基于CATIA的自由曲面曲面重构方法.doc

基于CATIA V5的逆向工程自由曲面重构技术何 伟 （.河北农业大学海洋学院，河北 秦皇岛066003）摘要：以 CATIA V5为平台，对以虾仁为代表的自由曲面散乱点云数据，采用“控制点调面”的方法完成了曲面重构，并对其构建步骤进行了详尽的描述，进而提出这一曲面精准重构方法的应用技巧。关键词：逆向工程；CATIA V5；曲面重构；控制点调面中图分类号： TH122 文献标识码：A 文章编号：0 引言自由曲面形状复杂，其曲面重构一直是逆向工程研究的热点和难点之一。逆向工程上NURBS设计技术最常使用的作业模式是对点云数据应用控制多边形或者逼近的方法创建初始造型16。一般采用工程技术中常规构面手段，如CATIA由线架构用逼近方法构面有多种办法，可采用的有：GSD模块中的放样曲面（Loft）、填充曲面（Fill）和扫描曲面（Sweep）；FSS模块中的填补曲面（Fill）、外形拟合（Fit to Geometry）、扫掠曲面（Styling Sweep）和网格曲面。但对于医疗领域中人赝耳、鼻和假肢等人体器官7，8和玩具行业中布绒填充类玩具9等三维实体的逆向重构，经反复试验证明其效果没有针对性且精度上差强人意。本文以CATIA V5 R16为平台，针对以虾仁为代表的自由曲面的散乱点云数据，采用“控制点调面”法完成其曲面重构并提出这一方法的应用技巧。1 虾仁曲面重构线架构并打截面线做“4点平面”并进行切割对所创建的各段曲面与铺面之间作距离分析通过修复、连接等功能完成虾仁整体构面利用斑马线分析功能进行虾仁曲面光顺评价利用“控制点”命令进行调面完成每段构面按如图1所示流程对处理好的虾仁点云进行曲面重构，先进行线架构，然后采用 “控制点调面”的方法构建虾段曲面，再通过虾段曲面间的调整构建虾仁全部外表面，在此过程中需要做截面线并进行曲面质量评价。这里重点探讨如何采用“控制点调面”法完成虾段曲面重构，以虾尾某段体节为例。图 1曲面重构流程Figure1 Flowchart of surface reconstruction1.1虾段曲面重构1.1.1 做截面线首先完成此段虾尾特征曲线线架构，如图2所示。其次激活该段点云，利用截面线功能在此点云上打截面（切片），获取断面扫描交线（先以zx为基准面，再以xy为基准面），其过程如图3所示。注意参数设置：间距（step）=0.5mm。图2 虾尾某段线架构Figure 2 One section of shrimp tail curve frame(a) 截面线对话框 (b) 截面线（切片）制作过程 (c)截面线制作结果(a) Dialog box of planar section (b) Establish planar section (c) The result of planar section图 3截面线制作过程 Figure3 Establish planar section 1.1.2 做并切割4点面首先进入FSS模块点击四点面按钮，做N、V方向均为4阶1段的4点Nupbs平面。然后点击切割曲面按钮切割做好的四点面，同时注意：使用指南针方位工具栏以zx、xy两个方位切割，间距值（step）同样取0.5mm，如图4所示。 (a) 四点面 (b) 四点面切割结果 (a) 4-point patch (c) The result of cutting plane图 4做并切割4点面Figure 4 Making and Cutting 4-point patch1.1.3 构面利用“控制点调面”法完成虾尾此段体节的曲面重构，暂时隐藏铺面和点云截面线。首先点击控制点编辑按钮打开控制点对话框，在其中Support选项区域中选中控制点沿法向移动按钮，激活上面做好的4点面，将Nv改为5，Nu改为3，按顺序拉动控制点拉杆从中部拉起4点面如图5所示。图5中部拉起4点面Figure 5 Draw from middle part然后将Nv改为3，Nu改为4，控制点对话框Support选项区域中选中沿控制网格线移动按钮，将增加的网格线移至上部调上凸起，再将Nu改为5，将增加的网格线移至下部调下凸起，如图6所示。进而再将Nu改为6调整其余若干小凸起如图7。图 6调上下凸起Figure 6 Adjust upper and down heave激活点云及截面线，继续微调，使四点面切割网格与点云截面网格线尽量吻合，构面结束。如图8所示。图 7调整小凸起Figure 7 Adjust small heave (a)微调 （b）构面结果 (a)Fine adjustment （b）The result of surfacing 图 8微调、构面结果Figure 8 The result of fine adjustment and surfacing1.1.4 曲面质量评价对所创建的曲面与铺面之间作距离分析如图9所示。可见二者距离最大值为0.632mm，最小值为0.31mm，调面精度较高。 （a）距离分析预览 （b）有限颜色范围显示 （a）Preview of distance analysis （b）Display of limited color 图9距离分析Figure 9 Distance analysis1.2 虾仁整体曲面重构1.2.1构建虾仁整体外表面按上面方法完成虾仁各段体节曲面重构并做好虾脚，然后各段曲面间作连续性处理10，结果如图10(a)所示。在GSD模块中点击对称按钮、修复按钮和连接按钮做镜像、填充两曲面间的微小间隙并连接各段曲面如图48（b）所示。 (a)各段曲面重构 (b) 镜 像 (a) One by one surfacing (b) Symmetry 图 10虾仁整体外表面 Figure 10 The whole shrimp surface1.2.2 整体外表面质量评价由于虾仁每段体节在构面时均做了距离分析且段与段之间做了连续性控制，因此省略虾仁整体外表面的连续性分析和其与铺面、点云之间的距离分析。由于下一步将进行虾仁实体建模进而完成虾仁模具凹模的设计，考虑开模后鱼糜与型腔表面不粘连以及虾仁外表面光滑、无缺陷、无明显拐角、锐利的凸出或凹进的局部等要求，特进行光顺性评价。采用Automotive Class A模块中的斑马线分析功能，将显示模式切换到材料显示模式下，点击斑马线分析命令，分析结果如图11所示。(a)斑马线分析对话框 （b）结果1 （c）结果2(a) Dialog box of isophotes mapping （b）Result1 （c）Result2 图 11斑马线分析 Figure 11 Isophotes mapping由分析结果可看到各虾段曲面间及对称后前后两部分之间斑马线黑色条纹是相连的，略微有微小的错位，连结处有平缓的过渡，没有尖锐的拐角。可认为达到G1连续，十分接近G2连续。2 以虾仁为代表的曲面精准重构的应用技巧对于虾仁这类物件的曲面重构建议采用“控制点调面法”，而在调面时要注意：第一、创建的4点面和点云在网格分割时网格线的方向和间距（Step）要一致，以便最后微调精准构面；第二、将4点平面拉动逼近点云线架构网格时，要逐步调整U、V方向的阶数和网格线的位置，以便有规律的拉动控制点拉杆全面逼近点云。第三、调面时注意使用由低到高的阶次，应注意阶数不宜过高，最高不要超过8阶，否则会造成控制点数量过多不宜控制调整。3 结语逆向工程是一门开拓性、综合性和实用性很强的技术，曲面重构是逆向工程实施过程中的重要环节。在实际应用当中，整个过程需要大量的人机交互工作，操作者的经验和素质直接影响着产品的质量，当前各种研究成果并不能很好地兼顾到其在具体工程实践中的应用特点。本文以虾仁这种柔软的、尺寸较小的且均为自由曲面的散乱点数据曲面重构为例，提出了有针对性的曲面重构的策略和应用技巧，可以推广到其它仿真食品如模拟虾蛄、蟹钳和模拟干贝的成形零件的设计中去，对于具有同样特点的医疗技术中需整形患者的耳、鼻和面部等人体器官、组织和玩具行业中布绒填充类玩具等领域，同样适用于该项技术。另外在汽车设计领域，如车身的外覆盖件、车门等逆向造型过程中，有时也要借助“控制点调面”法做大面11。笔者运用本文所总结的方法完成了人面部、烤鸭、布绒米老鼠玩具、车门等三维曲面重建，均获得较高的反求精度，因此本文所提出的重构方法有一定的应用价值。参考文献1 钟纲，杨勋年，汪国昭平面无序点集曲线重建的跟踪算法J 软件学报，2002，13（11）：218821932 成媛媛，满家巨，全惠云基于自适应遗传算法的点云曲线重建 J 中国图像图形学报，2006，11（9）：129312983 Kegl B，Linder 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 and fitting by arc splines J Computer Aided Geometric Design，2001，18（1）：35437王殊轶，钱省三，葛斌，等利用激光扫描与CADCAM技术进行面部三维重建 J 中国组织工程与临床康复，2007，11（26）：517651788刘林，许天民，张益，等激光扫描在面部畸形三维重建及测量中的初步应用 J 口腔医学，2005，25（6）：3453479王亮基于逆向工程技术的布绒玩具CAD系统 D安徽：合肥大学，200610佟刚，赵宇明，张国忠基于少量测量数据点的曲面模型重建 J CAD/CAM与制造业信息化，2006（1）：969811 冉险生，黄泽好，林立基于CATIA V5的ATV曲面逆向设计 J 重庆理工大学学报（自然科学），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 surface 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作者简介： 何伟（1969-），硕士，副教授，研究方向为CAD /CAM，针对渔业机械（鱼虾饲料加工、水产品精深加工设备）的创新设计。E-mail 职务：副科长，身份证电话0335-