基于Geomaic Design X 軟件的逆向工程研究

鄭進輝 許冠 毛衛東 余小圃 羅有旺 梁翱 易建豪 黃瑋楠

摘要：逆向工程是產品不斷迭代開發的常見方式，也在制造業中廣泛存在。目前已出現了很多的逆向設計軟件，如 NX1847、Pro_E、Imageware、Copy CAD、RapidForm等都可以用來進行逆向工程設計，但是相對于曲面和尺寸太小又很難實現快速拾取，需要人為的不斷調整才能保證產品逆向數據的精度要求，從而導致逆向的效率不高;提出了一個新的逆向工程設計軟件—Geomagic Design X逆向工程軟件，研究表明Geomagic Design X軟件相比于其他三維設計軟件，具有非常明顯的優勢，如強大的截面輪廓線提取能力，可以根據 STL面片數據自動擬合出曲面，同時也支持多種 STL數據的特征識別指令，同時支持與其他軟件的交互轉換，實現不同軟件間的交互使用。相對于其他研究成果，主要突出在Geomagic Design X 軟件在逆向工程設計中的便利性，闡述了該軟件是如何進行產品的逆向設計，提高設計效率。

關鍵詞：逆向工程;三維掃描儀;點云處理;產品設計

中圖分類號：TP311.5文獻標志碼：A文章編號：1009-9492（2021）11-0091-05

Research on Reverse Engineering Based on Geomaic Design X Software

Zheng Jinhui，Xu Guan ，Mao Weidong，Yu Xiaopu，Luo Youwang，Liang Ao，Yi Jianhao，Huang Weinan

（Foshan NanhaiZhongnan Machinery Co.， Ltd.， Foshan，Guangdong 528247， China）

Abstract： Reverse engineering is a common way of product iterative development， and it also widely exists in the manufacturing industry.At present， there are many reverse design software in the market， such as NX1847， Pro_ E， Imageware， Copy CAD， RapidForm and other three-dimensional software， which can be used for reverse engineering design. But it is difficult to realize rapid pick-up relative to the surface and size， which requires continuous manual adjustment to ensure the accuracy requirements of product reverse data， resulting in low reverse efficiency. Therefore， a new reverse engineering design software - Geomagic Design X reverse engineering software was proposed. The research shows that Geomagic Design X software has very obvious advantages compared with other three-dimensional design software， such as powerful cross-sectional contour extraction ability， and the software can automatically fit the surface according to STL patch data. At the same time， it also supports the feature recognition instructions of a variety of STL data， supports the interactive conversion with other software， realizes the interactive use between different software， and also has the functions that other reverse engineering software does not have. Compared with other research results， the convenience of Geomagic Design X software in reverse engineering design was mainly highlights， and how the software carries out the reverse design process of products was described to improve the design efficiency.

Key words： reverse engineering;3D scanner; point cloud processing; product design

0 引言

逆向工程（又稱逆向技術），是一種產品三維數據復刻的過程，即對一種產品零件進行三維掃描后進行逆向設計，從而得到產品的三維模型數據，進一步對三維模型進行分析后，得到產品的設計要點、生產要素和相關結構的功能特性以及成本控制等要素，以達到制作出功能基本一致的產品。相對于傳統的正向設計（從無到有的過程），逆向設計可以快速獲取產品的三維數據，根據現有產品的不足之處進行優化設計，促使產品的優勢性能進一步提升，縮短產品的開發周期，廣泛應用于各個領域。

國內有針對逆向工程所做的相關研究，有針對 Geo- magic[1-2]做點云數據處理的，針對產品做逆向設計研究以及逆向工程在相關領域中的應用研究，大部分都是針對三維掃描好產品后進行點云數據處理以及針對工藝品進行面的轉化等分析;而針對產品逆向設計過程的研究相對較少，而且不全面。基于 NX1847[3-4]、Pro_E[5]、Image- ware[6-7]等軟件指令的約束，無法針對產品相關面的領域、結構等進行透徹的分析，比如點云處理的參數是如何界定，不同產品需要不同的參數設置，以及逆向設計的效率問題，也沒有充分對逆向設計的步驟進行詳細的說明，無法讓其他研究人員學習時有效的吸收。為此，本文將針對Geomagic Design X 軟件，選用產品實例，將整個逆向設計的過程進行系統地敘述。全面解析基于Geomagic Design X 進行逆向工程的便利性，以便驗證新的逆向工程擁有相關強大的指令功能特點，以此來辨析不同產品如何選用更為合適的逆向工程軟件。

本文研究的基于Geomagic Design X 軟件的逆向研究[8]，一方面希望闡述一個全新的逆向設計軟件，來與其他的逆向設計軟件進行對比，突出該軟件的所具備的相關優勢;另一方面希望能解決現有的逆向設計軟件在逆向設計上的效率問題，縮短產品在逆向設計上的時間周期。Geomagic Design X 軟件在逆向設計具備明顯的優勢和強大的功能指令，可以給其他逆向工程設計軟件平臺提供有效的功能指令參考，促進相關軟件功能的升級優化，降低設計師的軟件學習難度，提高產品在逆向設計過程中的效率，對整個逆向工程的設計思路提供一個非常有效的設計步驟，對軟件深度開發具有重大的意義。

1 掃描和數據處理一般步驟

1.1 產品逆向工程的整體思路

在選定好需要逆向的產品后，需要有一個詳細步驟，整個掃描的過程如圖1所示[8-10]。（1） 選用合適的三維掃描儀系統[11-12]，由于掃描儀系統的限制，需要對反光、油面、黑色的產品進行清洗后，對產品表面進行噴涂顯像劑，使其表面特征明顯化以便于掃描。（2）產品前期處理好后需要判斷如何進行掃描，然后進行掃描儀參數設置好后，對產品進行掃描，將其放置在轉配上，每轉動60°掃描一幅面，正反對產品進行掃描工作即要掃描12次。（3）對多次掃描的點云數據進行整體對齊，得到完整的產品三維點云數據;將得到的點云數據在Geomagic Wrap X 軟件[13]里面進行三維的點云數據處理，進行點云數據封裝成 STL面片數據，以便后期對產品進行逆向工程設計。（4）將掃描后處理得到的 STL面片數據導入至Geomagic Design X進行相關領域的分析、對其三維數據的三維坐標，根據相關的特征進行曲面建模、結構特征建模等，直到三維模型的完整呈現，對相關的曲面進行數據的偏差比較，合理范圍內即逆向工程的產品已完成。如此得到一個完整的產品三維數據模型。

1.2 選擇掃描儀系統

本次采用掃描儀系統是北京三維天下科技有限公司的 in3DD-M 型號的三維掃描儀系統;此系統非常適用于教育領域的使用，其掃描的型號可以根據產品的大小進行選配，非常的實用和便利性，其 Win3DD-M 系統外觀如圖2所示，掃描儀的相關參數如表1所示。本次基于Geoamgic Design X 逆向工程研究的對象為日常生活中比較常見的攝像頭，只對攝像頭主體做逆向設計的研究，其攝像頭的外觀如圖3所示。

2 點云數據處理

掃描后得到的點云數據導入Geomagic Wrap X 軟件中進行點云數據處理步驟，在產品掃描后獲取的點云數據，其點云數據存在部分噪點、離散點、偏離點等，這些數據會影響產品三維數據的質量，因而需要將這些不在物體表面的則需去除掉。

點云數據處理（完整的物體點云數據大概由12～16組點云數據構成）的一般步驟如下。（1） 對所有單幅面掃描獲取到的點云數據（圖4）進行聯合點對象形成一個整體的產品三維點云數據，根據產品的點云數據量的大小可以相應的進行點云數據數量的整體統一降低，以保證數據量的大小能讓電腦順暢的運行。（2）對產品的點云數據進行非連接項和體外孤點的刪除，可以快速刪除產品表面以外的點云數據，為了直觀地看清點云數據的分布，可以將原本黑色的點云數據顏色改變成淺綠色（圖5）。（3）進行噪點處理，減少噪聲（圖6），參數設置為第一次5個迭代，偏差限制為0.1，應用確定后進行第二次降噪，參數設置偉5個迭代，偏差限制為0.04，應用后確定即可。（4）在降噪后再進行一次體外孤點的去除后，將處理后得到的產品點云數據轉化為 STL 面片數據，在第一次基礎封裝點云數據，（封裝后含有原有的點云數據跟面片數據兩個文件）看封裝后的面片數據的完整程度，面片差的話，再次對點云數據進行處理好后，進入多邊形任務欄的處理工作。（5）對產品的面片數據進行網格醫生命令自動優化三維數據的質量，可以有效處理數據的非流形邊、自相交、高度折射邊、釘狀物、小組件、小孔通道等面質量問題，同時也可以根據產品三維數據的三角形數量進行有效控制或者重新劃分面的網格排布，根據面的質量情況可以進行表面光滑處理2～3次以及對相關的孔洞根據周圍面的曲率大小進行填充，使其保持產品外觀的三維數據完整性。（6）對處理好的面片進行基礎的三維坐標系建立;對面片建立兩個相對合理的平面，兩平面相交確定一條直線，在依據這條直線創建出第三個平面;再將三個平面進行全局對齊處理。構建出面片的基礎三維坐標系，在各個視圖中可以相對直觀地表現出產品三維數據的規整性，導出處理好的攝像頭三維 STL數據（圖7）。

3 逆向工程設計

3.1 Geomagic Design X 軟件介紹

Geomagic Design X 軟件是一款逆向工程的專業軟件，由3D System 公司開發的，其支持與主流三維設計軟件（SolidWorks 、Pro/E 、Siemens NX 、Inventor 、Solid Edge等三維軟件）進行同步轉換，實現系列逆向設計步驟的記錄;作為一款三維設計軟件，它基本上具備了所有主流軟件擁有的常規指令（拉伸、旋轉、放樣、掃描、布爾運算、倒角、抽殼、拔模、移動、復制、測量等基礎實體操作指令），常規的草圖創建（直線、圓、曲線、矩形、剪切、鏡像等相關指令）和3D草圖（3D 自有曲線、面上曲面、投影等）常規的草圖繪制功能;同時也具備自身特色的逆向實體功能（根據 STL數據自動擬合出完整曲面、自動識別 STL數據的圓柱、球體、圓錐特征和識別回轉軸特征、平面特征）;能在該軟件內進行產品三維數據的點云處理和三角面片處理能力（類似Geomagic Wrap X 的點云處理功能）;最具有該軟件一個重要特點的是支持自動劃分三角面片數據領域功能，簡單來說就是可以根據模型的細節特征，識別出三維數據的實體特征、大曲面、過渡曲面、倒圓曲面等數據特征，讓設計師非常直觀的看出一個產品的結構設計構成的基本要素，同時也支持設計師根據對產品的理解，人為的進行三角面片數據的領域劃分，實現領域劃分的自由度，有利于后期進行逆向設計時的特征自動識別;作為一款專業的逆向工程設計軟件，Geomagic Design X 可以進行相關指令快捷鍵的設置、相關的設計樹步驟、相關曲面、實體、三角面片、測量、平面和草圖等視圖的顯示和隱藏功能，這也是該軟件能夠跟其他軟件可以進行同步轉換的一個關鍵因素。相關軟件界面如圖8～9所示。

3.2 攝像頭的逆向設計思路

將處理好的攝像頭 STL數據導出到Geomagic Design X 軟件中，具體的步驟如下[14]。

（1） 將模型的原點三維坐標系建立好后（圖10），可以直觀地了解到攝像頭主體大致上是左右對稱關系，其細節特征可以分為前后左右的6個A 面以及上下的3個銜接面，底部下萬向球和前面的攝像鏡頭特征為回轉體結構。

（2） 對攝像頭數據進行人為的領域劃分成8個面片領域組（圖11），領域劃分可以讓設計師知道整個產品的外觀是如何劃分的。

（3） 使用面片擬合（圖12）功能進行曲面自動擬合，得到相應的8個自由曲面，根據邊界線進行相關的裁剪后，采用曲面放樣指令對前后曲面進行曲面嫁接后得到攝像頭的主體數據。

（4） 對于兩個回轉體特征采用2D面片草圖指令直接獲取到相關的截面線段，對曲線進行尺寸約束后，采用回轉體指令行成兩個相應的特征（圖13）。

（5）對攝像頭主體和回轉體特征進行布爾運算求和成一個整體后，對相關的邊界線進行合理的倒圓特征，從而完善攝像頭產品的三維外觀數據（圖14）;可以采用體偏差指令所顯示的3D色譜圖偏差來判斷出我們所逆向設計出來的曲面是否達到誤差范圍內，從3D 色譜圖[15] （圖15）可以清晰地分辨出所逆向出來的曲面基本上都是綠色的顏色，說明這些曲面的精度是在允許的公差范圍內的;也可以通過環境寫真（斑馬線）來分析逆向曲面的光滑程度，通過圖16也可以清晰的看出逆向出來的面是比較順暢自然，斑馬線也比較有規律和協調。

（6）經過上述的指令操作后，攝像頭主體的逆向設計所得到的三維數據就完成了。其相關的指令也是比較的簡單，沒有較為復雜的步驟操作。

4 結束語

基于Geomagic Design X 軟件的逆向工程設計，相對比于其他逆向工程軟件，其擁有簡潔的界面和強大的功能指令，具備了其他軟件所不具備的點云、面片處理、領域劃分等功能模塊，利用該軟件進行產品的逆向工程設計，可以有效提高產品逆向設計的設計周期，以及縮短設計師學習軟件的學習周期，對逆向工程領域來說是軟件升級的一個契機，能夠促進相關軟件進行相互學習。

本文詳細闡述了整個產品的逆向過程，一方面對掃描過程以及產品的點云處理進行了一個清晰的劃分;另一方面展示了Geomagic Design X 軟件應用于產品逆向工程的便利性;研究結果表明，Geomagic Design X在產品的逆向設計中，能夠高效率地縮短逆向周期，在參數化設計的同時也促進逆向設計的思路簡單化，這是其他軟件所無法達到的，針對逆向工程領域，Geomagic Design X 是一款專業和高效的逆向工程設計軟件，對常規軟件的相關指令功能的迭代是一個非常有的促進作用，對于逆向工程的產品開發來說也是增加了一種新的嘗試，對相關領域的發展具有重要的作用。

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第一作者簡介：鄭進輝（1996-），男，大學本科，研究領域為3D打印和三維掃描檢測技術。（編輯：刁少華）