基于逆向工程的玩偶三維曲面模型重構技術

摘 要： 本文研究了應用UG軟件對“點云”數據進行曲面重構的過程：掃描線的生成、掃描線的排序、曲面裁剪和曲面的拼接直至曲面的構成，提出了一種先平面裁剪后拼接融合的多個小平面拼接方法，可使多個曲面光滑地連接成為一體。

關鍵詞： 點云 逆向工程 三維曲面 模型重構

一、引言

CAD/CAM技術的日益成熟，并與現代加工設備的有機結合，只要有了三維CAD模型，就可實現對產品進的新設計和各種工程分析，結合產品開發的要求進而創造出新產品。

二、基于UG軟件的玩偶曲面重構

在玩偶的曲面逆向工程中，玩偶曲面重構是設計玩偶CAD模型構建的關鍵。這里重點以玩偶的點云數據為對象，對玩偶曲面的特征曲線進行重構，如圖1所示。在對玩偶曲面的構建之前，首先對玩偶曲面構建進行規劃，通過分析玩偶曲面的結構特征，可以將玩偶點云數據曲面的構建分為5部分：耳朵、臉、眼睛、嘴巴、鼻子，對這五個部分分別進行曲面構建后再進行拼合，如圖2所示。在玩偶曲面的重構過程中，為了便于元素的選擇，采取了將耳朵、臉、眼睛、嘴巴、鼻子分別建立在不同的層上，各自的特征線也歸屬于自己的層，這樣便于玩偶各部分曲面重構方便操作。

（一）玩偶逆向建模曲線構建

特征線是CAD模型重構的重要信息，特征線構建質量直接影響逆向建模的質量。本節以玩偶的點云數據為例，說明應用UG軟件構建曲線的過程。對于以自由曲面為主要構成要素的產品，型面分析師建模規劃的主要內容，即如何將一個復雜曲面產品分解成單張自由曲面。以玩偶點云數據為例，該CAD模型可以分解為耳朵、臉、眼睛、嘴巴、鼻子，這些部分又可以再次細分為四邊形構成的曲面。

將玩偶點云數據作截面點，形成一條水平截面線。截面點云數據以X=0坐標平面呈對稱。故在輪廓線的構建過程中，只要構建一般的曲線輪廓，然后使用鏡像操作就可生成全部的曲線輪廓。

對玩偶耳邊邊界曲面由截面點云數據插值生成，以此選擇點云數據生成一條B樣條曲線，由于耳朵邊沿曲線變化平緩，在取點時盡量使插值點分布均勻，分析重構曲線的曲率分布情況。

對耳邊曲線進行光順處理，比較生成曲線與點云數據的偏差，并對點云數據進行插值生成圓弧曲線后，對點云數據進行B樣條曲線生成。

對點云數據進行插值生成圓弧曲線并進行鏡像操作，橋接對稱曲線在對稱曲面附近的部分。由于橋接的曲線兩兩并不相接，為使曲線首尾相連，首先要對曲線進行延伸使其相互相交，即延伸所有的曲線，對相交曲線進行修剪。

玩偶眼部輪廓曲線由眼部點云數據插值生成一條B樣條曲線。同樣對曲線的曲率分析，進行曲線光順處理后，曲線與點云的偏差會增大，因而在后續的操作中需要對曲線繼續編輯處理，通過調整B樣條曲線的控制點，使重構B樣條曲線與點云數據盡可能接近。然后對眼部曲線進行編輯、鏡像、橋接處理。按照上述同樣的構建思路對玩偶點云數據中嘴巴部分的曲線、鼻子部分的曲線、舌頭部分的曲線進行重構。

對玩偶點云數據眼睛部分的點云進行提取，并分割點云數據，保持原有的點云數據。

（二）玩偶逆向建模曲面重構

玩偶的自由曲面比較復雜，用一張曲面來擬合所有的數據點是不可能的。前面提到了可以分為5部分：耳朵、臉、眼睛、嘴巴、鼻子，本節結合UG軟件的曲面造型分析玩偶逆向曲面重構的過程。

1.耳朵的曲面重構

耳朵部分的曲面構建可以通過頂部的點云擬合出一個曲面，耳朵側面由其輪廓線拉伸形成，然后通過倒圓角命令生成圓弧過渡，從而完成耳朵部分的曲面構建，最后將點云顯示出來。

2.臉部的曲面重構

臉部的曲面重構與耳朵部分的曲面構建相似，首先通過臉部的特征線將臉部的點云數據提取出來，然后基于點云數據進行曲面擬合，側面曲面也是通過拉伸的方式建立起來的，然后通過倒圓角命令生成圓弧過渡，完成臉部分的曲面構建。

3.臉部與耳朵部分的曲面修剪

臉部與耳朵部分的曲面存在部分相交，對相交的部分進行修剪，首先求出臉部曲面與耳朵部分曲面之間的交線，然后，通過修剪命令修剪臉部曲面和耳朵部分的曲面。

4.眼睛部分的曲面重構

眼睛部分的曲面重構與臉部的曲面構建相似，首先通過眼睛部分的特征線將眼部的點云數據取出來，然后基于點云數據進行曲面擬合。將擬合曲面擴展后，將特征線投影到重構面上，然后進行裁剪完成面的重構。

5.眼珠部分的曲面重構

首先通過交互方法將眼珠的點云數據提取出來，然后，生成底部橢圓面，由上面的橢圓輪廓創建5條特征線，由包圍的4條線提取點云，再由線與點云重構曲面，以此完成眼珠部分的曲面重構。

6.鼻子的曲面重構

首先通過交互的方法將鼻子部分的點云數據提取出來，然后，去掉鼻尖部分的點云，對處理過的點云進行曲面擬合，鼻尖部分的曲面重構方法與此相似，最后通過倒圓角命令生成完成的曲面。

7.嘴巴部分曲面的構建

首先在原始點云上構建嘴巴部分的特征線，通過延伸、拼接形成四邊形，然后由4條邊提取點云數據，再由4條邊及點云數據構造曲面。嘴巴部分是對稱結構，中間部分通過Blend命令生成曲面，舌頭部分的曲面構建方法與鼻尖曲面構建方法相同。

至此所有的基本曲面重構已經完成，嘴巴、鼻子和眼睛部分交界的曲面使用了求出交線的方法，最后進行各個曲面修剪。

三、結語

本文就逆向建模技術中所涉及的曲面重構及造型進行敘述。曲面是逆向建模技術中關鍵的幾何要素之一，本文重點介紹曲面重構及其相關的邊界操作，并結合UG軟件給出了玩偶進行曲面的逆向建模及造型。

參考文獻：

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