基于Geomagic stuido的殘缺點云面片數(shù)據(jù)修復(fù)研究
——以某型汽車配件為例

楊洪斌

（閩西職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建龍巖364000）

基于Geomagic stuido的殘缺點云面片數(shù)據(jù)修復(fù)研究
——以某型汽車配件為例

楊洪斌

（閩西職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建龍巖364000）

逆向工程技術(shù)中，點云的數(shù)據(jù)處理是關(guān)鍵環(huán)節(jié)點。提出了基于Geomagic stuido點云處理軟件平臺，對一個掃描有殘缺的零件點云數(shù)據(jù)，針對不同的殘缺面片所體現(xiàn)出來的特征，通過抽取表達(dá)原始設(shè)計意圖、體現(xiàn)設(shè)計特征的幾何要素，配合相應(yīng)的結(jié)構(gòu)特征，探索如何更好的完整正確地補齊殘缺的面片點云數(shù)據(jù)的修復(fù)方式。

Geomagic studio；殘缺面片；修補方式

逆向工程技術(shù)是近幾年我國制造業(yè)發(fā)展和研究的重點領(lǐng)域，廣泛應(yīng)用于各種產(chǎn)品的復(fù)制、改進(jìn)和創(chuàng)新設(shè)計，是消化吸收國外先進(jìn)技術(shù)和提高工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計水平和效率的重要方法[1]。逆向工程在汽車工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛，針對現(xiàn)有的樣品，利用3D數(shù)字化測量儀器，取得輪廓坐標(biāo)及相應(yīng)的點云數(shù)據(jù)，并進(jìn)行三維曲面重構(gòu)，在該基礎(chǔ)上進(jìn)行再設(shè)計，實現(xiàn)產(chǎn)品的“優(yōu)化創(chuàng)新”。在這個過程中，點云的數(shù)據(jù)處理還原程度是核心問題，點云數(shù)據(jù)處理直接決定了后續(xù)的三維曲面重構(gòu)的仿真度高低。本文主要提出了基于Geomagic stuido點云處理軟件平臺，對一個掃描有殘缺的零件點云數(shù)據(jù)，針對不同的殘缺面片所體現(xiàn)出來的特征，通過抽取表達(dá)原始設(shè)計意圖、體現(xiàn)設(shè)計特征的幾何要素，配合相應(yīng)的結(jié)構(gòu)特征，完整正確的補齊殘缺的面片點云數(shù)據(jù)的修復(fù)方式，為接下來的逆向三維造型重構(gòu)打好堅實的基礎(chǔ)。

1 逆向工程技術(shù)及點云數(shù)據(jù)修補重構(gòu)方法

逆向工程通過對一項具體目標(biāo)產(chǎn)品進(jìn)行逆向分析及研究，從而演化并得出該產(chǎn)品的處理流程、組織結(jié)構(gòu)、功能特性及技術(shù)規(guī)格等設(shè)計要素，以模仿為基礎(chǔ)之下再進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計的產(chǎn)品設(shè)計技術(shù)。具體流程圖如圖1所示。

圖1 逆向反求工程流程圖

在對實物進(jìn)行非接觸式的測量反求工程中，由于測量儀器本身的誤差和不可避免的物理光線折射漫失，再加上操作人員不規(guī)范失誤等多因素作用的結(jié)果下，原始點云特征數(shù)據(jù)有部分的缺失，需要進(jìn)行必要的重構(gòu)修復(fù)，以免影響下一步的曲面重構(gòu)精度。目前采用的主要方法有兩種：一是直接應(yīng)用Geomagic stuido點云處理軟件，對于破損殘缺部位的點云區(qū)域進(jìn)行還原處理；二是在后期的三維再構(gòu)過程中，依舊零件缺失部位臨近部位的特征進(jìn)行關(guān)聯(lián)實體設(shè)計。第二種方式在蔡敏等人的著作中已經(jīng)詳細(xì)論述其方法[2]，不再贅述。目前的研究現(xiàn)狀是由于第一種方式修復(fù)較為復(fù)雜難懂，所以對該方式的研究比較欠缺，本文主要研究第一種方法。

2 Geomagic stuido點云階段

2.1 數(shù)據(jù)獲取

以某型機械零件為例，使用北京三維天下科技有限公司提供的Win3DD單目三維掃描儀，配套相應(yīng)的三維掃描系統(tǒng)軟件，該系列產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于中國高職院校相關(guān)專業(yè)教學(xué)與研究，具有廣泛的代表性。在所獲取的原始點云數(shù)據(jù)中存在大量的噪音雜點和冗余、重復(fù)數(shù)據(jù)需要進(jìn)一步處理[3]。零件原型圖及其掃描處理得出的點云如圖2所示。

圖2 實例零件及其掃描點云圖

2.2 點云處理

該階段主要的操作為先將點云著色，再將同一物體的點形成點群并彼此分離，即“斷開組件連接”操作，將物體外圍無關(guān)點群消除。然后進(jìn)行“體外孤點”操作，用于消除個別游離于物體點云群的單點數(shù)據(jù)，由于數(shù)值的敏感性，需要進(jìn)行多次的重復(fù)操作以確保整體點云干凈整潔[4]。由于上述的一些系統(tǒng)誤差和隨機誤差的不可逆性造成的一些掃描點的誤差比較大，還得進(jìn)行“減少噪音”操作。同樣得執(zhí)行多次重復(fù)操作。處理干凈后最后進(jìn)行封裝。得出以下結(jié)果如圖3所示。

圖3 殘缺原圖

2.3 點云殘缺部位解析

在該型零件示例（圖3）可知，圖中所示在點云面片期間，夾雜多處黑色區(qū)域，其黑色區(qū)域形狀各不相同，通過缺口部位的形狀的直觀描述，都表述為殘缺部位。殘缺部位的缺失容易造成特征丟失，測量數(shù)據(jù)失真等多種問題，直接影響下一步的三維點云模型實體的重構(gòu)工作，所以在點云處理階段（stuido階段）需要及時、準(zhǔn)確地進(jìn)行封閉化處理，即通過相關(guān)修補原則和命令進(jìn)行相應(yīng)的點云數(shù)據(jù)修補。

3 基于Geomagic stuido的殘缺面片數(shù)據(jù)修補

3.1 多邊形階段

在點階段的點云數(shù)據(jù)封裝后得出的結(jié)果（圖3）的基礎(chǔ)上，Geomagic stuido實現(xiàn)了對點云向三角面片的轉(zhuǎn)化，生成了多邊形格式的文件，正如圖3所示。軟件中對于三角網(wǎng)格面的基本處理的命令主要有“填充孔”“去除特征”“網(wǎng)格醫(yī)生”“編輯邊界”等，一個局部殘缺的三角面片的修補主要應(yīng)用以上命令來操作。

3.2 殘缺面片類型及修補

3.2.1 殘缺面片類型

殘缺面片的類型各異，但主要可以歸納成幾種分類方式：

（1）按殘缺區(qū)域形狀來劃分，可分為規(guī)則孔和不規(guī)則空洞。

（2）按殘缺部位曲率來劃分，可分為平面面片和帶曲率面片。

（3）按曲率規(guī)則程度來劃分，可分為規(guī)則曲率面片和不規(guī)則曲率面片。

（4）按殘缺部位特性來劃分，可分為規(guī)則幾何特征和異形設(shè)計曲率面片。

3.2.2 各型面片修補

依據(jù)上述3.2.1的分類，以所示零件的點云圖為例，經(jīng)過對比實物分析，歸納總結(jié)該型零件上出現(xiàn)的幾種典型殘缺部位：平面殘缺面片、規(guī)則曲面殘缺面片、特征缺失部位、復(fù)雜特征缺失部位。本文對以上常見殘缺面片（平面、曲面）類型進(jìn)行修補研究，在

3.2.3 中詳細(xì)敘述。

主命令為“曲面填充”，在主填充對話框中，設(shè)置了多種填充類型，可根據(jù)各種類型子對話框中調(diào)出填充“空洞類型”“曲率方式”對話框進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置[5]。

3.2.4 示例模型中的各型面片修補方法

（1）平面殘缺面片

點云中平面類孔洞主要表現(xiàn)為封閉的空洞和未封閉的缺口。平面類未封閉的缺口產(chǎn)生的因素有很多，但修補起來較為簡單，通過調(diào)用“部分填充（邊界孔）”子命令，選擇缺口虛線1，然后選擇未封閉的邊界2軟件自動根據(jù)周邊三角片曲率進(jìn)行計算并填充（如圖4a）。對于貼掃描標(biāo)志點形成的規(guī)則圓孔和物體光滑反光造成的不規(guī)則空洞，則更換為“封閉填充”，但要注意下一級子命令“曲面曲率選擇”：平面類的孔洞要選第三個“平面方式”填充，避免選用默認(rèn)的“曲率方式”造成平面修補時產(chǎn)生的空鼓包現(xiàn)象。如圖4（b）右圖所示。

圖4 平面類殘缺孔洞的修補

（2）規(guī)則曲面殘缺面片修補

面片的修補所使用命令為主從兩級調(diào)用。如圖5（a）所示，零件缺失部位，通常是由于物體過于光滑造成測量光線折射漫射損失造成。在掃描階段的噴粉補掃等補救措施不到位的情況下，可以調(diào)用“曲面封閉填充”，使用“曲率方式”來創(chuàng)建一個基于曲率的填補。

圖5 規(guī)則曲面殘缺孔洞的修補

（3）特征缺失部位修補

以該零件的底端內(nèi)部缺失的邊緣多段倒角為例，由于倒角轉(zhuǎn)折部位附近三角片曲率不規(guī)則，若直接曲率填充則極容易出現(xiàn)錯誤，應(yīng)先進(jìn)行相應(yīng)的橋接處理，即將該斷片按特征構(gòu)造切割“橋接”，構(gòu)建多個橋接三角面片（即圖6中黑色面片），將缺失部位分成若干個相對單一曲率區(qū)域部分，再選擇相應(yīng)的曲率填充。最終呈現(xiàn)如下圖所示。

圖6 “橋接”使用方法

（4）復(fù)雜特征缺失部位

混合特征部位的結(jié)構(gòu)通常是由多種不規(guī)則特征組合而成，需要經(jīng)歷多次步驟分別處理。現(xiàn)以圖7（a）為例，該缺口部位為封閉空洞，但空洞邊緣靠近倒圓角部位，造成部分圓角特征缺失，屬于圓角特征加平面孔特征；若直接選擇“封閉空洞→曲率方式”指定的新網(wǎng)格必須匹配周圍的網(wǎng)格曲率，則會出現(xiàn)如圖7（b）所示黑色部位的空鼓網(wǎng)格錯誤特征；正確的做法是先用“邊界孔”子命令，建立多片小三角面片把圓角缺失部位逐步補齊，將剩余殘孔特征單一化，如圖7（c）所示；再根據(jù)單一的殘孔特征選用“曲率方式”或“平面”方式填充完成。這樣處理后修補成形的點云面片才更接近于實際特征，如圖7（d）所示。

圖7 復(fù)雜特征缺失部位原圖與修復(fù)圖

通過以上多種殘缺類型修復(fù)后，得出了該型零件的修復(fù)總圖，如圖8所示。

圖8 修復(fù)完整的點云模型圖

4 結(jié)束語

應(yīng)用Geomagic stuido點云處理軟件，對缺損的掃描原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，利用掃描數(shù)據(jù)創(chuàng)建參數(shù)模型。為了準(zhǔn)確再現(xiàn)設(shè)計意圖，依據(jù)其所具有獨特的區(qū)域探測算法創(chuàng)建最精確的掃面和自由形狀曲面，應(yīng)用恰當(dāng)?shù)男扪a方法和合理的命令選擇、參數(shù)設(shè)置，則可生成最優(yōu)化的與曲面最佳擬合的曲面外形，而不是一個基于單個橫截面形狀的曲面外形，以便獲得實物光整的表面數(shù)據(jù)，為下一步三維模型重構(gòu)做好準(zhǔn)備。

[1]成思源，謝韶旺.Geomagic studio逆向工程技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2010：5-6.

[2]蔡敏，成思源，楊雪榮，等.基于Geomagic Design Direct的殘缺數(shù)據(jù)實體重構(gòu)[J].組合機床與自動化加工技術(shù)，2015（03）：21-23.

[3]蔡闖，成思源，楊雪榮，等.基于Geomagic Design Direct的截面特征提取與逆向建模[J].組合機床與自動化加工技術(shù)，2015（09）：42-44.

[4]周艷，李棟，孟國營，等.基于Geomagic studio的礦用軸流通風(fēng)機葉片模型重構(gòu)[J].煤炭工程，2014，46（05）：133-135.

[5]Raindrop.Geomagic studio 12逆向基礎(chǔ)與實例應(yīng)用[EB/ OL].2012-7-27.http：//www.mjzl.cn/thread-114711-1-1.html.

Study on Data Repair of Defect Cloud Surface Based on Geomagic Studio——Take an Automobile Fitting as an Example

YANG Hong-bin
（Minxi Vocational and Technical College of Mechanical Engineering，Longyan Fujiang 364000，China）

In the reverse engineering technology，the data processing of point cloud is the key link point.In this paper，a geomagic stuido point cloud processing software platform is proposed，which extracts the original design intention，reflects the geometric elements of the design features，and analyzes the features of the missing parts. With the corresponding structural features，to explore how to complete the correct patch of incomplete patch data repair point cloud.

geomagic studio；incomplete patch；repair methods

TP391.7

A

1672-545X（2016）11-0028-04

2016-08-11

福建省中青年教師科研資助項目（項目號：JAT160886）

楊洪斌（1981-），男，福建龍巖人，碩士，助教，研究方向為先進(jìn)制造技術(shù)。