基于逆向工程工藝品破損模型的修復(fù)

將破損的工藝品進(jìn)行修復(fù)是工程實(shí)踐中經(jīng)常遇到的問題。本文以缺了一只腳的蝎子模型為例提出了一種基于逆向工程的工藝品的修復(fù)方法。首先對(duì)破損模型進(jìn)行逆向掃描，得到其點(diǎn)云數(shù)據(jù)；然后將模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Geomagic軟件中，利用鏡像工具得到另外一只完好的腳，將其替換破損的了腳，得到完整的模型；將模型進(jìn)行消噪、封裝、平滑等處理后，重構(gòu)曲面及實(shí)體模型。本研究解決了工藝品修復(fù)難、流程慢的問題。

0 引言

在國外，逆向工程已經(jīng)作為一種先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法被引入到新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)工作中。美國的許多工程學(xué)院開設(shè)了逆向工程課程，教授學(xué)生用再設(shè)計(jì)代替原型設(shè)計(jì)，作為解決設(shè)計(jì)問題的一種方法。

由于工藝品結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，其曲面很難用基本幾何形狀來表現(xiàn)和定義 [1, 2] ；另外，小平面較多，規(guī)則性較差，傳統(tǒng)的正向設(shè)計(jì)方法效率低、效果差。而逆向設(shè)計(jì)通過對(duì)原型數(shù)據(jù)的分析和處理而進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，因此該方法對(duì)曲面的復(fù)雜程度不敏感，在原理上能夠重構(gòu)任意復(fù)雜的曲面，方便、快捷地進(jìn)行特征添加 [3] ，在工藝品的處理上具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。近年來，除了在工藝品的構(gòu)思和設(shè)計(jì)上逆向工程得到了廣泛應(yīng)用外，對(duì)工藝品的修補(bǔ)也越來越得到人們的重視。辜勇等以 “金沙銅立人” 為例，介紹了在PROE環(huán)境下基于二維數(shù)碼照片的數(shù)字化修復(fù)和建模過程 [4] ；辜勇還認(rèn)為通過逆向技術(shù)，可克服工藝品傳統(tǒng)手工制作的缺陷、縮短工藝品修復(fù)和仿制的時(shí)間、提高工藝品仿制的質(zhì)量 [5] 。孫艷菊介紹了傳統(tǒng)的文物修復(fù)的過程 [6] ，不但過程繁瑣，而且對(duì)操作人員有著較高的要求。本文立足于對(duì)工藝品修復(fù)的實(shí)際需求，嘗試?yán)媚嫦蚣夹g(shù)對(duì)破損工藝品進(jìn)

行模型修復(fù)和重建。

1 原模型情況

由于時(shí)間及其他外界因素原因，工藝品模型損壞的情況比較常見。圖 1所示為一個(gè)缺了一個(gè)前腳的蝎子的實(shí)物模型，如何將這樣的破損模型按照設(shè)計(jì)者最初的想法予以復(fù)原，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行題材拓展和創(chuàng)新，就是本文所要研究和討論的問題。由于自然界中的動(dòng)物、人物，其身體結(jié)構(gòu)是天然對(duì)稱的，即使左右兩邊的器官有細(xì)微的差異，從觀感上來說，我們?nèi)祟惖囊曈X是覺察不到的。基于這一原理，我們擬在Geomagic軟件中，通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)的刪除、復(fù)制和鏡像，利用模型一個(gè)完好的前腿來復(fù)原那個(gè)破損的前腿。

2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的修復(fù)

點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取有接觸方式和非接觸方式兩種，所謂接觸方式是指測(cè)量頭和被測(cè)目標(biāo)有實(shí)質(zhì)性的接觸，該方法測(cè)量精度高，但測(cè)量速度慢，且不能測(cè)量容易變形的問題；而非接觸測(cè)量一般采用光學(xué)的方法，通過光的折射原理獲取物體表面的坐標(biāo)，該測(cè)量方法不收物體形狀及表面特征的影響，特別適合測(cè)量外觀復(fù)雜、占用空間較小的工藝品。本研究采

用德國Breuckmann公司的Smart Scan三維掃描儀進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)在Geomagic軟件中的顯示如圖 2所示從圖 1和圖 2可以看出，模型缺損的是一只腳鉗，若單獨(dú)補(bǔ)一只腳鉗，不好控制鉗和臂部的銜接，容易出現(xiàn)視覺誤差，我們采用修補(bǔ)整個(gè)鉗腳的方式。首先將那只破損的鉗腳點(diǎn)云數(shù)據(jù)全部刪除，將其保存、備用，如圖 3所示。然后將這個(gè)蝎子都刪除，只留下一只完整的蝎腳，如圖 4（a） 所示。接下來要用鏡像工具把這只左蝎腳變成右蝎腳。點(diǎn)擊鏡像，然后定義選擇為 “3個(gè)點(diǎn)” ，選擇最右邊的三個(gè)點(diǎn)，點(diǎn)擊對(duì)齊，結(jié)果如圖 4（b） 所示。再選擇 “僅翻轉(zhuǎn)” ，點(diǎn)擊應(yīng)用后確定，得到完整的右蝎腳如圖 4（c） 所示。將之前保存的刪掉腳的這個(gè)文件導(dǎo)入，得到交錯(cuò)模型；用變換工具進(jìn)行編輯，把這個(gè)腳調(diào)到正確的位置上，通過一系列數(shù)據(jù)的變動(dòng)得到比較滿意的修復(fù)模型如圖 5所示。通過圖 5可以看出，通過逆向工具修復(fù)的蝎子模型，左右蝎腳對(duì)稱、和諧，觀感良好，無修補(bǔ)痕跡。

3 曲面修補(bǔ)和重構(gòu)

圖5所展示的是點(diǎn)云數(shù)據(jù)，即點(diǎn)的坐標(biāo)集合。在模型后續(xù)的應(yīng)用中，我們所需要的是曲面和實(shí)體，這樣才能通過3D打印、數(shù)控加工或者模具成型將原型研制出來；并且，曲面的光順應(yīng)達(dá)到A級(jí)。本小節(jié)將對(duì)恢復(fù)后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行曲面重構(gòu)。

首先將點(diǎn)云數(shù)據(jù)封裝為多邊形，也就是用小的多邊形平面來逼近實(shí)際曲面，該過程主要是對(duì)多邊形網(wǎng)格數(shù)據(jù)進(jìn)行表面光順與優(yōu)化處理, 以提高后續(xù)的曲面重建質(zhì)量，功能主要包括有基于曲率的孔填充、邊界修補(bǔ)、多邊形數(shù)據(jù)精簡、多邊形光順等。圖 6為掃描過程中或者軟件計(jì)算過程中昂所出現(xiàn)的孔洞缺陷，通過孔洞填充功能可將這些缺陷快速修復(fù)。通過Geomagic自帶的檢查功能，能夠?qū)⒛Ｐ偷娜毕萑缈锥?、釘狀物、局部粗糙面檢查出來，并通過修復(fù)命令將其修復(fù)。在構(gòu)建曲面片的過程中，規(guī)則的四邊形網(wǎng)格會(huì)比軟件自動(dòng)生成的三角形網(wǎng)格更容易獲得較高質(zhì)量的曲面。因此需要對(duì)模型進(jìn)行 “精確曲面” 處理。對(duì)于外形不規(guī)則的構(gòu)件，一般采用“探測(cè)曲率” 工具進(jìn)行構(gòu)建，通過該工具，軟件可以自動(dòng)計(jì)算出曲率變化較大的輪廓，提取器輪廓線。自動(dòng)生成的輪廓線有時(shí)不能真實(shí)地反映模型曲率變化，或者由于掃描的原因會(huì)出現(xiàn)誤差，這時(shí)需要根據(jù)設(shè)計(jì)思想進(jìn)行人工調(diào)整。具體過程為，執(zhí)行 “編輯輪廓線” ，然后對(duì)軟件自動(dòng)探測(cè)到的輪廓線進(jìn)行編輯，根據(jù)模型自身的特點(diǎn)使用繪制、松弛、收縮等命令對(duì)輪廓線進(jìn)行編輯到準(zhǔn)確位置，并保持輪廓線的平順。執(zhí)行 “細(xì)分/延伸輪廓線” 命令，延伸線根據(jù)輪廓線生成，延伸線在模型表面所占的區(qū)域即為曲面之間的過渡區(qū)域，使輪廓線所劃分的各塊面部相互連接，形成一個(gè)完整的曲面形狀，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建曲面片,得到的曲面片及網(wǎng)格如下圖所示。由圖 7可以看出，曲面片網(wǎng)格的劃分基本反映了曲面上曲率的變化。劃分網(wǎng)格之后，通過編輯曲面輪廓使其規(guī)則且不交叉，接著就是以對(duì)曲面進(jìn)行整體的光順、合并以及誤差分析等操作。Geomagic對(duì)多邊形網(wǎng)格數(shù)據(jù)的處理、在數(shù)據(jù)分割與曲面重建方面已具備了一定的自動(dòng)化功能, 對(duì)其處理結(jié)果只需要做簡單的微調(diào)即可。為了獲得高質(zhì)量的曲面，在劃分好的網(wǎng)格里面還需要構(gòu)建柵格，在柵格的基礎(chǔ)上進(jìn)行曲面擬合，此時(shí)的模型呈現(xiàn)的便是最真實(shí)的模型曲面，光滑且無尖角，如下圖所示。所得到的NURBS曲面還可輸出STL、GES和STEP 等十幾種輸出格式,可方便地與其他CAD /CAM /CAE軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

4 結(jié)語

破損工藝品的修復(fù)是工程實(shí)踐中常見的實(shí)際需求。本文基于逆向工程技術(shù)及Geomagic軟件平臺(tái)，以破損的蝎子模型為例，介紹了模型修復(fù)的全過程。結(jié)果表明，修復(fù)后的右蝎腳與左蝎腳對(duì)稱、和諧，無明顯的修補(bǔ)痕跡。該方法具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。

本文來源：http://m.xwlcp.cn/w/wy/14380.html《設(shè)計(jì)》