1、本科毕业论文（20届）反求工程上机指导书设计所在学院专业班级机械设计制造及自动化学生姓名学号指导教师职称完成日期年月I摘要摘要本文分为5个部分，第一部分阐述了反求工程的基本概念，分析了反求工程的主要技术，对IMAGEWARE软件进行了概括性的介绍，对反求工程的国内外研究历史和现状作出论述，并提出其发展方向。第二部分介绍了曲面建模的方法和规律，概括性地介绍了几种曲面的构成方法以及特殊曲面三边曲面和五边曲面的构建。第三部分是上机指导书的设计思路。第四部分是使用IMAGEWARE的一些技巧，包括点云对齐，曲面建模的一些方法和技巧，使得在实际操作IMAGEWARE软件中能运用这些技巧，从而加快操作速度
2、。第五部分是通过两个实例使得第二、三、四部分更加具体。关键词反求工程；三维模型重构；曲面建模；IMAGEWARE软件。IIABSTRACTTHEPAPERCANDIVIDEINTO5SECTIONS,FORTHEFIRSTSECTION,THEPAPERSTATETHEBASICCONCEPTOFREVERSEENGINEERING,ANALYSISTHEMAINTECHNOLOGYANDGENERALLYINTRODUCETHEIMAGEWARESOFTWARE,THENMAKEASTATEOFRESEARCHOFREVERSEENGINEERINGINHISTORYANDCURRENTST
3、ATUSATHOMEANDABROAD,ATLAST,PUTSFORWARDDEVELOPMENTDIRECTIONTHESECTIONIIINTRODUCETHEMEANANDRULEOFSURFACEMODELING,INTRODUCINGTHEWAYHOWTOMAKESURFACEINCLUDINGSPECIALSURFACE,SUCHASTRIANGULARSURFACEANDFIVESIDEDSURFACESECTIONIIIINTRODUCETHEWAYHOWTODESIGNTHEINSTRUCTIONBOOK,INCLUDINGTHEROLETHATIMAGEWARESOFTWA
4、REPLAYEDINHOWTODEALWITHPOINT,LINEANDPLANEANDTHESIGNIFICANTWEPREPARETHEINSTRUCTIONBOOKSECTIONIVHAVESOMESKILLSOFUSINGIMAGEWARESOFTWARE,INCLUDINGALIGNEDPOINTCLOUD,SOMESKILLSANDMEANSOFSURFACEMODELING,SOWECANUSETHESESKILLSWHENWEOPERATEIMAGEWARESOFTWARETOMAKELESSTIMEOPERATINGSECTIONVUSINGTWOEXAMPLETOMAKET
5、HESECTIONII,III,IVMORESPECIFICKEYWORDSREVERSEENGINEERING；RECONSTRUCTOF3DMODEL；SURFACEMODELING；IMAGEWARESOFTWAREIII目录摘要I目录III1引言111前言112反求工程技术简介113IMAGEWARE软件简介214国内外研究历史和现状315研究方法与主要路线416小结52曲面造型设计与方法621曲面造型设计流程622曲面常用造型方法723矩形域参数曲面的一般造型方法9231三角形曲面建模方法10232五角形曲面建模方法1124曲面造型举例123设计指导书的设计134IMAGEWARE技
6、巧篇1441点云对齐技巧1442曲面构建技巧14421放样曲面（LOFTSURFACE）15422边界曲面（SURFACEBYBOUNDARY）16423混合曲面（BLENDSURFACE）17424不规则曲面17425复杂多曲面体18426小结195实例教程2051安全帽20511点云的处理20512圆形大面的制作23513帽檐部分制作26514后期处理2852卡扣模型30521点云的处理30IV522顶面的制作35523侧面的制作36524底面的制作38525内侧面的制作42526裁剪顶面44527裁剪侧面45528裁剪底面46529裁剪内侧面和误差分析48总结51致谢错误未定义书签。1引
7、言11前言在信息化的现代社会中，随着市场全球化的进展，企业面临着越来越激烈的竞争，各国都在充分利用别国的先进成果并消化、吸收、改进以发展自己的水平。反求工程作为一种新产品开发、消化、吸收的重要手段，在20世纪90年代初受到各国工业界和学术界的高度重视。所谓反求工程（REVERSEENGINEERING）是以先进产品的实物、软件、影像为研究对象，应用现代设计理论、生产工程学、材料学、计量学和相关专业知识，对其进行认识、再现及创造性地开发1。逆向工程的灵魂是创新2,3。广义上的逆向工程基本上包括形状（几何）反求、工艺反求和材料反求等诸多方面4，是一个集合多种先进技术的复杂的系统工程。目前大多数的逆
8、向工程的研究和应用都集中在重建实物CAD模型和最终产品的制造方面，即“实物逆向工程”方面5。这是因为实物是最容易获得的研究对象，而且在某种情况下设计者面对的只有实物样件。实物逆向工程是将实物转化为CAD模型相关的数字化技术、几何模型重建技术和产品制造技术的总称6。12反求工程技术简介逆向工程的关键技术包括数据获取、数据处理和模型重建。基于逆向工程的产品开发流程如图1所示。数据获取是逆向工程中的第一个环节，是产品进行建模、评价、改进和制造的基础。数据获取大致可以分为两大类接触式数据采集和非接触式数据采集。不同的测量方式，不但决定了测量本身的精度、速度和经济性，而且会造成测量数据的类型和数据处理方
9、式的不同。要根据工作的具体需要来选择合适的测量设备和测量方法。高效率、高精度地实现数据采集，是逆向工程实现的基础和关键技术之一。数据处理是逆向工程的一项重要的技术环节，它决定了后续的模型重建工作能否方便准确地进行。数据处理的主要工作包括数据过滤及平滑、多视数据整合对齐、数据精简等。在模型重建前进行数据处理，可以获得完整、准确的数据，方便后续模型重建工作的进行。三维CAD模型的重建是逆向工程中最关键、最复杂和工作量最大的一个环节，是后续产品加工制造、快速原型制造、虚拟制造仿真、工程分析、产品再设计等应用的基础。目前成熟的模型重建方法根据曲面表示方法的不同可分为两大类第一种是以三角2BEZIER曲
10、面为基础的三边域曲面构建方法；第二种是主要以NURBUS（非均匀有理B样条）图1逆向工程流程图曲线和曲面为基础的四边域曲面构建方法。这两种曲面重构方法各有利弊。NURBS方法应用统一的数学形式表示规则曲面和自由曲面，是曲面拟合方面研究的重点，能够与传统的CAD/CAM系统兼容，已经成为产品外形描述的工业标准。精度和光顺一直是逆向模型重建追求的目标，但是两者在大多数情况下是冲突的。设计人员要明确对于创建的模型来说，精度和光顺哪个更加重要，是否可以牺牲一方以满足另一方的要求。逆向工程是数字化与快速响应制造大趋势下的一项重要技术，是CAD领域中一个相对独立的范畴。据相关资料表明，各国有70以上的技术
11、来自于国外，逆向工程是掌握这些技术的有效途径。逆向工程可以使产品的研制周期缩短40以上。逆向工程能够改善技术水平、提高生产效率、增强企业竞争力，特别是对于具有复杂形状的物体以及由自由曲面组成的物体效果尤其明显。逆向工程与快速原型制造RPM、计算机辅助设计与制造CAD，CAM相结合并形成产品设计制造的闭环系统，能够有效提高产品的快速响应能力，丰富几何造型方法和产品设计手段7。13IMAGEWARE软件简介IMAGEWARE是最著名的逆向工程软件，因其强大的点云处理能力、曲面编辑能力和A级曲面的构建能力而被广泛应用于汽车、航空、航天、消费家电、模具、计算机零部件等设计与制造领域。IMAGEWARE
12、拥有广大的用户群，国外有BMW、GM、CHRYSLER等3著名国际大公司，国内则有上海大众、上海交大、上海DELPHI等大企业。IMAGEWARE为自由曲面产品设计方面的所有关键领域提供了应用驱动的解决方案。空前先进的技术保证了用户能在更短的时间内进行设计、逆向工程，并精确地构建和完全地检测高质量自由曲面。最新的产品版本更注重于高级曲面、3D检测、逆向工程和多边形造型，为产品的设计、工程和制造营造了一个直觉的柔性设计环境。IMAGEWARE提供了模块化的产品来满足用户的不同需求，这样的设计完全围绕产品从概念设计、工模具设计和检测、样机，以至生产加工这一产品全生命周期，目的在于提高产品质量，缩短
13、上市时间。用户在第一次使用时就可以配置最适合其流程的产品，使用这些工具是保证产品开发周期顺利进行的关键。14国内外研究历史和现状世界各国在经济技术发展中应用反求工程消化吸收先进技术的经验，给人们以有益的启示。日本在第二次世界大战结束时，国家经济几乎处于瘫痪状态，经济落后于欧美先进国家二三十年。20世纪60年代初，日本在提出科技立国方针“一代引进、二代国产化、三代改进出口、四代占领国际市场”，其中在汽车、电子、光学设备和家电等行业上最突出。反求工程技术的大量采用为日本的经济振兴、进而创造和开发各种新产品奠定了良好基础，使日本在以后的发展过程中以惊人的速度一跃成为仅次于美国的世界第二号经济强国。日
14、本战后把引进国外先进技术的“吸收性战略”作为坚定不移的国策来维持。19451970。年期间日本投资60亿美元，引进国外先进技术；而花150亿美元对其进行消化、吸收、改造和国产化若自行研制则需18002000亿美元。通过反求工程的研究，推广应用并使技术更完善和实用，在此基础上建立自己的技术体系。到70年代初，日本主要工业部门的技术装备已达到欧美发达国家的先进水平。据日本政府推算，成功的技术引进为日本节省了约2/3的研究时间和约9/10的研究费用。日本在消化、吸收引进技术的同时，采用移植、改造等方法开发出许多创新产品。例如20世纪5060年代，日本相继从奥地利、美国、瑞士、前苏联等国引进高炉、热轧
15、、冷轧等钢铁技术，几家大钢铁公司联合组成专门的反求工程研究机构，对引进技术消化、改造、补充、调整，建立了具有世界一流水平的日本式钢铁技术。重视反求工程研究工作的不仅仅是日本，其他国家同样如此。当今科学技术日新月异，相互渗透。有关资料统计表明，各国有70以上的技术都来自国外，要掌握这些技术，正常的途径是通过反求工程研究。我国改革开放以来，至1992年为止，从国外引进技术和设备总数达2万多项，总金额约15亿美元。许多单位在引进消化吸收过程中，有了不少经验和教训，需要总结4提高，不断提高国产化、创新的比例8。姜寿山9等1995年提出了从曲面凸保形的角度进行散乱数据优化划分的条件。柯映林10实现了CH
16、OI提出的三维直接三角化方法，并将自己提出的平面域内三角化方法作为复杂情况下的补充。高国军11提出了检测点数按曲率分布的方法，并采用实验方法给出了在一定的加工工艺能力和检测精度前提下不同曲率的加工曲面对应检测点数量的确定系数。王平江12则提出了参数曲面形状误差计算的迭代逼近方法，较之于最佳匹配方法，其计算的相对误差大大减少，但实现起来过程复杂；还提出了等弧长均匀网格划分技术，并通过人机交互实现非均匀网格的划分，该方法不仅要求己知曲面的边界曲线，而且不能实现真正的等弧长。自作霖13等对基于坐标测量机的自由曲线曲面的测量进行了研究。在决定初始测量方向后沿零件某一截面自动扫描测量，测量步长设定在一定
17、的范围内，初值取最小，自动测量过程中按照被测曲线相对于测量方向的变化快慢对步长进行动态调整。来新民专家以曲面上某一点处的主曲率的几何平均值为测度来对测点进行更具几何不变性的物理域上的规划，并通过采用非线性规划方法来实现在给定采样精度下自适应地选取最少的采样点；还提出了基于曲面曲率的自适应压缩方法，该方法首先用SPEARD局部插值法拟合曲面，产生给予盐率信息的抽样拓扑矩阵阵列，应用质心原理生成实际的拓扑矩阵阵列。15研究方法与主要路线本课题将采用运用IMAGEWARE软件对点云数据处理的方法进行研究了解反求工程软件数据预处理，测量数据的曲线、曲面造型原理等，并对点云操作以达到对该软件熟练运用的目
18、的，在导师帮助下对课程设计进行完善，最终完成反求工程上机指导书的设计。课题的技术路线如下了解反求工程的原理及应用深入的认识反求工程软件反求工程的课程设计完成反求工程上机指导书的设计对点云操作以达到熟练运用软件的目的在自己的努力下完成，并在指导老师的帮助下完善516小结逆向工程技术，特别是三维模型重建，仍然是一项专业性很强的工作，除需了解产品特点、制造方法和熟练使用CAD软件、逆向造型软件外，另一方面应熟悉上游的测量设备及测量过程，以了解数据结构，以及对后续处理对重建模型的要求。因此，模型重构的质量仍直接受到操作者经验、水平的影响。如何提高软件的智能化程度，减低对设计人员的依赖，是未来发展的方向
19、。62曲面造型设计与方法反求工程是一个曲面建模的过程它首先是一个点过程，然后构建曲面，最后根据生成的曲面完成曲面的构建。曲面造型是计算机辅助几何设计和计算机图形学的一项重要内容，主要研究在计算机图象系统的环境下对曲面的表示、设计、显示和分析。它起源于汽车、飞机、船舶、叶轮等的外形放样工艺，由COONS、BEZIER等大师于二十世纪六十年代奠定其理论基础。如今经过三十多年的发展，曲面造型现在已形成了以有理B样条曲面参数化特征设计和隐式代数曲面表示这两类方法为主体，以插值、拟合、逼近这三种手段为骨架的几何理论体系。根据曲面拓扑形式的不同，目前反求工程研究中，自由曲面建模手段分为两大类第一种是以三角
20、BEZIER曲面为基础的曲面构造方法；第二种是以NURBS（非均匀有理B样条）曲线、曲面为基础的矩形域参数曲面拟合方法。上述理论在第4章中有较为详细的介绍，读者可以自行参阅。本章将主要介绍曲面造型的设计流程和建模方式。21曲面造型设计流程曲面造型过程可以简单归结为“分解再组合”过程，这也是曲面造型的一个通用思路。以此为指导，我们给出曲面造型设计流程5个具体步骤1模型结构分析和曲面分解。结构分析可以参考实体造型的分析零件结构形状特点这个步骤，不同的是曲面可以分为规则曲面和自由曲面。规则曲面是指规则形体曲面，如圆柱面、圆曲面等；而自由曲面是形体不规则的曲面。曲面分解是建立在结构分析的基础之上对进一
21、步选择造型方法做的预备工作。2选择造型方法，进行独立曲面的造型设计。规则部分可以完全根据实体造型的方法进行构造，而自由曲面部分则要调用自由曲面造型模块进行曲面造型设计。进行这类自由曲面造型的关键在于构造曲面的骨架曲线。这就好比做一只灯笼，首先要用竹篾或铁丝搭建好灯笼的骨架，然后在骨架上蒙上绸布，做成灯笼，而这里蒙在灯笼上的绸布就好比要做的曲面。涉及的方法有放样（LOFT）、扫掠（SWEEP）、混合（BLEND）等等。3独立曲面质量评价。生成独立的曲面之后我们可以判断是否是我们需要的，对于要求不是很高的设计可以直接通过目测进行判断，如果要求比较高，我也可以通过软件自带的评估模块进行专业的评价，比
22、如通过连续性、曲率图、反射线等来评价。4曲面组合，形成整体曲面。这里提到的曲面组合包括曲面间的拼接、布尔运算7等。5整体曲面评价。方法同步骤（3），但对象是整个曲面，若没达到要求就应进一步进行调整。22曲面常用造型方法那么如何对于分解之后的独立曲面选择合理的造型方法成为构建高质量曲面的前提和基础，接下我们对几种常用的曲面造型方法进行介绍和分析。1如果独立曲面的截面线平行且都为直线我们可以选择用拉伸来构建。图21拉伸示意（一条3D曲线沿着它的特定方向拉伸一定的距离）2如果独立曲面的截面线是变化的，但是发现它可以由一条3D曲线绕着一条固定的轴线旋转一定的角度得到，那么就可以用旋转命令来构建。图22
23、旋转示意（一条3D曲线沿着黄色的中心轴旋转360度）3如果独立曲面的截面线不变，但是截面线沿着一条3D曲线做轨迹运动，那么可以用扫略来实现。8图23普通扫略示意（不变的截面线为一条蓝色弧线，沿着图中灰色的曲线进行扫略）4如果独立曲面没有明确的运动轨迹线，而且截面线在不同位置的形状也不同，但是如果该曲面的截面线形状类似且大致平行，可以考虑使用放样曲线。图24放样曲面示意（选择多条近似平行的曲线作为截面线，用放样命令生成曲面）5如果独立曲线没有什么规律可循，唯一的特征是有四条边界，且能得到U、V方向的截面线，那么可以通过网格曲面来拟合。图25网格曲面示意（选择曲面U、V方向的截面线，用网格曲面命令
24、生成曲面）6如果只能得到独立曲面的四条边界，那么可以用边界曲面来拟合。9图26边界曲面示意（选择四条封闭的曲线，用边界曲面命令生成曲面）7还有一个常用的曲面造型方法叫混合，只需要两条不相交的曲线即可生成曲面，一般用来做两个曲面间的连接。图27混合曲面示意（选择两条不相交的曲线，用混合曲面命令生成曲面）曲面和实体的部分造型方式在原理方面有相通的地方，因此很多三维建模软件把这些相通的造型方式融合到在了一起，只要改变一些条件，即可使得到的模型在实体和曲面之间转换。比如规则曲面的建模方式可以依附在规则实体建模的模块中，而带有自由曲面的复杂实体可以先由曲面造型模块进行曲面造型，再通过实体化得到。在这里，
25、只是简单介绍一下曲面建模命令，在第7章中我们还会再详细介绍IMAGEWARE中的曲面建模命令。23矩形域参数曲面的一般造型方法在通用的CAD/CAM系统中，广泛采用的是以NURBS曲线为基础的矩形域参数曲面表示方法，这种表示法能很好的秒数四边面，而对那些三角面或更多边界所描述的曲面情形，常常不能够很好的表示。这里先介绍一下三角面和四边面的概念。所谓三角面，就是由3条曲线围成的边界面。在以NURBS曲线曲面模型为基础的通用CAD系统中，这种曲面因为其U、V面集中在一点，质量一般不理想，使得后期对它进行偏距和生成薄壳实体操作时容易失败。而且，在后期以IGS、STP等格式进行数据交换时，容易产10生
26、一些无法预期的错误。四边面是两个方向上均由两条河更多曲线围成的边界面。在计算机图形显示里，面市用矩阵乘法实现的。但是对于一个规则的面，其做乘法的矩阵是一样大小的。在一般三维建模软件里，就是直观地用U线和V线来表示。因为数学矩阵的限制，所以，一张质量好的曲面都应该是四边面。本节将通过实例来说明如何将一个三角面、五边形曲面等不规则曲面转换成一个四边面，以得到高质量的曲面。231三角形曲面建模方法三角形曲面的建模方法流程如图28所示1三边曲线2在两条曲线上建立一条曲线，形成四条边3由四条边生成四边曲面4建立一条曲线，将其投影到已建立的曲面上5分割已生成曲面，去除曲面一侧6与原曲线再次组成四条边图28
27、由三边构成曲面在这里，还需要注意在生成最后的曲面时，要将生成的曲面与已生成的曲面的约束为相切，这样才能够保证两个曲面的连续性。11232五角形曲面建模方法五边的曲面补片，一个重要的思路也是把五边曲面转化为四边曲面。1五边曲面2首先作一条相切曲线得到一个四边形3由四条边生成四边曲面4构建一条曲线投影到创建的边界曲面上，曲线端点要和一条边端点重合5分割已生成曲面，去除曲面一侧构建第二个四边面（网状部分）6切割后又得到一个四边域，可对其构建边界曲面。图29曲面完成图当然上述两个例子的做法并不是唯一的，其实N边形补片有一个通用的可以实现的算法。以五边的曲面补片为例，如图210所示，实现的算法是做一个正
28、五边形，然后由五边形的中心做五个边的垂线，这样生成五个四边形，然后将四边域映射到要处理的实际五边域，剩下的就是老一套。但是这种方法的弊端就是在某些形状比较怪异的N边域中构建的曲面质量并不理想。12图210五边曲面实现算法24曲面造型举例曲面建模遵循“基体”到特征细化的建模方法。接下来讲解两个相对复杂的曲面造型的思路，以“基体”到特征细化、“分解到组合”的思路作为指导，分析复杂曲面的造型过程。分析曲面构型曲面特征分解完成构型生成特征连接特征构造特征线图211曲面造型思路133设计指导书的设计课程设计是指教育科研机构的专家学者对课程的研究并拟订出课程学习方案，为决策部门服务，拟订教育教学的目的任务
29、，确定选材范围和教学科目，编写教材等都属于课程设计活动，上机指导书设计需要配合对反求工程的课程设计。上机指导书的设计需要遵循由简入难的思路，我们知道，使用IMAGEWARE软件遵循的是由点到线再到面的原则，然而，首先需要熟悉IMAGEWARE的操作界面，打开IMAGEWARE软件后了解菜单栏，快捷工具栏，工作区，这样目的就基本达到了。了解了操作界面后就要开始学习对点云的基本操作点云的对齐了，在软件自带的点云中使用的是MULTISURFACE_MODELTUTORIAL点云，通过这个例子希望学习者能了解点云数据评估和处理的一般步骤，查找点云数据基本的几何特征，数据精简的方法和原则，点云多边形处理
30、的方法，建立参考坐标的方法以及使用STEPWISE命令来对齐点云的方法等。然后是学习使用LOFT命令来构建曲面，使用点云PORT来学习CROSSSECTION的使用，以及曲线曲面的检查方法，最后使用LOFT命令构建曲面。下一章使用BLENDSURFACE构建曲面，学习构造及修剪曲线的方法，检查曲面的连续性以及使曲线连续方法，最后使用SURFACEBYBOUNDARY四边构面构造曲面。在板状形体建模需要掌握的是提取点云特征后来构建平面并延伸平面，掌握曲面倒角的方法，将曲线投影到平面来裁剪平面。在车座模的制作中需要掌握合并点云的方法，曲线曲面求交点的方法以及曲线滤波光顺和排序方法，如图31所示。1
31、44IMAGEWARE技巧篇41点云对齐技巧点云对齐是逆向建模的基本操作，在建模操作之前，需要把点云的位置调整好，这就是对齐之概念一。已有设计模型，基于该设计模型制造出来的样件需要检测其精度时，可使用三坐标测量机获取样件点云，将点云导入IMAGEWARE中，然后需要将点云与原设计模型进行对齐，最终可使用IMAGEWARE提供的检测工具求出样件的CAD模型与样件的点云之间的偏差，对齐方法是321对齐。所谓321对齐，就是三个点定义第一个平面，第二个点为第二个条件，第三个点为第三个条件，图要求6个单独的点描述长方体的端点，该方法容易将描述长方体的点云与有角的曲面对齐。这里所谓的对齐调整就是把局部坐
32、标系和世界坐标系的方位统一起来。之所以要把点云的坐标系与世界坐标系进行对齐是为了下一步更便于拟订截面线的位置或其他的建模操作。点云对齐的基本操作先在点云上找出可供定位的线和面特征，通过各种方式来制作对齐特征（直线，圆，球面，平面等），然后在世界坐标系中做出这些线和面的相似形，最后使用IMAGEWARE菜单中的MODIFY|ALIGN|FEATUREBASED里的STEPWISE对齐工具进行对齐。42曲面构建技巧在反求工程中，曲面的构建一般遵循点线面的路线，IMAGEWARE也不例外，在这个过程中有一个始终贯穿始终的问题困扰着大部分初学者，那就是如何构建合适的点、线来满足最后曲面构建的需要。所以
33、我们可以用逆向思维对上述的构建路线进行“反求”，那就是面线点的曲面分析路线，通俗地说就是通过分析曲面的形体结构来确定需要构建的曲线，从而再决定需要提取的点云。在这个路线中我们可以看出曲面分析的重要性，也就是说如果不知道曲面的概念和结构，即使能够很熟练的操作IMAGEWARE软件，也不能很好的掌握曲面造型技术。接着我们来了解一下实际建模过程中碰到的曲面类型，可以简单的概括为规整型、自由形态型和混合型三种。规整型一般由平面和简单的几何形状所组成，它是最容易被创建成曲面的类型，通常可以跳过将点云数据组织起来或从点云上创建曲线的工作；自由形态型曲面有非常少的可辨认的几何形态，我们也可称之为自由曲面；混
34、合型同时包15括规整型和自由形态型的特征，通过对各个曲面进行拼接或布尔运算得到。知道了不同曲面的构建命令和曲面类型我们就可以开始分析曲面模型了，当然这里所说的曲面模型是指多边形网格化的点云，而真正的曲面则需要我们经过分析之后采用具体方法构建得到。第一步，分析和提取曲面模型的特征。这一步是重点，我们需要揣摩设计者的意图，具体可以通过肉眼观察曲面的组成部分来决定如何分解成多个曲面片，要注意的是在确保单一特征的同时把曲面片尽量做得大，张数少，不要太碎，这样有利于后面曲面片之间的拼接操作。如果碰到复杂的曲面很难用肉眼来判断曲面特征时我们也可以利用IMAGEWARE提供的强大的特征提取功能，通过软件来自
35、动判断。第二步，对各个曲面片进行分析，决定构建方法。碰到规整的曲面片就可以非常方便的利用IMAGEWARE一些命令直接生成曲面，比如平面、圆柱面、圆锥面、球面等，当然拉伸面、旋转面和扫掠面也比较简单，只是相对前面的几个而言还需要提取12条特征曲线；如果是自由曲面的话可以针对不同的类型参考表1中的前5个曲面构建命令进行构建操作。第三部，针对曲面片之间的位置和过渡关系来拼接曲面片。规整的过渡可由FILLETSURFACE倒角曲面来完成，简单的自由过渡可由BLENDSURFACE混合曲面来完成，但是有时候我们会碰到比较复杂的过渡曲面，比如三个曲面交点附近的过渡，这就需要我们通过分析手动来进行构建，在
36、这里灵活运用边界曲面的构建方法将会使曲面构建变繁为简。接下来针对放样曲面、边界曲面、混合曲面、不规则简单曲面和复杂多曲面体的各自特点分别举例分析其具体的逆向建模思路。421放样曲面（LOFTSURFACE）如图所示的点云，可以看到这个点云的外形呈管状，此刻会想到用扫略来构造曲面，但是该点云的截面在不同位置的形状并不完全相同，而且没够明确的扫略轨迹，这时我们就需要考虑用放样来构建曲面。思路1从点云创建截面点云，2从截面点云创建曲线，3从曲线创建曲面，4检查最后的曲面质量。管状点云提取放样线和多个截面线点云由提取的点云生成放样曲线和多个截面曲线从截面点云创建16曲线曲线处理，参数化曲线为确保生成曲
37、面的形状和质量，对齐截面曲线起始点位置用LOFTCURVES创建曲面，并显示曲面曲面评估比较生成的曲面和点云，看误差的大小图31曲面放样生成过程422边界曲面（SURFACEBYBOUNDARY）这个点云和上一个点云具有类似的特点，同样可以用放样来构建曲面，但是这个点云还有一个特点，即有四条边界，而且表面过度比较平滑，因此可以用更简便的方法边界曲面来构建曲面。思路1由截面命令生成边界曲线，修整边界曲线，2由边界曲线生成曲面，3检查最后的曲面质量。马鞍状点云创建左右和底边的边界点云整理、分离边界点云曲线处理，参数化曲线为保证边界曲面命令可以使用BOUNDRYSURFACE创建曲面17用，必须使四
38、条边线相交曲面评估比较生成的曲面和点云，看误差的大小图32边界曲面的生成过程大家也可以用INTERPOLATESURFACE命令构面，并比较一下两种方法构面的误差大小。423混合曲面（BLENDSURFACE）下面这个点云模型有多个片段组成，这就需要对各个点云片段分别构面，然后通过混合命令将曲面连接起来。思路1提取点云特征，分别对特征进行建模生成独立的曲面，2由混合曲面的命令将不同的特征曲面进行连接，3检查最后的曲面质量。点云检查点云部分提取特征相似的部分，分离点云生成曲面混合曲面图33边界曲面的生成过程424不规则曲面如图77所示的点云，特征非常多，呈现板状，但是仔细观察就可以看到在这个点云
39、模型中并没有什么复杂的自由曲面，都是平面拼合后通过裁剪后构成。这类曲面构成的难点在于平面的拼合处理。思路1从大的点云中首先分离出点云各个特征，建立各个特征的轮廓曲线，2然18后用各种命令将整个点云的边轮廓描绘出来，3建立平面曲面，将轮廓线投影到平面曲面上，4裁剪曲面，得到最终的模型，5检查最后的曲面质量。板状点云提取板状点云特征，拟合裁剪曲线根据点云，拟合板状平面由曲线裁剪曲面生成平面用倒角或混合方式生成连接曲面图34混合曲面的生成过程425复杂多曲面体了解了一些简单的曲面构建方法，接下来看看复杂多曲面体的构建思路，下面这个点云模型由多块曲面组合而成，并且并不是简单的规则曲面，对于这样的点云模
40、型，可以运用曲面造型里四边曲面的拆面思想，将其分解为几块形状简单的曲面，铺出一些大面来，最后再求交，修剪，匹配，或合并。无他，由繁入简。复杂曲面点云构造形状线19构造顶面曲面生成侧面曲面连接顶面和底面裁剪出底面形状完成半边构型图35对称，生成复杂曲面426小结通过以上几个例子的分析，IMAGEWARE在逆向建模的过程中通过对点云的处理得到合理的曲线，生成高质量的曲面，曲面造型思路在IMAGEWARE的曲面构建过程非常适用，并且可以起到指导性的作用，所以掌握好几何造型的一般方法和规律对于反求工程的学习具有重要的意义。205实例教程51安全帽安全帽的逆向制作过程我们将通过安全帽的逆向造型，来学习使
41、用IMAGEWARE软件进行高光顺曲面逆向造型的一般过程。首先是对安全帽的一个产品分析，根据安全帽的特征，我们可以把安全帽分为圆形大面部分和帽檐部分。其中圆形大面部分又可分为顶部的曲面以及中部的环形曲面，具体的操作步骤可以简要的概括如下第一个步骤是电云的处理，第二个步骤是制作圆形大面，在制作圆形大面的过程中，我们利用圆形大面部分的点云来构造剖断面，利用剖断面来析出扫描线，然后利用扫描线构建曲线，最后利用曲线来构建扫掠面，可以得到中间环形部分的曲面。利用环形面上端部分的曲线可以析出顶部的点云，然后利用点云直接拟合成均匀的曲面，这样就构建出了圆形大面。第三个步骤是制作帽檐部分，它是利用点云直接拟合
42、成成均匀曲面的方法，利用边缘部分的点云构建出轮廓线，最后利用轮廓线来裁剪曲面。最后一个步骤是对曲面进行光顺度以及曲率连续性的检查，并对圆形大面以及帽檐部分的曲面进行倒圆角的处理，最后是来检查曲面的精度。511点云的处理点云的处理包括降低点云数据量，可视化点云，分割点云以及建立剖段面等。在本例中点云已经对齐，在复杂的实体中将经常用到对齐点云。在菜单中找到FILE|OPEN，在目标文件夹中打开安全帽点云，然后EVALUATE|INFORMATION|OBJECTI（或者使用快捷键CTRLI）查看一下点云的数据量，对于我们得到的上百万个点的数据量，显然过于庞大，如图51。图51点云数据基本的几何特征
43、21关闭对话框后在菜单找到MODIFY|DATAREDUCTION|SPACESAMPLING命令，对点云进行简化处理，在CLOUD选择安全帽点云，设置DISTANCETOLERANCE为05，点击APPLY，如图52图52点云精简结果在RESULT栏中我们看到REDUCTION为89，说明我们降低了原始数据的89的点云，在视图剩下299083个点云，这样能大大加快后续的操作，特别是在点云的计算方面。对于初步接触点云的操作者来说，可视化操作可以将实体比较直观地呈现在用户面前。在菜单中选择CONSTRUCT|POLYGONMESH|POLYGONIZECLOUD命令，或者在点云上鼠标右击选择，点
44、击APPLY，将点云进行多边形化处理，这样点云以反光着色的形式显示，如图53。图53多边形化后的结果图54曲率计算后的实体接下来将点云进行分割处理。我们将点云分割为上下2个部分，上部分的点云将用于构建圆形大面，而下部分的点云将用于构建帽檐部分，中间部分是由后续操作中的倒圆角来生成。1在菜单中找到EVALUATE|CURVATURE|CLOUDCURVATURE命令，选择NEIGHBORHOODSIZE为5，22点击APPLY，对点云进行必要的曲率计算，完成后关闭对话框，如图54所示。接着在菜单选择CONSTRUCT|FEATURELINE|COLORBASED命令，在SEEDPOINT中选择绿
45、色部分的任意一个点，勾选DYNAMICUPDATE，拖动PERCENTAGEGROWTH后面的滑动条到100，视图中黑色的点云部分是将被析出的点云，点击APPLY。然后将鼠标移到红色部分，右击，选择，将该部分点云隐藏，剩下的部分是由刚才的命令析出得到的点云，我们将使用析出得到的点云来构建剖断面以及析出轮廓线。2使用MODIFY|EXTRACT|CIRCLESELECTPOINTS命令，或者在点云上右击，选择，将点云分割为2部分，在KEEPPOINTS中选择BOTH，点选SELECTSCREENPOINTS，在视图中单击几个点，使它形成一个封闭的范围，将点云分为上下2个部分，然后点击APPLY。
46、然后使用VIEW|ALIGNVIEWTO|CLOUD命令，选择上面的那部分点云，点击APPLY。在空白的地方右击，选择，拖动右侧的滑动条到最上面的位置（将视图绕X轴方向旋转90度）。如果点云呈现比较密的状态，可以在点云上右击，选择，设置SAMPLEPOINTFREQUENCY为3，设置POINTSIZE为2，点击APPLY。3然后选择CONSTRUCT|CROSSSECTION|CLOUDINTERACTIVE来创建上半部分点云的剖断面，在CLOUD栏选择上半部分点云，在NEIGHBORHOODSIZE输入1，单击SELECTSCREENLINES，在视图区域单击鼠标，按住CTRL，在另一边单
47、击，创建出平行于水平方向的剖断面，同样的道理，继续创建上面的几个剖断面，注意我们创建的剖断面，间隔要保持均匀，如图55所示，然后点击APPLY。图55创建剖断面图56抓取下半部分轮廓点云4接着在下半部分点云上右击，选择，用来析出下半部分点云的轮廓部分。单击CLOUD，选择下半部分点云，KEEPPOINTS中选择BOTH，单击SELECTSCREENPOINTS栏，在视图中依次选择出一个区域，这个区域要将下半部分的点云包含在内，如图56所示继续圈选下半部分的轮廓点云，全部圈选完后，关闭命令对话框。点云处理的最后一个步骤是清理帽檐部分的轮廓线，先将帽檐点云隐藏，也将上半部分的点云隐藏，使用MODI
48、FY|SCANLINE|PICKDELETEPOINTS，将下半部分轮廓点云的内部部分点云室用手23工的方法删除掉，使得轮廓点云只剩下外围的一圈，如图57。图57删除内部点云图58拟合椭圆这是一个比较繁琐的工作，做这项工作时要仔细，切勿烦躁。清理完点云后，点云处理就完成了。512圆形大面的制作圆形大面的制作包括2个部分环形曲面部分以及顶面部分。首先，我们来制作环形曲面根据初步判断，环形曲面的轮廓线有可能是一个椭圆。首先使用CONSTRUCT|CURVEFROMCLOUD|FITELLIPSE命令，选择其中某一条，点击APPLY，如图58所示。然后使用MEASURE|CURVETO|CLOUDD
49、IFFERENCE命令，以检查曲线和点云之间的误差。在CURVE选择刚拟合的椭圆曲线，在CLOUDS选择拟合椭圆的点云，点击APPLY，如图59所示。图59误差报告在误差报告中我们发现点云与曲线之间的最大误差为0911MM，超过了误差范围05MM，所以这个拟合的方法不可行，我们单击鼠标右键，选择来撤销。1改用别的方法来构建曲线CONSTRUCT|CURVEFROMCLOUD|TOLERANCECURVE命令，在CLOUD24栏选择点云，勾选CLOSEDCURVE，点击APPLY。同样的，依次拟合上面的几条剖断面点云。2选择DISPLAY|CURVE|SHOWALLKNOTS显示曲线的节点，可以发现这些曲线的起始点和节点不均匀，我们要调整曲线的起始点以及重新参数化这些曲线。选择VIEW|ALIGNVIEWTO|CLOUD，选择其中的任意一个扫描线，点击APPLY。然后CREATE|CURVEPRIMITIVE|LINE命令，在视图中创建一条直线，注意我们创建的这条直线尽量保持水平，如图510。图510创建一条水平直线图511重新参数化后的曲线3然后在菜单中找到MODIFY|DIRECTION|CHANGECURVESTARTPOINT，来改变曲线的起始点，勾选USESPINECURVE，在SPINECURVE栏选择刚才创建的水平直线，在ORDEREDCURVES栏依次选择6条曲线
