0 引言

　　進(jìn)入20世紀(jì)90年代以來(lái)，產(chǎn)品更新?lián)Q代周期迅速縮短，逆向工程技術(shù)在新產(chǎn)品快速開發(fā)中的重要作用使其在理論上得到了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，國(guó)內(nèi)的大學(xué)也做了不少相關(guān)的研究工作。西安交通大學(xué)完成了激光掃描法、層除法實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的研制，并開發(fā)了逆向工程的核心軟件——CAD重構(gòu)軟件；浙江大學(xué)CAD實(shí)驗(yàn)室在CT復(fù)原三維模型方面開展了大量的研究并取得了較好的成績(jī)，推出了Re—Soft軟件系統(tǒng)。但總體來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)的研究重點(diǎn)都是逆向工程CAD中的數(shù)據(jù)處理算法和造型方法，在走向商業(yè)化的軟件方面，除了浙江大學(xué)推出的Re--Soft軟件系統(tǒng)之外幾乎是空白。

1 逆向工程關(guān)鍵技術(shù)

　　1.1 數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理

　　數(shù)據(jù)采集是利用數(shù)字化設(shè)備測(cè)量原型表面點(diǎn)的三維坐標(biāo)值，這樣才能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面的建模、評(píng)價(jià)、改進(jìn)、制造。

　　由于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)或激光掃描儀所測(cè)得的數(shù)據(jù)點(diǎn)之間通常沒(méi)有顯示拓?fù)潢P(guān)系，只是一大群空間散亂點(diǎn)，所以進(jìn)行CAD模型重建之前需要對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理，使之能夠利用CAD軟件進(jìn)行精確、快速逆向。數(shù)據(jù)的逆向工程預(yù)處理包括對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)的排序、數(shù)據(jù)異常的排除、數(shù)據(jù)點(diǎn)的簡(jiǎn)化等。

　　1.2 曲面擬合的算法

　　在曲面建構(gòu)的過(guò)程中，遇到的問(wèn)題是：應(yīng)該采用什么樣的曲面類型；階數(shù)、控制點(diǎn)數(shù)、權(quán)因子、節(jié)點(diǎn)矢量這些參數(shù)應(yīng)該如何選取；曲面的精度和光順怎樣。在曲面重建的過(guò)程中了解其曲面的特性及其曲面的數(shù)學(xué)模式，可以幫助我們節(jié)省很多的時(shí)間以及提高建模效率。曲面擬合的算法分為：Bezier(貝塞爾)曲線／曲面；B—Spline曲線／曲面；NURBS曲線／曲面。本文主要采用兼容了Bezier曲面和均勻B樣條的NURBS作為自由曲線曲面的通用表達(dá)形式。

2 特征提取技術(shù)

　　在三維模型重建中，實(shí)物的幾何形狀特征識(shí)別是建模的關(guān)鍵，它能為設(shè)計(jì)者提供準(zhǔn)確的幾何信息，可以對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)直接進(jìn)行修正，消除誤差。單純依據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)，有時(shí)會(huì)得到錯(cuò)誤的模型，如直線的擬合和圓孑L直徑的確定。對(duì)于由直線、圓弧等構(gòu)成的實(shí)物棱線及輪廓特征、等半徑的倒圓特征、對(duì)稱特征、圓孔特征以及由平面、柱、錐、球、環(huán)等基本體素拼合而成的零件，特征提取較簡(jiǎn)單；但對(duì)于二次曲線(拋物線)特征、變半徑倒圓特征、橢圓孔特征等，特別是具有復(fù)雜曲面外形的零件，提取這類特征是特征建模的難點(diǎn)。

　　在提取邊界之前，首先劃分特征邊界的種類，然后按照不同的分類用不同的方法提取特征邊界。本文介紹兩種方法：①基于點(diǎn)云曲率和法矢的特征曲面提取：它是一種基于邊的方法，它根據(jù)測(cè)量點(diǎn)的法矢或曲率的突變，以一封閉邊界對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的不同區(qū)域進(jìn)行分割，并將邊界以線狀點(diǎn)云的形式提取出來(lái)；②基于點(diǎn)云截面特征提?。核且环N基于面的方法．通過(guò)選取的種子點(diǎn)，進(jìn)行“區(qū)域生長(zhǎng)”，找出具有相似幾何

　　特征的空間點(diǎn)以同一區(qū)域的形式提取出來(lái)。

3 人臉的建模實(shí)例

　　3.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的讀入

　　將掃描的人臉點(diǎn)云數(shù)據(jù)保存為igs格式，導(dǎo)入到UG NX中，保存為prt文件。在導(dǎo)人數(shù)據(jù)時(shí)可能找不到點(diǎn)云，也可能與導(dǎo)入坐標(biāo)的原點(diǎn)不一致，用工具欄中的“適合窗口”命令顯示，精簡(jiǎn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，將一些不相關(guān)的噪聲點(diǎn)刪除

　　3.2 創(chuàng)建截面提取邊界點(diǎn)

　　人臉在眼睛、鼻子、嘴巴處的曲率比較大，為保證這3部分的擬合精度，截面的距離必須很小才行。將截面的距離設(shè)定為4mm，提取的特征邊界點(diǎn)。

　　3.3擬合曲線、曲面

　　選擇“插入/曲線/擬合樣條”命令，接著選擇通過(guò)點(diǎn)選項(xiàng)，框選出每一個(gè)截面截出的點(diǎn)云，指定點(diǎn)云的起點(diǎn)和終點(diǎn)，其余的選擇默認(rèn)選項(xiàng)，確認(rèn)后即重構(gòu)出了曲線。擬合出的樣條一般都不光順，選擇“編輯/曲線/光順樣條”命令光順每一個(gè)樣條曲線。擬合后的特征曲線如圖5所示。最后選擇“插入/曲面/網(wǎng)格曲面/通過(guò)曲線組”命令，一次性將所有重構(gòu)的曲線都選擇，擬合的三維模型。

4 結(jié)束語(yǔ)

　　采用在UG中提取點(diǎn)云數(shù)據(jù)特征邊界點(diǎn)的方法，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)一些形狀比較簡(jiǎn)單、有多個(gè)自由曲面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的重構(gòu)，而且精度也能達(dá)到一定的要求。