基于ICEM-SURF环境的汽车点云逆向建模技术研究

邢鱼弟 马宁

摘 要：计算机辅助设计数字技术近年来在汽车造型研发中的应用取得了长足进步，逆向数字建模技术的应用能够大大缩短汽车产品开发周期，提升研发效率，是现代汽车造型研发流程中必不可缺的环节。ICEM-SURF被公认为建立和修改A级曲面的优选，其通过独有的直接建模及全局建模技术能够令整个模型细节以全交互和动态方式为数字模型师提供一个便捷有效的解决方案。本文基于ICEM-SURF在实际汽车产品研发中的应用情况，介绍了汽车造型点云逆向建模的关键技术及基本工作思路。

关键词：ICEM-SURF;逆向;建模

1 逆向工程定义

逆向工程起源于质量检验及精密测量。目前，关于逆向工程的研究及应用基本上都集中在对实物的逆向重构方面，这种从实物样件获取产品数模并最终制造得到新产品的技术已发展成为一个相对独立的研究领域。对逆向工程比较全面的定义是：将实物转变为CAD模型相关的几何重建技术、数字化技术以及产品制造技术的总称，是将已有产品或实物模型转化为概念或工程设计制造数学模型，并以此为基础对现有产品进行剖析和再创造的过程。本文的研究集中在几何模型重建部分，下面以克莱斯勒PT漫步者的外造型开发为例，如图1所示，读者们可以感性认识一下逆向工程在整车开发中所扮演的角色及大致流程。

2 数据逆向前的准备工作

汽车造型逆向就是将汽车实车或油泥模型转化为数字设计模型，即利用反求软件对汽车内外所有可见的实体表面进行几何重新生成的过程。同时满足曲面质量、造型美学及工程技术的要求是我们对高品质逆向的极致追求，因此在数据逆向前往往需要做一些准备工作。

2.1 充分理解造型

逆向建模不能贸然进行，逆向建模前必须对原有造型进行揣摩、推敲从而最终实现还原，即最关键之处就是读懂造型。因此，在逆向前应多观察实物模型而不仅仅从点云出发，有条件的设计人员甚至可以参与油泥模型的制作与评审以充分理解设计师的创意意图。

2.2 确定质量目标

对已经完成制作的实物模型或用于扫描的样件、样车，应了解其是否满足一定的结构尺寸要求，是否有改进和改型的需要，是否有特定的功能要求。基于质量目标信息，拟定相关的技术协定，合理安排资源，按需开展逆向建模工作。质量目标中很重要的几点，包括应体现逆向曲面与实物的吻合程度、逆向曲面的主要用途、时间节点等等。

2.3 技术要求及参考信息

在正式逆向建模前还需准备好DTS（尺寸控制）要求文件、模型或零件的细节照片等。

3 点云数据处理

扫描是采用立体照相的方法，将实体模型转化为扫描数据模型的过程。有了扫描数据后即可运用反求软件进行精确数学模型的重构工作。

本文以基于ICEM-SURF（以下简称ICEM）软件的某车型外造型逆向为例，在接到点云数据后，我们需要做的主要工作有：点云三角化及格式处理、点云拼接、完整性检查、采样、降噪、对称分析、点云分块等等。

3.1 点云预处理

（1）采样：采样也就是对点云进行稀释。由于激光扫描获得的点的数目相当庞大，如果直接以此为基础进行逆向工作，将会造成处理速度变慢、存储文件过大，既费时而且对过程控制的难度也加大。因此，有必要在保证适当数据精度的条件下减少点的数据量，在ICEM中我们可以利用Filter命令来达到对点云合理稀释的目的。点采样距离误差根据对样件或模型精度的要求进行设定。如图2。

（2）点云三角化：由于逆向设计时需要对点云有很好的可视性，而只有经过三角化的点云才能平滑显示，并且三角化后的点云可以实现切割截面线的操作，因此需先将点集三角化，借助ICEM软件中的Triangulation命令我们可以顺利实现点云三角化。如图3。

（3）点云拼接及坐标对齐：点云拼接及对坐标时，由于整车尺寸比较大，而激光扫描采集点数又比较多，故扫描时是对整车分块扫描后，最后才将各部分点云拼接到一起的，在ICEM软件利用Merge命令可将点云合并。区别于改型设计中需要将局部模型对到原车整车坐标，本次是整车扫描，故我们只需要找到点云的对称中心并按汽车坐标常规位置（坐标原点在前轴线上）通过平移、旋轉将点云移到合适位置就可以了。

（4）点云除噪：将扫描测量时由于测量误差造成的与物体表面差异过大的点删除。

3.2 对扫描点云进行数据分析

（1）观察点云的完整性，如果有比较严重的缺失影响到曲面构建则需要发回重扫或局部补扫;

（2）在对正坐标之后分析点云对称性，取较好的一半进行逆向设计;

（3）观察零件分缝、确认零件间的间隙、面差显示完整。

4 逆向建模主要步骤

逆向建模主要技术路径如图4所示。

5 逆向建模案例

5.1 条件输入

（1）点云：经过三角化、除噪、合理稀释、对正坐标等处理的点云;

（2）实车或照片：实车或实车照片供逆向建模参考，主要是避免对造型的误读;

（3）断面或 DTS文件：拆车过程中手工记录的断面和拆车前量取的DTS;

（4）附件数据 ：直接可以借用而无需再通过逆向得到的数模，如LOGO数模。

5.2 定义建模精度

为保证曲面质量，曲面阶次不应超过7 阶，并保证曲面控制点分布合理。曲面段数非必要情况下不超过1。曲面连续性要求根据各主机厂的具体要求进行设置、控制。一般要求为G0不大于0.005mm;G1不大于0.1°;G2一般不大于0.1，根据高光平顺性及造型意图做取舍;对称面需要做到G3连续。

5.3 绘制主要特征线

要将曲面形态控制好首先需对整体关键特征线作好控制，要求曲线光顺并保证达到曲率连续。造型特征有特殊需要的地方可以做成位置连续。

5.4 绘制基础曲面

（1）构建侧窗玻璃面及前后挡风玻璃面：侧窗玻璃面一般有双曲面和单曲面两种，面包车侧面造型相对简单，一般为单曲面，曲率半径一般在2000-4000mm之间。在ICEM中可以利用曲面旋转或Barrel命令实现玻璃面的构建。

前后风挡玻璃面关键在于对称面的连续性控制，即需达到G3连续。曲面阶次根据造型复杂程度设置，一般5-6阶即可。曲面构建时注意控制与顶盖、侧围的段差关系，做到段差均匀或规律变化。如图5所示。

（2）构建车身侧面曲面及顶盖曲面

车顶曲面构建同样需要做到对称面G3连续，大过渡面间需达到G2以上连续。顶盖加强筋特征以顶盖大面为基础构建，侧面流水槽与侧围保持规律的段差关系。

侧面曲面构建时需先完成轮包区域曲面构建，以此为基础控制侧面大面与轮包及玻璃面的关系，同时考虑与翼子板、侧围等的衔接关系。大面及大过渡面之间达到G2以上连续。示例如图6。

（3）构建前后脸基础面

前后脸造型特征繁多，构建基础曲面时往往难以准确把握大面的分面边界。在ICEM中我们可以借助高斯曲率、Feature Line等多种手段帮助判断。对称曲面同样需要做到G3连续。格栅、灯具与发罩、翼子板的DTS关系需要准确体现出来。前脸基础曲面及细节特征逆向设计示例如图7。

5.5 绘制细节曲面

有了基础曲面接下来要考虑在这些大面上增加特征、过渡面、连接面，在做细节曲面的时候同样要注意控制特征线和边界线。完成所有细节添加，未倒圆最终整体效果如图8所示。

5.6 倒圆

完成所有细节曲面的铺构之后进行倒角工作。一般的倒圆顺序为先大后小、先正后反。

倒圆大小控制主要考虑参考点云，确保工艺可行性、法规可行性等几点。

5.7 检查與完善

在数据正式输出之前需要进行数据的检查与最终完善确认。主要包括（1）与点云吻合度检查，通过切割截面线并测量偏差的方法检测。（2）对称性检查，可通过切割截面线并打开断面曲率疏来检测;（3）连续性检查等。

5.8 数据输出

输出数据必须整洁，曲面不多不少，不含尖角、没有未裁剪曲面。根据不同要求，输出对应数据格式一般有STP、IGES、PART等。ICEM的文件格式为.db，但通过一组完善、直观及标准的CAD接口， ICEM Surf可以很方便地与任何CAD系统集成。

6 结束语

逆向建模技术在汽车造型开发中发挥着十分重要的作用，是正向开发流程中不可或缺的一环，ICEM-SURF在A级曲面构建领域的专业性不容置疑且广受推崇。本文对ICEM-SURF环境下逆向建模技术的应用研究相信能为汽车数字设计领域提供一套可行的解决方案及启发性的思路。

参考文献：

[1]刘丹，钱应平，易国锋，逆向工程中点云处理及拟合新方法的研究 《机械设计与制造》，2015.

[2]解则晓，徐尚，李绪勇，逆向工程中三维点云数据精确拼接方法，《中国机械工程》.

[3]刘俊，逆向工程中点云修补与曲面反求的研究，《华中科技大学》2007.

[4]王雪晶，石卫强，逆向工程中点云去噪算法的研究，《兵工自动化》.

[5]周建钊，颜雨吉，逆向工程中点云特征提取技术研究，《装备制造技术》，2019.