非規則表面瓶體逆向創新設計研究

曹素紅 王皓然

摘 ?要：采取逆向方法對整體外形為回轉體、表面存在非規則凹凸起伏的瓶體進行創新設計時，可以借鑒原有瓶體藝術性，同時提高設計效率。文章介紹了針對此類造型瓶體進行逆向設計時需要注意的一些問題。采用Geomagic Design X軟件中的自動曲面擬合功能，根據造型調整擬合網格，能達到十分理想的擬合效果，重構模型偏差在允許范圍內，模型創建效果非常理想。

關鍵詞：非規則表面;逆向設計;自動曲面擬合

中圖分類號：TP391.7 ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2019）28-0029-04

Abstract： When using the reverse method to carry on the innovative design of the bottle body whose overall shape is rotary and the surface has irregular concave and convex ups and downs， we can draw lessons from the artistry of the original bottle body and improve the design efficiency at the same time. This paper introduces some problems that should be paid attention to in the reverse design of this kind of bottle body. Using the automatic surface fitting function of Geomagic Design X software and adjusting the fitting mesh according to the shape， the fitting effect can be achieved. The deviation of the reconstructed model is within the allowable range， and the effect of model creation is very satisfying.

Keywords： irregular surface; reverse design; automatic surface fitting

引言

逆向設計過程即對產品實物或樣件進行數據采集、數據處理，利用三維逆向造型設計軟件對實物或樣件進行數字化CAD模型重構，并進一步用CAD/CAE/CAM系統實現分析、再設計、數控編程、數控加工的過程。相較于正向設計零基礎設計周期長，逆向設計優勢在于利用已有的模型數據進行外觀及功能的修改和更新，可大大提高設計效率，減少設計難度。逆向設計一般流程如圖1所示，其中數據采集、數據處理、模型重構是產品逆向設計的三大關鍵環節。本文主要圍繞非規則表面瓶體，研究在其上進行逆向設計的技術關鍵問題。

1 數據采集

1.1 瓶體特點

本文中研究的兩個瓶體表面均為曲面或非規則瓶體，主要形狀均為回轉體。瓶體A（如圖2）表面為流暢的曲線線條，瓶身一部分有凹凸的花草造型，花草造型比較生動，呈不規則形狀，如果采用正向建模，需要具有較高的繪畫基礎，一定的藝術基礎。瓶體B（如圖3）瓶身上窄下寬，整體比例和諧優美，瓶身表面呈凹凸曲線型，表面花紋無規則。如果利用這兩個瓶體進行創新設計，快速獲取瓶體整體造型CAD數字化模型是關鍵一步，因此，以上兩個瓶體特點可以代表一部分的非規則表面瓶體。

1.2 數據采集要求

由于兩個瓶體并非完全對稱，不適合采用掃描部分數據并陣列的操作，需要將瓶身整體數據完整掃描。考慮到所用手持掃描儀的掃描精度，其中瓶體A掃描時需要著重將凹凸的花草造型進行掃描以保證在后續數據處理及實體化時最大程度保留細節。瓶體B掃描時需要將凹陷處的數據掃描完整，花紋拐角的細節處掃描完整。兩瓶體的瓶口瓶身均為規則圓形，因此在掃描時此部分的掃描數據可以不要求完全呈現。

1.3 數據采集操作

數據采集主要分為采集準備工作及采集過程兩部分。采集準備工作需要進行掃描儀的校準，標定點的粘貼以保證后續掃描數據的精準;采集過程中需要隨時注意數據采集情況并將數據缺失的部分進行二次采集以使數據達到完整程度。由于本文中的實物為非規則表面，因此在實際數據采集時需要格外注意事物表面凹凸的細節部位及銜接拐角部位。

（1）前期準備工作。為了保證實物數據采集時的精度，在實物掃描開始前須進行掃描儀的校準。本次掃描采用的是Handyscan 300手持式掃描儀，掃描時需要保證實物放置的平面光滑無反光，避免對掃描過程及掃描結果產生干擾，再次可將深色絨布放置在掃描平面上。在實物標定點的粘貼上，要遵循數量、位置適宜并且盡量避開有明顯特征部位的規則。數量過多會對表面掃描數據造成影響，數量過少可能造成公共點過少從而無法過渡的問題，保證每個掃描面與下一個掃描面有3至5個公共點即可。粘貼位置需無規律，避免掃描時由于標定點位置相似導致無法掃描。

（2）實物數據采集。開始掃描時，需找到實物最佳擺放位置并擺放穩固，以保證能夠掃描到盡可能多的標定點以便后續掃描過渡。掃描時需要隨時注意軟件顯示界面，觀察掃描數據情況，注意掃描儀與實物的距離，控制掃描儀掃描范圍。在實物整體掃描完成后可暫停掃描，通過軟件查看掃描數據情況，對于掃描數據不完整的細節處應當進行二次掃描，以保證獲得完整的表面數據。

（3）數據采集結束。在實物數據采集完成后關閉掃描儀，可以預先將多余雜點刪除后，再保存掃描數據以便后續數據處理。

1.4 數據采集要點

對于類似瓶體A、瓶體B這一類的非規則曲面物體進行掃描時，前期數據采集階段需要全面地觀察實物瓶體特點，這樣在后續粘貼標定點及掃描時能夠更好地把握粘貼位置及掃描角度。粘貼標定點時數量一定要適宜，標定點數量過多并不會使掃描過程更加容易，反而容易造成后續掃描數據錯亂。在標定點粘貼位置的選擇上，盡可能選擇光滑、表面特征較少的區域，盡可能保證特征部位數據的完整性。掃描過程中保證掃描儀與實物距離在規定范圍內，實物擺放的初始位置需能夠掃描到盡可能多的標定點以便后續掃描過程的過渡。瓶體A的花草細節在掃描時需要多次、多角度掃描，以使掃描數據盡可能完整;瓶體B的凹凸花紋同樣需要多角度，必要的時候可借助橡皮泥使實物呈一定角度擺放，從而使拐角處等細節更易掃描到。

2 數據處理

2.1 數據處理要求

數據處理過程中要求與實物的瓶體特征保持一致，實體之外的雜點需要完全刪除;表面無特征處需光滑;特征處的細節需要完整保留，不可一味追求光滑而失去必要的細節。

2.2 數據處理操作

在此以瓶體B舉例。對于瓶體B表面不平整的區域可采用減少噪音（如圖4）、刪除釘狀物（如圖5）及砂紙（如圖6）命令進行修復。

對于如圖7中底部點云缺失部位可利用填充單個孔命令進行修復，填充結果如圖8。

在全部操作完成后，可利用網格醫生命令進行全面檢查，如圖9方框中所示仍存在一些細小的缺陷，應用網格醫生后如圖10所示，可達到較理想的修復效果。

2.3 數據處理要點

數據采集結束后進行保存并導入Geomagic Studio進行數據處理。主要從刪除體外孤點、降噪、刪除釘狀物、填充、網格醫生等幾個方面進行處理，將掃描完的原始數據中多余的雜點刪除，缺失的細節處填充完整，最后得到表面光滑、完整且精度較高的掃描數據。需要特別注意的是在降噪、刪除釘狀物等步驟中需要將應該保留的細節處進行保留，不可一味追求表面光滑從而將微小的細節丟失。最后運用網格醫生，檢查細節處有無瑕疵并修整。

此階段需要盡可能保留所有細節，尤其是瓶體表面特征處。而瓶體內結構簡單部位或上下表面為簡單平面部位如果掃描數據不理想或缺失可大范圍刪除填充。數據處理程度越好，后續逆向設計將越精準。

最終處理效果如圖11、圖12。

3 模型重構

針對以上兩個非規則表面瓶體的逆向設計，為了保證與實物形狀貼合精度盡量高，運用Geomagic Design X軟件中的自動曲面創建功能進行模型重構，如圖13所示。

曲面擬合操作過程中，系統會根據導入的實體數據自動擬合出網格，如圖14所示。此時需要將數據放大仔細查看網格分布是否均勻合理，凹凸處的網格是否能夠貼合數據本身，如出現過大或過小的網格可通過拖拽頂點處的格點進行調整，調整完成后可進行預覽，如圖15所示，查看擬合效果是否理想并進行二次調整。

最終自動曲面創建效果如圖16所示，偏差比較結果可見，創建的模型在允許的偏差范圍內，模型效果非常理想。接下來在此基礎上可以進行再設計，例如在瓶上增加文字，圖案浮雕效果等，也可以參考重構的模型，為此設計底座等其他零件，即實現了創新設計。由于最后進行瓶體內部建模，兩個瓶體為花瓶，內部為鏤空結構，因此接下來可通過旋轉命令對內部進行建模。

4 創新設計

利用Geomagic Design X軟件可以為重構的花瓶數字化模型添加其他結構，另外，采用Materialise Magics軟件也可以對重構的數字化模型進行創新設計，比如添加文字等等，創新設計結果如圖17所示。

5 結束語

逆向設計主要應用于產品外觀表面的設計，本文中所研究的兩個瓶體均為非規則表面瓶體，具有一定的代表性。前期數據采集階段，掃描此類瓶體側立面較易過渡，因此可先掃描側立面特征較集中區域，再掃描上下底面。此類瓶體的特點是表面非規則、花紋較平整無尖角或明顯凹陷。因此利用自動曲面擬合進行逆向設計相比其他方法將更加容易，精度也將更高。并且適當靈活地對擬合網格進行調整最終也能實現較理想的擬合結果。

參考文獻：

[1]成思源.楊雪榮.Geomagic Studio逆向建模及應用技術[M].清華大學出版社，2016，8.

[2]成思源.楊雪榮.Geomagic Design X逆向設計技術[M].清華大學出版社，2017，12.

[3]張德海.三維數字化建模與逆向工程[M].大學出版社，2016，5.