基于非接觸式激光掃描的曲面反求重構實驗

吳慧蘭， 宋 鵬

(華東理工大學 藝術設計與傳媒學院，上海 200237)

0 引 言

在產品造型日益多元化的今天，反求工程已成為產品開發中不可或缺的一環，其應用范圍包括設計、質量檢測、制造加工、實物復原、實驗教學,目前已廣泛地用于玩具、汽車、通信電器、文物及藝術品的修復、模具等產品的開發設計與創新設計中，成為消化、吸收先進設計技術，實現新產品開發生產不可缺少的手段[ 1-2]。

反求重構是反求工程中的一個重要組成部分。反求重構過程分為數據采集階段和模型重構階段[3]。數據采集的精度將直接影響反求設計的精度和效率，數據采集的方法分為接觸式數據采集和非接觸式數據采集。隨著計算機技術與光電技術的發展，反求工程的數據采集較傾向于采用非接觸式三維激光掃描設備，其主要特點有：①數據采樣的過程是連續的，對于復雜曲面也可以精確快速的讀取數據，操作簡便、能夠達到較高的精度[4-6]；②不與樣件接觸，因而能對松軟材料的表面進行數據采集，可以探測到一般機械測頭難以測量的部位，最大限度地反映被測表面的真實形狀[7]。非接觸式掃描儀有日本Roland三維激光掃描儀和加拿大Creaform Inc 公司生產的HandyScan手持式激光掃描儀，通過比較，手持式掃描儀對物體大小、內外均可，適用性強，但易受環境光線及雜散光影響，故一般點云雜點都較多，儀器價格貴，因此我們選用了本學院實驗室現有的日本Roland三維激光掃描儀(LPX-1200)進行數據采集實驗，并結合Geomagic反求建模軟件對數據進行處理及CAD模型重建。實驗證明，基于Roland三維激光掃描儀的數據采集與Geomagic反求建模軟件的曲面重構，可獲得較高的建模效率和質量，快速建立個性化數字模型，為三維數字化設計、模型創新設計奠定基礎。對于培養學生在現代設計方法的應用和創新設計能力的提高具有積極的作用。

1 反求設計技術

1.1 數據采集

原始產品模型的數據采集是反求工程的第一步，也是關鍵的一步[8-9]。通常掃描后得到的測量數據是由大量的三維坐標點所組成，掃描參數和被測物體的大小，由幾百點到幾百萬點不等的三維數據點稱為點云。

經過反復實驗發現，Roland掃描儀數據采集不會劃傷被測零件表面，但對被測物體的表面提出了一定的要求[10-11]。Roland掃描儀數據采集的點云對產品表面的依賴度較高，當物體表面明度較高、較平滑時,掃描獲得的點云數據效果最佳；當產品表面顏色偏深、材質表面粗糙時掃描效果較差，如黑色、深藍色物體、皮革、布料等；對透明物體和表面呈現鏡面效果的物體，掃描后點云坐標往往錯亂或消失，所以掃描前要進行模型著色處理。另外測量點距越小，所獲得的點云數據就越逼近于所測量的實物表面，但相應的掃描時間也更長。點距設置的大小主要取決于機器的精度及實物所要達到的要求，Roland激光掃描儀可以達到最小精度是0.05 mm的間距，完全能達到一般模型設計要求[12]。在測量的時候，由于激光掃描儀存在著掃描“死點”，或是對復雜形狀零件，點云數據不能一次性掃描得到，需要移動或旋轉零件多次掃描得到，這樣才能得到完整的數據，然后以STL的格式輸出。

本文以Kodak相機為研究對象，選用Roland三維激光掃描儀進行數據采集，其過程主要分為以下幾個步驟：

(1) 掃描前準備工作。即模型著色處理，以利于CCD采集數據；

(2) 數據掃描測量。啟動掃描軟件Dr.Picza3，把實物放到掃描儀里，找一個比較好測量的基準面做定位面，設置一些相應的參數,然后點擊“掃描”選項；

(3) 掃描獲得數據。掃描儀自動記錄下所獲取的曲面點云數據并保存在計算機里。

1.2 CAD模型重構

CAD模型重構階段主要是通過使用反求工程軟件對掃描點云進行數據預處理、特征提取并重構出NURBS曲面模型[13]。Geomagic軟件具有強大的反求建模功能，可將三維掃描數據和多邊形網格轉換為精確的曲面化三維數字模型，以用于反求工程、產品設計、快速成型和分析。作為將三維掃描數據轉換為參數化CAD模型和三維CAD模型的最快速的方法。

Geomagic Studio提供了4個處理模塊，分別是:①掃描數據處理(capture);②多邊形編輯(wrp);③NURBS曲面建模(shape);④CAD曲面建模(fashion)[14]。在實驗研究中，我們采用Geomagic軟件分為點階段、多邊形階段、形狀階段3個階段進行處理。

1.2.1點階段(掃描數據處理)

點階段目標是將原始點云數據生成多邊形模型(三角網格面)。一般情況下，由于通過激光掃描獲得的初始點云數量很大，可達到上百萬，使得處理速度較慢，同時掃描得到的產品外形數據會不可避免地引入數據誤差，尤其是尖銳邊和邊界附近的測量數據，測量數據中的壞點，可能使該點及其周圍的曲面片偏離原曲面，處理這些大型三維點云數據集可采用的方些有：①優化掃描數據(通過檢測體外孤點、減少噪音點、去除重疊)；②自動或手動拼接與合并多個掃描數據集；③通過曲率采樣、格柵采樣、統一采樣和隨機采樣4種采樣算法來降低數據集的密度[15-16]。具體的操作步驟為：

(1) 噪點處理。手動去除雜點、著色點、斷開組件連接、全局注冊、聯合點對象、體外孤點、減少噪音、統一采樣、封裝，經過上述操作后，點云可以被拼合并減少冗余數據，輸出有效的多邊形。其中手動去除雜點，斷開組件連接，體外孤點命令去除的是與模型真實形狀坐標相差較大的點。減少噪音，統一采樣命令是在保留物體真實形狀的基礎上去除冗余保留物體特征。Kodak相機模型噪點處理前后對比如圖1所示。

圖1 噪點處理前后對比

(2) 合并采集數據。對于形狀復雜的零件，曲面數據是無法一次性掃描得到，需要移動或旋轉零件，即還需要多次多角度掃描，掃描后的點云還要進行注冊拼接與合并多個掃描數據集，手動注冊如圖2所示。

圖2 手動拼接

其具體操作為：找到點云之間的共同特征，手動進行拼接，系統將自動進行匹配。 手動注冊模式分別為:①1點注冊，②n點注冊。1點注冊系統將根據選擇的1個公共點進行模型自動對齊；n點注冊則是根據定義的多個公共點進行模型對齊(最多9個點)。手動注冊適用于特征情況明顯的物體，根據特征定位，提高了點云拼接的準確性為后續工作打下基礎。手動注冊后進行全局注冊將進一步約束點云間的重疊，使點云間的注冊更加精細。

模型的拼合還可采用特征對齊拼接方式，根據選中點云的特征選擇相應的擬合內容，如點云是圓錐，在擬合區域中選擇圓錐。在特征工具欄選擇相應的坐標軸或坐標面，進行創建匹配。最后通過復制，精確移動，全局注冊，聯合點對象，完成拼接。

1.2.2多邊形階段

點云數據封裝后即進入多邊形階段，該階段任務是對三角網格進行編輯優化。主要通過三角形刪除、光滑曲面的多種方法、填充孔和修補技術來檢測、修復三角面的封閉與相交情況，簡化或細分三角面，平滑表面等操作以提高曲面重建的質量。多邊形階段對物體表面三角面進行加工處理使多邊形更加規則化，使模型表面變得更加光華，為后續曲面模塊打下基礎。多邊形階段處理非常重要，因為處理后的模型必須具有最好的質量，才能進入Shape階段，為生成NURBS曲面做準備。三角面處理前后對比如圖3所示。

圖3 三角面處理

(1) 補面及邊界加工。對于表面缺口較多可采用“全部填充”，“全部填充”可根據缺空周長大小進行有序排列選擇，對于結構形狀復雜的可選擇不填充，以便以后手動對其進行填充，可控制精確的填充周長范圍及空的規律選定。在進行填充前可以先對空進行預加工選擇工具欄下的選擇邊界，確認后，退出命令后按“delete”進行刪除紅色被選中區域。經過此步可以刪除缺空翹起邊界和不規則邊界，使得填充時補面能更好符合原始曲率。

“填充單個空”可應對的各種空的填充，根據具體情況可分別采用填充封閉的孔洞、填充未封閉的孔洞、橋連兩片不相關的邊界。

(2) 三角面的處理。手動“去除特征”，可以去除凸臺等，點擊顯示欄中勾選“邊”可以方便觀察特征突出的三角面，可手動去除。如圖4所示，經過“網格醫生”可智能修復和處理三角面。經過簡化，松弛/砂紙，減少噪音命令可進一步光順表面。

圖4 觀察特征突出三角面

1.2.3形狀階段

形狀階段是從多邊形階段轉化后經過一系列的技術處理，得到理想的曲面模型。其主要技術處理：首先根據曲面的曲率變化生成輪廓線，并對輪廓線進行編輯達到理想效果，通過輪廓線的劃分將整個模型分為多個曲面；其次根據輪廓線進行延伸并編輯，通過對輪廓線的延伸，完成各個曲面之間的連接，最后對各個曲面進行擬合，得到最后的CAD曲面。

通過檢測區域命令，根據曲率變化劃分每塊區域，如圖5所示。

圖5 檢測區域

模型通過編輯輪廓線命令添加、修改及移除輪廓線，如圖6所示。

圖6 編輯輪廓線

其中，在曲面編輯階段，若零件表面曲率變化不大，可以使用智能NURBS構面，即由軟件自動優化提取后的特征線生成NURBS曲面；若表面曲率變化較大，則可對零件進行分塊，再進行擬合生成NURBS曲面[12]。根據網格數據自動擬合以下曲面類型：平面、柱面、錐面、擠壓面、旋轉曲面、掃描曲面、放樣曲面和自由形狀曲面，如圖7所示。

最后對模型進行擬合曲面命令操作，發現橘黃色區域說明擬合精度不高，需調整回轉面的擬合精度。通過縫合命令．對擬合的初級曲面和連接曲面縫合成一個整體CAD模型，如圖8所示，保存輸出到imageware、UG、Pro-e、Catia等軟件進行曲面或實體重構模塊。

圖7 區域劃分

圖8 CAD曲面

2 結 語

數據采集、曲面反求重構是反求工程中的關鍵問題。介紹了以日本Roland非接觸式三維激光掃描儀作為點云數據采集裝置的曲面重構技術，以Geomagic軟件進行曲面重構，提供了一條曲面反求重構的技術途徑，對工業產品造型設計等有一定的應用價值。

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