逆向工程在大型雕塑制作中的應(yīng)用*

王永信，崔學(xué)龍，梁 晉，賈濯非，歐陽(yáng)振宇

(西安交通大學(xué)，陜西西安 710049)

1 引言

逆向工程(Reverse Engineerging)是20世紀(jì)80年代末期發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)先進(jìn)制造技術(shù)。所謂逆向工程就是將已有產(chǎn)品模型或?qū)嵨锬Ｐ娃D(zhuǎn)化為工程設(shè)計(jì)模型和概念模型，在此基礎(chǔ)上，對(duì)已有產(chǎn)品進(jìn)行解剖、深化和再創(chuàng)造，是已有設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)［1］。如圖1所示，為逆向工程系統(tǒng)的流程，主要由三部分組成:物體表面數(shù)據(jù)獲取、CAD模型重建、產(chǎn)品制造成型。隨著逆向工程技術(shù)研究的不斷深入，它在生產(chǎn)實(shí)際中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，不但可以參與新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、完成已有零件的模具設(shè)計(jì)，還可用于磨損和損壞件的還原、產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)等，而且在快速原形制造中也有廣泛應(yīng)用。近年來(lái)隨著生物、材料技術(shù)的發(fā)展，逆向工程技術(shù)也開(kāi)始應(yīng)用在人工生物骨骼等醫(yī)學(xué)領(lǐng)域［2］。但是其最主要的應(yīng)用領(lǐng)域還是在飛機(jī)、汽車(chē)、玩具和家電等模具相關(guān)行業(yè)。

圖1 逆向工程的工作流程

眾所周知，目前，大部分雕塑的制作和創(chuàng)作依然沿用傳統(tǒng)的手工創(chuàng)作流程。在一些工藝流程的環(huán)節(jié)上效率十分低下，從設(shè)計(jì)創(chuàng)意、制作手段一直到最終效果都在很大程度上受到傳統(tǒng)工藝的制約，特別是大型戶外雕塑工程的設(shè)計(jì)、施工、放大更是如此。此外，一些現(xiàn)當(dāng)代的作品要求技術(shù)工藝和視覺(jué)上更加復(fù)雜創(chuàng)新，這就需要反復(fù)制作雕塑樣稿，不僅使雕像制作的勞動(dòng)強(qiáng)度增大，而且很難將原有的好想法保存下來(lái)，容易造成缺憾和失誤。

2 基于逆向工程的大型雕塑制作方案

為了改變這一傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，滿足大型雕塑創(chuàng)作中的某些特殊需求，本文將逆向技術(shù)理念引入到雕塑創(chuàng)作的過(guò)程中，利用三維虛擬設(shè)計(jì)、物理和虛擬空間匹配技術(shù)與傳統(tǒng)雕塑技術(shù)相結(jié)合。此處以某大型雕塑為例，詳細(xì)闡述利用逆向工程技術(shù)進(jìn)行大型雕塑制作的步驟和方法。如圖2所示，本文采用工業(yè)數(shù)字近景攝影測(cè)量技術(shù)［3］和XJTUOM三維光學(xué)密集點(diǎn)云測(cè)量系統(tǒng)［4］相結(jié)合的方法獲取樣件表面點(diǎn)云數(shù)據(jù);針對(duì)大型雕塑樣件點(diǎn)云數(shù)據(jù)量大、表面特征復(fù)雜的特點(diǎn)，采用專(zhuān)用逆向工程軟件Geomagic和計(jì)算機(jī)輔助軟件AutoCAD進(jìn)行三維點(diǎn)云處理及面片整理工作，最后運(yùn)用切片堆疊式機(jī)械加工和手工創(chuàng)作結(jié)合的手段快速、準(zhǔn)確的完成雕塑制作成型。

圖2 基于逆向工程的大型雕塑制作流程

3 雕塑樣稿的數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集作逆向反求技術(shù)中的第一環(huán)節(jié)，是后續(xù)數(shù)據(jù)處理、特征提取及模型重建的基礎(chǔ)［5］。目前采集的方式主要有三種:一是傳統(tǒng)的接觸式測(cè)量法;二是非接觸測(cè)量法;三是逐層掃描測(cè)量法;如圖3所示。其中接觸式測(cè)量法精度高，但測(cè)量速度慢、采集數(shù)據(jù)密度低，不適用于測(cè)量形體復(fù)雜且體積較大的雕塑樣品。針對(duì)大型雕塑不易搬動(dòng)、數(shù)據(jù)采集量大，且表面細(xì)節(jié)多、特征復(fù)雜的特點(diǎn)，本文采用近景攝影測(cè)量技術(shù)與外差式多頻相移三維光學(xué)面掃描技術(shù)相結(jié)合的方法，來(lái)快速、高效、準(zhǔn)確的完成雕塑樣稿的全尺寸數(shù)據(jù)采集。

圖3 逆向工程中數(shù)據(jù)采集方法

3.1 建立全局坐標(biāo)點(diǎn)

所謂全局點(diǎn)就是在被測(cè)物體表面黏貼的用來(lái)輔助定位的標(biāo)志點(diǎn)。得到這些點(diǎn)的空間三維坐標(biāo)是后續(xù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)。

針對(duì)大型雕塑幅面大、局部特征復(fù)雜的特點(diǎn)，此處采用西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院信息機(jī)電研究所研制的三維光學(xué)攝影測(cè)量系統(tǒng)——XJTUDP(如圖4所示)來(lái)完成全局點(diǎn)位置的測(cè)量，測(cè)量精度應(yīng)該可達(dá)到0.1mm/m。

圖4 XJTUDP測(cè)量系統(tǒng)

該系統(tǒng)是基于數(shù)字圖像處理技術(shù)和數(shù)字近景攝影測(cè)量技術(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)物體表面結(jié)構(gòu)特征點(diǎn)的精確三維重建的;即在物體的表面及其周?chē)胖脴?biāo)志點(diǎn)(包括編碼點(diǎn)和非編碼點(diǎn))和標(biāo)尺，通過(guò)數(shù)字相機(jī)從不同的角度和位置對(duì)物體進(jìn)行拍攝，獲得一定數(shù)量的照片;然后采用基于最小二乘擬合的亞像素提取技術(shù)進(jìn)行圖像處理，得到標(biāo)志點(diǎn)的編號(hào)和其中心的圖像坐標(biāo);再利用單向空間后方交會(huì)和三維重建相關(guān)算法實(shí)現(xiàn)圖像匹配和標(biāo)志點(diǎn)的三維重建;最后采用光束平差算法來(lái)優(yōu)化結(jié)果，以得到更高精度的物體特征點(diǎn)三維坐標(biāo)［6］。

全局點(diǎn)測(cè)量流程如圖5所示，具體測(cè)量過(guò)程如下。

圖5 全局點(diǎn)測(cè)量流程

(1)對(duì)被測(cè)物進(jìn)行表面處理。考慮到物體表面材質(zhì)、色彩及反光透光等都會(huì)對(duì)后期光學(xué)面掃描產(chǎn)生影響，因此，首先對(duì)泥塑雕像進(jìn)行表面噴涂處理:注意適當(dāng)距離均勻噴涂，盡量避免噴涂不均所帶來(lái)的厚度偏差。噴涂完畢后放在通風(fēng)地方進(jìn)行自然風(fēng)干。

(2)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)布局。根據(jù)測(cè)量需求，在雕塑樣稿表面粘貼一系列編碼和非編碼標(biāo)志點(diǎn)，并放置標(biāo)準(zhǔn)比例尺。受雕塑尺寸較大的影響，應(yīng)在泥塑周?chē)簿鶆虿贾镁幋a點(diǎn)，以用來(lái)完成局部測(cè)量圖片的全局匹配。

(3)利用系統(tǒng)所配高精度數(shù)碼相機(jī)從各個(gè)角度、不同高度拍攝上百?gòu)垬痈逭掌瑢⑺@圖片導(dǎo)入到XJTUDP系統(tǒng)中，以計(jì)算出標(biāo)志點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)。并利用XJTUDP系統(tǒng)中321坐標(biāo)變換模塊將所獲點(diǎn)集的三維坐標(biāo){Gi}統(tǒng)一調(diào)整到所需坐標(biāo)系下。此處以雕塑周?chē)牡孛孢吘壸鳛樽鳛閤y平面，以鼻尖到底面的垂線作為Z軸，軸和xy平面的交點(diǎn)作為整個(gè)雕塑的坐標(biāo)圓點(diǎn)。

(4)將測(cè)量結(jié)果導(dǎo)出并保存，以作為后期使用XJTUOM系統(tǒng)時(shí)的全局拼接基準(zhǔn)。

3.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

為了快速、準(zhǔn)確的完成雕塑樣稿表面數(shù)據(jù)采集，這里采用西安交通大學(xué)信息機(jī)電研究所研制的三維光學(xué)面掃描系統(tǒng)——XJTUOM，該系統(tǒng)的測(cè)量精度可達(dá)0.05mm。如圖6所示，XJTUOM系統(tǒng)依據(jù)外插式多頻相移技術(shù)原理，結(jié)合計(jì)算機(jī)立體視覺(jué)，通過(guò)光柵投影裝置投影數(shù)幅特定編碼的結(jié)構(gòu)光到待測(cè)物體表面，并由成一定夾角的兩個(gè)攝像機(jī)同步采集光柵條紋圖像，然后利用條紋莫爾特性的解相方法對(duì)圖像進(jìn)行解碼和相位計(jì)算，其中投影光柵上某一點(diǎn)的物體上的偏移距離b由下面公式求得:

圖6 XJTUOM三維光學(xué)面掃描系統(tǒng)

式中:Δφ為相位差，由相位調(diào)制函數(shù)求得;p為條紋周期。

由三角形測(cè)量法求出物體表面上該點(diǎn)的高度值z(mì):

式中:D為相機(jī)和投影儀間的距離;l為相機(jī)和投影儀所在直線與該點(diǎn)之間的距離。再經(jīng)立體匹配和三維重建計(jì)算出兩相機(jī)公共視區(qū)內(nèi)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)被測(cè)物體的三維信息數(shù)字化。

鑒于被測(cè)雕塑幅面較大，同時(shí)又兼有造型復(fù)雜的細(xì)節(jié)，本文采用分區(qū)域掃描的方法，最后根據(jù)本區(qū)域內(nèi)的全局坐標(biāo)點(diǎn)，將所獲點(diǎn)云自動(dòng)拼接到統(tǒng)一的坐標(biāo)系下。具體流程如下。

(1)區(qū)域劃分。此處按雕塑表面細(xì)節(jié)的復(fù)雜程度分為頭部、左手部、右手部、雕塑腰部以上、雕塑腰部以下5個(gè)部分。

(2)采用XJTUOM三維光學(xué)面掃描系統(tǒng)進(jìn)行區(qū)域掃描。按照所劃分區(qū)域，分別建立5個(gè)xjtuom工程;每個(gè)工程進(jìn)行掃描之前，要先導(dǎo)入xjtudp所獲的全局點(diǎn)，以作為多幅局部掃描數(shù)據(jù)的拼接基準(zhǔn)，后利用xjtuom系統(tǒng)一次掃描300mm×400mm區(qū)域的密集點(diǎn)云，自動(dòng)注冊(cè)到全局點(diǎn)所確定的坐標(biāo)系下;多次掃描完成雕塑外形輪廓的密集點(diǎn)云采集，如圖7所示。

圖7 點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

(3)將上述5部分點(diǎn)云數(shù)據(jù)合并到一起。因每部分?jǐn)?shù)據(jù)都注冊(cè)在全局點(diǎn)所確定坐標(biāo)系下，所以最終合并后的點(diǎn)云位于統(tǒng)一的坐標(biāo)系下。該坐標(biāo)系以雕塑底面作為xy平面，以鼻尖到底面的垂線作為Z軸。此外，針對(duì)局部缺失的細(xì)節(jié)，須再利用掃描設(shè)備進(jìn)行補(bǔ)充掃描。最后將合并后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)出并保存為*ply格式。

4 三維數(shù)據(jù)處理

首先利用逆向設(shè)計(jì)軟件Geomagic studio對(duì)掃描獲得的雕塑點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理［8］，包括點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理、三角化和剖面線截取3個(gè)階段。

(1)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理階段 將掃描所獲的最終點(diǎn)云以*ply格式導(dǎo)入Geomagic studio軟件中，由于在測(cè)量過(guò)程中不可避免的引入了噪聲，同時(shí)采集數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)出現(xiàn)掃描區(qū)域重合的現(xiàn)象，因而要對(duì)所獲點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪、融合處理。之后在不影響建模精度的前提下，對(duì)海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行抽稀以提高處理速度，如圖8所示。

圖8 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

(2)三角化階段 將最終處理完畢的點(diǎn)云進(jìn)行封裝后，即切換到了Geomagic studio的三角化階段。在此階段主要進(jìn)行缺失數(shù)據(jù)補(bǔ)充、移除相交三角面片、網(wǎng)格平滑和修改邊界特征等，最終得到理想的多邊形模型。如圖9所示。

圖9 點(diǎn)云封裝三角化處理

數(shù)據(jù)處理完畢，按照工程實(shí)際要求，要將虛擬造型進(jìn)行等比例放大成型。此處利用Geomagic studio的縮放功能將原始模型放大到最大高度5m。

(3)剖面線截取 利用Geomagic studio的截線功能創(chuàng)建雕塑模型的平行輪廓線。截線數(shù)目越多，雕塑的細(xì)節(jié)位置形態(tài)就越明顯，但是這會(huì)增加后期制作和數(shù)控加工的工作量，因此要根據(jù)具體情況計(jì)算出最佳的截面線數(shù)目?？紤]到雕塑的頭部及手部細(xì)節(jié)多而復(fù)雜的特點(diǎn)，在頭部和手部截面線剖切的密度大些，如圖10所示。以底面作為剖切0面，沿Z軸正方向以一定間隔(頭部和手部截線間隔要變小)依次剖切完畢后，輸出剖切截面曲線并保存為IGS格式。

圖10 數(shù)字模型剖切

將所有剖面線導(dǎo)入到AutoCAD2012中，利用軟件的圖層功能建立多個(gè)圖層并以剖切截面線的Z坐標(biāo)命名，后將每條剖面線移動(dòng)到相應(yīng)的坐標(biāo)圖層下，再于當(dāng)前圖層畫(huà)控制網(wǎng)格，如圖11所示。

圖11 采用AutoCAD進(jìn)行截面線處理

最后分圖層輸出數(shù)據(jù)。為避免后期出現(xiàn)裝配錯(cuò)誤，將每個(gè)剖切面的截線和控制網(wǎng)格同時(shí)輸出為可以用于工程加工的二維圖紙，每張二維圖紙按照它的Z坐標(biāo)進(jìn)行單獨(dú)命名。

5 雕塑制作成型

此處采用數(shù)控加工和手工創(chuàng)作結(jié)合的方法進(jìn)行雕塑制作。首先將圖層數(shù)據(jù)導(dǎo)入到數(shù)控機(jī)床，加工出所有截面片;之后開(kāi)始搭建結(jié)構(gòu)框架，考慮到大型雕塑的重量，須根據(jù)雕塑模型的結(jié)構(gòu)和內(nèi)部位置關(guān)系，逐層搭建鋼架、安裝截面片，以避免雕塑產(chǎn)生形變;再經(jīng)過(guò)上大泥、塑形、細(xì)節(jié)修改等雕塑大型就完成了［9］。后續(xù)要做的工作是翻模鑄造，最終得到鑄銅雕塑，如圖12所示。

圖12 雕塑加工成型

6 結(jié)論

傳統(tǒng)大型雕塑制作周期長(zhǎng)、費(fèi)用高，而且制作難度大，技術(shù)要求嚴(yán)格，加工工藝復(fù)雜;為此，本文將逆向工程技術(shù)應(yīng)用到了雕塑創(chuàng)作過(guò)程中，從基于非接觸式光學(xué)測(cè)量技術(shù)的精確數(shù)據(jù)采集，到三維造型設(shè)計(jì)軟件的快速數(shù)據(jù)處理，再到機(jī)械加工與傳統(tǒng)工藝結(jié)合的雕塑成型方式，這些都很好地協(xié)助雕塑家更精確、更便捷地完成了大型雕塑的快速制作。實(shí)踐證明，逆向技術(shù)理念的介入，不僅使雕塑模型的修改變得簡(jiǎn)單，大大降低了大型雕塑制作成本，縮短了雕塑制作周期，還可將雕塑的三維數(shù)據(jù)資料保存下來(lái)，為將來(lái)的分析和研究工作提供強(qiáng)有力的理論依據(jù)。

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