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摘要：逆向设计是对产品进行复制、改良和创新设计的过程。本文以茶壶为例，采用Geomagic软件，对茶壶壶体进行表面数据采集、点云数据处理和原型三维重构等操作，得到茶壶壶体的逆向设计原型，对同类产品的逆向设计实践有一定的借鉴意义。
关键词：Geomagic；茶壶壶体；逆向设计
Reverse Design of Teapot Body Based on Geomagic
WANG Chen,YU Jiahao
（College of Home and Industrial,Nanjing Forestry University,Nanjing Jiangsu 210037）
【Abstract】：Reverse design is the process of product replication,improvement and innovation design.Taking the teapot as an example,Geomagic software is used to collect the surface data,process the point cloud data and construct the prototype of the teapot,it can be used for reference in the practice of reverse design of similar products.
【Key words】：Geomagic;teapot body;reverse design
逆向设计是集三维测量技术、图形处理技术和数据处理技术为一体的CAD技术，已经成为CAD技术中的应用热点[1]。传统的产品开发过程遵循正向设计的思维，按照“产品功能描述―产品概念设计―产品总体及零部件设计―产品零部件加工及装配―产品性能测试”的步骤开展工作[2]。而逆向设计按照“产品引进―消化吸收―创新设计”的流程进展的。逆向设计是将三维扫描设备获取的实物样件的三维点云数据，输入至封装软件和逆向设计软件中进行三维重构，复现出实物样件的三维实体数据，并可在此基础上进行原型修改和创新设计的过程[3]。逆向设计是产品正向设计的有益补充及验证，促进了产品的正向设计。
1逆向设计基本步骤
1.1表面数据采集
表面数据采集是逆向设计的第一步，表面数据采集的质量决定了逆向设计产品的质量[4]。表面数据采集是指借助特定的数据采集设备，将实物原型表面的形状数据转化为空间坐标点，从而获取实物原型的三维数据，也就是把实物原型进行三维模型化的过程[5]。表面数据采集的方法分为接触式和非接触式两大类，通常情况下，产品逆向设计中常用的是基于激光三角测距原理的非接触式数据采集方法。
1.2点云数据处理
点云数据处理是逆向设计的第二步，在逆向重构产品的三维原型前，需要对由表面数据采集而来的空间坐标点数据进行格式转换、噪声滤除、平滑对齐、插值补点等数据处理，用于对数据采集得到复杂点云模型进行精简[6]。将复杂点云数据进行精简后，还需对所采集数据的几何属性进行分割处理，采用匹配几何特征的方法获取并重建实物原型具有的设计特征和加工特征，以此完成点云数据的处理过程[7]。
1.3原型三维重构
原型三维重构是逆向设计的第三步，原型三维重构是在点云数据处理完成后，根据处理好的各面片的特征，分别进行实体、曲面拟合。并在拟合后的各面片间拼接、求交和匹配，使之成为连续完整的实体、曲面的过程。在逆向设计的基本步骤中，实物原型的三维模型重构是最为重要的步骤[8]。常根据实物原型的自身结构，将正、逆向设计思维结合来进行三维模型重构，以便快速求得实物原型的三维数字模型。
2茶壶壶体逆向设计实践
2.1茶壶壶体表面数据采集
使用非接触式激光三维扫描仪（型号:微深―400）对茶壶壶体进行表面数据采集，该型扫描仪具有测量速度快、操作便捷等特点。扫描前，需要完成以下准备工作：（1）对扫描仪进行标定校准，使用与扫描仪型号相对应的标定板，对扫描仪进行十字标定与校准；（2）对茶壶壶体表面进行喷粉和标志点粘贴处理，使茶壶壶体表面反射的光线得以充分接收，以此保证数据采集的完整性。
根据茶壶壶体表面的曲面造型，选用拼合扫描的方式进行表面数据采集。为将茶壶壶体表面的全部轮廓扫描完整，需将茶壶放在载物平台中央。转动载物平台，改变扫描角度和方向，以获得茶壶外形各个方向上的点云数据。同时，借助标志点的定位，实现不同方向上点云数据的自动拼接，从而得到茶壶壶体表面完整的点云数据，茶壶壶体表面数据采集如图1所示。
2.2茶壶壶体点云数据处理
由于环境因素的影响，从扫描仪控制软件中导出的茶壶壶体表面点云数据存在误差信息，需要对此点云数据进行后续处理。将此点云数据导入Geomagic Wrap软件中，在Geomagic Wrap软件界面里可见许多游离于或附着于茶壶壶体外的孤点和杂点，如图2所示。利用去除体外孤点命令，删去游离于茶壶壶体外的孤点。再利用减少噪音命令，删去附着于茶壶壶体表面的杂点。随后，对点云模型进行封装处理，将点云模型封装为三角面片模型。封装完成后，利用去除特征、填充孔、简化多边形、砂纸及松弛等命令对三角面片模型进行规则化处理，从而使茶壶壶体表面更加平滑光顺，规则化处理后的茶壶壶体如图3所示。
逆向设计中，对实物原型的三维重构常采用以下两种方法：（1）对于规则曲面原型，采用特征拟合的方法；（2）对于复杂异形曲面原型，采用自由曲面拟合的方法。由于茶壶壶体表面包含多个复杂的异形曲面，因此采用自由曲面拟合的方法对茶壶壶体原型进行三维重构。将由Geomagic Wrap软件处理后的封装文件导入Geomagic DesignX软件中。创建新的坐标系，将新建坐标系手动对齐与茶壶壶体坐标系重合，以此坐标系为基准创建草图平面。选择草图平面绘制面片草图，在面片草图上描绘与茶壶壶体截面轮廓线相拟合的曲线。通过回转、放样曲线等命令，将拟合曲线生成拟合曲面。对各拟合曲面进行拼接、求交等操作，最终完成茶壶壶体原型的三维重构，如图4所示。
3总结
逆向设计是集三维测量技术、图形处理技术和数据处理技术为一体的CAD技术。近年来，逆向设计在各类产品的设计开发中得到越来越多的应用。本文以茶壶模型为例，采用Geomagic软件，对茶壶壶体进行表面数据采集、点云数据处理和原型三维重构，得到茶壶壶体的逆向设计原型，对同类产品的逆向设计实践有一定的借鉴意义。
参考文献
[1]张磊,闫永蚕,张荣强.古典家具多曲面逆向设计方法研究[J].设计,2018(17):44-45.
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[5]吴为,徐伟,吴双双,等.枯山水文化在茶家具设计中的应用[J].家具与室内装饰,2020(10):63-65.
[6]陈澜,郁舒兰.拍照扫描在三维虚拟试衣系统中的应用分析[J].智能计算机与应用,2020,10(7):281-283.
[7]郁舒兰,尹晓惠,刘艳阳,等.面向家具企业的数字化软件工具选型[J].家具,2019,40(6):91-94.
[8]吴梦真,郁舒兰,黄琼涛,等.基于Unreal Engine 4的家居虚拟展示技术研究[J].家具,2017,38(2):64-67.
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