论文部分内容阅读
摘 要： 本文研究了应用UG软件对“点云”数据进行曲面重构的过程：扫描线的生成、扫描线的排序、曲面裁剪和曲面的拼接直至曲面的构成，提出了一种先平面裁剪后拼接融合的多个小平面拼接方法，可使多个曲面光滑地连接成为一体。
关键词： 点云 逆向工程 三维曲面 模型重构
一、引言
CAD/CAM技术的日益成熟，并与现代加工设备的有机结合，只要有了三维CAD模型，就可实现对产品进的新设计和各种工程分析，结合产品开发的要求进而创造出新产品。
二、基于UG软件的玩偶曲面重构
在玩偶的曲面逆向工程中，玩偶曲面重构是设计玩偶CAD模型构建的关键。这里重点以玩偶的点云数据为对象，对玩偶曲面的特征曲线进行重构，如图1所示。在对玩偶曲面的构建之前，首先对玩偶曲面构建进行规划，通过分析玩偶曲面的结构特征，可以将玩偶点云数据曲面的构建分为5部分：耳朵、脸、眼睛、嘴巴、鼻子，对这五个部分分别进行曲面构建后再进行拼合，如图2所示。在玩偶曲面的重构过程中，为了便于元素的选择，采取了将耳朵、脸、眼睛、嘴巴、鼻子分别建立在不同的层上，各自的特征线也归属于自己的层，这样便于玩偶各部分曲面重构方便操作。
（一）玩偶逆向建模曲线构建
特征线是CAD模型重构的重要信息，特征线构建质量直接影响逆向建模的质量。本节以玩偶的点云数据为例，说明应用UG软件构建曲线的过程。对于以自由曲面为主要构成要素的产品，型面分析师建模规划的主要内容，即如何将一个复杂曲面产品分解成单张自由曲面。以玩偶点云数据为例，该CAD模型可以分解为耳朵、脸、眼睛、嘴巴、鼻子，这些部分又可以再次细分为四边形构成的曲面。
将玩偶点云数据作截面点，形成一条水平截面线。截面点云数据以X=0坐标平面呈对称。故在轮廓线的构建过程中，只要构建一般的曲线轮廓，然后使用镜像操作就可生成全部的曲线轮廓。
对玩偶耳边边界曲面由截面点云数据插值生成，以此选择点云数据生成一条B样条曲线，由于耳朵边沿曲线变化平缓，在取点时尽量使插值点分布均匀，分析重构曲线的曲率分布情况。
对耳边曲线进行光顺处理，比较生成曲线与点云数据的偏差，并对点云数据进行插值生成圆弧曲线后，对点云数据进行B样条曲线生成。
对点云数据进行插值生成圆弧曲线并进行镜像操作，桥接对称曲线在对称曲面附近的部分。由于桥接的曲线两两并不相接，为使曲线首尾相连，首先要对曲线进行延伸使其相互相交，即延伸所有的曲线，对相交曲线进行修剪。
玩偶眼部轮廓曲线由眼部点云数据插值生成一条B样条曲线。同样对曲线的曲率分析，进行曲线光顺处理后，曲线与点云的偏差会增大，因而在后续的操作中需要对曲线继续编辑处理，通过调整B样条曲线的控制点，使重构B样条曲线与点云数据尽可能接近。然后对眼部曲线进行编辑、镜像、桥接处理。按照上述同样的构建思路对玩偶点云数据中嘴巴部分的曲线、鼻子部分的曲线、舌头部分的曲线进行重构。
对玩偶点云数据眼睛部分的点云进行提取，并分割点云数据，保持原有的点云数据。
（二）玩偶逆向建模曲面重构
玩偶的自由曲面比较复杂，用一张曲面来拟合所有的数据点是不可能的。前面提到了可以分为5部分：耳朵、脸、眼睛、嘴巴、鼻子，本节结合UG软件的曲面造型分析玩偶逆向曲面重构的过程。
1.耳朵的曲面重构
耳朵部分的曲面构建可以通过顶部的点云拟合出一个曲面，耳朵侧面由其轮廓线拉伸形成，然后通过倒圆角命令生成圆弧过渡，从而完成耳朵部分的曲面构建，最后将点云显示出来。
2.脸部的曲面重构
脸部的曲面重构与耳朵部分的曲面构建相似，首先通过脸部的特征线将脸部的点云数据提取出来，然后基于点云数据进行曲面拟合，侧面曲面也是通过拉伸的方式建立起来的，然后通过倒圆角命令生成圆弧过渡，完成脸部分的曲面构建。
3.脸部与耳朵部分的曲面修剪
脸部与耳朵部分的曲面存在部分相交，对相交的部分进行修剪，首先求出脸部曲面与耳朵部分曲面之间的交线，然后，通过修剪命令修剪脸部曲面和耳朵部分的曲面。
4.眼睛部分的曲面重构
眼睛部分的曲面重构与脸部的曲面构建相似，首先通过眼睛部分的特征线将眼部的点云数据取出来，然后基于点云数据进行曲面拟合。将拟合曲面扩展后，将特征线投影到重构面上，然后进行裁剪完成面的重构。
5.眼珠部分的曲面重构
首先通过交互方法将眼珠的点云数据提取出来，然后，生成底部椭圆面，由上面的椭圆轮廓创建5条特征线，由包围的4条线提取点云，再由线与点云重构曲面，以此完成眼珠部分的曲面重构。
6.鼻子的曲面重构
首先通过交互的方法将鼻子部分的点云数据提取出来，然后，去掉鼻尖部分的点云，对处理过的点云进行曲面拟合，鼻尖部分的曲面重构方法与此相似，最后通过倒圆角命令生成完成的曲面。
7.嘴巴部分曲面的构建
首先在原始点云上构建嘴巴部分的特征线，通过延伸、拼接形成四边形，然后由4条边提取点云数据，再由4条边及点云数据构造曲面。嘴巴部分是对称结构，中间部分通过Blend命令生成曲面，舌头部分的曲面构建方法与鼻尖曲面构建方法相同。
至此所有的基本曲面重构已经完成，嘴巴、鼻子和眼睛部分交界的曲面使用了求出交线的方法，最后进行各个曲面修剪。
三、结语
本文就逆向建模技术中所涉及的曲面重构及造型进行叙述。曲面是逆向建模技术中关键的几何要素之一，本文重点介绍曲面重构及其相关的边界操作，并结合UG软件给出了玩偶进行曲面的逆向建模及造型。
参考文献：
[1]产品CAD/CAM逆向工程[J].计算机辅助设计与制造，1997（3）：11-14.
[2]许智置.3D逆向工程技术[M].北京：中国计量出版社，20024.
[3]杜静.基于特征的曲面模型重建方法[J].重庆大学学报（自然科学版），2002（7）：148-157.
关键词： 点云 逆向工程 三维曲面 模型重构
一、引言
CAD/CAM技术的日益成熟，并与现代加工设备的有机结合，只要有了三维CAD模型，就可实现对产品进的新设计和各种工程分析，结合产品开发的要求进而创造出新产品。
二、基于UG软件的玩偶曲面重构
在玩偶的曲面逆向工程中，玩偶曲面重构是设计玩偶CAD模型构建的关键。这里重点以玩偶的点云数据为对象，对玩偶曲面的特征曲线进行重构，如图1所示。在对玩偶曲面的构建之前，首先对玩偶曲面构建进行规划，通过分析玩偶曲面的结构特征，可以将玩偶点云数据曲面的构建分为5部分：耳朵、脸、眼睛、嘴巴、鼻子，对这五个部分分别进行曲面构建后再进行拼合，如图2所示。在玩偶曲面的重构过程中，为了便于元素的选择，采取了将耳朵、脸、眼睛、嘴巴、鼻子分别建立在不同的层上，各自的特征线也归属于自己的层，这样便于玩偶各部分曲面重构方便操作。
（一）玩偶逆向建模曲线构建
特征线是CAD模型重构的重要信息，特征线构建质量直接影响逆向建模的质量。本节以玩偶的点云数据为例，说明应用UG软件构建曲线的过程。对于以自由曲面为主要构成要素的产品，型面分析师建模规划的主要内容，即如何将一个复杂曲面产品分解成单张自由曲面。以玩偶点云数据为例，该CAD模型可以分解为耳朵、脸、眼睛、嘴巴、鼻子，这些部分又可以再次细分为四边形构成的曲面。
将玩偶点云数据作截面点，形成一条水平截面线。截面点云数据以X=0坐标平面呈对称。故在轮廓线的构建过程中，只要构建一般的曲线轮廓，然后使用镜像操作就可生成全部的曲线轮廓。
对玩偶耳边边界曲面由截面点云数据插值生成，以此选择点云数据生成一条B样条曲线，由于耳朵边沿曲线变化平缓，在取点时尽量使插值点分布均匀，分析重构曲线的曲率分布情况。
对耳边曲线进行光顺处理，比较生成曲线与点云数据的偏差，并对点云数据进行插值生成圆弧曲线后，对点云数据进行B样条曲线生成。
对点云数据进行插值生成圆弧曲线并进行镜像操作，桥接对称曲线在对称曲面附近的部分。由于桥接的曲线两两并不相接，为使曲线首尾相连，首先要对曲线进行延伸使其相互相交，即延伸所有的曲线，对相交曲线进行修剪。
玩偶眼部轮廓曲线由眼部点云数据插值生成一条B样条曲线。同样对曲线的曲率分析，进行曲线光顺处理后，曲线与点云的偏差会增大，因而在后续的操作中需要对曲线继续编辑处理，通过调整B样条曲线的控制点，使重构B样条曲线与点云数据尽可能接近。然后对眼部曲线进行编辑、镜像、桥接处理。按照上述同样的构建思路对玩偶点云数据中嘴巴部分的曲线、鼻子部分的曲线、舌头部分的曲线进行重构。
对玩偶点云数据眼睛部分的点云进行提取，并分割点云数据，保持原有的点云数据。
（二）玩偶逆向建模曲面重构
玩偶的自由曲面比较复杂，用一张曲面来拟合所有的数据点是不可能的。前面提到了可以分为5部分：耳朵、脸、眼睛、嘴巴、鼻子，本节结合UG软件的曲面造型分析玩偶逆向曲面重构的过程。
1.耳朵的曲面重构
耳朵部分的曲面构建可以通过顶部的点云拟合出一个曲面，耳朵侧面由其轮廓线拉伸形成，然后通过倒圆角命令生成圆弧过渡，从而完成耳朵部分的曲面构建，最后将点云显示出来。
2.脸部的曲面重构
脸部的曲面重构与耳朵部分的曲面构建相似，首先通过脸部的特征线将脸部的点云数据提取出来，然后基于点云数据进行曲面拟合，侧面曲面也是通过拉伸的方式建立起来的，然后通过倒圆角命令生成圆弧过渡，完成脸部分的曲面构建。
3.脸部与耳朵部分的曲面修剪
脸部与耳朵部分的曲面存在部分相交，对相交的部分进行修剪，首先求出脸部曲面与耳朵部分曲面之间的交线，然后，通过修剪命令修剪脸部曲面和耳朵部分的曲面。
4.眼睛部分的曲面重构
眼睛部分的曲面重构与脸部的曲面构建相似，首先通过眼睛部分的特征线将眼部的点云数据取出来，然后基于点云数据进行曲面拟合。将拟合曲面扩展后，将特征线投影到重构面上，然后进行裁剪完成面的重构。
5.眼珠部分的曲面重构
首先通过交互方法将眼珠的点云数据提取出来，然后，生成底部椭圆面，由上面的椭圆轮廓创建5条特征线，由包围的4条线提取点云，再由线与点云重构曲面，以此完成眼珠部分的曲面重构。
6.鼻子的曲面重构
首先通过交互的方法将鼻子部分的点云数据提取出来，然后，去掉鼻尖部分的点云，对处理过的点云进行曲面拟合，鼻尖部分的曲面重构方法与此相似，最后通过倒圆角命令生成完成的曲面。
7.嘴巴部分曲面的构建
首先在原始点云上构建嘴巴部分的特征线，通过延伸、拼接形成四边形，然后由4条边提取点云数据，再由4条边及点云数据构造曲面。嘴巴部分是对称结构，中间部分通过Blend命令生成曲面，舌头部分的曲面构建方法与鼻尖曲面构建方法相同。
至此所有的基本曲面重构已经完成，嘴巴、鼻子和眼睛部分交界的曲面使用了求出交线的方法，最后进行各个曲面修剪。
三、结语
本文就逆向建模技术中所涉及的曲面重构及造型进行叙述。曲面是逆向建模技术中关键的几何要素之一，本文重点介绍曲面重构及其相关的边界操作，并结合UG软件给出了玩偶进行曲面的逆向建模及造型。
参考文献：
[1]产品CAD/CAM逆向工程[J].计算机辅助设计与制造，1997（3）：11-14.
[2]许智置.3D逆向工程技术[M].北京：中国计量出版社，20024.
[3]杜静.基于特征的曲面模型重建方法[J].重庆大学学报（自然科学版），2002（7）：148-157.