基于變形技術的反求建模再設計

李碩，成思源，楊雪榮

(1.廣東工業大學機電工程學院，廣東廣州510006;2.廣東省創新方法與決策管理系統重點實驗室，廣東廣州510006)

0 前言

反求工程 (Reverse Engineering，RE)是一門旨在改善技術水平，提高生產率，增強經濟競爭力的技術，是對實物模型進行三維測量并進行模型重構，同時利用各種三維CAD軟件進行再創新的過程，其意義不僅在于把原有物體還原，而且在原有基礎上進行再次創新［1］。從目前來看，大多數反求工程的研究主要集中在將實物模型轉換為可制造的CAD模型，其最終目標都是要實現產品的再設計。在此過程中，要實現產品的再設計，變形技術也是重要的環節。

曲面變形技術是再設計技術的重要組成部分，變形技術側重于對修改現有CAD模型和實現對現有CAD模型的變換，從而產生一個新的模型。大多數變形技術和兩類對象表示方法密切相關，一類是純幾何表示方法，如FFD(Free Form Deformation)，另一類是非純幾何表示方法，如基于能量優化的曲線曲面建模，即運用各種手段限制原始曲線或曲面和目標曲線和曲面的最小物理形變能，這一點在ThinkDesign軟件中的GSM功能中得到了體現。

1 變形設計技術介紹

1.1 變形技術原理簡介

變形技術是一種將幾何形狀或實體模型變化成為另一種幾何形狀和實體模型的技術，而在變化過程中，原有的拓撲結構不變。該種技術主要強調通過何種方法對對象進行變形。變形方法的不同在于變形原理不同。

自由變形方法 (FFD)算法的前提是假設物體有很好的彈性，容易在外力作用下發生變形。在使用該造型算法時首先需要一個控制框架將物體嵌入框架內，然后通過外力使框架變形，控制頂點可以控制物體的形狀，物體隨著框架的變形而變形。FFD算法被喻為雕塑家的手，可整體也可局部的使用，每實施一次，相當于用手把整個物體雕塑了一遍。FreeForm系統正是基于FFD原理開發的。

基于能量模型的能量優化法造型是以曲線曲面擁有最小物理變形能量為目標，通過實施外加載荷或約束條件從而對曲線曲面進行形狀控制。能量優化法曲線曲面造型大致可以分為兩類，從物理變形能出發和從幾何性質出發，從幾何性質出發的能量模型一般是考慮面積，長度，曲率及曲率變化率等方面的約束，ThinkDesign中GSM功能正是采用這種方法［2］。

1.2 變形設計軟件簡介

ThinkDesign軟件中GSM功能(Global Shape Modelling)即全局形狀建模技術，能夠快速準確地進行曲面的設計和修改，而且修改之后的曲面能保持和原來曲面相同的曲面拓撲結構和曲面質量［3］。作者采用ThinkDesign中的GSM功能對模型進行了修改。

FreeForm觸覺式設計系統是一套基于力反饋技術的虛擬造型系統，它利用先進的技術手段將虛擬物體的空間運動變成周邊物理設備的機械設備，讓用戶體會到真實的力度感和方向感。其特有的基于力反饋技術的3D Touch技術由3個元素組成，硬件接口“PHONTOM”，系統軟件“GHOST”和數字黏土。

圖1 FreeForm系統

FreeForm系統使用的核心硬件是如圖1(b)所示，它具有6個自由度的操作桿，配合鍵盤進行模擬黏土雕刻的設計過程。FreeForm造型軟件具有豐富的細節設計功能，常用的工具有:構造黏土工具 (Construct Clay Tools)，雕刻黏土工具 (Sculpt Clay Tools)，黏土細節造型工具 (Detail Clay Tools)，變形黏工具 (Deform Clay Tools)等［4］。

1.3 ThinkDesign軟件和FreeForm系統優勢對比分析

FreeForm系統和ThinkDesign軟件在設計方面各有所長。FreeForm觸覺造型系統采用3D Touch技術，在其它大多數CAD軟件基礎上具有自己獨特的命令，如膨脹、變形、平滑等，不僅可以將創意、靈感、目的、意圖直接表現在數字模型中，而且可以對模型表面數據進行快速修復以及再設計，得到完整的模型表面數據［5］。但由于FreeForm在處理數據時沒有完全受到參數化制約，對于在處理一些細節問題的時候，精度方面會有所缺陷，而在ThinkDesign中，利用GSM變形功能時需要設置初始點和目標點，或者初始曲線和目標曲線，然后設置約束條件，從而達到精確變形的目的，正好彌補了這一缺陷。但FreeForm系統相對于GSM功能其造型靈活性比較有優勢，只需操作者操縱手持式遙控桿，便可對模型進行造型設計。

文中將2種變形技術與逆向建模相結合，構成了一套從實物模型到再設計后的新產品CAD模型平臺。逆向建模由于受到表現形式的局限，并不能完全滿足產品再設計要求，引入了FreeForm觸覺交互技術，充分發揮其在虛擬變形環境下的觸覺雕刻優勢，有利于實現數字化模型的創新設計，同時引入了ThinkDesign軟件中GSM功能，不僅在參數化要求方面有保證，而且彌補了FreeForm系統在處理外形不規則的曲面以及在處理多處變形方面的不足，使得對于產品的再設計方面相互補充，各盡其能，提高了再設計效率，縮短了產品再設計周期。

2 基于FreeForm和ThinkDesign的反求再設計

反求工程旨在對已有實體模型的再設計，其體系結構如圖2所示。

圖2 反求工程體系結構示意圖

路線①屬于傳統的反求工程模式，在這里不再贅述。路線③由于對于測量數據點的要求較高，所以容易產生誤差［6］。采用路線②，在三維重構與STL文件的轉換之間加入兩種變形技術分別對模型進行整體和局部變形，即將掃描之后的點云在Geomagic studio中進行前處理，然后提取模型外形特征線，反復編輯這些特征線生成NURBS曲面，然后導入到ThinkDesign中利用GSM功能對模型進行整體變形，之后再導入到FreeForm系統中進行局部變形，并將輸出為STL格式的模型分層后用于3D成型制造。其技術路線如圖3所示。

圖3 基于變形技術的反求再設計流程圖

3 鼠標模型的修復和再設計

3.1 掃描數據處理

反求設計首先由實體模型通過光學掃描得到點云模型。其數據通過Creaform公司手持式激光三維掃描儀進行全面掃描后得到。掃描之后得到一系列的點云，由于原始的點云會有很多瑕疵，通過Geomagic studio對原始點云進行噪點處理等操作得到一系列整齊有序的點云之后，并對封裝之后形成的三角形網格進行表面光順和優化處理 (圖4)，之后對模型進行分割，參數化分片處理并進行柵格化擬合成NURBS曲面 (圖 5)［7］。

圖4 封裝之后的模型

圖5 擬合成NURBS曲面

3.2 鼠標頂面再設計

將擬合之后的鼠標模型NURBS曲面以IGES文件格式導入到ThinkDesign系統中，其中GSM功能作為一種高級建模方式可以根據用戶的需求進行迅速準確的修改，對于產品的回彈補償，可根據實際測量或者用戶的需求修改曲面的形狀，作者根據起始點對表面進行整體變形再設計［8］(圖中坐標原點為變形起始點)。

如圖6所示，選取圖中淺色區域進行GSM變形，并在變形區域選擇坐標原點作為初始點，然后在坐標軸z軸上設置目標點，同時約束區域的邊界 (圖7)(邊界為圖中淺色區域的外邊界)。

圖6 變形區域

圖7 設置起始點和目標點

最終變形結果如圖8所示 (中間深淺色區域為變形結果)。從圖中結果可以看出，鼠標頂面根據目標點約束發生了整體變形。

圖8 鼠標變形結果

3.3 FreeForm 變形設計

將在ThinkDesign中整體變形之后的模型導入到FreeForm系統進行局部變形。首先在系統中將模型整體生成黏土格式文件，然后，在鼠標的頂面采用FreeForm系統中圖片映射浮雕功能，形成logo“323”圖案，即將圖片上的信息映射到虛擬黏土上面，在黏土模型上以浮雕的形式顯示出來，并且可以設定浮雕的高度。具體的效果如圖9所示。

然后應用“Construct Clay”工具欄中“Inflate”命令在鼠標的底部膨脹生成三個矩形條，然后應用“Wire Cut clay”命令將三個矩形條切平，得到的設計結果如圖10所示。

圖9 鼠標浮雕變形

圖10 添加矩形條后模型

待所有工作完成之后，將處理之后的模型保存為STL格式，并將整理后的文件進行切片，輸入到3D打印機中進行成形制造。

4 結論

提出了基于ThinkDesign軟件和FreeForm系統的變形設計，首先將掃描之后的鼠標點云在Geomagic studio中進行前處理之后擬合成NURBS曲面，進而導入到ThinkDesign和FreeForm中進行模型整體和局部變形設計，最后導入到3D成型機中進行快速制造。在對兩個軟件分析的基礎上，根據各自的優勢提出了技術路線，即將兩種變形技術融合到反求工程中，進而對反求模型進行了相應的再設計，將有利于提高產品再設計效率和縮短產品開發周期。

［1］成思源.逆向工程技術綜合實踐［M］.北京:電子工業出版社，2010:10-12.

［2］方昊佳.面向產品創新設計的CAD造型關鍵技術研究［D］.廣州:廣東工業大學，2013.

［3］曹振雨，劉萬林，郭建峰，等.基于 ThinkDesign及Autoform的汽車高強板制件參數化的回彈補償解決方案［J］.模具制造，2013(12):80-81.

［4］吳艷奇，成思源，張湘偉，等.基于FreeForm的CAD模型細節添加與修改［J］.機械設計與制造，2010(5):93-95.

［5］馬路科技顧問有限公司.最新設計工具—FreeForm觸覺式設計系［J］.CAD/CAM與制造業信息，2006(1):44-46.

［6］董黎敏，劉霞，茅波，等.RE/RP技術的現狀及集成方式［J］.組合機床與自動化加工技術，2008(7):1-5.

［7］胡影峰.Geomagic studio軟件在逆向工程后處理中的應用［J］.制造業自動化，2009(9):135-137.

［8］王青.反求工程中基于變形的自由形狀特征重構［D］.杭州:浙江大學，2006.