逆向工程灯罩曲面的测量与重构

摘要：在比较详细介绍了曲面三维测量技术与设备的基础上，通过光学三维扫描技术对灯罩实体曲面模型进行了快速扫描，从而获得灯罩的点云数据；对于曲面重构方案、造型阶段与处理软件GeomagicStudio软件作了较为详细介绍，最终通过GeomagicStudio软件的三大处理阶段获得灯罩曲面模型，为灯罩零件后续的三D模型的创建和改进提供了基础。

关键词：灯罩零件曲面测量 曲面重构 GeomagicStudio软件

逆向工程（Reverse Engineering），又称反求工程，与传统的产品设计制造——从概念设计到图样设计，再制造出产品，称之为正向工程（或顺向工程）相反，它起源于精密测量，是将已有实物模型或产品模型转化为工程设计的CAD模型，特别适合于复杂的三维曲面的测量与重构。可在此基础上对已有实物或者产品进行分析、改造、再设计[1]，是在已有设计基础上的再设计，是集测量技术、计算机软硬件技术、现代产品设计与制造技术的综合应用技术。

1 曲面的测量

逆向工程技术要从现有实体模型进行再模仿和改进设计，首先必须对于现有实体模型或者油泥模型进行测量，因此曲面数据的采集是逆向工程的最重要的步骤和工作内容。只有曲面的三维点云数据通过各种数据采集设备采集测量到后，才能根据点云数据进行曲面的重构和三D模型的再创建[2]。

1.1 曲面数据采集方法及其特点

曲面数据的采集方法大致可分为两大类，一种是接触式测量，另一种是非接触式测量，这是按照被测量工件与测量设备仪器在具体测量过程中是否相接触来进行的一种基本分类方法，此外根据测量原理等的不同，在基本分类基础上还可细分出一些不同的曲面数据采集测量方法。

曲面测量时，测量数据的准确性、方便性、快捷性是衡量比较测量方法的优劣的主要指标。如果需要高精度的数据采集，接触式测量是最佳的选择，不但接触精度高抗干扰性好，操作也简便，总体的测量成本不高；但是接触式测量由于存在工件与测量设备之间的接触产生的接触压力，使得对于某些质地柔软的零件必然产生较大的测量误差，且测头半径三维补偿问题仍然存在。而在非接触式测量中，因为测量设备与实测工件间，测头与工件间是处于少接触或者完全正确不接触，仅仅通过中间介质如：激光，声波，电磁场等来传递信息，几乎不存在接触力的问题，同时也没有测头半径三维补偿问题，因而特别适合于采集那些质地柔软或弹塑性材料制成的零件的相关数据。

1.2 光为介质的非接触式数据采集方法

光为介质的非接触式数据采集方法通常具有数据采集速度快、精度高，排除了由测量摩擦力和接触压力造成的测量误差，避免了接触式测头与被测表面由于曲率干涉产生的伪点；能得的密集的数据点云，最大限度地反映被测表面的真实形状，因而光学原理的方法来采集数据的方法在当今逆向工程中获得了大量的应用。

1.3 天远三维光学扫描设备的构成及数据采集

天远三维光学扫描仪是北京天远三维科技有限公司与清华大学联合开发的、具有自主知识产权的非接触光学三维扫描仪，基于结构光法原理进行数据的采集。

1.3.1 系统关键操作

摄像机定标。摄像机定标是得到三维世界中物体点的三维坐标与其图像上对应点的函数关系的过程。摄像机定标的精度是决定系统扫描精度的重要因素。

通过改变标定块位置与角度或者是摄像机上下的位置与角度，将标定块光点拍摄六次，点位置定标完成之后把定标块翻到背面拍摄三次进行平面位置定标，从而建立起默认的空间座标系。

标志点设定与拼接。标志点拼接扫描是利用两次拍摄之间的公共标志点信息来对实现两次拍摄的数据的拼接。使用标志点前，要对待测物体进行分析，在需要、合适的位置上贴上标志点，通过多次的扫描及拼接得到需要的数据。标志点贴法有如下注意事项：

标志点只能贴在物体平面部分上，如果贴在不是平面部分，会产生较大的误差。

每两次扫描的公共标志点个数要不少于4个，如果公共标志点个数少于4个，那么系统会提示拼接错误。

1.3.2 灯罩零件点云数据的测量

灯罩工件是一个完全均匀的薄臂曲面工件，因而只需要实测出灯罩工件三维曲面的外部数据点云，在曲面重构软件上重构外部曲面后，抽壳加厚就可以形成工件的三D实体模型，从而简化了测量过程。以下是利用天远三维测量系统完成并输出的灯罩ASC点云文件格式-灯罩的点云数据图。

2 曲面的重构

2.1 曲面重构方案的分类

按照最终生成曲面的类型来划分，目前应用最为广泛的曲面重构方案主要可分为二类，这二种方案重构曲面的质量、流程操作的方便性、适应的实体模型的范围都有所不同。

四边形B-Spline或NURBS曲面为基础的曲面构造方案。这类曲面较为适合通常的工业制成品如：汽车、飞机、轮船等对曲面品质要求高的场合，数据的拟合对于点云数据要求较高，要求单向有序。曲面类型通常为Bezier、B-Spline、NURBS曲面，这三种曲面可以统一由NURBS曲面来表示，NURBS曲面可以通过控制点和权值方便灵活地控制修改曲面形状，达到再设计的目标。

三角Bezier曲面为基础的曲面构造方案。此种方法最适合表现无规则曲率变化大、曲面变化密集的复杂型面的物体，特别是表面复杂的工业品、艺术品、玩具等对象，它的理论基础是三角Bezier曲面，特点是构造灵活，适应性好。

2.2 快速曲面重构造型方式

快速曲面造型方式顺应了当前的CAD造型系统与快速原型多边形表示的需要，简单直观，适于快速和实时显示领域，已经成为目前曲面造型的一种主流。缺点是存在计算量大，对于计算机的硬件设置要求高，所产生的拓扑结构未考虑有实体的曲面拓扑关系，使得两种拓扑结构不相一致。曲面对于点云的快速适配要使用高阶的NURBS曲面，面片间难以实现曲率连续。

通过对点云数据的网格化处理，建立多边形化表面，是实现快速曲面造型的方式。其具体有以下几个步骤：首先从处理好的数据点云中封装好三角网格，再对多边形的三角网格曲面进行一系列编辑处理、分片，得到一系列有四条边界的子网格曲面；后对四条边界的子网格曲面逐一参数化；最后用NURBS曲面片来拟合每片子网格曲面，得到保持了一定连续性的曲面。

2.3 GeomagicStudio软件与曲面重建的流程

由美国雨滴公司出品的GeomagicStudio逆向系统是当今最流行的逆向工程专用软件之一，从扫描所得的点云数据创建出完美的多边形网格并转换为NURBS曲面可轻易实现。它能快速地整理点云数据并进行封装从而产生多边形网格，并能够方便地处理这些网格达到要求来构建任何复杂模型的曲面。

用许多细小的空间三角片来逼近还原实体模型是GeomagicStudio软件进行逆向设计的基本原理。在建模策略上，GeomagicStudio采用的是用NURBS曲面片拟合直接创建面模型的策略，其具体的曲面重建流程可划分为点云处理-多边形处理-曲面造型三个前后紧密联系的阶段来进行[3]。

2.4 GeomagicStudio灯罩曲面重构实例

对来自于天远三维数据测量系统获得的灯罩点云数据信息，进行点云数据的降噪、等距采样等处理，将灯罩点云数据处理成整齐、有序，达到可提高处理效率的高质量的点云数据，最后封装三角网格数据。

灯罩的多边形处理阶段必须对于已经封装好的点云处理数据进行删除特征、砂纸打磨松驰、填充孔等方法对于表面数据进行光顺与优化处理，以便获得光顺的、完整的三角片网格，提高后续的曲面重构质量。

在多边形处理阶段获得灯罩光顺完整的多边形曲面后，在曲面重构造型阶段，完成探测轮廓边界线并编辑，根据曲率的变化情况探测曲率线并编辑，构造曲面片并编辑，定义面板达到均匀化曲面片，建构栅格并编辑，最终拟合出NURBS灯罩曲面。

参考文献：

[1]袁根华.RE与RP技术在模具行业中的应用[J].模具制造，2011，2：85-90.

[2]黄诚驹等.逆向工程项目式实训教程[M].北京：电子工业出版社，2004.

[3]成思源，谢韶旺.GeomagicStudio逆向工程技术及应用[M].北京：清华大学出版社，2010.

作者简介：袁根华（1963-），男，江西宜春人，高级工程师，模具制造工技师、设计师，广州工程技术职业学院从事模具专业的教学工作，研究方向：模具CAD/CAM/CAE，特种电加工应用技术。