摘要：

將逆向工程引入到工藝品的設(shè)計(jì)制造中，可有效地提高工藝品的設(shè)計(jì)效率，降低設(shè)計(jì)周期，還可以方便地對(duì)數(shù)字模型進(jìn)行特性添加，使得作品更符合顧客“胃口”。本文以人猿泰山為例，基于逆向工程方法獲取工藝品原件的數(shù)字化模型，通過(guò)點(diǎn)云預(yù)處理、構(gòu)建多邊形、網(wǎng)格劃分、曲面重構(gòu)等方法還原一個(gè)更自由、造型語(yǔ)言更生動(dòng)的數(shù)字模型。在三維軟件Geomagic/Unigraphics NX進(jìn)行曲面重構(gòu)和創(chuàng)新，通過(guò)特征添加，將原型進(jìn)行再設(shè)計(jì)，從而提高工藝品的設(shè)計(jì)質(zhì)量。本文將為青瓷、石雕等工藝品的快速建模提供了一種新的方法和途徑。

關(guān)鍵詞：

工藝品 逆向工程 Geomagic

中圖分類號(hào)：TB472

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-0069（2015）07-0045-02

在工業(yè)經(jīng)濟(jì)時(shí)代邁向知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代的進(jìn)程中，三維數(shù)字化造型技術(shù)已被藝術(shù)品設(shè)計(jì)等文創(chuàng)產(chǎn)業(yè)廣泛應(yīng)用于3D動(dòng)畫(huà)、影視特效、廣告特效等各個(gè)方面。傳統(tǒng)的正向設(shè)計(jì)在構(gòu)思、設(shè)計(jì)和繪制復(fù)雜曲面模型時(shí)，相當(dāng)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，在設(shè)計(jì)人性化產(chǎn)品時(shí)，更是需要反復(fù)試驗(yàn)、修改才能達(dá)到要求，在開(kāi)發(fā)作品時(shí)存在成本高、質(zhì)量低、費(fèi)時(shí)長(zhǎng)等不足。近年來(lái)逆向工程軟硬件條件的成熟給工藝品的高效設(shè)計(jì)提供了一個(gè)有效的手段。通過(guò)逆向技術(shù)，可以快速地構(gòu)建作品的數(shù)字模型，在此基礎(chǔ)上利用3D打印技術(shù)快速、直接、精確地制造出物理模型，以進(jìn)行觀感評(píng)價(jià)，以評(píng)價(jià)結(jié)果作為信息反饋，給進(jìn)一步的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。本文以人猿泰山為例，研究如何在現(xiàn)有工藝品模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行特征的添加和模型的創(chuàng)新，介紹了從模型獲取、模型處理和創(chuàng)新設(shè)計(jì)的全過(guò)程。

1 模型數(shù)據(jù)的獲取

目前，數(shù)據(jù)采集方法多種多樣，根據(jù)逆向工程設(shè)備的測(cè)量工具是否和零件表面接觸，可以將數(shù)據(jù)采集方法分為接觸式和非接觸式兩大類。接觸式測(cè)量方法是通過(guò)傳感測(cè)量頭與樣件的接觸來(lái)記錄樣件表面的坐標(biāo)位置，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)即屬于接觸式測(cè)量方法；非接觸式測(cè)量方法主要是基于光學(xué)、聲學(xué)、磁學(xué)等領(lǐng)域中的基本原理，將一定的物理模擬量通過(guò)適當(dāng)?shù)乃惴ㄞD(zhuǎn)化為樣件表面的坐標(biāo)點(diǎn)。接觸式測(cè)量較適合精度要求較高、曲面形狀相對(duì)簡(jiǎn)單的機(jī)械零部件的測(cè)量。本文的研究對(duì)象為圖1所示工藝品，這種模型曲面形狀無(wú)規(guī)律、小曲面特征較多，接觸性測(cè)量的應(yīng)用受到了較大的限制。因此，常采用非接觸測(cè)量獲取工藝品的逆向數(shù)據(jù)。

2 數(shù)據(jù)處理

通過(guò)掃描得到的數(shù)據(jù)只是雜亂無(wú)章的模型表面點(diǎn)的坐標(biāo)，俗稱點(diǎn)云數(shù)據(jù)。由于操作過(guò)程中出現(xiàn)的抖動(dòng)及設(shè)備本身原因，所獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中不可避免出現(xiàn)誤差。因此在模型重構(gòu)前有必要進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理。

1）剔除跳點(diǎn)。所測(cè)得點(diǎn)的坐標(biāo)誤差有兩種：系統(tǒng)性誤差和隨機(jī)性誤差，其中系統(tǒng)性誤差可以被預(yù)測(cè)和補(bǔ)償。誤差的另一種表現(xiàn)形式就是在測(cè)量所得的點(diǎn)云中存在跳點(diǎn)、跳行等難以避免的不良數(shù)據(jù)點(diǎn)，這些不良數(shù)據(jù)點(diǎn)會(huì)影響后續(xù)造型的精度，所以必須把這些“跳點(diǎn)”、“壞點(diǎn)”從點(diǎn)云中剔除。

2）視圖拼合。由于模型的空間結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，一個(gè)方向的視圖不能反映出被測(cè)目標(biāo)的全貌，需要從多個(gè)角度進(jìn)行掃描然后再進(jìn)行拼合。

3）數(shù)據(jù)平滑。由于測(cè)量過(guò)程中受到各種人為或隨機(jī)因素的影響，測(cè)量出來(lái)的點(diǎn)云中難免會(huì)有噪聲點(diǎn)。為降低和消除這種負(fù)面影響，需對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行數(shù)據(jù)平滑。

4）數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)。經(jīng)誤差、平滑處理的點(diǎn)云，只是除去了周圍不相關(guān)的點(diǎn)、壞點(diǎn)、噪聲點(diǎn)，其中仍包含海量的數(shù)據(jù)點(diǎn)，這些海量數(shù)據(jù)點(diǎn)的存在會(huì)影響數(shù)據(jù)處理和模型重建的速度。實(shí)際上并不是所有的數(shù)據(jù)點(diǎn)都對(duì)模型的重建起作用，因此，可以在保證一定精度的前提下減少數(shù)據(jù)點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行精簡(jiǎn)。

3 模型重構(gòu)

經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理以后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，剔除了無(wú)用的壞點(diǎn)，對(duì)點(diǎn)云所形成的曲面和曲線進(jìn)行了平滑，點(diǎn)云的數(shù)據(jù)量得到了一定的精簡(jiǎn)。在此基礎(chǔ)上可以通過(guò)兩種方式形成曲面和實(shí)體，一種是“點(diǎn)一線一面一體”的方式，另外一種是由點(diǎn)直接形成曲面片，再形成體的方式。本課題采用的是在Geomagic軟件平臺(tái)上，由點(diǎn)直接生成曲面片的方式構(gòu)建實(shí)體。

1）將多片點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼合、對(duì)齊后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖2所示：

2）構(gòu)建多邊形。通過(guò)封裝后的三角形曲面模型能夠以任意精度逼近曲面物體，在三角面片上繪制的各種曲線具有能很好地反映模型的特點(diǎn)。傳統(tǒng)的逆向過(guò)程首先是通過(guò)基本的曲率探測(cè)和輪廓線的探測(cè)，創(chuàng)建基本的曲面片，然后對(duì)曲面片進(jìn)行移動(dòng)面板、重新分布等操作，為得到理想的NURBS曲面做準(zhǔn)備。在多邊形階段，還可對(duì)多邊形網(wǎng)格數(shù)據(jù)進(jìn)行表面光順與優(yōu)化處理，以提高后續(xù)的曲面重建質(zhì)量，主要包括孔填充、邊界修補(bǔ)、多邊形數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)、多邊形光順等。

3）網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分主要是通過(guò)對(duì)曲面形狀的分析，分解為若干個(gè)小的區(qū)域，以得到光順的NURBS曲面。（圖3）

4）曲面重建。劃分網(wǎng)格之后，通過(guò)編輯曲面輪廓使其規(guī)則且不交叉，接著就是以對(duì)曲面進(jìn)行整體的光順、合并以及誤差分析等操作。擬合完成的模型還可輸出STL、GES和STEP等十幾種輸出格式，可方便地與其他CAD /CAM /CAE軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。4模型特征的修改和添加

4.1 模型修改

70%的模型創(chuàng)新是在現(xiàn)有模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，我們將在前述已經(jīng)恢復(fù)的模型基礎(chǔ)上，通過(guò)數(shù)據(jù)處理進(jìn)行特征的添加和修改。首先將“人猿泰山”局部模型提取出來(lái)，通過(guò)點(diǎn)云預(yù)處理，將手部木棍部分和頭部毛發(fā)的點(diǎn)進(jìn)行刪除，經(jīng)過(guò)消噪、著色、封裝之后，構(gòu)建多邊形曲面，接著進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后曲面擬合最后將文件另存為IGES格式。在此過(guò)程中，所需要注意的關(guān)鍵點(diǎn)在于，刪除狼牙棒點(diǎn)云，封裝之后有部分邊界有大量釘狀物及破面，需進(jìn)行網(wǎng)格醫(yī)生進(jìn)行優(yōu)化。從圖5中可以看出，將狼牙棒刪除后，通過(guò)對(duì)點(diǎn)云的補(bǔ)充和重組后，保持了較為理想的手部形狀和指頭形狀。下文著重講解手部鐮刀的在UG中的模型重構(gòu)。

4.2 模型添加

將狼牙棒特征去掉以后，根據(jù)作品的主題要求，適當(dāng)?shù)倪M(jìn)行特征添加，例如，可以將大刀特征添加進(jìn)去。

首先將Geomagic重建好的IGES文件導(dǎo)入U(xiǎn)G軟件中，我們根據(jù)大刀尺寸，特點(diǎn)進(jìn)行建模；在進(jìn)行繪制大刀的時(shí)候，需以手部手腕為參照建立基面，否則繪制出的大刀角度不端正。描繪順序分別是刀柄-刀頭-刀背-倒角，期間需要建立基面，注意參照物的選取恰當(dāng)，鐮刀繪制完成之后保存，然后進(jìn)入Geomagic軟件中進(jìn)行對(duì)齊拼接。為新的人猿泰山曲面模型。（圖6）

4.3 創(chuàng)新成果

用類似的方法，可以獲得一系列的創(chuàng)新成果，如圖7所示。

5 結(jié)束浯

通過(guò)模型重用技術(shù)可大大提高設(shè)計(jì)效率，減少無(wú)謂的浪費(fèi)。本文利用逆向工程技術(shù)，獲取現(xiàn)有作品的數(shù)字模型，在Geomagic、UG等軟件平臺(tái)上，進(jìn)行特征的修改和添加，為青瓷、石雕等模型創(chuàng)新提供了一條新的途徑。