第3章 三维CAD模型重构

基于特征及约束的逆向工程CAD建模

基于特征及约束的逆向工程CAD建模是将
ຫໍສະໝຸດ Baidu
正向设计技术的特征技术引入到逆向过程中， 通过提取蕴含在测量数据点云中的表达原始设 计意图的特征，重建基于特征的逆向工程CAD 模型。
测量数据
图
噪声去除
数据预处理
3-6 CAD
数据压缩
三角化
· · ·
基 于 特 征 及 约 束 的 反 求 工 程 建 模 框 架
独立几何工作界面
小平面特征 小平面建模(FacetFeature)是Pro/E逆向工程模块的一部分， 其基本原理是利用模型样件的扫面点云中的每一点与其相邻 的两点构成一个小三角形平面，用大量的小三角面表示曲面 的大致形状。 在小平面特征环境中，可对原始点云进行噪音点过滤、数据 精简、数据平滑以及特征点的提取等 “点”处理工作。而 后的包络定义以及相关的小平面操作可以完成对“面”的操 作处理。
约束的定义、分类及表达
逆向工程中的曲面重构不是对数据的简单拟合，而是 要满足几何约束下的重构。 逆向工程中的几何约束是指各特征层次的组成元素之 间的约束关系，它直接反映了重构CAD模型几何要素之间 的形状和位置关系，包括结构约束和尺寸约束两种类型。 结构约束 是指特征元素之间的拓扑结构关系（如垂直、平行、 相切等），描述了特征元素的空间相对位置和连接方式。 尺寸约束 是指特征元素间的距离、角度等约束。
基于特征及约束的模型重建技术的不足
目前，基于特征及约束的模型重建技术对于具有规则复杂几 何外形的产品，已不存在技术问题，但对于由自由曲面和复 杂曲面组成的具有复杂几何外形的产品，例如汽车的外形覆 盖件，其特征和约束识别还有许多技术问题需要解决。 在实际产品中，产品外形多由多个子曲面经过过渡、拼接和 裁剪等形成的复杂曲面，一方面增加了特征识别和数据分割 的难度，另一方面其特征曲面之间也没有确定的几何约束关 系，很难建立约束的数学模型。因此，对于复杂曲面，基于 特征及约束的模型重建技术仍不成熟。
图3-1 曲面创建过程
逆向工程 自由曲面建模手段
以曲线、曲面为基础的曲面 拟合方法。 应用对象主要是由复杂曲面 组成的产品，如汽车、飞机、 船舶等。
以三角曲面为基础的曲面构 造方法。 最适合表现无规则、复杂型 面的物体，特别是玩具、艺 术品这类对象。
3.2 曲面重构方法和过程
1 3 2 3
基于曲线的模型重构 曲面片直接拟合造型 基于特征及约束的模型重构
Imageware 软件
应用曲线拟合造型的典型商用软件
广泛应用于汽车、航天、消费家电、模具、计算机零部 件等设计与制造领域。
软件包括以下几个模块：基础模块、点处理模块、曲线、 曲面模块、多边形造型模块、检验模块和评估模块。
“点－曲线－曲面”的原则，先创建合适的曲线， 然后利用曲线通过蒙皮、扫掠、四个边界等方法 生成曲面。 Imageware软件的一般操作流程：
修改后生成型曲线
小平面特征实例
点 云 数 据 点处理后 小 平 面 精 整 删 除 腹 板 包 络 处 理
破洞修补
小平面处理完成

重新造型实例
剖面曲线
小平面特征
重新造型（自动曲面）
创建曲面
曲线完成
曲线编辑
曲面完成
生成实体模型
实例操作
回转面模型重构 回转曲面是指平面曲线 C 绕平面上一定直线旋转一定角 度所扫掠区域，称此直线为轴线，曲线为母线。据此可知 回转面重构的关键在于从扫描线数据中提取回转面的轴线 位置及方向，以及母线数据点。
曲面偏移 模 型 装 配
创建球面 模 型 渲 染
创建混合曲面
中国印模型重构
图片
插入跟踪草绘
勾勒曲线
创 建 实 体 创建混合特征 创建拉伸特征 渲 染 特 征 印 章 完 成
电熨斗模型重构
小平面特征 图片 曲 面 合 并
创建基准
重新造型
创建曲线
创建造型曲面
曲线创建完成
曲面修剪
曲面创建完成
创建实体
读 入 数 据
点 云 处 理
点 云 分 块
定 义 曲 线 类 型
创 建 曲 线
曲 线 检 查 和 编 辑
定 义 曲 面 类 型
创 建 曲 面
曲 面 检 查 和 编 辑
下 游 过 程
Imageware软件-----实例1
2.曲面片直接拟合造型
直接对测量数据点进行曲面片拟合，获得的曲面 片经过过渡、混合、连接形成最终的曲面模型。
区域分割
简单自由曲面数据 截面数据获取 平面离散曲线分段
复杂 自由 曲面 数据
二次曲面数据 球面 平面 圆柱面 圆锥面
· · ·
样条曲线
二次曲线 圆弧 直线 · · · 约 束 逼 近 边界曲线 跨界切矢
特 征 提 取
曲率
切矢
平行 相切
垂直 · · ·
平行 相切
垂直 · · ·
约束逼近
约束逼近
截面形状特征
特征的定义及表达
几何特征是几何造型的关键，他们对控制几何形体的形 状有极为重要作用，同时几何特征之间还具有确定的几何约 束关系。 因此，在产品模型的重构过程中，一个重要的目标就是 还原这些特征以及他们之间的约束，得到一个优化的CAD模型， 使孤立的曲面片转化成一个整体的几何模型。 这和多数工业产品的设计意图相符合。可有效解决产品 的装配对齐、造型的对称等问题，进而减小误差，提高产品 质量。
小平面特征工作界面
重新造型
重新造型是一个逆向工程模式，用来在多面(小三角形平面) 数据的顶部重建或构造曲面CAD模型。重新造型多用于小 平面特征之后，在小平面模型的基础上进行构造并调整曲 面。
小平面特征
重新造型
曲面模型
独立几何实例
生成扫描曲线
点云数据
独立几何（剖面）
创建曲面
创建其它曲线 重 构 完 成
模 型 评 价
实 体 模 型
下 游 应 用
应用这种三边域曲面重构方法的典型商用软件是 Geomagic Studio软件。该软件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。 Geomagic Studio软件主要应用于快速消费品、玩具 及其非工业成品（如医学方面、文物和艺术品保存） 方面。
Pro/ENGINEER 逆向模块
Pro/ENGINEER是位于美国波斯顿的PTC公司于1988年 开发出参数化建模软件系统，并于2008年1月全球发布推 出Pro/ENGINEER 野火4.0版本。 广泛应用于机械、电子、航天、通讯、模具、工业设计、 汽车、自行车、家电、玩具等行业。其所提供的独立几何、 小平面特征和重新造型等模块都可完成逆向反求工作。
自动将点云 数据转换为 多边形
快速减少 多边形数目 (Decimate)
输出匹配的 文件格式
Geomagic Studio
主要功能
把多边形 转换为曲面
曲面分析 (公差分析等)
Geomagic Studio软件工作流程如下图所示：
3D扫描
点处理
三角面片化
曲面构建
CAD/CAE/CAM/ RP/RT/...
轴线
z
M
M 1 (0, y1 , z1 )
母线
C
0
y
x
扫描线数据点
创建基准面
扫描线数据点
测量
创建型曲线
独立几何创建扫描曲线 创建回转轴
创建并分析曲面 重构完成
散乱点云
散 乱 点 云 小平面观察 母 线 修 改 析 出 母 线
型曲线分析
创建型曲线 创 建 曲 面 提取轴线
维纳斯石膏像模型重构
3.基于特征及约束的模型重构
特征的定义及表达
大多数机械零部件都是按照一定的特征设计制造的。
几何特征是组成一个零件的基本特征，主要是反映零
件基本尺寸的点、线、面。 逆向工程特征可定义为： 基于测量数据提取的用于逆向工程CAD模型重建的点、 线、面以及它们满足特定约束关系下的组合或复合。
Pro/E逆向工程实现流程
点云数据
数据分析
独立几何
小平面特征
重新造型
其它
数据处理 扫描曲线 创 建
创建曲线
包络处理 修改 型曲线
创建曲面
小平面处理 型曲面 CAD模型
修改
独立几何模块
Pro/SCANTOOLS（独立几何）是一个完全集成于 Pro/ENGINEER实体建模中的逆向曲面构建模块，它可以 接受有序点(扫描线数据)，也可以接受散乱点云数据，且可 以用来构造非A级的自由曲面, 一般应用于电器产品、汽车 内饰件、塑料件等行业。 它是一种非参数化环境工具，属于超级特征，与其它特征 没有父子关系。其可使用户专注于模型的特定区域，并结 合各种造型方法和工具来获得期望的形状和属性。
3.3 网格化实体模型
网格化实体模型通常是将数据点连接成三角面（四角面、六 角面）片，形成多面体模型。 与曲面模型相比，采用网格化实体模型表示物体形状能实现 计算的自动化和产生较少的冗余，而且随着计算机硬件的发展 和技术的进步，原来网格化需要消耗大量运算时间的情况已得 到改善。因此，在某些应用中采用网格化实体模型代替曲面模 型能简化造型过程，获得较高的效率。与曲面模型相比，模型 的多面体表示及构建具有快速的特点 目前在动画、虚拟环境、医学扫描、计算机游戏、快速成型 技术等领域多边形网格表示已取代曲面模型表示。
采用该方法造型时，数据分割的准确性很重要。 因为如果用一张曲面片去拟合两个以上类型的曲面， 最终拟合的曲面都是不光滑的。
曲面直接拟合造型既可以处理有序点，也能处理 点云数据（散乱点）.
图3-3 数据点直接进行曲面片拟合造型
采 集 数 据
数 据 预 处 理
曲 面 片 拟 合
曲 面 模 型 重 建
第3章 三维CAD模型重构
目录
3.1 概述 3.2 曲面重构方法和过程 3.3 网格化实体模型
3.4 模型精度评价及量化指标
3.5 曲面重构实例
3.1 概述
在逆向工程中，实物三维CAD模型重构是最关键、最复 杂的一环，是后续产品加工制造、快速成型制造、工程分析、 产品再设计的基础。 重构曲面的品质和精度直接影响最终产品CAD模型的优
复习上次课的内容
数据测量
高效、高精度地实现样件表面的数 据采集，是逆向工程实现的基础和 关键技术
数据测量 与处理
测量方式
非接触式测量将越来越占主导地 位，但接触式三坐标测量机在测 量精度方面仍然具有优势
数据处理
模型重建之前，需对测量数据进行 预处理，以获得完整、正确的测量 数据，这决定模型重建的准确性
图3-2 基于曲线的模型重构过程
采 集 数 据
数 据 预 处 理
曲 线 拟 合
曲 面 片 重 建
曲 面 模 型
实 体 模 型
下 游 应 用
基于曲线的模型重构仅适合处理数据量不大，而 且数据呈有序排列的情况。 该方法的不足之处在于，若曲线分布较密，曲面 造型时通过所有的曲线，则不能保证曲面的光滑 性；反过来，若选定的曲线数量较少，则难于保 证曲面的精度。
劣。
三维CAD模型重构有两个影响因素： 1. 设备硬件；
2. 操作者经验。
本节重点介绍三种创建曲面模型的方法和过程
3.2 曲面重构方法和过程
模型重构一般先构建曲面，再将曲面转换成实体模型。
曲面重构基本遵循：点-曲线-曲面原则。
曲面重构之前，首先考虑：生成更准确曲面？还是更 光顺曲面？或是两者兼顾！这需根据产品设计需要来决 定。
自由曲面
特征单元
参数曲面
建模过程： 1、由测量设备获 取数据， 2、在逆向工程 CAD建模软件中完 成数据预处理、区 域分割及特征提取， 3、由通用CAD系 统完成特征造型。
反求高层特征 B-Rep单元/体素特征 参数化特征造型
在产品的模型重建过程中，一个重要的目标应该 是还原特征以及他们之间的约束关系。 忽略特征或几何约束，得到的产品模型都是没有 意义或是不准确的。 目前的研究中，大多采用人工引导，有目的、半 自动地实现这一过程。
抽 样 处 理 散乱点云 删除界外值 修补破洞
重 新 造 型 小平面精调、处理 曲 面 片 编 辑 小平面粗调 重 构 完 成
包 络 处 理
红茶饮料瓶
曲 线 完 成 创建曲线
扫描线点数据
创建小特征
曲面合并
创建曲面
曲面镜像
重构完成
足球模型重构
创建六边形
点云数据
提取足球参数
创建五边形
曲面修剪
1. 基于曲线的模型重构
在逆向工程中，一种常用的模型重构方法是基于曲线的 模型重构。 该方法先将数据点通过插值或逼近拟合成样条曲线（或 参数曲线），再利用基本造型工具，如扫描Sweep、混 成Blend、放样Lofting、四边曲面（Boundary）等，完 成曲面片的造型，再通过延伸、剪裁和过渡等曲面编辑， 得到完整的曲面模型。