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基于Surfacer和CATIA的电话机模型重建 |
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作者：赵艳平 高明 罗大兵 |
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摘要：实物的CAD模型重建是逆向工程的关键技术。目前逆向工程专业软件有十几种，但与传统的CAD/CAM软件相比在造型技术等方面仍有不足。因此，提出一种基于Surfacer和CATIA的模型重建方法，充分利用两个软件的优势，成功地完成了电话的模型重建。
关键字：逆向工程；Surfacer；CATIA；数据处理；数据分割；模型重建
逆向工程（Reverse Engineering）,又称反求工程，是和将实物转变为CAD模型相关的数字化技术、几何模型重建技术和产品制造技术的总称 。据资料表明，各国有70%以上的技术来自于国外。逆向工程作为消化、吸收技术的正确途径，可以有效的缩短产品的生产周期，受到各国的广泛重视。
逆向工程大致可分为数据获取和模型重建。模型重建工作的进行受设备条件和操作者经验的影响，工作量最大，耗时最长。创建的CAD模型是后续产品的改进、加工、制造的基础，是逆向工程的最终目的。因此，模型重建是整个逆向工程过程中最关键的一个环节。本文探讨应用逆向工程方法获取电话CAD模型。
1 数据采集
随着新原理和新技术的不断发展，测量设备正向着高速度、高精度、系统化、集成化、智能化的方向发展 。逆向工程技术需要通过一定的测量技术和测量方法完成实物的数据采集。实物表面的数据采集方法大致可分为两大类：接触式数据采集和非接触式数据采集。各种测量方法都存在自身的优缺点，对于同一实物采取不同的测量方法在精度、速度等方面会有较大的差别。非接触式激光三角法由于同时拥有采样精度高和速度快的特点在逆向工程中应用广泛；接触式连续扫描测量方法由于具有高精度、较高速度，同时价格较合适等优点，其应用潜力较大 。
电话的测量采用德国Steinbichler公司的COMET非接触式光学扫描仪。Steinbichler COMET主要由带传感器的扫描头、处理控制系统、软件和PC机组成，工作的物理基础是三角相位测量法。传感器的工作温度为29℃左右，测量时在电话表面喷洒白色显像剂可以得到较理想的效果。该扫描仪每30秒出一幅点云图，每幅图900，000个点，扫描速度快且能保证高数据质量。
2 模型重建
逆向工程中的模型重建是以离散点云为基础，应用相关软件获取实物的三维CAD模型。为了适应逆向工程技术的发展需求，专用的逆向工程软件相继面市，具有代表性的有SDRC公司的ImageWare Surfacer、Paraform公司的Paraform 、DELCAM 公司的Copy CAD等。一些CAD/CAM软件也集成了逆向工程模块，如Pro/Engineer的SCAN-TOOLS模块、UGⅡ的点云处理和曲线、曲面拟合功能等。虽然专用逆向工程软件取得了较大的发展，但在实际应用中还存在一定的局限。例如Surfacer软件在处理点云数据、线面拟合方面有其特色，但是提供的曲面造型手段及辅助功能和功能完备的商用CAD/CAM软件相比还有不小差距 。而对于传统的CAD/CAM软件来说处理庞大的点云数据也是非常困难的。因此，选用 Surfacer和CATIA相结合的方式，充分利用软件的优势，创建电话的CAD模型。
2.1 数据处理
由于测量设备、测量方法和周围环境的影响，获取的点云数据不可避免的会引入误差，数据量大，有时需要进行多次测量。这就需要对点云数据进行处理以方便模型重建工作的顺利完成。数据处理包括去除数据中的坏点、减少噪音、平滑数据、分块数据对齐、数据精简等。Surfacer可以接收几乎所有的三坐标测量数据，还可以接收stl、Vda等格式的数据，具有强大的数据处理能力。
当需要进行多次测量才能获得全部数据时，会产生多个单独的点云数据，Surfacer可以利用圆柱面、平面等特殊的点信息将点云数据对齐。对于点云数据中明显的噪音点可以应用Circle-Select Points手动删除。对于质量较差的点云可以应用smooth菜单下的命令进行平滑处理，提高点云数据的质量。数据平滑有三种方式：Gaussian(高斯)、Averaging（平均）和Median（中值）。高斯方式平均效果小，能够较好的保持原数据的形貌；中值方式去毛刺的效果较好。应用时可以根据点云的情况和建模的要求灵活得选择数据平滑方式。扫描仪获取的大量点云数据，会使运算速度降低，应用Sample菜单下的命令可以删除冗余数据。经过上述处理的数据可以应用Polygonize命令生成三角网格模型如图1所示。 
图1
2.2 数据分割
在实际的建模过程中，产品的表面通常是由多张曲面通过裁剪、过渡、倒圆等方法成为一个整体。数据分割就是测量数据分类转变为造型数据，方法是根据每一个自然曲面，将测量点分割的同时决定每一个点集属于哪一种曲面 。数据分割有两种基本的方法：基于边和基于面的数据分割。数据分割的关键是如何找到块的边界,这是逆向工程的难点,也是逆向工程中带有战略性的环节 。在实际操作过程中，应用Dense Feature Extraction中的Sharp Edges命令，通过计算曲率在曲率变化大的地方形成红色带状区域，通过调整可使红色均匀的分布在边的两侧即达到了满意的效果。块的边界存在于红色带状区域内，可以采用人机交互的方式人为确定两边的曲面。数据分割时要尽量减少数据块的数量，这样可以为CAD模型的建立带来方便。
2.3 应用Surfacer和CATIA创建电话模型
实物的三维CAD模型重建是整个逆向工程中最关键的环节。模型重建以数据点为基础通过一定的方式完成曲面片的构建，再通过曲面片间的剪切、过渡、倒圆等操作完成模型。Surfacer软件以NURBS理论为基础。NURBS方法的突出优点是可以用统一的数学形式表示规则曲面与自由曲面，可以通过权因子和控制点来灵活的改变曲面形状，具有良好的局部形状控制性和几何不变形 。NURBS方法是基于四边域曲面的几何重建方法。当应用Surfacer软件完成主要曲面与过渡面后会存在一些非四边区域的洞，这就需要合理得将其划分成四边区域再进行处理，操作起来非常麻烦。本文采用Surfacer和CATIA相结合的方式创建电话模型。应用Surfacer软件完成主要的曲线、曲面的构建。曲面片可以直接由数据点拟合获得。当数据点呈有序排列时,也可以将数据点以插值或逼近的方式拟合成曲线,曲线再通过曲面造型方式构建曲面片。在满足精度的条件下，控制点的数量越少越好，以方便后续的编辑工作。应用点-面差别图、曲率图、高光线图等检测方式来调整曲面，在满足精度的前提下使曲率的方向一致且均匀变化。当主要的曲线、曲面满足要求后，以igs格式输出。CATIA软件接收igs格式的曲线和曲面，通过曲面造型功能将曲线构建成曲面，应用曲面功能完成曲面间的裁剪、缝合、加厚等编辑工作，获得最终的电话模型（如图2）。
图2
3 结束语
实物CAD模型重建是逆向工程的关键技术。虽然目前市场上已经有多种专用的逆向软件，但是软件在数据处理技术、造型技术方面仍存在不足之处。本文应用Surfacer软件进行数据处理、数据分割、完成主要曲线和曲面的构建，以igs格式传输数据，应用CATIA的曲面造型功能、曲面编辑功能等完成电话模型的重建。实践证明，以Surfacer和CATIA相结合的方式充分利用了两个软件的优势，操作简单快捷，能够成功地获得电话的CAD模型。(end)
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(4/20/2007) |
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