基于逆向工程的玩偶三維曲面模型重構(gòu)技術(shù)

摘 要： 本文研究了應(yīng)用UG軟件對(duì)“點(diǎn)云”數(shù)據(jù)進(jìn)行曲面重構(gòu)的過(guò)程：掃描線(xiàn)的生成、掃描線(xiàn)的排序、曲面裁剪和曲面的拼接直至曲面的構(gòu)成，提出了一種先平面裁剪后拼接融合的多個(gè)小平面拼接方法，可使多個(gè)曲面光滑地連接成為一體。

關(guān)鍵詞： 點(diǎn)云 逆向工程 三維曲面 模型重構(gòu)

一、引言

CAD/CAM技術(shù)的日益成熟，并與現(xiàn)代加工設(shè)備的有機(jī)結(jié)合，只要有了三維CAD模型，就可實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)的新設(shè)計(jì)和各種工程分析，結(jié)合產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的要求進(jìn)而創(chuàng)造出新產(chǎn)品。

二、基于UG軟件的玩偶曲面重構(gòu)

在玩偶的曲面逆向工程中，玩偶曲面重構(gòu)是設(shè)計(jì)玩偶CAD模型構(gòu)建的關(guān)鍵。這里重點(diǎn)以玩偶的點(diǎn)云數(shù)據(jù)為對(duì)象，對(duì)玩偶曲面的特征曲線(xiàn)進(jìn)行重構(gòu)，如圖1所示。在對(duì)玩偶曲面的構(gòu)建之前，首先對(duì)玩偶曲面構(gòu)建進(jìn)行規(guī)劃，通過(guò)分析玩偶曲面的結(jié)構(gòu)特征，可以將玩偶點(diǎn)云數(shù)據(jù)曲面的構(gòu)建分為5部分：耳朵、臉、眼睛、嘴巴、鼻子，對(duì)這五個(gè)部分分別進(jìn)行曲面構(gòu)建后再進(jìn)行拼合，如圖2所示。在玩偶曲面的重構(gòu)過(guò)程中，為了便于元素的選擇，采取了將耳朵、臉、眼睛、嘴巴、鼻子分別建立在不同的層上，各自的特征線(xiàn)也歸屬于自己的層，這樣便于玩偶各部分曲面重構(gòu)方便操作。

（一）玩偶逆向建模曲線(xiàn)構(gòu)建

特征線(xiàn)是CAD模型重構(gòu)的重要信息，特征線(xiàn)構(gòu)建質(zhì)量直接影響逆向建模的質(zhì)量。本節(jié)以玩偶的點(diǎn)云數(shù)據(jù)為例，說(shuō)明應(yīng)用UG軟件構(gòu)建曲線(xiàn)的過(guò)程。對(duì)于以自由曲面為主要構(gòu)成要素的產(chǎn)品，型面分析師建模規(guī)劃的主要內(nèi)容，即如何將一個(gè)復(fù)雜曲面產(chǎn)品分解成單張自由曲面。以玩偶點(diǎn)云數(shù)據(jù)為例，該CAD模型可以分解為耳朵、臉、眼睛、嘴巴、鼻子，這些部分又可以再次細(xì)分為四邊形構(gòu)成的曲面。

將玩偶點(diǎn)云數(shù)據(jù)作截面點(diǎn)，形成一條水平截面線(xiàn)。截面點(diǎn)云數(shù)據(jù)以X=0坐標(biāo)平面呈對(duì)稱(chēng)。故在輪廓線(xiàn)的構(gòu)建過(guò)程中，只要構(gòu)建一般的曲線(xiàn)輪廓，然后使用鏡像操作就可生成全部的曲線(xiàn)輪廓。

對(duì)玩偶耳邊邊界曲面由截面點(diǎn)云數(shù)據(jù)插值生成，以此選擇點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成一條B樣條曲線(xiàn)，由于耳朵邊沿曲線(xiàn)變化平緩，在取點(diǎn)時(shí)盡量使插值點(diǎn)分布均勻，分析重構(gòu)曲線(xiàn)的曲率分布情況。

對(duì)耳邊曲線(xiàn)進(jìn)行光順處理，比較生成曲線(xiàn)與點(diǎn)云數(shù)據(jù)的偏差，并對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行插值生成圓弧曲線(xiàn)后，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行B樣條曲線(xiàn)生成。

對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行插值生成圓弧曲線(xiàn)并進(jìn)行鏡像操作，橋接對(duì)稱(chēng)曲線(xiàn)在對(duì)稱(chēng)曲面附近的部分。由于橋接的曲線(xiàn)兩兩并不相接，為使曲線(xiàn)首尾相連，首先要對(duì)曲線(xiàn)進(jìn)行延伸使其相互相交，即延伸所有的曲線(xiàn)，對(duì)相交曲線(xiàn)進(jìn)行修剪。

玩偶眼部輪廓曲線(xiàn)由眼部點(diǎn)云數(shù)據(jù)插值生成一條B樣條曲線(xiàn)。同樣對(duì)曲線(xiàn)的曲率分析，進(jìn)行曲線(xiàn)光順處理后，曲線(xiàn)與點(diǎn)云的偏差會(huì)增大，因而在后續(xù)的操作中需要對(duì)曲線(xiàn)繼續(xù)編輯處理，通過(guò)調(diào)整B樣條曲線(xiàn)的控制點(diǎn)，使重構(gòu)B樣條曲線(xiàn)與點(diǎn)云數(shù)據(jù)盡可能接近。然后對(duì)眼部曲線(xiàn)進(jìn)行編輯、鏡像、橋接處理。按照上述同樣的構(gòu)建思路對(duì)玩偶點(diǎn)云數(shù)據(jù)中嘴巴部分的曲線(xiàn)、鼻子部分的曲線(xiàn)、舌頭部分的曲線(xiàn)進(jìn)行重構(gòu)。

對(duì)玩偶點(diǎn)云數(shù)據(jù)眼睛部分的點(diǎn)云進(jìn)行提取，并分割點(diǎn)云數(shù)據(jù)，保持原有的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

（二）玩偶逆向建模曲面重構(gòu)

玩偶的自由曲面比較復(fù)雜，用一張曲面來(lái)擬合所有的數(shù)據(jù)點(diǎn)是不可能的。前面提到了可以分為5部分：耳朵、臉、眼睛、嘴巴、鼻子，本節(jié)結(jié)合UG軟件的曲面造型分析玩偶逆向曲面重構(gòu)的過(guò)程。

1.耳朵的曲面重構(gòu)

耳朵部分的曲面構(gòu)建可以通過(guò)頂部的點(diǎn)云擬合出一個(gè)曲面，耳朵側(cè)面由其輪廓線(xiàn)拉伸形成，然后通過(guò)倒圓角命令生成圓弧過(guò)渡，從而完成耳朵部分的曲面構(gòu)建，最后將點(diǎn)云顯示出來(lái)。

2.臉部的曲面重構(gòu)

臉部的曲面重構(gòu)與耳朵部分的曲面構(gòu)建相似，首先通過(guò)臉部的特征線(xiàn)將臉部的點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取出來(lái)，然后基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行曲面擬合，側(cè)面曲面也是通過(guò)拉伸的方式建立起來(lái)的，然后通過(guò)倒圓角命令生成圓弧過(guò)渡，完成臉部分的曲面構(gòu)建。

3.臉部與耳朵部分的曲面修剪

臉部與耳朵部分的曲面存在部分相交，對(duì)相交的部分進(jìn)行修剪，首先求出臉部曲面與耳朵部分曲面之間的交線(xiàn)，然后，通過(guò)修剪命令修剪臉部曲面和耳朵部分的曲面。

4.眼睛部分的曲面重構(gòu)

眼睛部分的曲面重構(gòu)與臉部的曲面構(gòu)建相似，首先通過(guò)眼睛部分的特征線(xiàn)將眼部的點(diǎn)云數(shù)據(jù)取出來(lái)，然后基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行曲面擬合。將擬合曲面擴(kuò)展后，將特征線(xiàn)投影到重構(gòu)面上，然后進(jìn)行裁剪完成面的重構(gòu)。

5.眼珠部分的曲面重構(gòu)

首先通過(guò)交互方法將眼珠的點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取出來(lái)，然后，生成底部橢圓面，由上面的橢圓輪廓?jiǎng)?chuàng)建5條特征線(xiàn)，由包圍的4條線(xiàn)提取點(diǎn)云，再由線(xiàn)與點(diǎn)云重構(gòu)曲面，以此完成眼珠部分的曲面重構(gòu)。

6.鼻子的曲面重構(gòu)

首先通過(guò)交互的方法將鼻子部分的點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取出來(lái)，然后，去掉鼻尖部分的點(diǎn)云，對(duì)處理過(guò)的點(diǎn)云進(jìn)行曲面擬合，鼻尖部分的曲面重構(gòu)方法與此相似，最后通過(guò)倒圓角命令生成完成的曲面。

7.嘴巴部分曲面的構(gòu)建

首先在原始點(diǎn)云上構(gòu)建嘴巴部分的特征線(xiàn)，通過(guò)延伸、拼接形成四邊形，然后由4條邊提取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再由4條邊及點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)造曲面。嘴巴部分是對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，中間部分通過(guò)Blend命令生成曲面，舌頭部分的曲面構(gòu)建方法與鼻尖曲面構(gòu)建方法相同。

至此所有的基本曲面重構(gòu)已經(jīng)完成，嘴巴、鼻子和眼睛部分交界的曲面使用了求出交線(xiàn)的方法，最后進(jìn)行各個(gè)曲面修剪。

三、結(jié)語(yǔ)

本文就逆向建模技術(shù)中所涉及的曲面重構(gòu)及造型進(jìn)行敘述。曲面是逆向建模技術(shù)中關(guān)鍵的幾何要素之一，本文重點(diǎn)介紹曲面重構(gòu)及其相關(guān)的邊界操作，并結(jié)合UG軟件給出了玩偶進(jìn)行曲面的逆向建模及造型。

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