逆向工程技术在文物保护中的应用方法研究

吕 俊

(湖北民族学院机械电子工程系，湖北恩施445000)

少数民族物质文化遗产中主要包括以下几个方面:古遗址、古建筑及历史纪念建筑物、摩崖石刻及岩壁画、遗物等.随着人们对文化遗产保护意识的日益增强以及科学技术的发展，文物的保护得到日益重视，各种技术也用到其保护方法中，其中通过逆向工程技术建立文物数字模型实现其保护是较为可行的办法，能够真实、准确地得到文物的三维数据，便于永久保存、文物修复及二次开发利用.但是如果完全依赖于该技术，则对初等解析曲面利用逆向工程技术造成不必要的工作量，因此在利用逆向工程技术的同时，如何合理利用正向技术与逆向技术对提高文物数字化保护效率有现实的研究意义.

1 逆向工程

1.1 基本概念

逆向工程RE(reverse engineering)也称反求工程、反向工程，是指从实物样本获取产品数学模型并制造得到新产品的相关技术.逆向工程与正向工程设计过程主要区别如图1所示［1］.

1.2 主要技术

逆向工程可分为数据获取、数据处理、曲面重构等关键技术.

1)数据获取 数据获取是逆向工程CAD建模的首要环节.根据测量方式不同，数据采集方法分为接触式和非接触式测量两大类，具体分类如图2所示，其中具有代表性的数据采集设备有三坐标测量机、光学扫描仪和断层扫描仪等［2］.

数据获取质量的好坏直接影响对实物描述的精确度和完整度，从而影响重构的CAD曲面和实体模型的质量，因此，需根据不同的要求采用不同的三维数据扫描仪器.

2)数据处理 数据处理的关键技术包括多视图拼合、噪声去除、数据简化、数据补缺和网格化等.

首先，需要把从各个视角得到的多方位数据点集合并到一个公共的坐标系下，以得到整合的模型数据;其次，还需去除由于环境变化和其他因素采集到的噪声;再次，是当测量数据的密度很高时，如光学扫描设备，需要对大量的冗余数据进行简化;同时还需对由于实物本身的集合拓扑原因或者其他阻挡而无法采集到的数据进行补缺.

3)曲面重构 实物形面经扫描及数据处理后一般都会由多张曲面混合而成.因此，要先根据几何特征对点云数据进行分割.然后分别对各个曲面片进行拟合，再通过曲面的过渡、相交、裁剪、倒圆等手段，将多个曲面缝合成一个整体，即重建的CAD模型.

图1 正向工程和逆向工程过程对比Fig.1 The Contrast of Forward Engineering and Reverse Engineering

图2 数据获取方法分类Fig.2 The Classification of Data Collection Methods

2 逆向工程CAD建模系统

逆向工程CAD模型重构是RE过程中最关键、最复杂的一环，为后续的工程分析、创新设计、加工制造提供数学模型支持.随着逆向工程及其相关技术理论研究的深入，提供逆向建模功能的软件呈现两大趋势:一是专用的逆向软件，如Imageware，Goemagic Studio，CopyCAD，ICEM Suff等;二是基于正向CAD/CAM软件的逆向处理模块，如Pro/Engineering的SCAN－TOOLS模块、UG的Point cloudy模块等.由于正向软件有着曲面拟合重建快，逆向软件对点云读取、处理效率高等各自优点，在实际建模过程中，往往采用“正向+逆向”的建模模式，即在正向CAD软件如SolidWorks的基础上，配备专用的逆向造型软件如Goemagic Studio.因此，可以在逆向软件中构建出模型的特征线后，导入正向CAD系统完成曲面的重建，从而实现实物的三维建模.

3 逆向工程的应用

在文物保护中，采用逆向工程技术对文物进行三维扫描，经数据处理、曲面重构得到的文物三维数字化数据，不仅使文物得到再现，还可以永久保存，便于对文物进行保护、修复及二次开发，降低了保护成本，也有利于提高利用价值.

由于Geomagic Studio软件与SolidWorks软件之间有较好的兼容性，在本例面具建模将两者结合使用.如图3a为傩戏中的面具数据获取过程［3］，用Goemagic Studio将三维扫描仪得到的点云数据如图3b经噪声去除、简化、数据补缺等处理后生成面片如图3c，再经转换为NURBS曲面，如图3d，将曲面以*.igs和*.stl格式输出，然后用SolidWorks将*.igs曲面读入，即可得到傩戏面具重构模型.

图3 面具数据获取过程Fig.3 The process of the mask of data collection methods

在SolidWork导入NURBS曲面，应用SolidWork模具设计插件Imild进行模具设计，经导入曲面、建立基准面、绘制草图、曲面放样、曲面填充等过程便可生成模具，如图4.最后，运用相关软件在生成的*.stl文件基础上进行切片处理，得到二维层面信息，利用快速成型技术加工出如图5所示的三维快速成型模型面具［4］.

图4 面具凹模与凸模Fig.4 The concave molds and the convex molds of the mask

图5 快速成型机面具Fig.5 The Mask molding by 3D fast machine

4 “正向+逆向”的综合建模分析

对于复杂不规则曲面建模，如前面所述的傩戏面具以及如图6所示的龙门石窟［5］，采用逆向工程技术建模较为实用，可以提高此类复杂曲面实物的建模效率.

然而，对于规则几何形面与复杂曲面并存的文物，如土家族吊脚，图7所示，则不能全部依赖于逆向工程技术，其宏观建筑结构如青瓦、梁柱等这类具有简单初等解析曲面(平面、圆柱面、圆锥面等)的简单构件，则宜采用正向CAD软件建模.没必要用自由曲面去拟合一张显然是平面或圆柱面的曲面［6］.但窗花雕等工艺如图8，为复杂曲面则适合采用逆向工程技术，因此对于此类物质文化遗产要借助于正向的CAD软件建模与逆向工程技术联合使用.同时，“正向+逆向”综合建模过程中，需要对复杂曲面构件在文物中进行标靶，以确定复杂曲面构件在文物中的精确位置，如窗花雕在吊脚楼中的坐标位置.另外在后期制作中对初等解析曲面采取贴图方式，复杂曲面则要采取纹理映射方式实现文物建模外观效果图.

图6 龙门石窟Fig.6 Longman grottoes

图7 吊脚楼Fig.7 Diaojiao building

图8 窗花雕Fig.8 Window carving

5 结语

本文论述了逆向工程从数据采集、建模到产品制作的基本过程，讨论了“正向+逆向”建模的两种情况:一是利用正向建模软件辅助逆向建模软件实现文物的曲面重构，从而得到文物数字化模型;二是利用正向软件建立初等解析曲面，逆向建模技术建立复杂曲面的综合建模方法.

［1］ 王海南，邱望标.基于逆向工程的少数民族文化遗产保护方法研究［J］.机电产品开发与创新，2011，24(2):175－177.

［2］ 成思源，谢韶旺.Geomagic Studio逆向工程技术及应用［M］.北京:清华大学出版社，2010:2－3.

［3］ 王海南.逆向工程技术在贵州少数民族文化遗产保护中的应用研究［D］.贵阳:贵州大学，2008.

［4］ 张秀华，杨秀成，等.基于逆向工程的贵州傩戏面具的保护研究［J］.贵州工业大学学报，2008，37(5):99－101.

［5］ 赵煦，周克勤，闫利，等.基于激光点云的大型文物景观三维重建方法［J］.武汉大学学报，2008，33(7):684－687.

［6］ 张荣强.逆向工程技术在古典家具保护方面的应用与研究［J］.机械设计，2013，30(1):101－103.