2018三维曲面重构技术研究进展

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　　摘 要：曲面重构的方法与过程手段决定了逆向工程的质量与效果，重构结果能为后续的工程分析和产品设计提供重要的支持。本文讨论了曲面重构的流程，综述了目前重要的三种创建曲面的方法和过程。
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　　关键词：曲面重构 逆向工程 模型
　　
　　一、引言
　　逆向工程可以快速准确获取产品外形信息。而曲面重构是逆向工程的一个重要环节，其重构方法与过程手段决定了逆向工程的质量。建立三维曲面模型的方法主要有两类。第一类采用几何建模软件生成符合设计人员思想要求的三维几何模型,采用主流的绘图软件已经可以实现第一类方法。第二类是获取产品的几何形状参数。而第二类方法则一般称之为三维曲面重构，是指利用二维投影恢复物体三维信息(形状等)的过程,包括数据获取、预处理、曲面拼接等步骤。
　　对如何快速准确地实现曲面模型的重构，国内外的研究者已经开展了大量的研究工作。徐守乾针对稀疏点云提出了一种高效、简单、实用的曲面重构方法[1]。金葵以海量点云数据为基础对曲面重构方法和技巧进行了探讨研究，并应用3D点云对重构模型进行了误差分析[2]。刘光帅针对离散点云拓扑关系恢复及特征提取困难的问题，提出了一种健壮有效的分段光滑曲面重构方法[3]。陈雪芳等研究了多种创建曲面的方法和过程[4]。
　　二、曲面重构方法分类
　　根据数据类型、数据来源、造型方式和曲面表示可将模型重构方法分为：
　　（一）按数据类型：可分为有序点和散乱点的重构。
　　（二）按测量机的类型：分为基于CMM、激光点云、CT数据和光学测量数据的重构。
　　（三）按造型方法：分为基于曲线的模型重构和基于曲面的直接拟合。
　　（四）按曲面表示方法：分为边界表示、四边B-样条表示、三角面片（B-样条、Bezier）和三角网格表示的模型重构。一般的，矩形域曲面重构的自由曲面采用NURBS、有理B-样条、Bezier曲面来表示，要求处理的数据为四边域拓扑结构，基于散乱数据的自由曲面的曲面重构则多采用NURBS和三角域的拓扑结构。
　　三、曲面重构的流程
　　大多数物体的外形曲面是由许多大小不等、形状各异的曲面拼接而成，从而导致其复杂性及曲率变化的不规则性，因此在构造这些曲面之前，就应先生成由型值点控制拟合、逼近和优化而成的高级曲线，然后根据不同的控制条件由曲线生成最终的理想曲面。曲面重构的流程如图1所示：
　　四、曲面重构方法和过程
　　逆向工程的曲面重构之前，应考虑生成的曲面类型以及如何生成准确光顺的曲面。有多种创建曲面的方法，可以用点阵直接生成曲面，可以用曲线通过蒙皮、扫掠、四个边界线等方法生成曲面，也可以结合点阵和曲线的信息来创建曲面，还可以通过其他例如倒角、过渡面等生成曲面。这里重点介绍三种创建曲面的方法和过程[4]。
　　（一）基于曲面的模型重构
　　在逆向工程中，一种常见的模型重构方法是基于曲面的模型重构。该方法先将数据点通过插值或逼近拟合成样条曲线，再利用制造工具，如Sweep、Blend、Lofting、四边曲面等，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。
　　基于曲线的模型重构一般适用于点云较稀，而且数据比较有规律。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；反之，若曲线数量较少，则难于保证曲面的精度。
　　（二）曲面片直接拟合造型
　　曲面模型重构的另一种方法是直接对测量数据点进行曲面片拟合。获得的曲面片经过渡、混合、连接形成最终的曲面模型。该方法既可以处理有序点，也能处理散乱数据点。
　　从目前的研究现状和应用情况来看，曲面模型重建方法的研究相对比较成熟，以后研究的重点将逐渐转移到如何减少曲面模型重建过程中的人机交互、提高曲面模型重建的精度和谈率方面。
　　（三）基于特征及约束的模型重构
　　机械零部件都是按一定的特征设计制造的，几何特征是几何造型的关键要素，能够控制几何形体的形状，同时特征之间还具有确定的几何约束关系。因此产品模型的重构过程中，必须还原这些特征以及约束关系，得到一个优化的CAD模型，使孤立的曲面片转化为一个完整的模型。
　　基于特征的模型重构是将正向设计中的特征技术引入到逆向工程中，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。基于特征的模型重构技术需要解决的是如何从离散的数据点云中识别和抽取原有的形状几何特征信息。目前该项研究尚处于起步阶段，其关键技术包括两个内容：离散数据点云的自动特征分割（现有的研究多集中在数据分割的区域边界）；复合曲面特征或者自由曲面组成的复杂曲面的特征识别和抽取方法。
　　五、结论
　　三维曲面重构是逆向工程的重要环节，为后续的工程分析和产品设计提供重要的支持。本文讨论了曲面重构的流程，综述了目前重要的三种创建曲面的方法。
　　
　　参考文献：
　　[1]徐守乾.稀疏点云的曲面重构[J].中国制造业信息化,2011,40(3):35-38.
　　[2]金葵.基于海量点云的复杂曲面重构及误差分析[J].南京工业职业技术学院
　　 学报,2010,10(4):13-15.
　　[3]刘光帅,李柏林,何朝明.分段光滑曲面重构的面片图稀疏优化方法[J].计算
　　 机工程与应用,2011,47(4):22-25.
　　[4]陈雪芳,孙春华.逆向工程与快速成型技术应用[M].机械工业出版社,2009