基于Imageware的逆向工程在汽车模型上的应用研究

王娟

摘 要：逆向工程理论是先进的快速建模理论，它是利用扫描设备从现有的模型或产品中获得数据信息，以计算机为载体运用曲面重构理论进行模型的修复和重建，最终获得产品的CAD模型。逆向工程理论适用于设计结构复杂的产品，以实现模型的快速设计和仿形。本文通过研究汽车模型的逆向，总结了整个汽车模型外形的逆向方法，利用三维激光扫描仪采集汽车模型的外表面数据，基于曲面重构理论并利用逆向软件Imageware重构汽车外形的CAD模型。

关键词：Imageware;逆向工程;汽车模型;曲面重构

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.02.133

1 引言

随着计算机技术的发展，汽车车身外形形态各异，曲面越来越复杂，流线越来越优美，传统的汽车车身设计是从油泥模型到实物成型，这种设计方法有着很大的局限性，用一般的CAD设计方法难以在计算机中构造出复杂的几何结构。然而科学技术的巨大进步带来的各种设计方法也在不断的发展创新，特别是在计算机辅助设计飞速发展的今天，逆向工程技术已经非常发达和成熟。逆向工程是一种先进的设计理论，在对复杂车身几何外形的研发方面有着重要的意义。

2 逆向工程

所谓逆向工程（Reverse Engineering，RE），是把已有的产品模型（实物模型）或者影像资料等信息作为研究对象，运用现代先进设计理论、计算机技术和各个科学领域的相关知识以及一系列分析方法等，通過对产品生产过程的解剖和制造特点的分析深化，对关键技术的掌握以及对设计理念的探究，再设计开发出更为优化的同类产品的过程，也称为反求工程。图1完整的给出了从实物模型到新产品利用反求工程开发的过程，清楚地给出了反求工程的设计过程。

3 汽车模型的逆向工程过程

（1）采用三维激光扫描仪对汽车模型进行扫描，经过若干次的扫描得到汽车模型各个面的坐标数据的“点云”，如图2。

（2） 扫描后得到的“点云”必定包含一定的噪声点，要通过一些手段对“点云”数据进行精简、光顺、排序等，以提高后续建模的效率和精确度。

（3）运用自由曲面重构理论，按照一定的曲面拟合方法，进行汽车模型的曲面重构。

（4）利用专业的检测软件对CAD模型进行检验，看其是否满足精度或其他性能指标要求，对不符合要求的进行调整修改，达到汽车模型外形的设计要求。

4 Imageware在逆向工程中的应用

Imageware由美国 EDS公司出品，不仅具有强大的“点云”处理、曲面编辑和 A级曲面的构建能力，同时对测量数据的处理、曲面造型和误差检测也有着非常强大的功能[1]，广泛应用于汽车、航空、航天、甚至消费家电、模具、计算机零部件等设计与制造领域。它可以和UG软件进行无缝对接，其所构造的A级曲面（ CLASSA ）具有良好的品质和曲面连续性，Imageware的模型检测功能可以方便、 直观地显示所构造的曲面模型与实际测量数据误差以及平面度、圆度等误差[2]。Imageware采用的是先进的NURBS技术，功能强大且应用方便，凭借完善的处理能力可提供多种反设计的思路，最核心的地方也是用户比较满意的地方是三维检测、高级曲面造型能力、多边形造型以及反求工程。

Imageware包含基础模块、点处理模块、曲线曲面模块、多边造型模块、检验模块、评估模块这六大模块。

它的处理过程遵循点—曲线—曲面原则，流程如图3。

4.1 “点云”数据处理

Imageware的点处理模块可以很好的处理大数据量的“点云”，它的优化方法非常独特，完全可以自由的清理、稀疏、检查“点云”的工作，它的数据处理包含几个方面：对多次采集到的“点云”数据进行拼接与对齐，得到完整的数据“点云”后，先剔除当中明显的噪点，利用合理的方式对采集到的大量“点云”数据进行精简，再利用合适的方法进行重构曲面。Imageware的逆向过程很严格的遵循点-线-面的过程，这个过程恰恰是模拟了正向的设计过程。通过“点云”数据对原设计者设计样件的揣摩，达到产品开发再设计的逆向过程，再此基础上对其创新。处理后的点云如图4。

4.2 模型重构

（1）对“点云”数据处理之后，就基本完成了对“点云”数据处理的阶段，由于车身外形曲面构造比较复杂，不可能一次性构造完所有的曲面，所以处理完成之后需要对“点云”曲率进行评估，评估的目的是对“点云”进行分块处理，以方便后期进行分块建模，如图5。

（2）根据曲率，用曲线将汽车模型“点云”数据分成四部分，如图6，Imageware提供了一套非常完整的曲线创建功能，用于开发基于高质量曲面和A级曲面。

（3）分块完成之后对各个面进行曲面重构，先对车顶面进行曲面重构，考虑到车顶面的“点云”分布和即将构成的曲面形状，采用依据“点云”和曲线拟合的方式构建曲面如图7。

（4）对于整个车身曲面重构，进行拼接，拼接后，填充孔，光顺之后的效果如图8。

（5）完成之后进行镜像处理，由于存在缝隙，需要把两个半车身进行拼合，在Imageware里这种拼合可以用桥接的方式，桥接对于处理面与面之间的连接效果是非常完美的。

4.3 重构模型的检测

Imageware中对曲面的光顺度有两种检测方法，反射线检测法和高光直线检测法，这两者的区别是反射线把模拟灯光照射在相应的曲面上，把反射出来的等高流线作为曲面光顺度的评价指标，而高光直线检测是能够把参考平面上的直线投影照射在相应的曲面上，根据投影线的情况来判断曲面的光顺性，高光直线检测是采用等高线和等高环的方式来表示的，两者结果都是等高流向越平顺而且之间的距离越均匀，说明曲面品质越好，色彩分布图颜色过渡的越自然说明曲面的品质越好。

对于小汽车模型采用的是高光直线分析法，分析结果如图10。

所选择的灯光数量为20，间隔距离为10，从上图分析结果可以看出，汽车顶面的等高流线比较平顺且等高线之间的距离非常均匀，说明光顺度很好，不用再做任何光顺度的处理。可以通过鼠标拖动控制点从而调节参考平面，达到最大程度的动态检查小汽车的各个曲面。

5 小结

本文将汽车模型的设计与逆向工程相结合是先进的一种汽车外形的设计理念，解决了传统汽车正向设计的一些不足。本文提供了用Imageware软件进行模型的重构、光顺度的检测和评价的一些方法，为其他复杂的曲面反求和检验研究提供了一些参考。

参考文献：

[1]单言，谢斌飞.Imageware逆向造型技术基础[M].北京：清华大学出版社，2006.

[2]孙文学，邝芸.Imageware在逆向工程设计中的应用[J].现代制造工程，2005（08）.