0 引言

自由曲面形狀復雜，其曲面重構一直是逆向工程研究的熱點和難點之一。逆向工程上NURBS設計技術最常使用的作業模式是對點云數據應用控制多邊形或者逼近的方法創建初始造型。一般采用工程技術中常規構面手段，如CATIA由線架構用逼近方法構面有多種辦法，可采用的有：GSD模塊中的放樣曲面(Loft)、填充曲面(Fill)和掃描曲面(Sweep)；FSS模塊中的填補曲面(Fill)、外形擬合(Fit to Geometry)、掃掠曲面(Styling Sweep)魚和網格曲面。但對于醫療領域中人贗耳、鼻和假肢等人體器官和玩具行業中布絨填充類玩具等三維實體的逆向重構，經反復試驗證明其效果沒有針對性且精度上差強人意。本文以CATIA V5 R16為平臺，針對以蝦仁為代表的自由曲面的散亂點云數據，采用“控制點調面”法完成其曲面重構并提出這一方法的應用技巧。

1 蝦仁曲面重構

按如圖1所示流程對處理好的蝦仁點云進行曲面重構，先進行線架構，然后采用“控制點調面”的方法構建蝦段曲面，再通過蝦段曲面間的調整構建蝦仁全部外表面，在此過程中需要做截面線并進行曲面質量評價。這里重點探討如何采用“控制點調面”法完成蝦段曲面重構，以蝦尾某段體節為例。

圖1 曲面重構流程

1.1 蝦段曲面重構

1.1.1 做截面線

首先完成此段蝦尾特征曲線線架構，如圖2所示。其次激活該段點云，利用截面線功能在此點云上打截面（切片），獲取斷面掃描交線（先以zx為基準面，再以xy為基準面），其過程如圖3所示。注意參數設置：間距(step)=0.5mm。

圖2 蝦尾某段線架構

圖3 截面線制作過程

1.1.2做并切割4點面

首先進入FSS模塊點擊四點面按鈕，做N、V方向均為4階1段的4點Nupbs平面。然后點擊切割曲面按鈕切割做好的四點面，同時注意：使用指南針方位工具欄以zx、xy兩個方位切割，間距值(step)同樣取0.5mm，如圖4所示。

圖4 做并切割4點面

1.1.3 構面

利用“控制點調面”法完成蝦尾此段體節的曲面重構，暫時隱藏鋪面和點云截面線。首先點擊控制點編輯按鈕打開控制點對話框，在其中Support選項區域中選中控制點沿法向移動按鈕，激活上面做好的4點面，將Nv改為5，Nu改為3，按順序拉動控制點拉桿從中部拉起4點面如圖5所示。

圖5 中部拉起4點面

然后將Nv改為3，Nu改為4，控制點對話框Support選項區域中選中沿控制網格線移動按鈕，將增加的網格線移至上部調上凸起，再將Nu改為5，將增加的網格線移至下部調下凸起，如圖6所示。進而再將Nu改為6調整其余若干小凸起如圖7所示。

圖6 調上下凸起

圖7 調整小凸起

激活點云及截面線，繼續微調，使四點面切割網格與點云截面網格線盡量吻合，構面結束。如圖8所示。

圖8 微調、構面結果

1.1.4 曲面質量評價

對所創建的曲面與鋪面之間作距離分析如圖9所示。可見二者距離最大值為0.632mm，最小值為0.3lmm，調面精度較高。

圖9 距離分析

1.2 蝦仁整體曲面重構

1.2.1 構建蝦仁整體外表面

按上面方法完成蝦仁各段體節曲面重構并做好蝦腳，然后各段曲面間作連續性處理，結果如圖10(a)所示。在GSD模塊中點擊對稱按鈕、修復按鈕和連接按鈕做鏡像、填充兩曲面間的微小間隙并連接各段曲面如圖8(b)所示。

圖10 蝦仁整體外表面

1.2.2整體外表面質量評價

由于蝦仁每段體節在構面時均做了距離分析且段與段之間做了連續性控制，因此省略蝦仁整體外表面的連續性分析和其與鋪面、點云之間的距離分析。由于下一步將進行蝦仁實體建模進而完成蝦仁模具凹模的設計，考慮開模后魚糜與型腔表面不粘連以及蝦仁外表面光滑、無缺陷、無明顯拐角、銳利的凸出或凹進的局部等要求，特進行光順性評價。采用Automotive Class A模塊中的斑馬線分析功能，將顯示模式切換到材料顯示模式下，點擊斑馬線分析命令，分析結果如圖11所示。

圖11斑馬線分析

由分析結果可看到各蝦段曲面間及對稱后前后兩部分之間斑馬線黑色條紋是相連的，略微有微小的錯位，連結處有平緩的過渡，沒有尖銳的拐角。可認為達到G1連續，十分接近G2連續。

2 以蝦仁為代表的曲面精準重構的應用技巧

對于蝦仁這類物件的曲面重構建議采用“控制點調面法”，而在調面時要注意：

1)創建的4點面和點云在網格分割時網格線的方向和間距(Step)要一致，以便最后微調精準構面

2)將4點平面拉動逼近點云線架構網格時，要逐步調整U、V方向的階數和網格線的位置，以便有規律的拉動控制點拉桿全面逼近點云。

3)調面時注意使用由低到高的階次，應注意階數不宜過高，最高不要超過8階，否則會造成控制點數量過多不宜控制調整。

3 結束語

逆向工程是一門開拓性、綜合性和實用性很強的技術，曲面重構是逆向工程實施過程中的重要環節。在實際應用當中，整個過程需要大量的人機交互工作，操作者的經驗和素質直接影響著產品的質量，當前各種研究成果并不能很好地兼顧到其在具體工程實踐中的應用特點。

本文以蝦仁這種柔軟的、尺寸較小的且均為自由曲面的散亂點數據曲面重構為例，提出了有針對性的曲面重構的策略和應用技巧，可以推廣到其它仿真食品如模擬蝦蛄、蟹鉗和模擬干貝的成形零件的設計中去，對于具有同樣特點的醫療技術中需整形患者的耳、鼻和面部等人體器官、組織和玩具行業中布絨填充類玩具等領域，同樣適用于該項技術。另外在汽車設計領域，如車身的外覆蓋件、車門等逆向造型過程中，有時也要借助“控制點調面”法做大面。筆者運用本文所總結的方法完成了人面部、烤鴨、布絨米老鼠玩具、車門等三維曲面重建，均獲得較高的反求精度，因此本文所提出的重構方法有一定的應用價值。