基于Geomagic Studio的人體建模研究與3 D打印成型

李小明

（四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機械工程系，四川 遂寧 629000）

工業(yè)4.0的號角已經(jīng)吹響國內(nèi)外，我國也提出了中國工業(yè)2025，中國要從制造大國轉(zhuǎn)為創(chuàng)新、創(chuàng)造大國，目前產(chǎn)品制造業(yè)仍然存在“山寨文化”，當(dāng)然產(chǎn)品設(shè)計必須要經(jīng)過模仿、改良、創(chuàng)新等一系列過程，中國要實現(xiàn)從過去的Made In China轉(zhuǎn)為China manufacturing，在工業(yè)產(chǎn)品更新?lián)Q代快節(jié)奏的時代，如何快速地進行產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計建模與制造是至關(guān)重要的。工業(yè)產(chǎn)品種類繁多，形狀各異，產(chǎn)品模型表面往往由曲面構(gòu)成，而曲面建模歷來是耗時又耗力，針對復(fù)雜曲面，傳統(tǒng)的正向設(shè)計比較困難，需要反復(fù)的實驗，修改才能達到要求，因此，像人體這種復(fù)雜曲面建模需要用到逆向工程技術(shù)。

國內(nèi)外諸多專家學(xué)者對于逆向工程研究已做了大量工作，通過利用一個人體曲面建模案例來介紹逆向工程技術(shù)與快速成形技術(shù)(RP)和3D打印相結(jié)合的過程。

1 現(xiàn)代逆向設(shè)計方法

1.1 Geomagic Studio軟件介紹

在逆向工程技術(shù)領(lǐng)域，Geomagic Studio運用較廣泛，是常用的點云處理及三維曲面構(gòu)建功能最強大的逆向工程軟件之一，由美國 Raindrop(雨滴)公司出品，利用它可將掃描所得的點云數(shù)據(jù)創(chuàng)建出完美的多邊形模型和網(wǎng)格，并可自動轉(zhuǎn)換為 NURBS曲面，該軟件包括Qualify、Capture、Wrap、Shape、Fashion 五個通用模塊。

1.2 逆向工程流程與正向工程流程

圖1 逆向工程流程

（1） 逆向工程定義.逆向工程（Reverse Engineering，RE）或逆向設(shè)計也稱反求工程或反求設(shè)計。它是將實物轉(zhuǎn)變?yōu)镃AD模型的相關(guān)的數(shù)字化技術(shù)，幾何模型重建技術(shù)和產(chǎn)品制造技術(shù)的總稱，是將已有產(chǎn)品或?qū)嵨锬Ｐ娃D(zhuǎn)化為工程設(shè)計模型和概念模型，在此基礎(chǔ)上對已有產(chǎn)品進行解剖、深化和再創(chuàng)造的過程，其主要包括模型數(shù)據(jù)化、數(shù)據(jù)處理、CAD三維模型重構(gòu)、創(chuàng)新優(yōu)化設(shè)計、實物制造幾個階段。其工作流程如圖1所示。

（2）正向設(shè)計與逆向設(shè)計對比。產(chǎn)品正向設(shè)計是設(shè)計人員首先根據(jù)功能、性能以及大致的技術(shù)參數(shù)要求構(gòu)思產(chǎn)品的外形等，再利用CAD建立產(chǎn)品的三維數(shù)字化模型，最終將模型轉(zhuǎn)入制造流程，完成產(chǎn)品的整個設(shè)計制造周期，是一個“從無到有“的過程。產(chǎn)品逆向設(shè)計是根據(jù)已經(jīng)存在的產(chǎn)品模型或?qū)嵨?，通過各種測量手段及三維幾何建模方法，將原有實物轉(zhuǎn)化為計算機上的三維數(shù)字模型，反向推出產(chǎn)品的設(shè)計數(shù)據(jù)，是一個“從有到無”的過程。其各自的流程如圖2、圖3所示。

圖2 產(chǎn)品正向建模流程

圖3 產(chǎn)品逆向建模流程

2 人體逆向建模過程

2.1 人體數(shù)據(jù)采集

采用某國產(chǎn)手持式人像掃描儀進行人體數(shù)據(jù)采集，主要采集人體上半身區(qū)域，采用機繞人360度旋轉(zhuǎn)方式進行，獲取ASC格式的點云數(shù)據(jù)如圖4。

圖4 人體原始點云數(shù)據(jù)

2.2 人體數(shù)據(jù)后期處理

（1）點云數(shù)據(jù)點階段預(yù)處理。人體掃描由于采用的是360度全方位一次完成，因此數(shù)據(jù)是完整的單片數(shù)據(jù)，避免了普通多次掃描后需要合并的過程，省略了“點云注冊”、“統(tǒng)一采樣”和“連結(jié)點對象”步驟。但由于采集的過程中因環(huán)境等光線變化，人體輕微移動，設(shè)備運動不規(guī)律等因素造成將一些噪音雜點也采集進去，因此必須通過手動刪除或者使用Geomagic中“減少噪音”、“斷開組件連接”、“體外孤點”命令處理。為提高計算機顯示刷新速度，可將動、靜態(tài)顯示百分比調(diào)低，方便觀察應(yīng)對點著色顯示。點云處理的好壞直接關(guān)系到后續(xù)能否更快更好的得到多邊形對象，因此點云預(yù)處理十分重要。

（2）多邊形片面處理。處理好的點云即可通過“封裝”命令轉(zhuǎn)為三角面片。由于存在“測量死區(qū)”以及頭發(fā)服飾等原因，封裝后的模型存在一些孔洞，多余的三角面、或表面不光順等缺陷和錯誤,因此必須要進行修補。首先打開全局坐標(biāo)軸，精確移動模型，擺正人體位置，再使用“裁切”命令創(chuàng)建完整邊界，“填充”命令補孔，“創(chuàng)建流形”命令刪除懸浮三角面，“刪除釘狀物”命令去掉尖角，以及“雕刻”，“砂紙”等命令對頭發(fā)，面部進行細節(jié)處理，最后使用“網(wǎng)格醫(yī)生”命令綜合診斷修復(fù)完成多邊形處理過程如圖5所示。

圖5 多邊形處理過程

（3）曲面重構(gòu)。Geomagic軟件中曲面構(gòu)建有兩個方法，即shape形狀階段和Fashion參數(shù)化階段，選擇形狀模塊進入，對于輪廓線的處理主要有探測輪廓線和探測曲率，編輯、提升約束等，對于人體輪廓形狀不明顯，外形復(fù)雜不規(guī)則的模型，優(yōu)先采用探測曲率方式，也可以采用手繪的方式創(chuàng)建“曲面片布局圖”如圖6a,并使用“移動”，“松弛”，“修理”等命令調(diào)整輪廓線或曲面片。然后執(zhí)行“構(gòu)造柵格”并調(diào)整柵格位置，對曲面自動參數(shù)化如圖6b所示,最后執(zhí)行“擬合曲面”命令，創(chuàng)建人體NURBS曲面如圖6c所示。

圖6 曲面重構(gòu)過程

3 3 D快速成型

將逆向處理完成的CAD數(shù)據(jù)模型保存為3D打印機可識別的STL數(shù)據(jù)格式，3D打印設(shè)備使用北京太爾時代UP桌面級3D打印機，采用ABS材料打印。其打印過程如圖7。

圖73 D打印模型

4 結(jié)語

如何快速創(chuàng)新地完成復(fù)雜工業(yè)產(chǎn)品造型設(shè)計與制造在現(xiàn)代制造業(yè)中顯得愈發(fā)重要，特別是國家提出工業(yè)2025戰(zhàn)略計劃后，中國制造業(yè)要在國際上崛起，必須要學(xué)習(xí)、引進和推廣新工藝、新技術(shù)、新理念。運用案例將目前比較熱門的逆向工程與快速成型之3D打印技術(shù)相結(jié)合的過程進行介紹，講述了人體逆向建模與制造的相關(guān)操作流程和方法，為同類產(chǎn)品建模與成型提供思路和方法，減少了產(chǎn)品開發(fā)周期。

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