基于Geomaic Design X 軟件的逆向工程研究

鄭進(jìn)輝 許冠 毛衛(wèi)東 余小圃 羅有旺 梁翱 易建豪 黃瑋楠

摘要：逆向工程是產(chǎn)品不斷迭代開(kāi)發(fā)的常見(jiàn)方式，也在制造業(yè)中廣泛存在。目前已出現(xiàn)了很多的逆向設(shè)計(jì)軟件，如 NX1847、Pro_E、Imageware、Copy CAD、RapidForm等都可以用來(lái)進(jìn)行逆向工程設(shè)計(jì)，但是相對(duì)于曲面和尺寸太小又很難實(shí)現(xiàn)快速拾取，需要人為的不斷調(diào)整才能保證產(chǎn)品逆向數(shù)據(jù)的精度要求，從而導(dǎo)致逆向的效率不高;提出了一個(gè)新的逆向工程設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)軟件，具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)，如強(qiáng)大的截面輪廓線(xiàn)提取能力，可以根據(jù) STL面片數(shù)據(jù)自動(dòng)擬合出曲面，同時(shí)也支持多種 STL數(shù)據(jù)的特征識(shí)別指令，同時(shí)支持與其他軟件的交互轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)不同軟件間的交互使用。相對(duì)于其他研究成果，主要突出在Geomagic Design X 軟件在逆向工程設(shè)計(jì)中的便利性，闡述了該軟件是如何進(jìn)行產(chǎn)品的逆向設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)效率。

關(guān)鍵詞：逆向工程;三維掃描儀;點(diǎn)云處理;產(chǎn)品設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311.5文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：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(chēng)逆向技術(shù)），是一種產(chǎn)品三維數(shù)據(jù)復(fù)刻的過(guò)程，即對(duì)一種產(chǎn)品零件進(jìn)行三維掃描后進(jìn)行逆向設(shè)計(jì)，從而得到產(chǎn)品的三維模型數(shù)據(jù)，進(jìn)一步對(duì)三維模型進(jìn)行分析后，得到產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要點(diǎn)、生產(chǎn)要素和相關(guān)結(jié)構(gòu)的功能特性以及成本控制等要素，以達(dá)到制作出功能基本一致的產(chǎn)品。相對(duì)于傳統(tǒng)的正向設(shè)計(jì)（從無(wú)到有的過(guò)程），逆向設(shè)計(jì)可以快速獲取產(chǎn)品的三維數(shù)據(jù)，根據(jù)現(xiàn)有產(chǎn)品的不足之處進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，促使產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)性能進(jìn)一步提升，縮短產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期，廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。

國(guó)內(nèi)有針對(duì)逆向工程所做的相關(guān)研究，有針對(duì) Geo- magic[1-2]做點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理的，針對(duì)產(chǎn)品做逆向設(shè)計(jì)研究以及逆向工程在相關(guān)領(lǐng)域中的應(yīng)用研究，大部分都是針對(duì)三維掃描好產(chǎn)品后進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理以及針對(duì)工藝品進(jìn)行面的轉(zhuǎn)化等分析;而針對(duì)產(chǎn)品逆向設(shè)計(jì)過(guò)程的研究相對(duì)較少，而且不全面?；?NX1847[3-4]、Pro_E[5]、Image- ware[6-7]等軟件指令的約束，無(wú)法針對(duì)產(chǎn)品相關(guān)面的領(lǐng)域、結(jié)構(gòu)等進(jìn)行透徹的分析，比如點(diǎn)云處理的參數(shù)是如何界定，不同產(chǎn)品需要不同的參數(shù)設(shè)置，以及逆向設(shè)計(jì)的效率問(wèn)題，也沒(méi)有充分對(duì)逆向設(shè)計(jì)的步驟進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明，無(wú)法讓其他研究人員學(xué)習(xí)時(shí)有效的吸收。為此，本文將針對(duì)Geomagic Design X 軟件，選用產(chǎn)品實(shí)例，將整個(gè)逆向設(shè)計(jì)的過(guò)程進(jìn)行系統(tǒng)地?cái)⑹?。全面解析基于Geomagic Design X 進(jìn)行逆向工程的便利性，以便驗(yàn)證新的逆向工程擁有相關(guān)強(qiáng)大的指令功能特點(diǎn)，以此來(lái)辨析不同產(chǎn)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(gè)全新的逆向設(shè)計(jì)軟件，來(lái)與其他的逆向設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行對(duì)比，突出該軟件的所具備的相關(guān)優(yōu)勢(shì);另一方面希望能解決現(xiàn)有的逆向設(shè)計(jì)軟件在逆向設(shè)計(jì)上的效率問(wèn)題，縮短產(chǎn)品在逆向設(shè)計(jì)上的時(shí)間周期。Geomagic Design X 軟件在逆向設(shè)計(jì)具備明顯的優(yōu)勢(shì)和強(qiáng)大的功能指令，可以給其他逆向工程設(shè)計(jì)軟件平臺(tái)提供有效的功能指令參考，促進(jìn)相關(guān)軟件功能的升級(jí)優(yōu)化，降低設(shè)計(jì)師的軟件學(xué)習(xí)難度，提高產(chǎn)品在逆向設(shè)計(jì)過(guò)程中的效率，對(duì)整個(gè)逆向工程的設(shè)計(jì)思路提供一個(gè)非常有效的設(shè)計(jì)步驟，對(duì)軟件深度開(kāi)發(fā)具有重大的意義。

1 掃描和數(shù)據(jù)處理一般步驟

1.1 產(chǎn)品逆向工程的整體思路

在選定好需要逆向的產(chǎn)品后，需要有一個(gè)詳細(xì)步驟，整個(gè)掃描的過(guò)程如圖1所示[8-10]。（1） 選用合適的三維掃描儀系統(tǒng)[11-12]，由于掃描儀系統(tǒng)的限制，需要對(duì)反光、油面、黑色的產(chǎn)品進(jìn)行清洗后，對(duì)產(chǎn)品表面進(jìn)行噴涂顯像劑，使其表面特征明顯化以便于掃描。（2）產(chǎn)品前期處理好后需要判斷如何進(jìn)行掃描，然后進(jìn)行掃描儀參數(shù)設(shè)置好后，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行掃描，將其放置在轉(zhuǎn)配上，每轉(zhuǎn)動(dòng)60°掃描一幅面，正反對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行掃描工作即要掃描12次。（3）對(duì)多次掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行整體對(duì)齊，得到完整的產(chǎn)品三維點(diǎn)云數(shù)據(jù);將得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)在Geomagic Wrap X 軟件[13]里面進(jìn)行三維的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理，進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)封裝成 STL面片數(shù)據(jù)，以便后期對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行逆向工程設(shè)計(jì)。（4）將掃描后處理得到的 STL面片數(shù)據(jù)導(dǎo)入至Geomagic Design X進(jìn)行相關(guān)領(lǐng)域的分析、對(duì)其三維數(shù)據(jù)的三維坐標(biāo)，根據(jù)相關(guān)的特征進(jìn)行曲面建模、結(jié)構(gòu)特征建模等，直到三維模型的完整呈現(xiàn)，對(duì)相關(guān)的曲面進(jìn)行數(shù)據(jù)的偏差比較，合理范圍內(nèi)即逆向工程的產(chǎn)品已完成。如此得到一個(gè)完整的產(chǎn)品三維數(shù)據(jù)模型。

1.2 選擇掃描儀系統(tǒng)

本次采用掃描儀系統(tǒng)是北京三維天下科技有限公司的 in3DD-M 型號(hào)的三維掃描儀系統(tǒng);此系統(tǒng)非常適用于教育領(lǐng)域的使用，其掃描的型號(hào)可以根據(jù)產(chǎn)品的大小進(jìn)行選配，非常的實(shí)用和便利性，其 Win3DD-M 系統(tǒng)外觀如圖2所示，掃描儀的相關(guān)參數(shù)如表1所示。本次基于Geoamgic Design X 逆向工程研究的對(duì)象為日常生活中比較常見(jiàn)的攝像頭，只對(duì)攝像頭主體做逆向設(shè)計(jì)的研究，其攝像頭的外觀如圖3所示。

2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

掃描后得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入Geomagic Wrap X 軟件中進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理步驟，在產(chǎn)品掃描后獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，其點(diǎn)云數(shù)據(jù)存在部分噪點(diǎn)、離散點(diǎn)、偏離點(diǎn)等，這些數(shù)據(jù)會(huì)影響產(chǎn)品三維數(shù)據(jù)的質(zhì)量，因而需要將這些不在物體表面的則需去除掉。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理（完整的物體點(diǎn)云數(shù)據(jù)大概由12～16組點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)成）的一般步驟如下。（1） 對(duì)所有單幅面掃描獲取到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)（圖4）進(jìn)行聯(lián)合點(diǎn)對(duì)象形成一個(gè)整體的產(chǎn)品三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，根據(jù)產(chǎn)品的點(diǎn)云數(shù)據(jù)量的大小可以相應(yīng)的進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)數(shù)量的整體統(tǒng)一降低，以保證數(shù)據(jù)量的大小能讓電腦順暢的運(yùn)行。（2）對(duì)產(chǎn)品的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行非連接項(xiàng)和體外孤點(diǎn)的刪除，可以快速刪除產(chǎn)品表面以外的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，為了直觀地看清點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分布，可以將原本黑色的點(diǎn)云數(shù)據(jù)顏色改變成淺綠色（圖5）。（3）進(jìn)行噪點(diǎn)處理，減少噪聲（圖6），參數(shù)設(shè)置為第一次5個(gè)迭代，偏差限制為0.1，應(yīng)用確定后進(jìn)行第二次降噪，參數(shù)設(shè)置偉5個(gè)迭代，偏差限制為0.04，應(yīng)用后確定即可。（4）在降噪后再進(jìn)行一次體外孤點(diǎn)的去除后，將處理后得到的產(chǎn)品點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為 STL 面片數(shù)據(jù)，在第一次基礎(chǔ)封裝點(diǎn)云數(shù)據(jù)，（封裝后含有原有的點(diǎn)云數(shù)據(jù)跟面片數(shù)據(jù)兩個(gè)文件）看封裝后的面片數(shù)據(jù)的完整程度，面片差的話(huà)，再次對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理好后，進(jìn)入多邊形任務(wù)欄的處理工作。（5）對(duì)產(chǎn)品的面片數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格醫(yī)生命令自動(dòng)優(yōu)化三維數(shù)據(jù)的質(zhì)量，可以有效處理數(shù)據(jù)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(zhì)量問(wèn)題，同時(shí)也可以根據(jù)產(chǎn)品三維數(shù)據(jù)的三角形數(shù)量進(jìn)行有效控制或者重新劃分面的網(wǎng)格排布，根據(jù)面的質(zhì)量情況可以進(jìn)行表面光滑處理2～3次以及對(duì)相關(guān)的孔洞根據(jù)周?chē)娴那蚀笮∵M(jìn)行填充，使其保持產(chǎn)品外觀的三維數(shù)據(jù)完整性。（6）對(duì)處理好的面片進(jìn)行基礎(chǔ)的三維坐標(biāo)系建立;對(duì)面片建立兩個(gè)相對(duì)合理的平面，兩平面相交確定一條直線(xiàn)，在依據(jù)這條直線(xiàn)創(chuàng)建出第三個(gè)平面;再將三個(gè)平面進(jìn)行全局對(duì)齊處理。構(gòu)建出面片的基礎(chǔ)三維坐標(biāo)系，在各個(gè)視圖中可以相對(duì)直觀地表現(xiàn)出產(chǎn)品三維數(shù)據(jù)的規(guī)整性，導(dǎo)出處理好的攝像頭三維 STL數(shù)據(jù)（圖7）。

3 逆向工程設(shè)計(jì)

3.1 Geomagic Design X 軟件介紹

Geomagic Design X 軟件是一款逆向工程的專(zhuān)業(yè)軟件，由3D System 公司開(kāi)發(fā)的，其支持與主流三維設(shè)計(jì)軟件（SolidWorks 、Pro/E 、Siemens NX 、Inventor 、Solid Edge等三維軟件）進(jìn)行同步轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)系列逆向設(shè)計(jì)步驟的記錄;作為一款三維設(shè)計(jì)軟件，它基本上具備了所有主流軟件擁有的常規(guī)指令（拉伸、旋轉(zhuǎn)、放樣、掃描、布爾運(yùn)算、倒角、抽殼、拔模、移動(dòng)、復(fù)制、測(cè)量等基礎(chǔ)實(shí)體操作指令），常規(guī)的草圖創(chuàng)建（直線(xiàn)、圓、曲線(xiàn)、矩形、剪切、鏡像等相關(guān)指令）和3D草圖（3D 自有曲線(xiàn)、面上曲面、投影等）常規(guī)的草圖繪制功能;同時(shí)也具備自身特色的逆向?qū)嶓w功能（根據(jù) STL數(shù)據(jù)自動(dòng)擬合出完整曲面、自動(dòng)識(shí)別 STL數(shù)據(jù)的圓柱、球體、圓錐特征和識(shí)別回轉(zhuǎn)軸特征、平面特征）;能在該軟件內(nèi)進(jìn)行產(chǎn)品三維數(shù)據(jù)的點(diǎn)云處理和三角面片處理能力（類(lèi)似Geomagic Wrap X 的點(diǎn)云處理功能）;最具有該軟件一個(gè)重要特點(diǎn)的是支持自動(dòng)劃分三角面片數(shù)據(jù)領(lǐng)域功能，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是可以根據(jù)模型的細(xì)節(jié)特征，識(shí)別出三維數(shù)據(jù)的實(shí)體特征、大曲面、過(guò)渡曲面、倒圓曲面等數(shù)據(jù)特征，讓設(shè)計(jì)師非常直觀的看出一個(gè)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)構(gòu)成的基本要素，同時(shí)也支持設(shè)計(jì)師根據(jù)對(duì)產(chǎn)品的理解，人為的進(jìn)行三角面片數(shù)據(jù)的領(lǐng)域劃分，實(shí)現(xiàn)領(lǐng)域劃分的自由度，有利于后期進(jìn)行逆向設(shè)計(jì)時(shí)的特征自動(dòng)識(shí)別;作為一款專(zhuān)業(yè)的逆向工程設(shè)計(jì)軟件，Geomagic Design X 可以進(jìn)行相關(guān)指令快捷鍵的設(shè)置、相關(guān)的設(shè)計(jì)樹(shù)步驟、相關(guān)曲面、實(shí)體、三角面片、測(cè)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(jìn)行同步轉(zhuǎn)換的一個(gè)關(guān)鍵因素。相關(guān)軟件界面如圖8～9所示。

3.2 攝像頭的逆向設(shè)計(jì)思路

將處理好的攝像頭 STL數(shù)據(jù)導(dǎo)出到Geomagic Design X 軟件中，具體的步驟如下[14]。

（1） 將模型的原點(diǎn)三維坐標(biāo)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(duì)稱(chēng)關(guān)系，其細(xì)節(jié)特征可以分為前后左右的6個(gè)A 面以及上下的3個(gè)銜接面，底部下萬(wàn)向球和前面的攝像鏡頭特征為回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)。

（2） 對(duì)攝像頭數(shù)據(jù)進(jìn)行人為的領(lǐng)域劃分成8個(gè)面片領(lǐng)域組（圖11），領(lǐng)域劃分可以讓設(shè)計(jì)師知道整個(gè)產(chǎn)品的外觀是如何劃分的。

（3） 使用面片擬合（圖12）功能進(jìn)行曲面自動(dòng)擬合，得到相應(yīng)的8個(gè)自由曲面，根據(jù)邊界線(xiàn)進(jìn)行相關(guān)的裁剪后，采用曲面放樣指令對(duì)前后曲面進(jìn)行曲面嫁接后得到攝像頭的主體數(shù)據(jù)。

（4） 對(duì)于兩個(gè)回轉(zhuǎn)體特征采用2D面片草圖指令直接獲取到相關(guān)的截面線(xiàn)段，對(duì)曲線(xiàn)進(jìn)行尺寸約束后，采用回轉(zhuǎn)體指令行成兩個(gè)相應(yīng)的特征（圖13）。

（5）對(duì)攝像頭主體和回轉(zhuǎn)體特征進(jìn)行布爾運(yùn)算求和成一個(gè)整體后，對(duì)相關(guān)的邊界線(xiàn)進(jìn)行合理的倒圓特征，從而完善攝像頭產(chǎn)品的三維外觀數(shù)據(jù)（圖14）;可以采用體偏差指令所顯示的3D色譜圖偏差來(lái)判斷出我們所逆向設(shè)計(jì)出來(lái)的曲面是否達(dá)到誤差范圍內(nèi)，從3D 色譜圖[15] （圖15）可以清晰地分辨出所逆向出來(lái)的曲面基本上都是綠色的顏色，說(shuō)明這些曲面的精度是在允許的公差范圍內(nèi)的;也可以通過(guò)環(huán)境寫(xiě)真（斑馬線(xiàn)）來(lái)分析逆向曲面的光滑程度，通過(guò)圖16也可以清晰的看出逆向出來(lái)的面是比較順暢自然，斑馬線(xiàn)也比較有規(guī)律和協(xié)調(diào)。

（6）經(jīng)過(guò)上述的指令操作后，攝像頭主體的逆向設(shè)計(jì)所得到的三維數(shù)據(jù)就完成了。其相關(guān)的指令也是比較的簡(jiǎn)單，沒(méi)有較為復(fù)雜的步驟操作。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于Geomagic Design X 軟件的逆向工程設(shè)計(jì)，相對(duì)比于其他逆向工程軟件，其擁有簡(jiǎn)潔的界面和強(qiáng)大的功能指令，具備了其他軟件所不具備的點(diǎn)云、面片處理、領(lǐng)域劃分等功能模塊，利用該軟件進(jìn)行產(chǎn)品的逆向工程設(shè)計(jì)，可以有效提高產(chǎn)品逆向設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)周期，以及縮短設(shè)計(jì)師學(xué)習(xí)軟件的學(xué)習(xí)周期，對(duì)逆向工程領(lǐng)域來(lái)說(shuō)是軟件升級(jí)的一個(gè)契機(jī)，能夠促進(jìn)相關(guān)軟件進(jìn)行相互學(xué)習(xí)。

本文詳細(xì)闡述了整個(gè)產(chǎn)品的逆向過(guò)程，一方面對(duì)掃描過(guò)程以及產(chǎn)品的點(diǎn)云處理進(jìn)行了一個(gè)清晰的劃分;另一方面展示了Geomagic Design X 軟件應(yīng)用于產(chǎn)品逆向工程的便利性;研究結(jié)果表明，Geomagic Design X在產(chǎn)品的逆向設(shè)計(jì)中，能夠高效率地縮短逆向周期，在參數(shù)化設(shè)計(jì)的同時(shí)也促進(jìn)逆向設(shè)計(jì)的思路簡(jiǎn)單化，這是其他軟件所無(wú)法達(dá)到的，針對(duì)逆向工程領(lǐng)域，Geomagic Design X 是一款專(zhuān)業(yè)和高效的逆向工程設(shè)計(jì)軟件，對(duì)常規(guī)軟件的相關(guān)指令功能的迭代是一個(gè)非常有的促進(jìn)作用，對(duì)于逆向工程的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)來(lái)說(shuō)也是增加了一種新的嘗試，對(duì)相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展具有重要的作用。

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第一作者簡(jiǎn)介：鄭進(jìn)輝（1996-），男，大學(xué)本科，研究領(lǐng)域?yàn)?D打印和三維掃描檢測(cè)技術(shù)。（編輯：刁少華）