Surfacer在逆向工程中的应用  
   
在工业产品的设计过程中，为了使产品更为美观或实现某些特殊的性能，往往要求其外表面光顺而富于变化。通常此类产品是由复杂的自由曲面拼合而成的，由于其在概念设计阶段很难用严密统一的数字语言来描述，故而许多产品的初始模型必须对事先造出的泥制或木制的模型进行测量，再以此为依据，反求出实物模型。这种以实物模型为依据来生成几何模型的设计方法即为逆向工程。图1给出了一个比较完整的逆向工程的结构示意图。  
  
图1逆向工程流程图随着测量仪的普及以及工业产品越来越强调美观、效率和个性化设计，逆向工程以其先进的技术、快捷的方式和完美的造型而广泛应用于众多的领域，如在汽车、航空、家电和雕塑等行业随处可见造型优美的反求产品。反求技术正越来越被人们看好，而且已由贵族技术转向平民化，表现出了巨大的市场潜力。现在市场上流行的反求软件比较多，其中Imageware公司开发的Surfacer以其强大的功能受到众多消费者的青睐。它具有友好的输入输出接口，可以接受几十种数据格式，并可方便地与同类软件交换数据。Surfacer主要包括四大功能模块，即点处理、线处理、面处理和快速成型模块，同时还包括显示、编辑和检测等辅助功能。下面以曲面造型较为复杂的米老鼠头像为例，介绍一下Surfacer软件的使用技巧。一、点云预处理选择正确的数据格式，将扫描点云输入软件。1．多视图拼合当所测实体面积大或测量角度多时，采用光学测量很难一次获取全部数据，往往需要多角度分别测量，然后将数据拼合在一起。具体做法是在被测实体的不同地方分别粘三个小球。在分块测量时，要求每个测视图中都包含三个小球的点云数据。然后将各数据依次输入软件，用Circle→Select Points命令分离出所有小球的点云，通过Fit Sphere拟合成球面。接下来要选取其中的一块视图作为基准，将要移动的不同视图的点云与其对应的球体分别组成一个族。打开Stepwise Registration命令，选择要移动族的名称，将菜单中列出的两组小球的名称对应叠加，就可将两视图并在一起。以此类推，完成多视图的拼合。最后对拼合后的点云做加法运算，合成一个整体。2．化简点云如果测量数据过密，计算量大，将会影响操作速度，这时可选用Sample中的多种简化命令去掉冗余点云。其中Space Samples对简化特征多的点云非常有效，它通过曲率计算在平缓的区域保留较少的点，而在特征较多的地方保留较多的点。这种方法在简化的同时有效地保留了特征，是一种优化算法。3．质量控制在测量时，很多因素都会造成噪音点的出现。从不同的角度观察点云的质量，杂点不多时，可用Pick Delete Point命令手动删除。对于质量较差的点云，可选用Smooth下拉菜单中的多种滤波命令对点云进行平滑处理，去掉坏点，提高整个点云的质量。应注意，不同的点云应采用不同的滤波方式，不仅要去噪，还要有效地保持图像清晰的轮廓。当数据在较小范围内有破损时， Fill命令可按周围点云的曲率变化对图像进行有效的填充。4．点云排序一般情况下，实物经过多次测量后点云杂乱无章。为了保证后面生成曲线与曲面的质量，必须对点云进行排序。通常可用Sort by Nearest通过计算点云之间的距离来确定点与点之间的几何关系。对于用上述方法处理后的点云，可直接调用Polygonize命令生成三角网格，并将其保存为STL格式，用于快速成型。二、特征提取和数据分割对数据进行分块可将复杂的数据处理问题简化，有利于提高曲面拟合的精度。打开Dense Feature Extraction中的Sharp Edges菜单，通过计算曲率来提取区域划分的特征点，如图2所示。
  
图2 特征点 其中白色的点就是特征点，可以此为依据通过人机交互的方法确定区域边界线。为保证曲面的质量，应对特征线进行光顺检验。打开Radius of Curve Plot菜单，观察并调整曲线的曲率分布，对于变化较急剧的地方要手工干涉。打开Control Points Edit菜单，选择调整的方向，通过扦拽控制点来提高曲线的光顺性，如图3所示。
  
图3 调整光顺性三、曲面重构Surfacer基于双精度NURBS来重构曲面，与实体模型完全集成，支持多种的曲面造型方法，如拉伸、旋转、放样、扫掠、边界拟合和点云拟合等，同时还具有检测、修正和优化等功能。对于米老鼠头像，由于其表面复杂、区域分割多，会用到较多的重构方法，下面就对其重构方法作一简要介绍。
  
图4 曲面反求(1) 图4中1处点云比较平缓，采用Fit Free From Surface命令，由点云直接生成曲面。然后用Trim Select命令选取区域边界线，将多余的部分剪切掉。(2) 图4中2处点云质量较好，可采用与处理图4中1处相同的方法生成曲面。考虑到边界线首尾相连且可以完整地表达出区域的特征，可采用Blend W/Boundary Curves命令，仅用四条边界来产生曲面。(3) 图4中3处是一细节特征，此处夹在两条边界之间的点云具有相同的曲率特征。采用特征线沿两条路径进行扫掠是一种快捷而又精确的方法。打开Interactive菜单，手动截取出边界线之间的特征点云，用点处理中的Fit Free Form生成特征线。然后打开Sweep w/2Parth命令，分别输入扫掠路径与生成线，按中键完成命令操作。(4) 图4中4处是高凸眼白与低凹眼珠的连接处，坡度比较大。用Loft Curves命令可在两边界处连成一光滑的过渡带。在操作前要察看两边界线方向、起点、控制点数目是否一致，如果不一致，应首先用线操作里面的修改菜单修订对应参数，以保证生成的曲面不会扭曲、粗糙。(5) 图4中5处的点云曲率特征很难用四条边界线描述出来，而用处理图4中1处的方法又保证不了边界处的连续性。点云拟合、边界线约束的方法可有效地解决上述问题。采用Fit w/Cloud and Curves命令，选择对应点云，输入控制边界，同时调整连续条件及对应参数，以生成高质量的曲面。(6) 图4中6处为米老鼠的眼珠，此处的点云是一低凹平面，可用Fit Plane命令由点云直接生成平面，然后用边界线将多余部分剪切掉。(7) 在图4中7处分块拟合曲面时，难免会有小块区域被遗漏。可用Fill 3/5 Sided Hole命令对其补洞，但这一命令仅限于用三条或五条边界包围的小洞。当条件不满足时，可采用剪断或拼合边界线的方法来创造条件，满足要求。在数据拼合的过程中，要注意面片之间的内在连续性。对于有要求的曲面，应以边界曲线和与相邻曲面的连续性作为已知控制条件，来保证拟合出的面片光顺连续。四、结论本文意在抛砖引玉，选择了包含曲面种类较多的卡通头像进行反求的操作说明。但此类反求对精度一般没有要求，而工业产品的反求则较为苛刻，不但要求光顺，而且精度也较高，这时就会遇到很多检测、参数设置的问题，难度也将进一步增加。要想完全掌握Sufacer的使用方法，就要多加练习，多多交流。若有条件，可选择几件较为复杂的实体作为练习之用，以提高使用水平。