基于Imageware的逆向工程在汽車模型上的應(yīng)用研究

王娟

摘 要：逆向工程理論是先進的快速建模理論，它是利用掃描設(shè)備從現(xiàn)有的模型或產(chǎn)品中獲得數(shù)據(jù)信息，以計算機為載體運用曲面重構(gòu)理論進行模型的修復(fù)和重建，最終獲得產(chǎn)品的CAD模型。逆向工程理論適用于設(shè)計結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)品，以實現(xiàn)模型的快速設(shè)計和仿形。本文通過研究汽車模型的逆向，總結(jié)了整個汽車模型外形的逆向方法，利用三維激光掃描儀采集汽車模型的外表面數(shù)據(jù)，基于曲面重構(gòu)理論并利用逆向軟件Imageware重構(gòu)汽車外形的CAD模型。

關(guān)鍵詞：Imageware;逆向工程;汽車模型;曲面重構(gòu)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.02.133

1 引言

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，汽車車身外形形態(tài)各異，曲面越來越復(fù)雜，流線越來越優(yōu)美，傳統(tǒng)的汽車車身設(shè)計是從油泥模型到實物成型，這種設(shè)計方法有著很大的局限性，用一般的CAD設(shè)計方法難以在計算機中構(gòu)造出復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)。然而科學(xué)技術(shù)的巨大進步帶來的各種設(shè)計方法也在不斷的發(fā)展創(chuàng)新，特別是在計算機輔助設(shè)計飛速發(fā)展的今天，逆向工程技術(shù)已經(jīng)非常發(fā)達和成熟。逆向工程是一種先進的設(shè)計理論，在對復(fù)雜車身幾何外形的研發(fā)方面有著重要的意義。

2 逆向工程

所謂逆向工程（Reverse Engineering，RE），是把已有的產(chǎn)品模型（實物模型）或者影像資料等信息作為研究對象，運用現(xiàn)代先進設(shè)計理論、計算機技術(shù)和各個科學(xué)領(lǐng)域的相關(guān)知識以及一系列分析方法等，通過對產(chǎn)品生產(chǎn)過程的解剖和制造特點的分析深化，對關(guān)鍵技術(shù)的掌握以及對設(shè)計理念的探究，再設(shè)計開發(fā)出更為優(yōu)化的同類產(chǎn)品的過程，也稱為反求工程。圖1完整的給出了從實物模型到新產(chǎn)品利用反求工程開發(fā)的過程，清楚地給出了反求工程的設(shè)計過程。

3 汽車模型的逆向工程過程

（1）采用三維激光掃描儀對汽車模型進行掃描，經(jīng)過若干次的掃描得到汽車模型各個面的坐標(biāo)數(shù)據(jù)的“點云”，如圖2。

（2） 掃描后得到的“點云”必定包含一定的噪聲點，要通過一些手段對“點云”數(shù)據(jù)進行精簡、光順、排序等，以提高后續(xù)建模的效率和精確度。

（3）運用自由曲面重構(gòu)理論，按照一定的曲面擬合方法，進行汽車模型的曲面重構(gòu)。

（4）利用專業(yè)的檢測軟件對CAD模型進行檢驗，看其是否滿足精度或其他性能指標(biāo)要求，對不符合要求的進行調(diào)整修改，達到汽車模型外形的設(shè)計要求。

4 Imageware在逆向工程中的應(yīng)用

Imageware由美國 EDS公司出品，不僅具有強大的“點云”處理、曲面編輯和 A級曲面的構(gòu)建能力，同時對測量數(shù)據(jù)的處理、曲面造型和誤差檢測也有著非常強大的功能[1]，廣泛應(yīng)用于汽車、航空、航天、甚至消費家電、模具、計算機零部件等設(shè)計與制造領(lǐng)域。它可以和UG軟件進行無縫對接，其所構(gòu)造的A級曲面（ CLASSA ）具有良好的品質(zhì)和曲面連續(xù)性，Imageware的模型檢測功能可以方便、 直觀地顯示所構(gòu)造的曲面模型與實際測量數(shù)據(jù)誤差以及平面度、圓度等誤差[2]。Imageware采用的是先進的NURBS技術(shù)，功能強大且應(yīng)用方便，憑借完善的處理能力可提供多種反設(shè)計的思路，最核心的地方也是用戶比較滿意的地方是三維檢測、高級曲面造型能力、多邊形造型以及反求工程。

Imageware包含基礎(chǔ)模塊、點處理模塊、曲線曲面模塊、多邊造型模塊、檢驗?zāi)K、評估模塊這六大模塊。

它的處理過程遵循點—曲線—曲面原則，流程如圖3。

4.1 “點云”數(shù)據(jù)處理

Imageware的點處理模塊可以很好的處理大數(shù)據(jù)量的“點云”，它的優(yōu)化方法非常獨特，完全可以自由的清理、稀疏、檢查“點云”的工作，它的數(shù)據(jù)處理包含幾個方面：對多次采集到的“點云”數(shù)據(jù)進行拼接與對齊，得到完整的數(shù)據(jù)“點云”后，先剔除當(dāng)中明顯的噪點，利用合理的方式對采集到的大量“點云”數(shù)據(jù)進行精簡，再利用合適的方法進行重構(gòu)曲面。Imageware的逆向過程很嚴(yán)格的遵循點-線-面的過程，這個過程恰恰是模擬了正向的設(shè)計過程。通過“點云”數(shù)據(jù)對原設(shè)計者設(shè)計樣件的揣摩，達到產(chǎn)品開發(fā)再設(shè)計的逆向過程，再此基礎(chǔ)上對其創(chuàng)新。處理后的點云如圖4。

4.2 模型重構(gòu)

（1）對“點云”數(shù)據(jù)處理之后，就基本完成了對“點云”數(shù)據(jù)處理的階段，由于車身外形曲面構(gòu)造比較復(fù)雜，不可能一次性構(gòu)造完所有的曲面，所以處理完成之后需要對“點云”曲率進行評估，評估的目的是對“點云”進行分塊處理，以方便后期進行分塊建模，如圖5。

（2）根據(jù)曲率，用曲線將汽車模型“點云”數(shù)據(jù)分成四部分，如圖6，Imageware提供了一套非常完整的曲線創(chuàng)建功能，用于開發(fā)基于高質(zhì)量曲面和A級曲面。

（3）分塊完成之后對各個面進行曲面重構(gòu)，先對車頂面進行曲面重構(gòu)，考慮到車頂面的“點云”分布和即將構(gòu)成的曲面形狀，采用依據(jù)“點云”和曲線擬合的方式構(gòu)建曲面如圖7。

（4）對于整個車身曲面重構(gòu)，進行拼接，拼接后，填充孔，光順之后的效果如圖8。

（5）完成之后進行鏡像處理，由于存在縫隙，需要把兩個半車身進行拼合，在Imageware里這種拼合可以用橋接的方式，橋接對于處理面與面之間的連接效果是非常完美的。

4.3 重構(gòu)模型的檢測

Imageware中對曲面的光順度有兩種檢測方法，反射線檢測法和高光直線檢測法，這兩者的區(qū)別是反射線把模擬燈光照射在相應(yīng)的曲面上，把反射出來的等高流線作為曲面光順度的評價指標(biāo)，而高光直線檢測是能夠把參考平面上的直線投影照射在相應(yīng)的曲面上，根據(jù)投影線的情況來判斷曲面的光順性，高光直線檢測是采用等高線和等高環(huán)的方式來表示的，兩者結(jié)果都是等高流向越平順而且之間的距離越均勻，說明曲面品質(zhì)越好，色彩分布圖顏色過渡的越自然說明曲面的品質(zhì)越好。

對于小汽車模型采用的是高光直線分析法，分析結(jié)果如圖10。

所選擇的燈光數(shù)量為20，間隔距離為10，從上圖分析結(jié)果可以看出，汽車頂面的等高流線比較平順且等高線之間的距離非常均勻，說明光順度很好，不用再做任何光順度的處理?？梢酝ㄟ^鼠標(biāo)拖動控制點從而調(diào)節(jié)參考平面，達到最大程度的動態(tài)檢查小汽車的各個曲面。

5 小結(jié)

本文將汽車模型的設(shè)計與逆向工程相結(jié)合是先進的一種汽車外形的設(shè)計理念，解決了傳統(tǒng)汽車正向設(shè)計的一些不足。本文提供了用Imageware軟件進行模型的重構(gòu)、光順度的檢測和評價的一些方法，為其他復(fù)雜的曲面反求和檢驗研究提供了一些參考。

參考文獻：

[1]單言，謝斌飛.Imageware逆向造型技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006.

[2]孫文學(xué)，鄺蕓.Imageware在逆向工程設(shè)計中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代制造工程，2005（08）.