逆向工程三角網(wǎng)格優(yōu)化研究

熊良平，江本赤

（安徽國防科技職業(yè)學院，六安 237011）

逆向工程三角網(wǎng)格優(yōu)化研究

熊良平，江本赤

（安徽國防科技職業(yè)學院，六安 237011）

逆向工程中為了更好的進行曲面重構(gòu)，提出了一種三角網(wǎng)格模型的優(yōu)化方法.運用逆向工程軟件Geomagic Studio能夠很好的將測得的海量點云數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)封裝，并針對封裝后的三角網(wǎng)格模型進行網(wǎng)格修復及優(yōu)化為后續(xù)的NURBS曲面重構(gòu)奠定基礎(chǔ).

逆向工程；網(wǎng)格優(yōu)化；點云數(shù)據(jù)

0 前 言

傳統(tǒng)產(chǎn)品的開發(fā)過程是根據(jù)市場的需要，提出具體的目標以及相應的技術(shù)指標，而后再對其進行工程設(shè)計.由相應所得的設(shè)計數(shù)據(jù)通過工程設(shè)計人員構(gòu)造出產(chǎn)品的幾何模型，然后再經(jīng)過機械產(chǎn)品加工等一系列活動產(chǎn)生產(chǎn)品的過程［1］.然而在大多數(shù)情況下，只有產(chǎn)品的樣件或者實物模型，而沒有相應的產(chǎn)品設(shè)計資料及圖紙.那么為了能夠適應先進制造技術(shù)的發(fā)展，需要將這些樣件或模型還原為原始的CAD模型.這種根據(jù)樣件與實物模型進行數(shù)據(jù)測量，建立相應的CAD模型，并將其作為改型再設(shè)計的方法，稱之為逆向工程（Reverse Engineering，RE）也叫反求工程［2－3］.

逆向工程是以一個實際存在的零件樣件或?qū)嵨锬Ｐ腿胧?，通過利用三維測量儀、三坐標測量儀等3D數(shù)字化測量設(shè)備對樣件及模型表面進行快速、高效的三維掃描，形成相應的點云數(shù)據(jù).并對其進行點云數(shù)據(jù)處理、網(wǎng)格優(yōu)化、重建曲面、構(gòu)造并改進CAD模型等，最后制造出產(chǎn)品的過程［4］.

1 三角網(wǎng)格優(yōu)化的必要性

逆向工程的一個關(guān)鍵問題就是如何將測得的點云數(shù)據(jù)進行曲面重建，這也是當今逆向工程中研究的一個熱點內(nèi)容.由于目前大多數(shù)的快速成型設(shè)備多以.DFX和.STL格式的文件來進行數(shù)據(jù)輸入輸出，而這兩種文件的格式又均以多邊形來進行表示，并且網(wǎng)格曲面本身就有利于計算機極性曲面的存儲、分析、計算以及繪制.所以，越來越多的研究者熱衷于采用網(wǎng)格曲面，其中又以三角網(wǎng)格作為海量點云數(shù)據(jù)重建曲面尤為突出.

三角網(wǎng)格模型實在得到零件樣件或模型表面測得的點云數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，重新進行拓撲重建.通過由海量小三角面片組成的分片線性三角網(wǎng)格曲面進一步擬合成實體逼近模型.其優(yōu)點在于構(gòu)造模型較為簡單，且邊界適應性好，可以很好的表述外形復雜的零件表面.通過改變測得模型中的三角片數(shù)量可以得到不同需求的曲面模型.雖然三角網(wǎng)格模型有諸多優(yōu)點，但是采用這種方法同樣會帶來一些弊端，首當其沖的就是容易產(chǎn)生大量的節(jié)點及三角片，使其數(shù)據(jù)計算量異常龐大.在建模過程中，表面呈現(xiàn)出大量的釘狀物，且修復起來較為困難.為了提高曲面重構(gòu)的質(zhì)量，對三角網(wǎng)格的簡化及優(yōu)化就顯得尤為重要［5］.比如，為了提高曲面重構(gòu)的光滑性，減少釘狀物的產(chǎn)生，應在點云數(shù)據(jù)處理過程中，將離散于主體部分的數(shù)據(jù)進行除噪，并對點云數(shù)據(jù)進行簡化，在不影響建模的條件下，盡量減少點云的數(shù)據(jù)量，使其封裝三角面片的過程中，能夠優(yōu)化三角面片的數(shù)量.其次，在點云數(shù)據(jù)封裝三角面片的過程中，不容避免的會產(chǎn)生一些劣質(zhì)三角面片，那么在后續(xù)的曲面重構(gòu)中，應盡量避免使用它們，否則會直接影響到產(chǎn)品的最終質(zhì)量.

最常見的網(wǎng)格優(yōu)化方法有拓撲優(yōu)化法.它可以在不改變模型的實體特征條件下，基于改變?nèi)蔷W(wǎng)格局部拓撲關(guān)系來達到優(yōu)化網(wǎng)格質(zhì)量的目的.而本文正是采用逆向工程軟件Geomagic Studio軟件對劣質(zhì)三角片進行去除，并對三角網(wǎng)格進行拓撲優(yōu)化.

2 網(wǎng)格優(yōu)化流程

逆向工程軟件Geomagic Studio具有強大的功能體系，他不僅能夠?qū)y得的海量數(shù)據(jù)點云數(shù)據(jù)自動封裝成多邊形，而且能夠在不影響原始特征的情況下，快速精簡多邊形數(shù)量，生成高質(zhì)量的三角網(wǎng)格模型，為后續(xù)的NURBS曲面重構(gòu)奠定基礎(chǔ).

主要工作流程如圖1所示.

圖1 網(wǎng)格優(yōu)化流程

（1）簡化點云數(shù)據(jù).三維掃描儀測得的點云數(shù)據(jù)往往非常龐大，一般都有幾十萬甚至上百萬的數(shù)據(jù)，對后續(xù)的數(shù)據(jù)封裝以及曲面重構(gòu)造成了較大的困難，所以要對海量的點云數(shù)據(jù)進行簡化.采用CLOUDFORM軟件首先對測得的多塊點云片進行處理，由于在采用三維掃描儀拍攝的過程中，一般都是360°多角度拍攝測量，使得產(chǎn)生的多塊點云片有數(shù)據(jù)重疊部分，且每塊點云片的邊界部分數(shù)據(jù)不夠準確，運用CLOUDFORM軟件可以很好的將邊界部分的點云進行除噪.之后生成ASC文件導入到Geomagic Studio軟件中，進一步進行數(shù)據(jù)簡化.通過Geomagic Studio軟件自帶的除噪工具，將點云數(shù)據(jù)的重疊部分進行簡化，并且將浮游點云進行除噪，最后將點云數(shù)據(jù)自定義限制在一個值內(nèi)，達到數(shù)據(jù)簡化的效果.

（2）生成網(wǎng)格.將簡化后所得的數(shù)據(jù)封裝成多邊形，生成三角網(wǎng)格.此時的三角網(wǎng)格存在大量的錯誤，如釘狀物、孔洞等，并且整個網(wǎng)格模型都顯得非常粗糙.利用網(wǎng)格醫(yī)生工具查找出生成網(wǎng)格的缺陷加以修復，并調(diào)整相應的強度光滑網(wǎng)格模型，最后將網(wǎng)格模型上的孔洞進行填充，值得注意的是，若孔洞較大且為曲面時，應先搭橋再填充，搭橋的數(shù)量及效果直接影響后續(xù)的曲面重構(gòu)質(zhì)量.

（3）抽取面片.利用軟件中的特征工具，抽取出表征外形輪廓（即高曲率區(qū)域）的三角面片，用外形輪廓線表征.此時自動生成的輪廓線可能不能很好的表述網(wǎng)格模型的外形特征，需要手動調(diào)節(jié)輪廓線，使特征更加明確.

（4）網(wǎng)格細分.抽取面片后，再接著對三角網(wǎng)格進行局部與整體的細分.

（5）網(wǎng)格優(yōu)化.對網(wǎng)格模型進行三角片數(shù)量簡化，使網(wǎng)格模型的三角片數(shù)量大大減少.此時能夠發(fā)現(xiàn)，曲率高區(qū)域三角片比較小且密集，曲率低區(qū)域三角片比較大且疏松.最后再次利用網(wǎng)格醫(yī)生工具查找出網(wǎng)格模型的錯誤并再次修復，最終達到網(wǎng)格優(yōu)化的目的，提高重建質(zhì)量.

3 工程實例

下面用一個工程實例進行解釋.

運用Geomagic Studio軟件打開點云數(shù)據(jù)文件，通過除噪處理，將重復的點云數(shù)據(jù)以及離散數(shù)據(jù)去除，減少數(shù)據(jù)量，而后進行多邊形封裝.此時形成的三角網(wǎng)格模型并不能直接進行網(wǎng)格優(yōu)化，這是由于封裝后的三角網(wǎng)格模型存在著許多問題，包括孔、網(wǎng)格錯誤、非流行邊和其他數(shù)據(jù)需要修復.運用Geomagic Studio自帶 的功能對其進行刪除釘狀物、減少噪音、填充孔洞，并用網(wǎng)格醫(yī)生對其進行修復后，調(diào)整到模型適合視窗如圖2所示.由于此時的三角網(wǎng)格模型的當前網(wǎng)格密度是相對均勻的，在Geomagic Studio中無法使網(wǎng)格邊可見，如圖3所示，這是由于行程的三角網(wǎng)格模型無法凸顯高曲率區(qū)域與低曲率區(qū)域的區(qū)別.

圖2 封裝后的模型

圖3 優(yōu)化前的網(wǎng)格

運用網(wǎng)格優(yōu)化中的增強網(wǎng)格功能，自動簡化低曲率區(qū)域并且細化高曲率區(qū)域，使網(wǎng)格邊可見，如圖4所示.若三角網(wǎng)格模型在之前的簡化過程中，已經(jīng)有了相對較好的網(wǎng)格密度，那么此時只需要針對高曲率區(qū)域進行細化，并且不增加三角網(wǎng)格的百分比，避免網(wǎng)格龐大.再接著運用刪除釘狀物功能，執(zhí)行釘狀物的查找與刪除.最終通過網(wǎng)格醫(yī)生進一步修復網(wǎng)格，形成如圖5所示，此時，三角網(wǎng)格模型不僅有可以看到有良好的輪廓，并且釘狀物也大大減少.

圖4 優(yōu)化后的網(wǎng)格

圖5 優(yōu)化后的模型

4 結(jié)束語

逆向工程中，三角網(wǎng)格的優(yōu)劣直接影響了后續(xù)曲面重構(gòu)的質(zhì)量.基于Geomagic Studio逆向工程軟件能夠快速有效的對海量點云數(shù)據(jù)進行多邊形封裝，并運用軟件自帶的網(wǎng)格優(yōu)化功能對三角網(wǎng)格模型進行修復，大大縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期，并提高了產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量.

［1］Farin G，Hoschek J，Kim M S.Handbook of Computer Aided Geomagic Design［M］.Vanderbilt University Press，Nashbille，2001.

［2］田曉東，史桂榮，阮雪榆.復雜曲面實物的逆向工程及其關(guān)鍵技術(shù)［J］.機械與制造工程，2005，9（4）：1－6.

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

［4］李 勇.基于Imageware的逆向工程技術(shù)［J］.機械工程自動化，2008（4）：13－17.

［5］章雅娟.逆向工程中三角網(wǎng)格模型優(yōu)化技術(shù)的研究與實現(xiàn)［D］.蘇州大學碩士論文，2009.

Triangle Meshes Optimization in Reverse Engineering

XIONG Liang－ping，JIANG Ben－chi
（Anhui Vocational College of Defense Technology，Lu′an 237011，China）

For the better surface reconstruction in reverse engineering，a new optimization method of triangle meshes is proposed.The reverse engineering sofeware geomagic studio can help the point cloud to data encapsulation better.Then mesh repair and optimization of the triangle meshes modle enclosured can lay the foudations for the NURBS surface reconstruction.

reverse engineering；mesh optimization；point cloud

TH164

A

1671－119X（2014）02－0034－03

2014－01－12

安徽省示范實訓中心——數(shù)字化創(chuàng)造與檢測實訓中心建設(shè)項目（2011169）

熊良平（1984－），男，碩士，講師，研究方向：逆向工程.