基于Geomagic stuido的殘缺點(diǎn)云面片數(shù)據(jù)修復(fù)研究
——以某型汽車(chē)配件為例

楊洪斌

（閩西職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建龍巖364000）

基于Geomagic stuido的殘缺點(diǎn)云面片數(shù)據(jù)修復(fù)研究
——以某型汽車(chē)配件為例

楊洪斌

（閩西職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建龍巖364000）

逆向工程技術(shù)中，點(diǎn)云的數(shù)據(jù)處理是關(guān)鍵環(huán)節(jié)點(diǎn)。提出了基于Geomagic stuido點(diǎn)云處理軟件平臺(tái)，對(duì)一個(gè)掃描有殘缺的零件點(diǎn)云數(shù)據(jù)，針對(duì)不同的殘缺面片所體現(xiàn)出來(lái)的特征，通過(guò)抽取表達(dá)原始設(shè)計(jì)意圖、體現(xiàn)設(shè)計(jì)特征的幾何要素，配合相應(yīng)的結(jié)構(gòu)特征，探索如何更好的完整正確地補(bǔ)齊殘缺的面片點(diǎn)云數(shù)據(jù)的修復(fù)方式。

Geomagic studio；殘缺面片；修補(bǔ)方式

逆向工程技術(shù)是近幾年我國(guó)制造業(yè)發(fā)展和研究的重點(diǎn)領(lǐng)域，廣泛應(yīng)用于各種產(chǎn)品的復(fù)制、改進(jìn)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)，是消化吸收國(guó)外先進(jìn)技術(shù)和提高工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)水平和效率的重要方法[1]。逆向工程在汽車(chē)工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛，針對(duì)現(xiàn)有的樣品，利用3D數(shù)字化測(cè)量?jī)x器，取得輪廓坐標(biāo)及相應(yīng)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并進(jìn)行三維曲面重構(gòu)，在該基礎(chǔ)上進(jìn)行再設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的“優(yōu)化創(chuàng)新”。在這個(gè)過(guò)程中，點(diǎn)云的數(shù)據(jù)處理還原程度是核心問(wèn)題，點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理直接決定了后續(xù)的三維曲面重構(gòu)的仿真度高低。本文主要提出了基于Geomagic stuido點(diǎn)云處理軟件平臺(tái)，對(duì)一個(gè)掃描有殘缺的零件點(diǎn)云數(shù)據(jù)，針對(duì)不同的殘缺面片所體現(xiàn)出來(lái)的特征，通過(guò)抽取表達(dá)原始設(shè)計(jì)意圖、體現(xiàn)設(shè)計(jì)特征的幾何要素，配合相應(yīng)的結(jié)構(gòu)特征，完整正確的補(bǔ)齊殘缺的面片點(diǎn)云數(shù)據(jù)的修復(fù)方式，為接下來(lái)的逆向三維造型重構(gòu)打好堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 逆向工程技術(shù)及點(diǎn)云數(shù)據(jù)修補(bǔ)重構(gòu)方法

逆向工程通過(guò)對(duì)一項(xiàng)具體目標(biāo)產(chǎn)品進(jìn)行逆向分析及研究，從而演化并得出該產(chǎn)品的處理流程、組織結(jié)構(gòu)、功能特性及技術(shù)規(guī)格等設(shè)計(jì)要素，以模仿為基礎(chǔ)之下再進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)。具體流程圖如圖1所示。

圖1 逆向反求工程流程圖

在對(duì)實(shí)物進(jìn)行非接觸式的測(cè)量反求工程中，由于測(cè)量?jī)x器本身的誤差和不可避免的物理光線折射漫失，再加上操作人員不規(guī)范失誤等多因素作用的結(jié)果下，原始點(diǎn)云特征數(shù)據(jù)有部分的缺失，需要進(jìn)行必要的重構(gòu)修復(fù)，以免影響下一步的曲面重構(gòu)精度。目前采用的主要方法有兩種：一是直接應(yīng)用Geomagic stuido點(diǎn)云處理軟件，對(duì)于破損殘缺部位的點(diǎn)云區(qū)域進(jìn)行還原處理；二是在后期的三維再構(gòu)過(guò)程中，依舊零件缺失部位臨近部位的特征進(jìn)行關(guān)聯(lián)實(shí)體設(shè)計(jì)。第二種方式在蔡敏等人的著作中已經(jīng)詳細(xì)論述其方法[2]，不再贅述。目前的研究現(xiàn)狀是由于第一種方式修復(fù)較為復(fù)雜難懂，所以對(duì)該方式的研究比較欠缺，本文主要研究第一種方法。

2 Geomagic stuido點(diǎn)云階段

2.1 數(shù)據(jù)獲取

以某型機(jī)械零件為例，使用北京三維天下科技有限公司提供的Win3DD單目三維掃描儀，配套相應(yīng)的三維掃描系統(tǒng)軟件，該系列產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于中國(guó)高職院校相關(guān)專(zhuān)業(yè)教學(xué)與研究，具有廣泛的代表性。在所獲取的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)中存在大量的噪音雜點(diǎn)和冗余、重復(fù)數(shù)據(jù)需要進(jìn)一步處理[3]。零件原型圖及其掃描處理得出的點(diǎn)云如圖2所示。

圖2 實(shí)例零件及其掃描點(diǎn)云圖

2.2 點(diǎn)云處理

該階段主要的操作為先將點(diǎn)云著色，再將同一物體的點(diǎn)形成點(diǎn)群并彼此分離，即“斷開(kāi)組件連接”操作，將物體外圍無(wú)關(guān)點(diǎn)群消除。然后進(jìn)行“體外孤點(diǎn)”操作，用于消除個(gè)別游離于物體點(diǎn)云群的單點(diǎn)數(shù)據(jù)，由于數(shù)值的敏感性，需要進(jìn)行多次的重復(fù)操作以確保整體點(diǎn)云干凈整潔[4]。由于上述的一些系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差的不可逆性造成的一些掃描點(diǎn)的誤差比較大，還得進(jìn)行“減少噪音”操作。同樣得執(zhí)行多次重復(fù)操作。處理干凈后最后進(jìn)行封裝。得出以下結(jié)果如圖3所示。

圖3 殘缺原圖

2.3 點(diǎn)云殘缺部位解析

在該型零件示例（圖3）可知，圖中所示在點(diǎn)云面片期間，夾雜多處黑色區(qū)域，其黑色區(qū)域形狀各不相同，通過(guò)缺口部位的形狀的直觀描述，都表述為殘缺部位。殘缺部位的缺失容易造成特征丟失，測(cè)量數(shù)據(jù)失真等多種問(wèn)題，直接影響下一步的三維點(diǎn)云模型實(shí)體的重構(gòu)工作，所以在點(diǎn)云處理階段（stuido階段）需要及時(shí)、準(zhǔn)確地進(jìn)行封閉化處理，即通過(guò)相關(guān)修補(bǔ)原則和命令進(jìn)行相應(yīng)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)修補(bǔ)。

3 基于Geomagic stuido的殘缺面片數(shù)據(jù)修補(bǔ)

3.1 多邊形階段

在點(diǎn)階段的點(diǎn)云數(shù)據(jù)封裝后得出的結(jié)果（圖3）的基礎(chǔ)上，Geomagic stuido實(shí)現(xiàn)了對(duì)點(diǎn)云向三角面片的轉(zhuǎn)化，生成了多邊形格式的文件，正如圖3所示。軟件中對(duì)于三角網(wǎng)格面的基本處理的命令主要有“填充孔”“去除特征”“網(wǎng)格醫(yī)生”“編輯邊界”等，一個(gè)局部殘缺的三角面片的修補(bǔ)主要應(yīng)用以上命令來(lái)操作。

3.2 殘缺面片類(lèi)型及修補(bǔ)

3.2.1 殘缺面片類(lèi)型

殘缺面片的類(lèi)型各異，但主要可以歸納成幾種分類(lèi)方式：

（1）按殘缺區(qū)域形狀來(lái)劃分，可分為規(guī)則孔和不規(guī)則空洞。

（2）按殘缺部位曲率來(lái)劃分，可分為平面面片和帶曲率面片。

（3）按曲率規(guī)則程度來(lái)劃分，可分為規(guī)則曲率面片和不規(guī)則曲率面片。

（4）按殘缺部位特性來(lái)劃分，可分為規(guī)則幾何特征和異形設(shè)計(jì)曲率面片。

3.2.2 各型面片修補(bǔ)

依據(jù)上述3.2.1的分類(lèi)，以所示零件的點(diǎn)云圖為例，經(jīng)過(guò)對(duì)比實(shí)物分析，歸納總結(jié)該型零件上出現(xiàn)的幾種典型殘缺部位：平面殘缺面片、規(guī)則曲面殘缺面片、特征缺失部位、復(fù)雜特征缺失部位。本文對(duì)以上常見(jiàn)殘缺面片（平面、曲面）類(lèi)型進(jìn)行修補(bǔ)研究，在

3.2.3 中詳細(xì)敘述。

主命令為“曲面填充”，在主填充對(duì)話框中，設(shè)置了多種填充類(lèi)型，可根據(jù)各種類(lèi)型子對(duì)話框中調(diào)出填充“空洞類(lèi)型”“曲率方式”對(duì)話框進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置[5]。

3.2.4 示例模型中的各型面片修補(bǔ)方法

（1）平面殘缺面片

點(diǎn)云中平面類(lèi)孔洞主要表現(xiàn)為封閉的空洞和未封閉的缺口。平面類(lèi)未封閉的缺口產(chǎn)生的因素有很多，但修補(bǔ)起來(lái)較為簡(jiǎn)單，通過(guò)調(diào)用“部分填充（邊界孔）”子命令，選擇缺口虛線1，然后選擇未封閉的邊界2軟件自動(dòng)根據(jù)周邊三角片曲率進(jìn)行計(jì)算并填充（如圖4a）。對(duì)于貼掃描標(biāo)志點(diǎn)形成的規(guī)則圓孔和物體光滑反光造成的不規(guī)則空洞，則更換為“封閉填充”，但要注意下一級(jí)子命令“曲面曲率選擇”：平面類(lèi)的孔洞要選第三個(gè)“平面方式”填充，避免選用默認(rèn)的“曲率方式”造成平面修補(bǔ)時(shí)產(chǎn)生的空鼓包現(xiàn)象。如圖4（b）右圖所示。

圖4 平面類(lèi)殘缺孔洞的修補(bǔ)

（2）規(guī)則曲面殘缺面片修補(bǔ)

面片的修補(bǔ)所使用命令為主從兩級(jí)調(diào)用。如圖5（a）所示，零件缺失部位，通常是由于物體過(guò)于光滑造成測(cè)量光線折射漫射損失造成。在掃描階段的噴粉補(bǔ)掃等補(bǔ)救措施不到位的情況下，可以調(diào)用“曲面封閉填充”，使用“曲率方式”來(lái)創(chuàng)建一個(gè)基于曲率的填補(bǔ)。

圖5 規(guī)則曲面殘缺孔洞的修補(bǔ)

（3）特征缺失部位修補(bǔ)

以該零件的底端內(nèi)部缺失的邊緣多段倒角為例，由于倒角轉(zhuǎn)折部位附近三角片曲率不規(guī)則，若直接曲率填充則極容易出現(xiàn)錯(cuò)誤，應(yīng)先進(jìn)行相應(yīng)的橋接處理，即將該斷片按特征構(gòu)造切割“橋接”，構(gòu)建多個(gè)橋接三角面片（即圖6中黑色面片），將缺失部位分成若干個(gè)相對(duì)單一曲率區(qū)域部分，再選擇相應(yīng)的曲率填充。最終呈現(xiàn)如下圖所示。

圖6 “橋接”使用方法

（4）復(fù)雜特征缺失部位

混合特征部位的結(jié)構(gòu)通常是由多種不規(guī)則特征組合而成，需要經(jīng)歷多次步驟分別處理。現(xiàn)以圖7（a）為例，該缺口部位為封閉空洞，但空洞邊緣靠近倒圓角部位，造成部分圓角特征缺失，屬于圓角特征加平面孔特征；若直接選擇“封閉空洞→曲率方式”指定的新網(wǎng)格必須匹配周?chē)木W(wǎng)格曲率，則會(huì)出現(xiàn)如圖7（b）所示黑色部位的空鼓網(wǎng)格錯(cuò)誤特征；正確的做法是先用“邊界孔”子命令，建立多片小三角面片把圓角缺失部位逐步補(bǔ)齊，將剩余殘孔特征單一化，如圖7（c）所示；再根據(jù)單一的殘孔特征選用“曲率方式”或“平面”方式填充完成。這樣處理后修補(bǔ)成形的點(diǎn)云面片才更接近于實(shí)際特征，如圖7（d）所示。

圖7 復(fù)雜特征缺失部位原圖與修復(fù)圖

通過(guò)以上多種殘缺類(lèi)型修復(fù)后，得出了該型零件的修復(fù)總圖，如圖8所示。

圖8 修復(fù)完整的點(diǎn)云模型圖

4 結(jié)束語(yǔ)

應(yīng)用Geomagic stuido點(diǎn)云處理軟件，對(duì)缺損的掃描原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，利用掃描數(shù)據(jù)創(chuàng)建參數(shù)模型。為了準(zhǔn)確再現(xiàn)設(shè)計(jì)意圖，依據(jù)其所具有獨(dú)特的區(qū)域探測(cè)算法創(chuàng)建最精確的掃面和自由形狀曲面，應(yīng)用恰當(dāng)?shù)男扪a(bǔ)方法和合理的命令選擇、參數(shù)設(shè)置，則可生成最優(yōu)化的與曲面最佳擬合的曲面外形，而不是一個(gè)基于單個(gè)橫截面形狀的曲面外形，以便獲得實(shí)物光整的表面數(shù)據(jù)，為下一步三維模型重構(gòu)做好準(zhǔn)備。

[1]成思源，謝韶旺.Geomagic studio逆向工程技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2010：5-6.

[2]蔡敏，成思源，楊雪榮，等.基于Geomagic Design Direct的殘缺數(shù)據(jù)實(shí)體重構(gòu)[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2015（03）：21-23.

[3]蔡闖，成思源，楊雪榮，等.基于Geomagic Design Direct的截面特征提取與逆向建模[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2015（09）：42-44.

[4]周艷，李棟，孟國(guó)營(yíng)，等.基于Geomagic studio的礦用軸流通風(fēng)機(jī)葉片模型重構(gòu)[J].煤炭工程，2014，46（05）：133-135.

[5]Raindrop.Geomagic studio 12逆向基礎(chǔ)與實(shí)例應(yīng)用[EB/ OL].2012-7-27.http：//www.mjzl.cn/thread-114711-1-1.html.

Study on Data Repair of Defect Cloud Surface Based on Geomagic Studio——Take an Automobile Fitting as an Example

YANG Hong-bin
（Minxi Vocational and Technical College of Mechanical Engineering，Longyan Fujiang 364000，China）

In the reverse engineering technology，the data processing of point cloud is the key link point.In this paper，a geomagic stuido point cloud processing software platform is proposed，which extracts the original design intention，reflects the geometric elements of the design features，and analyzes the features of the missing parts. With the corresponding structural features，to explore how to complete the correct patch of incomplete patch data repair point cloud.

geomagic studio；incomplete patch；repair methods

TP391.7

A

1672-545X（2016）11-0028-04

2016-08-11

福建省中青年教師科研資助項(xiàng)目（項(xiàng)目號(hào)：JAT160886）

楊洪斌（1981-），男，福建龍巖人，碩士，助教，研究方向?yàn)橄冗M(jìn)制造技術(shù)。