基于CATIA的自由曲面曲面重構(gòu)方法

1、基于CATIA V5的逆向工程自由曲面重構(gòu)技術(shù)何 偉 （.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)海洋學(xué)院，河北 秦皇島066003）摘要：以 CATIA V5為平臺，對以蝦仁為代表的自由曲面散亂點(diǎn)云數(shù)據(jù)，采用“控制點(diǎn)調(diào)面”的方法完成了曲面重構(gòu)，并對其構(gòu)建步驟進(jìn)行了詳盡的描述，進(jìn)而提出這一曲面精準(zhǔn)重構(gòu)方法的應(yīng)用技巧。關(guān)鍵詞：逆向工程；CATIA V5；曲面重構(gòu)；控制點(diǎn)調(diào)面中圖分類號： TH122 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0 引言自由曲面形狀復(fù)雜，其曲面重構(gòu)一直是逆向工程研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)之一。逆向工程上NURBS設(shè)計(jì)技術(shù)最常使用的作業(yè)模式是對點(diǎn)云數(shù)據(jù)應(yīng)用控制多邊形或者逼近的方法創(chuàng)建初始造型16。一般采用工程技術(shù)中常規(guī)構(gòu)面

2、手段，如CATIA由線架構(gòu)用逼近方法構(gòu)面有多種辦法，可采用的有：GSD模塊中的放樣曲面（Loft）、填充曲面（Fill）和掃描曲面（Sweep）；FSS模塊中的填補(bǔ)曲面（Fill）、外形擬合（Fit to Geometry）、掃掠曲面（Styling Sweep）和網(wǎng)格曲面。但對于醫(yī)療領(lǐng)域中人贗耳、鼻和假肢等人體器官7，8和玩具行業(yè)中布絨填充類玩具9等三維實(shí)體的逆向重構(gòu)，經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)證明其效果沒有針對性且精度上差強(qiáng)人意。本文以CATIA V5 R16為平臺，針對以蝦仁為代表的自由曲面的散亂點(diǎn)云數(shù)據(jù)，采用“控制點(diǎn)調(diào)面”法完成其曲面重構(gòu)并提出這一方法的應(yīng)用技巧。1 蝦仁曲面重構(gòu)線架構(gòu)并打截面線做“4

3、點(diǎn)平面”并進(jìn)行切割對所創(chuàng)建的各段曲面與鋪面之間作距離分析通過修復(fù)、連接等功能完成蝦仁整體構(gòu)面利用斑馬線分析功能進(jìn)行蝦仁曲面光順評價(jià)利用“控制點(diǎn)”命令進(jìn)行調(diào)面完成每段構(gòu)面按如圖1所示流程對處理好的蝦仁點(diǎn)云進(jìn)行曲面重構(gòu)，先進(jìn)行線架構(gòu)，然后采用 “控制點(diǎn)調(diào)面”的方法構(gòu)建蝦段曲面，再通過蝦段曲面間的調(diào)整構(gòu)建蝦仁全部外表面，在此過程中需要做截面線并進(jìn)行曲面質(zhì)量評價(jià)。這里重點(diǎn)探討如何采用“控制點(diǎn)調(diào)面”法完成蝦段曲面重構(gòu)，以蝦尾某段體節(jié)為例。圖 1曲面重構(gòu)流程Figure1 Flowchart of surface reconstruction1.1蝦段曲面重構(gòu) 做截面線首先完成此段蝦尾特征曲線線架構(gòu)，如圖

4、2所示。其次激活該段點(diǎn)云，利用截面線功能在此點(diǎn)云上打截面（切片），獲取斷面掃描交線（先以zx為基準(zhǔn)面，再以xy為基準(zhǔn)面），其過程如圖3所示。注意參數(shù)設(shè)置：間距（step）=0.5mm。圖2 蝦尾某段線架構(gòu)Figure 2 One section of shrimp tail curve frame(a) 截面線對話框 (b) 截面線（切片）制作過程 (c)截面線制作結(jié)果(a) Dialog box of planar section (b) Establish planar section (c) The result of planar section圖 3截面線制作過程 Figure3 E

5、stablish planar section 做并切割4點(diǎn)面首先進(jìn)入FSS模塊點(diǎn)擊四點(diǎn)面按鈕，做N、V方向均為4階1段的4點(diǎn)Nupbs平面。然后點(diǎn)擊切割曲面按鈕切割做好的四點(diǎn)面，同時(shí)注意：使用指南針方位工具欄以zx、xy兩個(gè)方位切割，間距值（step）同樣取0.5mm，如圖4所示。 (a) 四點(diǎn)面 (b) 四點(diǎn)面切割結(jié)果 (a) 4-point patch (c) The result of cutting plane圖 4做并切割4點(diǎn)面Figure 4 Making and Cutting 4-point patch 構(gòu)面利用“控制點(diǎn)調(diào)面”法完成蝦尾此段體節(jié)的曲面重構(gòu)，暫時(shí)隱藏鋪面和點(diǎn)云截

6、面線。首先點(diǎn)擊控制點(diǎn)編輯按鈕打開控制點(diǎn)對話框，在其中Support選項(xiàng)區(qū)域中選中控制點(diǎn)沿法向移動按鈕，激活上面做好的4點(diǎn)面，將Nv改為5，Nu改為3，按順序拉動控制點(diǎn)拉桿從中部拉起4點(diǎn)面如圖5所示。圖5中部拉起4點(diǎn)面Figure 5 Draw from middle part然后將Nv改為3，Nu改為4，控制點(diǎn)對話框Support選項(xiàng)區(qū)域中選中沿控制網(wǎng)格線移動按鈕，將增加的網(wǎng)格線移至上部調(diào)上凸起，再將Nu改為5，將增加的網(wǎng)格線移至下部調(diào)下凸起，如圖6所示。進(jìn)而再將Nu改為6調(diào)整其余若干小凸起如圖7。圖 6調(diào)上下凸起Figure 6 Adjust upper and down heave激活點(diǎn)云

7、及截面線，繼續(xù)微調(diào)，使四點(diǎn)面切割網(wǎng)格與點(diǎn)云截面網(wǎng)格線盡量吻合，構(gòu)面結(jié)束。如圖8所示。圖 7調(diào)整小凸起Figure 7 Adjust small heave (a)微調(diào) （b）構(gòu)面結(jié)果 (a)Fine adjustment （b）The result of surfacing 圖 8微調(diào)、構(gòu)面結(jié)果Figure 8 The result of fine adjustment and surfacing 曲面質(zhì)量評價(jià)對所創(chuàng)建的曲面與鋪面之間作距離分析如圖9所示?？梢姸呔嚯x最大值為0.632mm，最小值為0.31mm，調(diào)面精度較高。 （a）距離分析預(yù)覽 （b）有限顏色范圍顯示 （a）Preview

8、of distance analysis （b）Display of limited color 圖9距離分析Figure 9 Distance analysis1.2 蝦仁整體曲面重構(gòu)構(gòu)建蝦仁整體外表面按上面方法完成蝦仁各段體節(jié)曲面重構(gòu)并做好蝦腳，然后各段曲面間作連續(xù)性處理10，結(jié)果如圖10(a)所示。在GSD模塊中點(diǎn)擊對稱按鈕、修復(fù)按鈕和連接按鈕做鏡像、填充兩曲面間的微小間隙并連接各段曲面如圖48（b）所示。 (a)各段曲面重構(gòu) (b) 鏡 像 (a) One by one surfacing (b) Symmetry 圖 10蝦仁整體外表面 Figure 10 The whole shr

9、imp surface 整體外表面質(zhì)量評價(jià)由于蝦仁每段體節(jié)在構(gòu)面時(shí)均做了距離分析且段與段之間做了連續(xù)性控制，因此省略蝦仁整體外表面的連續(xù)性分析和其與鋪面、點(diǎn)云之間的距離分析。由于下一步將進(jìn)行蝦仁實(shí)體建模進(jìn)而完成蝦仁模具凹模的設(shè)計(jì)，考慮開模后魚糜與型腔表面不粘連以及蝦仁外表面光滑、無缺陷、無明顯拐角、銳利的凸出或凹進(jìn)的局部等要求，特進(jìn)行光順性評價(jià)。采用Automotive Class A模塊中的斑馬線分析功能，將顯示模式切換到材料顯示模式下，點(diǎn)擊斑馬線分析命令，分析結(jié)果如圖11所示。(a)斑馬線分析對話框 （b）結(jié)果1 （c）結(jié)果2(a) Dialog box of isophotes mapp

10、ing （b）Result1 （c）Result2 圖 11斑馬線分析 Figure 11 Isophotes mapping由分析結(jié)果可看到各蝦段曲面間及對稱后前后兩部分之間斑馬線黑色條紋是相連的，略微有微小的錯位，連結(jié)處有平緩的過渡，沒有尖銳的拐角?？烧J(rèn)為達(dá)到G1連續(xù)，十分接近G2連續(xù)。2 以蝦仁為代表的曲面精準(zhǔn)重構(gòu)的應(yīng)用技巧對于蝦仁這類物件的曲面重構(gòu)建議采用“控制點(diǎn)調(diào)面法”，而在調(diào)面時(shí)要注意：第一、創(chuàng)建的4點(diǎn)面和點(diǎn)云在網(wǎng)格分割時(shí)網(wǎng)格線的方向和間距（Step）要一致，以便最后微調(diào)精準(zhǔn)構(gòu)面；第二、將4點(diǎn)平面拉動逼近點(diǎn)云線架構(gòu)網(wǎng)格時(shí)，要逐步調(diào)整U、V方向的階數(shù)和網(wǎng)格線的位置，以便有規(guī)律的拉動控

11、制點(diǎn)拉桿全面逼近點(diǎn)云。第三、調(diào)面時(shí)注意使用由低到高的階次，應(yīng)注意階數(shù)不宜過高，最高不要超過8階，否則會造成控制點(diǎn)數(shù)量過多不宜控制調(diào)整。3 結(jié)語逆向工程是一門開拓性、綜合性和實(shí)用性很強(qiáng)的技術(shù)，曲面重構(gòu)是逆向工程實(shí)施過程中的重要環(huán)節(jié)。在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，整個(gè)過程需要大量的人機(jī)交互工作，操作者的經(jīng)驗(yàn)和素質(zhì)直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量，當(dāng)前各種研究成果并不能很好地兼顧到其在具體工程實(shí)踐中的應(yīng)用特點(diǎn)。本文以蝦仁這種柔軟的、尺寸較小的且均為自由曲面的散亂點(diǎn)數(shù)據(jù)曲面重構(gòu)為例，提出了有針對性的曲面重構(gòu)的策略和應(yīng)用技巧，可以推廣到其它仿真食品如模擬蝦蛄、蟹鉗和模擬干貝的成形零件的設(shè)計(jì)中去，對于具有同樣特點(diǎn)的醫(yī)療技術(shù)中需整形

12、患者的耳、鼻和面部等人體器官、組織和玩具行業(yè)中布絨填充類玩具等領(lǐng)域，同樣適用于該項(xiàng)技術(shù)。另外在汽車設(shè)計(jì)領(lǐng)域，如車身的外覆蓋件、車門等逆向造型過程中，有時(shí)也要借助“控制點(diǎn)調(diào)面”法做大面11。筆者運(yùn)用本文所總結(jié)的方法完成了人面部、烤鴨、布絨米老鼠玩具、車門等三維曲面重建，均獲得較高的反求精度，因此本文所提出的重構(gòu)方法有一定的應(yīng)用價(jià)值。參考文獻(xiàn)1 鐘綱，楊勛年，汪國昭平面無序點(diǎn)集曲線重建的跟蹤算法J 軟件學(xué)報(bào)，2002，13（11）：218821932 成媛媛，滿家巨，全惠云基于自適應(yīng)遺傳算法的點(diǎn)云曲線重建 J 中國圖像圖形學(xué)報(bào)，2006，11（9）：129312983 Kegl B，Linder

13、TLearning and design of principal curves J IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence，2000，22（3）：2812974 Goshtasby AGrouping and parameterizing irregularly spaced points for curve fitting 5 ACM Transactions on Graphics，2000，19（3）：1852036 Yang XN，Wang GZPlannar point set fairing a

14、nd fitting by arc splines J Computer Aided Geometric Design，2001，18（1）：35437王殊軼，錢省三，葛斌，等利用激光掃描與CADCAM技術(shù)進(jìn)行面部三維重建 J 中國組織工程與臨床康復(fù)，2007，11（26）：517651788劉林，許天民，張益，等激光掃描在面部畸形三維重建及測量中的初步應(yīng)用 J 口腔醫(yī)學(xué)，2005，25（6）：3453479王亮基于逆向工程技術(shù)的布絨玩具CAD系統(tǒng) D安徽：合肥大學(xué)，200610佟剛，趙宇明，張國忠基于少量測量數(shù)據(jù)點(diǎn)的曲面模型重建 J CAD/CAM與制造業(yè)信息化，2006（1）：969811

15、 冉險(xiǎn)生，黃澤好，林立基于CATIA V5的ATV曲面逆向設(shè)計(jì) J 重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)），2010（4）：54 58Free-Form Surface Reconstruction Technology in Reverse Engineering based on CATIA V5He Wei（Ocean College, Agricultural University of Hebei, Qinhuangdao 066003）Abstract: Taking the CATIA V5 system as platform, according to free-form surfac

16、e scattered point cloud data represented by shrimp, adopting a method called "adjusting patch by control points",we has finished surface reconstruction and steps of the reconstruction of surface are illustrated in detail, The application skills of precise surface reconstruction are introduced.Keywords: reverse engineering;CATIA V5; surface reconstruction；adjusting Patch by control points作者簡介： 何偉（1969-），碩士，副教授，研究方向?yàn)镃AD /CAM，針對漁業(yè)機(jī)械（魚蝦