基于Geomagic Studio的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理三維建模技術(shù)

李志彥

摘? 要：該項(xiàng)目用到一款點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件Geomagic Studio，在處理非大量點(diǎn)云數(shù)據(jù)時(shí)具有一定優(yōu)勢(shì)。該文中，筆者主要介紹利用Geomagic Studio軟件處理掃描獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成曲面模型，然后生成三維模型的過程。從數(shù)據(jù)預(yù)處理、提取特征線、構(gòu)建曲面、生成三維模型4個(gè)基本步驟對(duì)基于Geomagic Studio點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理三維建模技術(shù)進(jìn)行了分析和總結(jié)。

關(guān)鍵詞：點(diǎn)云數(shù)據(jù)? Geomagic studio? 特征線? NURBS曲面

中圖分類號(hào)：TP391 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2019）07（c）-0013-02

隨著激光技術(shù)的快速發(fā)展，激光三維掃描技術(shù)以其獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)正廣泛地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。與傳統(tǒng)的三維信息獲取技術(shù)相比，能快速、精確、無接觸完成對(duì)復(fù)雜表面測(cè)量和建模。目前，市場(chǎng)上涌現(xiàn)出了大量的商業(yè)化激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件。大致可分為：專用的逆向軟件，如Sufacerl0.0、CopyCAD、TRACE、cyclone、Geomagic、polyworks等;以及一些流行的CAD/CAM集成系統(tǒng)中也開始集成了類似模塊。如Uni-graphics中的Point Cloud功能、Cimatron90中的Reverse Engineering功能模塊等。其中，Geomagic studio軟件以先進(jìn)的數(shù)學(xué)模型、曲面構(gòu)造理論為基礎(chǔ)，被廣泛用于點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理工作中。它不同于傳統(tǒng)的點(diǎn)—線—面的曲面構(gòu)建方式，而是提供了基于多邊形網(wǎng)格化快速曲面構(gòu)建方式，體現(xiàn)了點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成三維模型技術(shù)發(fā)展的新趨勢(shì)。

1? Geomagic Studio軟件簡(jiǎn)介

Geomagic Studio軟件是美國(guó)雨滴（Raindrop）公司出品的逆向工程和三維檢測(cè)軟件，它可掃描所得的點(diǎn)陣模型創(chuàng)建良好的多邊形模型或網(wǎng)格模型，并轉(zhuǎn)換為NURBS曲面。該軟件主要功能包括：橫切截面輪廓線獲取;新點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)處理技術(shù);按曲率連續(xù)填補(bǔ)破洞;自動(dòng)將NURBs曲面邊界合并到新的掃描測(cè)量數(shù)據(jù)中;其主要特點(diǎn)支持多種掃描儀文件格式的讀取和轉(zhuǎn)換、海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理等。筆者通過項(xiàng)目實(shí)例進(jìn)行簡(jiǎn)單的闡述以給予讀者更多啟發(fā)。

2? 項(xiàng)目實(shí)例

2.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

基于Geomagic Studio軟件的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理流程一般如圖1所示，首先將測(cè)得點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，然后提取地物特征線，反復(fù)編輯特征線生成最貼近實(shí)際的曲面，最后構(gòu)建成三維模型。

2.1.1 讀取與渲染

Geomagic Studio軟件支持市場(chǎng)上大部分掃描儀的點(diǎn)云數(shù)據(jù)載入。為了獲得完整點(diǎn)云，運(yùn)用三維激光掃描儀從多個(gè)不同方向進(jìn)行掃描，運(yùn)用對(duì)齊功能將分塊的點(diǎn)云數(shù)據(jù)統(tǒng)一到同一個(gè)坐標(biāo)系上，由于是雜亂的點(diǎn)，顯示并不直觀，在Geomagic Studio軟件中使用Shade Points命令渲染點(diǎn)云數(shù)據(jù)，增加三維感真實(shí)感以便于后續(xù)操作。

2.1.2 濾除噪聲點(diǎn)

由于受鏡頭畸變、測(cè)量時(shí)環(huán)境光、圖像處理的算法等的影響，采集的數(shù)據(jù)含有較多的噪聲點(diǎn)。先人工刪除大片孤立的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再自動(dòng)過濾掉超過設(shè)定閾值的孤立噪聲點(diǎn)，提供了兩種方法：（1）手動(dòng)刪除噪聲點(diǎn);（2）Reduce Noise命令自動(dòng)過濾噪聲點(diǎn)。單擊點(diǎn)→噪聲處理→將平滑度適當(dāng)?shù)闹?，效果最佳→選中預(yù)覽選項(xiàng)。

2.1.3 生成曲面

使用多邊形網(wǎng)格（ploy mesh）封裝，進(jìn)入Wrap封裝階段。封裝實(shí)質(zhì)上使許多細(xì)小的空間三角形逼近還原CAD實(shí)體模型。將點(diǎn)云組織起來生成一個(gè)曲面，操作方法為：點(diǎn)擊Point（點(diǎn)）→Wrap（封裝），點(diǎn)擊surface選項(xiàng)。在點(diǎn)對(duì)象上創(chuàng)建一個(gè)多邊形網(wǎng)格，Model Mangager（模型管理器）創(chuàng)建了一個(gè)新對(duì)象，但被測(cè)模型本身的幾何拓?fù)潢P(guān)系或遮擋、破損以及不同站點(diǎn)之間點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接存在縫隙等原因，會(huì)導(dǎo)致部分表面無法測(cè)量或采集數(shù)據(jù)存在破損現(xiàn)象。如圖2（a）所示。

2.1.4 漏洞修補(bǔ)

封裝生成數(shù)字化模型后，發(fā)現(xiàn)存在破損，可通過填充孔命令在這些缺失數(shù)據(jù)區(qū)域里來創(chuàng)建一個(gè)基于曲率的填充（curvature-based filling）或一個(gè)平面填充（flat fill），執(zhí)行全部填充、部分填充或橋填充，單擊多邊形→填充單個(gè)孔→點(diǎn)擊洞的紅色邊緣;或運(yùn)用繩索工具選中凹下去和凸出來的地方→多邊形→全部填充，將缺失數(shù)據(jù)補(bǔ)齊完整。如圖2（b）所示。

2.1.5 數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)

Geomagic Studio軟件提供了點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精簡(jiǎn)命令，通過設(shè)置一個(gè)采樣百分比就可以將點(diǎn)云數(shù)據(jù)均勻減少。

2.2 提取特征線

在Geomagic Studio軟件中有兩種特征線提取方法。一種方法是使用切割（Cross Section）曲線特征。用戶指定一個(gè)平面，軟件將與該平面相交的零件外形特征線提取出來。軟件默認(rèn)的切割平面有x軸、Y軸、z軸的法平面，用戶也可以通過手工指定法方向來確定切割平面，并且可以設(shè)置點(diǎn)云數(shù)據(jù)在某一方向的截面切割數(shù)量，對(duì)于曲率變化比較大的截面可以增大截面切割數(shù)量來保留曲面特征。另外一種方法是將軟件自動(dòng)抽取的零部件特征、邊界轉(zhuǎn)換成特征線，如果自動(dòng)抽取的特征線并不完全是我們需要的，需通過執(zhí)行“升級(jí)/約束”命令進(jìn)行修改。

在軟件中設(shè)置只顯示點(diǎn)云數(shù)據(jù)的特征線，并以截面為單位將一截面上的點(diǎn)云以樣條曲線相連，就可以將點(diǎn)云轉(zhuǎn)換成樣條曲線。

2.3 創(chuàng)建NURBS曲面

NURBS曲面重建包括檢測(cè)曲率、構(gòu)建及編輯曲面片、構(gòu)建風(fēng)格、擬合曲面等，在開始曲面擬合過程，對(duì)于曲率變化比較大，或表面由多個(gè)自由曲面區(qū)域組成的曲面重建之前，首先對(duì)其表面進(jìn)行區(qū)域劃分，它是零件曲面重建的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，應(yīng)以曲面分析為基礎(chǔ)進(jìn)行合理劃分。曲面片劃分大小的問題，過小的曲面太碎，過大難以捕捉點(diǎn)云形狀。系統(tǒng)自動(dòng)構(gòu)建好的曲面片需進(jìn)一步調(diào)整，松弛曲面片可使輪廓線變得挺直。操作方法為：編輯→相位→圖形相位→路徑→自動(dòng)曲面（將曲面細(xì)節(jié)設(shè)置為最大）。結(jié)果如圖2（c）所示。

2.4 模型輸出

創(chuàng)建曲面模型后，可將該曲面數(shù)據(jù)輸入到CAD或CAM系統(tǒng)中。有許多格式（如3DS、OBJ、IGES、STEP、VDA等）可支持曲面數(shù)據(jù)的輸出。完成后可根據(jù)平臺(tái)與后續(xù)軟件的不同要求輸出不同格式的文件。

3? 結(jié)語

Geomagic Studio支持多種掃描儀的文件格式的讀取和轉(zhuǎn)換、海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理、智能化NURBS構(gòu)面等，它采用的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采樣精簡(jiǎn)算法，克服了其他同類軟件中對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)操作時(shí)，軟件進(jìn)行圖形的拓?fù)溥\(yùn)算速度慢、顯示慢等弊端。

Geomagic Studio軟件的優(yōu)勢(shì)有：簡(jiǎn)化了工作流程;提高了生產(chǎn)率;實(shí)現(xiàn)了即時(shí)定制生產(chǎn);兼容性強(qiáng)。

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