李克骄
【摘 要】智能制造促使高性能加工中心、3D打印、增材制造、快速成型技术迅猛发展,CAD/CAM技术也由二维逐步转向三维.三维数据模型的逆向建模技术以其设计高效、研发周期短、设计成本低等优势受到越来越广泛的重视.该文对逆向建模的实现方法进行了探讨和研究,特别针对逆向建模依靠实物外表面特征建模的特点及实现方法进行了深入阐述. 【期刊名称】《自动化与仪表》
发动机油封【年(卷),期】2018(033)008
【总页数】5页(P104-108)
【关键词】三维数据模型;三维扫描;领域组;曲面建模;逆向建模
【作 者】李克骄
【作者单位】天津城市职业学院新华分院 计算机系,天津 300040
【正文语种】中 文
【中图分类】TB237
“中国制造2025”是我国政府实施制造强国战略第一个十年的行动纲领。制造业是国民经济的主体，是立国之本、兴国重器、强国基石。没有强大的制造业，就没有国家和民族的昌盛。打造具有国际竞争力的制造业，是我国提升综合国力、保障国家安全、建设世界强国的必由之路。“智能制造工程”作为“中国制造2025”五大工程之一，强调了生产智能化和产品设计的先进性。
制造业同时也是我国吸纳就业人数最多的行业，随着制造业的产业升级，制造业对高端技能型产业工人的需求量也在日益增加，相关技术人才培养迫在眉睫。本人近几年以来一直致力于逆向工程技术的人才培养、教学和研究，希望通过本篇文章将有关逆向建模相关技术和同业者进行分享和探讨。
1 逆向建模及逆向设计的概念
1.1 三维数据模型及现代应用
计算机辅助设计（CAD）辅助制造（CAM）范畴内的数据模型是指，将实际物体的特征进行数字化，通过3D数据建模软件形成标准的3D数据模型文件。三维模型是物体的多边曲线及曲面表示，通常会用计算机或视频方式进行显示。所呈现的物体可以是现实世界的实体，也可以是虚构的物体。三维数据模型除去在制造领域的应用，同时还可应用于各种不同的领域。例如在医疗行业人体器官的精确模型；电影行业的动画人物造型；视频游戏产业将它们作为计算机与视频游戏中的资源；在生物科学领域将它们作为化合物的精确模型[2]。
另外，互联网的形态一直以来都是2D模式的，但是随着3D技术的不断进步，将会有越来越多的互联网应用以3D的方式呈现给用户，以发展势头迅猛的电子商务为例，3D商品展示技术可以在网页中将商品以立体方式交互展示，消费者可以全方位观看商品特征，直观地了解商品信息，未来电子商务市场对三维数据建模这一技术同样渴望[2]。
由于三维数据模型将实物进行了数字化，因此相当于实现了“实物”在网上的传播。例如，你可以在网上下载一个台灯的数据模型，进行简单的个性化设计修改，然后通过网络发送给3D打印或快速成型的制造工厂。工厂将打印好的成品快递给你，如此等同我们从网上下
大功率led天花灯
载了一个我们喜欢的个性化的物品。由此可见，3D打印技术和快速成型技术促进了数据模型设计的发展。
1.2 正向设计与逆向设计
数字式水表计算机辅助设计（CAD）辅助制造（CAM）通常分为两种，一种称为“正向设计”，第二种即为逆向设计，如图1所示。正向设计是指从概念设计到CAD数据建模的设计过程，产品造型设计的正向设计一般流程：概念设计→CAD/CAM系统设计 （正向建模）→制造系统→ 新产品。逆向设计是一种利用真实物体创建数字化数据以用于快速形成产品的技术，逆向设计的一般流程：实物→三维扫描（数据采集）→数据处理→模型重构（逆向建模）→3D打印切片程序/数控编程→3D打印/数控加工/快速成型→新产品[1]。
图1 正向设计与逆向设计Fig.1 Forward design and reverse design
生殖器疱疹新药1.3 逆向设计的优势
对于外观曲线特征较复杂的产品，正向设计的方法有其先天不足，这主要体现在设计难度大、设计周期较长、成本高、产品研制开发较困难。如果能有一种快速迭代的产品设计形
式，可以借鉴类似的现有成品，即可大大缩短设计周期，也可以让产品设计的成本大大下降。正是在这样的背景下，发展并形成了逆向设计的方法。
由于逆向设计的方法有产品模型和现有产品做比对，其结果相对于概念化或电脑虚拟设计更接近真实产品，从而能迅速到产品的设计缺陷，改进产品设计，缩短产品设计周期。当然在新产品研发设计过程中，通常将正向/逆向设计结合使用。
2 逆向建模的实现方法
2.1 三维扫描
41478网络电视在逆向设计中，三维测量分接触式和非接触式两种，三维扫描属于非接触测量技术，又称三维视觉测量技术或面结构光三维扫描技术。他是一种集光、机、电和计算机辅助设计技术于一体的立体视觉测量技术。主要用于对物体空间外形、结构和彩进行扫描，以获得物体表面的三维数据又称点云数据[3]。结构光三维测量系统的测量原理如图2所示，光源经过投射系统将光栅条纹投射到被测物体上，经过被测物体形面调制形成测量条纹，由双目相机采集测量条纹图像，进行解码和相位计算，最后利用外极线约束准则和立体视觉技
术获得测量曲面的三维数据。面结构光三维测量系统主要由五部分组成：图像采集、相机标定、特征提取、立体匹配、三维点云计算和处理。
图2 三维扫描原理Fig.2 Three-dimensional scanning principle
三维扫描采集一次数据只能得到被测物体的一个面点云数据，要得到物体完整的三维点云，需进行多次多视角测量扫描。由于在不同视角进行测量时的坐标系不同，所以必须将多视角下测量的曲面三维数据进行匹配。将其转换到同一坐标系下，以得到物体整个表面完整的点云信息，这个过程称为点云数据拼接。
线圈电磁铁三维拼接技术的实质是把在不同的局部坐标系中扫描得到的数据点云进行坐标转换，得到最佳的数据匹配合并方案。在三维测量过程中，可以利用被测物体表面放置的标志点进行识别、匹配和拼接。因此在扫描前需要对被测物体进行贴点操作也称放置标志点，其目的就是为三维拼接提供依据。拼接完成后就获得了完整物体空间外形的三维点云数据，导出此数据，然后就可以导入逆向建模软件进行三维数据模型的设计了。接下来本文以Geomagic Design X软件为例介绍逆向三维建模实现过程。
2.2 优化点云及修补面片
在Geomagic Design X中导入三维扫描获取点云数据后需进行消除噪点、等点云数据的优化处理。同时由于点云数据由于数量巨大，少则几百万多则上千万，因此是无法由点云完成数据模型的建立。所以点云优化后需转换成三角面片，也就是说提供给建模软件的实物外表面是有无数个小的三角面片组成的，此又称为面片数据。由于扫描精度以及实物本身的缺陷包括扫描环境的影响，使得面片或多或少会存在一些缺陷。所以修补面片是下一步建模的基础工作，这其中包括：表面漏洞修补、空穴修补、完整度修补、表面光顺度修补、去除或加强特征修整、境界修整等，其目的就是使得面片数据所反映的实物外表面特征尽可能接近实物，特别关键特征尽量与实物保持一致。扫描点云及面片如图3所示。
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