Geomagic软件三维建模研究

摘要：本文依据逆向工程的基本原理和逆向工程软件Geomagic Studio的基本工作流程，对雕塑雄鹰三维点云进行数据处理，完成了雄鹰的三维建模过程。文中详细介绍了雄鹰各部分在Geomagic中点云数据处理的过程，并在模型合并完成后对其进行材质贴图并渲染，最后介绍了Geomagic与Solidworks，Polyworks，Imageware等软件之间如何进行数据共享；重点阐述了点云在Geomagic里的处理过程，包括点云阶段的拼接、点云预处理，封装形成三角面，在多变形阶段破洞修补以及优化处理，在形状阶段构建曲面片、构建格栅并最终生成了NURBS曲面。

关键词：三维点云；逆向工程；Geomagic；三维建模

Abstract: based on the basic principle of reverse engineering and reverse engineering software Geomagic Studio basic work process, the eagle to sculpture 3 d point cloud data processing, the completion of the eagle 3 d modeling process. This paper introduces the eagle each part in Geomagic point cloud data processing process, and after the merger in model of the texture and rendering, at last, the paper introduces the Geomagic and Solidworks, Polyworks, Imageware between software such as to how to share data; Focuses on a cloud in the Geomagic treatment process, including the point cloud stage joining together, the point cloud pretreatment, packaging form triangle surface, in many deformation stage hole repair and optimization, in the shape of the construction stage of construction, the surface and eventually generated the grille NURBS surface.

Keywords: 3 d point cloud; Reverse engineering; Geomagic; 3 d modeling

中图分类号： O343.2文献标识码：A 文章编号：

0 引言

随着计算机技术、通讯技术、机械制造技术的发展，三维激光扫描的成本越来越低，应用领域也渗透到国民经济的各个方面，如何对三维激光扫描仪扫描到的点云进行处理已成为热点问题。作为四大逆向工程软件之一，Geomagic Studio是由美国 Raindrop 公司出品的逆向工程和三维检测软件，可轻易地从扫描所得的点云数据创建出完美的多边形模型网格，并可自动转换为 NURBS 曲面。本设计利用Geomagic Studio软件对产品三维点云数据进行处理，分析Geomagic Studio从点云到其它软件继续处理的完整过程，反向推出产品的设计数据，包括设计图样和数字模型，为三维激光扫描仪点云数据处理和应用提供一种新的途径。

1 逆向工程概述

1.1 逆向工程简介

逆向工程是对产品设计过程的一种描述，与正向设计相对应。在工程技术人员的一般概念中，产品设计过程是一个从无到有的过程，即设计人员首先在大脑中构思产品的外形、性能和大致的技术参数等，然后通过绘制图纸建立产品的三维数字化模型，最终将这个模型转入到制造流程中，完成产品的整个设计制造周期。这样的产品设计过程称为“正向设计”过程。逆向工程产品设计可以认为是一个“从有到无”的过程。简单地说，逆向工程产品设计就是根据已经存在的产品模型，反向推出产品的设计数据（包括设计图纸或数据模型）的过程。

1.2 逆向工程流程

目前，国内外有关逆向工程的研究主要集中在几何形状的逆向，即重建产品实物的CAD，称为“实物逆向工程”。

2基于Geomagic 12的三维模型重建

2.1 Geomagic Studio 软件简介

Geomagic Studio软件是美国Raindrop公司出品的逆向工程和三维检测软件，它可根据物体扫描所得的点阵模型创建出良好的多边形模型或网格模型，并将它们转换NURBS 曲面。该软件主要特点是支持多种扫描仪的文件格式的读取和转换、海量点云数据的预处理、智能化NURBS构面等等。它采用的点云数据的采样精简算法，克服了其他同类软件中对点云数据操作时，软件进行图形的拓扑运算速度慢、显示慢等弊端。而且软件人性化的界面设计，使其操作非常方便。

2.2 Geomagic Studio软件工作流程

根据软件输入的数据与其他软件或设备的接口，不同的逆向软件有不同的工作流程，可以采用点―线―面和点―多边形―面等方式，Geomagic Studio采用了点―多边形―面的工作流程，从上图可以看出Geomagic Studio软件主要包括点云阶段、包装阶段、多边形阶段。

2.3 雄鹰的三维模型重建

2.3.1 获取并优化点云

为了得到完整的点云,运用三维激光扫描仪从多个不同的方向进行扫描,再将各分块点云用对其功能统一到一个坐标系下。

拼接后的点再经过去除杂点和噪声点以及点云取样后可得到一个比较好的雄鹰点云，但由于其整体结构比较复杂，我们需将其分割成两个部分也即鹰体和支柱来分别进行建模。下面具体介绍建模过程。

2.3.2 具体建模过程

首先是封装过程，点云数据处理完成后，进入Wrap封装阶段。把分割优化后的鹰体点云数据进行封装，实质上是用许多细小的空间三角片来逼近还原CAD实体模型。

由于被测模型本身的几何拓扑原因或因遮挡效应、破损以及不同站之间点云数据拼接存在缝隙等原因，会存在部分表面无法测量、采集的数字化模型存在数据破损的现象。可通过填充孔命令将这些缺失数据补齐。

填充孔之后的鹰大致呈现出粗糙的模型，需要对其进行光顺，可用快速光顺来快速去除表面的不光顺处，这个命令减少了先删除几何形状再基于曲率的填充空隙的步骤。对于一些表面的小肿块也可以用砂纸来交互式光顺或松弛对象上的区域（如去除肿块）。

接下来是精确曲面阶段。完成多边形的编辑处理后，进入形状阶段，包括检测曲率、构建及编辑曲面片、构建网格、拟合曲面等以完成雄鹰的NURBS曲面重建。

使用精确曲面下的探测功能 下的探测曲率，对鹰体的曲率进行自动探测。如果探测出来的轮廓线并不完全是我们需要的轮廓线，还可通过执行“升级/约束”命令进行修改。

接下来是构建曲面片，曲面片的划分是构建曲面的关键环节,应以曲面分析为基础进行合理划分，构建出的曲面片在需要比较精细的地方有比较多且小的嵌片,在比较平坦的地方有比较少且大的嵌片。系统自动构建好的曲面片需进一步调整,使用松弛曲面片功能可使轮廓线变得挺直。使用Geomagic的松弛轮廓线功能可使边界线平均分布,且可以预防边界线有互相交叉的情况。利用移动面板功能，设定控制点，对每个嵌片进行编辑，如曲面片分布、曲线松弛、路径等。

调整好曲面片布局图后,使用构造格栅功能 , 将会在每个嵌片内分布U-V网格线,NURBS 曲面的控制点将会依据这些网格而产生,定义分辨率值为20 (分辨率越高,曲面越精细, 分辨率越低, 曲面越平顺, 取20～50较理想) ,选择修复相交区域,选择检查几何图形。

模型构造格栅后,用拟合曲面功能 拟合NURBS曲面,我们要的曲面是要比较精细的,采用默认的控制点和表面张力,生成曲面模型。如果要追求最好的细节,可将表面张力调到最小,控制点数目调到最大。

2.3.3 模型合并及贴图

在完成鹰体和支柱两部分的分别建模之后，我们需要将二者重新合并成一个整体。两种方法：可以直接在多边形阶段完成合并；也可以将两个模型转换成点云，然后进行点云和并并封装处理。效果如下图所示：

（a）点云（b）多边形

图1 点云合并和封装

为了让模型显得更加逼真，我们可以给其进行模型贴图。先在网上搜集符合事物模型的素材或者是模型现实中的相片，然后利用软件自带贴图功能实现这一过程。效果如图13所示：

图2 模型贴图

3 结束语

在逆向工程后处理中，Geomagic Studio 软件可以有效的进行点云数据的各个阶段处理，包括点阶段、多边形阶段、形状阶段。实践证明，利用该软件，可直接获得零件原型的数字曲面，加快复杂零件逆向工程的数字建模进程，大大提高产品设计和制造的效率和质量。

参考文献

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注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。