基于逆向工程工艺品破损模型的修复

将破损的工艺品进行修复是工程实践中经常遇到的问题。本文以缺了一只脚的蝎子模型为例提出了一种基于逆向工程的工艺品的修复方法。首先对破损模型进行逆向扫描，得到其点云数据；然后将模型数据导入到Geomagic软件中，利用镜像工具得到另外一只完好的脚，将其替换破损的了脚，得到完整的模型；将模型进行消噪、封装、平滑等处理后，重构曲面及实体模型。本研究解决了工艺品修复难、流程慢的问题。

0 引言

在国外，逆向工程已经作为一种先进的设计方法被引入到新产品的设计开发工作中。美国的许多工程学院开设了逆向工程课程，教授学生用再设计代替原型设计，作为解决设计问题的一种方法。

由于工艺品结构的复杂性，其曲面很难用基本几何形状来表现和定义 [1, 2] ；另外，小平面较多，规则性较差，传统的正向设计方法效率低、效果差。而逆向设计通过对原型数据的分析和处理而进行创新设计，因此该方法对曲面的复杂程度不敏感，在原理上能够重构任意复杂的曲面，方便、快捷地进行特征添加 [3] ，在工艺品的处理上具有得天独厚的优势。近年来，除了在工艺品的构思和设计上逆向工程得到了广泛应用外，对工艺品的修补也越来越得到人们的重视。辜勇等以 “金沙铜立人” 为例，介绍了在PROE环境下基于二维数码照片的数字化修复和建模过程 [4] ；辜勇还认为通过逆向技术，可克服工艺品传统手工制作的缺陷、缩短工艺品修复和仿制的时间、提高工艺品仿制的质量 [5] 。孙艳菊介绍了传统的文物修复的过程 [6] ，不但过程繁琐，而且对操作人员有着较高的要求。本文立足于对工艺品修复的实际需求，尝试利用逆向技术对破损工艺品进

行模型修复和重建。

1 原模型情况

由于时间及其他外界因素原因，工艺品模型损坏的情况比较常见。图 1所示为一个缺了一个前脚的蝎子的实物模型，如何将这样的破损模型按照设计者最初的想法予以复原，并在此基础上进行题材拓展和创新，就是本文所要研究和讨论的问题。由于自然界中的动物、人物，其身体结构是天然对称的，即使左右两边的器官有细微的差异，从观感上来说，我们人类的视觉是觉察不到的。基于这一原理，我们拟在Geomagic软件中，通过点云数据的删除、复制和镜像，利用模型一个完好的前腿来复原那个破损的前腿。

2 点云数据的修复

点云数据的获取有接触方式和非接触方式两种，所谓接触方式是指测量头和被测目标有实质性的接触，该方法测量精度高，但测量速度慢，且不能测量容易变形的问题；而非接触测量一般采用光学的方法，通过光的折射原理获取物体表面的坐标，该测量方法不收物体形状及表面特征的影响，特别适合测量外观复杂、占用空间较小的工艺品。本研究采

用德国Breuckmann公司的Smart Scan三维扫描仪进行点云数据的采集。

点云数据在Geomagic软件中的显示如图 2所示从图 1和图 2可以看出，模型缺损的是一只脚钳，若单独补一只脚钳，不好控制钳和臂部的衔接，容易出现视觉误差，我们采用修补整个钳脚的方式。首先将那只破损的钳脚点云数据全部删除，将其保存、备用，如图 3所示。然后将这个蝎子都删除，只留下一只完整的蝎脚，如图 4（a） 所示。接下来要用镜像工具把这只左蝎脚变成右蝎脚。点击镜像，然后定义选择为 “3个点” ，选择最右边的三个点，点击对齐，结果如图 4（b） 所示。再选择 “仅翻转” ，点击应用后确定，得到完整的右蝎脚如图 4（c） 所示。将之前保存的删掉脚的这个文件导入，得到交错模型；用变换工具进行编辑，把这个脚调到正确的位置上，通过一系列数据的变动得到比较满意的修复模型如图 5所示。通过图 5可以看出，通过逆向工具修复的蝎子模型，左右蝎脚对称、和谐，观感良好，无修补痕迹。

3 曲面修补和重构

图5所展示的是点云数据，即点的坐标集合。在模型后续的应用中，我们所需要的是曲面和实体，这样才能通过3D打印、数控加工或者模具成型将原型研制出来；并且，曲面的光顺应达到A级。本小节将对恢复后的点云数据进行曲面重构。

首先将点云数据封装为多边形，也就是用小的多边形平面来逼近实际曲面，该过程主要是对多边形网格数据进行表面光顺与优化处理, 以提高后续的曲面重建质量，功能主要包括有基于曲率的孔填充、边界修补、多边形数据精简、多边形光顺等。图 6为扫描过程中或者软件计算过程中昂所出现的孔洞缺陷，通过孔洞填充功能可将这些缺陷快速修复。通过Geomagic自带的检查功能，能够将模型的缺陷如孔洞、钉状物、局部粗糙面检查出来，并通过修复命令将其修复。在构建曲面片的过程中，规则的四边形网格会比软件自动生成的三角形网格更容易获得较高质量的曲面。因此需要对模型进行 “精确曲面” 处理。对于外形不规则的构件，一般采用“探测曲率” 工具进行构建，通过该工具，软件可以自动计算出曲率变化较大的轮廓，提取器轮廓线。自动生成的轮廓线有时不能真实地反映模型曲率变化，或者由于扫描的原因会出现误差，这时需要根据设计思想进行人工调整。具体过程为，执行 “编辑轮廓线” ，然后对软件自动探测到的轮廓线进行编辑，根据模型自身的特点使用绘制、松弛、收缩等命令对轮廓线进行编辑到准确位置，并保持轮廓线的平顺。执行 “细分/延伸轮廓线” 命令，延伸线根据轮廓线生成，延伸线在模型表面所占的区域即为曲面之间的过渡区域，使轮廓线所划分的各块面部相互连接，形成一个完整的曲面形状，在此基础上构建曲面片,得到的曲面片及网格如下图所示。由图 7可以看出，曲面片网格的划分基本反映了曲面上曲率的变化。划分网格之后，通过编辑曲面轮廓使其规则且不交叉，接着就是以对曲面进行整体的光顺、合并以及误差分析等操作。Geomagic对多边形网格数据的处理、在数据分割与曲面重建方面已具备了一定的自动化功能, 对其处理结果只需要做简单的微调即可。为了获得高质量的曲面，在划分好的网格里面还需要构建栅格，在栅格的基础上进行曲面拟合，此时的模型呈现的便是最真实的模型曲面，光滑且无尖角，如下图所示。所得到的NURBS曲面还可输出STL、GES和STEP 等十几种输出格式,可方便地与其他CAD /CAM /CAE软件进行数据交换。

4 结语

破损工艺品的修复是工程实践中常见的实际需求。本文基于逆向工程技术及Geomagic软件平台，以破损的蝎子模型为例，介绍了模型修复的全过程。结果表明，修复后的右蝎脚与左蝎脚对称、和谐，无明显的修补痕迹。该方法具有一定的推广应用价值。

本文来源：http://www.zzqklm.com/w/wy/14380.html《设计》