基于逆向工程技術(shù)的臉部曲面重構(gòu)技術(shù)與應(yīng)用

陳進(jìn)武，宋小輝，曹軼杰

（桂林航天工業(yè)學(xué)院機(jī)械工程系，廣西桂林 541004)

逆向工程是指應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)，由實(shí)物零件反求其設(shè)計(jì)的概念和3D數(shù)據(jù)模型，并復(fù)制出實(shí)物的整個(gè)過程。即采用測(cè)量?jī)x對(duì)實(shí)物進(jìn)行高效、準(zhǔn)確的測(cè)量，得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，通過逆向和正向工程軟件對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行曲面重構(gòu)并生成3D模型，經(jīng)過分析與修改，最終通過快速成形方法進(jìn)行加工的過程。其處理流程見圖1[1-2]。

圖1 逆向工程流程

逆向工程技術(shù)已廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)測(cè)量、性別形態(tài)差異比較、輪廓對(duì)稱分析、牙頜模型建立、義肢制造、畸形矯正的術(shù)前分析及設(shè)計(jì)等方面，并在臉部、耳廓、乳房整形等方面取得了成功[3-4]。本文以人體臉部曲面重構(gòu)和快速成形加工為例，介紹了逆向工程技術(shù)的應(yīng)用流程。

1 臉部三維數(shù)據(jù)測(cè)量

測(cè)量的準(zhǔn)確性直接影響曲面的精度，而人體測(cè)量比零件測(cè)量更具難度。特別是測(cè)量人體臉部時(shí)，很難保證靜止，且不能貼標(biāo)志點(diǎn)、噴顯像劑，給點(diǎn)云拼接造成困擾。因此，測(cè)量設(shè)備一定要具有高速度和高精度的特點(diǎn)。本文采用Holon-3DH-M手持激光掃描儀對(duì)臉部進(jìn)行測(cè)量，掃描速度可達(dá)80 000 point/s，精度為0.025mm，且為全自動(dòng)拼接。測(cè)量得到的點(diǎn)云見圖2，數(shù)據(jù)格式為*.ply。

圖2 原始點(diǎn)云

2 點(diǎn)云處理

在測(cè)量過程中，由于外界光線的干擾會(huì)產(chǎn)生跳點(diǎn)，臉部的抖動(dòng)和持測(cè)量?jī)x的手的抖動(dòng)都會(huì)導(dǎo)致一些點(diǎn)跟實(shí)際點(diǎn)存在一定的偏差，這被稱為體外孤點(diǎn)和噪聲點(diǎn)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致前后兩幅圖像的點(diǎn)云拼接不上，直接影響后續(xù)曲面的重構(gòu)。另外，臉部的眉毛、眼睛等黑色部位不能感光，下顎面難以掃描，所以這些部位都是孔洞 （圖2)。故需采用Geomagic studio 12軟件對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行處理，結(jié)果見圖3。

圖3 點(diǎn)云處理

點(diǎn)云處理流程為：著色點(diǎn)、填充孔、去除體外孤點(diǎn)和非連接項(xiàng)、去除噪聲點(diǎn)、采樣、封裝。點(diǎn)云處理完畢后封裝，生成網(wǎng)格化點(diǎn)云，并分析三角面片網(wǎng)格的質(zhì)量，一般要求大面（如臉頰、額頭等)合理減少網(wǎng)格數(shù)量，曲率變化較大的曲面（如眼睛、鼻子等)適當(dāng)增加網(wǎng)格密度，便可得到stl格式文件（圖4)。再使用Geomagic studio多邊形命令，對(duì)三角網(wǎng)格填充孔、刪除釘狀物、松弛光順、簡(jiǎn)化處理等，得到質(zhì)量更好的網(wǎng)格化點(diǎn)云（圖5)。

圖4 網(wǎng)格化點(diǎn)云

圖5 網(wǎng)格優(yōu)化

3 曲面重構(gòu)

UG因具有強(qiáng)大的曲面功能而成為正向和逆向設(shè)計(jì)的主流CAD/CAM軟件。本文采用UG NX 6軟件進(jìn)行曲面重構(gòu)。由于人臉曲面較多，且不具有對(duì)稱性，曲面構(gòu)造較繁瑣。本例沒有采用傳統(tǒng)的點(diǎn)-線-面曲面構(gòu)造方式，而是采用在stl模型上直接取線的方式，將臉部分為幾個(gè)主要區(qū)域，即面頰、額頭、鼻子、下巴、眼睛等，在曲面較光順的地方取出4條首尾相連的曲線，然后采用邊界曲面加點(diǎn)云的命令構(gòu)造曲面。圖6是面頰部分框架曲面。

圖6 面頰部分曲面重構(gòu)

大面構(gòu)造完畢后，其連接主要采用橋接曲面、藝術(shù)曲面及邊界曲面完成。曲面重構(gòu)的精度一般采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測(cè)量點(diǎn)到曲面的距離不超過0.2 mm，可通過UG軟件中的X成形命令來微調(diào)曲面的形狀，使其無限接近于原模型。構(gòu)造好的曲面見圖7，可看出，重構(gòu)完成的曲面非常接近于原始模型。

圖7 重構(gòu)曲面

完成曲面重構(gòu)后，由于部分曲面曲率較小，如鼻子和面頰的接觸處，因此不能直接將曲面加厚生成實(shí)體。采用將曲面偏置的方法，將面部曲面向內(nèi)偏置一定距離;采用直紋曲面連接兩曲面，從而形成封閉的曲面模型，最后將曲面縫合成實(shí)體模型。

4 快速成形加工

快速成形主要是通過分層疊加的原理，直接將設(shè)計(jì)人員的思想和構(gòu)思轉(zhuǎn)化成實(shí)體模型的先進(jìn)制造技術(shù)，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期得到廣泛的應(yīng)用。采用FDM快速成形機(jī)床加工模型，分層厚度為0.2 mm，加工完成后進(jìn)行打磨處理。

5 結(jié)語(yǔ)

以人體臉部頭像為研究對(duì)象，應(yīng)用Geomagic和UG軟件完成曲面和模型的重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)物的快速數(shù)據(jù)化，并通過快速成形加工，得到了實(shí)物的精確復(fù)制。通過逆向工程技術(shù)完成實(shí)物復(fù)制和創(chuàng)新的工藝流程，為醫(yī)學(xué)整形提供思路和參考。

[1] 袁小江.基于逆向工程的快速成型技術(shù)應(yīng)用 [J].CAD/CAM 與制造業(yè)信息化，2008（7)：16-18.

[2] 杜立彬，高曉輝，王昊，等.逆向工程各關(guān)鍵技術(shù)的研究進(jìn)展[J].機(jī)械制造，2004（6)：38-31.

[3] 段彥靜，孫文磊.逆向工程和快速成型技術(shù)及醫(yī)學(xué)應(yīng)用[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2006（10)：35-37.