基于Geomagic Studio的點云數據處理三維建模技術

李志彥

摘? 要：該項目用到一款點云數據處理軟件Geomagic Studio，在處理非大量點云數據時具有一定優勢。該文中，筆者主要介紹利用Geomagic Studio軟件處理掃描獲取的點云數據生成曲面模型，然后生成三維模型的過程。從數據預處理、提取特征線、構建曲面、生成三維模型4個基本步驟對基于Geomagic Studio點云數據處理三維建模技術進行了分析和總結。

關鍵詞：點云數據? Geomagic studio? 特征線? NURBS曲面

中圖分類號：TP391 ? ?文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）07（c）-0013-02

隨著激光技術的快速發展，激光三維掃描技術以其獨有的優勢正廣泛地應用于各個領域。與傳統的三維信息獲取技術相比，能快速、精確、無接觸完成對復雜表面測量和建模。目前，市場上涌現出了大量的商業化激光掃描點云數據處理軟件。大致可分為：專用的逆向軟件，如Sufacerl0.0、CopyCAD、TRACE、cyclone、Geomagic、polyworks等;以及一些流行的CAD/CAM集成系統中也開始集成了類似模塊。如Uni-graphics中的Point Cloud功能、Cimatron90中的Reverse Engineering功能模塊等。其中，Geomagic studio軟件以先進的數學模型、曲面構造理論為基礎，被廣泛用于點云數據處理工作中。它不同于傳統的點—線—面的曲面構建方式，而是提供了基于多邊形網格化快速曲面構建方式，體現了點云數據生成三維模型技術發展的新趨勢。

1? Geomagic Studio軟件簡介

Geomagic Studio軟件是美國雨滴（Raindrop）公司出品的逆向工程和三維檢測軟件，它可掃描所得的點陣模型創建良好的多邊形模型或網格模型，并轉換為NURBS曲面。該軟件主要功能包括：橫切截面輪廓線獲取;新點坐標數據處理技術;按曲率連續填補破洞;自動將NURBs曲面邊界合并到新的掃描測量數據中;其主要特點支持多種掃描儀文件格式的讀取和轉換、海量點云數據處理等。筆者通過項目實例進行簡單的闡述以給予讀者更多啟發。

2? 項目實例

2.1 點云數據處理

基于Geomagic Studio軟件的點云數據處理流程一般如圖1所示，首先將測得點云數據進行預處理，然后提取地物特征線，反復編輯特征線生成最貼近實際的曲面，最后構建成三維模型。

2.1.1 讀取與渲染

Geomagic Studio軟件支持市場上大部分掃描儀的點云數據載入。為了獲得完整點云，運用三維激光掃描儀從多個不同方向進行掃描，運用對齊功能將分塊的點云數據統一到同一個坐標系上，由于是雜亂的點，顯示并不直觀，在Geomagic Studio軟件中使用Shade Points命令渲染點云數據，增加三維感真實感以便于后續操作。

2.1.2 濾除噪聲點

由于受鏡頭畸變、測量時環境光、圖像處理的算法等的影響，采集的數據含有較多的噪聲點。先人工刪除大片孤立的點云數據，再自動過濾掉超過設定閾值的孤立噪聲點，提供了兩種方法：（1）手動刪除噪聲點;（2）Reduce Noise命令自動過濾噪聲點。單擊點→噪聲處理→將平滑度適當的值，效果最佳→選中預覽選項。

2.1.3 生成曲面

使用多邊形網格（ploy mesh）封裝，進入Wrap封裝階段。封裝實質上使許多細小的空間三角形逼近還原CAD實體模型。將點云組織起來生成一個曲面，操作方法為：點擊Point（點）→Wrap（封裝），點擊surface選項。在點對象上創建一個多邊形網格，Model Mangager（模型管理器）創建了一個新對象，但被測模型本身的幾何拓撲關系或遮擋、破損以及不同站點之間點云數據拼接存在縫隙等原因，會導致部分表面無法測量或采集數據存在破損現象。如圖2（a）所示。

2.1.4 漏洞修補

封裝生成數字化模型后，發現存在破損，可通過填充孔命令在這些缺失數據區域里來創建一個基于曲率的填充（curvature-based filling）或一個平面填充（flat fill），執行全部填充、部分填充或橋填充，單擊多邊形→填充單個孔→點擊洞的紅色邊緣;或運用繩索工具選中凹下去和凸出來的地方→多邊形→全部填充，將缺失數據補齊完整。如圖2（b）所示。

2.1.5 數據精簡

Geomagic Studio軟件提供了點云數據的精簡命令，通過設置一個采樣百分比就可以將點云數據均勻減少。

2.2 提取特征線

在Geomagic Studio軟件中有兩種特征線提取方法。一種方法是使用切割（Cross Section）曲線特征。用戶指定一個平面，軟件將與該平面相交的零件外形特征線提取出來。軟件默認的切割平面有x軸、Y軸、z軸的法平面，用戶也可以通過手工指定法方向來確定切割平面，并且可以設置點云數據在某一方向的截面切割數量，對于曲率變化比較大的截面可以增大截面切割數量來保留曲面特征。另外一種方法是將軟件自動抽取的零部件特征、邊界轉換成特征線，如果自動抽取的特征線并不完全是我們需要的，需通過執行“升級/約束”命令進行修改。

在軟件中設置只顯示點云數據的特征線，并以截面為單位將一截面上的點云以樣條曲線相連，就可以將點云轉換成樣條曲線。

2.3 創建NURBS曲面

NURBS曲面重建包括檢測曲率、構建及編輯曲面片、構建風格、擬合曲面等，在開始曲面擬合過程，對于曲率變化比較大，或表面由多個自由曲面區域組成的曲面重建之前，首先對其表面進行區域劃分，它是零件曲面重建的關鍵環節，應以曲面分析為基礎進行合理劃分。曲面片劃分大小的問題，過小的曲面太碎，過大難以捕捉點云形狀。系統自動構建好的曲面片需進一步調整，松弛曲面片可使輪廓線變得挺直。操作方法為：編輯→相位→圖形相位→路徑→自動曲面（將曲面細節設置為最大）。結果如圖2（c）所示。

2.4 模型輸出

創建曲面模型后，可將該曲面數據輸入到CAD或CAM系統中。有許多格式（如3DS、OBJ、IGES、STEP、VDA等）可支持曲面數據的輸出。完成后可根據平臺與后續軟件的不同要求輸出不同格式的文件。

3? 結語

Geomagic Studio支持多種掃描儀的文件格式的讀取和轉換、海量點云數據的預處理、智能化NURBS構面等，它采用的點云數據的采樣精簡算法，克服了其他同類軟件中對點云數據操作時，軟件進行圖形的拓撲運算速度慢、顯示慢等弊端。

Geomagic Studio軟件的優勢有：簡化了工作流程;提高了生產率;實現了即時定制生產;兼容性強。

參考文獻

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