逆向工程三角网格优化研究

熊良平，江本赤

（安徽国防科技职业学院，六安 237011）

逆向工程三角网格优化研究

熊良平，江本赤

（安徽国防科技职业学院，六安 237011）

逆向工程中为了更好的进行曲面重构，提出了一种三角网格模型的优化方法.运用逆向工程软件Geomagic Studio能够很好的将测得的海量点云数据进行数据封装，并针对封装后的三角网格模型进行网格修复及优化为后续的NURBS曲面重构奠定基础.

逆向工程；网格优化；点云数据

0 前 言

传统产品的开发过程是根据市场的需要，提出具体的目标以及相应的技术指标，而后再对其进行工程设计.由相应所得的设计数据通过工程设计人员构造出产品的几何模型，然后再经过机械产品加工等一系列活动产生产品的过程［1］.然而在大多数情况下，只有产品的样件或者实物模型，而没有相应的产品设计资料及图纸.那么为了能够适应先进制造技术的发展，需要将这些样件或模型还原为原始的CAD模型.这种根据样件与实物模型进行数据测量，建立相应的CAD模型，并将其作为改型再设计的方法，称之为逆向工程（Reverse Engineering，RE）也叫反求工程［2－3］.

逆向工程是以一个实际存在的零件样件或实物模型入手，通过利用三维测量仪、三坐标测量仪等3D数字化测量设备对样件及模型表面进行快速、高效的三维扫描，形成相应的点云数据.并对其进行点云数据处理、网格优化、重建曲面、构造并改进CAD模型等，最后制造出产品的过程［4］.

1 三角网格优化的必要性

逆向工程的一个关键问题就是如何将测得的点云数据进行曲面重建，这也是当今逆向工程中研究的一个热点内容.由于目前大多数的快速成型设备多以.DFX和.STL格式的文件来进行数据输入输出，而这两种文件的格式又均以多边形来进行表示，并且网格曲面本身就有利于计算机极性曲面的存储、分析、计算以及绘制.所以，越来越多的研究者热衷于采用网格曲面，其中又以三角网格作为海量点云数据重建曲面尤为突出.

三角网格模型实在得到零件样件或模型表面测得的点云数据的基础上，重新进行拓扑重建.通过由海量小三角面片组成的分片线性三角网格曲面进一步拟合成实体逼近模型.其优点在于构造模型较为简单，且边界适应性好，可以很好的表述外形复杂的零件表面.通过改变测得模型中的三角片数量可以得到不同需求的曲面模型.虽然三角网格模型有诸多优点，但是采用这种方法同样会带来一些弊端，首当其冲的就是容易产生大量的节点及三角片，使其数据计算量异常庞大.在建模过程中，表面呈现出大量的钉状物，且修复起来较为困难.为了提高曲面重构的质量，对三角网格的简化及优化就显得尤为重要［5］.比如，为了提高曲面重构的光滑性，减少钉状物的产生，应在点云数据处理过程中，将离散于主体部分的数据进行除噪，并对点云数据进行简化，在不影响建模的条件下，尽量减少点云的数据量，使其封装三角面片的过程中，能够优化三角面片的数量.其次，在点云数据封装三角面片的过程中，不容避免的会产生一些劣质三角面片，那么在后续的曲面重构中，应尽量避免使用它们，否则会直接影响到产品的最终质量.

最常见的网格优化方法有拓扑优化法.它可以在不改变模型的实体特征条件下，基于改变三角网格局部拓扑关系来达到优化网格质量的目的.而本文正是采用逆向工程软件Geomagic Studio软件对劣质三角片进行去除，并对三角网格进行拓扑优化.

2 网格优化流程

逆向工程软件Geomagic Studio具有强大的功能体系，他不仅能够将测得的海量数据点云数据自动封装成多边形，而且能够在不影响原始特征的情况下，快速精简多边形数量，生成高质量的三角网格模型，为后续的NURBS曲面重构奠定基础.

主要工作流程如图1所示.

图1 网格优化流程

（1）简化点云数据.三维扫描仪测得的点云数据往往非常庞大，一般都有几十万甚至上百万的数据，对后续的数据封装以及曲面重构造成了较大的困难，所以要对海量的点云数据进行简化.采用CLOUDFORM软件首先对测得的多块点云片进行处理，由于在采用三维扫描仪拍摄的过程中，一般都是360°多角度拍摄测量，使得产生的多块点云片有数据重叠部分，且每块点云片的边界部分数据不够准确，运用CLOUDFORM软件可以很好的将边界部分的点云进行除噪.之后生成ASC文件导入到Geomagic Studio软件中，进一步进行数据简化.通过Geomagic Studio软件自带的除噪工具，将点云数据的重叠部分进行简化，并且将浮游点云进行除噪，最后将点云数据自定义限制在一个值内，达到数据简化的效果.

（2）生成网格.将简化后所得的数据封装成多边形，生成三角网格.此时的三角网格存在大量的错误，如钉状物、孔洞等，并且整个网格模型都显得非常粗糙.利用网格医生工具查找出生成网格的缺陷加以修复，并调整相应的强度光滑网格模型，最后将网格模型上的孔洞进行填充，值得注意的是，若孔洞较大且为曲面时，应先搭桥再填充，搭桥的数量及效果直接影响后续的曲面重构质量.

（3）抽取面片.利用软件中的特征工具，抽取出表征外形轮廓（即高曲率区域）的三角面片，用外形轮廓线表征.此时自动生成的轮廓线可能不能很好的表述网格模型的外形特征，需要手动调节轮廓线，使特征更加明确.

（4）网格细分.抽取面片后，再接着对三角网格进行局部与整体的细分.

（5）网格优化.对网格模型进行三角片数量简化，使网格模型的三角片数量大大减少.此时能够发现，曲率高区域三角片比较小且密集，曲率低区域三角片比较大且疏松.最后再次利用网格医生工具查找出网格模型的错误并再次修复，最终达到网格优化的目的，提高重建质量.

3 工程实例

下面用一个工程实例进行解释.

运用Geomagic Studio软件打开点云数据文件，通过除噪处理，将重复的点云数据以及离散数据去除，减少数据量，而后进行多边形封装.此时形成的三角网格模型并不能直接进行网格优化，这是由于封装后的三角网格模型存在着许多问题，包括孔、网格错误、非流行边和其他数据需要修复.运用Geomagic Studio自带 的功能对其进行删除钉状物、减少噪音、填充孔洞，并用网格医生对其进行修复后，调整到模型适合视窗如图2所示.由于此时的三角网格模型的当前网格密度是相对均匀的，在Geomagic Studio中无法使网格边可见，如图3所示，这是由于行程的三角网格模型无法凸显高曲率区域与低曲率区域的区别.

图2 封装后的模型

图3 优化前的网格

运用网格优化中的增强网格功能，自动简化低曲率区域并且细化高曲率区域，使网格边可见，如图4所示.若三角网格模型在之前的简化过程中，已经有了相对较好的网格密度，那么此时只需要针对高曲率区域进行细化，并且不增加三角网格的百分比，避免网格庞大.再接着运用删除钉状物功能，执行钉状物的查找与删除.最终通过网格医生进一步修复网格，形成如图5所示，此时，三角网格模型不仅有可以看到有良好的轮廓，并且钉状物也大大减少.

图4 优化后的网格

图5 优化后的模型

4 结束语

逆向工程中，三角网格的优劣直接影响了后续曲面重构的质量.基于Geomagic Studio逆向工程软件能够快速有效的对海量点云数据进行多边形封装，并运用软件自带的网格优化功能对三角网格模型进行修复，大大缩短了产品的开发周期，并提高了产品的设计质量.

［1］Farin G，Hoschek J，Kim M S.Handbook of Computer Aided Geomagic Design［M］.Vanderbilt University Press，Nashbille，2001.

［2］田晓东，史桂荣，阮雪榆.复杂曲面实物的逆向工程及其关键技术［J］.机械与制造工程，2005，9（4）：1－6.

［3］张舜德，朱东波，卢秉恒.反求工程中三维几何形状测量及数据预处理［J］.机电工程技术，2001（1）：7－10.

［4］李 勇.基于Imageware的逆向工程技术［J］.机械工程自动化，2008（4）：13－17.

［5］章雅娟.逆向工程中三角网格模型优化技术的研究与实现［D］.苏州大学硕士论文，2009.

Triangle Meshes Optimization in Reverse Engineering

XIONG Liang－ping，JIANG Ben－chi
（Anhui Vocational College of Defense Technology，Lu′an 237011，China）

For the better surface reconstruction in reverse engineering，a new optimization method of triangle meshes is proposed.The reverse engineering sofeware geomagic studio can help the point cloud to data encapsulation better.Then mesh repair and optimization of the triangle meshes modle enclosured can lay the foudations for the NURBS surface reconstruction.

reverse engineering；mesh optimization；point cloud

TH164

A

1671－119X（2014）02－0034－03

2014－01－12

安徽省示范实训中心——数字化创造与检测实训中心建设项目（2011169）

熊良平（1984－），男，硕士，讲师，研究方向：逆向工程.