讲义整理

Geomagic studio讲义
目录
1．逆向工程概述
2．Geomagic studio软件及流程简介
3．Studio 入门学习
4．涵盖各个阶段处理技术—甲壳虫车的逆向工程
5．点阶段---点云编辑
6．点云数据注册&合并
7．多边形基本编辑命令
8．多边形高级阶段
9．基本曲面创建（探测曲率）1
10．基本曲面创建（探测曲率）2
11．高级曲面编辑
12．探测轮廓线的曲面处理
13．Fashion基础阶段
14．创建3D 特征
一、逆向工程概述
1.1 逆向工程定义
逆向工程（ReverseEngineering，RE）也称反求工程，它是相对传统的设计而言。

是从一个存在的零件或原型入手，首先对其进行数字化处理，然后进行数据处理、曲面重建、构造CAD模型等，最后制造出产品的过程。

逆向工程技术能快速建立新产品的数据
1.3 逆向工程的应用
逆向工程已成为当今CAD/CAM领域内研究的热点之一。

它在机械产品测量造型、计算机视觉、根据切片数据的医学影像重建等领域都有重要应用。

在制造业领域内逆向工程也有广泛的应用背景。

在下列情形下，需要将实物模型转换为CAD模型：
(1)尽管计算机辅助设计技术(CAD)发展迅速，各种商业软件的功能也日益强大，但目前还无法满足一些复杂曲面零件的设计需要，还存在许多使用粘土或泡沫模型代替CAD设计的情况，最终需要运用逆向工程将这些实物模型转换为CAD模型。

(2)外形设计师倾向使用产品的比例模型，以便于产品外形的美学评价，最终可通过运用逆向工程技术将这些比例模型用数学模型表达，通过比例运算得到美观的真实尺寸的CAD
模型。

(3)由于各相关学科发展水平的限制，对零件的功能和性能分析，还不能完全由CAE来完成，往往需要通过试验来确定最终零件的形状，如在模具制造中经常需要通过试冲和修改模具型面方可得到最终符合要求的模具。

若将最终符合要求的模具测量并反求出其CAD
模型，在再次制造该模具时就可运用这一模型生成加工程序，就可大大减少修模量，提高模具生产效率，降低模具生产成本。

(4)目前在国内，由于CAD/CAM技术运用发展的不平衡，普遍存在这样的情况：在模具制造中，制造者得到的原始资料为实物零件，这时为了能利用CAD/CAM技术来加工模具，必须首先将实物零件转换为CAD模型，继而在CAD模型基础上设计模具。

(5)艺术品、考古文物的复制。

(6)人体中的骨头和关节等的复制、假肢制造。

(7)特种服装、头盔的制造要以使用者的身体为原始设计依据，此时，需首先建立人体的几何模型。

1.4逆向工程关键技术介绍
逆向工程的关键技术包括了数据采集、数据处理、CAD模型重构等，最后应用于下游CAD直接面向生产过程。

（一）、数据采集技术
（1）、接触测量
最初的三维数字化仪是探针式的，它一般由3～6个自由度的杆式机构和末端的探针组成，通过运动学计算得到末端探针触点的三坐标信息，其技术已比较成熟。

数据处理过程中采用了数字信号处理(DSP)技术和温度补偿技术，测量精度达到0.076 8～0.178 mm，测量速度可达到100点/S。

三坐标测量机(Coordinate Measuring Machine，CMM)也是广泛采用的接触式测量设备。

在逆向工程应用的初期，这种接触探针式的三维数字化仪是数据采集的重要手段，具有测量精度高、适应性强的优点。

但一般接触式测头
测量效率低，数据需进行测头半径补偿，而且由于测量力的存在，对一些软质表面或易损伤物体表面无法进行测量。

接触式测量的优点
a接触式探头发展时间较长，其机械结构及电子系统己相当成熟，具有较高的准确性和
可靠性;
b接触式测量噪声低、精度高且重复性好:
c探头是直接接触工件表面工作的，与工件表面的反射特性、颜色及曲率关系不大，基本
不受上述条件限制;
d被测物体固定在三坐标测量机上，并配合测量软件，可快速准确地测出物体的基本几何
形状，如面、圆、圆柱、圆锥、圆球等;
接触式测量的缺点
a接触式测量必须使用特殊的夹具，会导致较高的测量费用，不同形状的产品会要求不同
的夹具，而使成本大幅度地增加:
b探头是以逐点方式进行测量的，所以测量速度较慢:
c不当的操作容易损害工件某些重要部位的表面精度，也会使探头损坏;
d球形探头很容易因为接触力而造成磨耗，为维持一定的精度，需经常校正探头的直径;
e检测一些内部元件有先天的限制，如测量内圆直径，触发探头的直径必定要小于被测内
圆直径;
f对三维曲面的测量，因传统接触式触发探头是感应元件，测得的数据是探头的球心位
置，要测得物体真实外形，则需要对探头半径进行补偿，因此，可能会导致误差修正的问题:
g接触探头在测量时，探头的力将使探头尖端部分与被测件之间产生局部变形，而影响到
测量值的实际度数;
h测量系统的支撑结构存在静态及动态误差;
i由于探头出发机构的惯性及时间延迟，使探头产生超越现象，趋近速度会产生动态误差; （2）、非接触测量
非接触式测量根据测量原理的不同，有光学测量法、工业CT测量法、核磁共振(MRI)测量法、超声波测量法、电磁测量法、层析法等方式，较为成熟的是光学测量法。

光学测量法又分为三角形法、结构光法、激光干涉法、计算机视觉法等。

其中结构光法被认为是目前对三维形状进行测量的最好方法之一。

结构光法的主要优点是测量范围大、稳定、速度快、成本低、设备携带方便、受环境影响小、易于操作，缺点是只能测量表面曲率变化不大的较平坦的物体，对于表面变化剧烈的物体，在陡峭处往往会发生相位突变，从而影响测量精度。

同时，测量精度易受工件本身的表面色泽、粗糙度的影响，为提高测量精度，需对被测量表面涂上“反差增强剂”或喷漆处理，以减小误差。

另外，还存在数据处理时间长、测量量程较短等问题。

非接触式测量的优点
a 不必做探头半径补偿，因为激光光点位置就是工件表面的位置;
b 测量速度非常快，不必象接触触发探头那样逐点进行测量;
c 软工件、薄工件、不可接触的高精密工件可直接测量。

非接触式测量的缺点: a 测量精度较差;
b 因非接触式探头大多数是接受工件表面的反射光或散射光，易受工件表面的反射条件的影响，如颜色、斜率等:
c 易受环境及杂散光影响，故噪声较高;
d 非接触式测量只做工件轮廓坐标点的大量取样，对边线处理、凹孔处理以及不连续形状的处理比较困难;
e 使用CCD 做探测器时，成像镜头的焦距会影响测量精度，因工件几何外形变化大时成像会失焦，成像模糊:
f 工件表面的粗糙度会影响测量结果.
仪器侧头PerceptronV4i 规格：规范：V4i
安装方式：6/7轴Romer 手臂精度（2sigma ）：0.024mm
扫描速率：23040点/秒 扫描频率：30HZ a 测量方法本身的精度；经过大量的技术训练来掌握最佳的测量方法。

b 仪器的精确校准；随时校准设备来保证测绘精度。

c 测量范围的限制、阻挡；
d 采集数据的局部缺少、被测物体表面的光洁度等。

需要采用其他的显影方式来帮助数据采集。

由于这些因素，测量数据一般要经过预处理后才能进行曲面拟合和CAD 模型重建。

（二）、数据处理技术
Perceptron ScanWork V4i
Cimcore Infinite 7自由度关节臂
接触式
光学式
非光学式触发式
连续式
激光层析法
计算机视MRI 测量法 超声波结构
数据处理的关键技术在于：多视拼合、噪声去除、数据简化、数据补缺。

(1)多视拼合
无论是接触式或非接触式的测量方法，要完成样件所有表面的数据采集，必须进行多方位采集，数据处理时就涉及到了多视拼接技术，通常处理技术是：
a.对从不同视角测量的样件数据确定一个合适的坐标变换方法进行拼接。

b.将从各个视图得到的点集合并到一个公共的坐标系下，从而得到一个完整的模型。

c.在样件上贴固定球作为识别标签。

根据每个视角观察的三个或三个以上不共线的标签来
对数据进行拼合。

(2) 噪声去除
在测量过程中，由于环境变化和其他人为的因素，数据点不可避免的会存在噪声，有必要对数据点进行去噪滤波。

数据滤波通常采用标准高斯、平均和中值滤波方法。

a.对于规则的数据点集，如激光扫描设备测量的单张数据呈点阵排列，采用滤波方法实现。

b.对散乱的数据点集，如多视拼合后的点云，就必须先建立数据点间的邻接关系。

各种滤波方法都是解决消除噪声点而又保证零件的棱、角等特征不被光滑的问题。

(3) 数据简化
当测量数据的密度很高时，如光学扫描设备常采集到几十万、几百万甚至更多的数据点，存在大量的冗余数据,严重影响后续算法的效率，因此需要按一定要求减少测量点的数量。

不同类型的点云可采用不同的简化方法，对规则点云处理技术采取等间距均匀简化、倍率简化、等量简化、弦偏差简化等方法。

(4)数据补缺
由于被测实物本身的几何拓扑原因或者是受到其它物体的阻挡，会存在部分表面无法测量、采集的数字化模型存在数据缺损的现象，因而需要对数据进行补缺。

深孔类零件就无法测全；在测量过程中，常需要一定的支撑或夹具，模型与夹具接触的部分，就无法获得真实的坐标数据；用于数据拼合的固定球和标签处的数据也无法测量，需要采用数据补缺技术：
a.利用周围点的信息插值出缺损处的坐标，找到数据点间有一定的拓扑关系。

b.对三角化后的网格模型进行补缺，对三角网格模型中接近于平面多边形的孔洞进行修复.
c.通过截平面族与孔洞周围网格模型的相交和 B 样条曲面插值，解决修复部分与整体曲面的光滑连接问题。

d.用扩散法在等值面上插入新的数据，实现三角网格模型的复杂孔洞边界的数据补缺。

数据处理软件介绍
目前在国际市场上出现了多个与逆向工程相关的软件系统，主要有：SDRC公司的Imageware Surfacer, Raindrop Geomagic公司的Geomagic、英国DelCAM公司产品CopyCAD、英国MDTV公司的STRIM and Surface Reconstruction、英国Renishaw公司的TRACE，在一些流行的CAD/CAM集成系统中也开始集成了类似模块，如Lnigrahics中的Form Feature和Point Cloud功能、Pro/Engineering中的Pro/SCANTOOLS功能、Cimatron9. 0中的Reverse Engineering功能模块等。

二、逆向工程软件Geomagic Studio软件及流程简介
Geomagic Studio是美国Raindrop Geomagic(雨滴)软件公司推出的逆向工程软件。

该软件是目前市面上对点云处理及三维曲面构建功能最强大的软件，从点云处理到三维曲面重建的时间通常只有同类产品的三分之一。

利用GeomagicStudio可轻易地从扫描所得的点云数据创建出完美的多边形模型和网格，并可自动转换为NURBS曲面。

该软件主要包括Geomagic CaptureGeomagic Wrap,Geomagic Shape三个模块。

主要功能包括：
(1)自动将点云数据转换为多边形(Polygons)
(2)快速减少多边形的数目(Decimate)
(3)把多边形转换为NURBS曲面
(4)曲面分析(公差分析等)
(5)输出与CAD/CAM/CAE匹配的文件格式(IGES, STL, DXF等)。

Geomagic Studio的工作流程见下图。

目标
目标
目标
规则化(Regular)
形状调整(Shape Appropriate)
单一扫描工作流程
无序点云
点云数据Geomagic Studio
点处理阶段
手动删除
选择不连贯的（删除）选择局外的（删除）减少噪音均匀样本
封装
输出STL
补洞
祛除表面特征挖空
表面光顺处理
平整表面压入
成形阶段
IGES,SETP,VDA自动成形
多样扫描工作流程
无序点云
点云数据 Geomagic Studio
点处理阶段
手动删
选择不连贯的（删除）选择局外的（删除）
减少噪音手动注册
全局优化
融合合并点
降噪
封装
祛除毛坯
补洞
补缺表面压入
祛除表面特征深度压入
平整
祛除多边打开复本检验交集填充
形状阶段
输出IGES,SETP,VDA
三、studio入门学习
目标
熟悉studio界面，学习旋转、缩放和平移来改变视图角度。

试着用各种可以获得的选择技巧。

打开现有文件
1．打开数据文件TR-S10-001.wrp。

a)点击文件〉打开或点击打开图标。

b)从激活的文件夹里选择TR-S10-001.wrp，如果文件不在当前文件夹，那么浏览到指定文件
夹。

打开文件对话框是个标准的windows对话框。

c)点击打开。

文件被载入并显示在视窗中。

鼠标指南
2．通过使用鼠标的旋转命令来改变对象在视图中的定位。

3．通过使用鼠标的平移命令来改变对象在视图中的位置。

4．通过使用缩放命令来改变对象在视图中显示的大小。

5．当一个激活对象在一个区域放大，旋转质心仍旧定义在对象的质心上。

你可以定义一个新的位置来旋转。

6．当缩放的时候，你不必只用鼠标控制。

你可以在视窗中指定一个区域来缩放。

7．为了恢复视窗，以便使激活的对象放在整个窗口中。

8．为了激活的对象又绕着质心旋转，你需要重新设置旋转中心。

9．使用7个预定义的视图。

每个视图呈现相对于全局坐标轴的不同视角。

选择工具和删除
10着用可得到的各种选择工具，在视窗右侧（矩形工具、椭圆工具、线工具、画笔工具、套索工具、定制区域模式）。

11试着选择和删除一些几何，矩形工具、椭圆工具、线工具、画笔工具、套索工具、定制区域模式。

12 点击编辑〉撤销来恢复你在上一步中删除的多边形。

13．点击编辑〉选择贯穿或点击选择通图标，并在脸上选择一些多边形。

旋转模型到头的后面，可看到选择贯通选项是如何加亮了在选择边界内的所有多边形，而不仅是在屏幕上可见的多边形。

14．旋转对象以便你可以看到对象的底部。

15．点击编辑〉背景模式或点击背景模式图标。

如果命令按钮/图标是沉下去的，那么当你做选择的时候，会选择对象的前面的和后面的多边形。

如果命令按钮/图标没沉下去，那么仅选择那些正向可看到的对象。

关开
多边形的蓝色面是正面：黄色面是反面。

16．设置视图到前视图。

17．按ctrl+c（或编辑）清除所有）能快速清除所有被选择的东西。

18．从选择工具栏，选取定制区域模式图标，这个独特的选择工具允许你用一系列节点形成的一个封闭环来定义一个区域。

19．如右图所示选转模型，如下左图所示，点击一些点。

为了形成一个环，再次要点击起始点或按空格键。

20．当形成封闭环后，选中了所有的环内被连接的三角形，包括环内用户看不到的几何，比如缺口和倒拔模等情况。

这是个非常有用的命令，尤其在孔的周围选择劣质数据。

为了开始选择另一个环，你必须再次点击图标切换到定制区域模式。

因为这个，他不同于其他选择工具。

21．按ctrl+c来清除选取。

管理器面板—显示管理器
22．显示管理器包含了有用的显示选项，比如轴指示器。

这是小的XYZ轴，出现在视窗的右下角，呈现了当前全局轴的方位。

23．为了帮助眼睛观察模型的覆盖尺寸，你可以显示背景格栅。

在背景格栅多选框内打勾。

视窗内将显示格栅。

为了看到完整的背景格栅，你可能需要缩小。

24．循环查看各个预定义视图。

点击每个预定义视图图标。

注意看各种视角是如何影响背景格栅的。

如果等侧视图不能显示格栅，那么必须打开选项下的两面参数。

25．修改背景格栅的显示参数。

26．关闭背景格栅。

去掉背景格栅多选框里的勾，背景格栅就从视窗中去掉。

27．设置视图到前视图。

点击视图〉预定义视图〉前视图或在预定义视图工具栏里点击前视图图标。

管理器面板—显示管理器
28．缩小显示对象到视图内部并改变视图方向到等侧视图。

a) 在显示面板里的前平面多选框内打勾。

b) 点击视图〉预定义视图〉等侧视图或选择在预定义工具栏里的等侧视图。

c) 调整深度值来改变以红色显示的前平面的位置。

依靠平面移动的方向，对象将被剪切（丛视图隐藏）。

这个命令对于查看封闭模型内部是非常有用的。

29．改变前平面的剪切位置。

a) 去掉前平面多选框的勾。

b) 通过在视窗内旋转对象，改变视图位置。

c) 在前平面多选框内打勾。

注意看平面是如何重新放置来平行于屏幕的。

d) 调整深度值看结果。

四、甲壳虫的逆向工程Reverse Engineering of Beetle
目标
这个例子将带你经过Geomagic Studio 工作流程的每个阶段。

你将以Point Phase 点阶段开始，这个阶段里你将处理点云对象并准备数据用来封装(wrap)。

一旦对象被封装，你将进入
Polygon Phase 多边形阶段，这个阶段里你将在多边形对象上填充孔、移除任何肿块或压痕。

这时你将进行到Shape Phase 形状阶段，这个阶段里你将在多边形对象上拟合NURBS 曲面。

Point Phase点阶段Polygon Phase多边形阶段Shape Phase形状阶段
打开数据
打开的数据可以是点云或多边形。

在这例子里，你将使用无序点数据。

1.打开文件car.wrp。

a.点击File文件 > Open打开或点击Open File打开文件图标。

b.从保存文件的目录中选择car.wrp。

c.点击Open打开。

模型被显示在视图区域。

扫描对象在视图区域
查看数据
我们需要知道这个对象看上去象什么。

用一些功能可以改变对象在视图区域里的显示效果，这样更好的理解我们的任务。

1.着色扫描对象便于理解对象的形状。

a.点击View视图 > Shading着色 > Shade Points着色点对象出现曲面化视
图。

这样你可以看出对象象什么而且知道该对它做些什么。

被着色的点数据
2.你可以用许多命令如旋转和缩放来得到更好的对象视图。

a.放指针在视图区域，按压不放鼠标中键或按压CTRL+鼠标右键。

b.拖动视图区域内指针。

注意对象将旋转。

c.用鼠标滚轮或SHIFT+鼠标右键来放大缩小。

指针的位置控制着缩放的中心。

d.用ALT+鼠标右键来平移视图。

近看着色点云
3.重载视图区域以致整个对象能被查看。

a.点击View视图 > Fit Model to View 将整个模型投影到视窗中或点击Fit
Model to View将整个模型投影到视窗中图标来拟合对象视图大小到目前视
图框中，也可以用CTRL+D来快速执行这个功能。

净化点数据
扫描时你可能无意地扫描了背景物体，如桌面、墙、固定装置等等。

你将需要移除这些偏离点，也就是可能在对象周围存在体外孤点(outliers)。

这些点能够被识别远离主点云但不代表我们想保留的任何几何形状。

不连接项和体外孤点
1.可以用选择工具来手动移除游离点，如用Rectangle Tool矩形工具，Ellipse Tool椭圆工
具，Paintbrush Tool画笔工具，或Lasso Tool套索工具。

a.点击View视图 > Predefined Views预定义视图 > Front View前视图或
点击Front前视图图标。

b.用一个选择工具来手动选择这些体外孤点。

如果你选中了你不希望选择的点，那么
按住CTRL键不放重新选择不想要的点就可以取消它们的被选中状态。

c.点击Points点 > Erase擦除或点击Erase擦除图标。

你也可以用键盘上
的DEL删除键来删除高亮对象。

擦除前擦除后
2.代替手工选择游离点。

你可以让软件自动探测体外孤点。

为了更好的观察选中了那些点，
关闭着色。

(View视图 > Shading着色 > Unshade Points取消点阴影绘制)
选择不连接项前选择不连接项后
a.按压Ctrl+Z或点击Edit编辑 > Undo撤销来取消前一次删除，这将重载你最后
一次删除的点。

警告你只能执行一步撤销命令。

b.按压CTRL+C或点击Edit编辑 > Clear All全部清除来取消选择所有高亮点。

c.点击Edit编辑 > Select选择 > Disconnected Components与主体分离
部分或点击Select Disconnected选择不相连的项图标。

d.改变Separation分隔从Medium中间到Low低。

这样系统会选择在拐角处离
主点云很近但不属于它们一部分的点。

e.点击OK确定。

f.点击Points点 > Erase擦除或点击Erase擦除图标。

你也可以用键盘上的
DEL删除键来删除高亮对象。

3.对象里仍然存在一些体外孤点。

你将用其他功能来移除一些体外孤点。

剩余的游离点
a.点击Edit编辑 > Select选择 > Outliers体外孤点或点击Select Outliers
选择体外孤点图标。

b.改变Sensitivity敏感性到85.0。

这样将选中残留的偏离点。

这个值被设置的非
常有效地(接近100.0)捕获体外孤点。

选中的体外孤点–被高亮成红色
c.点击OK确定。

d.点击Points点 > Erase擦除或点击Erase擦除图标。

你也可以用键盘上
的DEL删除键来删除高亮对象。

备份当前文件
在执行下一步操作之前最好备份当前文件。

这将提供给你一个新的开始点以致你不必重复前面的步骤如果你想在后面的步骤中尝试其他的设置。

1.备份当前文件。

a.点击File文件 > Save As另存为。

b.浏览到你有写权限的文件夹中C:\temp。

c.输入一个新文件名car-001.wrp。

d.点击Save保存。

减少噪音点Reduce Noise
通常地，在扫描过程中，噪音点被引入数据里。

在一个曲面对象中粗糙的、不均匀的表现就是噪音点数据，产生的原因有如下几种，扫描设备的轻微震动，不精确的扫描校准，或被扫描物体表面准备处理不好。

为了减少这些噪音点，你将用一个叫Reduce Noise减少噪音的命令。

1.为了可视化扫描中噪音点的数量，你需要wrap封装对象(创建多边形网格)，减少噪音命令
已有一个预览的新功能。

a.点击Points点 > Reduce Noise减少噪音或点击Reduce Noise减少噪音图
标。

b.选中Free-form shapes自由格式形状选项。

如果你的对象有棱边或很小的特
征，那么用其他的选项。

c.移动Smoothness Level平滑级别滑杆到None无。

这说明你将不对对象作噪
音减少的应用。

你这样做是为了看当前对象如何，是否需要减少噪音。

d.勾中Preview预览选项。

预览框展开显示了更多设置。

e.定义Preview Points预览点为3000。

这代表被封装和预览的点数量。

f.取消勾中Sampling取样选项。

如果这个选项被勾中，那么预览将显示一个应用
了采样的结果。

什么是采样(Sample)？采样就是减少对象的点数量然而保持零件
的精确表示。

g.用指针在模型上选择一个区域来预览。

(图片显示一个靠近A支撑梁的区域)
选取位置预览结果
2.参看噪音减少后的预览区域。

a.移动Smoothness Level平滑级别滑杆一格。

注意所选区域更新显示了这个设
置将如何影响对象。

b.调节滑杆直到Max最大值，注意每一格都会改变结果。

注意
Max最大值可能出现最好的结果，但是最好看看其他区域可能如果变化。

一些特征
可能被去除。

最小设置最大设置
3.为了更好的了解改变Smoothness level平滑级别对对象改变的程度，打开Deviation
Display显示偏差可在一个色谱图中动态查看改变程度。

a.勾中Display Deviation显示偏差对话框。

b.定义Max Positive最大值正数为0.1 in。

按压Enter回车键更新显示。

c.定义Min Positive最小值正数为0.04 in。

按压Enter回车键更新显示。

d.调节Smoothness Level平滑级别查看对对象的影响。

最小设置最大设置
4.重复前面步骤直到你满意地了解当前对象状态及知道是否需要减少噪音。

5.这个对象看上去很好，因此不需要再做任何噪音减少。

让我们退出这个命令吧。

a.点击Cancel取消。

备份当前文件
参考前面步骤备份当前文件名为car-002.wrp。

统一取样Uniform Sample
当处理扫描点数据时，你用采样来减少对象中的点数量，然而保持零件的精确表示。

用无序数据，你将用统一取样来减少点的数量并组织点，因此当封装时他们粗略地产生了相同尺寸的三角片。

1.在当前对象上减少点数量。

a.点击Points点 > Uniform Sample统一采样或点击Uniform Sample统一
采样图标。

b.点击Absolute绝对选项。

(缺省设置)
c.定义Spacing间距值为0.20 in。

目前近似有317000个点。

这个值将减少点数
量到近似222000个点。

d.点击Apply应用。