淺談逆向工程中自由曲面技術的應用

丁典

摘 要：逆向工程（Reverse Engineering），也稱反求工程，是數字化設計中的重要設計手段之一。它不僅是簡單地復制模型和零件的過程，也需要設計人員進行數據化的再設計。因此，在逆向工程的自由曲面造型中，應在保證精確性和質量的同時，也要保持一定的自由度和靈活性。

關鍵詞：逆向工程；自由曲面；曲面拓撲；Alias

中圖分類號：TP391.7 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.10.087

1 逆向工程的自由曲面技術

逆向工程與傳統的設計開發流程存在質的不同。傳統產品設計的實現通常是從圖紙上的概念設計到圖樣，然后制造出產品，這樣的流程稱之為正向工程或順向工程，而產品的逆向工程在狹義上是指在沒有設計圖紙或設計圖紙不完整、沒有CAD模型的情況下，利用三維數字化測量儀測量樣件物體表面的點云數據，并傳至CAD/CAM系統進行數據處理，最后制作成所需要的CAD模型。廣義上的逆向工程包括形狀、工藝、結構和材料逆向，是一個極其復雜的過程。

本文探討的“逆向工程”主要集中在自由曲面領域，即將產品樣件轉變為CAD模型等相關的數據化曲面數據，最終應用于產品制造。自由曲面技術的應用領域廣泛，特別是在交通工具和消費電子等復雜產品的開發中。這是因為在產品開發和設計的過程中，雖然數字化設計已廣泛參與了各個流程，但由于各種原因，最初的樣件并不是由CAD數據所描述，設計和制造者面對的僅僅是實物樣件。為了制造產品，必須通過數字模擬手段將樣件轉換為CAD模型，這對提高產品的人機工學水平、產品造型美學水平，縮短CAE/CAM周期和提高產品市場的競爭力有重要意義。

2 自由曲面造型的原理和應用

2.1 自由曲面的參數化原理

自由曲面的參數化系統基于NURBS（Non-Uniform Rational B Spline）系統，中文翻譯為非均勻有理B樣條曲線系統。國際標準化組織（ISO）頒布的工業產品數據交換標準STEP中，將NURBS作為定義工業產品幾何形狀的唯一數學方法。目前，Bezier、有理Bezier、均勻B樣條和非均勻B樣條都被統一到NURBS中，從而使NURBS系統成為曲面造型技術發展趨勢匯中最主要的基礎。當下主流的自由曲面造型軟件，比如Autodesk Alias、ICEM和CATIA等都采用NURBS系統搭建內部架構。

2.2 基于Alias的逆向自由曲面造型

2.2.1 點云數據的處理

自由曲面的構建是逆向工程的核心內容，而曲面構建的基礎是通過測量設備測量樣件所獲得的點云數據。點云的三角化是逆向設計中很重要的步驟。掃描得到的點云往往很大，有的點云有上百萬甚至幾百萬個點，如果不生成三角片進行簡化，則目前的計算機硬件設備很難對其操作。此外，三角網格化并簡化后，可很方便地為后續構線搭建面做準備。如果局部網出現破洞，則可以對網格進行修補。Alias逆向重構曲面時，先將處理后的點云數據轉化為三角網格（Mesh），再對三角網格進行一系列的編輯處理，最后進行逆向曲面重構。在Alias中具有多樣性的建模工具，在導入和配置來自三維掃描儀的點云數據后，可對消費產品或汽車模型進行可視化和逆向工程操作。Alias的剪切、平滑、自動孔填充和網格縮減等工具可幫助用戶簡化和刪除數據。該軟件能處理包括數百萬個多邊形的大型數據，確保用戶能對形狀和外形進行提取和評估。

2.2.2 自由曲面的拓撲分析

在正式建模前，對產品的具體形態、斑馬線和曲率著色進行分析，確保以正確的拓撲分面開始建模。在自由曲面的規劃中，只有具有正確的拓撲分面，才能得出符合設計思路的曲面?；谕負鋵W的特性，拓撲分面不具有唯一性，只有合理的分面，不存在唯一的分面。在Alias軟件中，具有強大的分析工具，可幫助使用者對模型進行快速分析。這類工具能提供關于mesh和曲面的實時數據或圖形反饋。

2.2.3 Alias中特征線的提取和擬合

在Alias中提取特征線的主要方法是對mesh數據進行切斷面線，通常是從x，y，z方向分別指定間距進行投影截取。通過分析特征線可檢測曲線、曲面與mesh數據的貼合程度。Alias軟件中主要有2種擬合特征線的方法：①在空間中畫自由曲線，通過視圖壓縮和檢測工具觀察誤差，移動CV點以縮小偏差，最終得到偏差范圍內的自由曲線。這種方法耗時較長，但更加合理。②使用Alias中的Fit Curve自動貼合mesh數據上的特征線。這種方法速度更快，但曲線質量較低。

2.2.4 典型四邊自由曲面的創建

基于NURBS系統的特性，逆向自由曲面的創建將遵照四邊面系統，可通過提取Alias中的特征線，并通過四邊成面、軌道掃面、延長和拉伸曲面貼合mesh數據。比較特殊的方法有直接曲面建模法，指在Alias中直接使用簡單曲面，通過增加調整CV點，不斷貼合mesh數據直至達到標準。此外，必須考慮因點云數據本身的失真和掃描精度不足造成的誤差，數字師應與設計師不斷溝通，并對數據進行修改。

3 結束語

逆向工程中的自由曲面技術不僅僅是一個簡單的貼面建模的過程，而是基于新的產品設計思路和方法，在測量技術、計算機硬件、軟件技術提升的基礎下產生的新的設計方法，在消費電子、交通工具領域的應用非常廣泛。在逆向過程中，需要設計人員在結合工程輸入的條件下對原始數據進行調整和創新，這是一個在數據條件下的再設計過程。利用Alias軟件中自由曲面的靈活性，對復雜曲面進行拓撲分析，巧妙地將設計與工程、藝術和科學鏈接起來，這對整個設計、創意和生產一元化有著深遠的意義。

參考文獻

[1]丁寧.Autodesk Alias 2010 新體驗[J].CAD與制造業信息化，2009（8）：31-33.

〔編輯：張思楠〕