基于RapidForm的三維曲面重構(gòu)

摘要:基于RapidForm的三維曲面重構(gòu)，利用該軟件提供的一整套模型分割、曲面生成、曲面檢測(cè)的工具對(duì)工件點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪、過(guò)濾冗余、三角化、光滑曲面、填補(bǔ)曲面漏洞等操作，來(lái)獲得理想的模型。

關(guān)鍵詞:逆向工程;RapidForm;NURBS;曲面重構(gòu)

中圖分類(lèi)號(hào):TP311文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1009-3044(2009)33-9316-02

3D Surface Reconstruction Based on RapidForm

CHEN Ai-chun

(Zhejiang University of Media and Communications， Hangzhou 310018，China)

Abstract: 3D surface reconstruction based on RapidForm， use a complete set of model segmentation， surface generation， surface detection tools， which theRapidForm software provide， to filter noise of the point cloud data， filter redundant， triangulate， smooth surface and other operations，we will achieve an ideal model.

Key words: reverse engineering; rapidForm; NURBS; surface reconstruction

在國(guó)外，逆向工程已經(jīng)作為一種先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法被引入到新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)工作中。我國(guó)也有許多企業(yè)應(yīng)用逆向工程技術(shù)，對(duì)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的產(chǎn)品進(jìn)行改進(jìn)，以避開(kāi)艱苦的原型設(shè)計(jì)階段，這是一種產(chǎn)品的再設(shè)計(jì)過(guò)程。

目前所謂的逆向工程是指針對(duì)現(xiàn)有工件，利用 3D 數(shù)字化測(cè)量?jī)x準(zhǔn)確、快速地取得點(diǎn)云圖像，隨后經(jīng)過(guò)曲面構(gòu)建、編輯、修改之后，置入一般的 CAD/CAM 系統(tǒng)，再由 CAD/CAM 計(jì)算出 NC 加工路徑，最后通過(guò) CNC 加工設(shè)備制作模具。

1 RapidForm軟件簡(jiǎn)介

1.1RapidForm基礎(chǔ)

RapidForm 是韓國(guó) INUS 公司出品的全球四大逆向工程軟件之一，主要用于處理測(cè)量、掃描數(shù)據(jù)的曲面建模以及基于CT數(shù)據(jù)的醫(yī)療圖像建模，還可以完成藝術(shù)品的測(cè)量建模以及高級(jí)圖形生成。RapidForm提供一整套模型分割、曲面生成、曲面檢測(cè)的工具，用戶(hù)可以方便的利用以前構(gòu)造的曲線網(wǎng)格經(jīng)過(guò)縮放處理后應(yīng)用到新的模型重構(gòu)過(guò)程中。

1.2RapidForm的作用

1.2.1Scan workbench

掃描工作臺(tái)處理基于點(diǎn)處理。 RapidForm從三維掃描儀等設(shè)備接受點(diǎn)云或多邊形網(wǎng)格，有很多操作可以改善掃描數(shù)據(jù)，可以方便快捷地清理點(diǎn)云，改善噪聲數(shù)據(jù)和應(yīng)用智能過(guò)濾例程，以減少計(jì)數(shù)點(diǎn)集。掃描過(guò)程中可以淘汰被選的不必要的或錯(cuò)誤的資料。規(guī)模較小的改進(jìn)點(diǎn)集，定將更迅速地三角化和導(dǎo)出一個(gè)更高質(zhì)量的多邊形表面。

1.2.2Polygon Workbench

多邊形工作臺(tái)具體地處理多邊形模型，如清除不正常的多邊形網(wǎng)格，通過(guò)平滑，重新嚙合，或抽取來(lái)精煉表面，并為快速原型或NURBS表面準(zhǔn)備多邊形模型。

為RP(快速原型)的申請(qǐng)，多邊形工作臺(tái)處理基于多邊形的體積模型。快速原型的應(yīng)用需要一個(gè)封閉的，特定厚度的嚴(yán)密表面。RapidForm為快速原型提供了許多有益的行動(dòng)，像增厚，擠壓，調(diào)整和布爾運(yùn)算等等。

1.2.3Color Workbench

色彩工作臺(tái)提供了最先進(jìn)的三維掃描數(shù)據(jù)的色彩管理功能。使用了類(lèi)似Photoshop的顏色和紋理的編輯功能，用戶(hù)可以創(chuàng)造任何物體的完美3D彩色模型。

RapidForm提供了色彩管理，包括虛擬繪畫(huà)，模糊，平滑等更多。可以添加文本到任何模型，而且亮度和對(duì)比度可以適當(dāng)調(diào)整，以達(dá)到完美的真實(shí)感的三維模型。

當(dāng)通過(guò)整個(gè)RapidForm的建模過(guò)程，包括復(fù)雜的掃描合并、十進(jìn)制、細(xì)分、平滑等等，就會(huì)獲得最初的顏色信息(附紋理或頂點(diǎn)的顏色)。

1.2.4Curve Workbench

表面的創(chuàng)造過(guò)程從直接創(chuàng)建點(diǎn)云或多邊形模型上的曲線開(kāi)始，來(lái)定義新建表面的形狀，可以定義模型表面的布局，提供一個(gè)網(wǎng)絡(luò)曲線，該曲線描述正在新建表面的邊界。每個(gè)表面“修補(bǔ)”必須由兩個(gè)或兩個(gè)以上的邊界定義。

工作區(qū)有兩種曲線:一個(gè)是“空殼曲線” ，當(dāng)創(chuàng)造空殼曲線和所有編輯運(yùn)作用于殼曲線時(shí)，它會(huì)自動(dòng)連接到一個(gè)殼。另一種是“空間曲線” ，它不連接到任何殼上，它們也可能是由曲線模板運(yùn)作引出。

1.2.5Surface Workbench

當(dāng)創(chuàng)造和編輯曲線網(wǎng)絡(luò)或環(huán)路時(shí)，就會(huì)生成NURBS曲面。RapidForm會(huì)產(chǎn)生一個(gè)嚴(yán)密平滑的表面。有兩種方法可以創(chuàng)建NURBS曲面:自動(dòng)和手動(dòng)。

一旦NURBS曲面生成，就可以通過(guò)變形，修剪，平滑或修改控制點(diǎn)以及改善表面的連續(xù)性修改它。通過(guò)標(biāo)出表面和原多邊形之間的偏差，就可以評(píng)估表面，也可以產(chǎn)生初始多邊形表面和NURBS曲面之間的偏差。

1.3RapidForm重構(gòu)曲面的基本原理

RapidForm的重構(gòu)原理是以NURBS為基礎(chǔ)的。NURBS是Non-Uniform Rational B-Splires的縮寫(xiě)，非均勻有理B樣條，是一種交互式3D模型曲線表面技術(shù)。

提出NURBS方法，即非均勻有理B樣條方法，主要是為了找到與描述自由型曲線、曲面的B樣條方法既相統(tǒng)一，又能精確表示二次曲線弧與二次曲面的數(shù)學(xué)方法。

2 RapidForm軟件的應(yīng)用

下面將舉例介紹基于RapidForm的三維曲面重構(gòu)的基本步驟。

1) 導(dǎo)入工件的點(diǎn)云數(shù)據(jù)到軟件窗口中，初始數(shù)據(jù)如圖1。

2) 過(guò)濾噪音數(shù)據(jù)，執(zhí)行Scan窗口下的Build>Filter noise命令，在彈出的對(duì)話框中，選擇Automatic以及在Max. cluster size to be Filtered中填入100 points.選擇OK。獲得圖2。

3) 執(zhí)行Scan窗口下的Build>Filter Redundancy 命令，按默認(rèn)值過(guò)濾冗余，平均點(diǎn)云數(shù)據(jù)，得到圖3。

4) 執(zhí)行Scan窗口下的Build>Triangulate>Surface>2D 命令(工件點(diǎn)云開(kāi)環(huán))，將點(diǎn)云三角化，在出現(xiàn)的對(duì)話框中的Projection Direction 中選擇-Z，Maximum edge length is larger than 中以默認(rèn)值3.04393執(zhí)行，點(diǎn)擊Facing angle選項(xiàng)(按默認(rèn)值80)，選擇OK.按F4顯示三角化后的模型，如圖4。

5) 執(zhí)行Polygon窗口下的Build>Smooth shell命令，按照默認(rèn)值執(zhí)行，使模型表面更光滑，如圖5。

6) 填補(bǔ)漏洞。執(zhí)行Polygon窗口下的Build>Fill holes>Surface，選擇殼，右鍵選擇ALL，在出現(xiàn)的對(duì)話框中選擇Smooth，然后選擇OK，獲得圖6(圖中深色部分即為漏洞填補(bǔ)部分)。

3 結(jié)論

該文論述了RapidForm的概念及其作用，對(duì)利用RapidForm軟件進(jìn)行三維曲面重構(gòu)的原理及其應(yīng)用步驟進(jìn)行了全面的論述。

RapidForm的很多功能將會(huì)在以后的應(yīng)用中有很大的意義。如Scan窗口下的曲面合并、細(xì)化點(diǎn)云等功能，Polygon窗口下的清除工具、去除模型特征、焊接模型、改變模型形狀、在模型上雕刻文本、查找模型的中心點(diǎn)等功能，Color窗口下的編輯文本、改變模型顏色等功能，Curve窗口下的曲線切割、曲線插補(bǔ)、曲線的變形整修、固定等功能。

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