基于Geom agic的玩具虾逆向建模方法

曹旺萍

(无锡职业技术学院机械技术学院,江苏 无锡 214121)

基于Geom agic的玩具虾逆向建模方法

曹旺萍

(无锡职业技术学院机械技术学院,江苏 无锡 214121)

通过三维激光扫描设备获得的玩具虾点云数据,利用逆向工程软件Geom agic Studio进行点云数据处理、多边形和曲面片的编辑处理而实现快速构建玩具虾NURBS曲面模型的方法。

Geom agic;点云数据;NURBS曲面;虾模型

逆向工程(Reverse Eng ineering,RE),可以在无图纸或者图纸不完整以及无CAD模型的情况下,利用快速原型系统(RA PID p ro to typ ing, RP)、计算机辅助制造(Com pu ter A ided M anufatu re ,CAM)系统、产品数据管理(Produc tD ate M anagem en t,PDM)等先进技术将实物样件或者手工模型进行处理和管理,转化为CAD数据。广泛应用于机械、航空、汽车等领域。

目前逆向工程主要有两种模式,一种仍然是按正向的思路来进行,以三维CAD平台为主,逆向软件为辅。逆向软件进行点云处理,并获取一些必要的局部特征线,主要特征构建及实体造型通常还是在CAD里进行。这种方式的难点是曲面片的划分和曲面片之间的平滑过渡。另外一种模式是根据产品点云生成三角网格模型,然后自动生成NURBS曲面模型,最终生成完整的、由众多曲面片光滑拼接而成的曲面模型。

Geom agic Stud io软件是由美国(Raind rop)雨滴公司出品的逆向工程应用软件,它以先进的数学模型、曲面构建理论为基础,能快速整理曲面点云数据,自动产生网格,可建构任意复杂的精确曲面模型,创造从原型曲面测量点云到多边形数据的高品质三维模型。运用这个软件可以从扫描所得的点云数据创建出完美的多边形模型和网格,并可自动转换为NURBS曲面。

1 玩具虾的逆向建模

1.1 点云数据的拼接、优化阶段(poin t phase)点云阶段包括点云数据的拼接、去除杂点及噪音点、点云取样、点云封装等。

1.1.1 点云数据的拼接 为了得到完整的点云,需要从多个不同的方向进行多次扫描,再将各分块点云统一到一个坐标系下。可采用M anval Regiseration功能进行拼接,这时可以利用零件本身的特征进行对齐,然后再运用G lobal Registration功能对所有的点进行全局对齐,使得拼接误差最小。

1.1.2 去除杂点及噪音点 接下来,必须先处理掉点云数据中的离散点,这些点通常都是远离主点云并且并不参与我们想要的任何几何形状的表达。可用Select D isconnected和Selec t ou tliers功能来删除杂点。选择Selec tD isconnec ted功能,设置分离(Separation)选项选择L ow并把Size设为5.0。点OK后,系统就会自动选择所有和主点云分离的离散点。选择select ou tliers功能,设置Sensitiv ity为100。使用D elete键删除被选中的离散点。

由于扫描过程中的波动、扫描仪的不正确校正或者是糟糕的工件表面等等,会造成曲面表面上粗糙的,并且是不期望出现的点数据,这样的点称为噪声点。为了减少噪声点,用Reduce N o ise功能,以使得扫描点云能更准确地表达工件的真实表面。选择Reduce N o ise,选择Free-fo rm shapes,并拖动Sm oo thness L evel滑动条到中间位置,然后点确定就可以进行减少噪音的过程,系统会自动利用噪音点进行平均化以得到更光滑的表面。图1为经过处理后的玩具虾点云数据。

图1 处理后的玩具虾点云数据Fig.1 H and led sh rim p po in t c loud

1.1.3 点云取样 接着要对玩具虾点云数据进行取样,取样的作用是在减少点数据的情况下还能保持相对精确的形状。当封装时可粗略地产生相同尺寸的多边形,此处采用U n ifo rm Sam p le较合适,选择由目标定义间距的方式,这样系统将会删除部分点数据。

1.1.4 点云封装 点云数据处理完成后,进入W rap阶段,把优化后的玩具虾点云数据进行封装,实质上是用许多细小的空间三角片来逼近还原CAD实体模型。所以三角片质量的好坏直接影响其后拟合玩具虾的NURBS曲面质量。点击图标进入W rap选项,选择Su rface选项然后点OK便可进入W rap阶段。图2为经过封装后的玩具虾模型。

图2 封装后的玩具虾模型Fig.2 W raped sh rim p ofm odel

1.2 多边形的编辑阶段(po lygon phase)

接下来要对封装后的多边形进行编辑,也就是对模型进行破洞的修补、表面的光顺、简化多边形、多边形的检测与校正以提高玩具虾表面的质量。

1.2.1 破洞的修补 从图2中可看出,因为采集时的数据缺失产生了破洞,可以用Fill Ho les命令进行基于曲率的填充功能进行破洞填补。

1.2.2 表面的光顺 可用D efeatu re功能来快速去除表面的不光顺处,这个命令减少了先删除几何形状再基于曲率的填充空隙的步骤,对于一些表面的小肿块也可用Sandpaper功能对表面进行打磨。

1.2.3 简化多边形 可用D ecim ate Po lygons功能来减少三角网格并保持细微的特征,Reduce to percen tage的数值为50,减少50%的三角网格。

1.2.4 多边形的检测与校正

为了防止多边形在空间的交错及2个表面多边形连接时不匹配,可用Fix in tersec tions功能来对多边形进行修复。图3为编辑后的多边形模型。

图3 编辑后的多边形模型Fig.3 Ed ited po lygonm odel

1.3 成形阶段(shape phase)

完成多边形的编辑处理后,进入形状阶段,包括检测曲率、构建及编辑曲面片、构建网格、拟合曲面等以完成玩具虾的NURBS曲面重构。

1.3.1 探测曲率 使用D etec t Cu rvatu re功能,采用A u to estim ate的方式,Cu rvatu re L evel为0.3, Sim p lify Con tou r L ines,点确定后自动探测曲率。

1.3.2 构建及编辑曲面片 使用Construc t Patches功能,采用A u to estim ate方式,计算机会自动根据虾的特征分布情况构建虾曲面片布局图。构建出的曲面片在需要比较精细的地方有比较多且小的嵌片,在比较平坦的地方有比较少且大的嵌片。

自动构建好的曲面片需进一步调整,使用Relax Con tou rL ines功能可使轮廓线变得挺直。使用Geom agic的Relax B oundaries L inear功能可使边界线平均分布,且可以预防边界线有互相交叉的情况。编辑后的曲面片如图4所示。

1.3.3 构造格栅 调整好玩具虾的曲面片布局图后,使用Construc t G rids功能,将会在每个嵌片内

图5 构造玩具虾格栅Fig.5 G rids of construc tion

1.3.4 构建NURBS曲面模型 构造格栅后,用Fit su rfaces功能拟合NURBS曲面,我们要的曲面是要比较精细的,设定Con tro l……Po in ts为20, Tension为0.1,生成如图6所示的玩具虾NURBS曲面模型。

接下来,要比较构建的曲面与扫描资料之间的误差有多少。使用3D Com pare功能,在M ax. Positive输入1.0mm,按下En ter键,在M in Positive输入0.25mm,按下En ter键,点A pp ly开始分分布U-V网格线,NURBS曲面的控制点将会依据这些网格而产生,定义Reso lu tion值为20(分辨率越高,曲面越精细,分辨率越低,曲面越平顺,取20～50较理想),选择修复相交区域,选择检查几何图形。构造好的玩具虾格栅如图5所示。析,结果标准偏差为0.008 532。可输出IGES、STL、STEP等十几种格式的文件,供UG、Pro/E等CAD软件作进一步修改,生成虾CAD曲面模型。

图4 编辑后的曲面片图Fig.4 Ed ited patches

图6 玩具虾NURBS曲面模型Fig.6 M odels of NURBS curved su rface

2 结 论

运用Geom ag ic stud io,可以快速地获得玩具虾的NURBS曲面模型,大大降低曲面重构难度。对于曲面要求不高的零件运用Geom agic stud io软件进行逆向建模可显著提高效率,缩短产品开发周期。

[1] 李 燕,黄 凯.基于Geom agic的三维人体建模技术[J].纺织学报,2008,29(5):130-132.

[2] 赵 毅,王明辉.基于Geom agic Stud io的汽车连杆锻件逆向建模技术[J].CAD/CAM与制造业信息化,2007(10):60-62.

[3] 宋 景.Geom agic软件在贵州少数民族文化遗产保护方面的运用[J].贵阳学院学报:自然科学版,2009,4(1):42-44.

Sh rim p Reve rse M o ld ing Based on the Geom ag ic

CAO W ang-p ing
(M echanical Techno logy Institu te,W ux i Institu te of Techno logy,W ux i 214121,China)

Th rough sh rim p poin t c loud data ob tained by 3D laser scanning equ ipm en t,ed iting and p rocessing po in t c loud data,po lygons,and su rface patches using reverse engineering softw are-Geom agic S tud io, rap id ly realized them ethods of construc ting the sh rim p m odels of NURBS cu rved su rface.

geom agic;c loud data;NURBS su rface;sh rim p m odeling

TP 391.9

A

1671-7880(2010)01-0035-03

2009-10-30

曹旺萍(1973— ),女,江苏南京人,实验师,技师。