李志彥

摘? 要：該項目用到一款點云數(shù)據(jù)處理軟件Geomagic Studio，在處理非大量點云數(shù)據(jù)時具有一定優(yōu)勢。該文中，筆者主要介紹利用Geomagic Studio軟件處理掃描獲取的點云數(shù)據(jù)生成曲面模型，然后生成三維模型的過程。從數(shù)據(jù)預處理、提取特征線、構(gòu)建曲面、生成三維模型4個基本步驟對基于Geomagic Studio點云數(shù)據(jù)處理三維建模技術(shù)進行了分析和總結(jié)。

關(guān)鍵詞：點云數(shù)據(jù)? Geomagic studio? 特征線? NURBS曲面

中圖分類號：TP391 ? ?文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）07（c）-0013-02

隨著激光技術(shù)的快速發(fā)展，激光三維掃描技術(shù)以其獨有的優(yōu)勢正廣泛地應用于各個領(lǐng)域。與傳統(tǒng)的三維信息獲取技術(shù)相比，能快速、精確、無接觸完成對復雜表面測量和建模。目前，市場上涌現(xiàn)出了大量的商業(yè)化激光掃描點云數(shù)據(jù)處理軟件。大致可分為：專用的逆向軟件，如Sufacerl0.0、CopyCAD、TRACE、cyclone、Geomagic、polyworks等;以及一些流行的CAD/CAM集成系統(tǒng)中也開始集成了類似模塊。如Uni-graphics中的Point Cloud功能、Cimatron90中的Reverse Engineering功能模塊等。其中，Geomagic studio軟件以先進的數(shù)學模型、曲面構(gòu)造理論為基礎(chǔ)，被廣泛用于點云數(shù)據(jù)處理工作中。它不同于傳統(tǒng)的點—線—面的曲面構(gòu)建方式，而是提供了基于多邊形網(wǎng)格化快速曲面構(gòu)建方式，體現(xiàn)了點云數(shù)據(jù)生成三維模型技術(shù)發(fā)展的新趨勢。

1? Geomagic Studio軟件簡介

Geomagic Studio軟件是美國雨滴（Raindrop）公司出品的逆向工程和三維檢測軟件，它可掃描所得的點陣模型創(chuàng)建良好的多邊形模型或網(wǎng)格模型，并轉(zhuǎn)換為NURBS曲面。該軟件主要功能包括：橫切截面輪廓線獲取;新點坐標數(shù)據(jù)處理技術(shù);按曲率連續(xù)填補破洞;自動將NURBs曲面邊界合并到新的掃描測量數(shù)據(jù)中;其主要特點支持多種掃描儀文件格式的讀取和轉(zhuǎn)換、海量點云數(shù)據(jù)處理等。筆者通過項目實例進行簡單的闡述以給予讀者更多啟發(fā)。

2? 項目實例

2.1 點云數(shù)據(jù)處理

基于Geomagic Studio軟件的點云數(shù)據(jù)處理流程一般如圖1所示，首先將測得點云數(shù)據(jù)進行預處理，然后提取地物特征線，反復編輯特征線生成最貼近實際的曲面，最后構(gòu)建成三維模型。

2.1.1 讀取與渲染

Geomagic Studio軟件支持市場上大部分掃描儀的點云數(shù)據(jù)載入。為了獲得完整點云，運用三維激光掃描儀從多個不同方向進行掃描，運用對齊功能將分塊的點云數(shù)據(jù)統(tǒng)一到同一個坐標系上，由于是雜亂的點，顯示并不直觀，在Geomagic Studio軟件中使用Shade Points命令渲染點云數(shù)據(jù)，增加三維感真實感以便于后續(xù)操作。

2.1.2 濾除噪聲點

由于受鏡頭畸變、測量時環(huán)境光、圖像處理的算法等的影響，采集的數(shù)據(jù)含有較多的噪聲點。先人工刪除大片孤立的點云數(shù)據(jù)，再自動過濾掉超過設定閾值的孤立噪聲點，提供了兩種方法：（1）手動刪除噪聲點;（2）Reduce Noise命令自動過濾噪聲點。單擊點→噪聲處理→將平滑度適當?shù)闹?，效果最佳→選中預覽選項。

2.1.3 生成曲面

使用多邊形網(wǎng)格（ploy mesh）封裝，進入Wrap封裝階段。封裝實質(zhì)上使許多細小的空間三角形逼近還原CAD實體模型。將點云組織起來生成一個曲面，操作方法為：點擊Point（點）→Wrap（封裝），點擊surface選項。在點對象上創(chuàng)建一個多邊形網(wǎng)格，Model Mangager（模型管理器）創(chuàng)建了一個新對象，但被測模型本身的幾何拓撲關(guān)系或遮擋、破損以及不同站點之間點云數(shù)據(jù)拼接存在縫隙等原因，會導致部分表面無法測量或采集數(shù)據(jù)存在破損現(xiàn)象。如圖2（a）所示。

2.1.4 漏洞修補

封裝生成數(shù)字化模型后，發(fā)現(xiàn)存在破損，可通過填充孔命令在這些缺失數(shù)據(jù)區(qū)域里來創(chuàng)建一個基于曲率的填充（curvature-based filling）或一個平面填充（flat fill），執(zhí)行全部填充、部分填充或橋填充，單擊多邊形→填充單個孔→點擊洞的紅色邊緣;或運用繩索工具選中凹下去和凸出來的地方→多邊形→全部填充，將缺失數(shù)據(jù)補齊完整。如圖2（b）所示。

2.1.5 數(shù)據(jù)精簡

Geomagic Studio軟件提供了點云數(shù)據(jù)的精簡命令，通過設置一個采樣百分比就可以將點云數(shù)據(jù)均勻減少。

2.2 提取特征線

在Geomagic Studio軟件中有兩種特征線提取方法。一種方法是使用切割（Cross Section）曲線特征。用戶指定一個平面，軟件將與該平面相交的零件外形特征線提取出來。軟件默認的切割平面有x軸、Y軸、z軸的法平面，用戶也可以通過手工指定法方向來確定切割平面，并且可以設置點云數(shù)據(jù)在某一方向的截面切割數(shù)量，對于曲率變化比較大的截面可以增大截面切割數(shù)量來保留曲面特征。另外一種方法是將軟件自動抽取的零部件特征、邊界轉(zhuǎn)換成特征線，如果自動抽取的特征線并不完全是我們需要的，需通過執(zhí)行“升級/約束”命令進行修改。

在軟件中設置只顯示點云數(shù)據(jù)的特征線，并以截面為單位將一截面上的點云以樣條曲線相連，就可以將點云轉(zhuǎn)換成樣條曲線。

2.3 創(chuàng)建NURBS曲面

NURBS曲面重建包括檢測曲率、構(gòu)建及編輯曲面片、構(gòu)建風格、擬合曲面等，在開始曲面擬合過程，對于曲率變化比較大，或表面由多個自由曲面區(qū)域組成的曲面重建之前，首先對其表面進行區(qū)域劃分，它是零件曲面重建的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，應以曲面分析為基礎(chǔ)進行合理劃分。曲面片劃分大小的問題，過小的曲面太碎，過大難以捕捉點云形狀。系統(tǒng)自動構(gòu)建好的曲面片需進一步調(diào)整，松弛曲面片可使輪廓線變得挺直。操作方法為：編輯→相位→圖形相位→路徑→自動曲面（將曲面細節(jié)設置為最大）。結(jié)果如圖2（c）所示。

2.4 模型輸出

創(chuàng)建曲面模型后，可將該曲面數(shù)據(jù)輸入到CAD或CAM系統(tǒng)中。有許多格式（如3DS、OBJ、IGES、STEP、VDA等）可支持曲面數(shù)據(jù)的輸出。完成后可根據(jù)平臺與后續(xù)軟件的不同要求輸出不同格式的文件。

3? 結(jié)語

Geomagic Studio支持多種掃描儀的文件格式的讀取和轉(zhuǎn)換、海量點云數(shù)據(jù)的預處理、智能化NURBS構(gòu)面等，它采用的點云數(shù)據(jù)的采樣精簡算法，克服了其他同類軟件中對點云數(shù)據(jù)操作時，軟件進行圖形的拓撲運算速度慢、顯示慢等弊端。

Geomagic Studio軟件的優(yōu)勢有：簡化了工作流程;提高了生產(chǎn)率;實現(xiàn)了即時定制生產(chǎn);兼容性強。

參考文獻

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