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摘要：为实现产品的快速开发与迭代， 提出了一种利用逆向工程对现有产品进行更新升级的方法。以某冲浪板曲面产品为例， 基 于 Geomagic Studio， 首先进行数据抓取， 获取产品三维尺寸信息。然后进行数据加工与处理， 确保数据信息的鲁棒性与精简性， 并进行模型的升维处理， 运用标准高斯法和平均滤波算法将点云模型进行封装， 并做柔化处理， 得到多边形数模。在曲面拟合模 块下对多边形数模进行区域探测与轮廓线编辑， 完成曲面模型的初步拟合。针对不同曲面片之间的微小缝隙， 可结合 UG NX 系统， 设置恰当的连接方式对曲面片体进行柔性缝合， 进而完成冲浪板产品的实体模型重构， 实现了产品的快速逆向设计与开发。最后 对逆向设计的产品进行了三维数据评价， 结果证明了所提曲面重建方法的合理性与时效性。
关键词：Geomagic,逆向设计,数据加工,曲面拟合,模型重构
Surface Model Reconstruction of Surfboard Product Based on Geomagic Studio
Ding Yongfeng1. He Xiaohui2. Zhang Jie1. Long Chanjuan1. Yuan Shu1
( 1. College of Intelligent Manufacturing Engineering, Chongqing University of Arts and Sciences, Chongqing 402160. China;
2. Chongqing Tianjucheng Machinery Manufacturing Co., Ltd., Chongqing 400704. China)
Abstract: In order to realize the rapid development and iteration of products, a method of updating and upgrading existing products using
reverse engineering is proposed. A surfboard product is taken as objective, based on the Geomagic Studio, the data of the product is captured to
obtain the three-dimensional sizes of the product. Then the data is processed to ensure its robustness and simplification . The upgrading of the
data was conducted by using Standard Gaussian method and average filtering algorithm to encapsulate and soften the point cloud model to
obtain the polygonal digital model. Region detection and contour editing are performed on the polygonal digital model to complete the
preliminary fitting of the surface model under the surface fitting module . Regarding the tiny gaps seen in different curved sheets, the UG NX
system is adopted to set appropriate connection methods to flexibly sew the curved sheets to complete the reconstruction of the solid model of
the surfboard product, realizing the rapid reverse design and development of the product. Finally, the 3D data evaluation of the reverse
designed product is carried out. The result demonstrates the rationality and timeliness of the surface reconstruction method . Key words: Geomagic; reverse design; data processing; surface fitting; model reconstruction
引言
逆向工程又称为反求工程， 是根据实物样本测量其 外形坐标， 再根据所得到的外形坐标点构建物体的曲面 模型， 从而准确地建立实体数学几何模型， 并加工出产 品模具， 制成产品。因此， 逆向工程可以把已有的实物 模型转化成工程设计模型和概念模型， 反向推出产品设 计数据， 然后对产品进行解剖、深化和再创造[1-2]。逆向 工程技术为产品的改进设计提供了方便、快捷的工具， 它借助于先进的技术开发手段， 在已有产品基础上设计 新产品， 缩短开发周期， 可以使企业适应小批量、多品 种的生产要求[3-4]。
随着测量技术和计算机技术的不断发展， 利用 CAD 技术、先进的制造技术来实现高效、快速的设计已经获 得了长足的发展， 并已有大量研究用于曲面建模[6-9]， 曲面探测[10- 11] 及曲面模型的重构[12- 15]， 有效地促进了技术 的成熟发展与产品开发的快速迭代。然而针对体育用品 的逆向设计与产品开发相对较少。本文依托逆向设计分 析平台 Geomagic Studio， 通过数据扫描及二次加工， 获 得稳定可靠的数模信息， 然后依次对精简后的点云数据 进行封装与编辑， 得到多边形模型数据， 在曲面拟合模 块对多边形模型进行曲面编辑与重构， 之后在 UG NX 平 台进行曲面片体的缝合处理， 实现了曲面片体的重构与 三维模型的快速还原。最后对重构的实体模型进行了三 维数据比对， 验证了逆向设计方法的可行性， 为企业快 速开发与设计新产品提供了一条可行的思路。
1 曲面片点云数据
由于数据采集过程中必然会产生一定的误差， 所以 要对采集到的数据进行预处理， 以便获得更多的有效数据， 通常对数据进行处理指对数据进行平滑处理并过滤 掉无效数据， 测量数据的好坏对逆向工程有着非常重要 的影响。通常采用标准高斯法和平均滤波算法。
1.1 点处理阶段
Geomagic Studio 点处理阶段是指对从硬件设备中得 到的数据进行一系列的数据处理， 其基本流程和思路： 首先根据需要合并点云数据， 将分散的片段拼接为一个 完整的点云; 然后为了能够清晰看见点云， 对其进行着 色处理， 最后再去除体外孤点和非连接项、减少噪声、 统一采样和封装。通过设置非连接项的尺寸及体外孤点 的敏感度， 可以有效去除偏离主点云的孤点， 如图 1所示。
噪点则是指模型表面粗糙、非均匀的点云， 一般是 源于扫描时设备轻微的抖动或者物体表面过于粗糙。可 通过调节平滑级别和设置迭代数目以及参数来减少噪声 点， 冲浪板产品是以自由曲面为主的模型， 若只考虑点 到拟合曲面的距离， 会使领域距离边或者角更容易被认 定为异常点， 但是这些点的邻域点到其拟合曲面的距离 也会比较大， 定义平均平方距离为：
控 制 点 云 数 据 的 密 度可以提高电脑对模型数据的 运 行 速 度 和 运 算 效 率 。在 Geomagic Studio 软件中调整合适的曲率优先级， 对点云数据进行过滤和抽稀，进行噪点去除及统一采样后， 数据点由 51 285 个减少至 45 137个。随后对点云进 行封装， 如图 2 所示。
1.2 多边形处理阶段
Geomagic Studio 多边形处理阶段是对刚刚处理封装 后的点云数据进行处理， 得到一个完整、光顺、理想的 多边形数据模型。多边形处理阶段的基本流程为创建多 边形、填充孔、去除特征、砂纸打磨光滑、松弛多边形、 修复相交区域、编辑边界、创建拟合孔， 目的是创建一 个有秩序的， 与周边三角形网格连接柔软平滑的多边形 网格。
当 前 冲 浪 板 封 装 模 型三 角 形 数 量 为 90 270 个，在曲率优先的前提下设置70% 进 一 步 降 低 冗 余 数 据量; 多次操作特征去除及砂纸打磨指令， 同时对多边形进行松弛处理， 使模 型中的异常部位更加平滑和规整， 曲面修复后的模型如 图 3 所示。
2 曲面重构与拟合
逆向软件的重构曲面类型主要包括 3 种： (1) Coons 曲面， 它的构造方法为在已知四边的基础上进行构造， 特点为易于构造; ( 2) 以三角 Bezier 曲面为基础构造曲 面方案， 以该曲线进行拉伸、旋转、扫掠和构造面， 然 后进行曲面转化， 此方案的优点是高效、简洁、适应性 好但延展性和裁剪处理不完善; ( 3) 以四边形 NURBS 曲面为基础构建曲面， 相比较 Bezier， 它承载了 Bezier 的 大部分优点， 缺点是适应性不好， NURBS 曲面主要是利 用 B 样条曲线进行拉伸、旋转、扫掠、放样、混合等操 作构造， 然后直接拟合自由曲面和曲面转换。 NURBS 曲 面跟 B 样条曲线一样可由张量参数 β控制样条拟合图的 松紧程度， 当 β增加， 曲面愈贴近被拟合点， 精度也就 越高， 但光滑程度有所下降。
在 Geomagic Studio 中， 可以将处理后的多边形网格 转变为 NURBS 曲面， 其逆向曲面重建模块能够快速地整 理点云资料并且自动产生网格构建任何复杂模型的精确 曲面。 NURBS 方法可以使几何变换和投影变换具有不变 性， 又可以修改控制顶点和权因子， 为各种复杂的形状 设计提供了充分的灵活性， NURBS 曲线是由分段有理 B 样条多项式基函数来定义的：
2.1 区域探测
曲面阶段编辑的方法具有可选性， 进入曲面阶段有 两个模块可以选择： 形状模块和制作模块[15]。此阶段先 根据曲面的曲率生成轮廓线， 通过轮廓线的划分可将整 个多边形模型划分为很多个曲面， 然后根据轮廓线进行 延伸和编辑完成各个曲面的连接部分， 最后对整个曲面 进行定义和分类， 按照定义好的曲面进行拟合。
根据模型表面的曲率变化生成红色的分隔符， 该分 隔符可以对整个模型进行区域划分， 而且划分后的曲面对后续定义区域操作起着关键的作用。由图 4 ( a ) 可知 系统在计算冲浪板的区域的时候并没有完全划分好分隔 符， 需要根据曲率图添加红色分隔符， 同时使之更加均 匀， 然后再点击抽取完成对冲浪板轮廓线的区域探测， 如图 4 (b) 所示。
2.2 编辑轮廓线
编辑轮廓线是对区域探测的进一步修改， 目的是为 了能够得到更加准确、完整的模型轮廓。编辑后的模型 如图 5 所示。
2.3 拟合曲面
在 Geomagic Studio 中对数据模型进行区域定义， 并 使用 Bezier 和 NURBS曲面直接由曲线或者测量点来创建 曲面。通过调整轮廓线或者编辑区域， 初步完成冲浪板 各个曲面的拟合， 如图 6 所示。可以看出， 曲面与曲面 之间的缝隙较大， 还需要进行恰当的连接。
3 模型重构
鉴于图 6 中的模型存在较大的间隙， 将其导出为 IG⁃ ES 格式， 借由 CAD/CAM 系统 UG NX 强大的模型处理能 力进行曲面缝合及实体造型。利用 UG NX 中的修剪及曲 面延伸指令， 减小曲面片之间的缝隙并进行片体， 如图 7 所示。根据原始点云数据中模型的圆角数据测量， 对 缝合好的片体进行倒圆角操作。
4 数据比对
将处理好的模型导出为 STL格式， 与原始点云数据 进行比对。在 Gomagic Qualify[16] 软件中依次打开两个模 型， 进行 3D 与 2D 分析， 如图 8 所示。可以看出， 除了 在处理点云数据时去除特征的部位， 模型的还原度较高， 选取 5处特征点进行数据标记， 计算其 3D 偏差， 结果如 表 1 所示。可以看出， 除 A004 及 A012 两处因去除斜纹 特征操作导致误差相对较高外， 其余点处和原始点云误 差都在 0.5 mm 以内， (低于模型宏观尺寸的 5%)， 且从 Qualify 系统分析得出， 模型 3D 平均偏差为 0. 173\-0.257. 2D 平均偏差为 0.099\-0.261. 模型重构符合要求。
5 结束语
本文基于 Geomagic 软件进行曲面产品的快速逆向成 型， 并进行了偏差分析， 得到了符合要求的产品模型， 为企业进行产品的快速设计及开发提供了较好的参考性。 主要结论如下。
( 1 ) 对点云数据模型的精简和优化可以使数据兼具 高效性与可靠性， 为后续数据封装提供较好的数据准 确性。
( 2) 模型的封装与平滑处理直接影响到最终模型的 质量， 除前期点云数据的可靠性外， 操作人员的知识储 备与熟练程度亦会影响到产品的质量。
( 3) 结合其他 CAD 软件的优势， 可以快速实现产品 的逆向重构， 有效提升产品的开发设计能力。
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第一作者简介：丁永峰 (1987-)， 男， 陕西汉中人， 博士研究 生， 讲师， 研究领域为材料成型 CAD/CAE/CAM， 已发表论文 20余篇
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