夏會(huì)芳，湯 劍，張琳瑯，蘇秀芝

(武漢華夏理工學(xué)院 智能制造學(xué)院，湖北 武漢 430223)

0 引言

逆向工程(Reverse Engineering)也稱反求工程或逆向設(shè)計(jì)，是將已有產(chǎn)品模型(實(shí)物模型)轉(zhuǎn)化為工程設(shè)計(jì)模型和概念模型，并在此基礎(chǔ)上解剖、深化和再創(chuàng)造的一系列分析方法和應(yīng)用技術(shù)的組合[1]。

逆向工程的過程大致如下：首先由數(shù)據(jù)采集設(shè)備獲取樣件表面數(shù)據(jù)，其次導(dǎo)入專門的數(shù)據(jù)處理軟件或帶有數(shù)據(jù)處理的三維CAD軟件進(jìn)行前處理，然后進(jìn)行曲面和三維實(shí)體重構(gòu)，在計(jì)算機(jī)上復(fù)現(xiàn)實(shí)物樣件，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行修改和創(chuàng)新設(shè)計(jì)，最后對(duì)再設(shè)計(jì)的對(duì)象進(jìn)行實(shí)物制造。其中從數(shù)據(jù)采集到CAD模型的建立是反求工程中的關(guān)鍵技術(shù)[2]。

本文以兵馬俑人俑工藝品為研究對(duì)象，利用逆向工程技術(shù)對(duì)人俑模型進(jìn)行逆向建模。

1 人俑三維數(shù)據(jù)采集

1.1 掃描前處理

本次掃描選用日本柯尼卡美能達(dá)三維掃描儀RANGE7對(duì)人俑模型進(jìn)行數(shù)據(jù)采集?？履峥滥苓_(dá)三維掃描儀屬于非接觸式光學(xué)掃描儀，物體表面明暗程度會(huì)影響掃描數(shù)據(jù)的質(zhì)量，另外要獲得物體表面完整的數(shù)據(jù)，需多方位掃描[3]。所以掃描前處理主要是表面處理、貼標(biāo)記點(diǎn)。兵馬俑表面比較暗，所以噴上白色顯像劑(如圖1所示)，并貼好標(biāo)記點(diǎn)。

1.2 對(duì)焦、掃描

將兵馬俑模型放入黑色托盤中，對(duì)好焦，開始掃描，掃描的三維圖像顯示在預(yù)覽窗口中，掃描的數(shù)據(jù)以默認(rèn)的文件名加入右邊的點(diǎn)云列表中，如圖2所示。

1.3 變化角度再次掃描

將轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度再次掃描，直至完成所有的數(shù)據(jù)掃描，如圖3所示。

圖1 人俑實(shí)物噴顯像劑處理 圖2 一個(gè)視角的掃描 圖3 多個(gè)視角的掃描

1.4 合并、保存

將掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行合并，生成完整的兵馬俑外形測(cè)量數(shù)據(jù)，如圖4所示,并以STL的文件格式保存。

2 人俑點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

將采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入Geomagic Wrap軟件中進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理。

2.1 刪除噪點(diǎn)

將模型進(jìn)行著色處理以后，點(diǎn)擊“選擇”，再點(diǎn)擊“非連接項(xiàng)”，在參數(shù)欄中將尺寸改為5.0，點(diǎn)擊“應(yīng)用”，該操作主要選中模型周圍比較遠(yuǎn)的非連接點(diǎn)，選中以后，非連接點(diǎn)變成紅色，點(diǎn)擊“確定”，再點(diǎn)擊“刪除”，即可刪除選中的點(diǎn)，如圖5所示。再點(diǎn)擊“體外弧點(diǎn)”此時(shí)敏感度設(shè)為85%，點(diǎn)擊“應(yīng)用”，此次操作主要選中模型周圍比較近且質(zhì)量不好的非連接點(diǎn)，選中的非連接點(diǎn)會(huì)變成紅色，點(diǎn)擊“確定”后刪除，如圖6所示。

2.2 點(diǎn)云封裝

點(diǎn)擊“封裝”，此時(shí)點(diǎn)云變成面，左側(cè)對(duì)話框勾選“保持原始數(shù)據(jù)”，點(diǎn)擊高級(jí)，邊緣孔最大數(shù)目調(diào)為5，點(diǎn)擊“確定”完成操作。點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為網(wǎng)格面片，如圖7所示。

圖4 兵馬俑完整數(shù)據(jù) 圖5 刪除較遠(yuǎn)非連接點(diǎn)圖6 刪除較近非連接點(diǎn)

2.3 填充及光順處理

使用“全部填充”命令，將空缺填補(bǔ)起來。選中特征，右鍵選中“去除特征”命令，將釘狀物及平面凸起和凹陷處理成光滑的曲面，如圖8所示。

圖7 封裝完成 圖8 曲面填充及光順處理

3 人俑逆向建模

通過Geomagic Wrap軟件處理好的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，以STE格式文件導(dǎo)入到逆向建模軟件Geomagic Design X中進(jìn)行曲面重建。

3.1 劃分領(lǐng)域

點(diǎn)擊“領(lǐng)域”中的“自動(dòng)分割”，由于本模型曲面較復(fù)雜，因此敏感度設(shè)為5%，如圖9所示。

圖9 劃分領(lǐng)域 圖10 對(duì)齊坐標(biāo)

3.2 坐標(biāo)對(duì)齊

將“模型”命令欄里的“平面”定義改成“平均”，選中底座前后兩平面點(diǎn)擊確定，成功創(chuàng)建平面1，同理利用底座左右兩平面創(chuàng)建平面2，再追加平面3，定義改為“提取”，選中底座下表面，點(diǎn)擊確定。利用以上三平面進(jìn)行“手動(dòng)對(duì)齊”，使模型坐標(biāo)與軟件坐標(biāo)系對(duì)齊，如圖10所示。

3.3 曲面重構(gòu)

曲面重構(gòu)是逆向工程技術(shù)中最復(fù)雜最關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié),特別是針對(duì)人物類型工藝品,造型的多樣化導(dǎo)致我們需要考慮如何確定邊緣條件、型值點(diǎn)的權(quán)值以及如何反求相應(yīng)權(quán)值點(diǎn),因此曲面重構(gòu)較為困難。本實(shí)例采用“自動(dòng)曲面創(chuàng)建”命令，得到滿足要求的曲面模型，如圖11所示。

圖11 自動(dòng)曲面創(chuàng)建 圖12 導(dǎo)入模型圖13 完全對(duì)齊

4 模型計(jì)算機(jī)輔助檢測(cè)

在逆向建模時(shí)，對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行曲面重構(gòu)，因此需要比較重構(gòu)曲面與點(diǎn)云的誤差，以確保曲面和點(diǎn)云的誤差在許可的范圍內(nèi)。為此將前面Geomagic Wrap軟件處理好的點(diǎn)云數(shù)據(jù)STL文件和Geomagic Design X軟件建模好的STP文件導(dǎo)入Geomagic Control X軟件中，導(dǎo)入結(jié)果如圖12所示。

4.1 初始對(duì)齊及最優(yōu)匹配

使用“初始”菜單欄中的“初始對(duì)齊”，勾選“利用特征識(shí)別提高對(duì)齊精度”，點(diǎn)擊確定則完成初始對(duì)齊，再點(diǎn)擊“最佳擬合對(duì)齊”，采樣比率改成100%，得到精確的完全對(duì)齊，如圖13所示。

4.2 3D比較及2D比較

在功能菜單中更改偏差數(shù)據(jù)，通過顏色分析是否在許可偏差范圍內(nèi)，模型顯示灰色說明整個(gè)模型均在許可范圍內(nèi)，且建模重構(gòu)平均精度控制在±0.005 mm以內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求。除此之外，檢測(cè)點(diǎn)與點(diǎn)之間的誤差，根據(jù)測(cè)量位置與參考位置XYZ坐標(biāo)數(shù)值的間隙距離來觀察是否偏移，此次檢測(cè)可知間隙距離均在0.01 mm以內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求。3D比較結(jié)果和2D比較結(jié)果如圖14、圖15所示。

圖14 3D比較

圖15 2D比較

5 人俑3D打印

將逆向建模數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為STL格式，導(dǎo)入切片軟件Materialiase Magics中進(jìn)行切片處理，如圖16所示。將最終生成的GCoad代碼導(dǎo)入3D打印設(shè)備進(jìn)行打印，得到如圖17所示的打印成品。

圖16 切片處理

圖17 人俑3D打印實(shí)物

6 結(jié)論

本文基于Geomagic Design X軟件和3D打印技術(shù)對(duì)兵馬俑人俑模型藝術(shù)品進(jìn)行逆向建模與快速成型，為復(fù)雜工藝品逆向建模及成型提供了一種解決方法[4]。但存在不足之處：打印成品模型跟兵馬俑人俑模型實(shí)體作對(duì)比，成品模型臉部表情等細(xì)節(jié)與實(shí)體之間有較小的偏差，清晰度沒有實(shí)體的高，需在后續(xù)工作中改善和解決。