摘要：本文依據逆向工程的基本原理和逆向工程軟件Geomagic Studio的基本工作流程，對雕塑雄鷹三維點云進行數據處理，完成了雄鷹的三維建模過程。文中詳細介紹了雄鷹各部分在Geomagic中點云數據處理的過程，并在模型合并完成后對其進行材質貼圖并渲染，最后介紹了Geomagic與Solidworks，Polyworks，Imageware等軟件之間如何進行數據共享;重點闡述了點云在Geomagic里的處理過程，包括點云階段的拼接、點云預處理，封裝形成三角面，在多變形階段破洞修補以及優化處理，在形狀階段構建曲面片、構建格柵并最終生成了NURBS曲面。
關鍵詞：三維點云;逆向工程;Geomagic;三維建模
Abstract: based on the basic principle of reverse engineering and reverse engineering software Geomagic Studio basic work process, the eagle to sculpture 3 d point cloud data processing, the completion of the eagle 3 d modeling process. This paper introduces the eagle each part in Geomagic point cloud data processing process, and after the merger in model of the texture and rendering, at last, the paper introduces the Geomagic and Solidworks, Polyworks, Imageware between software such as to how to share data; Focuses on a cloud in the Geomagic treatment process, including the point cloud stage joining together, the point cloud pretreatment, packaging form triangle surface, in many deformation stage hole repair and optimization, in the shape of the construction stage of construction, the surface and eventually generated the grille NURBS surface.
Keywords: 3 d point cloud; Reverse engineering; Geomagic; 3 d modeling
中圖分類號： O343.2 文獻標識碼：A 文章編號：
0 引言
隨著計算機技術、通訊技術、機械制造技術的發展，三維激光掃描的成本越來越低，應用領域也滲透到國民經濟的各個方面，如何對三維激光掃描儀掃描到的點云進行處理已成為熱點問題。作為四大逆向工程軟件之一，Geomagic Studio是由美國 Raindrop 公司出品的逆向工程和三維檢測軟件，可輕易地從掃描所得的點云數據創建出完美的多邊形模型網格，并可自動轉換為 NURBS 曲面。本設計利用Geomagic Studio軟件對產品三維點云數據進行處理，分析Geomagic Studio從點云到其它軟件繼續處理的完整過程，反向推出產品的設計數據，包括設計圖樣和數字模型，為三維激光掃描儀點云數據處理和應用提供一種新的途徑。
1 逆向工程概述
1.1 逆向工程簡介
逆向工程是對產品設計過程的一種描述，與正向設計相對應。在工程技術人員的一般概念中，產品設計過程是一個從無到有的過程，即設計人員首先在大腦中構思產品的外形、性能和大致的技術參數等，然后通過繪制圖紙建立產品的三維數字化模型，最終將這個模型轉入到制造流程中，完成產品的整個設計制造周期。這樣的產品設計過程稱為“正向設計”過程。逆向工程產品設計可以認為是一個“從有到無”的過程。簡單地說，逆向工程產品設計就是根據已經存在的產品模型，反向推出產品的設計數據(包括設計圖紙或數據模型)的過程。
1.2 逆向工程流程
目前，國內外有關逆向工程的研究主要集中在幾何形狀的逆向，即重建產品實物的CAD，稱為“實物逆向工程”。
2基于Geomagic 12的三維模型重建
2.1 Geomagic Studio 軟件簡介
Geomagic Studio軟件是美國Raindrop公司出品的逆向工程和三維檢測軟件，它可根據物體掃描所得的點陣模型創建出良好的多邊形模型或網格模型，并將它們轉換NURBS 曲面。該軟件主要特點是支持多種掃描儀的文件格式的讀取和轉換、海量點云數據的預處理、智能化NURBS構面等等。它采用的點云數據的采樣精簡算法，克服了其他同類軟件中對點云數據操作時，軟件進行圖形的拓撲運算速度慢、顯示慢等弊端。而且軟件人性化的界面設計，使其操作非常方便。
2.2 Geomagic Studio軟件工作流程
根據軟件輸入的數據與其他軟件或設備的接口，不同的逆向軟件有不同的工作流程，可以采用點—線—面和點—多邊形—面等方式，Geomagic Studio采用了點—多邊形—面的工作流程，從上圖可以看出Geomagic Studio軟件主要包括點云階段、包裝階段、多邊形階段。
2.3 雄鷹的三維模型重建
2.3.1 獲取并優化點云
為了得到完整的點云,運用三維激光掃描儀從多個不同的方向進行掃描,再將各分塊點云用對其功能統一到一個坐標系下。
拼接后的點再經過去除雜點和噪聲點以及點云取樣后可得到一個比較好的雄鷹點云，但由于其整體結構比較復雜，我們需將其分割成兩個部分也即鷹體和支柱來分別進行建模。下面具體介紹建模過程。
2.3.2 具體建模過程
首先是封裝過程，點云數據處理完成后，進入Wrap封裝階段。把分割優化后的鷹體點云數據進行封裝，實質上是用許多細小的空間三角片來逼近還原CAD實體模型。
由于被測模型本身的幾何拓撲原因或因遮擋效應、破損以及不同站之間點云數據拼接存在縫隙等原因，會存在部分表面無法測量、采集的數字化模型存在數據破損的現象。可通過填充孔命令將這些缺失數據補齊。
填充孔之后的鷹大致呈現出粗糙的模型，需要對其進行光順，可用快速光順來快速去除表面的不光順處，這個命令減少了先刪除幾何形狀再基于曲率的填充空隙的步驟。對于一些表面的小腫塊也可以用砂紙來交互式光順或松弛對象上的區域(如去除腫塊)。
接下來是精確曲面階段。完成多邊形的編輯處理后，進入形狀階段，包括檢測曲率、構建及編輯曲面片、構建網格、擬合曲面等以完成雄鷹的NURBS曲面重建。
使用精確曲面下的探測功能下的探測曲率，對鷹體的曲率進行自動探測。如果探測出來的輪廓線并不完全是我們需要的輪廓線，還可通過執行“升級/約束”命令進行修改。
接下來是構建曲面片，曲面片的劃分是構建曲面的關鍵環節,應以曲面分析為基礎進行合理劃分，構建出的曲面片在需要比較精細的地方有比較多且小的嵌片,在比較平坦的地方有比較少且大的嵌片。系統自動構建好的曲面片需進一步調整,使用松弛曲面片功能可使輪廓線變得挺直。使用Geomagic的松弛輪廓線功能可使邊界線平均分布,且可以預防邊界線有互相交叉的情況。利用移動面板功能，設定控制點，對每個嵌片進行編輯，如曲面片分布、曲線松弛、路徑等。
調整好曲面片布局圖后,使用構造格柵功能, 將會在每個嵌片內分布U-V網格線,NURBS 曲面的控制點將會依據這些網格而產生,定義分辨率值為20 (分辨率越高,曲面越精細, 分辨率越低, 曲面越平順, 取20～50較理想) ,選擇修復相交區域,選擇檢查幾何圖形。
模型構造格柵后,用擬合曲面功能擬合NURBS曲面,我們要的曲面是要比較精細的,采用默認的控制點和表面張力,生成曲面模型。如果要追求最好的細節,可將表面張力調到最小,控制點數目調到最大。
2.3.3 模型合并及貼圖
在完成鷹體和支柱兩部分的分別建模之后，我們需要將二者重新合并成一個整體。兩種方法：可以直接在多邊形階段完成合并;也可以將兩個模型轉換成點云，然后進行點云和并并封裝處理。效果如下圖所示：
為了讓模型顯得更加逼真，我們可以給其進行模型貼圖。先在網上搜集符合事物模型的素材或者是模型現實中的相片，然后利用軟件自帶貼圖功能實現這一過程。效果如圖13所示：
3 結束語
在逆向工程后處理中，Geomagic Studio 軟件可以有效的進行點云數據的各個階段處理，包括點階段、多邊形階段、形狀階段。實踐證明，利用該軟件，可直接獲得零件原型的數字曲面，加快復雜零件逆向工程的數字建模進程，大大提高產品設計和制造的效率和質量。
參考文獻
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