基于Imageware的鼠標逆向造型

周天琦

摘要：針對目前正向鼠標造型過程中存在的設計效率低下、成熟鼠標設計數據無法有效復用等問題，基于逆向工程理論和Imageware軟件，研究了鼠標的逆向造型方法，在縮短鼠標設計周期的同事，有效規避設計風險，并提高鼠標產品的設計質量。

關鍵詞：鼠標；逆向造型；Imageware

引言：

隨著計算機電子技術和工業制造水平的不斷發展，消費者對鼠標的要求不僅體現在功能上與計算機系統兼容，同時在外觀、造型等人體工學和美學方面也提出了更高的要求。當前，在鼠標產品功能日趨完善的情況下，鼠標的造型逐漸成為廣大消費者關注的重點。但長期以來，鼠標的外觀造型通常采用正向設計方法，設計效率較低，產品投放市場的周期較長。而目前各大鼠標廠商對鼠標產品市場份額的競爭已日趨白熱化，如何在短時間內將符合消費者設計要求的鼠標產品投放到市場，直接決定了企業能否生存。此外，優秀的鼠標產品外形應兼顧美學和人體工學的設計要求，但這一過程需要通過多次試驗和市場反饋方能達到，在設計過程中充分有效地重用已有的鼠標外形設計知識，不僅能縮短設計周期，同時能夠規避設計風險，提高鼠標產品的設計質量。

但在對已有成熟鼠標產品的借鑒過程中，若無設計圖樣，設計者同樣無法準確了解相關設計數據，進而影響對原鼠標設計者設計意圖的剖析，而針對其改進優化也將無從談起，且鼠標產品曲面多為自由曲面，無法用準確的數學表達式表達，致使設計師無法有效重構產品原始數模。基于此，本文提出運用逆向工程方法[1-3]，基于Imageware軟件快速重構鼠標的三維模型，為新的鼠標產品造型設計提供數據支撐。

1.鼠標逆向造型流程

鼠標逆向造型流程如圖1所示，主要分為三個部分：

（1）鼠標外型點云采集。運用點云測量設備獲取鼠標外型的點云坐標數據，該數據是后續逆向造型的基礎。

（2）鼠標外型點云處理。將采集到的點云數據導入Imageware中，完成點云數據的去噪、對齊、精簡、分割等預處理，提高點云的質量。

（3）鼠標外型曲面重構?；陬A處理過的鼠標點云數據，在Imageware中構建鼠標輪廓線，并基于此，構建鼠標外型曲面，并對構建的曲面進行誤差分析，保證曲面的重構質量。

2.鼠標外型點云數據采集

2.1鼠標外形結構分析

本文以聯想Thinkpad 0A36414藍牙激光鼠標為研究對象（如圖2所示），該鼠標顏色為磨砂黑，鼠標重量63g，采用4向滾輪設計，鼠標外觀設計小巧、精美，呈現流線型。該鼠標為左右對稱設計。該鼠標尺寸為9.6mm*5.6mm*3.2mm，上表面為平滑的弧形曲面，側面為直紋面，底面為平面，上表面和側面平滑過渡，無銳角，可分別對上表面、側面和底面進行測量，之后在拼接生成整體點云。

2.2 運用ATOS系統采集鼠標點云數據

常見的點云測量方法有接觸式和非接觸式兩種[4]，本文采用ATOS光學非接觸式測量設備對鼠標外型面進行測量。通過對鼠標外形進行分析，結合ATOS測量系統的使用方法，制定如下測量策略：在第一次測量中確定鼠標的頂面和側面，第二次測量中確定鼠標的底部，當投影中進行一次測量時，鼠標的位置可能不會相對于參考點而改變，如果頂面測量完成，轉動鼠標以便底部的常規參考點被測到，兩次投影后，所測的結果放到一起，這樣便得到了鼠標的點云數據，最終測得的鼠標點云數據如圖3所示。

3.鼠標外型點云數據預處理

3.1 點云對齊

初始點云位于世界坐標系的隨機位置，為方便后續建模，需將點云坐標系與世界坐標系對齊，具體方法為：

（1）將點云數據導入Imageware中，在世界坐標系位置構建三個垂直與坐標軸的平面，并分別命名為XY_Plane，XZ_Plane和YZ_Plane；

（2）在點云底部較平坦部位截取一部分點云，并將其擬合為平面，命名為XY_Part_ Plane；

（3）在點云兩個側面分別等高采樣兩條平行點云，經排序后獲取平均點云，并將平均點云擬合為平面，命名為XZ_Part_Plane；

（4）基于逐步式定位方法，將XY_Part_Plane和XY_Plane匹配，XZ_Part_Plane和XZ_ Plane匹配，完成點云的對齊（如圖4所示）。

3.2 噪點去除

采用目視法，觀察對齊后的點云，并將噪聲點從點云數據中剔除，保證點云數據的精度。

3.3 點云精簡

為提高曲面擬合時的計算速度，設置點云采樣距離為0.5mm，對點云數據進行重新采樣，實現點云的精簡，精簡后，點的數量從89410減少為37203。

4.鼠標外型曲面重構

4.1鼠標輪廓線構建

運用Imageware的投影采樣命令，分別鼠標底面、側面、上表面的投影采樣點云，并分別擬合為NURBUS曲線，之后將各部分的曲面縫合，形成鼠標輪廓線（如圖5所示）。

4.2 鼠標曲面擬合

在Imageware中，曲面的構建方法總體上可分為基于點云直接生成曲面、基于直線經掃掠、蒙皮等方法生成曲面、點云和曲線混合生成曲面等三種方法。運用Imageware實現曲面連接擬合。通過對鼠標產品點云進行分析，可將鼠標表面分為上表面、側面和底面三部分，分別對這三部分進行曲面擬合。鼠標的上表面是一個連續曲面，曲率變化不大，可運用點云和曲線混合生成法擬合；鼠標的側面是直紋面，因而可以用掃掠法擬合；鼠標底面為平面，可直接根據輪廓線擬合，最終形成的鼠標曲面模型如圖6所示。將鼠標點云和擬合后的曲面進行誤差分析，可以看出誤差大部分保持在±0.3mm以內，能滿足后續的優化改進需求。

5.結束語

本文通過研究鼠標外型面點云采集、點云數據預處理、鼠標外型面重構等技術，為鼠標的逆向造型提供了一整套解決方案，也為鼠標的創新設計提供了模型基礎，在點云采集、曲面重構精度等技術進一步優化后，還可將該方法可=延伸至鼠標的模具加工領域，從而擴展逆向工程技術在鼠標研發中的應用范圍。

參考文獻：

[1] 王霄.逆向工程技術及其應用[M].北京：化學工業出版社，2004.7.

[2] 張學昌.逆向建模技術與產品創新設計[M].北京：北京大學出版社，2009.9

[3] 彭卓凱. 基于NX和Imageware的正逆向相結合的復雜曲面設計[J]. 機械， 2013， 40（7）：56-60.

[4] 劉偉軍，孫玉文.逆向工程：原理、方法及應用[M].北京：機械工業出版社，2009.1.