摘要：本文依據(jù)逆向工程的基本原理和逆向工程軟件Geomagic Studio的基本工作流程，對(duì)雕塑雄鷹三維點(diǎn)云進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，完成了雄鷹的三維建模過(guò)程。文中詳細(xì)介紹了雄鷹各部分在Geomagic中點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理的過(guò)程，并在模型合并完成后對(duì)其進(jìn)行材質(zhì)貼圖并渲染，最后介紹了Geomagic與Solidworks，Polyworks，Imageware等軟件之間如何進(jìn)行數(shù)據(jù)共享;重點(diǎn)闡述了點(diǎn)云在Geomagic里的處理過(guò)程，包括點(diǎn)云階段的拼接、點(diǎn)云預(yù)處理，封裝形成三角面，在多變形階段破洞修補(bǔ)以及優(yōu)化處理，在形狀階段構(gòu)建曲面片、構(gòu)建格柵并最終生成了NURBS曲面。

　　關(guān)鍵詞：三維點(diǎn)云;逆向工程;Geomagic;三維建模

　　Abstract: based on the basic principle of reverse engineering and reverse engineering software Geomagic Studio basic work process, the eagle to sculpture 3 d point cloud data processing, the completion of the eagle 3 d modeling process. This paper introduces the eagle each part in Geomagic point cloud data processing process, and after the merger in model of the texture and rendering, at last, the paper introduces the Geomagic and Solidworks, Polyworks, Imageware between software such as to how to share data; Focuses on a cloud in the Geomagic treatment process, including the point cloud stage joining together, the point cloud pretreatment, packaging form triangle surface, in many deformation stage hole repair and optimization, in the shape of the construction stage of construction, the surface and eventually generated the grille NURBS surface.

　　Keywords: 3 d point cloud; Reverse engineering; Geomagic; 3 d modeling

　　中圖分類(lèi)號(hào)： O343.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：

　　0 引言

　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、機(jī)械制造技術(shù)的發(fā)展，三維激光掃描的成本越來(lái)越低，應(yīng)用領(lǐng)域也滲透到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)方面，如何對(duì)三維激光掃描儀掃描到的點(diǎn)云進(jìn)行處理已成為熱點(diǎn)問(wèn)題。作為四大逆向工程軟件之一，Geomagic Studio是由美國(guó) Raindrop 公司出品的逆向工程和三維檢測(cè)軟件，可輕易地從掃描所得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)創(chuàng)建出完美的多邊形模型網(wǎng)格，并可自動(dòng)轉(zhuǎn)換為 NURBS 曲面。本設(shè)計(jì)利用Geomagic Studio軟件對(duì)產(chǎn)品三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分析Geomagic Studio從點(diǎn)云到其它軟件繼續(xù)處理的完整過(guò)程，反向推出產(chǎn)品的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，包括設(shè)計(jì)圖樣和數(shù)字模型，為三維激光掃描儀點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用提供一種新的途徑。

　　1 逆向工程概述

　　1.1 逆向工程簡(jiǎn)介

　　逆向工程是對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程的一種描述，與正向設(shè)計(jì)相對(duì)應(yīng)。在工程技術(shù)人員的一般概念中，產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程是一個(gè)從無(wú)到有的過(guò)程，即設(shè)計(jì)人員首先在大腦中構(gòu)思產(chǎn)品的外形、性能和大致的技術(shù)參數(shù)等，然后通過(guò)繪制圖紙建立產(chǎn)品的三維數(shù)字化模型，最終將這個(gè)模型轉(zhuǎn)入到制造流程中，完成產(chǎn)品的整個(gè)設(shè)計(jì)制造周期。這樣的產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程稱(chēng)為“正向設(shè)計(jì)”過(guò)程。逆向工程產(chǎn)品設(shè)計(jì)可以認(rèn)為是一個(gè)“從有到無(wú)”的過(guò)程。簡(jiǎn)單地說(shuō)，逆向工程產(chǎn)品設(shè)計(jì)就是根據(jù)已經(jīng)存在的產(chǎn)品模型，反向推出產(chǎn)品的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)(包括設(shè)計(jì)圖紙或數(shù)據(jù)模型)的過(guò)程。

　　1.2 逆向工程流程

　　目前，國(guó)內(nèi)外有關(guān)逆向工程的研究主要集中在幾何形狀的逆向，即重建產(chǎn)品實(shí)物的CAD，稱(chēng)為“實(shí)物逆向工程”。

　　2基于Geomagic 12的三維模型重建

　　2.1 Geomagic Studio 軟件簡(jiǎn)介

　　Geomagic Studio軟件是美國(guó)Raindrop公司出品的逆向工程和三維檢測(cè)軟件，它可根據(jù)物體掃描所得的點(diǎn)陣模型創(chuàng)建出良好的多邊形模型或網(wǎng)格模型，并將它們轉(zhuǎn)換NURBS 曲面。該軟件主要特點(diǎn)是支持多種掃描儀的文件格式的讀取和轉(zhuǎn)換、海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理、智能化NURBS構(gòu)面等等。它采用的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采樣精簡(jiǎn)算法，克服了其他同類(lèi)軟件中對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)操作時(shí)，軟件進(jìn)行圖形的拓?fù)溥\(yùn)算速度慢、顯示慢等弊端。而且軟件人性化的界面設(shè)計(jì)，使其操作非常方便。

　　2.2 Geomagic Studio軟件工作流程

　　根據(jù)軟件輸入的數(shù)據(jù)與其他軟件或設(shè)備的接口，不同的逆向軟件有不同的工作流程，可以采用點(diǎn)—線(xiàn)—面和點(diǎn)—多邊形—面等方式，Geomagic Studio采用了點(diǎn)—多邊形—面的工作流程，從上圖可以看出Geomagic Studio軟件主要包括點(diǎn)云階段、包裝階段、多邊形階段。

　　2.3 雄鷹的三維模型重建

　　2.3.1 獲取并優(yōu)化點(diǎn)云

　　為了得到完整的點(diǎn)云,運(yùn)用三維激光掃描儀從多個(gè)不同的方向進(jìn)行掃描,再將各分塊點(diǎn)云用對(duì)其功能統(tǒng)一到一個(gè)坐標(biāo)系下。

　　拼接后的點(diǎn)再經(jīng)過(guò)去除雜點(diǎn)和噪聲點(diǎn)以及點(diǎn)云取樣后可得到一個(gè)比較好的雄鷹點(diǎn)云，但由于其整體結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，我們需將其分割成兩個(gè)部分也即鷹體和支柱來(lái)分別進(jìn)行建模。下面具體介紹建模過(guò)程。

　　2.3.2 具體建模過(guò)程

　　首先是封裝過(guò)程，點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理完成后，進(jìn)入Wrap封裝階段。把分割優(yōu)化后的鷹體點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，實(shí)質(zhì)上是用許多細(xì)小的空間三角片來(lái)逼近還原CAD實(shí)體模型。

　　由于被測(cè)模型本身的幾何拓?fù)湓蚧蛞蛘趽跣?yīng)、破損以及不同站之間點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接存在縫隙等原因，會(huì)存在部分表面無(wú)法測(cè)量、采集的數(shù)字化模型存在數(shù)據(jù)破損的現(xiàn)象。可通過(guò)填充孔命令將這些缺失數(shù)據(jù)補(bǔ)齊。

　　填充孔之后的鷹大致呈現(xiàn)出粗糙的模型，需要對(duì)其進(jìn)行光順，可用快速光順來(lái)快速去除表面的不光順處，這個(gè)命令減少了先刪除幾何形狀再基于曲率的填充空隙的步驟。對(duì)于一些表面的小腫塊也可以用砂紙來(lái)交互式光順或松弛對(duì)象上的區(qū)域(如去除腫塊)。

　　接下來(lái)是精確曲面階段。完成多邊形的編輯處理后，進(jìn)入形狀階段，包括檢測(cè)曲率、構(gòu)建及編輯曲面片、構(gòu)建網(wǎng)格、擬合曲面等以完成雄鷹的NURBS曲面重建。

　　使用精確曲面下的探測(cè)功能下的探測(cè)曲率，對(duì)鷹體的曲率進(jìn)行自動(dòng)探測(cè)。如果探測(cè)出來(lái)的輪廓線(xiàn)并不完全是我們需要的輪廓線(xiàn)，還可通過(guò)執(zhí)行“升級(jí)/約束”命令進(jìn)行修改。

　　接下來(lái)是構(gòu)建曲面片，曲面片的劃分是構(gòu)建曲面的關(guān)鍵環(huán)節(jié),應(yīng)以曲面分析為基礎(chǔ)進(jìn)行合理劃分，構(gòu)建出的曲面片在需要比較精細(xì)的地方有比較多且小的嵌片,在比較平坦的地方有比較少且大的嵌片。系統(tǒng)自動(dòng)構(gòu)建好的曲面片需進(jìn)一步調(diào)整,使用松弛曲面片功能可使輪廓線(xiàn)變得挺直。使用Geomagic的松弛輪廓線(xiàn)功能可使邊界線(xiàn)平均分布,且可以預(yù)防邊界線(xiàn)有互相交叉的情況。利用移動(dòng)面板功能，設(shè)定控制點(diǎn)，對(duì)每個(gè)嵌片進(jìn)行編輯，如曲面片分布、曲線(xiàn)松弛、路徑等。

　　調(diào)整好曲面片布局圖后,使用構(gòu)造格柵功能, 將會(huì)在每個(gè)嵌片內(nèi)分布U-V網(wǎng)格線(xiàn),NURBS 曲面的控制點(diǎn)將會(huì)依據(jù)這些網(wǎng)格而產(chǎn)生,定義分辨率值為20 (分辨率越高,曲面越精細(xì), 分辨率越低, 曲面越平順, 取20～50較理想) ,選擇修復(fù)相交區(qū)域,選擇檢查幾何圖形。

　　模型構(gòu)造格柵后,用擬合曲面功能擬合NURBS曲面,我們要的曲面是要比較精細(xì)的,采用默認(rèn)的控制點(diǎn)和表面張力,生成曲面模型。如果要追求最好的細(xì)節(jié),可將表面張力調(diào)到最小,控制點(diǎn)數(shù)目調(diào)到最大。

　　2.3.3 模型合并及貼圖

　　在完成鷹體和支柱兩部分的分別建模之后，我們需要將二者重新合并成一個(gè)整體。兩種方法：可以直接在多邊形階段完成合并;也可以將兩個(gè)模型轉(zhuǎn)換成點(diǎn)云，然后進(jìn)行點(diǎn)云和并并封裝處理。效果如下圖所示：

　　為了讓模型顯得更加逼真，我們可以給其進(jìn)行模型貼圖。先在網(wǎng)上搜集符合事物模型的素材或者是模型現(xiàn)實(shí)中的相片，然后利用軟件自帶貼圖功能實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程。效果如圖13所示：

　　3 結(jié)束語(yǔ)

　　在逆向工程后處理中，Geomagic Studio 軟件可以有效的進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的各個(gè)階段處理，包括點(diǎn)階段、多邊形階段、形狀階段。實(shí)踐證明，利用該軟件，可直接獲得零件原型的數(shù)字曲面，加快復(fù)雜零件逆向工程的數(shù)字建模進(jìn)程，大大提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造的效率和質(zhì)量。

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