基于Geomagic Studio的点云数据处理三维建模技术

李志彦

摘  要：该项目用到一款点云数据处理软件Geomagic Studio，在处理非大量点云数据时具有一定优势。该文中，笔者主要介绍利用Geomagic Studio软件处理扫描获取的点云数据生成曲面模型，然后生成三维模型的过程。从数据预处理、提取特征线、构建曲面、生成三维模型4個基本步骤对基于Geomagic Studio点云数据处理三维建模技术进行了分析和总结。

关键词：点云数据  Geomagic studio  特征线  NURBS曲面

中图分类号：TP391    文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）07（c）-0013-02

随着激光技术的快速发展，激光三维扫描技术以其独有的优势正广泛地应用于各个领域。与传统的三维信息获取技术相比，能快速、精确、无接触完成对复杂表面测量和建模。目前，市场上涌现出了大量的商业化激光扫描点云数据处理软件。大致可分为：专用的逆向软件，如Sufacerl0.0、CopyCAD、TRACE、cyclone、Geomagic、polyworks等;以及一些流行的CAD/CAM集成系统中也开始集成了类似模块。如Uni-graphics中的Point Cloud功能、Cimatron90中的Reverse Engineering功能模块等。其中，Geomagic studio软件以先进的数学模型、曲面构造理论为基础，被广泛用于点云数据处理工作中。它不同于传统的点—线—面的曲面构建方式，而是提供了基于多边形网格化快速曲面构建方式，体现了点云数据生成三维模型技术发展的新趋势。

1  Geomagic Studio软件简介

Geomagic Studio软件是美国雨滴（Raindrop）公司出品的逆向工程和三维检测软件，它可扫描所得的点阵模型创建良好的多边形模型或网格模型，并转换为NURBS曲面。该软件主要功能包括：横切截面轮廓线获取;新点坐标数据处理技术;按曲率连续填补破洞;自动将NURBs曲面边界合并到新的扫描测量数据中;其主要特点支持多种扫描仪文件格式的读取和转换、海量点云数据处理等。笔者通过项目实例进行简单的阐述以给予读者更多启发。

2  项目实例

2.1 点云数据处理

基于Geomagic Studio软件的点云数据处理流程一般如图1所示，首先将测得点云数据进行预处理，然后提取地物特征线，反复编辑特征线生成最贴近实际的曲面，最后构建成三维模型。

2.1.1 读取与渲染

Geomagic Studio软件支持市场上大部分扫描仪的点云数据载入。为了获得完整点云，运用三维激光扫描仪从多个不同方向进行扫描，运用对齐功能将分块的点云数据统一到同一个坐标系上，由于是杂乱的点，显示并不直观，在Geomagic Studio软件中使用Shade Points命令渲染点云数据，增加三维感真实感以便于后续操作。

2.1.2 滤除噪声点

由于受镜头畸变、测量时环境光、图像处理的算法等的影响，采集的数据含有较多的噪声点。先人工删除大片孤立的点云数据，再自动过滤掉超过设定阈值的孤立噪声点，提供了两种方法：（1）手动删除噪声点;（2）Reduce Noise命令自动过滤噪声点。单击点→噪声处理→将平滑度适当的值，效果最佳→选中预览选项。

2.1.3 生成曲面

使用多边形网格（ploy mesh）封装，进入Wrap封装阶段。封装实质上使许多细小的空间三角形逼近还原CAD实体模型。将点云组织起来生成一个曲面，操作方法为：点击Point（点）→Wrap（封装），点击surface选项。在点对象上创建一个多边形网格，Model Mangager（模型管理器）创建了一个新对象，但被测模型本身的几何拓扑关系或遮挡、破损以及不同站点之间点云数据拼接存在缝隙等原因，会导致部分表面无法测量或采集数据存在破损现象。如图2（a）所示。

2.1.4 漏洞修补

封装生成数字化模型后，发现存在破损，可通过填充孔命令在这些缺失数据区域里来创建一个基于曲率的填充（curvature-based filling）或一个平面填充（flat fill），执行全部填充、部分填充或桥填充，单击多边形→填充单个孔→点击洞的红色边缘;或运用绳索工具选中凹下去和凸出来的地方→多边形→全部填充，将缺失数据补齐完整。如图2（b）所示。

2.1.5 数据精简

Geomagic Studio软件提供了点云数据的精简命令，通过设置一个采样百分比就可以将点云数据均匀减少。

2.2 提取特征线

在Geomagic Studio软件中有两种特征线提取方法。一种方法是使用切割（Cross Section）曲线特征。用户指定一个平面，软件将与该平面相交的零件外形特征线提取出来。软件默认的切割平面有x轴、Y轴、z轴的法平面，用户也可以通过手工指定法方向来确定切割平面，并且可以设置点云数据在某一方向的截面切割数量，对于曲率变化比较大的截面可以增大截面切割数量来保留曲面特征。另外一种方法是将软件自动抽取的零部件特征、边界转换成特征线，如果自动抽取的特征线并不完全是我们需要的，需通过执行“升级/约束”命令进行修改。

在软件中设置只显示点云数据的特征线，并以截面为单位将一截面上的点云以样条曲线相连，就可以将点云转换成样条曲线。

2.3 创建NURBS曲面

NURBS曲面重建包括检测曲率、构建及编辑曲面片、构建风格、拟合曲面等，在开始曲面拟合过程，对于曲率变化比较大，或表面由多个自由曲面区域组成的曲面重建之前，首先对其表面进行区域划分，它是零件曲面重建的关键环节，应以曲面分析为基础进行合理划分。曲面片划分大小的问题，过小的曲面太碎，过大难以捕捉点云形状。系统自动构建好的曲面片需进一步调整，松弛曲面片可使轮廓线变得挺直。操作方法为：编辑→相位→图形相位→路径→自动曲面（将曲面细节设置为最大）。结果如图2（c）所示。

2.4 模型输出

创建曲面模型后，可将该曲面数据输入到CAD或CAM系统中。有许多格式（如3DS、OBJ、IGES、STEP、VDA等）可支持曲面数据的输出。完成后可根据平台与后续软件的不同要求输出不同格式的文件。

3  结语

Geomagic Studio支持多种扫描仪的文件格式的读取和转换、海量点云数据的预处理、智能化NURBS构面等，它采用的点云数据的采样精简算法，克服了其他同类软件中对点云数据操作时，软件进行图形的拓扑运算速度慢、显示慢等弊端。

Geomagic Studio软件的优势有：简化了工作流程;提高了生产率;实现了即时定制生产;兼容性强。

参考文献

[1] 黄诚驹，齐荣.基于Geomagic的异形曲面快速数字建模技术研究[J].机械与电子，2004（9）：19-21.

[2] 黄一心.基于手持式激光扫描和Geomagic的CAD模型重建[J].机床与液压，2009，37（12）.

[3] 臧玉府.多平台点云空间基准统一与按需三维建模[J].测绘学报，2018（12）：55-57.