基于Imageware軟件的Bezier曲面重構(gòu)研究

引言

逆向工程(ReverseEngineering,RE）也被稱為反向工程,是將已有的實物模型的形狀幾何進(jìn)行逆向轉(zhuǎn)變成為工程設(shè)計模型和概念模型,并以此為基礎(chǔ)對產(chǎn)品進(jìn)行解剖、優(yōu)化和再創(chuàng)造的一種應(yīng)用技術(shù)組合。

Imageware軟件是由美國EDs公司研發(fā)的逆向工程軟件,被廣泛應(yīng)用于航空航天和汽車制造業(yè),甚至應(yīng)用于計算機(jī)零部件設(shè)計領(lǐng)域。Imageware軟件主要產(chǎn)品有:（1）surfacer逆向工程工具和ClassI曲面生產(chǎn)工具:(2）Verdict對測量數(shù)據(jù)和CAD數(shù)據(jù)進(jìn)行對比評估:(3）Buildit用于提供實時測量能力,驗證產(chǎn)品的制造性:（4）RPM快速成型數(shù)據(jù)。Imageware逆向流程遵循點一曲線一曲面原則,根據(jù)數(shù)據(jù)能夠構(gòu)建高品質(zhì)的曲面。

1點云數(shù)據(jù)預(yù)處理

1.1數(shù)據(jù)采集

逆向工程的首要任務(wù)是獲取實物模型的三維信息,數(shù)據(jù)質(zhì)量對曲面的重構(gòu)和制造起著決定性作用。近幾年根據(jù)獲取方式的不同,物體表面三維數(shù)據(jù)的獲取大致可以分為兩大類:接觸式數(shù)據(jù)獲取和非接觸式數(shù)據(jù)獲取。本文采用三維掃描儀進(jìn)行點云數(shù)據(jù)的獲取。

1.2點云數(shù)據(jù)預(yù)處理

由于外界環(huán)境,如細(xì)微的震動、空氣流動、溫度的影響而引起的噪聲以及光束本身的性質(zhì)即離散性,使得數(shù)據(jù)采集接收到不同的物體返回的反射光束而產(chǎn)生噪聲。噪聲點大致分為:（1）漂移點:（2）孤立點:（3）冗余點。這3種可直接利用Imageware軟件進(jìn)行點處理。Imageware軟件對點云數(shù)據(jù)的處理主要包括點云數(shù)據(jù)精簡、多邊形網(wǎng)絡(luò)化處理、點云分割。

1.3曲面重構(gòu)

曲面重構(gòu)是三維重建的一個重要研究領(lǐng)域。曲面重構(gòu)的目的就是恢復(fù)實物模型的曲面形狀,使得重構(gòu)的曲面形狀盡可能反應(yīng)三維模型的表狀特征。前在點云生成曲面的過程中,采用Berzier曲面為基礎(chǔ)的曲面構(gòu)造方案。

2實驗內(nèi)容

三維激光掃描技術(shù)可以真實地描述被掃描物體的整體結(jié)構(gòu)及形態(tài)特征,快速準(zhǔn)確地生成三維數(shù)據(jù)模型,相比于三維坐標(biāo)測量機(jī),其對測量物體磨損更少,測量費用更低,并能夠更快獲取三維數(shù)據(jù)。

本研究采用雙目藍(lán)光高精度三維掃描儀（NanKe3D-BI）,如圖1所示。該掃描儀采用藍(lán)色光柵掃描技術(shù),具有以下優(yōu)勢:（1）應(yīng)用場合廣,掃描時不受環(huán)境光源干擾,可直接掃描物體反光面及暗面:（2）掃描速度快,單面掃描時間小于5s,掃描小型零部件僅需要幾分鐘:（3）高精度,高保真,可生成密集的點云數(shù)據(jù),即使是復(fù)雜表面,數(shù)據(jù)捕捉也可清晰表達(dá)。

圖1NanKe3D-B1掃描儀

2.1點云處理

由NanKe3D-BI掃描儀獲得的點云數(shù)據(jù)高達(dá)幾百萬個,為了后期更好、更快地處理點云,對點云進(jìn)行處理是模型重構(gòu)前的重要階段,直接影響模型重構(gòu)的質(zhì)量。點云處理階段具體包括點云數(shù)據(jù)的精簡、多邊形網(wǎng)絡(luò)化處理、點云分割等操作,以提高建模效率,優(yōu)化模型質(zhì)量。

（1）點云數(shù)據(jù)精簡。在Imageware軟件中通過【評估】一【信息】一【對象】查看原始點云數(shù)據(jù)量,點云數(shù)據(jù)量巨大,原始點云圖如圖2所示。采用均勻采樣方式可使點云數(shù)據(jù)量壓縮89%,如圖3所示,大大加快了后續(xù)的操作速度,有效提高了建模效率。

圖2原始點云圖

圖3簡化后的點云圖

（2）多邊形網(wǎng)絡(luò)化處理。在實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn),點云數(shù)據(jù)非常不容易顯示出對象的特征形狀,通過對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行多邊形網(wǎng)絡(luò)化處理,可以使用戶了解點云成型后的特征,并且方便建模。在1mageware軟件中通過【構(gòu)建】二【三角形網(wǎng)絡(luò)化】二【點云三角形網(wǎng)絡(luò)化】,使點云數(shù)據(jù)可視化,如圖4所示。

圖4可視化點云

(3）點云分割處理。為了方便構(gòu)建三維模型,根據(jù)曲率將物體安全帽分為上部分圓形大面部分和帽檐部分。在1mageware軟件中通過【評估】二【曲率】二【點云曲率】進(jìn)行曲率計算;通過【構(gòu)建】二【特征線】二【根據(jù)色彩抽取點云】,【修改】二【抽取】二【圈選點】進(jìn)行點云分割,如圖5所示。

圖5點云分割圖

2.2點到線的處理階段

此階段主要目標(biāo)是由點構(gòu)造出曲線,主要分為兩大類:(1）根據(jù)原始點云數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)手動構(gòu)建;(1）利用1mageware軟件提供的擬合功能自動創(chuàng)建。在初始曲線生成后,需要對曲線進(jìn)行合理化處理,以滿足精度要求。采用公差擬合曲線的方式,如圖6所示。

圖6擬合曲線圖

2.3線到面的處理階段

在曲面重構(gòu)過程中有兩方面尤為重要,首先是曲面的光順度,其此是曲面與點云的重合度。曲面的光順度主要由曲線的光順度決定。此階段目的主要是為生成曲面做準(zhǔn)備,在擬合曲面之前還需要對曲線進(jìn)行改變起始點、協(xié)調(diào)曲線方向、重新參數(shù)化曲線等操作,保證曲面的光順度和曲面與點云的重合度。

(1）改變起始點。本例曲線為閉合曲線,需要調(diào)整曲線的起始點,通過一條參考直線將參考線與若干條曲線設(shè)為起始點。

(2）協(xié)調(diào)曲線方向。進(jìn)行曲線方向一致性的調(diào)整,在擬合曲線時應(yīng)考慮曲線方向,使得在執(zhí)行"放樣曲面"命令時,曲面能夠沿著正確方向從一側(cè)擬合到另一側(cè),避免出現(xiàn)曲面扭曲、翻轉(zhuǎn)等。

(3）重新參數(shù)化曲線。曲線有方向、節(jié)點、始末點、控制點等要素,尤其要合理設(shè)置控制點數(shù),控制點數(shù)太少可能使曲線丟失特征;控制點數(shù)太多會造成曲線不平滑,產(chǎn)生褶皺。本實驗控制節(jié)點設(shè)置為20。

參數(shù)化前后的曲線分別如圖7、圖8所示。

圖7原始曲線

圖8參數(shù)化后曲線

2.3曲面重構(gòu)

在1mageware軟件中曲面建模方式有很多種,包括由點創(chuàng)建曲面、由點云特征手動創(chuàng)建曲線再經(jīng)過一定變換生成曲面等。在此次實驗中,采用通過Bezier曲面構(gòu)造頭盔曲面。

Berzier曲面的s(u,w）是控制特征網(wǎng)絡(luò)的大致形狀的函數(shù),P(u,w）是逼近特征的網(wǎng)格多面體的數(shù)學(xué)模型,控制頂點Pij(i=0,1,1,3,…,n）分別沿著u和w方向構(gòu)成m+1和n+1個控制多邊形,一起組成曲面的特征多面體或控制特征網(wǎng)絡(luò),參數(shù)方程為:

通過Berzier曲面最終形成一個完成的曲面,如圖9所示。

圖9頭盔曲面完成圖

2.4曲面品質(zhì)評估

頭盔的曲面重構(gòu)品質(zhì)評估主要分兩個方面:一個是頭盔曲面與點云的擬合度,另一個是頭盔曲面的光順性。將頭盔曲面與原始點云數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,擬合最大誤差為0.311mm,平均誤差為m.m36mm,符合點云擬合度要求:光順性檢測采用曲率分析,采用反射線檢查的方式,如圖1m所示,等高線不相交,滿足曲面光順性要求。

圖10曲面光順分析

3結(jié)語

本文結(jié)合逆向工程技術(shù),研究了物體的非接觸式測量技術(shù)和曲面重構(gòu)技術(shù)。針對以光電非接觸式測量方式和三維重構(gòu)這兩個研究熱點,以頭盔的整體表面為研究對象,使用高精度三維激光掃描儀獲得點云數(shù)據(jù),利用逆向工程軟件Imageware進(jìn)行點云預(yù)處理,運用Berzier曲面重構(gòu)理論,最終得到高精度的頭盔完整曲面,擬合最大誤差為0.311mm,平均誤差為0.036mm,實現(xiàn)了物體逆向制作的快速設(shè)計和研發(fā),大大縮短了產(chǎn)品的研發(fā)周期,具有一定的實際應(yīng)用價值。