基于Geomaic Design X 软件的逆向工程研究

郑进辉 许冠 毛卫东 余小圃 罗有旺 梁翱 易建豪 黄玮楠

摘要：逆向工程是产品不断迭代开发的常见方式，也在制造业中广泛存在。目前已出现了很多的逆向设计软件，如 NX1847、Pro_E、Imageware、Copy CAD、RapidForm等都可以用来进行逆向工程设计，但是相对于曲面和尺寸太小又很难实现快速拾取，需要人为的不断调整才能保证产品逆向数据的精度要求，从而导致逆向的效率不高;提出了一个新的逆向工程设计软件—Geomagic Design X逆向工程软件，研究表明Geomagic Design X软件相比于其他三维设計软件，具有非常明显的优势，如强大的截面轮廓线提取能力，可以根据 STL面片数据自动拟合出曲面，同时也支持多种 STL数据的特征识别指令，同时支持与其他软件的交互转换，实现不同软件间的交互使用。相对于其他研究成果，主要突出在Geomagic Design X 软件在逆向工程设计中的便利性，阐述了该软件是如何进行产品的逆向设计，提高设计效率。

关键词：逆向工程;三维扫描仪;点云处理;产品设计

中图分类号：TP311.5文献标志码：A文章编号：1009-9492（2021）11-0091-05

Research on Reverse Engineering Based on Geomaic Design X Software

Zheng Jinhui，Xu Guan ，Mao Weidong，Yu Xiaopu，Luo Youwang，Liang Ao，Yi Jianhao，Huang Weinan

（Foshan NanhaiZhongnan Machinery Co.， Ltd.， Foshan，Guangdong 528247， China）

Abstract： Reverse engineering is a common way of product iterative development， and it also widely exists in the manufacturing industry.At present， there are many reverse design software in the market， such as NX1847， Pro_ E， Imageware， Copy CAD， RapidForm and other three-dimensional software， which can be used for reverse engineering design. But it is difficult to realize rapid pick-up relative to the surface and size， which requires continuous manual adjustment to ensure the accuracy requirements of product reverse data， resulting in low reverse efficiency. Therefore， a new reverse engineering design software - Geomagic Design X reverse engineering software was proposed. The research shows that Geomagic Design X software has very obvious advantages compared with other three-dimensional design software， such as powerful cross-sectional contour extraction ability， and the software can automatically fit the surface according to STL patch data. At the same time， it also supports the feature recognition instructions of a variety of STL data， supports the interactive conversion with other software， realizes the interactive use between different software， and also has the functions that other reverse engineering software does not have. Compared with other research results， the convenience of Geomagic Design X software in reverse engineering design was mainly highlights， and how the software carries out the reverse design process of products was described to improve the design efficiency.

Key words： reverse engineering;3D scanner; point cloud processing; product design

0 引言

逆向工程（又称逆向技术），是一种产品三维数据复刻的过程，即对一种产品零件进行三维扫描后进行逆向设计，从而得到产品的三维模型数据，进一步对三维模型进行分析后，得到产品的设计要点、生产要素和相关结构的功能特性以及成本控制等要素，以达到制作出功能基本一致的产品。相对于传统的正向设计（从无到有的过程），逆向设计可以快速获取产品的三维数据，根据现有产品的不足之处进行优化设计，促使产品的优势性能进一步提升，缩短产品的开发周期，广泛应用于各个领域。

国内有针对逆向工程所做的相关研究，有针对 Geo- magic[1-2]做点云数据处理的，针对产品做逆向设计研究以及逆向工程在相关领域中的应用研究，大部分都是针对三维扫描好产品后进行点云数据处理以及针对工艺品进行面的转化等分析;而针对产品逆向设计过程的研究相对较少，而且不全面。基于 NX1847[3-4]、Pro_E[5]、Image- ware[6-7]等软件指令的约束，无法针对产品相关面的领域、结构等进行透彻的分析，比如点云处理的参数是如何界定，不同产品需要不同的参数设置，以及逆向设计的效率问题，也没有充分对逆向设计的步骤进行详细的说明，无法让其他研究人员学习时有效的吸收。为此，本文将针对Geomagic Design X 软件，选用产品实例，将整个逆向设计的过程进行系统地叙述。全面解析基于Geomagic Design X 进行逆向工程的便利性，以便验证新的逆向工程拥有相关强大的指令功能特点，以此来辨析不同产品如何选用更为合适的逆向工程软件。

本文研究的基于Geomagic Design X 软件的逆向研究[8]，一方面希望阐述一个全新的逆向设计软件，来与其他的逆向设计软件进行对比，突出该软件的所具备的相关优势;另一方面希望能解决现有的逆向设计软件在逆向设计上的效率问题，缩短产品在逆向设计上的时间周期。Geomagic Design X 软件在逆向设计具备明显的优势和强大的功能指令，可以给其他逆向工程设计软件平台提供有效的功能指令参考，促进相关软件功能的升级优化，降低设计师的软件学习难度，提高产品在逆向设计过程中的效率，对整个逆向工程的设计思路提供一个非常有效的设计步骤，对软件深度开发具有重大的意义。

1 扫描和数据处理一般步骤

1.1 产品逆向工程的整体思路

在选定好需要逆向的产品后，需要有一个详细步骤，整个扫描的过程如图1所示[8-10]。（1） 选用合适的三维扫描仪系统[11-12]，由于扫描仪系统的限制，需要对反光、油面、黑色的产品进行清洗后，对产品表面进行喷涂显像剂，使其表面特征明显化以便于扫描。（2）产品前期处理好后需要判断如何进行扫描，然后进行扫描仪参数设置好后，对产品进行扫描，将其放置在转配上，每转动60°扫描一幅面，正反对产品进行扫描工作即要扫描12次。（3）对多次扫描的点云数据进行整体对齐，得到完整的产品三维点云数据;将得到的点云数据在Geomagic Wrap X 软件[13]里面进行三维的点云数据处理，进行点云数据封装成 STL面片数据，以便后期对产品进行逆向工程设计。（4）将扫描后处理得到的 STL面片数据导入至Geomagic Design X进行相关领域的分析、对其三维数据的三维坐标，根据相关的特征进行曲面建模、结构特征建模等，直到三维模型的完整呈现，对相关的曲面进行数据的偏差比较，合理范围内即逆向工程的产品已完成。如此得到一个完整的产品三维数据模型。

1.2 选择扫描仪系统

本次采用扫描仪系统是北京三维天下科技有限公司的 in3DD-M 型号的三维扫描仪系统;此系统非常适用于教育领域的使用，其扫描的型号可以根据产品的大小进行选配，非常的实用和便利性，其 Win3DD-M 系统外观如图2所示，扫描仪的相关参数如表1所示。本次基于Geoamgic Design X 逆向工程研究的對象为日常生活中比较常见的摄像头，只对摄像头主体做逆向设计的研究，其摄像头的外观如图3所示。

2 点云数据处理

扫描后得到的点云数据导入Geomagic Wrap X 软件中进行点云数据处理步骤，在产品扫描后获取的点云数据，其点云数据存在部分噪点、离散点、偏离点等，这些数据会影响产品三维数据的质量，因而需要将这些不在物体表面的则需去除掉。

点云数据处理（完整的物体点云数据大概由12～16组点云数据构成）的一般步骤如下。（1） 对所有单幅面扫描获取到的点云数据（图4）进行联合点对象形成一个整体的产品三维点云数据，根据产品的点云数据量的大小可以相应的进行点云数据数量的整体统一降低，以保证数据量的大小能让电脑顺畅的运行。（2）对产品的点云数据进行非连接项和体外孤点的删除，可以快速删除产品表面以外的点云数据，为了直观地看清点云数据的分布，可以将原本黑色的点云数据颜色改变成浅绿色（图5）。（3）进行噪点处理，减少噪声（图6），参数设置为第一次5个迭代，偏差限制为0.1，应用确定后进行第二次降噪，参数设置伟5个迭代，偏差限制为0.04，应用后确定即可。（4）在降噪后再进行一次体外孤点的去除后，将处理后得到的产品点云数据转化为 STL 面片数据，在第一次基础封装点云数据，（封装后含有原有的点云数据跟面片数据两个文件）看封装后的面片数据的完整程度，面片差的话，再次对点云数据进行处理好后，进入多边形任务栏的处理工作。（5）对产品的面片数据进行网格医生命令自动优化三维数据的质量，可以有效处理数据的非流形边、自相交、高度折射边、钉状物、小组件、小孔通道等面质量问题，同时也可以根据产品三维数据的三角形数量进行有效控制或者重新划分面的网格排布，根据面的质量情况可以进行表面光滑处理2～3次以及对相关的孔洞根据周围面的曲率大小进行填充，使其保持产品外观的三维数据完整性。（6）对处理好的面片进行基础的三维坐标系建立;对面片建立两个相对合理的平面，两平面相交确定一条直线，在依据这条直线创建出第三个平面;再将三个平面进行全局对齐处理。构建出面片的基础三维坐标系，在各个视图中可以相对直观地表现出产品三维数据的规整性，导出处理好的摄像头三维 STL数据（图7）。

3 逆向工程设计

3.1 Geomagic Design X 软件介绍

Geomagic Design X 软件是一款逆向工程的专业软件，由3D System 公司开发的，其支持与主流三维设计软件（SolidWorks 、Pro/E 、Siemens NX 、Inventor 、Solid Edge等三维软件）进行同步转换，实现系列逆向设计步骤的记录;作为一款三维设计软件，它基本上具备了所有主流软件拥有的常规指令（拉伸、旋转、放样、扫描、布尔运算、倒角、抽壳、拔模、移动、复制、测量等基础实体操作指令），常规的草图创建（直线、圆、曲线、矩形、剪切、镜像等相关指令）和3D草图（3D 自有曲线、面上曲面、投影等）常规的草图绘制功能;同时也具备自身特色的逆向实体功能（根据 STL数据自动拟合出完整曲面、自动识别 STL数据的圆柱、球体、圆锥特征和识别回转轴特征、平面特征）;能在该软件内进行产品三维数据的点云处理和三角面片处理能力（类似Geomagic Wrap X 的点云处理功能）;最具有该软件一个重要特点的是支持自动划分三角面片数据领域功能，简单来说就是可以根据模型的细节特征，识别出三维数据的实体特征、大曲面、过渡曲面、倒圆曲面等数据特征，让设计师非常直观的看出一个产品的结构设计构成的基本要素，同时也支持设计师根据对产品的理解，人为的进行三角面片数据的领域划分，实现领域划分的自由度，有利于后期进行逆向设计时的特征自动识别;作为一款专业的逆向工程设计软件，Geomagic Design X 可以进行相关指令快捷键的设置、相关的设计树步骤、相关曲面、实体、三角面片、测量、平面和草图等视图的显示和隐藏功能，这也是该软件能够跟其他软件可以进行同步转换的一个关键因素。相关软件界面如图8～9所示。

3.2 摄像头的逆向设计思路

将处理好的摄像头 STL数据导出到Geomagic Design X 软件中，具体的步骤如下[14]。

（1） 将模型的原点三维坐标系建立好后（图10），可以直观地了解到摄像头主体大致上是左右对称关系，其细节特征可以分为前后左右的6个A 面以及上下的3个衔接面，底部下万向球和前面的摄像镜头特征为回转体结构。

（2） 对摄像头数据进行人为的领域划分成8个面片领域组（图11），领域划分可以让设计师知道整个产品的外观是如何划分的。

（3） 使用面片拟合（图12）功能进行曲面自动拟合，得到相应的8个自由曲面，根据边界线进行相关的裁剪后，采用曲面放样指令对前后曲面进行曲面嫁接后得到摄像头的主体数据。

（4） 对于两个回转体特征采用2D面片草图指令直接获取到相关的截面线段，对曲线进行尺寸约束后，采用回转体指令行成两个相应的特征（图13）。

（5）对摄像头主体和回转体特征进行布尔运算求和成一个整体后，对相关的边界线进行合理的倒圆特征，从而完善摄像头产品的三维外观数据（图14）;可以采用体偏差指令所显示的3D色谱图偏差来判断出我们所逆向设计出来的曲面是否达到误差范围内，从3D 色谱图[15] （图15）可以清晰地分辨出所逆向出来的曲面基本上都是绿色的颜色，说明这些曲面的精度是在允许的公差范围内的;也可以通过环境写真（斑马线）来分析逆向曲面的光滑程度，通过图16也可以清晰的看出逆向出来的面是比较顺畅自然，斑马线也比较有规律和协调。

（6）经过上述的指令操作后，摄像头主体的逆向设计所得到的三维数据就完成了。其相关的指令也是比较的简单，没有较为复杂的步骤操作。

4 结束语

基于Geomagic Design X 软件的逆向工程设计，相对比于其他逆向工程软件，其拥有简洁的界面和强大的功能指令，具备了其他软件所不具备的点云、面片处理、领域划分等功能模块，利用该软件进行产品的逆向工程设计，可以有效提高产品逆向设计的设计周期，以及缩短设计师学习软件的学习周期，对逆向工程领域来说是软件升级的一个契机，能够促进相关软件进行相互学习。

本文详细阐述了整个产品的逆向过程，一方面对扫描过程以及产品的点云处理进行了一个清晰的划分;另一方面展示了Geomagic Design X 软件应用于产品逆向工程的便利性;研究结果表明，Geomagic Design X在產品的逆向设计中，能够高效率地缩短逆向周期，在参数化设计的同时也促进逆向设计的思路简单化，这是其他软件所无法达到的，针对逆向工程领域，Geomagic Design X 是一款专业和高效的逆向工程设计软件，对常规软件的相关指令功能的迭代是一个非常有的促进作用，对于逆向工程的产品开发来说也是增加了一种新的尝试，对相关领域的发展具有重要的作用。

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第一作者简介：郑进辉（1996-），男，大学本科，研究领域为3D打印和三维扫描检测技术。（编辑：刁少华）