工藝品模型的特征添加與重構(gòu)

摘要：

將逆向工程引入到工藝品的設計制造中，可有效地提高工藝品的設計效率，降低設計周期，還可以方便地對數(shù)字模型進行特性添加，使得作品更符合顧客“胃口”。本文以人猿泰山為例，基于逆向工程方法獲取工藝品原件的數(shù)字化模型，通過點云預處理、構(gòu)建多邊形、網(wǎng)格劃分、曲面重構(gòu)等方法還原一個更自由、造型語言更生動的數(shù)字模型。在三維軟件Geomagic/Unigraphics NX進行曲面重構(gòu)和創(chuàng)新，通過特征添加，將原型進行再設計，從而提高工藝品的設計質(zhì)量。本文將為青瓷、石雕等工藝品的快速建模提供了一種新的方法和途徑。

關鍵詞：

工藝品 逆向工程 Geomagic

中圖分類號：TB472

文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（2015）07-0045-02

在工業(yè)經(jīng)濟時代邁向知識經(jīng)濟時代的進程中，三維數(shù)字化造型技術(shù)已被藝術(shù)品設計等文創(chuàng)產(chǎn)業(yè)廣泛應用于3D動畫、影視特效、廣告特效等各個方面。傳統(tǒng)的正向設計在構(gòu)思、設計和繪制復雜曲面模型時，相當費時費力，在設計人性化產(chǎn)品時，更是需要反復試驗、修改才能達到要求，在開發(fā)作品時存在成本高、質(zhì)量低、費時長等不足。近年來逆向工程軟硬件條件的成熟給工藝品的高效設計提供了一個有效的手段。通過逆向技術(shù)，可以快速地構(gòu)建作品的數(shù)字模型，在此基礎上利用3D打印技術(shù)快速、直接、精確地制造出物理模型，以進行觀感評價，以評價結(jié)果作為信息反饋，給進一步的改進設計提供依據(jù)。本文以人猿泰山為例，研究如何在現(xiàn)有工藝品模型的基礎上進行特征的添加和模型的創(chuàng)新，介紹了從模型獲取、模型處理和創(chuàng)新設計的全過程。

1 模型數(shù)據(jù)的獲取

目前，數(shù)據(jù)采集方法多種多樣，根據(jù)逆向工程設備的測量工具是否和零件表面接觸，可以將數(shù)據(jù)采集方法分為接觸式和非接觸式兩大類。接觸式測量方法是通過傳感測量頭與樣件的接觸來記錄樣件表面的坐標位置，三坐標測量機即屬于接觸式測量方法；非接觸式測量方法主要是基于光學、聲學、磁學等領域中的基本原理，將一定的物理模擬量通過適當?shù)乃惴ㄞD(zhuǎn)化為樣件表面的坐標點。接觸式測量較適合精度要求較高、曲面形狀相對簡單的機械零部件的測量。本文的研究對象為圖1所示工藝品，這種模型曲面形狀無規(guī)律、小曲面特征較多，接觸性測量的應用受到了較大的限制。因此，常采用非接觸測量獲取工藝品的逆向數(shù)據(jù)。

2 數(shù)據(jù)處理

通過掃描得到的數(shù)據(jù)只是雜亂無章的模型表面點的坐標，俗稱點云數(shù)據(jù)。由于操作過程中出現(xiàn)的抖動及設備本身原因，所獲得的點云數(shù)據(jù)中不可避免出現(xiàn)誤差。因此在模型重構(gòu)前有必要進行數(shù)據(jù)預處理。

1）剔除跳點。所測得點的坐標誤差有兩種：系統(tǒng)性誤差和隨機性誤差，其中系統(tǒng)性誤差可以被預測和補償。誤差的另一種表現(xiàn)形式就是在測量所得的點云中存在跳點、跳行等難以避免的不良數(shù)據(jù)點，這些不良數(shù)據(jù)點會影響后續(xù)造型的精度，所以必須把這些“跳點”、“壞點”從點云中剔除。

2）視圖拼合。由于模型的空間結(jié)構(gòu)的復雜性，一個方向的視圖不能反映出被測目標的全貌，需要從多個角度進行掃描然后再進行拼合。

3）數(shù)據(jù)平滑。由于測量過程中受到各種人為或隨機因素的影響，測量出來的點云中難免會有噪聲點。為降低和消除這種負面影響，需對點云進行數(shù)據(jù)平滑。

4）數(shù)據(jù)精簡。經(jīng)誤差、平滑處理的點云，只是除去了周圍不相關的點、壞點、噪聲點，其中仍包含海量的數(shù)據(jù)點，這些海量數(shù)據(jù)點的存在會影響數(shù)據(jù)處理和模型重建的速度。實際上并不是所有的數(shù)據(jù)點都對模型的重建起作用，因此，可以在保證一定精度的前提下減少數(shù)據(jù)點，對其進行精簡。

3 模型重構(gòu)

經(jīng)過數(shù)據(jù)處理以后的點云數(shù)據(jù)，剔除了無用的壞點，對點云所形成的曲面和曲線進行了平滑，點云的數(shù)據(jù)量得到了一定的精簡。在此基礎上可以通過兩種方式形成曲面和實體，一種是“點一線一面一體”的方式，另外一種是由點直接形成曲面片，再形成體的方式。本課題采用的是在Geomagic軟件平臺上，由點直接生成曲面片的方式構(gòu)建實體。

1）將多片點云數(shù)據(jù)拼合、對齊后的點云數(shù)據(jù)如圖2所示：

2）構(gòu)建多邊形。通過封裝后的三角形曲面模型能夠以任意精度逼近曲面物體，在三角面片上繪制的各種曲線具有能很好地反映模型的特點。傳統(tǒng)的逆向過程首先是通過基本的曲率探測和輪廓線的探測，創(chuàng)建基本的曲面片，然后對曲面片進行移動面板、重新分布等操作，為得到理想的NURBS曲面做準備。在多邊形階段，還可對多邊形網(wǎng)格數(shù)據(jù)進行表面光順與優(yōu)化處理，以提高后續(xù)的曲面重建質(zhì)量，主要包括孔填充、邊界修補、多邊形數(shù)據(jù)精簡、多邊形光順等。

3）網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分主要是通過對曲面形狀的分析，分解為若干個小的區(qū)域，以得到光順的NURBS曲面。（圖3）

4）曲面重建。劃分網(wǎng)格之后，通過編輯曲面輪廓使其規(guī)則且不交叉，接著就是以對曲面進行整體的光順、合并以及誤差分析等操作。擬合完成的模型還可輸出STL、GES和STEP等十幾種輸出格式，可方便地與其他CAD /CAM /CAE軟件進行數(shù)據(jù)交換。4模型特征的修改和添加

4.1 模型修改

70%的模型創(chuàng)新是在現(xiàn)有模型的基礎上進行的，我們將在前述已經(jīng)恢復的模型基礎上，通過數(shù)據(jù)處理進行特征的添加和修改。首先將“人猿泰山”局部模型提取出來，通過點云預處理，將手部木棍部分和頭部毛發(fā)的點進行刪除，經(jīng)過消噪、著色、封裝之后，構(gòu)建多邊形曲面，接著進行網(wǎng)格劃分，然后曲面擬合最后將文件另存為IGES格式。在此過程中，所需要注意的關鍵點在于，刪除狼牙棒點云，封裝之后有部分邊界有大量釘狀物及破面，需進行網(wǎng)格醫(yī)生進行優(yōu)化。從圖5中可以看出，將狼牙棒刪除后，通過對點云的補充和重組后，保持了較為理想的手部形狀和指頭形狀。下文著重講解手部鐮刀的在UG中的模型重構(gòu)。

4.2 模型添加

將狼牙棒特征去掉以后，根據(jù)作品的主題要求，適當?shù)倪M行特征添加，例如，可以將大刀特征添加進去。

首先將Geomagic重建好的IGES文件導入UG軟件中，我們根據(jù)大刀尺寸，特點進行建模；在進行繪制大刀的時候，需以手部手腕為參照建立基面，否則繪制出的大刀角度不端正。描繪順序分別是刀柄-刀頭-刀背-倒角，期間需要建立基面，注意參照物的選取恰當，鐮刀繪制完成之后保存，然后進入Geomagic軟件中進行對齊拼接。為新的人猿泰山曲面模型。（圖6）

4.3 創(chuàng)新成果

用類似的方法，可以獲得一系列的創(chuàng)新成果，如圖7所示。

5 結(jié)束浯

通過模型重用技術(shù)可大大提高設計效率，減少無謂的浪費。本文利用逆向工程技術(shù)，獲取現(xiàn)有作品的數(shù)字模型，在Geomagic、UG等軟件平臺上，進行特征的修改和添加，為青瓷、石雕等模型創(chuàng)新提供了一條新的途徑。