古典家具多曲面逆向設(shè)計(jì)方法研究

張磊 閆永蠶 張榮強(qiáng)

摘要：為獲取古典家具的全息尺寸數(shù)據(jù)，保存其完整的三維數(shù)據(jù)信息，分析了三維數(shù)據(jù)掃描、點(diǎn)云處理、曲面重構(gòu)及參數(shù)化模型構(gòu)建等逆向設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)與方法，總結(jié)了古典家具逆向設(shè)計(jì)的流程。以明式家具香幾的逆向設(shè)計(jì)為例，采用Geomagic Studio軟件對(duì)掃描得到的三維數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和曲面重構(gòu)，運(yùn)用SolidWorks軟件對(duì)其進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，得到三維裝配模型。該方法可為古典家具的全息數(shù)據(jù)保存及創(chuàng)新研發(fā)提供參考。

關(guān)鍵詞：古典家具 逆向設(shè)計(jì) 曲面重構(gòu) 數(shù)據(jù)采集 CAD

引言

中國(guó)古典家具是智慧與傳統(tǒng)文化高度發(fā)展的產(chǎn)物，其經(jīng)典的樣式、完美的結(jié)構(gòu)、精良的工藝為現(xiàn)代家具的創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供參考。然而，古典家具在長(zhǎng)期的溫度和濕度變化、光照及自然腐蝕下破損嚴(yán)重，引起國(guó)內(nèi)外眾多科研人員的廣泛關(guān)注，并逐步加大保護(hù)力度。逆向工程是近年來(lái)古典家具數(shù)字化保護(hù)方面逐漸采用的一種技術(shù)。張榮強(qiáng)等采用逆向工程技術(shù)對(duì)古典家具中的鼓墩進(jìn)行了掃描，得到鼓墩的完整三維數(shù)據(jù)，并結(jié)合人機(jī)舒適性對(duì)傳統(tǒng)鼓墩進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，該案例的實(shí)施不僅有利于鼓墩的三維數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，也為古典家具的改進(jìn)與創(chuàng)新提供了參考。李響等從逆向工程的原理、特點(diǎn)及應(yīng)用方法等角度分析了該技術(shù)在工業(yè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，并結(jié)合實(shí)例掃描過(guò)程，闡述了逆向工程技術(shù)操作過(guò)程中的注意事項(xiàng)。宮文峰等分析了順向工程建模與逆向工程建模的不同，并通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證了逆向工程建模技術(shù)的可行性，證明了該技術(shù)已成為新一代產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的重要技術(shù)手段。文獻(xiàn)以兒童玩具的逆向建模為例進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集與模型重構(gòu)，進(jìn)一步驗(yàn)證了該方法有利于縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的周期、提升產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量。袁曉東“通過(guò)對(duì)市場(chǎng)已有的普通辦公座椅進(jìn)行三維掃描，以座椅原型數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合人機(jī)工程學(xué)理論以提升座椅的舒適性和安全性為目的，進(jìn)行了座椅改進(jìn)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出一款造型獨(dú)特的辦公座椅。張悅等采用SolidWorks軟件，對(duì)實(shí)木家具的結(jié)構(gòu)裝配原則與路徑進(jìn)行了合理的規(guī)劃，縮短了虛擬組件裝配的所用時(shí)間。逆向工程技術(shù)的引進(jìn)推動(dòng)了古典家具領(lǐng)域的發(fā)展，不僅保存了古典家具精妙絕倫的做工，更完整、真實(shí)、準(zhǔn)確地保存了其三維信息?；谀壳笆袌?chǎng)上逆向工程技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀，文中對(duì)古典家具的逆向設(shè)計(jì)特點(diǎn)進(jìn)行了梳理，歸納了逆向工程技術(shù)在古典家具中的應(yīng)用流程，并給出了逆向設(shè)計(jì)實(shí)例，為古典家具的樣品數(shù)字化保存、修復(fù)和新品研制提供參考。

一、逆向工程及應(yīng)用概述

逆向工程最早于20世紀(jì)80年代在日本及美國(guó)興起，被廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域。逆向工程技術(shù)又稱反求工程，是在已有實(shí)物模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行三維掃描并重新構(gòu)建模型的過(guò)程，隨著該技術(shù)的發(fā)展與成熟，逆向工程技術(shù)被廣泛應(yīng)用在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新中，大大縮短了產(chǎn)品研發(fā)周期，提升了產(chǎn)品質(zhì)量，提高了企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

國(guó)內(nèi)引進(jìn)逆向工程技術(shù)相對(duì)較晚，但近年來(lái)，該技術(shù)也在各類產(chǎn)品的逆向創(chuàng)新設(shè)計(jì)中不斷應(yīng)用。逆向工程技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域不僅涉及到兒童玩具、電子產(chǎn)品及辦公座椅等領(lǐng)域，在汽車(chē)制造的創(chuàng)新設(shè)計(jì)中應(yīng)用更為成熟。此外，逆向工程技術(shù)也成為當(dāng)今文物數(shù)據(jù)保護(hù)的重要手段，在古典家具數(shù)字化保護(hù)領(lǐng)域，逆向設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)揮了重要作用，是古典家具仿制與改進(jìn)設(shè)計(jì)的重要手段，在家具新品開(kāi)發(fā)階段起重要的輔助作用，有效縮短了古典家具新品的設(shè)計(jì)周期，是提升古典家具創(chuàng)新力的有效方法。

逆向工程技術(shù)的基本操作步驟可概括為：數(shù)據(jù)獲取一數(shù)據(jù)處理一模型重構(gòu)一模型改進(jìn)一新產(chǎn)品，每一步操作都具有一定的關(guān)聯(lián)性和順序性，缺一不可。

二、逆向設(shè)計(jì)方法

（一）實(shí)物三維掃描。實(shí)物樣本模型的三維掃描是逆向工程建模的首要步驟，分為模型貼點(diǎn)與模型掃描兩部分。為獲取模型的完整數(shù)據(jù)，需在模型表面噴涂顯像劑，待顯像劑干后即可在模型表面粘貼點(diǎn)，以便掃描使用。模型貼點(diǎn)的質(zhì)量對(duì)模型數(shù)據(jù)獲取的完整性影響較大，屬于前期的關(guān)鍵步驟2_--。由于古典家具造型復(fù)雜、雕刻精細(xì)，對(duì)掃描的質(zhì)量提出了較高的要求，獲取足夠精細(xì)的三維數(shù)據(jù)，對(duì)后期的數(shù)據(jù)修復(fù)與改進(jìn)設(shè)計(jì)具有重要的意義。三維掃描目前主要有接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量，兩種方式的掃描特性及優(yōu)劣如表1所示。

掃描設(shè)備方面，目前采用較多的是3DSS掃描儀器。根據(jù)掃描速度和精度的不同要求，一般采用非接觸式測(cè)量方法進(jìn)行。圖1是目前市場(chǎng)上應(yīng)用較多的3款不同型號(hào)的三維模型掃描儀。

（二）點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理。經(jīng)過(guò)掃描的文件可導(dǎo)入計(jì)算機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)檢驗(yàn)。受實(shí)物模型貼點(diǎn)定位、實(shí)物原型質(zhì)量及掃描測(cè)量環(huán)境的影響，在進(jìn)行計(jì)算機(jī)三維模型重構(gòu)前需對(duì)掃描數(shù)據(jù)采用濾波算法進(jìn)行去噪、平滑及對(duì)齊處理，為后期的模型重構(gòu)奠定基礎(chǔ)，這一點(diǎn)是建立高質(zhì)量模型曲面的關(guān)鍵步驟。目前，使用較多的逆向工程點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件是Geomagic Studio，該軟件能有效處理噪點(diǎn)多、且不光滑的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，具有簡(jiǎn)潔的操作界面，不僅工作效率高，兼容性電較強(qiáng)。Geomagic Studio軟件操作界面如圖2所示。

在點(diǎn)云數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)與平滑處理過(guò)程中，容易使曲率變化較大的地方丟失數(shù)據(jù)，造成尖角和棱線處特征不明顯。因此，復(fù)雜的曲面數(shù)據(jù)處理可采用分塊處理的方法，可使處理的效果更加精細(xì)。進(jìn)行精致去噪之后，噪點(diǎn)減少，表面呈現(xiàn)光滑效果。該過(guò)程簡(jiǎn)單但較為重要，影響到后期的曲面重建質(zhì)量。中國(guó)古典家具做工精湛，雕刻細(xì)節(jié)較多，花紋部分起伏較多，這部分不僅對(duì)前期掃描要求高，在點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理中更需要精細(xì)處理。如噪點(diǎn)沒(méi)有詳細(xì)處理，會(huì)導(dǎo)致后期由于壞點(diǎn)的影響造成重構(gòu)模型偏離原模型。

（三）曲面重構(gòu)與參數(shù)化模型建立。在前期準(zhǔn)備工作之后，即可采用三維建模軟件Pro/E，UG或Rhino等進(jìn)行模型重構(gòu)。曲面的重構(gòu)是在數(shù)據(jù)信息完整詳細(xì)的情況下，根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行的曲面光骨重構(gòu)。曲面重構(gòu)主要有兩種方法：（1）根據(jù)點(diǎn)云形成多條曲線，由曲線進(jìn)一步形成模型的基本形態(tài)；（2）在詳細(xì)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)下，根據(jù)4點(diǎn)原則直接形成模型的基本造型，是點(diǎn)云擬合的建模方法，兩種方法可交叉使用，都是為了保證最終曲面的有效性和曲率的光滑。在構(gòu)建好基礎(chǔ)面的基礎(chǔ)上，將面與面之間再構(gòu)建過(guò)渡面，使相交兩面的基礎(chǔ)面之間的曲率光順，該方法是NURBS曲面構(gòu)建的核心，可有效保證模型曲面的高品質(zhì)。

三、古典家具逆向設(shè)計(jì)

古典家具的制作工藝與典型造型是中華文化高度發(fā)展的產(chǎn)物，積淀了古代勞動(dòng)人民的智慧。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)古典家具保護(hù)的方法一般是對(duì)收集和儲(chǔ)存其二維尺寸數(shù)據(jù)及相關(guān)信息，缺乏三維參數(shù)化的信息保存。而逆向工程技術(shù)是一項(xiàng)針對(duì)古典家具仿制與改進(jìn)設(shè)計(jì)的重要手段，在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)階段起到一定的輔助作用，可有效地縮短家具產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期，也是加速提升古典家具再創(chuàng)新的有效方法。

（一）古典家具逆向設(shè)計(jì)流程。隨著逆向工程技術(shù)的不斷成熟，古典家具領(lǐng)域引進(jìn)逆向工程技術(shù)已有所成效，促進(jìn)了古典家具的快速發(fā)展，不僅起到了保護(hù)的作用，更進(jìn)一步推動(dòng)了古典家具的參數(shù)化存儲(chǔ)與精細(xì)修復(fù)。此外，可建立古典家具的三維數(shù)據(jù)庫(kù)，不僅有利于家具企業(yè)對(duì)設(shè)計(jì)文件進(jìn)行查閱和管理，而且方便設(shè)計(jì)人員共享和調(diào)用設(shè)計(jì)文件。由于古典家具的結(jié)構(gòu)獨(dú)特，連接方式多以榫卯結(jié)構(gòu)為主，部件與部件之間可拆卸，且家具物件本身尺寸較大，在掃描過(guò)程中容易導(dǎo)致精確度降低，因此根據(jù)已有經(jīng)驗(yàn)可將古典家具進(jìn)行局部拆分以方便掃描，以部件為基礎(chǔ)分別進(jìn)行掃描，相同的部件可復(fù)制完成，最終整合而成完整的模型。分塊掃描可有效節(jié)省模型重構(gòu)周期，尤其是已老化的古典家具。最終經(jīng)計(jì)算機(jī)軟件的處理后，可得到較完整的模型。古典家具模型的重構(gòu)為新產(chǎn)品的研發(fā)奠定了基礎(chǔ)，基本完成的是設(shè)計(jì)的前期工作，相關(guān)的設(shè)計(jì)人員需結(jié)合創(chuàng)意點(diǎn)進(jìn)行新產(chǎn)品再設(shè)計(jì)，逆向工程技術(shù)的應(yīng)用縮短了新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期，是當(dāng)下古典家具設(shè)計(jì)研發(fā)的重要方法之一。古典家具逆向設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

（二）古典家具逆向設(shè)計(jì)實(shí)例。以明式家具香幾為例進(jìn)行論述。香幾外形小巧疏透、線條柔婉、曲面豐富，對(duì)其進(jìn)行逆向設(shè)計(jì)有一定的復(fù)雜性。

1.數(shù)據(jù)掃描與預(yù)處理。首先確定樣件的放置位置，利用非接觸式設(shè)備對(duì)樣件進(jìn)行數(shù)據(jù)掃描，掃描數(shù)據(jù)保存后，對(duì)樣件數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括流型創(chuàng)建、多邊形細(xì)化、三角形網(wǎng)格細(xì)分、多邊形松弛等操作。此外，在曲面重建之前需要按照家具結(jié)構(gòu)對(duì)模型數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的分割，將其拆解為所需的零件，對(duì)于掃描頭無(wú)法掃描到的部位，采用填充孔的方法將殘缺數(shù)據(jù)補(bǔ)全，對(duì)于邊界曲線較粗糙的部分，采用松弛邊界的命令使其變得平滑，如圖4所示。

2.古典家具樣件曲面重建。曲面重建工作仍需在逆向工程軟件Geomagic Studio中進(jìn)行，步驟如下：（1）構(gòu)建輪廓線；（2）構(gòu)造曲面片；（3）構(gòu)建格柵；（4）對(duì)曲面進(jìn)行擬合，如圖5所示。如圖6給出了香幾腿部擬合的曲面。

3.參數(shù)化設(shè)計(jì)。文中通過(guò)SolidWorks軟件對(duì)香幾進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)。首先對(duì)所有曲面進(jìn)行封閉，剪裁掉多余的部分，然后縫合生成實(shí)體，在此基礎(chǔ)上，為其添加卯榫結(jié)構(gòu)，完成參數(shù)化建模。最后將所有零件按照香幾的實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行虛擬裝配。圖7是香幾結(jié)構(gòu)裝配圖。

4.新產(chǎn)品研發(fā)。完成以上3步驟之后則需結(jié)合創(chuàng)新點(diǎn)進(jìn)行產(chǎn)品再設(shè)計(jì)香幾的新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)要繼承古典家具經(jīng)典造型的基礎(chǔ)上應(yīng)從以下3點(diǎn)突破創(chuàng)新：（1）造型再設(shè)計(jì)；（2）結(jié)構(gòu)再設(shè)計(jì)；（3）材料再創(chuàng)新。以上是逆向工程技術(shù)在香幾案例中的應(yīng)用，后期會(huì)在提出的造型、結(jié)構(gòu)幾材料3方面進(jìn)行深入研發(fā)，推出相應(yīng)的香幾新產(chǎn)品。

結(jié)論

古典家具的保護(hù)方法隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展已上升到一個(gè)新的高度，逆向工程技術(shù)為古典家具的數(shù)字化保護(hù)提供了先進(jìn)的方法，使得古典家具全息數(shù)據(jù)的永久保存和逼真的虛擬展示成為可能，具有較好的應(yīng)用前景，近年來(lái)得到該領(lǐng)域研究人員的認(rèn)可，也為設(shè)計(jì)人員從事古典家具的設(shè)計(jì)、修復(fù)、改進(jìn)和新品開(kāi)發(fā)提供了成熟的技術(shù)平臺(tái)。大力加強(qiáng)逆向工程技術(shù)的應(yīng)用，是古典家具領(lǐng)域可持續(xù)發(fā)展的重要工作。