基于逆向工程的玩偶三維曲面模型重構(gòu)技術(shù)

摘 要： 本文研究了應(yīng)用UG軟件對“點云”數(shù)據(jù)進(jìn)行曲面重構(gòu)的過程：掃描線的生成、掃描線的排序、曲面裁剪和曲面的拼接直至曲面的構(gòu)成，提出了一種先平面裁剪后拼接融合的多個小平面拼接方法，可使多個曲面光滑地連接成為一體。

關(guān)鍵詞： 點云 逆向工程 三維曲面 模型重構(gòu)

一、引言

CAD/CAM技術(shù)的日益成熟，并與現(xiàn)代加工設(shè)備的有機(jī)結(jié)合，只要有了三維CAD模型，就可實現(xiàn)對產(chǎn)品進(jìn)的新設(shè)計和各種工程分析，結(jié)合產(chǎn)品開發(fā)的要求進(jìn)而創(chuàng)造出新產(chǎn)品。

二、基于UG軟件的玩偶曲面重構(gòu)

在玩偶的曲面逆向工程中，玩偶曲面重構(gòu)是設(shè)計玩偶CAD模型構(gòu)建的關(guān)鍵。這里重點以玩偶的點云數(shù)據(jù)為對象，對玩偶曲面的特征曲線進(jìn)行重構(gòu)，如圖1所示。在對玩偶曲面的構(gòu)建之前，首先對玩偶曲面構(gòu)建進(jìn)行規(guī)劃，通過分析玩偶曲面的結(jié)構(gòu)特征，可以將玩偶點云數(shù)據(jù)曲面的構(gòu)建分為5部分：耳朵、臉、眼睛、嘴巴、鼻子，對這五個部分分別進(jìn)行曲面構(gòu)建后再進(jìn)行拼合，如圖2所示。在玩偶曲面的重構(gòu)過程中，為了便于元素的選擇，采取了將耳朵、臉、眼睛、嘴巴、鼻子分別建立在不同的層上，各自的特征線也歸屬于自己的層，這樣便于玩偶各部分曲面重構(gòu)方便操作。

（一）玩偶逆向建模曲線構(gòu)建

特征線是CAD模型重構(gòu)的重要信息，特征線構(gòu)建質(zhì)量直接影響逆向建模的質(zhì)量。本節(jié)以玩偶的點云數(shù)據(jù)為例，說明應(yīng)用UG軟件構(gòu)建曲線的過程。對于以自由曲面為主要構(gòu)成要素的產(chǎn)品，型面分析師建模規(guī)劃的主要內(nèi)容，即如何將一個復(fù)雜曲面產(chǎn)品分解成單張自由曲面。以玩偶點云數(shù)據(jù)為例，該CAD模型可以分解為耳朵、臉、眼睛、嘴巴、鼻子，這些部分又可以再次細(xì)分為四邊形構(gòu)成的曲面。

將玩偶點云數(shù)據(jù)作截面點，形成一條水平截面線。截面點云數(shù)據(jù)以X=0坐標(biāo)平面呈對稱。故在輪廓線的構(gòu)建過程中，只要構(gòu)建一般的曲線輪廓，然后使用鏡像操作就可生成全部的曲線輪廓。

對玩偶耳邊邊界曲面由截面點云數(shù)據(jù)插值生成，以此選擇點云數(shù)據(jù)生成一條B樣條曲線，由于耳朵邊沿曲線變化平緩，在取點時盡量使插值點分布均勻，分析重構(gòu)曲線的曲率分布情況。

對耳邊曲線進(jìn)行光順處理，比較生成曲線與點云數(shù)據(jù)的偏差，并對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行插值生成圓弧曲線后，對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行B樣條曲線生成。

對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行插值生成圓弧曲線并進(jìn)行鏡像操作，橋接對稱曲線在對稱曲面附近的部分。由于橋接的曲線兩兩并不相接，為使曲線首尾相連，首先要對曲線進(jìn)行延伸使其相互相交，即延伸所有的曲線，對相交曲線進(jìn)行修剪。

玩偶眼部輪廓曲線由眼部點云數(shù)據(jù)插值生成一條B樣條曲線。同樣對曲線的曲率分析，進(jìn)行曲線光順處理后，曲線與點云的偏差會增大，因而在后續(xù)的操作中需要對曲線繼續(xù)編輯處理，通過調(diào)整B樣條曲線的控制點，使重構(gòu)B樣條曲線與點云數(shù)據(jù)盡可能接近。然后對眼部曲線進(jìn)行編輯、鏡像、橋接處理。按照上述同樣的構(gòu)建思路對玩偶點云數(shù)據(jù)中嘴巴部分的曲線、鼻子部分的曲線、舌頭部分的曲線進(jìn)行重構(gòu)。

對玩偶點云數(shù)據(jù)眼睛部分的點云進(jìn)行提取，并分割點云數(shù)據(jù)，保持原有的點云數(shù)據(jù)。

（二）玩偶逆向建模曲面重構(gòu)

玩偶的自由曲面比較復(fù)雜，用一張曲面來擬合所有的數(shù)據(jù)點是不可能的。前面提到了可以分為5部分：耳朵、臉、眼睛、嘴巴、鼻子，本節(jié)結(jié)合UG軟件的曲面造型分析玩偶逆向曲面重構(gòu)的過程。

1.耳朵的曲面重構(gòu)

耳朵部分的曲面構(gòu)建可以通過頂部的點云擬合出一個曲面，耳朵側(cè)面由其輪廓線拉伸形成，然后通過倒圓角命令生成圓弧過渡，從而完成耳朵部分的曲面構(gòu)建，最后將點云顯示出來。

2.臉部的曲面重構(gòu)

臉部的曲面重構(gòu)與耳朵部分的曲面構(gòu)建相似，首先通過臉部的特征線將臉部的點云數(shù)據(jù)提取出來，然后基于點云數(shù)據(jù)進(jìn)行曲面擬合，側(cè)面曲面也是通過拉伸的方式建立起來的，然后通過倒圓角命令生成圓弧過渡，完成臉部分的曲面構(gòu)建。

3.臉部與耳朵部分的曲面修剪

臉部與耳朵部分的曲面存在部分相交，對相交的部分進(jìn)行修剪，首先求出臉部曲面與耳朵部分曲面之間的交線，然后，通過修剪命令修剪臉部曲面和耳朵部分的曲面。

4.眼睛部分的曲面重構(gòu)

眼睛部分的曲面重構(gòu)與臉部的曲面構(gòu)建相似，首先通過眼睛部分的特征線將眼部的點云數(shù)據(jù)取出來，然后基于點云數(shù)據(jù)進(jìn)行曲面擬合。將擬合曲面擴(kuò)展后，將特征線投影到重構(gòu)面上，然后進(jìn)行裁剪完成面的重構(gòu)。

5.眼珠部分的曲面重構(gòu)

首先通過交互方法將眼珠的點云數(shù)據(jù)提取出來，然后，生成底部橢圓面，由上面的橢圓輪廓創(chuàng)建5條特征線，由包圍的4條線提取點云，再由線與點云重構(gòu)曲面，以此完成眼珠部分的曲面重構(gòu)。

6.鼻子的曲面重構(gòu)

首先通過交互的方法將鼻子部分的點云數(shù)據(jù)提取出來，然后，去掉鼻尖部分的點云，對處理過的點云進(jìn)行曲面擬合，鼻尖部分的曲面重構(gòu)方法與此相似，最后通過倒圓角命令生成完成的曲面。

7.嘴巴部分曲面的構(gòu)建

首先在原始點云上構(gòu)建嘴巴部分的特征線，通過延伸、拼接形成四邊形，然后由4條邊提取點云數(shù)據(jù)，再由4條邊及點云數(shù)據(jù)構(gòu)造曲面。嘴巴部分是對稱結(jié)構(gòu)，中間部分通過Blend命令生成曲面，舌頭部分的曲面構(gòu)建方法與鼻尖曲面構(gòu)建方法相同。

至此所有的基本曲面重構(gòu)已經(jīng)完成，嘴巴、鼻子和眼睛部分交界的曲面使用了求出交線的方法，最后進(jìn)行各個曲面修剪。

三、結(jié)語

本文就逆向建模技術(shù)中所涉及的曲面重構(gòu)及造型進(jìn)行敘述。曲面是逆向建模技術(shù)中關(guān)鍵的幾何要素之一，本文重點介紹曲面重構(gòu)及其相關(guān)的邊界操作，并結(jié)合UG軟件給出了玩偶進(jìn)行曲面的逆向建模及造型。

參考文獻(xiàn)：

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