非規(guī)則表面瓶體逆向創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究

曹素紅 王皓然

摘 ?要：采取逆向方法對(duì)整體外形為回轉(zhuǎn)體、表面存在非規(guī)則凹凸起伏的瓶體進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)時(shí)，可以借鑒原有瓶體藝術(shù)性，同時(shí)提高設(shè)計(jì)效率。文章介紹了針對(duì)此類造型瓶體進(jìn)行逆向設(shè)計(jì)時(shí)需要注意的一些問題。采用Geomagic Design X軟件中的自動(dòng)曲面擬合功能，根據(jù)造型調(diào)整擬合網(wǎng)格，能達(dá)到十分理想的擬合效果，重構(gòu)模型偏差在允許范圍內(nèi)，模型創(chuàng)建效果非常理想。

關(guān)鍵詞：非規(guī)則表面;逆向設(shè)計(jì);自動(dòng)曲面擬合

中圖分類號(hào)：TP391.7 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2019）28-0029-04

Abstract： When using the reverse method to carry on the innovative design of the bottle body whose overall shape is rotary and the surface has irregular concave and convex ups and downs， we can draw lessons from the artistry of the original bottle body and improve the design efficiency at the same time. This paper introduces some problems that should be paid attention to in the reverse design of this kind of bottle body. Using the automatic surface fitting function of Geomagic Design X software and adjusting the fitting mesh according to the shape， the fitting effect can be achieved. The deviation of the reconstructed model is within the allowable range， and the effect of model creation is very satisfying.

Keywords： irregular surface; reverse design; automatic surface fitting

引言

逆向設(shè)計(jì)過(guò)程即對(duì)產(chǎn)品實(shí)物或樣件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理，利用三維逆向造型設(shè)計(jì)軟件對(duì)實(shí)物或樣件進(jìn)行數(shù)字化CAD模型重構(gòu)，并進(jìn)一步用CAD/CAE/CAM系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)分析、再設(shè)計(jì)、數(shù)控編程、數(shù)控加工的過(guò)程。相較于正向設(shè)計(jì)零基礎(chǔ)設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，逆向設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)在于利用已有的模型數(shù)據(jù)進(jìn)行外觀及功能的修改和更新，可大大提高設(shè)計(jì)效率，減少設(shè)計(jì)難度。逆向設(shè)計(jì)一般流程如圖1所示，其中數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、模型重構(gòu)是產(chǎn)品逆向設(shè)計(jì)的三大關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文主要圍繞非規(guī)則表面瓶體，研究在其上進(jìn)行逆向設(shè)計(jì)的技術(shù)關(guān)鍵問題。

1 數(shù)據(jù)采集

1.1 瓶體特點(diǎn)

本文中研究的兩個(gè)瓶體表面均為曲面或非規(guī)則瓶體，主要形狀均為回轉(zhuǎn)體。瓶體A（如圖2）表面為流暢的曲線線條，瓶身一部分有凹凸的花草造型，花草造型比較生動(dòng)，呈不規(guī)則形狀，如果采用正向建模，需要具有較高的繪畫基礎(chǔ)，一定的藝術(shù)基礎(chǔ)。瓶體B（如圖3）瓶身上窄下寬，整體比例和諧優(yōu)美，瓶身表面呈凹凸曲線型，表面花紋無(wú)規(guī)則。如果利用這兩個(gè)瓶體進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，快速獲取瓶體整體造型CAD數(shù)字化模型是關(guān)鍵一步，因此，以上兩個(gè)瓶體特點(diǎn)可以代表一部分的非規(guī)則表面瓶體。

1.2 數(shù)據(jù)采集要求

由于兩個(gè)瓶體并非完全對(duì)稱，不適合采用掃描部分?jǐn)?shù)據(jù)并陣列的操作，需要將瓶身整體數(shù)據(jù)完整掃描?？紤]到所用手持掃描儀的掃描精度，其中瓶體A掃描時(shí)需要著重將凹凸的花草造型進(jìn)行掃描以保證在后續(xù)數(shù)據(jù)處理及實(shí)體化時(shí)最大程度保留細(xì)節(jié)。瓶體B掃描時(shí)需要將凹陷處的數(shù)據(jù)掃描完整，花紋拐角的細(xì)節(jié)處掃描完整。兩瓶體的瓶口瓶身均為規(guī)則圓形，因此在掃描時(shí)此部分的掃描數(shù)據(jù)可以不要求完全呈現(xiàn)。

1.3 數(shù)據(jù)采集操作

數(shù)據(jù)采集主要分為采集準(zhǔn)備工作及采集過(guò)程兩部分。采集準(zhǔn)備工作需要進(jìn)行掃描儀的校準(zhǔn)，標(biāo)定點(diǎn)的粘貼以保證后續(xù)掃描數(shù)據(jù)的精準(zhǔn);采集過(guò)程中需要隨時(shí)注意數(shù)據(jù)采集情況并將數(shù)據(jù)缺失的部分進(jìn)行二次采集以使數(shù)據(jù)達(dá)到完整程度。由于本文中的實(shí)物為非規(guī)則表面，因此在實(shí)際數(shù)據(jù)采集時(shí)需要格外注意事物表面凹凸的細(xì)節(jié)部位及銜接拐角部位。

（1）前期準(zhǔn)備工作。為了保證實(shí)物數(shù)據(jù)采集時(shí)的精度，在實(shí)物掃描開始前須進(jìn)行掃描儀的校準(zhǔn)。本次掃描采用的是Handyscan 300手持式掃描儀，掃描時(shí)需要保證實(shí)物放置的平面光滑無(wú)反光，避免對(duì)掃描過(guò)程及掃描結(jié)果產(chǎn)生干擾，再次可將深色絨布放置在掃描平面上。在實(shí)物標(biāo)定點(diǎn)的粘貼上，要遵循數(shù)量、位置適宜并且盡量避開有明顯特征部位的規(guī)則。數(shù)量過(guò)多會(huì)對(duì)表面掃描數(shù)據(jù)造成影響，數(shù)量過(guò)少可能造成公共點(diǎn)過(guò)少?gòu)亩鵁o(wú)法過(guò)渡的問題，保證每個(gè)掃描面與下一個(gè)掃描面有3至5個(gè)公共點(diǎn)即可。粘貼位置需無(wú)規(guī)律，避免掃描時(shí)由于標(biāo)定點(diǎn)位置相似導(dǎo)致無(wú)法掃描。

（2）實(shí)物數(shù)據(jù)采集。開始掃描時(shí)，需找到實(shí)物最佳擺放位置并擺放穩(wěn)固，以保證能夠掃描到盡可能多的標(biāo)定點(diǎn)以便后續(xù)掃描過(guò)渡。掃描時(shí)需要隨時(shí)注意軟件顯示界面，觀察掃描數(shù)據(jù)情況，注意掃描儀與實(shí)物的距離，控制掃描儀掃描范圍。在實(shí)物整體掃描完成后可暫停掃描，通過(guò)軟件查看掃描數(shù)據(jù)情況，對(duì)于掃描數(shù)據(jù)不完整的細(xì)節(jié)處應(yīng)當(dāng)進(jìn)行二次掃描，以保證獲得完整的表面數(shù)據(jù)。

（3）數(shù)據(jù)采集結(jié)束。在實(shí)物數(shù)據(jù)采集完成后關(guān)閉掃描儀，可以預(yù)先將多余雜點(diǎn)刪除后，再保存掃描數(shù)據(jù)以便后續(xù)數(shù)據(jù)處理。

1.4 數(shù)據(jù)采集要點(diǎn)

對(duì)于類似瓶體A、瓶體B這一類的非規(guī)則曲面物體進(jìn)行掃描時(shí)，前期數(shù)據(jù)采集階段需要全面地觀察實(shí)物瓶體特點(diǎn)，這樣在后續(xù)粘貼標(biāo)定點(diǎn)及掃描時(shí)能夠更好地把握粘貼位置及掃描角度。粘貼標(biāo)定點(diǎn)時(shí)數(shù)量一定要適宜，標(biāo)定點(diǎn)數(shù)量過(guò)多并不會(huì)使掃描過(guò)程更加容易，反而容易造成后續(xù)掃描數(shù)據(jù)錯(cuò)亂。在標(biāo)定點(diǎn)粘貼位置的選擇上，盡可能選擇光滑、表面特征較少的區(qū)域，盡可能保證特征部位數(shù)據(jù)的完整性。掃描過(guò)程中保證掃描儀與實(shí)物距離在規(guī)定范圍內(nèi)，實(shí)物擺放的初始位置需能夠掃描到盡可能多的標(biāo)定點(diǎn)以便后續(xù)掃描過(guò)程的過(guò)渡。瓶體A的花草細(xì)節(jié)在掃描時(shí)需要多次、多角度掃描，以使掃描數(shù)據(jù)盡可能完整;瓶體B的凹凸花紋同樣需要多角度，必要的時(shí)候可借助橡皮泥使實(shí)物呈一定角度擺放，從而使拐角處等細(xì)節(jié)更易掃描到。

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 數(shù)據(jù)處理要求

數(shù)據(jù)處理過(guò)程中要求與實(shí)物的瓶體特征保持一致，實(shí)體之外的雜點(diǎn)需要完全刪除;表面無(wú)特征處需光滑;特征處的細(xì)節(jié)需要完整保留，不可一味追求光滑而失去必要的細(xì)節(jié)。

2.2 數(shù)據(jù)處理操作

在此以瓶體B舉例。對(duì)于瓶體B表面不平整的區(qū)域可采用減少噪音（如圖4）、刪除釘狀物（如圖5）及砂紙（如圖6）命令進(jìn)行修復(fù)。

對(duì)于如圖7中底部點(diǎn)云缺失部位可利用填充單個(gè)孔命令進(jìn)行修復(fù)，填充結(jié)果如圖8。

在全部操作完成后，可利用網(wǎng)格醫(yī)生命令進(jìn)行全面檢查，如圖9方框中所示仍存在一些細(xì)小的缺陷，應(yīng)用網(wǎng)格醫(yī)生后如圖10所示，可達(dá)到較理想的修復(fù)效果。

2.3 數(shù)據(jù)處理要點(diǎn)

數(shù)據(jù)采集結(jié)束后進(jìn)行保存并導(dǎo)入Geomagic Studio進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。主要從刪除體外孤點(diǎn)、降噪、刪除釘狀物、填充、網(wǎng)格醫(yī)生等幾個(gè)方面進(jìn)行處理，將掃描完的原始數(shù)據(jù)中多余的雜點(diǎn)刪除，缺失的細(xì)節(jié)處填充完整，最后得到表面光滑、完整且精度較高的掃描數(shù)據(jù)。需要特別注意的是在降噪、刪除釘狀物等步驟中需要將應(yīng)該保留的細(xì)節(jié)處進(jìn)行保留，不可一味追求表面光滑從而將微小的細(xì)節(jié)丟失。最后運(yùn)用網(wǎng)格醫(yī)生，檢查細(xì)節(jié)處有無(wú)瑕疵并修整。

此階段需要盡可能保留所有細(xì)節(jié)，尤其是瓶體表面特征處。而瓶體內(nèi)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單部位或上下表面為簡(jiǎn)單平面部位如果掃描數(shù)據(jù)不理想或缺失可大范圍刪除填充。數(shù)據(jù)處理程度越好，后續(xù)逆向設(shè)計(jì)將越精準(zhǔn)。

最終處理效果如圖11、圖12。

3 模型重構(gòu)

針對(duì)以上兩個(gè)非規(guī)則表面瓶體的逆向設(shè)計(jì)，為了保證與實(shí)物形狀貼合精度盡量高，運(yùn)用Geomagic Design X軟件中的自動(dòng)曲面創(chuàng)建功能進(jìn)行模型重構(gòu)，如圖13所示。

曲面擬合操作過(guò)程中，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)導(dǎo)入的實(shí)體數(shù)據(jù)自動(dòng)擬合出網(wǎng)格，如圖14所示。此時(shí)需要將數(shù)據(jù)放大仔細(xì)查看網(wǎng)格分布是否均勻合理，凹凸處的網(wǎng)格是否能夠貼合數(shù)據(jù)本身，如出現(xiàn)過(guò)大或過(guò)小的網(wǎng)格可通過(guò)拖拽頂點(diǎn)處的格點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整完成后可進(jìn)行預(yù)覽，如圖15所示，查看擬合效果是否理想并進(jìn)行二次調(diào)整。

最終自動(dòng)曲面創(chuàng)建效果如圖16所示，偏差比較結(jié)果可見，創(chuàng)建的模型在允許的偏差范圍內(nèi)，模型效果非常理想。接下來(lái)在此基礎(chǔ)上可以進(jìn)行再設(shè)計(jì)，例如在瓶上增加文字，圖案浮雕效果等，也可以參考重構(gòu)的模型，為此設(shè)計(jì)底座等其他零件，即實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)新設(shè)計(jì)。由于最后進(jìn)行瓶體內(nèi)部建模，兩個(gè)瓶體為花瓶，內(nèi)部為鏤空結(jié)構(gòu)，因此接下來(lái)可通過(guò)旋轉(zhuǎn)命令對(duì)內(nèi)部進(jìn)行建模。

4 創(chuàng)新設(shè)計(jì)

利用Geomagic Design X軟件可以為重構(gòu)的花瓶數(shù)字化模型添加其他結(jié)構(gòu)，另外，采用Materialise Magics軟件也可以對(duì)重構(gòu)的數(shù)字化模型進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，比如添加文字等等，創(chuàng)新設(shè)計(jì)結(jié)果如圖17所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

逆向設(shè)計(jì)主要應(yīng)用于產(chǎn)品外觀表面的設(shè)計(jì)，本文中所研究的兩個(gè)瓶體均為非規(guī)則表面瓶體，具有一定的代表性。前期數(shù)據(jù)采集階段，掃描此類瓶體側(cè)立面較易過(guò)渡，因此可先掃描側(cè)立面特征較集中區(qū)域，再掃描上下底面。此類瓶體的特點(diǎn)是表面非規(guī)則、花紋較平整無(wú)尖角或明顯凹陷。因此利用自動(dòng)曲面擬合進(jìn)行逆向設(shè)計(jì)相比其他方法將更加容易，精度也將更高。并且適當(dāng)靈活地對(duì)擬合網(wǎng)格進(jìn)行調(diào)整最終也能實(shí)現(xiàn)較理想的擬合結(jié)果。

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