补充 逆向CAD建模技术
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补充 逆向CAD建模技术
1 逆向工程CAD系统的分类 2 两类逆向建模技术的比较 3 逆向工程CAD建模系统分类
0 逆向CAD建模技术概述
逆向CAD建模是指从一个已有的物理模型或实物零件产生出相 应的CAD模型的过程，包含物体离散数据点的网格化、特征提取、 表面分片和曲面生成等，是整个逆向过程中最关键、最复杂的一 环，也为后续的工程分析、创新设计和加工制造等应用提供数学模 型支持。 其内容涉及计算机、图像处理、图形学、计算几何、测量和数 控加工等众多交叉学科和工程领域，是国内外学术界，尤其是CAD ／CAM。领域广泛关注的热点和难点问题。
1）由点直接到曲面的建模方法，这种方法是在对点云进行区域分 割后，直接应用参数曲面片对各个特征点云进行拟合，以获得相 应特征的曲面基元，进而对各曲面基元进行处理，获得目标重建 曲面； 2）由点到曲线再到曲面的建模方法，这种方法是在用户根据经验 构建的特征曲线的基础上实现曲面造型，而后通过相应的处理以 获得目标重建曲面的建模过程。
在具体工程设计中，一般采用几种软件配套使用、 取长补短的方式。因此，在实际建模过程中，建模人员 往往采用“正向+逆向”的建模模式，也称为混合建模，即 在正向CAD软件的基础上，配备专用的逆向造型软件 (如Imageware、Geomagic等)。在逆向软件中先构建出 模型的特征线，再将这些线导入到正向CAD系统中，由 正向CAD系统来完成曲面的重建。
【第一阶段】一些商品化的CAD／CAM软件集成进专用的逆向 模块，典型的如PTC的Pro／Scan-tools模块、CATIA的QSR／ GSD／DSE／FS模块及UG的Point cloudy功能等。 【第二阶段】专用的逆向软件开发，目前面世的产品类型已达 数十种之多，典型的如Imageware，Geomagic，Polyworks， Copy CAD，ICEMSurf和RE-Soft等。
快速曲面造型方式是通过对点云的网格化处理，建 立多面体化表面来实现的，其代表有Geomagic Studio和 Re-soft等。 一个完整的网格化处理过程通常包括以下步骤：
1）从点云中重建三角网格曲面； 2）对这个三角网格曲面分片，得到一系列有四条边界的子网格 曲面； 3）对这些子网格逐一参数化； 4）用NURBS曲面片拟合每一片子网格曲面，得到保持一定连 续性的曲面样条，由此得到用NURBS曲面表示的CAD模型，可 以用CAD软件进行后续处理。
2）快速曲面造型方式
与传统曲面造型方式相比，快速曲面造型方式通常是将点云模型 进行多边形化，随后通过多边形模型进行NURBS曲面拟合操作来实现 曲面模型的重建。
传统曲面造型方式主要表现为由点一线一面的经典逆 向建模流程，它使用NURBS曲面直接由曲线或测量点来 创建曲面，其代表有Imageware，ICEM Surf和Copy CAD 等。 该方式下提供了两种基本建模思路：
逆向CAD模型重建的一般步骤：
1) 根据几何特征对点云数据进行分割， 2) 分别对各个曲面片进行拟合， 3)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。
1 逆向工程CAD系统的分类
1、根据CAD系统提供的方式分类
以测量数据点为研究对象的逆向工程技术，其逆向 软件的开发经历了两个阶段：
2、根据CAD系统建模特点与策略分类
各种专用逆向软件建模的侧重点不一样，从而实现 特征提取与处理的功能也有很大的不同，例如 Imageware主要功能齐全，具有多种多样的曲线曲 面创建和编辑方法，但是它对点云进行区域分割主要还 是通过建模人员依据其特征识别的经验手动来完成，不 能由系统自动实现； Geomagic区域分割自动能力很强，并可以完全自动 地实现曲面的重建，但是创建特征线的方式又很单一， 且重建的曲面片之间的连续程度不高。
建模质量的比较
逆向建模的质量表现在曲面的光顺性和曲面重建的精度两个 方面。 从曲面的光顺性角度看，目前，快速曲面造型方式重建的各曲 面片之间往往只能实现G1连续，难以实现G2连续，从而无法构 建高品质的曲面，这也限制了在产品制造上的应用。相比而 言，传统曲面造型方式提供了结合视觉与数学的检测工具和高 效率的连续性管理工具，能及时且同步地对构建的曲线、曲面 进行检测，提供即时的分析结果，从而容易实现高品质的曲面 构建。 在精度方面，两种方法均可获得较高精度的重建结果，但相对 来说，快速曲面造型遵循相对固定的操作步骤，而传统曲面造 型方式则更依赖于操作人员的经验。
3 逆向工程CAD建模系统分类
目前，虽然商用的逆向工程软件类型很多，但是在 实际设计中，专门的逆向工程设计软件还存在较大的局 限性，例如，Imageware软件在读取点云数据时，系统 工作速度较快，能较容易地进行海量点数据的处理，但 进行面拟合时，Imageware所提供的工具及面的质量却 不如其他CAD软件(如Pro/E、UG等)。 但使用Pro/E、UG等软件读取海量点云数据时，却 存在由于数据庞大而造成系统运行速度太慢等问题。 在机械设计领域中，逆向工程软件集中表现为智能 化低；点云数据的处理方面功能弱；建模过程主要依靠 人工干预，设计精度不够高；集成化程度低等问题。
重建对象ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ异同
对于具有丰富特征模型的曲面重建(如工艺品、雕塑、人体 设计等)，使用传统曲面造型的方法就显得非常困难，而快速曲 面造型的方法则能轻易胜任。 在实际的产品开发过程中，在产品的概念设计阶段，需要 根据相应的手工雕刻模型进行最初的快速建模时，快速曲面造 型方式便是一种最佳的选择。 对于多由常规曲面构成的典型机械产品，或如汽车车体和 内饰件造型等这些往往对曲面造型的质量要求很高的场合，目 前采用的主要还是传统曲面造型方式的逆向系统。
依据逆向建模系统实现曲面重建的特点，可以将曲面 重建的方式划分为两类：
1）传统曲面造型方式
传统曲面造型方式在实现模型重建上通常有两种方法： （1）曲线拟合法，该方法先将测量点拟合成曲线，再通过曲面造型 的方式将曲线构建成曲面(曲面片)，最后对各曲面片直接添加过渡约 束和拼接操作完成曲面模型的重建。 (2)曲面片拟合法，该方法直接对测量数据进行拟合，生成曲面(曲面 片)，最后对曲面片进行过渡、拼接和裁剪等曲面编辑操作，构成曲 面模型的重建。
该类方法存在计算量大、对计算机硬件要求高，曲面 对点云的快速适配需要使用高阶NURBS曲面等不足，而 且面片之间难以实现曲率连续，难以实现高级曲面的创 建。
2 两类逆向建模技术的比较
两类曲面造型方式的差异主要表现在处理对 象、重建对象及建模质量等方面。
处理对象的异同
在传统曲面造型方式的逆向系统中，所处理的点云涵盖了 对从低密度、较差质量到高质量、密度适中，再到高密度整个 范围。并且没有点云密度和数据量大小的限制。只是在实际建 模过程中，往往会先对密度较大的点云进行采样处理，以改善 计算机内存的使用。 而对于快速曲面造型方式，为了获取较好的建模精度，往 往要求用于曲面重建的点云具有一定的点云密度和比较好的点 云质量。
1 逆向工程CAD系统的分类 2 两类逆向建模技术的比较 3 逆向工程CAD建模系统分类
0 逆向CAD建模技术概述
逆向CAD建模是指从一个已有的物理模型或实物零件产生出相 应的CAD模型的过程，包含物体离散数据点的网格化、特征提取、 表面分片和曲面生成等，是整个逆向过程中最关键、最复杂的一 环，也为后续的工程分析、创新设计和加工制造等应用提供数学模 型支持。 其内容涉及计算机、图像处理、图形学、计算几何、测量和数 控加工等众多交叉学科和工程领域，是国内外学术界，尤其是CAD ／CAM。领域广泛关注的热点和难点问题。
1）由点直接到曲面的建模方法，这种方法是在对点云进行区域分 割后，直接应用参数曲面片对各个特征点云进行拟合，以获得相 应特征的曲面基元，进而对各曲面基元进行处理，获得目标重建 曲面； 2）由点到曲线再到曲面的建模方法，这种方法是在用户根据经验 构建的特征曲线的基础上实现曲面造型，而后通过相应的处理以 获得目标重建曲面的建模过程。
在具体工程设计中，一般采用几种软件配套使用、 取长补短的方式。因此，在实际建模过程中，建模人员 往往采用“正向+逆向”的建模模式，也称为混合建模，即 在正向CAD软件的基础上，配备专用的逆向造型软件 (如Imageware、Geomagic等)。在逆向软件中先构建出 模型的特征线，再将这些线导入到正向CAD系统中，由 正向CAD系统来完成曲面的重建。
【第一阶段】一些商品化的CAD／CAM软件集成进专用的逆向 模块，典型的如PTC的Pro／Scan-tools模块、CATIA的QSR／ GSD／DSE／FS模块及UG的Point cloudy功能等。 【第二阶段】专用的逆向软件开发，目前面世的产品类型已达 数十种之多，典型的如Imageware，Geomagic，Polyworks， Copy CAD，ICEMSurf和RE-Soft等。
快速曲面造型方式是通过对点云的网格化处理，建 立多面体化表面来实现的，其代表有Geomagic Studio和 Re-soft等。 一个完整的网格化处理过程通常包括以下步骤：
1）从点云中重建三角网格曲面； 2）对这个三角网格曲面分片，得到一系列有四条边界的子网格 曲面； 3）对这些子网格逐一参数化； 4）用NURBS曲面片拟合每一片子网格曲面，得到保持一定连 续性的曲面样条，由此得到用NURBS曲面表示的CAD模型，可 以用CAD软件进行后续处理。
2）快速曲面造型方式
与传统曲面造型方式相比，快速曲面造型方式通常是将点云模型 进行多边形化，随后通过多边形模型进行NURBS曲面拟合操作来实现 曲面模型的重建。
传统曲面造型方式主要表现为由点一线一面的经典逆 向建模流程，它使用NURBS曲面直接由曲线或测量点来 创建曲面，其代表有Imageware，ICEM Surf和Copy CAD 等。 该方式下提供了两种基本建模思路：
逆向CAD模型重建的一般步骤：
1) 根据几何特征对点云数据进行分割， 2) 分别对各个曲面片进行拟合， 3)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。
1 逆向工程CAD系统的分类
1、根据CAD系统提供的方式分类
以测量数据点为研究对象的逆向工程技术，其逆向 软件的开发经历了两个阶段：
2、根据CAD系统建模特点与策略分类
各种专用逆向软件建模的侧重点不一样，从而实现 特征提取与处理的功能也有很大的不同，例如 Imageware主要功能齐全，具有多种多样的曲线曲 面创建和编辑方法，但是它对点云进行区域分割主要还 是通过建模人员依据其特征识别的经验手动来完成，不 能由系统自动实现； Geomagic区域分割自动能力很强，并可以完全自动 地实现曲面的重建，但是创建特征线的方式又很单一， 且重建的曲面片之间的连续程度不高。
建模质量的比较
逆向建模的质量表现在曲面的光顺性和曲面重建的精度两个 方面。 从曲面的光顺性角度看，目前，快速曲面造型方式重建的各曲 面片之间往往只能实现G1连续，难以实现G2连续，从而无法构 建高品质的曲面，这也限制了在产品制造上的应用。相比而 言，传统曲面造型方式提供了结合视觉与数学的检测工具和高 效率的连续性管理工具，能及时且同步地对构建的曲线、曲面 进行检测，提供即时的分析结果，从而容易实现高品质的曲面 构建。 在精度方面，两种方法均可获得较高精度的重建结果，但相对 来说，快速曲面造型遵循相对固定的操作步骤，而传统曲面造 型方式则更依赖于操作人员的经验。
3 逆向工程CAD建模系统分类
目前，虽然商用的逆向工程软件类型很多，但是在 实际设计中，专门的逆向工程设计软件还存在较大的局 限性，例如，Imageware软件在读取点云数据时，系统 工作速度较快，能较容易地进行海量点数据的处理，但 进行面拟合时，Imageware所提供的工具及面的质量却 不如其他CAD软件(如Pro/E、UG等)。 但使用Pro/E、UG等软件读取海量点云数据时，却 存在由于数据庞大而造成系统运行速度太慢等问题。 在机械设计领域中，逆向工程软件集中表现为智能 化低；点云数据的处理方面功能弱；建模过程主要依靠 人工干预，设计精度不够高；集成化程度低等问题。
重建对象ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ异同
对于具有丰富特征模型的曲面重建(如工艺品、雕塑、人体 设计等)，使用传统曲面造型的方法就显得非常困难，而快速曲 面造型的方法则能轻易胜任。 在实际的产品开发过程中，在产品的概念设计阶段，需要 根据相应的手工雕刻模型进行最初的快速建模时，快速曲面造 型方式便是一种最佳的选择。 对于多由常规曲面构成的典型机械产品，或如汽车车体和 内饰件造型等这些往往对曲面造型的质量要求很高的场合，目 前采用的主要还是传统曲面造型方式的逆向系统。
依据逆向建模系统实现曲面重建的特点，可以将曲面 重建的方式划分为两类：
1）传统曲面造型方式
传统曲面造型方式在实现模型重建上通常有两种方法： （1）曲线拟合法，该方法先将测量点拟合成曲线，再通过曲面造型 的方式将曲线构建成曲面(曲面片)，最后对各曲面片直接添加过渡约 束和拼接操作完成曲面模型的重建。 (2)曲面片拟合法，该方法直接对测量数据进行拟合，生成曲面(曲面 片)，最后对曲面片进行过渡、拼接和裁剪等曲面编辑操作，构成曲 面模型的重建。
该类方法存在计算量大、对计算机硬件要求高，曲面 对点云的快速适配需要使用高阶NURBS曲面等不足，而 且面片之间难以实现曲率连续，难以实现高级曲面的创 建。
2 两类逆向建模技术的比较
两类曲面造型方式的差异主要表现在处理对 象、重建对象及建模质量等方面。
处理对象的异同
在传统曲面造型方式的逆向系统中，所处理的点云涵盖了 对从低密度、较差质量到高质量、密度适中，再到高密度整个 范围。并且没有点云密度和数据量大小的限制。只是在实际建 模过程中，往往会先对密度较大的点云进行采样处理，以改善 计算机内存的使用。 而对于快速曲面造型方式，为了获取较好的建模精度，往 往要求用于曲面重建的点云具有一定的点云密度和比较好的点 云质量。