基于变形技术的反求建模再设计

李硕，成思源，杨雪荣

(1.广东工业大学机电工程学院，广东广州510006;2.广东省创新方法与决策管理系统重点实验室，广东广州510006)

0 前言

反求工程 (Reverse Engineering，RE)是一门旨在改善技术水平，提高生产率，增强经济竞争力的技术，是对实物模型进行三维测量并进行模型重构，同时利用各种三维CAD软件进行再创新的过程，其意义不仅在于把原有物体还原，而且在原有基础上进行再次创新［1］。从目前来看，大多数反求工程的研究主要集中在将实物模型转换为可制造的CAD模型，其最终目标都是要实现产品的再设计。在此过程中，要实现产品的再设计，变形技术也是重要的环节。

曲面变形技术是再设计技术的重要组成部分，变形技术侧重于对修改现有CAD模型和实现对现有CAD模型的变换，从而产生一个新的模型。大多数变形技术和两类对象表示方法密切相关，一类是纯几何表示方法，如FFD(Free Form Deformation)，另一类是非纯几何表示方法，如基于能量优化的曲线曲面建模，即运用各种手段限制原始曲线或曲面和目标曲线和曲面的最小物理形变能，这一点在ThinkDesign软件中的GSM功能中得到了体现。

1 变形设计技术介绍

1.1 变形技术原理简介

变形技术是一种将几何形状或实体模型变化成为另一种几何形状和实体模型的技术，而在变化过程中，原有的拓扑结构不变。该种技术主要强调通过何种方法对对象进行变形。变形方法的不同在于变形原理不同。

自由变形方法 (FFD)算法的前提是假设物体有很好的弹性，容易在外力作用下发生变形。在使用该造型算法时首先需要一个控制框架将物体嵌入框架内，然后通过外力使框架变形，控制顶点可以控制物体的形状，物体随着框架的变形而变形。FFD算法被喻为雕塑家的手，可整体也可局部的使用，每实施一次，相当于用手把整个物体雕塑了一遍。FreeForm系统正是基于FFD原理开发的。

基于能量模型的能量优化法造型是以曲线曲面拥有最小物理变形能量为目标，通过实施外加载荷或约束条件从而对曲线曲面进行形状控制。能量优化法曲线曲面造型大致可以分为两类，从物理变形能出发和从几何性质出发，从几何性质出发的能量模型一般是考虑面积，长度，曲率及曲率变化率等方面的约束，ThinkDesign中GSM功能正是采用这种方法［2］。

1.2 变形设计软件简介

ThinkDesign软件中GSM功能(Global Shape Modelling)即全局形状建模技术，能够快速准确地进行曲面的设计和修改，而且修改之后的曲面能保持和原来曲面相同的曲面拓扑结构和曲面质量［3］。作者采用ThinkDesign中的GSM功能对模型进行了修改。

FreeForm触觉式设计系统是一套基于力反馈技术的虚拟造型系统，它利用先进的技术手段将虚拟物体的空间运动变成周边物理设备的机械设备，让用户体会到真实的力度感和方向感。其特有的基于力反馈技术的3D Touch技术由3个元素组成，硬件接口“PHONTOM”，系统软件“GHOST”和数字黏土。

图1 FreeForm系统

FreeForm系统使用的核心硬件是如图1(b)所示，它具有6个自由度的操作杆，配合键盘进行模拟黏土雕刻的设计过程。FreeForm造型软件具有丰富的细节设计功能，常用的工具有:构造黏土工具 (Construct Clay Tools)，雕刻黏土工具 (Sculpt Clay Tools)，黏土细节造型工具 (Detail Clay Tools)，变形黏工具 (Deform Clay Tools)等［4］。

1.3 ThinkDesign软件和FreeForm系统优势对比分析

FreeForm系统和ThinkDesign软件在设计方面各有所长。FreeForm触觉造型系统采用3D Touch技术，在其它大多数CAD软件基础上具有自己独特的命令，如膨胀、变形、平滑等，不仅可以将创意、灵感、目的、意图直接表现在数字模型中，而且可以对模型表面数据进行快速修复以及再设计，得到完整的模型表面数据［5］。但由于FreeForm在处理数据时没有完全受到参数化制约，对于在处理一些细节问题的时候，精度方面会有所缺陷，而在ThinkDesign中，利用GSM变形功能时需要设置初始点和目标点，或者初始曲线和目标曲线，然后设置约束条件，从而达到精确变形的目的，正好弥补了这一缺陷。但FreeForm系统相对于GSM功能其造型灵活性比较有优势，只需操作者操纵手持式遥控杆，便可对模型进行造型设计。

文中将2种变形技术与逆向建模相结合，构成了一套从实物模型到再设计后的新产品CAD模型平台。逆向建模由于受到表现形式的局限，并不能完全满足产品再设计要求，引入了FreeForm触觉交互技术，充分发挥其在虚拟变形环境下的触觉雕刻优势，有利于实现数字化模型的创新设计，同时引入了ThinkDesign软件中GSM功能，不仅在参数化要求方面有保证，而且弥补了FreeForm系统在处理外形不规则的曲面以及在处理多处变形方面的不足，使得对于产品的再设计方面相互补充，各尽其能，提高了再设计效率，缩短了产品再设计周期。

2 基于FreeForm和ThinkDesign的反求再设计

反求工程旨在对已有实体模型的再设计，其体系结构如图2所示。

图2 反求工程体系结构示意图

路线①属于传统的反求工程模式，在这里不再赘述。路线③由于对于测量数据点的要求较高，所以容易产生误差［6］。采用路线②，在三维重构与STL文件的转换之间加入两种变形技术分别对模型进行整体和局部变形，即将扫描之后的点云在Geomagic studio中进行前处理，然后提取模型外形特征线，反复编辑这些特征线生成NURBS曲面，然后导入到ThinkDesign中利用GSM功能对模型进行整体变形，之后再导入到FreeForm系统中进行局部变形，并将输出为STL格式的模型分层后用于3D成型制造。其技术路线如图3所示。

图3 基于变形技术的反求再设计流程图

3 鼠标模型的修复和再设计

3.1 扫描数据处理

反求设计首先由实体模型通过光学扫描得到点云模型。其数据通过Creaform公司手持式激光三维扫描仪进行全面扫描后得到。扫描之后得到一系列的点云，由于原始的点云会有很多瑕疵，通过Geomagic studio对原始点云进行噪点处理等操作得到一系列整齐有序的点云之后，并对封装之后形成的三角形网格进行表面光顺和优化处理 (图4)，之后对模型进行分割，参数化分片处理并进行栅格化拟合成NURBS曲面 (图 5)［7］。

图4 封装之后的模型

图5 拟合成NURBS曲面

3.2 鼠标顶面再设计

将拟合之后的鼠标模型NURBS曲面以IGES文件格式导入到ThinkDesign系统中，其中GSM功能作为一种高级建模方式可以根据用户的需求进行迅速准确的修改，对于产品的回弹补偿，可根据实际测量或者用户的需求修改曲面的形状，作者根据起始点对表面进行整体变形再设计［8］(图中坐标原点为变形起始点)。

如图6所示，选取图中浅色区域进行GSM变形，并在变形区域选择坐标原点作为初始点，然后在坐标轴z轴上设置目标点，同时约束区域的边界 (图7)(边界为图中浅色区域的外边界)。

图6 变形区域

图7 设置起始点和目标点

最终变形结果如图8所示 (中间深浅色区域为变形结果)。从图中结果可以看出，鼠标顶面根据目标点约束发生了整体变形。

图8 鼠标变形结果

3.3 FreeForm 变形设计

将在ThinkDesign中整体变形之后的模型导入到FreeForm系统进行局部变形。首先在系统中将模型整体生成黏土格式文件，然后，在鼠标的顶面采用FreeForm系统中图片映射浮雕功能，形成logo“323”图案，即将图片上的信息映射到虚拟黏土上面，在黏土模型上以浮雕的形式显示出来，并且可以设定浮雕的高度。具体的效果如图9所示。

然后应用“Construct Clay”工具栏中“Inflate”命令在鼠标的底部膨胀生成三个矩形条，然后应用“Wire Cut clay”命令将三个矩形条切平，得到的设计结果如图10所示。

图9 鼠标浮雕变形

图10 添加矩形条后模型

待所有工作完成之后，将处理之后的模型保存为STL格式，并将整理后的文件进行切片，输入到3D打印机中进行成形制造。

4 结论

提出了基于ThinkDesign软件和FreeForm系统的变形设计，首先将扫描之后的鼠标点云在Geomagic studio中进行前处理之后拟合成NURBS曲面，进而导入到ThinkDesign和FreeForm中进行模型整体和局部变形设计，最后导入到3D成型机中进行快速制造。在对两个软件分析的基础上，根据各自的优势提出了技术路线，即将两种变形技术融合到反求工程中，进而对反求模型进行了相应的再设计，将有利于提高产品再设计效率和缩短产品开发周期。

［1］成思源.逆向工程技术综合实践［M］.北京:电子工业出版社，2010:10-12.

［2］方昊佳.面向产品创新设计的CAD造型关键技术研究［D］.广州:广东工业大学，2013.

［3］曹振雨，刘万林，郭建峰，等.基于 ThinkDesign及Autoform的汽车高强板制件参数化的回弹补偿解决方案［J］.模具制造，2013(12):80-81.

［4］吴艳奇，成思源，张湘伟，等.基于FreeForm的CAD模型细节添加与修改［J］.机械设计与制造，2010(5):93-95.

［5］马路科技顾问有限公司.最新设计工具—FreeForm触觉式设计系［J］.CAD/CAM与制造业信息，2006(1):44-46.

［6］董黎敏，刘霞，茅波，等.RE/RP技术的现状及集成方式［J］.组合机床与自动化加工技术，2008(7):1-5.

［7］胡影峰.Geomagic studio软件在逆向工程后处理中的应用［J］.制造业自动化，2009(9):135-137.

［8］王青.反求工程中基于变形的自由形状特征重构［D］.杭州:浙江大学，2006.