基于ICEM-SURF環境的汽車點云逆向建模技術研究

邢魚弟 馬寧

摘 要：計算機輔助設計數字技術近年來在汽車造型研發中的應用取得了長足進步，逆向數字建模技術的應用能夠大大縮短汽車產品開發周期，提升研發效率，是現代汽車造型研發流程中必不可缺的環節。ICEM-SURF被公認為建立和修改A級曲面的優選，其通過獨有的直接建模及全局建模技術能夠令整個模型細節以全交互和動態方式為數字模型師提供一個便捷有效的解決方案。本文基于ICEM-SURF在實際汽車產品研發中的應用情況，介紹了汽車造型點云逆向建模的關鍵技術及基本工作思路。

關鍵詞：ICEM-SURF;逆向;建模

1 逆向工程定義

逆向工程起源于質量檢驗及精密測量。目前，關于逆向工程的研究及應用基本上都集中在對實物的逆向重構方面，這種從實物樣件獲取產品數模并最終制造得到新產品的技術已發展成為一個相對獨立的研究領域。對逆向工程比較全面的定義是：將實物轉變為CAD模型相關的幾何重建技術、數字化技術以及產品制造技術的總稱，是將已有產品或實物模型轉化為概念或工程設計制造數學模型，并以此為基礎對現有產品進行剖析和再創造的過程。本文的研究集中在幾何模型重建部分，下面以克萊斯勒PT漫步者的外造型開發為例，如圖1所示，讀者們可以感性認識一下逆向工程在整車開發中所扮演的角色及大致流程。

2 數據逆向前的準備工作

汽車造型逆向就是將汽車實車或油泥模型轉化為數字設計模型，即利用反求軟件對汽車內外所有可見的實體表面進行幾何重新生成的過程。同時滿足曲面質量、造型美學及工程技術的要求是我們對高品質逆向的極致追求，因此在數據逆向前往往需要做一些準備工作。

2.1 充分理解造型

逆向建模不能貿然進行，逆向建模前必須對原有造型進行揣摩、推敲從而最終實現還原，即最關鍵之處就是讀懂造型。因此，在逆向前應多觀察實物模型而不僅僅從點云出發，有條件的設計人員甚至可以參與油泥模型的制作與評審以充分理解設計師的創意意圖。

2.2 確定質量目標

對已經完成制作的實物模型或用于掃描的樣件、樣車，應了解其是否滿足一定的結構尺寸要求，是否有改進和改型的需要，是否有特定的功能要求。基于質量目標信息，擬定相關的技術協定，合理安排資源，按需開展逆向建模工作。質量目標中很重要的幾點，包括應體現逆向曲面與實物的吻合程度、逆向曲面的主要用途、時間節點等等。

2.3 技術要求及參考信息

在正式逆向建模前還需準備好DTS（尺寸控制）要求文件、模型或零件的細節照片等。

3 點云數據處理

掃描是采用立體照相的方法，將實體模型轉化為掃描數據模型的過程。有了掃描數據后即可運用反求軟件進行精確數學模型的重構工作。

本文以基于ICEM-SURF（以下簡稱ICEM）軟件的某車型外造型逆向為例，在接到點云數據后，我們需要做的主要工作有：點云三角化及格式處理、點云拼接、完整性檢查、采樣、降噪、對稱分析、點云分塊等等。

3.1 點云預處理

（1）采樣：采樣也就是對點云進行稀釋。由于激光掃描獲得的點的數目相當龐大，如果直接以此為基礎進行逆向工作，將會造成處理速度變慢、存儲文件過大，既費時而且對過程控制的難度也加大。因此，有必要在保證適當數據精度的條件下減少點的數據量，在ICEM中我們可以利用Filter命令來達到對點云合理稀釋的目的。點采樣距離誤差根據對樣件或模型精度的要求進行設定。如圖2。

（2）點云三角化：由于逆向設計時需要對點云有很好的可視性，而只有經過三角化的點云才能平滑顯示，并且三角化后的點云可以實現切割截面線的操作，因此需先將點集三角化，借助ICEM軟件中的Triangulation命令我們可以順利實現點云三角化。如圖3。

（3）點云拼接及坐標對齊：點云拼接及對坐標時，由于整車尺寸比較大，而激光掃描采集點數又比較多，故掃描時是對整車分塊掃描后，最后才將各部分點云拼接到一起的，在ICEM軟件利用Merge命令可將點云合并。區別于改型設計中需要將局部模型對到原車整車坐標，本次是整車掃描，故我們只需要找到點云的對稱中心并按汽車坐標常規位置（坐標原點在前軸線上）通過平移、旋轉將點云移到合適位置就可以了。

（4）點云除噪：將掃描測量時由于測量誤差造成的與物體表面差異過大的點刪除。

3.2 對掃描點云進行數據分析

（1）觀察點云的完整性，如果有比較嚴重的缺失影響到曲面構建則需要發回重掃或局部補掃;

（2）在對正坐標之后分析點云對稱性，取較好的一半進行逆向設計;

（3）觀察零件分縫、確認零件間的間隙、面差顯示完整。

4 逆向建模主要步驟

逆向建模主要技術路徑如圖4所示。

5 逆向建模案例

5.1 條件輸入

（1）點云：經過三角化、除噪、合理稀釋、對正坐標等處理的點云;

（2）實車或照片：實車或實車照片供逆向建模參考，主要是避免對造型的誤讀;

（3）斷面或 DTS文件：拆車過程中手工記錄的斷面和拆車前量取的DTS;

（4）附件數據 ：直接可以借用而無需再通過逆向得到的數模，如LOGO數模。

5.2 定義建模精度

為保證曲面質量，曲面階次不應超過7 階，并保證曲面控制點分布合理。曲面段數非必要情況下不超過1。曲面連續性要求根據各主機廠的具體要求進行設置、控制。一般要求為G0不大于0.005mm;G1不大于0.1°;G2一般不大于0.1，根據高光平順性及造型意圖做取舍;對稱面需要做到G3連續。

5.3 繪制主要特征線

要將曲面形態控制好首先需對整體關鍵特征線作好控制，要求曲線光順并保證達到曲率連續。造型特征有特殊需要的地方可以做成位置連續。

5.4 繪制基礎曲面

（1）構建側窗玻璃面及前后擋風玻璃面：側窗玻璃面一般有雙曲面和單曲面兩種，面包車側面造型相對簡單，一般為單曲面，曲率半徑一般在2000-4000mm之間。在ICEM中可以利用曲面旋轉或Barrel命令實現玻璃面的構建。

前后風擋玻璃面關鍵在于對稱面的連續性控制，即需達到G3連續。曲面階次根據造型復雜程度設置，一般5-6階即可。曲面構建時注意控制與頂蓋、側圍的段差關系，做到段差均勻或規律變化。如圖5所示。

（2）構建車身側面曲面及頂蓋曲面

車頂曲面構建同樣需要做到對稱面G3連續，大過渡面間需達到G2以上連續。頂蓋加強筋特征以頂蓋大面為基礎構建，側面流水槽與側圍保持規律的段差關系。

側面曲面構建時需先完成輪包區域曲面構建，以此為基礎控制側面大面與輪包及玻璃面的關系，同時考慮與翼子板、側圍等的銜接關系。大面及大過渡面之間達到G2以上連續。示例如圖6。

（3）構建前后臉基礎面

前后臉造型特征繁多，構建基礎曲面時往往難以準確把握大面的分面邊界。在ICEM中我們可以借助高斯曲率、Feature Line等多種手段幫助判斷。對稱曲面同樣需要做到G3連續。格柵、燈具與發罩、翼子板的DTS關系需要準確體現出來。前臉基礎曲面及細節特征逆向設計示例如圖7。

5.5 繪制細節曲面

有了基礎曲面接下來要考慮在這些大面上增加特征、過渡面、連接面，在做細節曲面的時候同樣要注意控制特征線和邊界線。完成所有細節添加，未倒圓最終整體效果如圖8所示。

5.6 倒圓

完成所有細節曲面的鋪構之后進行倒角工作。一般的倒圓順序為先大后小、先正后反。

倒圓大小控制主要考慮參考點云，確保工藝可行性、法規可行性等幾點。

5.7 檢查與完善

在數據正式輸出之前需要進行數據的檢查與最終完善確認。主要包括（1）與點云吻合度檢查，通過切割截面線并測量偏差的方法檢測。（2）對稱性檢查，可通過切割截面線并打開斷面曲率疏來檢測;（3）連續性檢查等。

5.8 數據輸出

輸出數據必須整潔，曲面不多不少，不含尖角、沒有未裁剪曲面。根據不同要求，輸出對應數據格式一般有STP、IGES、PART等。ICEM的文件格式為.db，但通過一組完善、直觀及標準的CAD接口， ICEM Surf可以很方便地與任何CAD系統集成。

6 結束語

逆向建模技術在汽車造型開發中發揮著十分重要的作用，是正向開發流程中不可或缺的一環，ICEM-SURF在A級曲面構建領域的專業性不容置疑且廣受推崇。本文對ICEM-SURF環境下逆向建模技術的應用研究相信能為汽車數字設計領域提供一套可行的解決方案及啟發性的思路。

參考文獻：

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