逆向工程技術在文物保護中的應用方法研究

呂 俊

(湖北民族學院機械電子工程系，湖北恩施445000)

少數(shù)民族物質文化遺產(chǎn)中主要包括以下幾個方面:古遺址、古建筑及歷史紀念建筑物、摩崖石刻及巖壁畫、遺物等.隨著人們對文化遺產(chǎn)保護意識的日益增強以及科學技術的發(fā)展，文物的保護得到日益重視，各種技術也用到其保護方法中，其中通過逆向工程技術建立文物數(shù)字模型實現(xiàn)其保護是較為可行的辦法，能夠真實、準確地得到文物的三維數(shù)據(jù)，便于永久保存、文物修復及二次開發(fā)利用.但是如果完全依賴于該技術，則對初等解析曲面利用逆向工程技術造成不必要的工作量，因此在利用逆向工程技術的同時，如何合理利用正向技術與逆向技術對提高文物數(shù)字化保護效率有現(xiàn)實的研究意義.

1 逆向工程

1.1 基本概念

逆向工程RE(reverse engineering)也稱反求工程、反向工程，是指從實物樣本獲取產(chǎn)品數(shù)學模型并制造得到新產(chǎn)品的相關技術.逆向工程與正向工程設計過程主要區(qū)別如圖1所示［1］.

1.2 主要技術

逆向工程可分為數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理、曲面重構等關鍵技術.

1)數(shù)據(jù)獲取 數(shù)據(jù)獲取是逆向工程CAD建模的首要環(huán)節(jié).根據(jù)測量方式不同，數(shù)據(jù)采集方法分為接觸式和非接觸式測量兩大類，具體分類如圖2所示，其中具有代表性的數(shù)據(jù)采集設備有三坐標測量機、光學掃描儀和斷層掃描儀等［2］.

數(shù)據(jù)獲取質量的好壞直接影響對實物描述的精確度和完整度，從而影響重構的CAD曲面和實體模型的質量，因此，需根據(jù)不同的要求采用不同的三維數(shù)據(jù)掃描儀器.

2)數(shù)據(jù)處理 數(shù)據(jù)處理的關鍵技術包括多視圖拼合、噪聲去除、數(shù)據(jù)簡化、數(shù)據(jù)補缺和網(wǎng)格化等.

首先，需要把從各個視角得到的多方位數(shù)據(jù)點集合并到一個公共的坐標系下，以得到整合的模型數(shù)據(jù);其次，還需去除由于環(huán)境變化和其他因素采集到的噪聲;再次，是當測量數(shù)據(jù)的密度很高時，如光學掃描設備，需要對大量的冗余數(shù)據(jù)進行簡化;同時還需對由于實物本身的集合拓撲原因或者其他阻擋而無法采集到的數(shù)據(jù)進行補缺.

3)曲面重構 實物形面經(jīng)掃描及數(shù)據(jù)處理后一般都會由多張曲面混合而成.因此，要先根據(jù)幾何特征對點云數(shù)據(jù)進行分割.然后分別對各個曲面片進行擬合，再通過曲面的過渡、相交、裁剪、倒圓等手段，將多個曲面縫合成一個整體，即重建的CAD模型.

圖1 正向工程和逆向工程過程對比Fig.1 The Contrast of Forward Engineering and Reverse Engineering

圖2 數(shù)據(jù)獲取方法分類Fig.2 The Classification of Data Collection Methods

2 逆向工程CAD建模系統(tǒng)

逆向工程CAD模型重構是RE過程中最關鍵、最復雜的一環(huán)，為后續(xù)的工程分析、創(chuàng)新設計、加工制造提供數(shù)學模型支持.隨著逆向工程及其相關技術理論研究的深入，提供逆向建模功能的軟件呈現(xiàn)兩大趨勢:一是專用的逆向軟件，如Imageware，Goemagic Studio，CopyCAD，ICEM Suff等;二是基于正向CAD/CAM軟件的逆向處理模塊，如Pro/Engineering的SCAN－TOOLS模塊、UG的Point cloudy模塊等.由于正向軟件有著曲面擬合重建快，逆向軟件對點云讀取、處理效率高等各自優(yōu)點，在實際建模過程中，往往采用“正向+逆向”的建模模式，即在正向CAD軟件如SolidWorks的基礎上，配備專用的逆向造型軟件如Goemagic Studio.因此，可以在逆向軟件中構建出模型的特征線后，導入正向CAD系統(tǒng)完成曲面的重建，從而實現(xiàn)實物的三維建模.

3 逆向工程的應用

在文物保護中，采用逆向工程技術對文物進行三維掃描，經(jīng)數(shù)據(jù)處理、曲面重構得到的文物三維數(shù)字化數(shù)據(jù)，不僅使文物得到再現(xiàn)，還可以永久保存，便于對文物進行保護、修復及二次開發(fā)，降低了保護成本，也有利于提高利用價值.

由于Geomagic Studio軟件與SolidWorks軟件之間有較好的兼容性，在本例面具建模將兩者結合使用.如圖3a為儺戲中的面具數(shù)據(jù)獲取過程［3］，用Goemagic Studio將三維掃描儀得到的點云數(shù)據(jù)如圖3b經(jīng)噪聲去除、簡化、數(shù)據(jù)補缺等處理后生成面片如圖3c，再經(jīng)轉換為NURBS曲面，如圖3d，將曲面以*.igs和*.stl格式輸出，然后用SolidWorks將*.igs曲面讀入，即可得到儺戲面具重構模型.

圖3 面具數(shù)據(jù)獲取過程Fig.3 The process of the mask of data collection methods

在SolidWork導入NURBS曲面，應用SolidWork模具設計插件Imild進行模具設計，經(jīng)導入曲面、建立基準面、繪制草圖、曲面放樣、曲面填充等過程便可生成模具，如圖4.最后，運用相關軟件在生成的*.stl文件基礎上進行切片處理，得到二維層面信息，利用快速成型技術加工出如圖5所示的三維快速成型模型面具［4］.

圖4 面具凹模與凸模Fig.4 The concave molds and the convex molds of the mask

圖5 快速成型機面具Fig.5 The Mask molding by 3D fast machine

4 “正向+逆向”的綜合建模分析

對于復雜不規(guī)則曲面建模，如前面所述的儺戲面具以及如圖6所示的龍門石窟［5］，采用逆向工程技術建模較為實用，可以提高此類復雜曲面實物的建模效率.

然而，對于規(guī)則幾何形面與復雜曲面并存的文物，如土家族吊腳，圖7所示，則不能全部依賴于逆向工程技術，其宏觀建筑結構如青瓦、梁柱等這類具有簡單初等解析曲面(平面、圓柱面、圓錐面等)的簡單構件，則宜采用正向CAD軟件建模.沒必要用自由曲面去擬合一張顯然是平面或圓柱面的曲面［6］.但窗花雕等工藝如圖8，為復雜曲面則適合采用逆向工程技術，因此對于此類物質文化遺產(chǎn)要借助于正向的CAD軟件建模與逆向工程技術聯(lián)合使用.同時，“正向+逆向”綜合建模過程中，需要對復雜曲面構件在文物中進行標靶，以確定復雜曲面構件在文物中的精確位置，如窗花雕在吊腳樓中的坐標位置.另外在后期制作中對初等解析曲面采取貼圖方式，復雜曲面則要采取紋理映射方式實現(xiàn)文物建模外觀效果圖.

圖6 龍門石窟Fig.6 Longman grottoes

圖7 吊腳樓Fig.7 Diaojiao building

圖8 窗花雕Fig.8 Window carving

5 結語

本文論述了逆向工程從數(shù)據(jù)采集、建模到產(chǎn)品制作的基本過程，討論了“正向+逆向”建模的兩種情況:一是利用正向建模軟件輔助逆向建模軟件實現(xiàn)文物的曲面重構，從而得到文物數(shù)字化模型;二是利用正向軟件建立初等解析曲面，逆向建模技術建立復雜曲面的綜合建模方法.

［1］ 王海南，邱望標.基于逆向工程的少數(shù)民族文化遺產(chǎn)保護方法研究［J］.機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2011，24(2):175－177.

［2］ 成思源，謝韶旺.Geomagic Studio逆向工程技術及應用［M］.北京:清華大學出版社，2010:2－3.

［3］ 王海南.逆向工程技術在貴州少數(shù)民族文化遺產(chǎn)保護中的應用研究［D］.貴陽:貴州大學，2008.

［4］ 張秀華，楊秀成，等.基于逆向工程的貴州儺戲面具的保護研究［J］.貴州工業(yè)大學學報，2008，37(5):99－101.

［5］ 趙煦，周克勤，閆利，等.基于激光點云的大型文物景觀三維重建方法［J］.武漢大學學報，2008，33(7):684－687.

［6］ 張榮強.逆向工程技術在古典家具保護方面的應用與研究［J］.機械設計，2013，30(1):101－103.