周天琦

摘要：針對(duì)目前正向鼠標(biāo)造型過(guò)程中存在的設(shè)計(jì)效率低下、成熟鼠標(biāo)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)無(wú)法有效復(fù)用等問(wèn)題，基于逆向工程理論和Imageware軟件，研究了鼠標(biāo)的逆向造型方法，在縮短鼠標(biāo)設(shè)計(jì)周期的同事，有效規(guī)避設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，并提高鼠標(biāo)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：鼠標(biāo)；逆向造型；Imageware

引言：

隨著計(jì)算機(jī)電子技術(shù)和工業(yè)制造水平的不斷發(fā)展，消費(fèi)者對(duì)鼠標(biāo)的要求不僅體現(xiàn)在功能上與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)兼容，同時(shí)在外觀、造型等人體工學(xué)和美學(xué)方面也提出了更高的要求。當(dāng)前，在鼠標(biāo)產(chǎn)品功能日趨完善的情況下，鼠標(biāo)的造型逐漸成為廣大消費(fèi)者關(guān)注的重點(diǎn)。但長(zhǎng)期以來(lái)，鼠標(biāo)的外觀造型通常采用正向設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)效率較低，產(chǎn)品投放市場(chǎng)的周期較長(zhǎng)。而目前各大鼠標(biāo)廠商對(duì)鼠標(biāo)產(chǎn)品市場(chǎng)份額的競(jìng)爭(zhēng)已日趨白熱化，如何在短時(shí)間內(nèi)將符合消費(fèi)者設(shè)計(jì)要求的鼠標(biāo)產(chǎn)品投放到市場(chǎng)，直接決定了企業(yè)能否生存。此外，優(yōu)秀的鼠標(biāo)產(chǎn)品外形應(yīng)兼顧美學(xué)和人體工學(xué)的設(shè)計(jì)要求，但這一過(guò)程需要通過(guò)多次試驗(yàn)和市場(chǎng)反饋方能達(dá)到，在設(shè)計(jì)過(guò)程中充分有效地重用已有的鼠標(biāo)外形設(shè)計(jì)知識(shí)，不僅能縮短設(shè)計(jì)周期，同時(shí)能夠規(guī)避設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，提高鼠標(biāo)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量。

但在對(duì)已有成熟鼠標(biāo)產(chǎn)品的借鑒過(guò)程中，若無(wú)設(shè)計(jì)圖樣，設(shè)計(jì)者同樣無(wú)法準(zhǔn)確了解相關(guān)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，進(jìn)而影響對(duì)原鼠標(biāo)設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)意圖的剖析，而針對(duì)其改進(jìn)優(yōu)化也將無(wú)從談起，且鼠標(biāo)產(chǎn)品曲面多為自由曲面，無(wú)法用準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)表達(dá)式表達(dá)，致使設(shè)計(jì)師無(wú)法有效重構(gòu)產(chǎn)品原始數(shù)模?；诖?，本文提出運(yùn)用逆向工程方法[1-3]，基于Imageware軟件快速重構(gòu)鼠標(biāo)的三維模型，為新的鼠標(biāo)產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支撐。

1.鼠標(biāo)逆向造型流程

鼠標(biāo)逆向造型流程如圖1所示，主要分為三個(gè)部分：

（1）鼠標(biāo)外型點(diǎn)云采集。運(yùn)用點(diǎn)云測(cè)量設(shè)備獲取鼠標(biāo)外型的點(diǎn)云坐標(biāo)數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)是后續(xù)逆向造型的基礎(chǔ)。

（2）鼠標(biāo)外型點(diǎn)云處理。將采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入Imageware中，完成點(diǎn)云數(shù)據(jù)的去噪、對(duì)齊、精簡(jiǎn)、分割等預(yù)處理，提高點(diǎn)云的質(zhì)量。

（3）鼠標(biāo)外型曲面重構(gòu)?；陬A(yù)處理過(guò)的鼠標(biāo)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在Imageware中構(gòu)建鼠標(biāo)輪廓線，并基于此，構(gòu)建鼠標(biāo)外型曲面，并對(duì)構(gòu)建的曲面進(jìn)行誤差分析，保證曲面的重構(gòu)質(zhì)量。

2.鼠標(biāo)外型點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

2.1鼠標(biāo)外形結(jié)構(gòu)分析

本文以聯(lián)想Thinkpad 0A36414藍(lán)牙激光鼠標(biāo)為研究對(duì)象（如圖2所示），該鼠標(biāo)顏色為磨砂黑，鼠標(biāo)重量63g，采用4向滾輪設(shè)計(jì)，鼠標(biāo)外觀設(shè)計(jì)小巧、精美，呈現(xiàn)流線型。該鼠標(biāo)為左右對(duì)稱設(shè)計(jì)。該鼠標(biāo)尺寸為9.6mm*5.6mm*3.2mm，上表面為平滑的弧形曲面，側(cè)面為直紋面，底面為平面，上表面和側(cè)面平滑過(guò)渡，無(wú)銳角，可分別對(duì)上表面、側(cè)面和底面進(jìn)行測(cè)量，之后在拼接生成整體點(diǎn)云。

2.2 運(yùn)用ATOS系統(tǒng)采集鼠標(biāo)點(diǎn)云數(shù)據(jù)

常見的點(diǎn)云測(cè)量方法有接觸式和非接觸式兩種[4]，本文采用ATOS光學(xué)非接觸式測(cè)量設(shè)備對(duì)鼠標(biāo)外型面進(jìn)行測(cè)量。通過(guò)對(duì)鼠標(biāo)外形進(jìn)行分析，結(jié)合ATOS測(cè)量系統(tǒng)的使用方法，制定如下測(cè)量策略：在第一次測(cè)量中確定鼠標(biāo)的頂面和側(cè)面，第二次測(cè)量中確定鼠標(biāo)的底部，當(dāng)投影中進(jìn)行一次測(cè)量時(shí)，鼠標(biāo)的位置可能不會(huì)相對(duì)于參考點(diǎn)而改變，如果頂面測(cè)量完成，轉(zhuǎn)動(dòng)鼠標(biāo)以便底部的常規(guī)參考點(diǎn)被測(cè)到，兩次投影后，所測(cè)的結(jié)果放到一起，這樣便得到了鼠標(biāo)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，最終測(cè)得的鼠標(biāo)點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖3所示。

3.鼠標(biāo)外型點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理

3.1 點(diǎn)云對(duì)齊

初始點(diǎn)云位于世界坐標(biāo)系的隨機(jī)位置，為方便后續(xù)建模，需將點(diǎn)云坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系對(duì)齊，具體方法為：

（1）將點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入Imageware中，在世界坐標(biāo)系位置構(gòu)建三個(gè)垂直與坐標(biāo)軸的平面，并分別命名為XY_Plane，XZ_Plane和YZ_Plane；

（2）在點(diǎn)云底部較平坦部位截取一部分點(diǎn)云，并將其擬合為平面，命名為XY_Part_ Plane；

（3）在點(diǎn)云兩個(gè)側(cè)面分別等高采樣兩條平行點(diǎn)云，經(jīng)排序后獲取平均點(diǎn)云，并將平均點(diǎn)云擬合為平面，命名為XZ_Part_Plane；

（4）基于逐步式定位方法，將XY_Part_Plane和XY_Plane匹配，XZ_Part_Plane和XZ_ Plane匹配，完成點(diǎn)云的對(duì)齊（如圖4所示）。

3.2 噪點(diǎn)去除

采用目視法，觀察對(duì)齊后的點(diǎn)云，并將噪聲點(diǎn)從點(diǎn)云數(shù)據(jù)中剔除，保證點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精度。

3.3 點(diǎn)云精簡(jiǎn)

為提高曲面擬合時(shí)的計(jì)算速度，設(shè)置點(diǎn)云采樣距離為0.5mm，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行重新采樣，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云的精簡(jiǎn)，精簡(jiǎn)后，點(diǎn)的數(shù)量從89410減少為37203。

4.鼠標(biāo)外型曲面重構(gòu)

4.1鼠標(biāo)輪廓線構(gòu)建

運(yùn)用Imageware的投影采樣命令，分別鼠標(biāo)底面、側(cè)面、上表面的投影采樣點(diǎn)云，并分別擬合為NURBUS曲線，之后將各部分的曲面縫合，形成鼠標(biāo)輪廓線（如圖5所示）。

4.2 鼠標(biāo)曲面擬合

在Imageware中，曲面的構(gòu)建方法總體上可分為基于點(diǎn)云直接生成曲面、基于直線經(jīng)掃掠、蒙皮等方法生成曲面、點(diǎn)云和曲線混合生成曲面等三種方法。運(yùn)用Imageware實(shí)現(xiàn)曲面連接擬合。通過(guò)對(duì)鼠標(biāo)產(chǎn)品點(diǎn)云進(jìn)行分析，可將鼠標(biāo)表面分為上表面、側(cè)面和底面三部分，分別對(duì)這三部分進(jìn)行曲面擬合。鼠標(biāo)的上表面是一個(gè)連續(xù)曲面，曲率變化不大，可運(yùn)用點(diǎn)云和曲線混合生成法擬合；鼠標(biāo)的側(cè)面是直紋面，因而可以用掃掠法擬合；鼠標(biāo)底面為平面，可直接根據(jù)輪廓線擬合，最終形成的鼠標(biāo)曲面模型如圖6所示。將鼠標(biāo)點(diǎn)云和擬合后的曲面進(jìn)行誤差分析，可以看出誤差大部分保持在±0.3mm以內(nèi)，能滿足后續(xù)的優(yōu)化改進(jìn)需求。

5.結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)研究鼠標(biāo)外型面點(diǎn)云采集、點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理、鼠標(biāo)外型面重構(gòu)等技術(shù)，為鼠標(biāo)的逆向造型提供了一整套解決方案，也為鼠標(biāo)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供了模型基礎(chǔ)，在點(diǎn)云采集、曲面重構(gòu)精度等技術(shù)進(jìn)一步優(yōu)化后，還可將該方法可=延伸至鼠標(biāo)的模具加工領(lǐng)域，從而擴(kuò)展逆向工程技術(shù)在鼠標(biāo)研發(fā)中的應(yīng)用范圍。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王霄.逆向工程技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.7.

[2] 張學(xué)昌.逆向建模技術(shù)與產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)[M].北京：北京大學(xué)出版社，2009.9

[3] 彭卓凱. 基于NX和Imageware的正逆向相結(jié)合的復(fù)雜曲面設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)械， 2013， 40（7）：56-60.

[4] 劉偉軍，孫玉文.逆向工程：原理、方法及應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.1.