基于Geomagic Studio的人体建模研究与3 D打印成型

李小明

（四川职业技术学院 机械工程系，四川 遂宁 629000）

工业4.0的号角已经吹响国内外，我国也提出了中国工业2025，中国要从制造大国转为创新、创造大国，目前产品制造业仍然存在“山寨文化”，当然产品设计必须要经过模仿、改良、创新等一系列过程，中国要实现从过去的Made In China转为China manufacturing，在工业产品更新换代快节奏的时代，如何快速地进行产品创新设计建模与制造是至关重要的。工业产品种类繁多，形状各异，产品模型表面往往由曲面构成，而曲面建模历来是耗时又耗力，针对复杂曲面，传统的正向设计比较困难，需要反复的实验，修改才能达到要求，因此，像人体这种复杂曲面建模需要用到逆向工程技术。

国内外诸多专家学者对于逆向工程研究已做了大量工作，通过利用一个人体曲面建模案例来介绍逆向工程技术与快速成形技术(RP)和3D打印相结合的过程。

1 现代逆向设计方法

1.1 Geomagic Studio软件介绍

在逆向工程技术领域，Geomagic Studio运用较广泛，是常用的点云处理及三维曲面构建功能最强大的逆向工程软件之一，由美国 Raindrop(雨滴)公司出品，利用它可将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，该软件包括Qualify、Capture、Wrap、Shape、Fashion 五个通用模块。

1.2 逆向工程流程与正向工程流程

图1 逆向工程流程

（1） 逆向工程定义.逆向工程（Reverse Engineering，RE）或逆向设计也称反求工程或反求设计。它是将实物转变为CAD模型的相关的数字化技术，几何模型重建技术和产品制造技术的总称，是将已有产品或实物模型转化为工程设计模型和概念模型，在此基础上对已有产品进行解剖、深化和再创造的过程，其主要包括模型数据化、数据处理、CAD三维模型重构、创新优化设计、实物制造几个阶段。其工作流程如图1所示。

（2）正向设计与逆向设计对比。产品正向设计是设计人员首先根据功能、性能以及大致的技术参数要求构思产品的外形等，再利用CAD建立产品的三维数字化模型，最终将模型转入制造流程，完成产品的整个设计制造周期，是一个“从无到有“的过程。产品逆向设计是根据已经存在的产品模型或实物，通过各种测量手段及三维几何建模方法，将原有实物转化为计算机上的三维数字模型，反向推出产品的设计数据，是一个“从有到无”的过程。其各自的流程如图2、图3所示。

图2 产品正向建模流程

图3 产品逆向建模流程

2 人体逆向建模过程

2.1 人体数据采集

采用某国产手持式人像扫描仪进行人体数据采集，主要采集人体上半身区域，采用机绕人360度旋转方式进行，获取ASC格式的点云数据如图4。

图4 人体原始点云数据

2.2 人体数据后期处理

（1）点云数据点阶段预处理。人体扫描由于采用的是360度全方位一次完成，因此数据是完整的单片数据，避免了普通多次扫描后需要合并的过程，省略了“点云注册”、“统一采样”和“连结点对象”步骤。但由于采集的过程中因环境等光线变化，人体轻微移动，设备运动不规律等因素造成将一些噪音杂点也采集进去，因此必须通过手动删除或者使用Geomagic中“减少噪音”、“断开组件连接”、“体外孤点”命令处理。为提高计算机显示刷新速度，可将动、静态显示百分比调低，方便观察应对点着色显示。点云处理的好坏直接关系到后续能否更快更好的得到多边形对象，因此点云预处理十分重要。

（2）多边形片面处理。处理好的点云即可通过“封装”命令转为三角面片。由于存在“测量死区”以及头发服饰等原因，封装后的模型存在一些孔洞，多余的三角面、或表面不光顺等缺陷和错误,因此必须要进行修补。首先打开全局坐标轴，精确移动模型，摆正人体位置，再使用“裁切”命令创建完整边界，“填充”命令补孔，“创建流形”命令删除悬浮三角面，“删除钉状物”命令去掉尖角，以及“雕刻”，“砂纸”等命令对头发，面部进行细节处理，最后使用“网格医生”命令综合诊断修复完成多边形处理过程如图5所示。

图5 多边形处理过程

（3）曲面重构。Geomagic软件中曲面构建有两个方法，即shape形状阶段和Fashion参数化阶段，选择形状模块进入，对于轮廓线的处理主要有探测轮廓线和探测曲率，编辑、提升约束等，对于人体轮廓形状不明显，外形复杂不规则的模型，优先采用探测曲率方式，也可以采用手绘的方式创建“曲面片布局图”如图6a,并使用“移动”，“松弛”，“修理”等命令调整轮廓线或曲面片。然后执行“构造栅格”并调整栅格位置，对曲面自动参数化如图6b所示,最后执行“拟合曲面”命令，创建人体NURBS曲面如图6c所示。

图6 曲面重构过程

3 3 D快速成型

将逆向处理完成的CAD数据模型保存为3D打印机可识别的STL数据格式，3D打印设备使用北京太尔时代UP桌面级3D打印机，采用ABS材料打印。其打印过程如图7。

图73 D打印模型

4 结语

如何快速创新地完成复杂工业产品造型设计与制造在现代制造业中显得愈发重要，特别是国家提出工业2025战略计划后，中国制造业要在国际上崛起，必须要学习、引进和推广新工艺、新技术、新理念。运用案例将目前比较热门的逆向工程与快速成型之3D打印技术相结合的过程进行介绍，讲述了人体逆向建模与制造的相关操作流程和方法，为同类产品建模与成型提供思路和方法，减少了产品开发周期。

[1] 陈雪芳，孙春华.逆向工程与快速成型技术应用[M].北京：机械工业出版社，2014.

[2] 杨艳红，钟相强.工业设计中产品的逆向设计方法研究[J].机械设计，2013，30（10）：102-105.

[3] 王宏涛，周儒荣，张丽艳.现代测量方法在逆向工程数据采集技术中的应用[J].航空计测技术，2003，23（4）：1-4.

[4] 成思源，吴问霆，杨雪荣，等.基于Geomagic Studio的快速曲面重建[J].现代制造工程，2011（1）：8-12.