逆向三维建模研究

许韶洲

（广东松山职业技术学院，广东 韶关 512126）

三维扫描就是快速获取实物的立体信息并将其转化为计算机能直接处理的三维数字模型的过程，而扫描仪就是快速实现三维信息数字化的一种工具，常用的扫描仪有接触式三维扫描仪和非接触式三维扫描仪两种。接触式三维扫描仪具有较高的准确性和可靠性，配合测量软件，可以快速准确地测量出物体的基本几何形状。但测量费用较高，探头易磨损且容易划伤被测实物表面，测量速度慢。非接触式三维扫描仪对曲面的外形能快速测量，对实物表面不会有损伤，容易操作。

非接触式三维扫描仪又有照相式和激光式两种，激光式扫描仪属于较早的产品，由扫描仪发出一束激光光带，光带照射到被测物体上并在被测物体上移动时，就可以采集出实物的实际形状。照相式扫描仪是针对工业产品的新一代扫描仪，与传统的激光扫描仪和三座标测量系统比较，其测量速度提高了数十倍。能有效地控制整合误差，整体测量精度有很大提高。其采用可见光将特定的光栅条纹投影到测量工作表面，借助高分辨率数码相机对光栅干涉条纹进行拍照，利用光学拍照定位技术和光栅测量原理，可以在极短时间内获得复杂工件表面的完整点云。扫描大型工件则变得高效、轻松和容易。其高质量的完美扫描点云可以用于汽车制造业中的产品开发、逆向工程、快速成型、质量控制，甚至可以实现直接加工。

1 扫描技巧

（1）喷粉。扫描流程通常是喷粉-标志点黏贴-选择扫描方式-保存扫描数据。是否要喷粉取决于实物的外表，当工件为高反光或深色时，就必须喷粉，如图1所示实物。

图1 高反光或深色实物

（2）贴标志点。贴标志点是扫描中的一项重要工作，直接影响扫描的质量和速度，如果没有掌握技巧，有可能无法扫出实物。标志点的黏贴做到扫描实物单个面可以不黏标志点，扫描实物多个面必须黏贴标志点；扫描的是艺术品时，因其有多个自由曲面，为了保持原貌特征能尽量少贴标志点；标志点尽量不贴在实物特征上，才不会影响采集特征，如下图2所示。标志点要尽量贴在实物的平面区域或曲率较小的曲面，且距离实物边界较远一些,以不影响特征采集为准。黏的标志点要保证扫描的顺利实施，并使标志点在长度、宽度、高度方向均应合理分布，如图3所示，不能把标志点贴成一条直线或对称，这样不利于特征点的采集。

（3）扫描仪参数设置。扫描仪参数设置直接影响扫描质量，特别是扫描仪相机的曝光度，当然，不同品牌的扫描仪参数设置不同，如三维天下三维扫描仪，它的相机的曝光度可以这样调节，打开扫描仪“调整相机参数”对话框，可以通过对话框中的曝光，增益与对比度来调整相机采集亮度。视环境变化来确定曝光值，一般环境选择曝光值为334；如果环境光比较亮，曝光值可相应减少，常用曝光值为167；反之，环境光较暗，曝光值可相应增加，常用曝光值为500。

2 逆向设计

逆向设计是指对某一产品进行仿制工作，用一定的测量手段对实物或模型进行测量，根据测量数据通过三维几何建模方法重构实物的CAD模型的过程。常用的软件有Geomagic、Imageware、Proe等，这几个软件都各具特点。Geomagic具有从点云处理到设计的一体化功能。Imageware能提供完整的曲线与曲面建立和修改的工具、强大的曲面匹配能力。Proe功能较强大，具有3D建模、动画模拟、概念设计、图片渲染等多模块，比如，有机械设计(CAD)模块、功能仿真(CAE)模块、制造(CAM)模块。

逆向设计时，先要从测量数据中提取零件原型的几何特征，即按测量数据的几何属性对其进行分割，采用几何特征匹配与识别的方法来获取零件原型所具有的设计与加工特征。然后，将分割后的三维数据在CAD系统中进行表面模型拟合，并通过各表面片的求交与拼接获取零件原型表面的CAD模型。

这里采用Geomagic Design X软件，以人像模型为案例介绍其头部及上身逆向建模设计，完整建模过程如图2所示。

图2 完整建模过程

（1）点击菜单栏中的【曲面创建】-【自动曲面创建】按钮，点选人像模型，进 入下一步，点击“对勾”按钮确认。

（2）点击菜单栏中的【模型】-【曲面偏移】按钮，“面”选择上述操作圆柱实体的上表面，偏移距离为2.5mm，点击“对勾”按钮确认。

（3）点击菜单栏中的【模型】-【切割】按钮，对上述自动创建曲面生成的实体进行切割，保留上半部分，点击“对勾”按钮确认。

（4）点击菜单栏中的【模型】-【删除面】按钮，“面”选择头部下表面，点击“对勾”按钮确认。

（5）点击菜单栏中的【模型】-【延长曲面】按钮，边线/面选择头部底部的边线，终止条件为距离，3mm；延长方法为线性。点击“对勾” 按钮确认。

（6）点击菜单栏中的【模型】-【曲面偏移】按钮，“面”选择上述操作圆柱实体的上表面，偏移距离为0mm，点击“对勾”按钮确认。

（7）点击菜单栏中的【模型】-【剪切曲面】按钮，工具要素为头部曲面、偏移曲面2；对象为头部曲面、偏移曲面2；点击“对勾”按钮确认。

3 结语

逆向工程是一门新的再造技术，用于只有样品或实物模型、没有产品图纸的条件下实现产品的制造。由于有实际的模型参与各种试验，因此，得到的结果相对于概念化推算和电脑虚拟模拟更接近真实，从而能迅速找到并确定产品的正确形态，能起到降低开发成本、缩短产品开发周期的作用。目前，我国制造业进入了一个蓬勃发展的新时期，这必然对掌握现代制造技术的人才形成了巨大需求，因此，只有通过不断探索与实践，才能更好地掌握这门技术。