基于Geomagic Studio的人體建模研究與3 D打印成型

李小明

（四川職業技術學院 機械工程系，四川 遂寧 629000）

工業4.0的號角已經吹響國內外，我國也提出了中國工業2025，中國要從制造大國轉為創新、創造大國，目前產品制造業仍然存在“山寨文化”，當然產品設計必須要經過模仿、改良、創新等一系列過程，中國要實現從過去的Made In China轉為China manufacturing，在工業產品更新換代快節奏的時代，如何快速地進行產品創新設計建模與制造是至關重要的。工業產品種類繁多，形狀各異，產品模型表面往往由曲面構成，而曲面建模歷來是耗時又耗力，針對復雜曲面，傳統的正向設計比較困難，需要反復的實驗，修改才能達到要求，因此，像人體這種復雜曲面建模需要用到逆向工程技術。

國內外諸多專家學者對于逆向工程研究已做了大量工作，通過利用一個人體曲面建模案例來介紹逆向工程技術與快速成形技術(RP)和3D打印相結合的過程。

1 現代逆向設計方法

1.1 Geomagic Studio軟件介紹

在逆向工程技術領域，Geomagic Studio運用較廣泛，是常用的點云處理及三維曲面構建功能最強大的逆向工程軟件之一，由美國 Raindrop(雨滴)公司出品，利用它可將掃描所得的點云數據創建出完美的多邊形模型和網格，并可自動轉換為 NURBS曲面，該軟件包括Qualify、Capture、Wrap、Shape、Fashion 五個通用模塊。

1.2 逆向工程流程與正向工程流程

圖1 逆向工程流程

（1） 逆向工程定義.逆向工程（Reverse Engineering，RE）或逆向設計也稱反求工程或反求設計。它是將實物轉變為CAD模型的相關的數字化技術，幾何模型重建技術和產品制造技術的總稱，是將已有產品或實物模型轉化為工程設計模型和概念模型，在此基礎上對已有產品進行解剖、深化和再創造的過程，其主要包括模型數據化、數據處理、CAD三維模型重構、創新優化設計、實物制造幾個階段。其工作流程如圖1所示。

（2）正向設計與逆向設計對比。產品正向設計是設計人員首先根據功能、性能以及大致的技術參數要求構思產品的外形等，再利用CAD建立產品的三維數字化模型，最終將模型轉入制造流程，完成產品的整個設計制造周期，是一個“從無到有“的過程。產品逆向設計是根據已經存在的產品模型或實物，通過各種測量手段及三維幾何建模方法，將原有實物轉化為計算機上的三維數字模型，反向推出產品的設計數據，是一個“從有到無”的過程。其各自的流程如圖2、圖3所示。

圖2 產品正向建模流程

圖3 產品逆向建模流程

2 人體逆向建模過程

2.1 人體數據采集

采用某國產手持式人像掃描儀進行人體數據采集，主要采集人體上半身區域，采用機繞人360度旋轉方式進行，獲取ASC格式的點云數據如圖4。

圖4 人體原始點云數據

2.2 人體數據后期處理

（1）點云數據點階段預處理。人體掃描由于采用的是360度全方位一次完成，因此數據是完整的單片數據，避免了普通多次掃描后需要合并的過程，省略了“點云注冊”、“統一采樣”和“連結點對象”步驟。但由于采集的過程中因環境等光線變化，人體輕微移動，設備運動不規律等因素造成將一些噪音雜點也采集進去，因此必須通過手動刪除或者使用Geomagic中“減少噪音”、“斷開組件連接”、“體外孤點”命令處理。為提高計算機顯示刷新速度，可將動、靜態顯示百分比調低，方便觀察應對點著色顯示。點云處理的好壞直接關系到后續能否更快更好的得到多邊形對象，因此點云預處理十分重要。

（2）多邊形片面處理。處理好的點云即可通過“封裝”命令轉為三角面片。由于存在“測量死區”以及頭發服飾等原因，封裝后的模型存在一些孔洞，多余的三角面、或表面不光順等缺陷和錯誤,因此必須要進行修補。首先打開全局坐標軸，精確移動模型，擺正人體位置，再使用“裁切”命令創建完整邊界，“填充”命令補孔，“創建流形”命令刪除懸浮三角面，“刪除釘狀物”命令去掉尖角，以及“雕刻”，“砂紙”等命令對頭發，面部進行細節處理，最后使用“網格醫生”命令綜合診斷修復完成多邊形處理過程如圖5所示。

圖5 多邊形處理過程

（3）曲面重構。Geomagic軟件中曲面構建有兩個方法，即shape形狀階段和Fashion參數化階段，選擇形狀模塊進入，對于輪廓線的處理主要有探測輪廓線和探測曲率，編輯、提升約束等，對于人體輪廓形狀不明顯，外形復雜不規則的模型，優先采用探測曲率方式，也可以采用手繪的方式創建“曲面片布局圖”如圖6a,并使用“移動”，“松弛”，“修理”等命令調整輪廓線或曲面片。然后執行“構造柵格”并調整柵格位置，對曲面自動參數化如圖6b所示,最后執行“擬合曲面”命令，創建人體NURBS曲面如圖6c所示。

圖6 曲面重構過程

3 3 D快速成型

將逆向處理完成的CAD數據模型保存為3D打印機可識別的STL數據格式，3D打印設備使用北京太爾時代UP桌面級3D打印機，采用ABS材料打印。其打印過程如圖7。

圖73 D打印模型

4 結語

如何快速創新地完成復雜工業產品造型設計與制造在現代制造業中顯得愈發重要，特別是國家提出工業2025戰略計劃后，中國制造業要在國際上崛起，必須要學習、引進和推廣新工藝、新技術、新理念。運用案例將目前比較熱門的逆向工程與快速成型之3D打印技術相結合的過程進行介紹，講述了人體逆向建模與制造的相關操作流程和方法，為同類產品建模與成型提供思路和方法，減少了產品開發周期。

[1] 陳雪芳，孫春華.逆向工程與快速成型技術應用[M].北京：機械工業出版社，2014.

[2] 楊艷紅，鐘相強.工業設計中產品的逆向設計方法研究[J].機械設計，2013，30（10）：102-105.

[3] 王宏濤，周儒榮，張麗艷.現代測量方法在逆向工程數據采集技術中的應用[J].航空計測技術，2003，23（4）：1-4.

[4] 成思源，吳問霆，楊雪榮，等.基于Geomagic Studio的快速曲面重建[J].現代制造工程，2011（1）：8-12.