呂 俊

(湖北民族學(xué)院機(jī)械電子工程系，湖北恩施445000)

少數(shù)民族物質(zhì)文化遺產(chǎn)中主要包括以下幾個方面:古遺址、古建筑及歷史紀(jì)念建筑物、摩崖石刻及巖壁畫、遺物等.隨著人們對文化遺產(chǎn)保護(hù)意識的日益增強(qiáng)以及科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，文物的保護(hù)得到日益重視，各種技術(shù)也用到其保護(hù)方法中，其中通過逆向工程技術(shù)建立文物數(shù)字模型實現(xiàn)其保護(hù)是較為可行的辦法，能夠真實、準(zhǔn)確地得到文物的三維數(shù)據(jù)，便于永久保存、文物修復(fù)及二次開發(fā)利用.但是如果完全依賴于該技術(shù)，則對初等解析曲面利用逆向工程技術(shù)造成不必要的工作量，因此在利用逆向工程技術(shù)的同時，如何合理利用正向技術(shù)與逆向技術(shù)對提高文物數(shù)字化保護(hù)效率有現(xiàn)實的研究意義.

1 逆向工程

1.1 基本概念

逆向工程RE(reverse engineering)也稱反求工程、反向工程，是指從實物樣本獲取產(chǎn)品數(shù)學(xué)模型并制造得到新產(chǎn)品的相關(guān)技術(shù).逆向工程與正向工程設(shè)計過程主要區(qū)別如圖1所示［1］.

1.2 主要技術(shù)

逆向工程可分為數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理、曲面重構(gòu)等關(guān)鍵技術(shù).

1)數(shù)據(jù)獲取 數(shù)據(jù)獲取是逆向工程CAD建模的首要環(huán)節(jié).根據(jù)測量方式不同，數(shù)據(jù)采集方法分為接觸式和非接觸式測量兩大類，具體分類如圖2所示，其中具有代表性的數(shù)據(jù)采集設(shè)備有三坐標(biāo)測量機(jī)、光學(xué)掃描儀和斷層掃描儀等［2］.

數(shù)據(jù)獲取質(zhì)量的好壞直接影響對實物描述的精確度和完整度，從而影響重構(gòu)的CAD曲面和實體模型的質(zhì)量，因此，需根據(jù)不同的要求采用不同的三維數(shù)據(jù)掃描儀器.

2)數(shù)據(jù)處理 數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵技術(shù)包括多視圖拼合、噪聲去除、數(shù)據(jù)簡化、數(shù)據(jù)補(bǔ)缺和網(wǎng)格化等.

首先，需要把從各個視角得到的多方位數(shù)據(jù)點集合并到一個公共的坐標(biāo)系下，以得到整合的模型數(shù)據(jù);其次，還需去除由于環(huán)境變化和其他因素采集到的噪聲;再次，是當(dāng)測量數(shù)據(jù)的密度很高時，如光學(xué)掃描設(shè)備，需要對大量的冗余數(shù)據(jù)進(jìn)行簡化;同時還需對由于實物本身的集合拓?fù)湓蚧蛘咂渌钃醵鵁o法采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)缺.

3)曲面重構(gòu) 實物形面經(jīng)掃描及數(shù)據(jù)處理后一般都會由多張曲面混合而成.因此，要先根據(jù)幾何特征對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行分割.然后分別對各個曲面片進(jìn)行擬合，再通過曲面的過渡、相交、裁剪、倒圓等手段，將多個曲面縫合成一個整體，即重建的CAD模型.

圖1 正向工程和逆向工程過程對比Fig.1 The Contrast of Forward Engineering and Reverse Engineering

圖2 數(shù)據(jù)獲取方法分類Fig.2 The Classification of Data Collection Methods

2 逆向工程CAD建模系統(tǒng)

逆向工程CAD模型重構(gòu)是RE過程中最關(guān)鍵、最復(fù)雜的一環(huán)，為后續(xù)的工程分析、創(chuàng)新設(shè)計、加工制造提供數(shù)學(xué)模型支持.隨著逆向工程及其相關(guān)技術(shù)理論研究的深入，提供逆向建模功能的軟件呈現(xiàn)兩大趨勢:一是專用的逆向軟件，如Imageware，Goemagic Studio，CopyCAD，ICEM Suff等;二是基于正向CAD/CAM軟件的逆向處理模塊，如Pro/Engineering的SCAN－TOOLS模塊、UG的Point cloudy模塊等.由于正向軟件有著曲面擬合重建快，逆向軟件對點云讀取、處理效率高等各自優(yōu)點，在實際建模過程中，往往采用“正向+逆向”的建模模式，即在正向CAD軟件如SolidWorks的基礎(chǔ)上，配備專用的逆向造型軟件如Goemagic Studio.因此，可以在逆向軟件中構(gòu)建出模型的特征線后，導(dǎo)入正向CAD系統(tǒng)完成曲面的重建，從而實現(xiàn)實物的三維建模.

3 逆向工程的應(yīng)用

在文物保護(hù)中，采用逆向工程技術(shù)對文物進(jìn)行三維掃描，經(jīng)數(shù)據(jù)處理、曲面重構(gòu)得到的文物三維數(shù)字化數(shù)據(jù)，不僅使文物得到再現(xiàn)，還可以永久保存，便于對文物進(jìn)行保護(hù)、修復(fù)及二次開發(fā)，降低了保護(hù)成本，也有利于提高利用價值.

由于Geomagic Studio軟件與SolidWorks軟件之間有較好的兼容性，在本例面具建模將兩者結(jié)合使用.如圖3a為儺戲中的面具數(shù)據(jù)獲取過程［3］，用Goemagic Studio將三維掃描儀得到的點云數(shù)據(jù)如圖3b經(jīng)噪聲去除、簡化、數(shù)據(jù)補(bǔ)缺等處理后生成面片如圖3c，再經(jīng)轉(zhuǎn)換為NURBS曲面，如圖3d，將曲面以*.igs和*.stl格式輸出，然后用SolidWorks將*.igs曲面讀入，即可得到儺戲面具重構(gòu)模型.

圖3 面具數(shù)據(jù)獲取過程Fig.3 The process of the mask of data collection methods

在SolidWork導(dǎo)入NURBS曲面，應(yīng)用SolidWork模具設(shè)計插件Imild進(jìn)行模具設(shè)計，經(jīng)導(dǎo)入曲面、建立基準(zhǔn)面、繪制草圖、曲面放樣、曲面填充等過程便可生成模具，如圖4.最后，運用相關(guān)軟件在生成的*.stl文件基礎(chǔ)上進(jìn)行切片處理，得到二維層面信息，利用快速成型技術(shù)加工出如圖5所示的三維快速成型模型面具［4］.

圖4 面具凹模與凸模Fig.4 The concave molds and the convex molds of the mask

圖5 快速成型機(jī)面具Fig.5 The Mask molding by 3D fast machine

4 “正向+逆向”的綜合建模分析

對于復(fù)雜不規(guī)則曲面建模，如前面所述的儺戲面具以及如圖6所示的龍門石窟［5］，采用逆向工程技術(shù)建模較為實用，可以提高此類復(fù)雜曲面實物的建模效率.

然而，對于規(guī)則幾何形面與復(fù)雜曲面并存的文物，如土家族吊腳，圖7所示，則不能全部依賴于逆向工程技術(shù)，其宏觀建筑結(jié)構(gòu)如青瓦、梁柱等這類具有簡單初等解析曲面(平面、圓柱面、圓錐面等)的簡單構(gòu)件，則宜采用正向CAD軟件建模.沒必要用自由曲面去擬合一張顯然是平面或圓柱面的曲面［6］.但窗花雕等工藝如圖8，為復(fù)雜曲面則適合采用逆向工程技術(shù)，因此對于此類物質(zhì)文化遺產(chǎn)要借助于正向的CAD軟件建模與逆向工程技術(shù)聯(lián)合使用.同時，“正向+逆向”綜合建模過程中，需要對復(fù)雜曲面構(gòu)件在文物中進(jìn)行標(biāo)靶，以確定復(fù)雜曲面構(gòu)件在文物中的精確位置，如窗花雕在吊腳樓中的坐標(biāo)位置.另外在后期制作中對初等解析曲面采取貼圖方式，復(fù)雜曲面則要采取紋理映射方式實現(xiàn)文物建模外觀效果圖.

圖6 龍門石窟Fig.6 Longman grottoes

圖7 吊腳樓Fig.7 Diaojiao building

圖8 窗花雕Fig.8 Window carving

5 結(jié)語

本文論述了逆向工程從數(shù)據(jù)采集、建模到產(chǎn)品制作的基本過程，討論了“正向+逆向”建模的兩種情況:一是利用正向建模軟件輔助逆向建模軟件實現(xiàn)文物的曲面重構(gòu)，從而得到文物數(shù)字化模型;二是利用正向軟件建立初等解析曲面，逆向建模技術(shù)建立復(fù)雜曲面的綜合建模方法.

［1］ 王海南，邱望標(biāo).基于逆向工程的少數(shù)民族文化遺產(chǎn)保護(hù)方法研究［J］.機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2011，24(2):175－177.

［2］ 成思源，謝韶旺.Geomagic Studio逆向工程技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2010:2－3.

［3］ 王海南.逆向工程技術(shù)在貴州少數(shù)民族文化遺產(chǎn)保護(hù)中的應(yīng)用研究［D］.貴陽:貴州大學(xué)，2008.

［4］ 張秀華，楊秀成，等.基于逆向工程的貴州儺戲面具的保護(hù)研究［J］.貴州工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2008，37(5):99－101.

［5］ 趙煦，周克勤，閆利，等.基于激光點云的大型文物景觀三維重建方法［J］.武漢大學(xué)學(xué)報，2008，33(7):684－687.

［6］ 張榮強(qiáng).逆向工程技術(shù)在古典家具保護(hù)方面的應(yīng)用與研究［J］.機(jī)械設(shè)計，2013，30(1):101－103.