吳慧蘭， 宋 鵬

(華東理工大學(xué) 藝術(shù)設(shè)計(jì)與傳媒學(xué)院，上海 200237)

0 引 言

在產(chǎn)品造型日益多元化的今天，反求工程已成為產(chǎn)品開發(fā)中不可或缺的一環(huán)，其應(yīng)用范圍包括設(shè)計(jì)、質(zhì)量檢測(cè)、制造加工、實(shí)物復(fù)原、實(shí)驗(yàn)教學(xué),目前已廣泛地用于玩具、汽車、通信電器、文物及藝術(shù)品的修復(fù)、模具等產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì)與創(chuàng)新設(shè)計(jì)中，成為消化、吸收先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)新產(chǎn)品開發(fā)生產(chǎn)不可缺少的手段[ 1-2]。

反求重構(gòu)是反求工程中的一個(gè)重要組成部分。反求重構(gòu)過程分為數(shù)據(jù)采集階段和模型重構(gòu)階段[3]。數(shù)據(jù)采集的精度將直接影響反求設(shè)計(jì)的精度和效率，數(shù)據(jù)采集的方法分為接觸式數(shù)據(jù)采集和非接觸式數(shù)據(jù)采集。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與光電技術(shù)的發(fā)展，反求工程的數(shù)據(jù)采集較傾向于采用非接觸式三維激光掃描設(shè)備，其主要特點(diǎn)有：①數(shù)據(jù)采樣的過程是連續(xù)的，對(duì)于復(fù)雜曲面也可以精確快速的讀取數(shù)據(jù)，操作簡(jiǎn)便、能夠達(dá)到較高的精度[4-6]；②不與樣件接觸，因而能對(duì)松軟材料的表面進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，可以探測(cè)到一般機(jī)械測(cè)頭難以測(cè)量的部位，最大限度地反映被測(cè)表面的真實(shí)形狀[7]。非接觸式掃描儀有日本Roland三維激光掃描儀和加拿大Creaform Inc 公司生產(chǎn)的HandyScan手持式激光掃描儀，通過比較，手持式掃描儀對(duì)物體大小、內(nèi)外均可，適用性強(qiáng)，但易受環(huán)境光線及雜散光影響，故一般點(diǎn)云雜點(diǎn)都較多，儀器價(jià)格貴，因此我們選用了本學(xué)院實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的日本Roland三維激光掃描儀(LPX-1200)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)，并結(jié)合Geomagic反求建模軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理及CAD模型重建。實(shí)驗(yàn)證明，基于Roland三維激光掃描儀的數(shù)據(jù)采集與Geomagic反求建模軟件的曲面重構(gòu)，可獲得較高的建模效率和質(zhì)量，快速建立個(gè)性化數(shù)字模型，為三維數(shù)字化設(shè)計(jì)、模型創(chuàng)新設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生在現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用和創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力的提高具有積極的作用。

1 反求設(shè)計(jì)技術(shù)

1.1 數(shù)據(jù)采集

原始產(chǎn)品模型的數(shù)據(jù)采集是反求工程的第一步，也是關(guān)鍵的一步[8-9]。通常掃描后得到的測(cè)量數(shù)據(jù)是由大量的三維坐標(biāo)點(diǎn)所組成，掃描參數(shù)和被測(cè)物體的大小，由幾百點(diǎn)到幾百萬點(diǎn)不等的三維數(shù)據(jù)點(diǎn)稱為點(diǎn)云。

經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，Roland掃描儀數(shù)據(jù)采集不會(huì)劃傷被測(cè)零件表面，但對(duì)被測(cè)物體的表面提出了一定的要求[10-11]。Roland掃描儀數(shù)據(jù)采集的點(diǎn)云對(duì)產(chǎn)品表面的依賴度較高，當(dāng)物體表面明度較高、較平滑時(shí),掃描獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)效果最佳；當(dāng)產(chǎn)品表面顏色偏深、材質(zhì)表面粗糙時(shí)掃描效果較差，如黑色、深藍(lán)色物體、皮革、布料等；對(duì)透明物體和表面呈現(xiàn)鏡面效果的物體，掃描后點(diǎn)云坐標(biāo)往往錯(cuò)亂或消失，所以掃描前要進(jìn)行模型著色處理。另外測(cè)量點(diǎn)距越小，所獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)就越逼近于所測(cè)量的實(shí)物表面，但相應(yīng)的掃描時(shí)間也更長。點(diǎn)距設(shè)置的大小主要取決于機(jī)器的精度及實(shí)物所要達(dá)到的要求，Roland激光掃描儀可以達(dá)到最小精度是0.05 mm的間距，完全能達(dá)到一般模型設(shè)計(jì)要求[12]。在測(cè)量的時(shí)候，由于激光掃描儀存在著掃描“死點(diǎn)”，或是對(duì)復(fù)雜形狀零件，點(diǎn)云數(shù)據(jù)不能一次性掃描得到，需要移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)零件多次掃描得到，這樣才能得到完整的數(shù)據(jù)，然后以STL的格式輸出。

本文以Kodak相機(jī)為研究對(duì)象，選用Roland三維激光掃描儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，其過程主要分為以下幾個(gè)步驟：

(1) 掃描前準(zhǔn)備工作。即模型著色處理，以利于CCD采集數(shù)據(jù)；

(2) 數(shù)據(jù)掃描測(cè)量。啟動(dòng)掃描軟件Dr.Picza3，把實(shí)物放到掃描儀里，找一個(gè)比較好測(cè)量的基準(zhǔn)面做定位面，設(shè)置一些相應(yīng)的參數(shù),然后點(diǎn)擊“掃描”選項(xiàng)；

(3) 掃描獲得數(shù)據(jù)。掃描儀自動(dòng)記錄下所獲取的曲面點(diǎn)云數(shù)據(jù)并保存在計(jì)算機(jī)里。

1.2 CAD模型重構(gòu)

CAD模型重構(gòu)階段主要是通過使用反求工程軟件對(duì)掃描點(diǎn)云進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理、特征提取并重構(gòu)出NURBS曲面模型[13]。Geomagic軟件具有強(qiáng)大的反求建模功能，可將三維掃描數(shù)據(jù)和多邊形網(wǎng)格轉(zhuǎn)換為精確的曲面化三維數(shù)字模型，以用于反求工程、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、快速成型和分析。作為將三維掃描數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為參數(shù)化CAD模型和三維CAD模型的最快速的方法。

Geomagic Studio提供了4個(gè)處理模塊，分別是:①掃描數(shù)據(jù)處理(capture);②多邊形編輯(wrp);③NURBS曲面建模(shape);④CAD曲面建模(fashion)[14]。在實(shí)驗(yàn)研究中，我們采用Geomagic軟件分為點(diǎn)階段、多邊形階段、形狀階段3個(gè)階段進(jìn)行處理。

1.2.1點(diǎn)階段(掃描數(shù)據(jù)處理)

點(diǎn)階段目標(biāo)是將原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成多邊形模型(三角網(wǎng)格面)。一般情況下，由于通過激光掃描獲得的初始點(diǎn)云數(shù)量很大，可達(dá)到上百萬，使得處理速度較慢，同時(shí)掃描得到的產(chǎn)品外形數(shù)據(jù)會(huì)不可避免地引入數(shù)據(jù)誤差，尤其是尖銳邊和邊界附近的測(cè)量數(shù)據(jù)，測(cè)量數(shù)據(jù)中的壞點(diǎn)，可能使該點(diǎn)及其周圍的曲面片偏離原曲面，處理這些大型三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)集可采用的方些有：①優(yōu)化掃描數(shù)據(jù)(通過檢測(cè)體外孤點(diǎn)、減少噪音點(diǎn)、去除重疊)；②自動(dòng)或手動(dòng)拼接與合并多個(gè)掃描數(shù)據(jù)集；③通過曲率采樣、格柵采樣、統(tǒng)一采樣和隨機(jī)采樣4種采樣算法來降低數(shù)據(jù)集的密度[15-16]。具體的操作步驟為：

(1) 噪點(diǎn)處理。手動(dòng)去除雜點(diǎn)、著色點(diǎn)、斷開組件連接、全局注冊(cè)、聯(lián)合點(diǎn)對(duì)象、體外孤點(diǎn)、減少噪音、統(tǒng)一采樣、封裝，經(jīng)過上述操作后，點(diǎn)云可以被拼合并減少冗余數(shù)據(jù)，輸出有效的多邊形。其中手動(dòng)去除雜點(diǎn)，斷開組件連接，體外孤點(diǎn)命令去除的是與模型真實(shí)形狀坐標(biāo)相差較大的點(diǎn)。減少噪音，統(tǒng)一采樣命令是在保留物體真實(shí)形狀的基礎(chǔ)上去除冗余保留物體特征。Kodak相機(jī)模型噪點(diǎn)處理前后對(duì)比如圖1所示。

圖1 噪點(diǎn)處理前后對(duì)比

(2) 合并采集數(shù)據(jù)。對(duì)于形狀復(fù)雜的零件，曲面數(shù)據(jù)是無法一次性掃描得到，需要移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)零件，即還需要多次多角度掃描，掃描后的點(diǎn)云還要進(jìn)行注冊(cè)拼接與合并多個(gè)掃描數(shù)據(jù)集，手動(dòng)注冊(cè)如圖2所示。

圖2 手動(dòng)拼接

其具體操作為：找到點(diǎn)云之間的共同特征，手動(dòng)進(jìn)行拼接，系統(tǒng)將自動(dòng)進(jìn)行匹配。 手動(dòng)注冊(cè)模式分別為:①1點(diǎn)注冊(cè)，②n點(diǎn)注冊(cè)。1點(diǎn)注冊(cè)系統(tǒng)將根據(jù)選擇的1個(gè)公共點(diǎn)進(jìn)行模型自動(dòng)對(duì)齊；n點(diǎn)注冊(cè)則是根據(jù)定義的多個(gè)公共點(diǎn)進(jìn)行模型對(duì)齊(最多9個(gè)點(diǎn))。手動(dòng)注冊(cè)適用于特征情況明顯的物體，根據(jù)特征定位，提高了點(diǎn)云拼接的準(zhǔn)確性為后續(xù)工作打下基礎(chǔ)。手動(dòng)注冊(cè)后進(jìn)行全局注冊(cè)將進(jìn)一步約束點(diǎn)云間的重疊，使點(diǎn)云間的注冊(cè)更加精細(xì)。

模型的拼合還可采用特征對(duì)齊拼接方式，根據(jù)選中點(diǎn)云的特征選擇相應(yīng)的擬合內(nèi)容，如點(diǎn)云是圓錐，在擬合區(qū)域中選擇圓錐。在特征工具欄選擇相應(yīng)的坐標(biāo)軸或坐標(biāo)面，進(jìn)行創(chuàng)建匹配。最后通過復(fù)制，精確移動(dòng)，全局注冊(cè)，聯(lián)合點(diǎn)對(duì)象，完成拼接。

1.2.2多邊形階段

點(diǎn)云數(shù)據(jù)封裝后即進(jìn)入多邊形階段，該階段任務(wù)是對(duì)三角網(wǎng)格進(jìn)行編輯優(yōu)化。主要通過三角形刪除、光滑曲面的多種方法、填充孔和修補(bǔ)技術(shù)來檢測(cè)、修復(fù)三角面的封閉與相交情況，簡(jiǎn)化或細(xì)分三角面，平滑表面等操作以提高曲面重建的質(zhì)量。多邊形階段對(duì)物體表面三角面進(jìn)行加工處理使多邊形更加規(guī)則化，使模型表面變得更加光華，為后續(xù)曲面模塊打下基礎(chǔ)。多邊形階段處理非常重要，因?yàn)樘幚砗蟮哪Ｐ捅仨毦哂凶詈玫馁|(zhì)量，才能進(jìn)入Shape階段，為生成NURBS曲面做準(zhǔn)備。三角面處理前后對(duì)比如圖3所示。

圖3 三角面處理

(1) 補(bǔ)面及邊界加工。對(duì)于表面缺口較多可采用“全部填充”，“全部填充”可根據(jù)缺空周長大小進(jìn)行有序排列選擇，對(duì)于結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜的可選擇不填充，以便以后手動(dòng)對(duì)其進(jìn)行填充，可控制精確的填充周長范圍及空的規(guī)律選定。在進(jìn)行填充前可以先對(duì)空進(jìn)行預(yù)加工選擇工具欄下的選擇邊界，確認(rèn)后，退出命令后按“delete”進(jìn)行刪除紅色被選中區(qū)域。經(jīng)過此步可以刪除缺空翹起邊界和不規(guī)則邊界，使得填充時(shí)補(bǔ)面能更好符合原始曲率。

“填充單個(gè)空”可應(yīng)對(duì)的各種空的填充，根據(jù)具體情況可分別采用填充封閉的孔洞、填充未封閉的孔洞、橋連兩片不相關(guān)的邊界。

(2) 三角面的處理。手動(dòng)“去除特征”，可以去除凸臺(tái)等，點(diǎn)擊顯示欄中勾選“邊”可以方便觀察特征突出的三角面，可手動(dòng)去除。如圖4所示，經(jīng)過“網(wǎng)格醫(yī)生”可智能修復(fù)和處理三角面。經(jīng)過簡(jiǎn)化，松弛/砂紙，減少噪音命令可進(jìn)一步光順表面。

圖4 觀察特征突出三角面

1.2.3形狀階段

形狀階段是從多邊形階段轉(zhuǎn)化后經(jīng)過一系列的技術(shù)處理，得到理想的曲面模型。其主要技術(shù)處理：首先根據(jù)曲面的曲率變化生成輪廓線，并對(duì)輪廓線進(jìn)行編輯達(dá)到理想效果，通過輪廓線的劃分將整個(gè)模型分為多個(gè)曲面；其次根據(jù)輪廓線進(jìn)行延伸并編輯，通過對(duì)輪廓線的延伸，完成各個(gè)曲面之間的連接，最后對(duì)各個(gè)曲面進(jìn)行擬合，得到最后的CAD曲面。

通過檢測(cè)區(qū)域命令，根據(jù)曲率變化劃分每塊區(qū)域，如圖5所示。

圖5 檢測(cè)區(qū)域

模型通過編輯輪廓線命令添加、修改及移除輪廓線，如圖6所示。

圖6 編輯輪廓線

其中，在曲面編輯階段，若零件表面曲率變化不大，可以使用智能NURBS構(gòu)面，即由軟件自動(dòng)優(yōu)化提取后的特征線生成NURBS曲面；若表面曲率變化較大，則可對(duì)零件進(jìn)行分塊，再進(jìn)行擬合生成NURBS曲面[12]。根據(jù)網(wǎng)格數(shù)據(jù)自動(dòng)擬合以下曲面類型：平面、柱面、錐面、擠壓面、旋轉(zhuǎn)曲面、掃描曲面、放樣曲面和自由形狀曲面，如圖7所示。

最后對(duì)模型進(jìn)行擬合曲面命令操作，發(fā)現(xiàn)橘黃色區(qū)域說明擬合精度不高，需調(diào)整回轉(zhuǎn)面的擬合精度。通過縫合命令．對(duì)擬合的初級(jí)曲面和連接曲面縫合成一個(gè)整體CAD模型，如圖8所示，保存輸出到imageware、UG、Pro-e、Catia等軟件進(jìn)行曲面或?qū)嶓w重構(gòu)模塊。

圖7 區(qū)域劃分

圖8 CAD曲面

2 結(jié) 語

數(shù)據(jù)采集、曲面反求重構(gòu)是反求工程中的關(guān)鍵問題。介紹了以日本Roland非接觸式三維激光掃描儀作為點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集裝置的曲面重構(gòu)技術(shù)，以Geomagic軟件進(jìn)行曲面重構(gòu)，提供了一條曲面反求重構(gòu)的技術(shù)途徑，對(duì)工業(yè)產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)等有一定的應(yīng)用價(jià)值。

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