逆向三維建模研究

許韶洲

（廣東松山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 韶關(guān) 512126）

三維掃描就是快速獲取實(shí)物的立體信息并將其轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)能直接處理的三維數(shù)字模型的過程，而掃描儀就是快速實(shí)現(xiàn)三維信息數(shù)字化的一種工具，常用的掃描儀有接觸式三維掃描儀和非接觸式三維掃描儀兩種。接觸式三維掃描儀具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性，配合測(cè)量軟件，可以快速準(zhǔn)確地測(cè)量出物體的基本幾何形狀。但測(cè)量費(fèi)用較高，探頭易磨損且容易劃傷被測(cè)實(shí)物表面，測(cè)量速度慢。非接觸式三維掃描儀對(duì)曲面的外形能快速測(cè)量，對(duì)實(shí)物表面不會(huì)有損傷，容易操作。

非接觸式三維掃描儀又有照相式和激光式兩種，激光式掃描儀屬于較早的產(chǎn)品，由掃描儀發(fā)出一束激光光帶，光帶照射到被測(cè)物體上并在被測(cè)物體上移動(dòng)時(shí)，就可以采集出實(shí)物的實(shí)際形狀。照相式掃描儀是針對(duì)工業(yè)產(chǎn)品的新一代掃描儀，與傳統(tǒng)的激光掃描儀和三座標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)比較，其測(cè)量速度提高了數(shù)十倍。能有效地控制整合誤差，整體測(cè)量精度有很大提高。其采用可見光將特定的光柵條紋投影到測(cè)量工作表面，借助高分辨率數(shù)碼相機(jī)對(duì)光柵干涉條紋進(jìn)行拍照，利用光學(xué)拍照定位技術(shù)和光柵測(cè)量原理，可以在極短時(shí)間內(nèi)獲得復(fù)雜工件表面的完整點(diǎn)云。掃描大型工件則變得高效、輕松和容易。其高質(zhì)量的完美掃描點(diǎn)云可以用于汽車制造業(yè)中的產(chǎn)品開發(fā)、逆向工程、快速成型、質(zhì)量控制，甚至可以實(shí)現(xiàn)直接加工。

1 掃描技巧

（1）噴粉。掃描流程通常是噴粉-標(biāo)志點(diǎn)黏貼-選擇掃描方式-保存掃描數(shù)據(jù)。是否要噴粉取決于實(shí)物的外表，當(dāng)工件為高反光或深色時(shí)，就必須噴粉，如圖1所示實(shí)物。

圖1 高反光或深色實(shí)物

（2）貼標(biāo)志點(diǎn)。貼標(biāo)志點(diǎn)是掃描中的一項(xiàng)重要工作，直接影響掃描的質(zhì)量和速度，如果沒有掌握技巧，有可能無(wú)法掃出實(shí)物。標(biāo)志點(diǎn)的黏貼做到掃描實(shí)物單個(gè)面可以不黏標(biāo)志點(diǎn)，掃描實(shí)物多個(gè)面必須黏貼標(biāo)志點(diǎn)；掃描的是藝術(shù)品時(shí)，因其有多個(gè)自由曲面，為了保持原貌特征能盡量少貼標(biāo)志點(diǎn)；標(biāo)志點(diǎn)盡量不貼在實(shí)物特征上，才不會(huì)影響采集特征，如下圖2所示。標(biāo)志點(diǎn)要盡量貼在實(shí)物的平面區(qū)域或曲率較小的曲面，且距離實(shí)物邊界較遠(yuǎn)一些,以不影響特征采集為準(zhǔn)。黏的標(biāo)志點(diǎn)要保證掃描的順利實(shí)施，并使標(biāo)志點(diǎn)在長(zhǎng)度、寬度、高度方向均應(yīng)合理分布，如圖3所示，不能把標(biāo)志點(diǎn)貼成一條直線或?qū)ΨQ，這樣不利于特征點(diǎn)的采集。

（3）掃描儀參數(shù)設(shè)置。掃描儀參數(shù)設(shè)置直接影響掃描質(zhì)量，特別是掃描儀相機(jī)的曝光度，當(dāng)然，不同品牌的掃描儀參數(shù)設(shè)置不同，如三維天下三維掃描儀，它的相機(jī)的曝光度可以這樣調(diào)節(jié)，打開掃描儀“調(diào)整相機(jī)參數(shù)”對(duì)話框，可以通過對(duì)話框中的曝光，增益與對(duì)比度來(lái)調(diào)整相機(jī)采集亮度。視環(huán)境變化來(lái)確定曝光值，一般環(huán)境選擇曝光值為334；如果環(huán)境光比較亮，曝光值可相應(yīng)減少，常用曝光值為167；反之，環(huán)境光較暗，曝光值可相應(yīng)增加，常用曝光值為500。

2 逆向設(shè)計(jì)

逆向設(shè)計(jì)是指對(duì)某一產(chǎn)品進(jìn)行仿制工作，用一定的測(cè)量手段對(duì)實(shí)物或模型進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)通過三維幾何建模方法重構(gòu)實(shí)物的CAD模型的過程。常用的軟件有Geomagic、Imageware、Proe等，這幾個(gè)軟件都各具特點(diǎn)。Geomagic具有從點(diǎn)云處理到設(shè)計(jì)的一體化功能。Imageware能提供完整的曲線與曲面建立和修改的工具、強(qiáng)大的曲面匹配能力。Proe功能較強(qiáng)大，具有3D建模、動(dòng)畫模擬、概念設(shè)計(jì)、圖片渲染等多模塊，比如，有機(jī)械設(shè)計(jì)(CAD)模塊、功能仿真(CAE)模塊、制造(CAM)模塊。

逆向設(shè)計(jì)時(shí)，先要從測(cè)量數(shù)據(jù)中提取零件原型的幾何特征，即按測(cè)量數(shù)據(jù)的幾何屬性對(duì)其進(jìn)行分割，采用幾何特征匹配與識(shí)別的方法來(lái)獲取零件原型所具有的設(shè)計(jì)與加工特征。然后，將分割后的三維數(shù)據(jù)在CAD系統(tǒng)中進(jìn)行表面模型擬合，并通過各表面片的求交與拼接獲取零件原型表面的CAD模型。

這里采用Geomagic Design X軟件，以人像模型為案例介紹其頭部及上身逆向建模設(shè)計(jì)，完整建模過程如圖2所示。

圖2 完整建模過程

（1）點(diǎn)擊菜單欄中的【曲面創(chuàng)建】-【自動(dòng)曲面創(chuàng)建】按鈕，點(diǎn)選人像模型，進(jìn) 入下一步，點(diǎn)擊“對(duì)勾”按鈕確認(rèn)。

（2）點(diǎn)擊菜單欄中的【模型】-【曲面偏移】按鈕，“面”選擇上述操作圓柱實(shí)體的上表面，偏移距離為2.5mm，點(diǎn)擊“對(duì)勾”按鈕確認(rèn)。

（3）點(diǎn)擊菜單欄中的【模型】-【切割】按鈕，對(duì)上述自動(dòng)創(chuàng)建曲面生成的實(shí)體進(jìn)行切割，保留上半部分，點(diǎn)擊“對(duì)勾”按鈕確認(rèn)。

（4）點(diǎn)擊菜單欄中的【模型】-【刪除面】按鈕，“面”選擇頭部下表面，點(diǎn)擊“對(duì)勾”按鈕確認(rèn)。

（5）點(diǎn)擊菜單欄中的【模型】-【延長(zhǎng)曲面】按鈕，邊線/面選擇頭部底部的邊線，終止條件為距離，3mm；延長(zhǎng)方法為線性。點(diǎn)擊“對(duì)勾” 按鈕確認(rèn)。

（6）點(diǎn)擊菜單欄中的【模型】-【曲面偏移】按鈕，“面”選擇上述操作圓柱實(shí)體的上表面，偏移距離為0mm，點(diǎn)擊“對(duì)勾”按鈕確認(rèn)。

（7）點(diǎn)擊菜單欄中的【模型】-【剪切曲面】按鈕，工具要素為頭部曲面、偏移曲面2；對(duì)象為頭部曲面、偏移曲面2；點(diǎn)擊“對(duì)勾”按鈕確認(rèn)。

3 結(jié)語(yǔ)

逆向工程是一門新的再造技術(shù)，用于只有樣品或?qū)嵨锬Ｐ汀]有產(chǎn)品圖紙的條件下實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的制造。由于有實(shí)際的模型參與各種試驗(yàn)，因此，得到的結(jié)果相對(duì)于概念化推算和電腦虛擬模擬更接近真實(shí)，從而能迅速找到并確定產(chǎn)品的正確形態(tài)，能起到降低開發(fā)成本、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期的作用。目前，我國(guó)制造業(yè)進(jìn)入了一個(gè)蓬勃發(fā)展的新時(shí)期，這必然對(duì)掌握現(xiàn)代制造技術(shù)的人才形成了巨大需求，因此，只有通過不斷探索與實(shí)踐，才能更好地掌握這門技術(shù)。