基于Geomagic的三维人体头像建模技术的研究

魏天翔,黄洁琼

(上海第二工业大学机电工程学院,上海201209)

基于Geomagic的三维人体头像建模技术的研究

魏天翔,黄洁琼

(上海第二工业大学机电工程学院,上海201209)

三维模型的数字重构技术在逆向设计中起着非常重要的作用。它是针对人体头像结构唯一性的特征,运用非接触式测量技术,实现个性化三维人体头像数字模型重构的逆向技术。即通过激光三维扫描仪获取人体头像的点云数据,利用逆向软件Geomagic Studio对其进行处理来创建STL模型或NURBS曲面模型,用于实现后续的快速成型或快速建模。

逆向技术;人体头像;Geomagic

0 引言

逆向工程也称为反求工程(Reverse engineering)。与一般的设计制造过程相反,是从一个已有的物理模型或实物零件产生出的相应的CAD模型的过程,是整个逆向工程中最关键、最复杂的一环,也为后续的工程分析、创新设计和加工制造等应用提供了数学模型[1]。随着逆向工程研究的深入,三维扫描技术能高效、准确地实现样件表面数字化。它能快速地测量人体头像的各部分数据,包括耳朵,鼻子,眼睛等尺寸,对美容、整形、修复医学有着非常重要的作用。三维人体头像建模常应用于医学、整容、美容等方面[2]。逆向软件是实现原始点云构造曲面的有力工具[3]。Geomagic以先进的数学模型、曲面构造理论为基础,不同于传统的点-线-面的曲面重构方式,它提供了基于多边形网格化的快速重构方式,体现了数字外形重构技术发展的新趋势[4]。而其对三维曲面重构所需要的时间只有同类软件的三分之一[5]。笔者通过Geomagic软件实例对CAD重构进行分析和总结。

1 点云数据的采集

高效、准确地实现样件表面数字化,是实现逆向工程的关键技术和首要环节。数据获取的方法分为两种:接触式测量和非接触式测量。接触式测量主要是通过三维扫描仪上的传感测头去碰触被测量物体的表面,以获取空间点的坐标。这种方式的测量准确性较高,但其测量的效率很低,测量过程往往依赖于测量者的经验。非接触式测量主要是通过激光对物体的空间外形和结构及色彩的扫描,以获得物体表面的空间坐标[5]。这种方式的测量因测量速度快、无需作半径补偿等优点,在实际应用中已占据了主导地位。

点云数据的采集是由非接触式三维扫描仪VIVID9I(美能达)对其人体头像进行点云数据的采集。在采集的过程中,对三维人体头像不同的六个面进行扫描,在适当拼接面处做少许的标记点(特别在大面上),为视图的拼接提供了很好的参考点。最终获得的点云数据如图1所示,对点云进行着色后如图2所示。

2 人体头像数据模型的重构

基于三维人体头像数据的唯一性,在Geomagic逆向系统里完整的流程图如下:

图1 采集的点云数据Fig.1 Point cloud data acquisition

图2 着色后的点云数据Fig.2 Coloured point cloud data

2.1 点云阶段的数据处理

数据采集完后应用Geomagic软件打开VVD数据,对点组数据进行改进。噪音数据的优化(用来去除杂点)、智能的取样程序(用来降少点数)、点云的过滤等都能排除在扫描时捕获的多余或错误的数据。通过点阶段的改进,点云数据能有效地多边形化点云数据,并得到一个较高质量的多边形对象。

2.1.1 多视图的拼接

模型在扫描的过程中,单个视图很难能够表达出一个完整的数据模型,往往是由多个不同的视图拼接而成的。如果扫描仪本身的软件自带拼接功能,可以在扫描完单幅数据后进行相邻数据共同点的拼接。同样在Geomagic逆向软件中也能实现多视图的拼接。Geomagic对齐数据,它不完全依赖扫描仪来提供点云或多边形信息,它是一种创新工具,用来注册和合并多个未对齐的点云或多边形模型。它能直接从扫描仪或数据转换器导入原始数据,并使用各种自动和半自动方式对齐。对齐一个对象的多个搭接的扫描数据,通过使用手动注册(Manual Registration)命令,重定义对齐,使用全局注册(Global Registration),合并单个扫描数据成一个单一的点云模型。拼接完后的头像如图3、图4所示。

图3 数据拼接后的点云数据Fig.3 Point cloud data after mosaic

图4 着色后的点云数据Fig.4 Coloured point cloud data

2.1.2 点云数据的优化处理

拼接完的点云三维人体头像模型中,由于在拼接时的一些相邻面的重叠,整个模型的点云的数据量非常之大,在模型处理时画面会很不流畅。这时可以通过模型上的显示一览,来调整其在点阶段的静态/动态的百分比,使其减少在动态时的数据量的显示。

拼接完的单一扫描数据,在扫描的过程中不可避免地会出现一些游离在主云系点之外的点,这些点称之为离散点。离散点并非是所需扫入进来的点云数据,可能是一些阳光的反射、支撑物等这些物体。有时是以群系的状态出现的,有时也以单个或少量的群系出现。可以分别通过选取体外孤点和非连接项去拾取这些模型以外的点,并去除它们。由于外界环境的震动,扫描仪的校正不精确或被扫描物体本身的表面处理不好,都有可能出现扫入的数据出现噪点的情况。基于三维人体头像数据的唯一性和特殊性,在减少噪音的时候尽可能去表达出人体本身的特质。所以在减少噪音的时候,平滑级别滑块放在中等偏下处,以保证人头本身的特质的完整性。

清理完杂数据后,经扫描进来的点云量非常之大,达到了八十多万个点,很显然,在拼接的时候出现了点的重叠现象,需要采样去重新调整点的分布情况。采样分为两种:统一采样和曲率采样。统一采样主要在保持一个精确零件外表的基础上来减少点数,它所生成的点的分布是间距相等的点距。这种方式常常用于曲率采样之前去完成前期采样。曲率采样是根据曲面变化的区域来分布点的数量,比如半径或拐角处,曲率变化大的地方尽可能保持较多的点云数量,曲率变化小的地方预留较少的点云数量,这种方式的采样能更多的体现被扫描物体的细节。曲率采样的三维人体头像采样率为45。

2.2 多边形阶段的数据处理

多边形阶段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。不管是曲面封装还是体积封装,调整三角片质量的好坏直接影响到其后拟合人体头像的NUBRS曲面质量,甚至出现变形[7]。三角面片的调整主要通过三角形删除、光滑曲面、孔填充、边修补等技术来生成高质量的三角面片,导出的STL模型用以快速成型或为后阶段的NURBS曲面成型做准备。

2.2.1 多边形数据的处理

在人体头像的表面总会因为测量时的数据缺失而产生有许多破孔,可以利用填充孔的命令对其丢失的数据进行修补。破孔的修补分为三种:中间型、边缘型和桥接型。这三种补孔的方式一般都是基于曲率的方式对破孔进行修补。根据人体头像的特点,本文采用了中间型和边缘型的补孔方式对破孔进行了修补。若直接补孔效果不佳时,可以用补洞命令中的删除功能把孔扩大,再进行补孔。这样能避免人体头像中出现相交三角形时补孔不佳的效果。如图6所示。

图5 封装后的模型数据Fig.5 Model data encapsulation

图6 补完孔后的模型数据Fig.6 Model data aid after the hole

由于在点阶段的降噪并不能很好地还原出光顺的三角片的质量,在修复完破孔后,发现模型的表面有许多不平整三角面片。一些是模型本身的特征,还有一些是扫描时光线的反射因素造成的模型表面质量问题。可以通过去除特征、松弛、砂纸等命令对模型的表面进行多边形阶段的编辑。特别注意的是,在做全局松弛的时候,尽量体现头像本身的细节,这样能很好地还原其自身的唯一性。

由于扫描的局限性,在补完破孔和处理完模型表面的三角面片后,在其颈部还有一个没有补全的破孔。根据模型的后期用途一般有两种方法处理:模型用于快速成型即STL,可通过创建基准和平面截面的方法把其颈部截面切平和补全;模型在多边形阶段处理完之后用于NURBS曲面成型,可以运用边界编辑、边界松弛,光顺颈部边界,为曲面阶段提供高质量的三角面片。

图7 多边形阶段处理完的模型数据Fig.7 Model data processing the polygon stage

2.3 曲面阶段的数据处理

Geomagic中曲面片的划分是做好曲面的关键。一个多边形在曲面阶段能成为一个开放的或封闭的NURBS曲面模型。可以用一种布局相似的方法来布局四边曲面片覆盖在模型的表面,一种多个分辨率网格的结构被放在每个曲面片上,通过NURBS曲面拟合每个曲面片来构成高质量的曲面。最终的成型曲面具有全局连接性、自动UV参数化和G1连续性。相切的连续性可通过横跨毗邻的曲面片来保证,是通过所有曲面片边界和角(使用指定的除外)的相连来获得的。生成的NURBS曲面能作为IGES文件输出,并输入到后期的CAD/CAM软件中或可视化系统中。

2.3.1 曲面模型的重构

模型自动化构建的目的在于取得这些目标理想结构,可以通过手动和半自动编辑工具来修改曲面片边界的结构和位置。为了改善曲面片的布局,曲面片移动操作能用来局部地修改曲面片结构,用每次修改来保证一个正确的曲面片布局,移动个别顶点可修改曲面片边界。用曲面片移动来创建更多规则的曲面片布局,产生NURBS曲面。在人体头像曲面重构的过程中采用了四个主要步骤:探测曲率/轮廓边、构建四边曲面片、构建格栅、构建NURBS曲面。

曲面的形成一般都是由线到面的。有了轮廓线之后,必然要构建四边曲面片。曲面片是构建NURBS曲面的框架构,也是创建NURBS曲面中的关键的一步。分解多边形模型成为四边曲面片,每个曲面片由四条叫作曲面片边界的多义线围成,其中的曲面片边界是在多边形曲面上呈现出来的,用来覆盖模型的表面。可以设置手动和自动编辑曲面片的数量。如图8所示。

为了计算NURBS曲面,要求由一个有序的点集来呈现对象。格栅创建的过程定义在每个的边界曲面片里,相交点准确地位于多边形对象曲面上,并能用作计算NURBS曲面的样条线。格栅越密,从多边形曲面捕获和呈现在最终NURBS曲面上的细节就越多。构建格栅对三角形曲面自动参数化,成为一个稠密的四边拼凑物。

图8 编辑完的曲面片布局图Fig.8 Patch layout editor

图9 完成后的NURBS曲面Fig.9 Completion of the NURBS surface

3 结束语

逆向工程的CAD建模技术已广泛应用于产品的开发、零件的修复、仿真及数字多媒体等诸多领域。在数据的处理中,商业的逆向软件对点云的处理、三角面片的处理和曲面的处理的研究有了很大的进步。但在实际应用中往往还是取决于操作人员的技术水平和经验的积累。基于Geomagic的逆向技术的平台,对那些精度不高的零件或模型工艺品来说提供了一个非常好的逆向造型的技术手段,可以快速准确地对模型零件进行数据模型的重构,显著提高设计的工作效率,缩短产品的开发周期。

参考文献:

[1]柯映林.反求工程CAD建模理论、方法和系统/机械设计丛书[M].北京:机械工业出版社,2005.

[2]夏红刚.基于扫描技术的人体头像建模[J].大众科学,2007,1(3):30-32.

[3]俞芙芳,罗长浩.应用Geomagic实现鞋楦的NURBS重构[J].福建工程学院学报,2005,3(6):622-624.

[4]黄曼慧,成思源.基于Geomagic的CAD模型重建技术研究[J].机床与液压,2008,36(9):106-108.

[5]李方同,赵世平,谢驰.基于Geomagic软件的鼠标包装壳逆向设计[J].工具设计,2005,39(5):65-66.

[6]李燕,黄凯.基于Geomagic的三维人体建模技术[J].纺织学报,2008,29(5):130-133.

[7]张军,梁楚华.基于Geomagic的实体模型逆向重构[J].机械工程与自动化,2010,162(5):192-194.

[8]余国鑫,成思源,张湘伟,等.典型逆向工程CAD建模系统的比较[J].机械设计,2006,23(12):1-3.

Research of 3D Body Head Modeling Technology Based on Geomagic

WEI Tian-xiang,HUANG Jie-qiong
(School of Mechanical&Electronic Engineering,Shanghai Second Polytechnic University, Shanghai 201209,P.R.China)

3D of digital refactoring in reverse design plays a very important role,in viewing the human body’s structure characteristics.It uses unique non-contact measurement techniques to create personalized 3D body image digital model for the reconstruction of the reverse technology.The use of a laser 3D scanner that creates human body image across point cloud data,which is processed with reverse software Geomagic Studio to create STL model or NURBS surface model,for the implementation of rapid prototyping or rapid modeling.

reverse technology;human head;Geomagic

TP391

A

1001-4543(2013)02-0117-06

2013-02-27;

2013-06-04

魏天翔(1985–),男,上海人,助教,硕士在读(上海交通大学),主要研究方向为逆向工程、计算机辅助制造,电子邮箱txwei@sspu.edu.cn。