9.曲面造型方法与反求工程

第9讲-曲面造型方法：曲面正向设计与反求工程华中科技大学CAD中心吴义忠，王波兴[e-mail]曲面正向设计与反求工程计算机图形学与CAD技术本节主要内容2曲线生成及编辑方法曲面生成及编辑方法曲线曲面常用分析方法其他曲面造型方法–反求工程–细分曲面造型–基于物理的变形曲面造型–PDE曲面正向设计与反求工程计算机图形学与CAD技术9.1常见曲线生成及编辑手段公式定义：直线、圆弧，ACIS中的law等(expression)。3曲面正向设计与反求工程计算机图形学与CAD技术9.1常见曲线生成及编辑手段基于控制点的曲线设计:Bezier4曲面正向设计与反求工程计算机图形学与CAD技术9.1常见曲线生成及编辑手段型值点（最常见），反算控制点:B-spline5曲面正向设计与反求工程计算机图形学与CAD技术9.1常见曲线生成及编辑手段曲面上的等参数线6曲面正向设计与反求工程计算机图形学与CAD技术9.1常见曲线生成及编辑手段曲面沿着给定方向偏距。7曲面正向设计与反求工程计算机图形学与CAD技术9.1常见曲线生成及编辑手段曲线投影定义8曲面正向设计与反求工程计算机图形学与CAD技术9.1常见曲线生成及编辑手段曲面上的平行线定义9曲面正向设计与反求工程计算机图形学与CAD技术9.1常见曲线生成及编辑手段曲线光滑拼接。10曲面正向设计与反求工程计算机图形学与CAD技术9.1常见曲线生成及编辑手段曲线延伸11曲面正向设计与反求工程计算机图形学与CAD技术9.1常见曲线生成及编辑手段曲线拼合12曲面正向设计与反求工程计算机图形学与CAD技术本节主要内容13曲线生成及编辑方法曲面生成及编辑方法曲线曲面常用分析方法其他曲面造型方法–反求工程–细分曲面造型–基于物理的变形曲面造型–PDE曲面正向设计与反求工程计算机图形学与CAD技术9.2曲面生成及编辑方法1）拉伸扫描(Extrude)2）回转扫描（Sweep）14曲面正向设计与反求工程计算机图形学与CAD技术3）放样（Loft）测量点为型值点，生成轮廓曲线由轮廓曲线通过放样生成曲面15曲面正向设计与反求工程计算机图形学与CAD技术3）放样（Loft）16曲面正向设计与反求工程计算机图形学与CAD技术4）封闭边界覆盖（cover）5）等距17曲面正向设计与反求工程计算机图形学与CAD技术6）广义扫曲面(sweep,swept)(spine,trajactory,profile)扫描—（平动，截面垂直）18曲面正向设计与反求工程计算机图形学与CAD技术7）过渡曲面8)曲面拼接A曲面B曲面A曲面B曲面19曲面正向设计与反求工程计算机图形学与CAD技术9)变换、复制、镜像、阵列、插入、删除、参数修改10)曲面求交与裁剪20曲面正向设计与反求工程计算机图形学与CAD技术扫曲面的NURBS表达确定要素：一般K=L=3;控制网格点、权因子，以及U、V节点矢量。•1）确定曲面上的u,v向线；•2）u向反算：参数化——节点矢量的确定；确定权因子。•3）v向反算，以第2步控制点为型值点曲面正向设计与反求工程计算机图形学与CAD技术本节主要内容22曲线生成及编辑方法曲面生成及编辑方法曲线曲面常用分析方法其他曲面造型方法–反求工程–细分曲面造型–基于物理的变形曲面造型–PDE曲面正向设计与反求工程计算机图形学与CAD技术1曲线连续性分析23曲面正向设计与反求工程计算机图形学与CAD技术2)曲面分析a)曲率方向变化分析b)断面曲率变化分析24曲面正向设计与反求工程计算机图形学与CAD技术c)斑马条纹分析：将条纹投影到曲面。使用斑马条纹来直观地决定在曲面之间存在什么类型的边界。相触斑马条纹在边界不匹配。相切斑马条纹在边界匹配，但在方向上有大变化。曲率连续斑马条纹继续平稳地穿越边界。25曲面正向设计与反求工程计算机图形学与CAD技术本节主要内容26曲线生成及编辑方法曲面生成及编辑方法曲线曲面常用分析方法其他曲面造型方法–触觉曲面造型–细分曲面造型–基于物理的变形曲面造型–反求工程–PDE曲面正向设计与反求工程计算机图形学与CAD技术1）触觉曲面造型27曲面正向设计与反求工程计算机图形学与CAD技术2）基于物理的变形曲面现有的CAD/CAM系统中的曲面造型方法建立在传统的CAGD纯数学理论的基础之上，借助控制顶点和控制曲线来定义曲面，具有调整曲面局部形状的功能，但这种灵活性也给形状设计带来许多不便。设计者在修改曲面时，往往要求面向形状的修改。通过间接的调整顶点、权因子和节点矢量进行形状修改既繁琐、耗时又不直观，难以既定性又定量地修改曲面的形状。基于物理模型的曲面造型方法为克服这些不足提供了一种手段。28曲面正向设计与反求工程计算机图形学与CAD技术29曲面正向设计与反求工程计算机图形学与CAD技术3）细分曲面造型传统的曲面和实体造型系统的设计以曲面和实体的表示方法为中心，产品的设计方式与软件系统内部的表示密切相关，严重约束设计创造性。飞机机身与机翼之间的复杂过渡曲面、船体的鼻首形曲面、飞机发动机的进气道以及各种复杂的裁剪曲面等；而这些具有多约束的复杂曲面构造，单靠矩形域的曲面定义方法难以精确表示，传统的做法是借助于CAD系统的曲面的裁剪、拼接等几何编辑功能来实现这些曲面的建模，但该方法存在精度与几何连续性低等问题基于任意拓扑结构的细分曲面是构造非规则域曲面的强有力工具，为这一问题的解决提供了新的方案30曲面正向设计与反求工程计算机图形学与CAD技术3）细分曲面造型（用于LOD,LevelofDetails)31曲面正向设计与反求工程计算机图形学与CAD技术在精致的轿车车身设计或人脸类雕塑曲面的动画制作中，常先用油泥制模，再作三维型值点采样。在医学图象可视化中，也常用CT切片来得到人体脏器表面的三维数据点。从曲面上的部分采样信息来恢复原始曲面的几何模型，称为曲面重建。采样工具为激光测距扫描器、医学成像仪、接触探测数字转换器、雷达或地震勘探仪器等。根据重建曲面的形式，它可分为函数型曲面重建和离散型曲面重建。4）曲面测量造型---反求工程关键32曲面正向设计与反求工程计算机图形学与CAD技术DatascanRegistration（点云）Meshreconstru.Surfacereconstru.Surfacebeautification33曲面正向设计与反求工程计算机图形学与CAD技术1.反求工程-ReverseEngineering反求在工程中的应用源远流长，而提出这种术语并作为一门学问去研究，出现于上世纪60年代日本在60年代初提出科技立国方针：一代引进、二代国产化、三代改进出口、四代占领国际市场34曲面正向设计与反求工程计算机图形学与CAD技术1.反求工程定义—广义定义广义定义：针对消化吸收先进技术的一系列分析方法和应用技术的组合。它是以先进产品设备的实物、软件（图纸、程序、技术文件等）或影像（图片、照片等）作为研究对象，应用现代设计理论方法、生产工程学、材料学和有关专业知识进行系统深入的分析和研究，探索其关键技术，进而开发出同类的先进产品。特点：设计反求（几何、材料）、工艺反求等35曲面正向设计与反求工程计算机图形学与CAD技术2.反求工程定义—狭义定义狭义定义：根据实物模型的坐标测量数据，构造实物的数字化模型（CAD模型），使得能利用CAD/CAM、RPM、PDM及CIMS等先进技术对其进行处理或管理。特征：几何形状的反求36曲面正向设计与反求工程计算机图形学与CAD技术2.反求工程与正向设计正向工程：是根据市场需求，提出目标和技术要求，进行功能设计，变为产品市场需求设计要求设计师的创造性活动产品反求工程：从已有产品有关信息，寻求这些信息的科学性、技术性、先进性、经济性、合理性、国产化的可能性等等，再回溯这些信息的科学依据，即充分消化与吸收，更重要的是在此基础上进行改进、挖潜和再创造已有产品消化、再创造市场竞争的新产品37曲面正向设计与反求工程计算机图形学与CAD技术3.反求工程作用逆向工程在工程应用中，为产品开发提供了很好的技术支持，成为创新开发的重要途径之一。在汽车设计中，特别是汽车外观造型改款设计，逆向工程发挥重要作用。反求工程主要包括以下作用：1）新零件设计，主要用于产品的改型、仿形设计及创新开发；2）已有零部件测量及复制，再现原产品的设计意图及重构三维数字化模型；3）受损零部件的还原，以便修复或重制；4）产品的检测与加工误差分析。38曲面正向设计与反求工程计算机图形学与CAD技术4.反求工程应用领域外形（空气动力学、美学等）要求较高的零部件的设计，先作黏土模型，再测量造型单件产品快速客户化定制生产，如头盔、假发套、服装等医学领域，如耳模、假肢制造、牙齿镶复十分复杂外形的物体，如动物、植物、玩具、艺术品，可用于动画制作地理信息领域，地形地貌数据测量重建计算机辅助形状检测39曲面正向设计与反求工程计算机图形学与CAD技术5.反求工程实施步骤外形数据获取Datasensing数据预处理Datapre-processing数据分块与曲面拟合DatasegmentationandsurfacereconstructionCAD模型生成CADmodelcreation油泥模型测量点云数据提取特征曲线曲面重构曲面模型40曲面正向设计与反求工程计算机图形学与CAD技术接触式测量–三坐标测量机（CMMCoordinateMeasuringMachine）–机械手非接触式测量–光学测量–声学测量–磁学测量断层扫描测量1）外形坐标数据测量41曲面正向设计与反求工程计算机图形学与CAD技术2）坐标测量中的问题传感器测量标定–透镜变形，非线性因素等的影响，存在系统传感误差不可测量性–阴影、障碍物，夹具–多个视点测量，再进行多视拼合测量噪声–被测物体表面特征的影响–光洁度、表面涂层对光线的反射率–头发测量，粗糙表面的典型实例42曲面正向设计与反求工程计算机图形学与CAD技术3）测量数据预处理测量数据拼合测量数据平滑测量数据简化测量数据修复43曲面正向设计与反求工程计算机图形学与CAD技术3)-1测量数据拼合复杂工件外形一次测量完成对完整工件的数字化往往很困难，需要多视甚至多传感器测量拼合测量数据融合可通过测量软件或反求工程软件对齐MinoltaVivid910Aeronozzle44曲面正向设计与反求工程计算机图形学与CAD技术3)-2测量数据平滑滤波最小二乘滤波：整体拟合与分段拟合平均值滤波：采样点值取滤波窗口内各数据点的平均值DA=(D1+D2+…..Dk)/k中值滤波：采样点的值取滤波窗口内各数据点的统计中值，消除数据毛刺的效果较好。典型的低通滤波器。在图像处理中，就是指把以某点(x,y)为中心的小窗口内的所有像素的灰度按从大到小的顺序排列，将中间值作为(x,y)处的灰度值(若窗口中有偶数个像素，则取两个中间值的平均)。高斯滤波：指定域内的权重为高斯分布，平均效果较小，在滤波的同时能较好的保持原数据的形貌45曲面正向设计与反求工程计算机图形学与CAD技术3)-3测量数据简化测量数据尤其激光扫描数据密集，整个复杂型面测量数据量可达到G量级，严重影响反求效率，甚至影响曲面质量按数据点间的距离指定数据点间的临界距离，两个测点间的距离小于临界距离，则删除其中的一个。按给定的法向精度根据删除一个点在曲面法向引起的误差大小作为测点删除的依据。测点到最小二乘拟合曲面的垂直距离作为删除该点引起的近似法向误差，若小于某一阈值，删除该点。曲率较小的地方分布较少点，曲率大或尖锐棱边保留较多的点。46曲面正向设计与反求工程计算机图形学与CAD技术3)-3测量数据简化测量数据尤其激光扫描数据密集，整个复杂型面测量数据量可达到G量级，严重影响反求效率，甚至影响曲面质量扫描线点云：最小距离、角度偏差、均匀采样、弦高差法网格点云（Edgeextraction,QMD等）47曲面正向设计与反求工程计算