基于ICEM-SURF環(huán)境的汽車點(diǎn)云逆向建模技術(shù)研究

邢魚(yú)弟 馬寧

摘 要：計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)數(shù)字技術(shù)近年來(lái)在汽車造型研發(fā)中的應(yīng)用取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，逆向數(shù)字建模技術(shù)的應(yīng)用能夠大大縮短汽車產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，提升研發(fā)效率，是現(xiàn)代汽車造型研發(fā)流程中必不可缺的環(huán)節(jié)。ICEM-SURF被公認(rèn)為建立和修改A級(jí)曲面的優(yōu)選，其通過(guò)獨(dú)有的直接建模及全局建模技術(shù)能夠令整個(gè)模型細(xì)節(jié)以全交互和動(dòng)態(tài)方式為數(shù)字模型師提供一個(gè)便捷有效的解決方案。本文基于ICEM-SURF在實(shí)際汽車產(chǎn)品研發(fā)中的應(yīng)用情況，介紹了汽車造型點(diǎn)云逆向建模的關(guān)鍵技術(shù)及基本工作思路。

關(guān)鍵詞：ICEM-SURF;逆向;建模

1 逆向工程定義

逆向工程起源于質(zhì)量檢驗(yàn)及精密測(cè)量。目前，關(guān)于逆向工程的研究及應(yīng)用基本上都集中在對(duì)實(shí)物的逆向重構(gòu)方面，這種從實(shí)物樣件獲取產(chǎn)品數(shù)模并最終制造得到新產(chǎn)品的技術(shù)已發(fā)展成為一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的研究領(lǐng)域。對(duì)逆向工程比較全面的定義是：將實(shí)物轉(zhuǎn)變?yōu)镃AD模型相關(guān)的幾何重建技術(shù)、數(shù)字化技術(shù)以及產(chǎn)品制造技術(shù)的總稱，是將已有產(chǎn)品或?qū)嵨锬Ｐ娃D(zhuǎn)化為概念或工程設(shè)計(jì)制造數(shù)學(xué)模型，并以此為基礎(chǔ)對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品進(jìn)行剖析和再創(chuàng)造的過(guò)程。本文的研究集中在幾何模型重建部分，下面以克萊斯勒PT漫步者的外造型開(kāi)發(fā)為例，如圖1所示，讀者們可以感性認(rèn)識(shí)一下逆向工程在整車開(kāi)發(fā)中所扮演的角色及大致流程。

2 數(shù)據(jù)逆向前的準(zhǔn)備工作

汽車造型逆向就是將汽車實(shí)車或油泥模型轉(zhuǎn)化為數(shù)字設(shè)計(jì)模型，即利用反求軟件對(duì)汽車內(nèi)外所有可見(jiàn)的實(shí)體表面進(jìn)行幾何重新生成的過(guò)程。同時(shí)滿足曲面質(zhì)量、造型美學(xué)及工程技術(shù)的要求是我們對(duì)高品質(zhì)逆向的極致追求，因此在數(shù)據(jù)逆向前往往需要做一些準(zhǔn)備工作。

2.1 充分理解造型

逆向建模不能貿(mào)然進(jìn)行，逆向建模前必須對(duì)原有造型進(jìn)行揣摩、推敲從而最終實(shí)現(xiàn)還原，即最關(guān)鍵之處就是讀懂造型。因此，在逆向前應(yīng)多觀察實(shí)物模型而不僅僅從點(diǎn)云出發(fā)，有條件的設(shè)計(jì)人員甚至可以參與油泥模型的制作與評(píng)審以充分理解設(shè)計(jì)師的創(chuàng)意意圖。

2.2 確定質(zhì)量目標(biāo)

對(duì)已經(jīng)完成制作的實(shí)物模型或用于掃描的樣件、樣車，應(yīng)了解其是否滿足一定的結(jié)構(gòu)尺寸要求，是否有改進(jìn)和改型的需要，是否有特定的功能要求。基于質(zhì)量目標(biāo)信息，擬定相關(guān)的技術(shù)協(xié)定，合理安排資源，按需開(kāi)展逆向建模工作。質(zhì)量目標(biāo)中很重要的幾點(diǎn)，包括應(yīng)體現(xiàn)逆向曲面與實(shí)物的吻合程度、逆向曲面的主要用途、時(shí)間節(jié)點(diǎn)等等。

2.3 技術(shù)要求及參考信息

在正式逆向建模前還需準(zhǔn)備好DTS（尺寸控制）要求文件、模型或零件的細(xì)節(jié)照片等。

3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

掃描是采用立體照相的方法，將實(shí)體模型轉(zhuǎn)化為掃描數(shù)據(jù)模型的過(guò)程。有了掃描數(shù)據(jù)后即可運(yùn)用反求軟件進(jìn)行精確數(shù)學(xué)模型的重構(gòu)工作。

本文以基于ICEM-SURF（以下簡(jiǎn)稱ICEM）軟件的某車型外造型逆向?yàn)槔?，在接到點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，我們需要做的主要工作有：點(diǎn)云三角化及格式處理、點(diǎn)云拼接、完整性檢查、采樣、降噪、對(duì)稱分析、點(diǎn)云分塊等等。

3.1 點(diǎn)云預(yù)處理

（1）采樣：采樣也就是對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行稀釋。由于激光掃描獲得的點(diǎn)的數(shù)目相當(dāng)龐大，如果直接以此為基礎(chǔ)進(jìn)行逆向工作，將會(huì)造成處理速度變慢、存儲(chǔ)文件過(guò)大，既費(fèi)時(shí)而且對(duì)過(guò)程控制的難度也加大。因此，有必要在保證適當(dāng)數(shù)據(jù)精度的條件下減少點(diǎn)的數(shù)據(jù)量，在ICEM中我們可以利用Filter命令來(lái)達(dá)到對(duì)點(diǎn)云合理稀釋的目的。點(diǎn)采樣距離誤差根據(jù)對(duì)樣件或模型精度的要求進(jìn)行設(shè)定。如圖2。

（2）點(diǎn)云三角化：由于逆向設(shè)計(jì)時(shí)需要對(duì)點(diǎn)云有很好的可視性，而只有經(jīng)過(guò)三角化的點(diǎn)云才能平滑顯示，并且三角化后的點(diǎn)云可以實(shí)現(xiàn)切割截面線的操作，因此需先將點(diǎn)集三角化，借助ICEM軟件中的Triangulation命令我們可以順利實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云三角化。如圖3。

（3）點(diǎn)云拼接及坐標(biāo)對(duì)齊：點(diǎn)云拼接及對(duì)坐標(biāo)時(shí)，由于整車尺寸比較大，而激光掃描采集點(diǎn)數(shù)又比較多，故掃描時(shí)是對(duì)整車分塊掃描后，最后才將各部分點(diǎn)云拼接到一起的，在ICEM軟件利用Merge命令可將點(diǎn)云合并。區(qū)別于改型設(shè)計(jì)中需要將局部模型對(duì)到原車整車坐標(biāo)，本次是整車掃描，故我們只需要找到點(diǎn)云的對(duì)稱中心并按汽車坐標(biāo)常規(guī)位置（坐標(biāo)原點(diǎn)在前軸線上）通過(guò)平移、旋轉(zhuǎn)將點(diǎn)云移到合適位置就可以了。

（4）點(diǎn)云除噪：將掃描測(cè)量時(shí)由于測(cè)量誤差造成的與物體表面差異過(guò)大的點(diǎn)刪除。

3.2 對(duì)掃描點(diǎn)云進(jìn)行數(shù)據(jù)分析

（1）觀察點(diǎn)云的完整性，如果有比較嚴(yán)重的缺失影響到曲面構(gòu)建則需要發(fā)回重掃或局部補(bǔ)掃;

（2）在對(duì)正坐標(biāo)之后分析點(diǎn)云對(duì)稱性，取較好的一半進(jìn)行逆向設(shè)計(jì);

（3）觀察零件分縫、確認(rèn)零件間的間隙、面差顯示完整。

4 逆向建模主要步驟

逆向建模主要技術(shù)路徑如圖4所示。

5 逆向建模案例

5.1 條件輸入

（1）點(diǎn)云：經(jīng)過(guò)三角化、除噪、合理稀釋、對(duì)正坐標(biāo)等處理的點(diǎn)云;

（2）實(shí)車或照片：實(shí)車或?qū)嵻囌掌┠嫦蚪⒖迹饕潜苊鈱?duì)造型的誤讀;

（3）斷面或 DTS文件：拆車過(guò)程中手工記錄的斷面和拆車前量取的DTS;

（4）附件數(shù)據(jù) ：直接可以借用而無(wú)需再通過(guò)逆向得到的數(shù)模，如LOGO數(shù)模。

5.2 定義建模精度

為保證曲面質(zhì)量，曲面階次不應(yīng)超過(guò)7 階，并保證曲面控制點(diǎn)分布合理。曲面段數(shù)非必要情況下不超過(guò)1。曲面連續(xù)性要求根據(jù)各主機(jī)廠的具體要求進(jìn)行設(shè)置、控制。一般要求為G0不大于0.005mm;G1不大于0.1°;G2一般不大于0.1，根據(jù)高光平順性及造型意圖做取舍;對(duì)稱面需要做到G3連續(xù)。

5.3 繪制主要特征線

要將曲面形態(tài)控制好首先需對(duì)整體關(guān)鍵特征線作好控制，要求曲線光順并保證達(dá)到曲率連續(xù)。造型特征有特殊需要的地方可以做成位置連續(xù)。

5.4 繪制基礎(chǔ)曲面

（1）構(gòu)建側(cè)窗玻璃面及前后擋風(fēng)玻璃面：側(cè)窗玻璃面一般有雙曲面和單曲面兩種，面包車側(cè)面造型相對(duì)簡(jiǎn)單，一般為單曲面，曲率半徑一般在2000-4000mm之間。在ICEM中可以利用曲面旋轉(zhuǎn)或Barrel命令實(shí)現(xiàn)玻璃面的構(gòu)建。

前后風(fēng)擋玻璃面關(guān)鍵在于對(duì)稱面的連續(xù)性控制，即需達(dá)到G3連續(xù)。曲面階次根據(jù)造型復(fù)雜程度設(shè)置，一般5-6階即可。曲面構(gòu)建時(shí)注意控制與頂蓋、側(cè)圍的段差關(guān)系，做到段差均勻或規(guī)律變化。如圖5所示。

（2）構(gòu)建車身側(cè)面曲面及頂蓋曲面

車頂曲面構(gòu)建同樣需要做到對(duì)稱面G3連續(xù)，大過(guò)渡面間需達(dá)到G2以上連續(xù)。頂蓋加強(qiáng)筋特征以頂蓋大面為基礎(chǔ)構(gòu)建，側(cè)面流水槽與側(cè)圍保持規(guī)律的段差關(guān)系。

側(cè)面曲面構(gòu)建時(shí)需先完成輪包區(qū)域曲面構(gòu)建，以此為基礎(chǔ)控制側(cè)面大面與輪包及玻璃面的關(guān)系，同時(shí)考慮與翼子板、側(cè)圍等的銜接關(guān)系。大面及大過(guò)渡面之間達(dá)到G2以上連續(xù)。示例如圖6。

（3）構(gòu)建前后臉基礎(chǔ)面

前后臉造型特征繁多，構(gòu)建基礎(chǔ)曲面時(shí)往往難以準(zhǔn)確把握大面的分面邊界。在ICEM中我們可以借助高斯曲率、Feature Line等多種手段幫助判斷。對(duì)稱曲面同樣需要做到G3連續(xù)。格柵、燈具與發(fā)罩、翼子板的DTS關(guān)系需要準(zhǔn)確體現(xiàn)出來(lái)。前臉基礎(chǔ)曲面及細(xì)節(jié)特征逆向設(shè)計(jì)示例如圖7。

5.5 繪制細(xì)節(jié)曲面

有了基礎(chǔ)曲面接下來(lái)要考慮在這些大面上增加特征、過(guò)渡面、連接面，在做細(xì)節(jié)曲面的時(shí)候同樣要注意控制特征線和邊界線。完成所有細(xì)節(jié)添加，未倒圓最終整體效果如圖8所示。

5.6 倒圓

完成所有細(xì)節(jié)曲面的鋪構(gòu)之后進(jìn)行倒角工作。一般的倒圓順序?yàn)橄却蠛笮?、先正后反?/p>

倒圓大小控制主要考慮參考點(diǎn)云，確保工藝可行性、法規(guī)可行性等幾點(diǎn)。

5.7 檢查與完善

在數(shù)據(jù)正式輸出之前需要進(jìn)行數(shù)據(jù)的檢查與最終完善確認(rèn)。主要包括（1）與點(diǎn)云吻合度檢查，通過(guò)切割截面線并測(cè)量偏差的方法檢測(cè)。（2）對(duì)稱性檢查，可通過(guò)切割截面線并打開(kāi)斷面曲率疏來(lái)檢測(cè);（3）連續(xù)性檢查等。

5.8 數(shù)據(jù)輸出

輸出數(shù)據(jù)必須整潔，曲面不多不少，不含尖角、沒(méi)有未裁剪曲面。根據(jù)不同要求，輸出對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)格式一般有STP、IGES、PART等。ICEM的文件格式為.db，但通過(guò)一組完善、直觀及標(biāo)準(zhǔn)的CAD接口， ICEM Surf可以很方便地與任何CAD系統(tǒng)集成。

6 結(jié)束語(yǔ)

逆向建模技術(shù)在汽車造型開(kāi)發(fā)中發(fā)揮著十分重要的作用，是正向開(kāi)發(fā)流程中不可或缺的一環(huán)，ICEM-SURF在A級(jí)曲面構(gòu)建領(lǐng)域的專業(yè)性不容置疑且廣受推崇。本文對(duì)ICEM-SURF環(huán)境下逆向建模技術(shù)的應(yīng)用研究相信能為汽車數(shù)字設(shè)計(jì)領(lǐng)域提供一套可行的解決方案及啟發(fā)性的思路。

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