車引擎覆蓋件設計中點云重構A級曲面的技術研究

周鋒，周華章

（蘇州工業園區職業技術學院，江蘇蘇州 215123）

0 引言

歷年來，汽車制造行業中的車引擎覆蓋件設計A級曲面成為人們普遍關心的話題。在老的汽車業有這樣一種分類法:A面，車身外表面，白車身;B面，不重要表面，比如內飾表面;C面，不可見表面。這其實就是A級曲面的基礎。但是現在隨著美學和舒適性的要求日益提高，對汽車內飾件也提到了A-Class的要求。因而分類隨之簡化，A面，可見（甚至是可觸摸）表面;B面，不可見表面。所以車覆蓋件的重構A級曲面技術應用，提高了整車外觀設計的水平［1］。

1 A級曲面評價標準和理論知識

1.1 A級曲面評價標準

A級曲面是車身工程領域的特定概念，首先由達索軟件公司提出，滿足一定數學要求和車工程要求的曲面。它既要滿足數學連續性要求，又要滿足汽車氣動力學要求，外觀光順和美觀性要求，同時要求曲面上的控制點盡量排列均勻的四邊形，如圖1所示。

圖1 控制點均勻的方正四邊形

參照車身工程要求，A級曲面要滿足以下準則［2］:

1）單一特征面的建模默認誤差小于0.000 01，角度誤差小于 0.001°;

2）所有特征間的連接偏差小于0.000 1;

3）所有特征面的光順保證2階導數以上連續;

4）所有特征都必須分解成單凸或單凹特征;

5）所有特征都必須具有可擴展性和可編輯性。

1.2 相關理論知識

a）點云數據

車引擎覆蓋件設計中，點云數據是反映引擎覆蓋件理想設計曲面的數據集合，通過測量儀器獲得。直接由測量儀器的點云是個海量數據（幾十甚至上百兆個點），而且還存在重復測量數據，系統測量誤差和隨機誤差等，必須對點云進行處理3］。

b）NURBS面片

NURBS方法是當前汽車界曲線、曲面的統一表示方法，已成為catia，ug，alias等商用CAD軟件的幾何模型數學基礎。Bizier和B-spline是NURBS的特殊情況。

NURBS 曲面的定義［4］:

式中:Vi，j（i=0，1，2，…，n;j=0，1，2，…，m;）為給定特征網格定點的位置矢量;Wi，j為對應頂點的權因子。其中，基函數遞推公式為:

NURBS曲面用統一的表達式精確的表示了標準的解析形體和自由曲面。具有計算穩定，線性變化時幾何不變性等特性。

2 基于imageware軟件應用中NURBS面片的A級曲面重構

經三維激光測量儀器掃描覆蓋件油泥模型獲得點云數據以后，可通過兩個階段實現A級曲面逆向重構:點云數據處理和曲面重構［5］，如圖2所示。

圖2 覆蓋件開發流程

2.1 點云去噪

數據測量過程中，由油泥模型制作、測量電壓波動、空氣微塵漂浮和人為操作因素等造成的，與理想曲面法向偏差過大的散亂點稱為噪點，它不反映油泥模型表面真實外觀品質。去除噪點，光滑點云，分兩步進行:干涉區域剔除和分散點點剔除，如圖3所示，在imageware軟件中應用刪除分散點命令和圈選點等命令來去噪［6］。

圖3 點云去噪原理圖和分散點命令應用

2.2 點云數據精簡和三角化點云

點云去噪后，對曲面重建和硬件計算量而言仍然存在垃圾數據，必須按照一定算法和品質要求精簡，以提高曲面重構效率。處理海量點云數據時，典型的處理方式是采用定義點距大小的方式縮減一部分數據，使點云看上去更清楚，也便于多邊形網格化數據或做其他處理，根據點云數據的特點，可以選用以下方法:

1）曲率采樣法，根據曲面曲率變化確定點的取舍;

2）高斯采樣法，根據高斯算法進行點云精簡;

3）球采樣法。

在imageware軟件中應用應用均勻采樣、弦偏差采樣、距離采樣來進行點云精簡，如圖4所示。

圖4 點云精簡原理圖和弦偏差采樣命令應用

為了更清楚的表達點云的形狀或者為了快速原型（RP），同時重構曲面時設計者更好觀測曲面曲率的走勢和曲率的變化，以及分割點云，創建特征線，要對點云進行多邊形網格化處理，三角化點云后效果如同CAD模型顯示效果，鄰域尺寸值通常近似取精簡點云中設定的距離公差值的3倍，這樣可以得到均勻的高品質的網格，如圖5所示。

圖5 三角化點云和三角化點云后顯示效果

2.3 評估點云

為了評估點云，用一組有關數據顯示的工具來檢驗點云的品質，要使用點云反射率工具顯示在點光源中點云的顏色，可以更好感受到這些投影到點云上的顏色區域表示了什么。連續或者柔和過渡的區域將會以相近的顏色進行著色渲染，如過點云品質不好，那么就該重新調整前面進行的所用處理的公差值。

2.4 A級曲面重構

曲面重構是逆向工程中的一個關鍵環節。它不僅要再現造型人員或原有產品的設計思想，還要修復或克服原有模型上存在的缺陷。因此在進行曲面重構之前，應該對零件進行仔細分析，主要考慮以下要點:

1）確定設計的整體思路。面對點云數據，首先要周全地考慮好先做什么，后做什么，用什么方法做，主要是將模型劃分為幾個特征區，得出設計的整體思路。

2）確定模型的基本構成形狀的曲面類型，這關系到在曲面重構中所采用曲面重構方法和工具的選用。

采用基于NURBS面片的方法重構A級曲面，分為四個步驟:快速創建曲面片、曲面擬合、曲面匹配、曲面品質檢測。

a）創建曲面片

選取分片點云四個端點作為曲面片邊界范圍，建立一個4×4階NURBS曲面片擬合點云數據，若不能滿足形狀需求，可相應增加曲面階數，但一般不超過6×6階，否則繼續進行區域點云分割，如圖6所示。

b）曲面擬合

曲面由一組控制點來控制形狀，這樣就可以通過調整控制點靈活地改變曲面形狀和大小，減少曲面與點云數據之間的誤差，實現任意復雜形狀的曲面，提高了快速造型能力，如圖7所示。

c）曲面匹配

創建各NURBS曲面片完成后，檢查曲面間是否存在縫隙，如有縫隙，可使用拼接和縫合功能，進行G1，G2級匹配，檢測并確認曲面切向連續性、曲率連續性滿足。在imageware中，不僅可以實現兩兩曲面之間的曲率連續性匹配，還能實現一個曲面與多個曲面間的曲率連續性匹配。并能達到拼接和縫合后的曲面之間實現曲率連續，從而保證了A級曲面的品質，如圖8所示。

圖8 曲面匹配

d）曲面檢測

曲面檢測有以下含義:一是檢測曲面外觀品質，即曲面是否達到車身覆蓋件工程的要求;二是檢測逆向構造曲面與原始點云之間的法向距離是否滿足要求。

曲面品質檢測可采用如下幾種方法:

1）反射線法，反射線的連續次數比曲面的連續次數小一次。反射線光滑過渡，則兩曲面曲率連續，如圖9所示。

圖9 反射線法構成示意圖和A面反射線法檢測效果

2）等照度法，等照度線的連續次數比曲面的連續次數小一次，如果相鄰曲面上的等照度線光滑過渡，則滿足曲率連續，如圖10所示。

圖10 等照度線構成示意圖和A面等照度法檢測效果

3）高光線法，它的原理與反射線法基本相同。

4）截面線法，A級曲面要求，截面線的曲率變化均勻，沒有多余拐點，截面線形狀變化均勻。

對于曲面檢測的第二層要求，可采用法向距離偏差檢測方法，檢測曲面片與原始點云的距離符合程度。

3 車引擎覆蓋件A級曲面imageware建模應用技術實例

以寶馬某車型引擎蓋為例，采用基于imageware軟件應用中NURBS面片的A級曲面重構方法進行逆向造型設計。

a）使用美能達三維激光掃描測量儀掃描車引擎蓋油泥模型，獲得igs格式三維點云數據，導入imageware軟件中，1）引擎蓋覆蓋件尺寸較大，激光掃描儀有掃描范圍限制，點云數據采集，只能分區域掃描，因此要合并多區域點云，如圖11合并多區域點云所示;2）進行點云數據處理，點云處理過程如圖12所示;3）三角化點云;4）評估點云，如圖13點云處理過程二所示，

b）根據曲面建模思路，在imageware中把點云分割成不同的分片點云區域，以便應用imageware軟件的構造曲面片命令快速重建，如圖14所示;逐個創建曲面片，如圖15所示;這里僅給出引擎蓋凹下部分曲面片創建過程:1）應用自由曲面和邊界曲面創建4×4階NURBS曲面;2）曲線和曲面控制點法向擬合調整;3）面與面之間的曲率匹配;4）外觀評價檢測;如圖16所示。按前述過程最終生成引擎蓋整體曲面，如圖17所示。

圖14 分片點云

c）引擎蓋曲面及偏差檢測

經imageware軟件檢測，引擎蓋曲面單一曲面均為單凸特征，階數均在6階以下，單一特征面的建模默認誤差小于 0.000 01，角度誤差小于 0.001°，相切誤差小于0.05，曲率連續性誤差小于0.05，如圖18所示;外觀環境反射較好，如圖19所示，符合車身A級曲面工程要求。

4 結語

在汽車的車身覆蓋件設計中，A面憑借其高品質的外觀視覺享受，已成為汽車產品的競爭法寶。A級曲面重構是車引擎覆蓋件設計中關鍵和煩瑣的環節。逆向創建曲面過程中需要根據點云數據的光影效果選擇恰當重構方法。在寶馬轎車的車引擎覆蓋件設計項目中，采用基于NURBS面片的A級曲面逆向重構方法，并以傳統產品外觀曲面設計思路為基礎，建立了車外覆蓋件數字化曲面CAD模型，主要外覆蓋件滿足A級曲面要求。該方法提高了A級曲面重構的效率和品質，所以Imageware在A面設計的表現大大提高了整車外觀設計的水平，縮短了產品開發周期，具有很高的工程實用價值。

［1］黃誠駒，李鄂琴.逆向工程項目式實訓教程［M］.北京:電子工業出版社，2004.

［2］單巖，謝斌飛.Imageware逆向造型技術基礎［M］.北京:清華大學出版社，2006.

［3］成思源.逆向工程技術綜合實踐［M］.北京:北京電子工業出版社，2010.

［4］馬鐵利.車身class-A曲面模型的構造［J］.CAD/CAM與制造業信息化，2005.

［5］陳恭錦，習俊通.Imageware在摩托車覆蓋件反求工程中的應用［J］.計算機應用技術，2005.

［6］李曉麗.Imageware中光滑拼接曲面的方法［J］.現代設計與先進制造技術，2007.