基于Geomagic stuido的残缺点云面片数据修复研究——以某型汽车配件为例

杨洪斌

（闽西职业技术学院，福建龙岩364000）

基于Geomagic stuido的残缺点云面片数据修复研究
——以某型汽车配件为例

杨洪斌

（闽西职业技术学院，福建龙岩364000）

逆向工程技术中，点云的数据处理是关键环节点。提出了基于Geomagic stuido点云处理软件平台，对一个扫描有残缺的零件点云数据，针对不同的残缺面片所体现出来的特征，通过抽取表达原始设计意图、体现设计特征的几何要素，配合相应的结构特征，探索如何更好的完整正确地补齐残缺的面片点云数据的修复方式。

Geomagic studio；残缺面片；修补方式

逆向工程技术是近几年我国制造业发展和研究的重点领域，广泛应用于各种产品的复制、改进和创新设计，是消化吸收国外先进技术和提高工业产品设计水平和效率的重要方法[1]。逆向工程在汽车工业设计领域的应用非常广泛，针对现有的样品，利用3D数字化测量仪器，取得轮廓坐标及相应的点云数据，并进行三维曲面重构，在该基础上进行再设计，实现产品的“优化创新”。在这个过程中，点云的数据处理还原程度是核心问题，点云数据处理直接决定了后续的三维曲面重构的仿真度高低。本文主要提出了基于Geomagic stuido点云处理软件平台，对一个扫描有残缺的零件点云数据，针对不同的残缺面片所体现出来的特征，通过抽取表达原始设计意图、体现设计特征的几何要素，配合相应的结构特征，完整正确的补齐残缺的面片点云数据的修复方式，为接下来的逆向三维造型重构打好坚实的基础。

1 逆向工程技术及点云数据修补重构方法

逆向工程通过对一项具体目标产品进行逆向分析及研究，从而演化并得出该产品的处理流程、组织结构、功能特性及技术规格等设计要素，以模仿为基础之下再进行创新设计的产品设计技术。具体流程图如图1所示。

图1 逆向反求工程流程图

在对实物进行非接触式的测量反求工程中，由于测量仪器本身的误差和不可避免的物理光线折射漫失，再加上操作人员不规范失误等多因素作用的结果下，原始点云特征数据有部分的缺失，需要进行必要的重构修复，以免影响下一步的曲面重构精度。目前采用的主要方法有两种：一是直接应用Geomagic stuido点云处理软件，对于破损残缺部位的点云区域进行还原处理；二是在后期的三维再构过程中，依旧零件缺失部位临近部位的特征进行关联实体设计。第二种方式在蔡敏等人的著作中已经详细论述其方法[2]，不再赘述。目前的研究现状是由于第一种方式修复较为复杂难懂，所以对该方式的研究比较欠缺，本文主要研究第一种方法。

2 Geomagic stuido点云阶段

2.1 数据获取

以某型机械零件为例，使用北京三维天下科技有限公司提供的Win3DD单目三维扫描仪，配套相应的三维扫描系统软件，该系列产品广泛应用于中国高职院校相关专业教学与研究，具有广泛的代表性。在所获取的原始点云数据中存在大量的噪音杂点和冗余、重复数据需要进一步处理[3]。零件原型图及其扫描处理得出的点云如图2所示。

图2 实例零件及其扫描点云图

2.2 点云处理

该阶段主要的操作为先将点云着色，再将同一物体的点形成点群并彼此分离，即“断开组件连接”操作，将物体外围无关点群消除。然后进行“体外孤点”操作，用于消除个别游离于物体点云群的单点数据，由于数值的敏感性，需要进行多次的重复操作以确保整体点云干净整洁[4]。由于上述的一些系统误差和随机误差的不可逆性造成的一些扫描点的误差比较大，还得进行“减少噪音”操作。同样得执行多次重复操作。处理干净后最后进行封装。得出以下结果如图3所示。

图3 残缺原图

2.3 点云残缺部位解析

在该型零件示例（图3）可知，图中所示在点云面片期间，夹杂多处黑色区域，其黑色区域形状各不相同，通过缺口部位的形状的直观描述，都表述为残缺部位。残缺部位的缺失容易造成特征丢失，测量数据失真等多种问题，直接影响下一步的三维点云模型实体的重构工作，所以在点云处理阶段（stuido阶段）需要及时、准确地进行封闭化处理，即通过相关修补原则和命令进行相应的点云数据修补。

3 基于Geomagic stuido的残缺面片数据修补

3.1 多边形阶段

在点阶段的点云数据封装后得出的结果（图3）的基础上，Geomagic stuido实现了对点云向三角面片的转化，生成了多边形格式的文件，正如图3所示。软件中对于三角网格面的基本处理的命令主要有“填充孔”“去除特征”“网格医生”“编辑边界”等，一个局部残缺的三角面片的修补主要应用以上命令来操作。

3.2 残缺面片类型及修补

3.2.1 残缺面片类型

残缺面片的类型各异，但主要可以归纳成几种分类方式：

（1）按残缺区域形状来划分，可分为规则孔和不规则空洞。

（2）按残缺部位曲率来划分，可分为平面面片和带曲率面片。

（3）按曲率规则程度来划分，可分为规则曲率面片和不规则曲率面片。

（4）按残缺部位特性来划分，可分为规则几何特征和异形设计曲率面片。

3.2.2 各型面片修补

依据上述3.2.1的分类，以所示零件的点云图为例，经过对比实物分析，归纳总结该型零件上出现的几种典型残缺部位：平面残缺面片、规则曲面残缺面片、特征缺失部位、复杂特征缺失部位。本文对以上常见残缺面片（平面、曲面）类型进行修补研究，在

3.2.3 中详细叙述。

主命令为“曲面填充”，在主填充对话框中，设置了多种填充类型，可根据各种类型子对话框中调出填充“空洞类型”“曲率方式”对话框进行相应的参数设置[5]。

3.2.4 示例模型中的各型面片修补方法

（1）平面残缺面片

点云中平面类孔洞主要表现为封闭的空洞和未封闭的缺口。平面类未封闭的缺口产生的因素有很多，但修补起来较为简单，通过调用“部分填充（边界孔）”子命令，选择缺口虚线1，然后选择未封闭的边界2软件自动根据周边三角片曲率进行计算并填充（如图4a）。对于贴扫描标志点形成的规则圆孔和物体光滑反光造成的不规则空洞，则更换为“封闭填充”，但要注意下一级子命令“曲面曲率选择”：平面类的孔洞要选第三个“平面方式”填充，避免选用默认的“曲率方式”造成平面修补时产生的空鼓包现象。如图4（b）右图所示。

图4 平面类残缺孔洞的修补

（2）规则曲面残缺面片修补

面片的修补所使用命令为主从两级调用。如图5（a）所示，零件缺失部位，通常是由于物体过于光滑造成测量光线折射漫射损失造成。在扫描阶段的喷粉补扫等补救措施不到位的情况下，可以调用“曲面封闭填充”，使用“曲率方式”来创建一个基于曲率的填补。

图5 规则曲面残缺孔洞的修补

（3）特征缺失部位修补

以该零件的底端内部缺失的边缘多段倒角为例，由于倒角转折部位附近三角片曲率不规则，若直接曲率填充则极容易出现错误，应先进行相应的桥接处理，即将该断片按特征构造切割“桥接”，构建多个桥接三角面片（即图6中黑色面片），将缺失部位分成若干个相对单一曲率区域部分，再选择相应的曲率填充。最终呈现如下图所示。

图6 “桥接”使用方法

（4）复杂特征缺失部位

混合特征部位的结构通常是由多种不规则特征组合而成，需要经历多次步骤分别处理。现以图7（a）为例，该缺口部位为封闭空洞，但空洞边缘靠近倒圆角部位，造成部分圆角特征缺失，属于圆角特征加平面孔特征；若直接选择“封闭空洞→曲率方式”指定的新网格必须匹配周围的网格曲率，则会出现如图7（b）所示黑色部位的空鼓网格错误特征；正确的做法是先用“边界孔”子命令，建立多片小三角面片把圆角缺失部位逐步补齐，将剩余残孔特征单一化，如图7（c）所示；再根据单一的残孔特征选用“曲率方式”或“平面”方式填充完成。这样处理后修补成形的点云面片才更接近于实际特征，如图7（d）所示。

图7 复杂特征缺失部位原图与修复图

通过以上多种残缺类型修复后，得出了该型零件的修复总图，如图8所示。

图8 修复完整的点云模型图

4 结束语

应用Geomagic stuido点云处理软件，对缺损的扫描原始数据进行处理，利用扫描数据创建参数模型。为了准确再现设计意图，依据其所具有独特的区域探测算法创建最精确的扫面和自由形状曲面，应用恰当的修补方法和合理的命令选择、参数设置，则可生成最优化的与曲面最佳拟合的曲面外形，而不是一个基于单个横截面形状的曲面外形，以便获得实物光整的表面数据，为下一步三维模型重构做好准备。

[1]成思源，谢韶旺.Geomagic studio逆向工程技术及应用[M].北京：清华大学出版社，2010：5-6.

[2]蔡敏，成思源，杨雪荣，等.基于Geomagic Design Direct的残缺数据实体重构[J].组合机床与自动化加工技术，2015（03）：21-23.

[3]蔡闯，成思源，杨雪荣，等.基于Geomagic Design Direct的截面特征提取与逆向建模[J].组合机床与自动化加工技术，2015（09）：42-44.

[4]周艳，李栋，孟国营，等.基于Geomagic studio的矿用轴流通风机叶片模型重构[J].煤炭工程，2014，46（05）：133-135.

[5]Raindrop.Geomagic studio 12逆向基础与实例应用[EB/ OL].2012-7-27.http：//www.mjzl.cn/thread-114711-1-1.html.

Study on Data Repair of Defect Cloud Surface Based on Geomagic Studio——Take an Automobile Fitting as an Example

YANG Hong-bin
（Minxi Vocational and Technical College of Mechanical Engineering，Longyan Fujiang 364000，China）

In the reverse engineering technology，the data processing of point cloud is the key link point.In this paper，a geomagic stuido point cloud processing software platform is proposed，which extracts the original design intention，reflects the geometric elements of the design features，and analyzes the features of the missing parts. With the corresponding structural features，to explore how to complete the correct patch of incomplete patch data repair point cloud.

geomagic studio；incomplete patch；repair methods

TP391.7

A

1672-545X（2016）11-0028-04

2016-08-11

福建省中青年教师科研资助项目（项目号：JAT160886）

杨洪斌（1981-），男，福建龙岩人，硕士，助教，研究方向为先进制造技术。