补充 逆向CAD建模技术

快速曲面造型方式是通过对点云的网格化处理，建 立多面体化表面来实现的，其代表有Geomagic Studio和 Re-soft等。 一个完整的网格化处理过程通常包括以下步骤：
1）从点云中重建三角网格曲面； 2）对这个三角网格曲面分片，得到一系列有四条边界的子网格 曲面； 3）对这些子网格逐一参数化； 4）用NURBS曲面片拟合每一片子网格曲面，得到保持一定连 续性的曲面样条，由此得到用NURBS曲面表示的CAD模型，可 以用CAD软件进行后续处理。
补充 逆向CAD建模技术
1 逆向工程CAD系统的分类 2 两类逆向建模技术的比较 3 逆向工程CAD建模系统分类
0 逆向CAD建模技术概述
逆向CAD建模是指从一个已有的物理模型或实物零件产生出相 应的CAD模型的过程，包含物体离散数据点的网格化、特征提取、 表面分片和曲面生成等，是整个逆向过程中最关键、最复杂的一 环，也为后续的工程分析、创新设计和加工制造等应用提供数学模 型支持。 其内容涉及计算机、图像处理、图形学、计算几何、测量和数 控加工等众多交叉学科和工程领域，是国内外学术界，尤其是CAD ／CAM。领域广泛关注的热点和难点问题。
在具体工程设计中，一般采用几种软件配套使用、 取长补短的方式。因此，在实际建模过程中，建模人员 往往采用“正向+逆向”的建模模式，也称为混合建模，即 在正向CAD软件的基础上，配备专用的逆向造型软件 (如Imageware、Geomagic等)。在逆向软件中先构建出 模型的特征线，再将这些线导入到正向CAD系统中，由 正向CAD系统来完成曲面的重建。
2）快速曲面造型方式
与传统曲面造型方式相比，快速曲面造型方式通常是将点云模型 进行多边形化，随后通过多边形模型进行NURBS曲面拟合操作来实现 曲面模型的重建。
传统曲面造型方式主要表现为由点一线一面的经典逆 向建模流程，它使用NURBS曲面直接由曲线或测量点来 创建曲面，其代表有Imageware，ICEM Surf和Copy CAD 等。 该方式下提供了两种基本建模思路：
依据逆向建模系统实现曲面重建的特点，可以将曲面 重建的方式划分为两类：
1）传统曲面造型方式
传统曲面造型方式在实现模型重建上通常有两种方法： （1）曲线拟合法，该方法先将测量点拟合成曲线，再通过曲面造型 的方式将曲线构建成曲面(曲面片)，最后对各曲面片直接添加过渡约 束和拼接操作完成曲面模型的重建。 (2)曲面片拟合法，该方法直接对测量数据进行拟合，生成曲面(曲面 片)，最后对曲面片进行过渡、拼接和裁剪等曲面编辑操作，构成曲 面模型的重建。
逆向CAD模型重建的一般步骤：
1) 根据几何特征对点云数据进行分割， 2) 分别对各个曲面片进行拟合， 3)通过曲面的过渡、相交、裁剪、倒圆等手段，将多个曲面“缝 合”成一个整体，即重建的CAD模型。
1 逆向工程CAD系统的分类
1、根据CAD系统提供的方式分类
以测量数据点为研究对象的逆向工程技术，其逆向 软件的开发经历了两个阶段：
3 逆向工程CAD建模系统分类
目前，虽然商用的逆向工程软件类型很多，但是在 实际设计中，专门的逆向工程设计软件还存在较大的局 限性，例如，Imageware软件在读取点云数据时，系统 工作速度较快，能较容易地进行海量点数据的处理，但 进行面拟合时，Imageware所提供的工具及面的质量却 不如其他CAD软件(如Pro/E、UG等)。 但使用Pro/E、UG等软件读取海量点云数据时，却 存在由于数据庞大而造成系统运行速度太慢等问题。 在机械设计领域中，逆向工程软件集中表现为智能 化低；点云数据的处理方面功能弱；建模过程主要依靠 人工干预，设计精度不够高；集成化程度低等问题。
2、根据CAD系统建模特点与策略分类
各种专用逆向软件建模的侧重点不一样，从而实现 特征提取与处理的功能也有很大的不同，例如 Imageware主要功能齐全，具有多种多样的曲线曲 面创建和编辑方法，但是它对点云进行区域分割主要还 是通过建模人员依据其特征识别的经验手动来完成，不 能由系统自动实现； Geomagic区域分割自动能力很强，并可以完全自动 地实现曲面的重建，但是创建特征线的方式又很单一， 且重建的曲面片之间的连续程度不高。
建模质量的比较
逆向建模的质量表现在曲面的光顺性和曲面重建的精度两个 方面。 从曲面的光顺性角度看，目前，快速曲面造型方式重建的各曲 面片之间往往只能实现G1连续，难以实现G2连续，从而无法构 建高品质的曲面，这也限制了在产品制造上的应用。相比而 言，传统曲面造型方式提供了结合视觉与数学的检测工具和高 效率的连续性管理工具，能及时且同步地对构建的曲线、曲面 进行检测，提供即时的分析结果，从而容易实现高品质的曲面 构建。 在精度方面，两种方法均可获得较高精度的重建结果，但相对 来说，快速曲面造型遵循相对固定的操作步骤，而传统曲面造 型方式则更依赖于操作人员的经验。
该类方法存在计算Βιβλιοθήκη 大、对计算机硬件要求高，曲面 对点云的快速适配需要使用高阶NURBS曲面等不足，而 且面片之间难以实现曲率连续，难以实现高级曲面的创 建。
2 两类逆向建模技术的比较
两类曲面造型方式的差异主要表现在处理对 象、重建对象及建模质量等方面。
处理对象的异同
在传统曲面造型方式的逆向系统中，所处理的点云涵盖了 对从低密度、较差质量到高质量、密度适中，再到高密度整个 范围。并且没有点云密度和数据量大小的限制。只是在实际建 模过程中，往往会先对密度较大的点云进行采样处理，以改善 计算机内存的使用。 而对于快速曲面造型方式，为了获取较好的建模精度，往 往要求用于曲面重建的点云具有一定的点云密度和比较好的点 云质量。
【第一阶段】一些商品化的CAD／CAM软件集成进专用的逆向 模块，典型的如PTC的Pro／Scan-tools模块、CATIA的QSR／ GSD／DSE／FS模块及UG的Point cloudy功能等。 【第二阶段】专用的逆向软件开发，目前面世的产品类型已达 数十种之多，典型的如Imageware，Geomagic，Polyworks， Copy CAD，ICEMSurf和RE-Soft等。
1）由点直接到曲面的建模方法，这种方法是在对点云进行区域分 割后，直接应用参数曲面片对各个特征点云进行拟合，以获得相 应特征的曲面基元，进而对各曲面基元进行处理，获得目标重建 曲面； 2）由点到曲线再到曲面的建模方法，这种方法是在用户根据经验 构建的特征曲线的基础上实现曲面造型，而后通过相应的处理以 获得目标重建曲面的建模过程。
重建对象的异同
对于具有丰富特征模型的曲面重建(如工艺品、雕塑、人体 设计等)，使用传统曲面造型的方法就显得非常困难，而快速曲 面造型的方法则能轻易胜任。 在实际的产品开发过程中，在产品的概念设计阶段，需要 根据相应的手工雕刻模型进行最初的快速建模时，快速曲面造 型方式便是一种最佳的选择。 对于多由常规曲面构成的典型机械产品，或如汽车车体和 内饰件造型等这些往往对曲面造型的质量要求很高的场合，目 前采用的主要还是传统曲面造型方式的逆向系统。