王娟

摘 要：逆向工程理論是先進(jìn)的快速建模理論，它是利用掃描設(shè)備從現(xiàn)有的模型或產(chǎn)品中獲得數(shù)據(jù)信息，以計(jì)算機(jī)為載體運(yùn)用曲面重構(gòu)理論進(jìn)行模型的修復(fù)和重建，最終獲得產(chǎn)品的CAD模型。逆向工程理論適用于設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)品，以實(shí)現(xiàn)模型的快速設(shè)計(jì)和仿形。本文通過研究汽車模型的逆向，總結(jié)了整個(gè)汽車模型外形的逆向方法，利用三維激光掃描儀采集汽車模型的外表面數(shù)據(jù)，基于曲面重構(gòu)理論并利用逆向軟件Imageware重構(gòu)汽車外形的CAD模型。

關(guān)鍵詞：Imageware;逆向工程;汽車模型;曲面重構(gòu)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.02.133

1 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，汽車車身外形形態(tài)各異，曲面越來越復(fù)雜，流線越來越優(yōu)美，傳統(tǒng)的汽車車身設(shè)計(jì)是從油泥模型到實(shí)物成型，這種設(shè)計(jì)方法有著很大的局限性，用一般的CAD設(shè)計(jì)方法難以在計(jì)算機(jī)中構(gòu)造出復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)。然而科學(xué)技術(shù)的巨大進(jìn)步帶來的各種設(shè)計(jì)方法也在不斷的發(fā)展創(chuàng)新，特別是在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)飛速發(fā)展的今天，逆向工程技術(shù)已經(jīng)非常發(fā)達(dá)和成熟。逆向工程是一種先進(jìn)的設(shè)計(jì)理論，在對(duì)復(fù)雜車身幾何外形的研發(fā)方面有著重要的意義。

2 逆向工程

所謂逆向工程（Reverse Engineering，RE），是把已有的產(chǎn)品模型（實(shí)物模型）或者影像資料等信息作為研究對(duì)象，運(yùn)用現(xiàn)代先進(jìn)設(shè)計(jì)理論、計(jì)算機(jī)技術(shù)和各個(gè)科學(xué)領(lǐng)域的相關(guān)知識(shí)以及一系列分析方法等，通過對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)過程的解剖和制造特點(diǎn)的分析深化，對(duì)關(guān)鍵技術(shù)的掌握以及對(duì)設(shè)計(jì)理念的探究，再設(shè)計(jì)開發(fā)出更為優(yōu)化的同類產(chǎn)品的過程，也稱為反求工程。圖1完整的給出了從實(shí)物模型到新產(chǎn)品利用反求工程開發(fā)的過程，清楚地給出了反求工程的設(shè)計(jì)過程。

3 汽車模型的逆向工程過程

（1）采用三維激光掃描儀對(duì)汽車模型進(jìn)行掃描，經(jīng)過若干次的掃描得到汽車模型各個(gè)面的坐標(biāo)數(shù)據(jù)的“點(diǎn)云”，如圖2。

（2） 掃描后得到的“點(diǎn)云”必定包含一定的噪聲點(diǎn)，要通過一些手段對(duì)“點(diǎn)云”數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡、光順、排序等，以提高后續(xù)建模的效率和精確度。

（3）運(yùn)用自由曲面重構(gòu)理論，按照一定的曲面擬合方法，進(jìn)行汽車模型的曲面重構(gòu)。

（4）利用專業(yè)的檢測(cè)軟件對(duì)CAD模型進(jìn)行檢驗(yàn)，看其是否滿足精度或其他性能指標(biāo)要求，對(duì)不符合要求的進(jìn)行調(diào)整修改，達(dá)到汽車模型外形的設(shè)計(jì)要求。

4 Imageware在逆向工程中的應(yīng)用

Imageware由美國 EDS公司出品，不僅具有強(qiáng)大的“點(diǎn)云”處理、曲面編輯和 A級(jí)曲面的構(gòu)建能力，同時(shí)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的處理、曲面造型和誤差檢測(cè)也有著非常強(qiáng)大的功能[1]，廣泛應(yīng)用于汽車、航空、航天、甚至消費(fèi)家電、模具、計(jì)算機(jī)零部件等設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域。它可以和UG軟件進(jìn)行無縫對(duì)接，其所構(gòu)造的A級(jí)曲面（ CLASSA ）具有良好的品質(zhì)和曲面連續(xù)性，Imageware的模型檢測(cè)功能可以方便、 直觀地顯示所構(gòu)造的曲面模型與實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)誤差以及平面度、圓度等誤差[2]。Imageware采用的是先進(jìn)的NURBS技術(shù)，功能強(qiáng)大且應(yīng)用方便，憑借完善的處理能力可提供多種反設(shè)計(jì)的思路，最核心的地方也是用戶比較滿意的地方是三維檢測(cè)、高級(jí)曲面造型能力、多邊形造型以及反求工程。

Imageware包含基礎(chǔ)模塊、點(diǎn)處理模塊、曲線曲面模塊、多邊造型模塊、檢驗(yàn)?zāi)K、評(píng)估模塊這六大模塊。

它的處理過程遵循點(diǎn)—曲線—曲面原則，流程如圖3。

4.1 “點(diǎn)云”數(shù)據(jù)處理

Imageware的點(diǎn)處理模塊可以很好的處理大數(shù)據(jù)量的“點(diǎn)云”，它的優(yōu)化方法非常獨(dú)特，完全可以自由的清理、稀疏、檢查“點(diǎn)云”的工作，它的數(shù)據(jù)處理包含幾個(gè)方面：對(duì)多次采集到的“點(diǎn)云”數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接與對(duì)齊，得到完整的數(shù)據(jù)“點(diǎn)云”后，先剔除當(dāng)中明顯的噪點(diǎn)，利用合理的方式對(duì)采集到的大量“點(diǎn)云”數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡，再利用合適的方法進(jìn)行重構(gòu)曲面。Imageware的逆向過程很嚴(yán)格的遵循點(diǎn)-線-面的過程，這個(gè)過程恰恰是模擬了正向的設(shè)計(jì)過程。通過“點(diǎn)云”數(shù)據(jù)對(duì)原設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)樣件的揣摩，達(dá)到產(chǎn)品開發(fā)再設(shè)計(jì)的逆向過程，再此基礎(chǔ)上對(duì)其創(chuàng)新。處理后的點(diǎn)云如圖4。

4.2 模型重構(gòu)

（1）對(duì)“點(diǎn)云”數(shù)據(jù)處理之后，就基本完成了對(duì)“點(diǎn)云”數(shù)據(jù)處理的階段，由于車身外形曲面構(gòu)造比較復(fù)雜，不可能一次性構(gòu)造完所有的曲面，所以處理完成之后需要對(duì)“點(diǎn)云”曲率進(jìn)行評(píng)估，評(píng)估的目的是對(duì)“點(diǎn)云”進(jìn)行分塊處理，以方便后期進(jìn)行分塊建模，如圖5。

（2）根據(jù)曲率，用曲線將汽車模型“點(diǎn)云”數(shù)據(jù)分成四部分，如圖6，Imageware提供了一套非常完整的曲線創(chuàng)建功能，用于開發(fā)基于高質(zhì)量曲面和A級(jí)曲面。

（3）分塊完成之后對(duì)各個(gè)面進(jìn)行曲面重構(gòu)，先對(duì)車頂面進(jìn)行曲面重構(gòu)，考慮到車頂面的“點(diǎn)云”分布和即將構(gòu)成的曲面形狀，采用依據(jù)“點(diǎn)云”和曲線擬合的方式構(gòu)建曲面如圖7。

（4）對(duì)于整個(gè)車身曲面重構(gòu)，進(jìn)行拼接，拼接后，填充孔，光順之后的效果如圖8。

（5）完成之后進(jìn)行鏡像處理，由于存在縫隙，需要把兩個(gè)半車身進(jìn)行拼合，在Imageware里這種拼合可以用橋接的方式，橋接對(duì)于處理面與面之間的連接效果是非常完美的。

4.3 重構(gòu)模型的檢測(cè)

Imageware中對(duì)曲面的光順度有兩種檢測(cè)方法，反射線檢測(cè)法和高光直線檢測(cè)法，這兩者的區(qū)別是反射線把模擬燈光照射在相應(yīng)的曲面上，把反射出來的等高流線作為曲面光順度的評(píng)價(jià)指標(biāo)，而高光直線檢測(cè)是能夠把參考平面上的直線投影照射在相應(yīng)的曲面上，根據(jù)投影線的情況來判斷曲面的光順性，高光直線檢測(cè)是采用等高線和等高環(huán)的方式來表示的，兩者結(jié)果都是等高流向越平順而且之間的距離越均勻，說明曲面品質(zhì)越好，色彩分布圖顏色過渡的越自然說明曲面的品質(zhì)越好。

對(duì)于小汽車模型采用的是高光直線分析法，分析結(jié)果如圖10。

所選擇的燈光數(shù)量為20，間隔距離為10，從上圖分析結(jié)果可以看出，汽車頂面的等高流線比較平順且等高線之間的距離非常均勻，說明光順度很好，不用再做任何光順度的處理?？梢酝ㄟ^鼠標(biāo)拖動(dòng)控制點(diǎn)從而調(diào)節(jié)參考平面，達(dá)到最大程度的動(dòng)態(tài)檢查小汽車的各個(gè)曲面。

5 小結(jié)

本文將汽車模型的設(shè)計(jì)與逆向工程相結(jié)合是先進(jìn)的一種汽車外形的設(shè)計(jì)理念，解決了傳統(tǒng)汽車正向設(shè)計(jì)的一些不足。本文提供了用Imageware軟件進(jìn)行模型的重構(gòu)、光順度的檢測(cè)和評(píng)價(jià)的一些方法，為其他復(fù)雜的曲面反求和檢驗(yàn)研究提供了一些參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]單言，謝斌飛.Imageware逆向造型技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006.

[2]孫文學(xué)，鄺蕓.Imageware在逆向工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代制造工程，2005（08）.