.3 天遠三維光學掃描設備的構成及數據采集

天遠三維光學掃描儀是北京天遠三維科技有限公司與清華大學聯(lián)合開發(fā)的、具有自主知識產權的非接觸光學三維掃描儀，基于結構光法原理進行數據的采集。

1.3.1 系統(tǒng)關鍵操作

攝像機定標。攝像機定標是得到三維世界中物體點的三維坐標與其圖像上對應點的函數關系的過程。攝像機定標的精度是決定系統(tǒng)掃描精度的重要因素。

通過改變標定塊位置與角度或者是攝像機上下的位置與角度，將標定塊光點拍攝六次，點位置定標完成之后把定標塊翻到背面拍攝三次進行平面位置定標，從而建立起默認的空間座標系。

標志點設定與拼接。標志點拼接掃描是利用兩次拍攝之間的公共標志點信息來對實現(xiàn)兩次拍攝的數據的拼接。使用標志點前，要對待測物體進行分析，在需要、合適的位置上貼上標志點，通過多次的掃描及拼接得到需要的數據。標志點貼法有如下注意事項：

標志點只能貼在物體平面部分上，如果貼在不是平面部分，會產生較大的誤差。

每兩次掃描的公共標志點個數要不少于4個，如果公共標志點個數少于4個，那么系統(tǒng)會提示拼接錯誤。

1.3.2 燈罩零件點云數據的測量

燈罩工件是一個完全均勻的薄臂曲面工件，因而只需要實測出燈罩工件三維曲面的外部數據點云，在曲面重構軟件上重構外部曲面后，抽殼加厚就可以形成工件的三D實體模型，從而簡化了測量過程。以下是利用天遠三維測量系統(tǒng)完成并輸出的燈罩ASC點云文件格式-燈罩的點云數據圖。

2 曲面的重構

2.1 曲面重構方案的分類

按照最終生成曲面的類型來劃分，目前應用最為廣泛的曲面重構方案主要可分為二類，這二種方案重構曲面的質量、流程操作的方便性、適應的實體模型的范圍都有所不同。

四邊形B-Spline或NURBS曲面為基礎的曲面構造方案。這類曲面較為適合通常的工業(yè)制成品如：汽車、飛機、輪船等對曲面品質要求高的場合，數據的擬合對于點云數據要求較高，要求單向有序。曲面類型通常為Bezier、B-Spline、NURBS曲面，這三種曲面可以統(tǒng)一由NURBS曲面來表示，NURBS曲面可以通過控制點和權值方便靈活地控制修改曲面形狀，達到再設計的目標。

三角Bezier曲面為基礎的曲面構造方案。此種方法最適合表現(xiàn)無規(guī)則曲率變化大、曲面變化密集的復雜型面的物體，特別是表面復雜的工業(yè)品、藝術品、玩具等對象，它的理論基礎是三角Bezier曲面，特點是構造靈活，適應性好。

2.2 快速曲面重構造型方式

快速曲面造型方式順應了當前的CAD造型系統(tǒng)與快速原型多邊形表示的需要，簡單直觀，適于快速和實時顯示領域，已經成為目前曲面造型的一種主流。缺點是存在計算量大，對于計算機的硬件設置要求高，所產生的拓撲結構未考慮有實體的曲面拓撲關系，使得兩種拓撲結構不相一致。曲面對于點云的快速適配要使用高階的NURBS曲面，面片間難以實現(xiàn)曲率連續(xù)。

通過對點云數據的網格化處理，建立多邊形化表面，是實現(xiàn)快速曲面造型的方式。其具體有以下幾個步驟：首先從處理好的數據點云中封裝好三角網格，再對多邊形的三角網格曲面進行一系列編輯處理、分片，得到一系列有四條邊界的子網格曲面；后對四條邊界的子網格曲面逐一參數化；最后用NURBS曲面片來擬合每片子網格曲面，得到保持了一定連續(xù)性的曲面。

2.3 GeomagicStudio軟件與曲面重建的流程

由美國雨滴公司出品的GeomagicStudio逆向系統(tǒng)是當今最流行的逆向工程專用軟件之一，從掃描所得的點云數據創(chuàng)建出完美的多邊形網格并轉換為NURBS曲面可輕易實現(xiàn)。它能快速地整理點云數據并進行封裝從而產生多邊形網格，并能夠方便地處理這些網格達到要求來構建任何復雜模型的曲面。

用許多細小的空間三角片來逼近還原實體模型是GeomagicStudio軟件進行逆向設計的基本原理。在建模策略上，GeomagicStudio采用的是用NURBS曲面片擬合直接創(chuàng)建面模型的策略，其具體的曲面重建流程可劃分為點云處理-多邊形處理-曲面造型三個前后緊密聯(lián)系的階段來進行[3]。

2.4 GeomagicStudio燈罩曲面重構實例

對來自于天遠三維數據測量系統(tǒng)獲得的燈罩點云數據信息，進行點云數據的降噪、等距采樣等處理，將燈罩點云數據處理成整齊、有序，達到可提高處理效率的高質量的點云數據，最后封裝三角網格數據。

燈罩的多邊形處理階段必須對于已經封裝好的點云處理數據進行刪除特征、砂紙打磨松馳、填充孔等方法對于表面數據進行光順與優(yōu)化處理，以便獲得光順的、完整的三角片網格，提高后續(xù)的曲面重構質量。

在多邊形處理階段獲得燈罩光順完整的多邊形曲面后，在曲面重構造型階段，完成探測輪廓邊界線并編輯，根據曲率的變化情況探測曲率線并編輯，構造曲面片并編輯，定義面板達到均勻化曲面片，建構柵格并編輯，最終擬合出NURBS燈罩曲面。

參考文獻：

[1]袁根華.RE與RP技術在模具行業(yè)中的應用[J].模具制造，2011，2：85-90.

[2]黃誠駒等.逆向工程項目式實訓教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.

[3]成思源，謝韶旺.GeomagicStudio逆向工程技術及應用[M].北京：清華大學出版社，2010.

作者簡介：袁根華（1963-），男，江西宜春人，高級工程師，模具制造工技師、設計師，廣州工程技術職業(yè)學院從事模具專業(yè)的教學工作，研究方向：模具CAD/CAM/CAE，特種電加工應用技術。