Surfacer曲面建模實驗指導

1、surfacer曲面造型實驗指導書一、surfacer 10.6 簡介美國imageware公司推出的sufacer是一款具有強大的曲面造型功能的軟件，被廣泛應用 于逆向工程、自由曲面設計和計算機輔助曲面檢測。surfacer的應用領域涵蓋了汽車、航空航 天、電子產品、模具等行業(yè)。它具有友好的輸入輸出接口，可以接受兒十種數(shù)據(jù)格式，方便 地與同類軟件進行數(shù)據(jù)交流。它主要包括四大功能模塊，即點處理、線處理、而處理和快速 成型模塊。同時還包括顯示、編輯、檢測等輔助功能。surfacer 10.6 中包含了 多種 entities,主要冇點云(cloud)> 曲線(curve)> 曲而(s

2、urface)組 (gouip)和圖(plot)。> cloud：坐標空間中單一的點或是一群點的集合、點群間可以相加、減。> curve：分為3d curve和2d curve。詢者為獨立在3d空間的曲線，后者依附于曲面。> surface：裁剪曲面和未裁剪曲面。> group：由部分選擇的entities組成的集合。> plot：各種分析、對比特性圖。例如點的法矢、曲線的曲率圖、點與面的誤井圖、實體間 的連續(xù)性分析圖等。用surfacer 10.6進行模型重建主要可分為以下幾個大的步驟：1點云預處理首先要選擇正確的數(shù)據(jù)格式，將掃描點云輸入軟件。多視圖拼合冇時所測

3、實體而積大，或測量角度多，采用激光掃描測量很難一次獲取全部數(shù)據(jù)，往往 需要多角度分別測量，然后再將數(shù)據(jù)拼合在一起。surfacer對多角度測量數(shù)據(jù)進行拼合的具 體做法是在被測實體的不同地方，分別粘三個小球。在分塊測量時，要求每個測視圖中都包 含三個小球的點云數(shù)據(jù)。然后將各數(shù)據(jù)依次輸入軟件，用circle-select points命令分離岀 所有小球的點云，通過fit sphere擬合成球面。接下來耍選取其中的一塊視圖做基準，將要 移動的不同視圖的點云與其對應的球體分別組成一個族。打開stepwise registration命令, 選擇要移動族的名稱，將菜單中列出的兩組小球的名稱，對應疊加，

4、就可將兩視圖并在一起。 以此類推，從而完成多視圖的拼合。最將拼合后的點云做加法運算，合成一個整體。數(shù)據(jù)簡化測量數(shù)據(jù)過密時，計算量大，會影響后面的操作速度，可選用sample中的多種簡化命令, 去掉兀余點云。其屮space samples對化簡特征多的點云非常冇效，它通過曲率計算，在平 緩的區(qū)域，保留較少的點；而在特征較多的地方，保留較多的點。在簡化的同時有效地保留 了特征，是一種優(yōu)化算法。數(shù)據(jù)平滑在測量時，多種因素會造成噪音點。從不同的角度觀察點云的質量，雜點不多時，可用 pick delete point命令手動刪除。對于質量較差的點云，可選用smooth下拉菜單中的多種 濾波命令，對點云進

5、行平滑處理，去掉壞點，提高整個點云的質量。應注意，不同的點云應 采用不同的濾波方式，不僅要去噪,還耍有效地保持模型的幾何特征。當數(shù)據(jù)在較小范圍內有缺損吋，fill命令可按周圍點云的曲率變化，進行有效的填充。點云排序一般實物都用了多次測量的策略，導致點云雜亂無章。為了保證后面生成曲線與曲面的 質量，有時需要對點云排序。最常用sort by nearest,通過計算點云之間的距離來確定點與 點z間的幾何關系。通過上述方法處理后的點云，可直接調用polygonize命令，生成三角網格，保存為stl 格式，用于快速成型。2特征提取和數(shù)據(jù)分割對數(shù)據(jù)進行分塊，可將復雜的數(shù)據(jù)處理問題簡化,冇利于提高曲而擬合

6、的精度。打開dense feature extraction中的sharp edges菜單，通過計算曲率來提取區(qū)域劃分的特彳if點。根據(jù) 特征點，通過人機交互式的方法可以確定區(qū)域邊界線。為保證后續(xù)過程中重建曲面的質量， 口j以根據(jù)需要對特征線進行光順檢驗。打開radius of curve plot菜單，觀察調整曲線的曲 率分布，對丁變化較急劇的地方，要手工干涉。打開control points edit菜單，選擇調整 的方向，通過拖拽控制點，來提高曲線的光順性。3曲面重構surfacer基于雙精度nurbs來重構曲面，與實體模型完全集成，支持多種的曲面造型方 法，如拉伸、旋轉、放樣、掃掠、邊

7、界擬合、點云擬合、曲面延伸、曲面裁剪等，同吋還具 有檢測、修止、優(yōu)化等功能。本指導書以一個柴油機進氣道的測量數(shù)據(jù)為初始輸入，給出在surfacer環(huán)境下建立該進 氣道的分片光滑b樣條曲面模型的基本過程。具屮包括數(shù)據(jù)拼合和簡化的預處理部分，本指 導書屮略去，而是將重點放在根據(jù)點云數(shù)據(jù)構造b樣條曲而這一難度較高的部分。本范例力 求比較全面地涵蓋surfacer軟件的主耍功能，使讀者對逆向工程曲面重建又一個相對全面的 認識。但逆向工程軟件的功能很豐富，僅一個范例是不可能完全涵蓋的。要熟練地掌握逆向 工程軟件，需要具有良好的曲面造型背景知識和大量的實踐積累。、surfacer曲面造型范例木節(jié)以如下進氣

8、道曲面模型為例，說明使用surfacer 10.6進行曲面重建的一般流程。1. 導入數(shù)據(jù) 用file->new viewpoint新建一個視圖，并選擇進氣道測量數(shù)據(jù)文件start.asc 將數(shù)據(jù)點導入，如圖1所示。2. 去除雜點由于測量時產生了明顯不在物體表而上的點(也稱為雜點、野點，outlier), 所以第一步可以通過交互選取刪除這些點。用point->extract points->circle-select points菜單 命令或者直接點擊屏幕左側工具包屮的創(chuàng)圖標。在彈出對話框屮，首先選擇要操作的點云， 然后在selection mode屮，選擇points out

9、side,用ctrl鍵加鼠標左鍵旋轉，選擇一個合適的 視圖方向，然后左擊start按鈕選擇包含待處理點的一個區(qū)域。用鼠標左鍵在視圖平面上繪制 選擇多邊形，用中鍵結束選擇，如圖2所示。圖1進氣道測量數(shù)據(jù)點圖2去除野點圖3提取特征線3提取特征線用 curve->dense feature extraction->sharp edges 命令，點擊 compute curvature按鈕，計算點云曲率，然后根據(jù)曲率變化，捉取尖銳區(qū)威的特征線。將threshold percent調到9(),點擊model按鈕預覽，滿意后點擊apply按鈕生成特:征線，如圖3所示。根4.獲取截面線數(shù)據(jù)用 s

10、urface->create/cloud ->fitplane 命令,首先選取一條特征線擬合據(jù)點云曲率提取的特征線是對點云進行區(qū)域劃分的依據(jù)。一個平面；然后用point->cross section->parallel命令，用平彳亍于擬合平面的4個平面與點云數(shù)據(jù)相交，獲取點云的截面線數(shù)據(jù)，各參數(shù)設定如圖4所示。注意，點擊對話框左下腳的 interactions按鈕，會彈出交互選擇工具條，它根據(jù)不同的上下文有不同的按鈕，方便用戶選 取最正確的實體或位置。這個工具非常有用，例如在圖4中，start point欄，可以利用該工具 條上的“在曲面上點取”按鈕，準確地選取擬合平面

11、上一點作為起始截面的位置。jnl xi|4.59佇 parallelcloud(s) 廠 listdirection xauto calculite spacingspacing|neighborhood sizeint erac tions* interactions(surface圖4提取點公截血線數(shù)據(jù)5.創(chuàng)建放樣(loft)曲面 首先對截面線數(shù)據(jù)進行光順,用point->smooth->filter命令，filter type 選 average, filter size 取 6。然后用 curve->create 3d/clouds->fit to tolera

12、nce 命令，在一定的公差范圍內，擬合一組樣條線，參數(shù)設置和擬合得到的曲線如圖5所示。為了生成光滑的放樣曲面，必須使這組曲線的方向和起始點(start point)-致，可以用curve->modify->reverse curve 改變一條曲線的方向，也可以用 curve->modify 3dnetwork->harmonize direction 調整一組曲線的方向一致。用 display->align view to->curve對齊視圖，然ju* curve->construct 3d->line 創(chuàng)建一條直線，點擊 curve->

13、modify->change start point,用創(chuàng)建的直線來對齊兒條曲線的起始點，如圖6所示。注意，用ctrl+shift+d來設置 曲線顯示屈性，顯示起始點信息。圖5帶公差擬合截面illi線圖6 1111線起始點調整0.0250.0000mm號file edit display basic point curve surface registration system rpm gme link help xunits|mm jj layers三ji trary(s)speci £y control pointscleaning tolerance start cont

14、inuityloft curvesx v | die update | inspection| basicstart continuity element position5nawt setuse 5b and drag to specify a distance. (current 0)g1createi ii -idlxl 一1modi ft, '廠voo+q 4 th14 mi pvn/*a tsordered curve (s)deletefi ttotolcrvjfittotolcrv 9fittotolcrv 10fittotolcrv 11closed surface0

15、end continuity| apply |surfac.©jsurfac.三）數(shù)據(jù)牲未命|老loft su.參開始h q吻回金8 ulsurfac.modeli冷>o ；題宮為了保證放樣面的晶質，用curve->modify->reparameterize curve對曲線進彳亍重新參數(shù) 化，使它們控制頂點數(shù)目一致，如圖 37o 點擊 curve->diagnostics->curve->cloud difference 命令，分析曲線和截面點云距離誤差，顯示圖8所示的誤弟圖，保證精度。用 surface->create/curves-&

16、gt;loft curves命令，依次選取各條曲線，設置邊界位置連續(xù)和公差等參數(shù)，創(chuàng)建放樣曲面。必要時，使用surface->modify->reverse direction命令調整曲面的方向, 使其指向模型外部，如圖9。0.09800.0750.050圖x曲線與截而數(shù)據(jù)距離謀并分析弋 surfacer v10.5 loft.imw圖9創(chuàng)建放樣而1用與以上類似的方法做出如圖10的放樣曲面。蠶鸚條正ffio局部於丈圖10創(chuàng)建放樣條面2圖11創(chuàng)建區(qū)域劃分曲線6. 用特征線將點云劃分為若干平滑的區(qū)域前面已經根據(jù)計算點云的曲率提取了尖銳邊， 可以根據(jù)尖銳邊在點云上創(chuàng)建圖11的曲線。這些曲

17、線所圍區(qū)域分別對應主要曲面(base surface) 和過渡卅面(transition surface),它們分別對應平滑的點云數(shù)據(jù)和曲率變化快的點云數(shù)據(jù)。曲線 可以由 curve->construct 3d->interactive 3d b-spline 命令創(chuàng)建，也可以先用 point-> cross section菜單下提供的幾種方式提取截而數(shù)據(jù)，再擬合曲線。區(qū)域創(chuàng)建的結果對最終曲面的品 質有重要的影響，主要靠用戶的經驗，有如下注意事項：>將點云上對應解析曲面(平面、球、旋轉面、拉伸面)的區(qū)域盡可能分割出來，提高重構精 度。>盡量將單個區(qū)域劃分為四邊界域

18、，這樣可以用邊界線、分塊點云、u/v等參線等信息直 接構造非裁剪曲面，方便曲面片的拼接。>裁剪曲面通常是將初始劃分的曲線投影到曲面，然后對曲面進行裁剪，曲面的邊界與初 始曲線不符合使裁剪曲面與和鄰曲面的拼接困難或連續(xù)性很丼。所以裁剪曲面與其它主 要曲面要預留間隙給過渡曲面，>對于擬合曲而，盡量將每個區(qū)域劃分為單值區(qū)域，捉高擬合精度。用曲線將點云進行劃分后，就可以將每個區(qū)域用多種曲面創(chuàng)建和曲而擬合方法來生成曲 面。為了描述的方便，先給出重建后的曲面模型，并將每個曲面標上一個阿拉伯數(shù)字，如圖 12所示，數(shù)字的順序并不代表曲而創(chuàng)建的順序。曲而12和14為前而已經介紹過的放樣面， 其余曲面

19、，接下去將分別進行說明。7. 由邊界曲線和點云擬合曲面1曲面1是由邊界曲線和點云擬合。如圖13,首先改變 圭寸閉曲線的起始(curve->modify->change start point),用右邊曲線作為spine,使其位于兩條曲線的交點；然后將其裁剪為兩條曲線(curve->create/curves->snip curve)0再將曲線所圍 點云單獨提取出來(point->extract points->points within curves),選擇這部分點云，順序選擇邊 界曲線，由邊界曲線和點云擬合曲而l(surface->fit cloud

20、 and curves),如圖14,因為邊界曲 線兩兩相交，所以曲面1完全通過這些曲線，檢查曲面與點云的距離 (surface->diagnostics->surface-cloud difference),如杲不滿足精度要求，就需要將這個區(qū)域 進一步劃分，使擬合曲而達到精度要求。(a)視圖1(b)視圖2(c)視圖3圖12曲面片編號示意圖(d)視圖4(a)(b)d?1 nn; luknjo.ifl.qd nnnn£ i)闕=(a)(b)(c)圖14 curves/cloud擬合曲而與誤差分析8. 構造裁剪曲面2曲面2為裁剪曲面，首先用邊界曲線將這一區(qū)域的點分割出來 (po

21、int->extract points->points within curves),如圖 15 ,然后用自由型曲面去擬合 (surface->create/cloud->fit free form),如圖16,請注意圖屮的參數(shù)設定；將邊界曲線向曲面 上投影(curve->create on surface->project curve to surface),再用這些投影曲線去裁剪曲而 surface->trimming operations->trim/curves,得到曲面 2,如圖 17。9. 構造放樣曲面8曲面8為放樣面，首先用poin

22、t->cross sections菜單下的指令創(chuàng)建截 面數(shù)據(jù)，進行排序和光順，再擬合為曲線(curve->create 3d/clouds->fit free form),如圖18 所示。調整截面曲線的方向使其一致，再將其重新參數(shù)化為30個控制頂點，最后生成放樣面 8,放樣面4個邊界連續(xù)都為位置(position)連續(xù)。10. 構造過渡曲面5、9、10曲面5、曲面9和曲面10位于曲率變化較大的地方，它主 要是起著連接基木曲面(base surface)的作用，稱為過渡曲面(transition surface)因為過渡曲面 曲率較大，為了準確逼近數(shù)據(jù)點，采用加邊界條件的點云擬

23、合曲面方&(surface->fit /cloud and curves)o與前面介紹的方法一樣，首先將毎塊曲面對應的那部分數(shù)據(jù)裁剪岀來，然后進行擬 合，擬合時在不影響曲而自身光滑性的前捉下，盡量和已知曲而保持tangent連續(xù)。注意，只 有當邊界曲線選已有曲面的邊界線或位于平面上的2d curve時，才能應用tangent和curvature 連續(xù)性條件。圖19為這一部分曲面重構后的局部模型視圖。 圖17曲面裁剪圖18創(chuàng)建loft的截面曲線圖19模型局部視圖11. 構造裁剪曲面4如圖20,首先，用將曲線包圍的點云裁剪出來(point->extract points->

24、;points within curves),檢查點云的平面度(point->cloud characteristics->cloud flatness), 發(fā)現(xiàn)點云平而度誤差很小，因此用平而來擬合這部分點云(surface->create/cloud->fit free form)o若平面沒有完全包含封閉的邊界曲線，可以將平面延(surface->extend->by length), 如圖 21 所示。將邊界曲線向平面投影(curve->create on surface->project curve to surface),再 用投影曲線將

25、平面裁剪(surface->trimming operations->trim/curves),得到曲面4,如圖22。12. 構造uv網格線曲面6考慮到曲面6所在區(qū)域的點云沿uv等參線截面形狀規(guī)則，可 以考慮由 uv 曲線網格來構造(surface->create /curves->blend uv curve network)。首先構造 曲線網格，再創(chuàng)建曲而，如圖23所示。注意，曲線網格都相交時創(chuàng)建曲而品質更好；曲線網 格必須為四邊域；所有曲線需要g?連續(xù)(曲率連續(xù))。圖20裁剪點云平血度檢查圖21平面延伸©apply |inter «cti on

26、slol x|project curve to surface圖22曲面裁剪圖23 uv線混合曲面13. 構造放樣曲面15首先構造如圖24的截面曲線，調整曲線使其方向一致，重新參數(shù) 化曲線，使其控制頂點數(shù)目同為35個；保持position連續(xù)，創(chuàng)建放樣面。14. 構造邊界線混合曲面3曲面3位于曲面1和曲面2 z間，起著過渡的角色，用邊界 線混合曲面指令來構造(surface->create/curves->boundary curves)<>15. 由邊界曲線和點云擬合曲面16、17、18曲而16、17和18都是規(guī)則的四邊界威曲而, 都采用加邊界曲線條件的點云擬合方式，

27、其基本步驟與曲而1 一致。值得注意的是，曲而16、 17、18交界區(qū)域點云數(shù)據(jù)很光滑，耍求在創(chuàng)建這些曲面時，后創(chuàng)建曲面要以已創(chuàng)建曲面的邊 界作為封閉曲面的一部分，并添加tangent邊界約束，保證曲而的光滑過渡。圖25為這一部 分曲面完成后的局部視圖。圖24曲面15及其截而曲線圖25保持c1連續(xù)拼接的曲面局部視圖16. 由邊界曲線和點云擬合曲面19曲面19連接曲面12、8、6、16,可以用相鄰曲面的 邊界組成的封閉曲線以及所圉的點云擬合曲面。如圖3-26所示，依次選取圖屮邊1、2、3、 4形成的封閉邊界，其中邊1、2、4為和鄰曲面的邊界，邊界連續(xù)性選擇tangent連續(xù)，3為 兩曲面的公共邊，

28、保持此處的position連續(xù)。(b).apply xat«r»ct> oat圖26曲面19擬合示意圖17. 由邊界曲線構造曲面7曲面7在曲面1和裁剪曲面2之間起過渡作用，在相鄰的曲 面1、2、3、15都已經存在的情況下，可以用插值于封閉邊界曲線的曲面來過渡 (surface->create/curves->blend/boundary curves),保證邊界插值曲面與曲面 1、3、15 的 tangent 連續(xù)條件，與曲面2的position連續(xù)條件。18. 由邊界曲線和點云擬合曲面11曲面11位于曲面18、2、6、5、10之間，因為該區(qū) 域曲率變化較

29、大，只利用邊界曲線信息創(chuàng)建的曲面不能反映其真實形狀。所以同時利用該區(qū) 域點云信息和邊界信息創(chuàng)建曲面(surface->fit/cloud and curves)o19. 構造放樣曲面13因為原始測量數(shù)據(jù)的局部缺失，前而部分將曲而14分開處理，最 后用放樣面13將曲面14與曲面1、3、15連接起來?？诖耍痛篌w上完成了整個進氣道模型曲面的重建。在實際應用中，最初用曲線對點云 數(shù)據(jù)進行區(qū)域劃分的結果往往并不完善，需要不斷對邊界曲線進行調整(例如，裁剪曲面2、 4的邊界與最初劃分的曲線不一致，而是曲線的在曲面上的投影線)。另外，大體完成后的曲 面模型中如果某個曲面誤差檢查沒有通過，就需要將該區(qū)

30、域劃分為更多的小區(qū)域重新創(chuàng)建曲 面，由此又會引起與其保持邊界連續(xù)的某些曲面的調整。通觀木章可以看出，盡管surfacer 10.6為用戶提供了強大的曲面造型功能和逆向建模能 力，但重建滿足精度和光順度要求的高品質曲面模型還需要造型工程師豐富的經驗和大量的、 細致的工作！附錄a： surfacer常用功能按鈕一覽表tool box iconsicon名稱解釋open file開啟舊檔save current view port儲存前畫面的資料jundo one command / undo the undo command冋復前一個指令的動作畫enlit inlbrmationfntity的信息

31、，包括坐標値、控 制點等信息clear (c?ul) viewport清除l1前的屏幕畫而erase (cut) entit>(s)清除所選擇的entityrotate world view以世界坐標系為原點旋轉整個畫 iliij*translate world view以世界坐標系為原點移動整個畫 血回rotate about / translate along mode旋轉或移動模式、可依整體、軸、 點方式。l»1rotate / translate active lintitv旋轉或移動aciic的entily(s), 或所選擇的entity(s)o圏kill lo vi

32、ew將咖血擴充到全窗口迪zoom windows局部放大|hgroup i-ntities將所選擇的entities做成群組un-group entities將所選擇的群組炸開,讓群組中 的entities成為獨立個體。show entities將所選擇的entities顯示出來q1 lidc enlitise將所選擇的lintiiics隱藏起來1circle select圈選點群hpick location將所點選的位置坐標值顯示出來1 ligh resolution setting l or surfaces以髙分辨率著色曲血1爾1medium resolulion selling for s uii aces以中分辨