三維人臉逆向造型及數控加工仿真

張紅靜，惠延波，馮蘭芳，馬艷平

（河南工業大學 機電工程學院，鄭州 450007）

0 引言

為了適應現代先進制造技術的發展，須將實物樣件或手工模型轉化為CAD數據，以便利用快速成型系統（RP）、計算機輔助制造系統（CAM）、產品數據管理（PDM）等先進技術對其進行處理和管理，并進一步修改和再優化設計。逆向工程就專門為制造業提供了一個全新、高效的重構手段，實現從實物到幾何模型的直接轉換 。隨著逆向技術的發展，它已成為設計和制造的重要手段，應用逆向技術對人臉造型和數控加工以獲得人臉原型有著重要的意義，人臉模型在醫學整形、公安安全、虛擬技術、人體藝術、考古等方面有著廣闊的應用前景。以真實人臉為例，進行逆向造型并數控加工仿真，實現了從數據采集、造型到制造全過程，完成人臉數據獲取、幾何造型、刀具路徑生成、加工模擬仿真，最終完成人臉模型的數控加工。

1 人臉三維逆向造型

1.1 數據獲取

數據獲取是人臉逆向CAD造型的首要環節，是進行數據處理、模型重構的基礎。在對人臉原型的測量中，采用具有非接觸特性的3DSS（Three Dimensional Sensing System）結構光學測量裝置進行人臉原型的數據采集。其基本測量原理是使用光柵投影裝置投影數幅特定編碼的一組光柵到待測人臉上，成一定夾角的兩個攝像頭同步采集相應結構光條紋的變形圖像，然后對圖像進行解碼和相位計算，并利用匹配技術、三角形測量原理,解算出兩個攝像機公共視區內物體表面像素點的三維坐標。利用3DSS掃描裝置將其測得的點云數據分別以二進制(ASC)數據格式保存到測量項目中，為后面的數據預處理和曲面重構作準備。

1.2 幾何造型

由于測量方法和實時測量環境的變化影響，以及測量設備的某些局限性，測得的點云數據引入了誤差，所以要對原始點云數據進行預處理，包括去除異常噪聲數據、壓縮冗余數據、補齊遺失點、對多次測量所得數據進行對齊定位等。利用逆向工程軟件Geomagic分別從質量與數量上對點云進行去除無關點和噪聲點處理，可以手動刪除或者利用軟件的自動選擇功能刪除無關點和跳動點。在保證測量數據完整性、正確性和一定精度的前提下還需精簡數據量，以最少的點來表達人臉表面信息，為后續的造型工作做準備。

人臉的曲面模型重建是最關鍵的一環，通常可以利用三角曲面片法在三角網格上構造 連續的Bernstein-Bézier曲面 ，從而達到建立人臉曲面的目的。由于被測人臉部分遮擋效應，構造的人臉曲面存在數據缺損，耳朵、眼、嘴、下巴等都有數據缺失，需要通過數據插補的方法補齊缺失數據，基于曲率進行填補破洞。而后轉換模型到NURBS曲面以便輸出到CAD或CAM系統，曲面以STEP、STP格式輸出保存。

加工人臉模型，要在專業的CAD/CAM軟件中造型，以期得到能夠制造加工的人臉實體模型。采用軟件Pro/E進行CAD造型以及CAM加工，用Pro/E直接讀取剛保存的STP格式文件，保證坐標系一致，或者重新調整坐標系，以使三坐標最直觀的表示人臉的正面、側面、頂面。本文采用三軸銑床做數控加工仿真，加工范圍有限，應把人臉正面造型，切除偏后的耳朵部分。然后填充、合并、實體化，并增加底面以便夾具加持，如圖1為人臉NURBS曲面圖和CAD人臉造型圖。

圖1 人臉NURBS曲面圖和CAD人臉造型圖

2 數控加工仿真

加工人臉模型是由數控加工程序來完成的，加工程序的正確與否直接決定著加工質量。因此，要針對加工過程進行仿真，在計算機上利用三維圖形技術對數控加工過程模擬仿真，可以快速、安全和有效地對NC程序的正確性進行較準確的評估，并可以根據仿真結果對NC程序迅速地進行修改，降低材料的消耗和生產成本，提高工作效率 。Pro/E的NC部分是功能強大的自動化CAM加工模塊，其附帶的VERICUT仿真軟件可對加工中工件余量去除過程作真實感動態顯示。操作流程如圖2所示。參考模型和工件裝配在一起就是要加工的制造模型，首先設定加工操作環境，包括機床、刀具、夾具和加工坐標系的設定；然后進行NC序列操作，建立加工類型，設置工藝參數，選擇加工區域或建立銑削窗口以及設置退刀平面，最后通過后置處理產生用于指定數控機床所需的數控程序，以實現人臉模型的數控加工仿真。

圖2 Pro／E加工操縱流程

2.1 制造參數的選定

加工人臉曲面時，為了保證刀具切削刃與加工輪廓在切削點相切，而避免切削刃與工件輪廓發生干涉，采用球頭刀，粗加工用兩刃銑刀，半精加工和精加工用四刃銑刀 。主軸轉速一般根據切削速度來計算，n=1000vc/πd，式中d為刀具直徑（mm），vc為切削速度（m/min）。當加工精度和表面粗糙度要求較高時，應選擇較低的進給量；刀具切入進給速度應小于切削進給速度。粗加工是以快速切除毛坯余量為目的，應選用大的進給量和大的切削深度，以便在較短的時間內切除盡可能多的切屑。精加工時主要考慮工件表面粗糙度而不是切屑多少，常采用小的背吃刀量，根據以上原則擬定主要制造參數如表1所示。

表1 主要制造參數

2.2 加工仿真與生成CL文件

每一階段的加工都要進行NC序列演示軌跡，即進行刀具軌跡顯示驗證，是將刀具軌跡用線框圖顯示出來，從而判斷刀具軌跡是否連接，檢查刀位計算是否正確，校驗走刀路線、進退刀方式是否合理等。NC檢測階段采用VERICUT軟件進行刀具軌跡動態圖形仿真的驗證，將加工過程中的人臉實體模型、刀具實體、切削加工后的表面加工結果，采用不同的顏色顯示出來和動畫方式模擬刀具實際切削的加工過程。為方便觀察，已切削加工表面與待切削加工表面采用不同顏色表示。可以清楚地看到刀具模擬切削零件的過程，判斷是否啃切加工表面，是否與約束面發生干涉與碰撞等現象 。如圖3 pro/E NC精加工刀具軌跡線框圖和 VERICUT刀具軌跡動態圖形仿真。

圖3 pro/E NC精加工刀具軌跡線框圖 和 VERICUT刀具軌跡動態圖形仿真

不同機床控制系統也有細節上的不同，對于要生成的數控程序，需要進入到NC后處理器中進行處理 。將前置計算的刀位數據轉換成機床各軸運動數據，并按其指令格式進行編碼，成為數控機床的加工程序，程序保存格式為tap文件。如選用UNCX01.P01即HAAS CONTROL my后處理器，人臉精加工生成部分G代碼如下：

3 結束語

采用逆向工程技術對真實人臉進行三維建模和造型，能夠逼真的體現人臉自由曲面。而自由曲面加工是—個較為復雜，難度較大的過程，采用了Pro／E軟件系統進行CAM設計，并生成人臉模型數控加工程序，通過pro/NC的刀具軌跡線框仿真和VERICUT刀具軌跡動態圖形仿真，可以快速、直觀地觀察到人臉模型加工過程，及時發現加工過程中存在的問題，便于及時作出修改，以提高三維人臉造型的精度和制造效率。

[1] 王霄,劉會霞,梁佳洪.逆向工程技術及其應用[M].北京:化學工業出版社,2004．

[2] 張昭華,徐軍.三維人體建模方法研究[J].陜西紡織,2004.1(64):34-36.

[3] 王愛玲,李夢群,馮玉強.數控加工理論與實用技術[M].北京:機械工業出版社,2009．

[4] 李立.數控銑削加工實用技術[M].北京:機械工業出版社,2009.

[5] 劉偉軍,孫玉文.逆向工程原理.方法及應用[M].北京:機械工業出版社,2009.

[6] 楊宇,陶學恒.基于Pro／E的平面槽凸輪的三維造型設計與加工仿真[J]. 機械設計與制造,2008(9):29-30.