利用Geomagic軟件重建玩具模型過(guò)程中的曲面擬合實(shí)例①②

摘 要：隨著逆向工程在產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，逆向過(guò)程中對(duì)曲面重建的方法研究越來(lái)越受到重視。該文重點(diǎn)研究了重建過(guò)程中的曲面擬合技術(shù)，利用Geomagicr軟件，對(duì)已進(jìn)行過(guò)數(shù)據(jù)預(yù)處理后的圣誕老人玩具模型手動(dòng)編輯曲面片，并應(yīng)用曲面擬合技術(shù)進(jìn)行實(shí)際操作。經(jīng)過(guò)誤差分析，生成的樣條曲面擬合精度高，適合于該模型的曲面擬合。

關(guān)鍵詞：逆向過(guò)程 曲面擬合 NURBS曲面

中圖分類號(hào)：TG5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-098X（2013）04（b）-0045-02

1 概述

逆向工程（Reverse Engineering，簡(jiǎn)稱RE）也稱為反向工程或反求工程，它是將實(shí)物轉(zhuǎn)換為CAD模型的相關(guān)數(shù)字化技術(shù)、幾何模型重建技術(shù)以及產(chǎn)品制造技術(shù)的總稱[1]，是縮短產(chǎn)品（尤其是形狀復(fù)雜或具有自由曲面的產(chǎn)品）開(kāi)發(fā)周期的一種有效途徑， 逆向工程的基本工作流程主要包括數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)預(yù)處理，數(shù)據(jù)分塊，曲面擬合CAD 模型建立快速成型，其中曲面擬合本文借助玩具模型重點(diǎn)研究復(fù)雜曲面的曲面擬合過(guò)程。

該文中圣誕老人玩具模型的曲面擬合較為復(fù)雜，其研究主要集中在二個(gè)方面：一是建立由眾多四邊形組成的的曲面片模型；另一個(gè)是擬合NURBS曲面[2]。逆向工程中多采用樣條曲面對(duì)幾何模型進(jìn)行重構(gòu)，把三角網(wǎng)格模型進(jìn)一步表達(dá)為樣條曲面的形式[3]。該模型屬于任意拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)曲面模型，擬合的基本思路是首先重建散亂測(cè)量數(shù)據(jù)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，然后在此基礎(chǔ)上對(duì)三角網(wǎng)格模型進(jìn)行自動(dòng)分片，一般是形成分片連續(xù)的四邊界區(qū)域。最后對(duì)分片區(qū)域采樣，并根據(jù)邊界光順性構(gòu)造邊界條件，生成擬合曲面。該方法的優(yōu)點(diǎn)是自動(dòng)化程度高，拓?fù)溥m應(yīng)性強(qiáng)，生成的樣條曲面擬合精度高，適合于該模型的曲面擬合。

2 曲面擬合與誤差分析

2.1 數(shù)據(jù)分塊

2.1.1 探測(cè)輪廓線

選擇菜單：“輪廓線—探測(cè)輪廓線”，設(shè)置曲率敏感性值為70.0，其他為默認(rèn)值。經(jīng)過(guò)區(qū)域計(jì)算，生成如圖1所示的紅色曲率線。從圖中可明顯觀察到，模型生成的輪廓鑲邊十分不規(guī)整，需要在模型上增加或者減少輪廓鑲邊使其規(guī)整，便于后續(xù)操作。經(jīng)過(guò)對(duì)曲率線的輪廓鑲邊進(jìn)行手動(dòng)的修整，已基本使其變得規(guī)整。如圖2所示。

2.1.2 抽取輪廓線

經(jīng)過(guò)對(duì)輪廓線的手動(dòng)修改后，進(jìn)行下一步的操作：抽取輪廓線。選中對(duì)話框中的“探測(cè)延伸輪廓線”多選框，設(shè)置“敏感性”為50.0，以便將所有的輪廓線都能變成黃色。選中“檢查路徑相交”單選框，以便自動(dòng)地檢查是否有曲線相交。單擊“抽取”按鈕，輪廓線被抽取出來(lái)。

2.1.3 細(xì)分/延伸輪廓線

執(zhí)行“輪廓線”—“細(xì)分/延伸輪廓線”命令，系統(tǒng)會(huì)彈出相應(yīng)的對(duì)話框。該命令用于對(duì)探測(cè)的輪廓線進(jìn)行細(xì)分操作和延伸操作。選擇細(xì)分操作時(shí)可以按長(zhǎng)度也可以按曲面片的數(shù)目進(jìn)行，將輪廓線劃分為更小的小段。

2.1.4 構(gòu)造曲面片

選擇菜單“曲面片”—“構(gòu)造曲面片”命令，系統(tǒng)會(huì)彈出相應(yīng)的對(duì)話框，此命令將曲面劃分為多個(gè)曲面片，系統(tǒng)自動(dòng)放置近似90度四邊曲面在這個(gè)多邊形曲面上。要注意檢查路徑相交，如果檢查到交叉路徑系統(tǒng)會(huì)提示“已檢查到相交路徑，請(qǐng)使用便捷輪廓線命令，避免出現(xiàn)曲面錯(cuò)誤”，這時(shí)候就要在便捷輪廓線時(shí)注意相交區(qū)域的調(diào)整。圖3為軟件自行構(gòu)造的曲面片。

通過(guò)觀察圖3我們可以看出，由軟件自行構(gòu)造出的曲面片并不規(guī)整，還需要進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整。經(jīng)過(guò)一番調(diào)整后，模型表面的曲面片變得規(guī)整許多。但是，在后續(xù)工作中，卻遇到了很大的問(wèn)題。主要原因在于：模型表面的曲面片是由軟件自行生成的，曲面片在該模型上的布局已基本確定。雖然已經(jīng)對(duì)其進(jìn)行了手動(dòng)調(diào)節(jié)，但是調(diào)節(jié)后的效果還是不能盡如人意。導(dǎo)致在進(jìn)行下一步操作構(gòu)造格柵時(shí)，被探測(cè)到有多處相交格柵。而且，經(jīng)過(guò)修改與多次試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，用上述辦法所構(gòu)造出的曲面效果仍然不夠理想。所以在后續(xù)工作中不再使用讓軟件自行構(gòu)造曲面片的方法。而是將構(gòu)造曲面片一步改為全手動(dòng)操作，既繪制曲面片。

2.2 手動(dòng)繪制曲面片

單擊菜單欄中“繪制曲面片”的按鈕，在彈出“繪制曲面片”對(duì)話框后開(kāi)始在模型表面“手繪“曲面片。其中圖4為繪制過(guò)程中的截圖。

2.3 曲面擬合

2.3.1 構(gòu)造格柵

在構(gòu)造NURBS曲面前需要對(duì)構(gòu)造好的曲面片進(jìn)行構(gòu)造格柵，可以檢查出相交的三角形或者多余網(wǎng)格，有問(wèn)題可以及時(shí)調(diào)整。本例中經(jīng)過(guò)檢查，模型表面并無(wú)相交的三角形或者多余網(wǎng)格。所以可直接進(jìn)入下一步擬合曲面的操作。

2.3.2 擬合NURBS曲面

選擇菜單欄“NURBS”—“擬合曲面”，在彈出的“擬合曲面”對(duì)話框中選擇“適應(yīng)性”單選框，選中“評(píng)估誤差” 在“高級(jí)選項(xiàng)中”選中“優(yōu)化光順性”復(fù)選框，其他選默認(rèn)值，單擊“應(yīng)用按鈕”經(jīng)過(guò)計(jì)算，如圖5至圖6所示的曲面被擬合出來(lái)。在對(duì)話框的下面會(huì)顯示出曲面擬合的統(tǒng)計(jì)誤差。最后單擊“確定”按鈕退出命令。

3 結(jié)果及誤差分析

進(jìn)行曲面擬合時(shí)，軟件自動(dòng)加入了一些擬合算法，使得所擬合的曲面光順性明顯優(yōu)于實(shí)際的掃描點(diǎn)云，有利于進(jìn)一步的加工。具體操作為執(zhí)行“NURBS”—“3D比較”實(shí)施生成曲面與點(diǎn)云數(shù)據(jù)的3D比較并顯示對(duì)比結(jié)果。以下兩圖為3D比較誤差分析圖與3D偏差圖。

一般情況下，細(xì)分面內(nèi)的網(wǎng)格線越密集，曲面數(shù)據(jù)的精確度就越高；但相應(yīng)地點(diǎn)云數(shù)據(jù)文件的容量也會(huì)比較大。通過(guò)上述研究可以發(fā)現(xiàn)該模型的最大偏差值小于0.2，滿足誤差需求。

參考文獻(xiàn)

[1]張舜德，朱東波，盧秉恒.反求工程中三維幾何形狀測(cè)量及數(shù)據(jù)預(yù)處理[J].機(jī)電工程技術(shù)，2001（1）：7-10.

[2]張麗艷.逆向工程中模型重建關(guān)鍵技術(shù)研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2001.

[3]劉勝蘭.逆向工程中自由曲面與規(guī)則曲面重建關(guān)鍵技術(shù)研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2004.