基于Imageware的逆向工程在汽車模型上的應用研究

王娟

摘 要：逆向工程理論是先進的快速建模理論，它是利用掃描設備從現有的模型或產品中獲得數據信息，以計算機為載體運用曲面重構理論進行模型的修復和重建，最終獲得產品的CAD模型。逆向工程理論適用于設計結構復雜的產品，以實現模型的快速設計和仿形。本文通過研究汽車模型的逆向，總結了整個汽車模型外形的逆向方法，利用三維激光掃描儀采集汽車模型的外表面數據，基于曲面重構理論并利用逆向軟件Imageware重構汽車外形的CAD模型。

關鍵詞：Imageware;逆向工程;汽車模型;曲面重構

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.02.133

1 引言

隨著計算機技術的發展，汽車車身外形形態各異，曲面越來越復雜，流線越來越優美，傳統的汽車車身設計是從油泥模型到實物成型，這種設計方法有著很大的局限性，用一般的CAD設計方法難以在計算機中構造出復雜的幾何結構。然而科學技術的巨大進步帶來的各種設計方法也在不斷的發展創新，特別是在計算機輔助設計飛速發展的今天，逆向工程技術已經非常發達和成熟。逆向工程是一種先進的設計理論，在對復雜車身幾何外形的研發方面有著重要的意義。

2 逆向工程

所謂逆向工程（Reverse Engineering，RE），是把已有的產品模型（實物模型）或者影像資料等信息作為研究對象，運用現代先進設計理論、計算機技術和各個科學領域的相關知識以及一系列分析方法等，通過對產品生產過程的解剖和制造特點的分析深化，對關鍵技術的掌握以及對設計理念的探究，再設計開發出更為優化的同類產品的過程，也稱為反求工程。圖1完整的給出了從實物模型到新產品利用反求工程開發的過程，清楚地給出了反求工程的設計過程。

3 汽車模型的逆向工程過程

（1）采用三維激光掃描儀對汽車模型進行掃描，經過若干次的掃描得到汽車模型各個面的坐標數據的“點云”，如圖2。

（2） 掃描后得到的“點云”必定包含一定的噪聲點，要通過一些手段對“點云”數據進行精簡、光順、排序等，以提高后續建模的效率和精確度。

（3）運用自由曲面重構理論，按照一定的曲面擬合方法，進行汽車模型的曲面重構。

（4）利用專業的檢測軟件對CAD模型進行檢驗，看其是否滿足精度或其他性能指標要求，對不符合要求的進行調整修改，達到汽車模型外形的設計要求。

4 Imageware在逆向工程中的應用

Imageware由美國 EDS公司出品，不僅具有強大的“點云”處理、曲面編輯和 A級曲面的構建能力，同時對測量數據的處理、曲面造型和誤差檢測也有著非常強大的功能[1]，廣泛應用于汽車、航空、航天、甚至消費家電、模具、計算機零部件等設計與制造領域。它可以和UG軟件進行無縫對接，其所構造的A級曲面（ CLASSA ）具有良好的品質和曲面連續性，Imageware的模型檢測功能可以方便、 直觀地顯示所構造的曲面模型與實際測量數據誤差以及平面度、圓度等誤差[2]。Imageware采用的是先進的NURBS技術，功能強大且應用方便，憑借完善的處理能力可提供多種反設計的思路，最核心的地方也是用戶比較滿意的地方是三維檢測、高級曲面造型能力、多邊形造型以及反求工程。

Imageware包含基礎模塊、點處理模塊、曲線曲面模塊、多邊造型模塊、檢驗模塊、評估模塊這六大模塊。

它的處理過程遵循點—曲線—曲面原則，流程如圖3。

4.1 “點云”數據處理

Imageware的點處理模塊可以很好的處理大數據量的“點云”，它的優化方法非常獨特，完全可以自由的清理、稀疏、檢查“點云”的工作，它的數據處理包含幾個方面：對多次采集到的“點云”數據進行拼接與對齊，得到完整的數據“點云”后，先剔除當中明顯的噪點，利用合理的方式對采集到的大量“點云”數據進行精簡，再利用合適的方法進行重構曲面。Imageware的逆向過程很嚴格的遵循點-線-面的過程，這個過程恰恰是模擬了正向的設計過程。通過“點云”數據對原設計者設計樣件的揣摩，達到產品開發再設計的逆向過程，再此基礎上對其創新。處理后的點云如圖4。

4.2 模型重構

（1）對“點云”數據處理之后，就基本完成了對“點云”數據處理的階段，由于車身外形曲面構造比較復雜，不可能一次性構造完所有的曲面，所以處理完成之后需要對“點云”曲率進行評估，評估的目的是對“點云”進行分塊處理，以方便后期進行分塊建模，如圖5。

（2）根據曲率，用曲線將汽車模型“點云”數據分成四部分，如圖6，Imageware提供了一套非常完整的曲線創建功能，用于開發基于高質量曲面和A級曲面。

（3）分塊完成之后對各個面進行曲面重構，先對車頂面進行曲面重構，考慮到車頂面的“點云”分布和即將構成的曲面形狀，采用依據“點云”和曲線擬合的方式構建曲面如圖7。

（4）對于整個車身曲面重構，進行拼接，拼接后，填充孔，光順之后的效果如圖8。

（5）完成之后進行鏡像處理，由于存在縫隙，需要把兩個半車身進行拼合，在Imageware里這種拼合可以用橋接的方式，橋接對于處理面與面之間的連接效果是非常完美的。

4.3 重構模型的檢測

Imageware中對曲面的光順度有兩種檢測方法，反射線檢測法和高光直線檢測法，這兩者的區別是反射線把模擬燈光照射在相應的曲面上，把反射出來的等高流線作為曲面光順度的評價指標，而高光直線檢測是能夠把參考平面上的直線投影照射在相應的曲面上，根據投影線的情況來判斷曲面的光順性，高光直線檢測是采用等高線和等高環的方式來表示的，兩者結果都是等高流向越平順而且之間的距離越均勻，說明曲面品質越好，色彩分布圖顏色過渡的越自然說明曲面的品質越好。

對于小汽車模型采用的是高光直線分析法，分析結果如圖10。

所選擇的燈光數量為20，間隔距離為10，從上圖分析結果可以看出，汽車頂面的等高流線比較平順且等高線之間的距離非常均勻，說明光順度很好，不用再做任何光順度的處理。可以通過鼠標拖動控制點從而調節參考平面，達到最大程度的動態檢查小汽車的各個曲面。

5 小結

本文將汽車模型的設計與逆向工程相結合是先進的一種汽車外形的設計理念，解決了傳統汽車正向設計的一些不足。本文提供了用Imageware軟件進行模型的重構、光順度的檢測和評價的一些方法，為其他復雜的曲面反求和檢驗研究提供了一些參考。

參考文獻：

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

[2]孫文學，鄺蕓.Imageware在逆向工程設計中的應用[J].現代制造工程，2005（08）.