基于Geomagic Design Direct的残缺数据实体重构*

蔡 敏，成思源，杨雪荣，张湘伟

（广东工业大学机电工程学院，广州 510006）

基于Geomagic Design Direct的残缺数据实体重构*

蔡 敏，成思源，杨雪荣，张湘伟

（广东工业大学机电工程学院，广州 510006）

面向实物的逆向工程技术是近几年来研究和发展的热点，已广泛应用于产品设计、文物保护和零件修复等领域。报告了对模型的残缺表面数据进行曲面和实体重构的研究现状，以及结合正向和逆向建模软件进行实体模型重构的局限性。介绍了应用软件Geomagic Design Direct进行实体模型重构的优势以及对残缺表面数据实体模型重构的一般流程。提出了基于软件Geomagic Design Direct的特征识别与提取功能，对残缺表面数据进行实体重构的解决方案，并以某一零部件的残缺表面数据为例进行实体重构验证了该方案的可行性和便利性。

逆向工程；Geomagic Design Direct；残缺表面数据；实体重构

0 引言

逆向工程（Reverse Engineering，RE）也称作反求工程，是一种产品外形设计的再现过程。广义逆向工程的研究对象包括实物、软件和影像等，其中，实物逆向研究的主要内容包括几何形状反求、结构反求和材料工艺反求等。实物逆向，是指应用三维测量技术和计算机辅助设计技术，通过获取实物表面信息进而重构得到实物的三维数字化实体模型。目前，应用逆向工程技术对实物的几何形状与结构进行重构，已广泛应用于产品设计、文物保护和零件修复［1-2］等领域。

对产品或零件实物模型进行逆向时，其原型表面几何形状的测量和基于测量数据的实体模型重构是整个流程中最为关键的两个步骤［3］。表面几何形状的测量是为了获得实物模型完整、正确的表面信息，以便于后续的表面重构。但是，在数据测量的过程中，时常受到模型复杂的几何拓扑形状、模型本身的完整性和仪器的测量范围等因素的影响，只能得到残缺的表面信息。例如模型表面的测量死角（对于三坐标测量机，存在测量探头无法测量到的模型侧面几何形状复杂的区域；对于激光扫描仪，存在无法扫描到的型腔等区域）、原始模型本身存在残缺或破损等［4］。

目前已有的对基于模型残缺表面数据的曲面或实体重构的研究［5-6］，基本上是关于残缺数据补全或基于残缺数据直接拟合曲面的算法研究。目前应用较广的逆向建模软件（Imageware、Geomagic Studio等）对于残缺表面信息的修补能力有限，只能修补模型表面中简单的孔洞。对于多曲面连接处出现的数据缺失情况，修补得到的结果还原度不高，误差较大。而且，对重构得到的曲面数据进行实体重构时，一般是通过对曲面进行加厚处理来实现的［7-8］，建模操作比较繁琐。

基于目前的研究现状提出了在Geomagic DesignDirect中对残缺网格面进行处理并重构得到还原其设计意图的实体模型方法，并应用于某一机械零部件残缺表面数据的处理。

1 实体重构的相关方法

逆向工程中对实物逆向进行实体重构研究已经取得阶段性的成果。对具有不同几何形状特征的实物模型，进行实体重构的方法也不尽一样，主要有两种重构方法：

（1）对于由自由曲面和不规则曲面构成的工艺品模型或玩具模型，一般是先拟合构成模型表面的各曲面，然后对拟合曲面进行求交、延伸和裁剪等操作来构造实体模型［9］。

（2）对于由平面、二次曲面等规则特征构成的机械零件模型，一般是先提取构成模型的各特征的参数，并生成规则的实体特征，然后对实体特征进行布尔运算来构造实体模型［10］。

2 基于Geomagic Design Direct的实体重构

目前，基于逆向工程的实体模型重构方法中较为常用的方法是先应用逆向建模软件（Imageware、Geomagic Studio等）对扫描数据进行处理以得到实物光整的表面数据，并另存为中间格式（iges格式或stl格式），然后导入至正向软件（UG、SolidWorks）中经曲面缝合或加厚曲面等处理以得到实体模型。这种方法人机交互操作比较多，重建得到的曲面精度不高，在正向软件中曲面重构后一般都要进行误差分析，若曲面重建的差值太大，还要重新修改，建模耗时长［11］。

Geomagic Design Direct是3D Systems推出的一款正逆向直接建模软件，无缝结合了即时扫描数据（点云或网格面）编辑处理、二维草图创建、特征识别及提取和正向建模等功能。用户可以直接将扫描数据导入应用程序进行处理，无需冗长的特征历史树向后保留建模过程，并且可以即时更改参数，而不会影响中间的建模结果，避免了正、逆向建模软件相结合进行三维实体模型重构时的繁琐步骤和较大的误差率。

基于Geomagic Design Direct的实体模型重构优势在于其具有强大的基于网格模型的特征识别与提取（可识别并提取的特征包括平面、圆柱体、圆锥体、球体、拉伸体、旋转体、扫掠体和自由曲面）编辑功能，以及正向建模功能。对于零件模型的不完整表面数据，可根据局部的网格面数据自动识别并提取得到完整的特征和约束，如旋转体的截面与旋转轴，再经正向建模操作重构得到其实体模型。在Geomagic Design Direct中基于残缺表面数据进行实体重构的一般流程如图1所示。首先，对导入的表面数据进行预处理以得到光整的网格面，如去除噪音，表面数据修复等。再根据网格面中不同区域的几何形状特征，识别并提取其二维截面线草图或三维实体特征。然后，对提取出的二维截面和三维实体特征进行正向建模以重构得到实体模型，比如，可对截面特征进行拉伸、旋转和扫掠等处理，对实体特征进行拔膜或布尔操作等处理。另外，提取后的特征还可以进行参数圆整等编辑修改。

图1 Geomagic Design Direct中实体重构的一般流程

3 基于Geomagic Design Direct的残缺数据实体重构

3.1 数据处理

应用手持式激光扫描仪对模型表面进行扫描时，受外界扫描环境及模型表面质量等因素的影响，获取的原始表面扫描数据中通常会包含大量噪音数据和冗余数据。例如，不可避免地扫描到用作参考的标记点面板的表面等。在Geomagic Design Direct中打开原始扫描数据后，可应用捕获模块下网格工具栏中的“修复”、“填充”和“分离三角形”等工具对噪音数据进行删除，并得到光顺的网格面。另外，还可应用网格工具栏中的“简化”工具对光顺后的数据进行一定程度地精简，以减小计算量、提高建模效率。经处理后的残缺网格面（图2），需通过捕获模块下的“传送”工具将其转换到设计模块下进行下一步的编辑处理。

图2 处理后的残缺网格面

3.2 特征提取

从处理后的网格面（图2）中可以看到，构成模型的实体特征包括圆锥体（主体部分）、圆柱槽（主体的四周）、旋转特征（圆锥体中镂空部分）和底部的不规则边界孔。对于可直接提取的特征如圆锥体、圆柱体、拉伸实体和旋转实体等，可在提取后进行编辑操作（拉伸、旋转和阵列等）以重构得到完整的实体模型。首先，使用“区域”工具将网格面按不同几何形状分割成多个子区域的集合。再选择各子区域网格面，并根据其几何形状特征选择相应的提取工具（如圆锥体特征的提取可应用“拟合圆锥面”工具），以提取该区域的实体特征。在该模型的几何形状特征中，圆柱孔和不规则边界拉伸孔都属于阵列特征，可通过插入工具栏中的“圆形”阵列工具在得到构造圆柱槽和不规则边界拉伸孔的一个实体特征后，经阵列操作得到其他实体特征。这样既能根据已提取的特征和约束重构残缺网格面中无法提取到的实体特征，又能避免逐一提取的繁琐操作步骤。通过提取残缺网格面中的实体特征并对圆柱体和不规则边界拉伸实体特征进行阵列编辑后，所得到的模型如图3所示。

图3 经提取并编辑后得到的实体模型

3.3 布尔操作

对于无法直接提取的特征，如圆柱槽和不规则边界孔，只能先提取得到相关的三维实体特征——圆柱体和不规则边界拉伸实体，再经布尔操作重构得到实际的实体模型。在Geomagic Design Direct中可应用相交工具栏中的“组合”工具对具有公共面或交集的实体进行编辑，通过其布尔交或布尔加功能将两个实体合并成一个，或通过其布尔减功能将二者的交集删除。例如，要构造圆柱槽特征，可在窗口中只显示提取到的圆锥体和圆柱体，然后在“组合”工具激活状态下，先选择圆锥体作为目标对象，再选择圆柱体作为刀具对象，软件便会自动高亮显示圆锥体与圆柱体之间的交集区域（图4a中的红色阴影区域）并删除交集区域以外的圆柱体，单击选择交集区域即可将其删除。对实体特征进行布尔操作后，重构得到的实体模型如图4b所示。

图4 通过布尔操作还原模型的实际几何特征

3.4 参数编辑

在Geomagic Design Direct中，基于网格面的几何形状特征和曲率等特性，拟合提取得到的三维实体特征的参数，一般情况下是精确到千分位。但是，机械零件中特征的参数一般是作整数设计的。为避免出现重构得到的实体模型误差较大的情况，可应用设计模块下编辑工具栏中的“拉动”工具对特征的参数进行编辑修改。如布尔操作后得到的旋转特征（圆柱形凹孔）的半径值，在“拉动”工具激活状态下，单击选择圆柱面后会自动弹出参数值命令框（图5a所示），可在命令框中输入需要更改的圆柱面半径的目标值，如图5b所示。实体特征的参数编辑一般是作圆整处理，若要基于重构得到的实体模型进行再设计，还可根据设计经验继续编辑修改。

4 结论

本文总结了基于Geomagic Design Direct的特征识别、提取以及正向建模功能，对实物模型的残缺表面数据进行实体重构的一般流程，并针对某零件的残缺网格面数据的应用进行了介绍。实践证明了Geomagic Design Direct对实物模型的残缺表面数据进行实体重构的可行性，且操作流程简便，建模效率较高。将基于模型残缺表面数据的实体重构技术与现代修复技术相结合，可用于指导破损或断裂零件的修复，或与快速成型技术相结合用于产品的再制造，对于恢复失效零部件的工作能力和延长其使用寿命、实现资源的再利用具有重要意义。

［1］王亮德，刘玉美.反求工程技术在损坏或破坏零件修复中的应用与数控加工［J］.机床与液压，2013，41（4）：46-49.

［2］张军强，饶锡新，樊丽萍.基于逆向工程的模具修复研究及应用［J］.组合机床与自动化技工技术，2011（7）：76-79.

［3］杨科.残缺自由曲面数据修补和曲面重构的研究［D］.成都：四川大学，2007.

［4］刘检华，刘保嘉，王诗杨.残缺数据环境下数字化主模型构建方法的研究与实践［J］.计算机辅助设计与制造，2001（12）：47-49.

［5］蒋跃华，陈志扬，陈飞舟，等.残缺网格模型的快速B样条曲面重建［J］.计算机辅助设计与图形学学报，2007（12）：1569-1575.

［6］徐进，柯映林.点云部分缺失条件下边界曲面直接拟合技术［J］.机械工程学报，2010，46（3）：135-140.

［7］文少波，张海鹏，邹政耀.基于逆向工程的摩托车覆盖件设计［J］.机械设计与制造，2011（1）：57-59.

［8］尚广庆，孙春华，杨莉莉，等.基于逆向工程的注塑磨具快速设计［J］.机械设计与制造，2011（10）：226-227.

［9］Ye Xiuzi，Liu Hongzheng，Chen Lei，et al.Reverse innovative design—an integrated product design methodology［J］. Computer-Aided Design，2008（40）：812-827.

［10］Wang Jun，Gu Dongxiao，Gao Zhanheng，etc.Feature-based solid model reconstruction［J］.Computing and Information Science in Engineering，2013，13（1）：1-13.

［11］金鑫，何雪明，杨磊，等.基于Imageware和UG的汽车内饰件的逆向设计［J］.机械设计与制造，2009（6）：40-42.

（编辑 李秀敏）

Solid Reconstruction of Incomplete data Based on Geomagic Design Direct

CAI Min，CHENG Si-yuan，YANG Xue-rong，ZHANG Xiang-wei
（School of Electromechanical Engineering，Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006，China）

Reverse engineering technology of real model is a hot research field in recent years，which was widely applied in product design，cultural relics protection and parts repairing.This paper researched the study status of surface and solid reconstruction of incomplete surface data，and the limitation of applying forward and reverse modeling software for solid model reconstruction.Introduced the advantages of applied Geomagic Design Direct for solid model reconstruction，and the general process of solid model reconstruction for incomplete surface data.The solution for the solid model reconstruction of incomplete surface data was proposed，based on the capability of identification and recognition of feature by Geomagic Design Direct，and an example of part’s incomplete surface data was taken to validated the feasibility and convenience of the solution.

reverse engineering；geomagic design direct；incomplete surface data；solid reconstruction

TH166；TG506

A

1001-2265（2015）03-0021-03 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.03.006

2014-06-20；

2014-07-05

国家自然科学基金资助项目（51105078）；广东省教育部产学研结合项目（2012B091100190）；广州市科技计划项目（2013J4300019）

蔡敏（1988—），男，湖南华容县人，广东工业大学硕士研究生，研究方向为逆向工程，（E-mail）caimin67@163.com。