蔡 敏，成思源，楊雪榮，張湘?zhèn)?/p>

（廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣州 510006）

基于Geomagic Design Direct的殘缺數(shù)據(jù)實(shí)體重構(gòu)*

蔡 敏，成思源，楊雪榮，張湘?zhèn)?/p>

（廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣州 510006）

面向?qū)嵨锏哪嫦蚬こ碳夹g(shù)是近幾年來研究和發(fā)展的熱點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)、文物保護(hù)和零件修復(fù)等領(lǐng)域。報告了對模型的殘缺表面數(shù)據(jù)進(jìn)行曲面和實(shí)體重構(gòu)的研究現(xiàn)狀，以及結(jié)合正向和逆向建模軟件進(jìn)行實(shí)體模型重構(gòu)的局限性。介紹了應(yīng)用軟件Geomagic Design Direct進(jìn)行實(shí)體模型重構(gòu)的優(yōu)勢以及對殘缺表面數(shù)據(jù)實(shí)體模型重構(gòu)的一般流程。提出了基于軟件Geomagic Design Direct的特征識別與提取功能，對殘缺表面數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)體重構(gòu)的解決方案，并以某一零部件的殘缺表面數(shù)據(jù)為例進(jìn)行實(shí)體重構(gòu)驗(yàn)證了該方案的可行性和便利性。

逆向工程；Geomagic Design Direct；殘缺表面數(shù)據(jù)；實(shí)體重構(gòu)

0 引言

逆向工程（Reverse Engineering，RE）也稱作反求工程，是一種產(chǎn)品外形設(shè)計(jì)的再現(xiàn)過程。廣義逆向工程的研究對象包括實(shí)物、軟件和影像等，其中，實(shí)物逆向研究的主要內(nèi)容包括幾何形狀反求、結(jié)構(gòu)反求和材料工藝反求等。實(shí)物逆向，是指應(yīng)用三維測量技術(shù)和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)，通過獲取實(shí)物表面信息進(jìn)而重構(gòu)得到實(shí)物的三維數(shù)字化實(shí)體模型。目前，應(yīng)用逆向工程技術(shù)對實(shí)物的幾何形狀與結(jié)構(gòu)進(jìn)行重構(gòu)，已廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)、文物保護(hù)和零件修復(fù)［1-2］等領(lǐng)域。

對產(chǎn)品或零件實(shí)物模型進(jìn)行逆向時，其原型表面幾何形狀的測量和基于測量數(shù)據(jù)的實(shí)體模型重構(gòu)是整個流程中最為關(guān)鍵的兩個步驟［3］。表面幾何形狀的測量是為了獲得實(shí)物模型完整、正確的表面信息，以便于后續(xù)的表面重構(gòu)。但是，在數(shù)據(jù)測量的過程中，時常受到模型復(fù)雜的幾何拓?fù)湫螤?、模型本身的完整性和儀器的測量范圍等因素的影響，只能得到殘缺的表面信息。例如模型表面的測量死角（對于三坐標(biāo)測量機(jī)，存在測量探頭無法測量到的模型側(cè)面幾何形狀復(fù)雜的區(qū)域；對于激光掃描儀，存在無法掃描到的型腔等區(qū)域）、原始模型本身存在殘缺或破損等［4］。

目前已有的對基于模型殘缺表面數(shù)據(jù)的曲面或?qū)嶓w重構(gòu)的研究［5-6］，基本上是關(guān)于殘缺數(shù)據(jù)補(bǔ)全或基于殘缺數(shù)據(jù)直接擬合曲面的算法研究。目前應(yīng)用較廣的逆向建模軟件（Imageware、Geomagic Studio等）對于殘缺表面信息的修補(bǔ)能力有限，只能修補(bǔ)模型表面中簡單的孔洞。對于多曲面連接處出現(xiàn)的數(shù)據(jù)缺失情況，修補(bǔ)得到的結(jié)果還原度不高，誤差較大。而且，對重構(gòu)得到的曲面數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)體重構(gòu)時，一般是通過對曲面進(jìn)行加厚處理來實(shí)現(xiàn)的［7-8］，建模操作比較繁瑣。

基于目前的研究現(xiàn)狀提出了在Geomagic DesignDirect中對殘缺網(wǎng)格面進(jìn)行處理并重構(gòu)得到還原其設(shè)計(jì)意圖的實(shí)體模型方法，并應(yīng)用于某一機(jī)械零部件殘缺表面數(shù)據(jù)的處理。

1 實(shí)體重構(gòu)的相關(guān)方法

逆向工程中對實(shí)物逆向進(jìn)行實(shí)體重構(gòu)研究已經(jīng)取得階段性的成果。對具有不同幾何形狀特征的實(shí)物模型，進(jìn)行實(shí)體重構(gòu)的方法也不盡一樣，主要有兩種重構(gòu)方法：

（1）對于由自由曲面和不規(guī)則曲面構(gòu)成的工藝品模型或玩具模型，一般是先擬合構(gòu)成模型表面的各曲面，然后對擬合曲面進(jìn)行求交、延伸和裁剪等操作來構(gòu)造實(shí)體模型［9］。

（2）對于由平面、二次曲面等規(guī)則特征構(gòu)成的機(jī)械零件模型，一般是先提取構(gòu)成模型的各特征的參數(shù)，并生成規(guī)則的實(shí)體特征，然后對實(shí)體特征進(jìn)行布爾運(yùn)算來構(gòu)造實(shí)體模型［10］。

2 基于Geomagic Design Direct的實(shí)體重構(gòu)

目前，基于逆向工程的實(shí)體模型重構(gòu)方法中較為常用的方法是先應(yīng)用逆向建模軟件（Imageware、Geomagic Studio等）對掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以得到實(shí)物光整的表面數(shù)據(jù)，并另存為中間格式（iges格式或stl格式），然后導(dǎo)入至正向軟件（UG、SolidWorks）中經(jīng)曲面縫合或加厚曲面等處理以得到實(shí)體模型。這種方法人機(jī)交互操作比較多，重建得到的曲面精度不高，在正向軟件中曲面重構(gòu)后一般都要進(jìn)行誤差分析，若曲面重建的差值太大，還要重新修改，建模耗時長［11］。

Geomagic Design Direct是3D Systems推出的一款正逆向直接建模軟件，無縫結(jié)合了即時掃描數(shù)據(jù)（點(diǎn)云或網(wǎng)格面）編輯處理、二維草圖創(chuàng)建、特征識別及提取和正向建模等功能。用戶可以直接將掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)入應(yīng)用程序進(jìn)行處理，無需冗長的特征歷史樹向后保留建模過程，并且可以即時更改參數(shù)，而不會影響中間的建模結(jié)果，避免了正、逆向建模軟件相結(jié)合進(jìn)行三維實(shí)體模型重構(gòu)時的繁瑣步驟和較大的誤差率。

基于Geomagic Design Direct的實(shí)體模型重構(gòu)優(yōu)勢在于其具有強(qiáng)大的基于網(wǎng)格模型的特征識別與提取（可識別并提取的特征包括平面、圓柱體、圓錐體、球體、拉伸體、旋轉(zhuǎn)體、掃掠體和自由曲面）編輯功能，以及正向建模功能。對于零件模型的不完整表面數(shù)據(jù)，可根據(jù)局部的網(wǎng)格面數(shù)據(jù)自動識別并提取得到完整的特征和約束，如旋轉(zhuǎn)體的截面與旋轉(zhuǎn)軸，再經(jīng)正向建模操作重構(gòu)得到其實(shí)體模型。在Geomagic Design Direct中基于殘缺表面數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)體重構(gòu)的一般流程如圖1所示。首先，對導(dǎo)入的表面數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理以得到光整的網(wǎng)格面，如去除噪音，表面數(shù)據(jù)修復(fù)等。再根據(jù)網(wǎng)格面中不同區(qū)域的幾何形狀特征，識別并提取其二維截面線草圖或三維實(shí)體特征。然后，對提取出的二維截面和三維實(shí)體特征進(jìn)行正向建模以重構(gòu)得到實(shí)體模型，比如，可對截面特征進(jìn)行拉伸、旋轉(zhuǎn)和掃掠等處理，對實(shí)體特征進(jìn)行拔膜或布爾操作等處理。另外，提取后的特征還可以進(jìn)行參數(shù)圓整等編輯修改。

圖1 Geomagic Design Direct中實(shí)體重構(gòu)的一般流程

3 基于Geomagic Design Direct的殘缺數(shù)據(jù)實(shí)體重構(gòu)

3.1 數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用手持式激光掃描儀對模型表面進(jìn)行掃描時，受外界掃描環(huán)境及模型表面質(zhì)量等因素的影響，獲取的原始表面掃描數(shù)據(jù)中通常會包含大量噪音數(shù)據(jù)和冗余數(shù)據(jù)。例如，不可避免地掃描到用作參考的標(biāo)記點(diǎn)面板的表面等。在Geomagic Design Direct中打開原始掃描數(shù)據(jù)后，可應(yīng)用捕獲模塊下網(wǎng)格工具欄中的“修復(fù)”、“填充”和“分離三角形”等工具對噪音數(shù)據(jù)進(jìn)行刪除，并得到光順的網(wǎng)格面。另外，還可應(yīng)用網(wǎng)格工具欄中的“簡化”工具對光順后的數(shù)據(jù)進(jìn)行一定程度地精簡，以減小計(jì)算量、提高建模效率。經(jīng)處理后的殘缺網(wǎng)格面（圖2），需通過捕獲模塊下的“傳送”工具將其轉(zhuǎn)換到設(shè)計(jì)模塊下進(jìn)行下一步的編輯處理。

圖2 處理后的殘缺網(wǎng)格面

3.2 特征提取

從處理后的網(wǎng)格面（圖2）中可以看到，構(gòu)成模型的實(shí)體特征包括圓錐體（主體部分）、圓柱槽（主體的四周）、旋轉(zhuǎn)特征（圓錐體中鏤空部分）和底部的不規(guī)則邊界孔。對于可直接提取的特征如圓錐體、圓柱體、拉伸實(shí)體和旋轉(zhuǎn)實(shí)體等，可在提取后進(jìn)行編輯操作（拉伸、旋轉(zhuǎn)和陣列等）以重構(gòu)得到完整的實(shí)體模型。首先，使用“區(qū)域”工具將網(wǎng)格面按不同幾何形狀分割成多個子區(qū)域的集合。再選擇各子區(qū)域網(wǎng)格面，并根據(jù)其幾何形狀特征選擇相應(yīng)的提取工具（如圓錐體特征的提取可應(yīng)用“擬合圓錐面”工具），以提取該區(qū)域的實(shí)體特征。在該模型的幾何形狀特征中，圓柱孔和不規(guī)則邊界拉伸孔都屬于陣列特征，可通過插入工具欄中的“圓形”陣列工具在得到構(gòu)造圓柱槽和不規(guī)則邊界拉伸孔的一個實(shí)體特征后，經(jīng)陣列操作得到其他實(shí)體特征。這樣既能根據(jù)已提取的特征和約束重構(gòu)殘缺網(wǎng)格面中無法提取到的實(shí)體特征，又能避免逐一提取的繁瑣操作步驟。通過提取殘缺網(wǎng)格面中的實(shí)體特征并對圓柱體和不規(guī)則邊界拉伸實(shí)體特征進(jìn)行陣列編輯后，所得到的模型如圖3所示。

圖3 經(jīng)提取并編輯后得到的實(shí)體模型

3.3 布爾操作

對于無法直接提取的特征，如圓柱槽和不規(guī)則邊界孔，只能先提取得到相關(guān)的三維實(shí)體特征——圓柱體和不規(guī)則邊界拉伸實(shí)體，再經(jīng)布爾操作重構(gòu)得到實(shí)際的實(shí)體模型。在Geomagic Design Direct中可應(yīng)用相交工具欄中的“組合”工具對具有公共面或交集的實(shí)體進(jìn)行編輯，通過其布爾交或布爾加功能將兩個實(shí)體合并成一個，或通過其布爾減功能將二者的交集刪除。例如，要構(gòu)造圓柱槽特征，可在窗口中只顯示提取到的圓錐體和圓柱體，然后在“組合”工具激活狀態(tài)下，先選擇圓錐體作為目標(biāo)對象，再選擇圓柱體作為刀具對象，軟件便會自動高亮顯示圓錐體與圓柱體之間的交集區(qū)域（圖4a中的紅色陰影區(qū)域）并刪除交集區(qū)域以外的圓柱體，單擊選擇交集區(qū)域即可將其刪除。對實(shí)體特征進(jìn)行布爾操作后，重構(gòu)得到的實(shí)體模型如圖4b所示。

圖4 通過布爾操作還原模型的實(shí)際幾何特征

3.4 參數(shù)編輯

在Geomagic Design Direct中，基于網(wǎng)格面的幾何形狀特征和曲率等特性，擬合提取得到的三維實(shí)體特征的參數(shù)，一般情況下是精確到千分位。但是，機(jī)械零件中特征的參數(shù)一般是作整數(shù)設(shè)計(jì)的。為避免出現(xiàn)重構(gòu)得到的實(shí)體模型誤差較大的情況，可應(yīng)用設(shè)計(jì)模塊下編輯工具欄中的“拉動”工具對特征的參數(shù)進(jìn)行編輯修改。如布爾操作后得到的旋轉(zhuǎn)特征（圓柱形凹孔）的半徑值，在“拉動”工具激活狀態(tài)下，單擊選擇圓柱面后會自動彈出參數(shù)值命令框（圖5a所示），可在命令框中輸入需要更改的圓柱面半徑的目標(biāo)值，如圖5b所示。實(shí)體特征的參數(shù)編輯一般是作圓整處理，若要基于重構(gòu)得到的實(shí)體模型進(jìn)行再設(shè)計(jì)，還可根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)繼續(xù)編輯修改。

4 結(jié)論

本文總結(jié)了基于Geomagic Design Direct的特征識別、提取以及正向建模功能，對實(shí)物模型的殘缺表面數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)體重構(gòu)的一般流程，并針對某零件的殘缺網(wǎng)格面數(shù)據(jù)的應(yīng)用進(jìn)行了介紹。實(shí)踐證明了Geomagic Design Direct對實(shí)物模型的殘缺表面數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)體重構(gòu)的可行性，且操作流程簡便，建模效率較高。將基于模型殘缺表面數(shù)據(jù)的實(shí)體重構(gòu)技術(shù)與現(xiàn)代修復(fù)技術(shù)相結(jié)合，可用于指導(dǎo)破損或斷裂零件的修復(fù)，或與快速成型技術(shù)相結(jié)合用于產(chǎn)品的再制造，對于恢復(fù)失效零部件的工作能力和延長其使用壽命、實(shí)現(xiàn)資源的再利用具有重要意義。

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（編輯 李秀敏）

Solid Reconstruction of Incomplete data Based on Geomagic Design Direct

CAI Min，CHENG Si-yuan，YANG Xue-rong，ZHANG Xiang-wei
（School of Electromechanical Engineering，Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006，China）

Reverse engineering technology of real model is a hot research field in recent years，which was widely applied in product design，cultural relics protection and parts repairing.This paper researched the study status of surface and solid reconstruction of incomplete surface data，and the limitation of applying forward and reverse modeling software for solid model reconstruction.Introduced the advantages of applied Geomagic Design Direct for solid model reconstruction，and the general process of solid model reconstruction for incomplete surface data.The solution for the solid model reconstruction of incomplete surface data was proposed，based on the capability of identification and recognition of feature by Geomagic Design Direct，and an example of part’s incomplete surface data was taken to validated the feasibility and convenience of the solution.

reverse engineering；geomagic design direct；incomplete surface data；solid reconstruction

TH166；TG506

A

1001-2265（2015）03-0021-03 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.03.006

2014-06-20；

2014-07-05

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51105078）；廣東省教育部產(chǎn)學(xué)研結(jié)合項(xiàng)目（2012B091100190）；廣州市科技計(jì)劃項(xiàng)目（2013J4300019）

蔡敏（1988—），男，湖南華容縣人，廣東工業(yè)大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)槟嫦蚬こ?，（E-mail）caimin67@163.com。