基于Geomagicstudio的3D草图提取与混合建模*

徐永昌，成思源，丛海宸，张湘伟

(1.广东工业大学 机电工程学院，广州 510006 ；2.广东理工学院，广东 肇庆 526100)

基于Geomagicstudio的3D草图提取与混合建模*

徐永昌1，成思源1，丛海宸1，张湘伟2

(1.广东工业大学 机电工程学院，广州 510006 ；2.广东理工学院，广东 肇庆 526100)

目前，逆向工程技术已广泛应用于产品的复制、仿制、改进和创新设计，是消化吸收先进技术和缩短产品设计开发周期的重要技术手段。对逆向工程中现有的曲面重建方法进行了研究，提出一种基于3D草图提取与混合建模的曲面重建新思路。3D草图由截面曲线、边界曲线和特征曲线组成,包含了原始设计意图和详细的曲面重建信息。以 Geomagic studio 软件为平台，提取了3D草图，然后将3D草图交换至SolidWorks中进行正向的参数化曲面重建，为基于逆向工程的复杂曲面重建和再设计提供了一种新的途径。

逆向工程；3D草图；Geomagic studio；混合建模

0 引言

逆向工程，也称逆向设计、反求工程。逆向工程包括了几何形状反求、工艺反求和材料反求等[1]。目前，国内外对逆向工程的研究是以还原设计意图以及面向再设计的逆向建模技术为主要内容。其中曲面重建是逆向建模技术的研究重点，普遍采用的曲面重建方法主要有两种，分别为基于截面线的方法和基于面的方法[2]。基于面的方法是指对点云数据直接进行微分几何属性估算，然后将特征曲面、几何规则和约束抽取出来，再重建各自由曲面，最后通过三维特征间的拓扑约束和全局优化来生成最终的曲面模型。基于截面线的方法是指首先通过切片获得若干组截面数据，然后对于每一组截面数据构造一条曲线，最后通过拉伸、旋转、扫掠或特征对应的蒙皮等方式来设计生成曲面模型[3]。

现有的曲面重建方法重建的精度比较高，但不能体现原始的设计意图，不利于进行产品的再设计。草图是常见的设计意图表现方式，在正向设计中草图是特征生成和修改的基础，可以由草图创建的特征常见的有拉伸、旋转、扫掠、放样及蒙皮特征等[4]。Maura Mengoni等通过研究产品设计中表达创意的二维草图，提出了提取产品模型数据中体现设计意图的3D草图的方法。3D草图由模型的边界曲线、特征曲线和截面曲线组成，对应于产品的设计意图，体现产品的功能特征和美学特征[5]。本文在基于截面线的曲面重构基础上，提出了基于3D草图的曲面重建方法。相比于基于截面线的曲面重建方法，基于3D草图的曲面重建包含了更详细的曲面重建信息，对含有复杂边界和多特征的曲面可以实现准确和参数化的重建。

1 3D草图的逆向设计

3D草图包含模型的边界曲线、特征曲线和截面曲线。边界曲线包括模型的外边界、内边界,特征曲线是通过视觉感知的曲线，对重建三维模型有重要的造型意义。通过曲率分析，特征曲线也是曲率变化较大位置的曲线。截面曲线是一种曲面造型曲线，根据模型的造型特点，提取的截面曲线应为模型特征的截面草图[6]。在进行逆向设计时，先对模型的设计意图进行分析，提取出模型的边界曲线、特征曲线和截面曲线，然后在曲线之间添加相应的约束关系组合为3D草图。

根据提取的3D草图可以进行参数化的模型重构也可以进行产品的再设计。直接选择相应的建模策略可进行正向的参数化曲面重建。在提取3D草图基础上，对草图进行修改创新，再选择相应的建模策略可实现产品的再设计。基于3D草图的逆向设计流程如图1所示。

图1 基于3D草图的逆向设计流程

Geomagic Studio以先进的数学模型、曲面构造理论为基础，提供了丰富的曲线提取、编辑功能[6]。本文以Geomagic studio软件为平台实现了对3D草图的提取和编辑，通过参数交换将提取的3D草图发送至正向设计软件。在正向设计软件中，根据3D草图选择特征对应的建模策略进行曲面的重建。如图2为基于Geomagic studio的3D草图提取与混合建模流程。

图2 基于Geomagic studio的3D草图提取与混合建模流程

2 Geomagic studio的3D草图提取

提取3D草图时，先对模型的设计意图进行分析，判断模型的造型特点(拉伸、旋转、放样等)再提取相应的曲线。拉伸特征，应提取截面曲线和拉伸方向曲线；旋转特征应提取截面曲线和旋转轴；放样特征应提取多条截面曲线和引导线。Geomagic studio的曲线功能以多边形网格模型操为作对象，在提取3D草图时有如下特点：可将模型的边界直接拟合为一条样条曲线；便捷的特征曲线提取方法，在多边形网格模型上根据曲率分布手动绘制特征曲线，提取的特征曲线为样条曲线。

提取截面曲线时先设定截面与多边形模型相交来获取截面数据，然后根据截面数据拟合曲线。根据截面数据特点有两种截面曲线拟合方式：一种是将截面数据划分为若干个基本曲线元(直线、圆弧)，然后分别对各个基本曲线元进行拟合，最后在考虑到各个基本曲线元之间几何约束的前提下对所有拟合曲线进行整体约束优化，得到连续的截面曲线；另一种直接用一条B样条曲线拟合截面数据得到截面曲线。两中方式用于不同的模型特征，其中拟合为基本曲线元的曲线有较好的参数化编辑能力。在提取的截面曲线、边界曲线和特征曲线之间添加一定的约束关系，组合为3D草图。组合时，在Geomagic studio中将截面曲线和边界曲线投影到多边形网格曲面上，使用绘制命令在三组曲线间添加一定的约束关系。

图3 3D草图提取流程

3 实例

下面是一个基于Geomagic studio的自行车挡泥板模型的3D草图提取与混合建模的例子，整个过程分析说明了截面曲线、边界曲线和特征曲线的提取、组合，及3D草图参数交换至正向软件进行参数化曲面重建。

3.1 挡泥板模型3D草图提取

扫描的点云数据导入Geomagic Studio后，首先进入点云数据预处理阶段，如果点云数据是多片，先进行对齐联合成一片点云数据[7]。然后对点云数据进行降噪、修复、数据精简等操作。通过“封装”就得到多边形网格数据，如图4所示经表面光顺和优化处理的挡泥板多边形模型，先对模型的设计意图进行分析，挡泥板是由一个主曲面和后部的一个凹槽构成。

图4 挡泥板多边形模型

(1)提取截面曲线和边界曲线

挡泥板主曲面为不规则的自由曲面，可由一组截面曲线经放样生成，但模型的边界是流线型的，放样时应选择以边界为引导线才能重建出符合实际模型边界的曲面。提取边界曲线时，使用“从边界创建”命令将模型的边界拟合为一条样条曲线。提取截面曲线时，使用“从截面创建”命令，截面的数量、分布和截面曲线的拟合方式对截面曲线的品质有很大的影响。提取时，截面的数量和分布应根据模型的尺寸和造型特点而定，曲面曲率变化大的部分截面数量要多一些，截面应避开数据残缺不完整的部分。

截面曲线有两种拟合方式，如图5所示分别用两种方式拟合的截面曲线。图5a拟合为基本曲线元的截面曲线其端点较多；图5b拟合为样条曲线的截面曲线其只包含起始两个端点。截面曲线上端点的数量会影响曲线的光顺性，端点数少时光顺性较好。挡泥板主曲面需要较好的光顺性，截面曲线拟合为一条B样条曲线时较光顺，在正向建模利用放样重建的曲面也会更光顺[8]。截面曲线拟合方式要根据模型的截面特点来选择，截面数据包含较多二次曲线时应拟合为基本曲线元，截面数据包含较多自由曲线时应拟合为一条B样条曲线。

(a)基本曲线元的截面曲线 (b)样条曲线的截面曲线图5 两种方式拟合的截面曲线

(2)绘制特征曲线和组合

挡泥板模型后部的凹槽，其形状不规则。凹槽部分曲率变化较大位置的曲线，即凹槽的边线为特征曲线。使用“绘制”命令，显示模型的曲率分布，根据曲率分布在模型表面上手动绘制出特征曲线。

完成三组曲线的提取之后，在曲线之间添加相应的约束。Geomagic Studio中可通过将截面曲线投影至多边形网格模型上，使用“绘制”命令将截面曲线、特征曲线与边界曲线相连接，在曲线之间添加约束关系。为了在使用3D草图进行正向建模时，保证重建曲面的精度，使用“绘制”命令在模型表面上手动绘制一些曲线作为放样时的引导线。提取的自行车挡泥板3D草图如图6所示。从图中可以看出，本文方法提取的3D草图包含了不规则边界和多特征曲面的建模信息，根据3D草图选择建模策略能够进行参数化重建。

图6 挡泥板3D草图

3.2 混合建模

使用Geomagic Studio的“参数交换”命令，将3D草图发送至正向设计软件，本文采用的正向软件为SolidWorks2013。提取的3D草图经参数交换在SolidWorks中自动创建。正逆向混合建模可以充分利用各自的优势，SolidWorks提供了丰富的草图编辑和曲面造型工具。在SolidWorks使用3D草图工具可以对3D草图进行编辑和修改[9]。如图7所示SolidWorks中编辑3D草图，其中样条曲线可以重设控制点的坐标，基本曲线元(直线、圆弧)组成的曲线可以修改其尺寸和约束。

图7 SolidWorks中编辑3D草图

不同的建模策略创建出不同的特征，选择建模策略(拉伸、旋转、放样等)应根据模型的特点而定，符合原始设计意图[10]。使用曲面放样、曲面填充和曲面缝合，来重建挡泥板的参数化曲面。如图8所示重建的挡泥板模型，准确地重建了模型的边界，还原了原始设计意图。相比现有的曲面重建的方法，通过提取3D草图不仅获取了产品的设计信息，可便捷地进行参数化重建，以此建立的特征树还可方便后续的再设计。

图8 重建的参数化曲面

4 结论

对原始产品进行模型重构，并在重构基础上进行再设计是逆向工程中的主要内容。以自行车挡泥板为例，通过Geomagic Studio实现了3D草图提取和混合建模，完成了挡泥板模型重建。这种方法提取了产品原始设计意图，为再设计提供了依据。根据提取的3D草图可以进行参数化重建，也可以对3D草图中截面曲线、特征曲线、边界曲线进行再设计，创建新的的产品。基于3D草图的模型重构适用于复杂曲面地重建，原始设计意图的提取和简便的参数化编辑方法，为产品的再设计提供了便利的途径。

[1] 吴问霆．基于参数还原的CAD逆向建模技术[D]．广州：广东工业大学，2010.

[2] 徐进.反求工程CAD 混合建模中若干问题的研究[D].杭州:浙江大学,2009.

[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(9):42-44.

[4] 彭雨哟.反求工程中基于草图轮廓的特征模型重建技术[D].南京：南京航空航天大学，2004.

[5] Maura Mengoni,Michele Germani.Reverse engineering and restyling of aesthetic products based on sketches interpretation[J].Res Eng Design, 2009(20):79-96.

[6]蔡敏，成思源，杨雪荣，等.基于截面草图和规则特征提取的混合建模[J].现代制造工程，2015(4):1-5.

[7] T Varady，M A Facello．New trends in digital shape reconstruction[C]．In：Martin RR，Bez H，Sabin M，editoes． The mathematics of surfaces XI． Springer， 2005,3604:395-412.

[8] 谢金，王文，李剑.基于激光测量的自由曲面零件逆向工程的实现[J]．组合机床与自动化加工技术，2002(1) : 34-36．

[9] 马淑梅, 张涛, 李爱平.基于SolidWorks的截面草图曲线约束优化技术研究[J].现代制造工程，2011(2):55-60.

[10] 刘云峰.基于截面特征的反求工程CAD建模关键技术研究[D].杭州:浙江大学，2004.

(编辑李秀敏)

3DSketchExtractionandMixedModelingBasedonGeomagicStudio

XU Yong-chang1,CHENG Si-yuan1,CONG Hai-chen1,ZHANG Xiang-wei2

(1.College of Electromechanics Engineering，Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006，China；2.Guangdong Polytechnic College,Zhaoqing Guangdong 526100,China)

At present, reverse engineering technology has been widely used in the production’s copy, imitation, improvement and innovative design, which is an important technical means for the digestion and absorption of advanced technology and shorten the product design and development cycle. Based on the study of existing surface reconstruction methods in reverse engineering, a surface reconstruction method based on the 3D sketch extraction and mixed modeling is proposed. 3D sketch is composed of cross section curves, boundary curves and characteristic curve, which contains detailed design intent and information on surface reconstruction. Used Geomagic studio software as a platform, the 3D sketch is extracted, then exchanged to solidWorks for parametric surface reconstruction, which provides a new way for the surface reconstruction and innovative design of the product.

reverse engineering;3D sketch;geomagic studio;mixed modeling

TH132;TG506

：A

1001-2265(2017)09-0139-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.09.036

2016-10-27；

：2016-11-24

广东省科技计划项目(2011A060901001，2014A040401078)；广东省研究生教育创新计划项目(2015SFKC23)

徐永昌(1992—)，男，湖北襄阳人，广东工业大学硕士研究生，研究方向为逆向工程，(E-mail)xycxy92@163.com。