0 引言
自由曲面形状复杂，其曲面重构一直是逆向工程研究的热点和难点之一。逆向工程上NURBS设计技术最常使用的作业模式是对点云数据应用控制多边形或者逼近的方法创建初始造型。一般采用工程技术中常规构面手段，如CATIA由线架构用逼近方法构面有多种办法，可采用的有：GSD模块中的放样曲面(Loft)、填充曲面(Fill)和扫描曲面(Sweep)；FSS模块中的填补曲面(Fill)、外形拟合(Fit to Geometry)、扫掠曲面(Styling Sweep)鱼和网格曲面。但对于医疗领域中人赝耳、鼻和假肢等人体器官和玩具行业中布绒填充类玩具等三维实体的逆向重构，经反复试验证明其效果没有针对性且精度上差强人意。本文以CATIA V5 R16为平台，针对以虾仁为代表的自由曲面的散乱点云数据，采用“控制点调面”法完成其曲面重构并提出这一方法的应用技巧。
1 虾仁曲面重构
按如图1所示流程对处理好的虾仁点云进行曲面重构，先进行线架构，然后采用“控制点调面”的方法构建虾段曲面，再通过虾段曲面间的调整构建虾仁全部外表面，在此过程中需要做截面线并进行曲面质量评价。这里重点探讨如何采用“控制点调面”法完成虾段曲面重构，以虾尾某段体节为例。
图1 曲面重构流程
1.1 虾段曲面重构
1.1.1 做截面线
首先完成此段虾尾特征曲线线架构，如图2所示。其次激活该段点云，利用截面线功能在此点云上打截面（切片），获取断面扫描交线（先以zx为基准面，再以xy为基准面），其过程如图3所示。注意参数设置：间距(step)=0.5mm。
图2 虾尾某段线架构
图3 截面线制作过程
1.1.2做并切割4点面
首先进入FSS模块点击四点面按钮，做N、V方向均为4阶1段的4点Nupbs平面。然后点击切割曲面按钮切割做好的四点面，同时注意：使用指南针方位工具栏以zx、xy两个方位切割，间距值(step)同样取0.5mm，如图4所示。
图4 做并切割4点面
1.1.3 构面
利用“控制点调面”法完成虾尾此段体节的曲面重构，暂时隐藏铺面和点云截面线。首先点击控制点编辑按钮打开控制点对话框，在其中Support选项区域中选中控制点沿法向移动按钮，激活上面做好的4点面，将Nv改为5，Nu改为3，按顺序拉动控制点拉杆从中部拉起4点面如图5所示。
图5 中部拉起4点面
然后将Nv改为3，Nu改为4，控制点对话框Support选项区域中选中沿控制网格线移动按钮，将增加的网格线移至上部调上凸起，再将Nu改为5，将增加的网格线移至下部调下凸起，如图6所示。进而再将Nu改为6调整其余若干小凸起如图7所示。
图6 调上下凸起
图7 调整小凸起
激活点云及截面线，继续微调，使四点面切割网格与点云截面网格线尽量吻合，构面结束。如图8所示。
图8 微调、构面结果
1.1.4 曲面质量评价
对所创建的曲面与铺面之间作距离分析如图9所示。可见二者距离最大值为0.632mm，最小值为0.3lmm，调面精度较高。
图9 距离分析
1.2 虾仁整体曲面重构
1.2.1 构建虾仁整体外表面
按上面方法完成虾仁各段体节曲面重构并做好虾脚，然后各段曲面间作连续性处理，结果如图10(a)所示。在GSD模块中点击对称按钮、修复按钮和连接按钮做镜像、填充两曲面间的微小间隙并连接各段曲面如图8(b)所示。
图10 虾仁整体外表面
1.2.2整体外表面质量评价
由于虾仁每段体节在构面时均做了距离分析且段与段之间做了连续性控制，因此省略虾仁整体外表面的连续性分析和其与铺面、点云之间的距离分析。由于下一步将进行虾仁实体建模进而完成虾仁模具凹模的设计，考虑开模后鱼糜与型腔表面不粘连以及虾仁外表面光滑、无缺陷、无明显拐角、锐利的凸出或凹进的局部等要求，特进行光顺性评价。采用Automotive Class A模块中的斑马线分析功能，将显示模式切换到材料显示模式下，点击斑马线分析命令，分析结果如图11所示。
图11斑马线分析
由分析结果可看到各虾段曲面间及对称后前后两部分之间斑马线黑色条纹是相连的，略微有微小的错位，连结处有平缓的过渡，没有尖锐的拐角。可认为达到G1连续，十分接近G2连续。
2 以虾仁为代表的曲面精准重构的应用技巧
对于虾仁这类物件的曲面重构建议采用“控制点调面法”，而在调面时要注意：
1)创建的4点面和点云在网格分割时网格线的方向和间距(Step)要一致，以便最后微调精准构面
2)将4点平面拉动逼近点云线架构网格时，要逐步调整U、V方向的阶数和网格线的位置，以便有规律的拉动控制点拉杆全面逼近点云。
3)调面时注意使用由低到高的阶次，应注意阶数不宜过高，最高不要超过8阶，否则会造成控制点数量过多不宜控制调整。
3 结束语
逆向工程是一门开拓性、综合性和实用性很强的技术，曲面重构是逆向工程实施过程中的重要环节。在实际应用当中，整个过程需要大量的人机交互工作，操作者的经验和素质直接影响着产品的质量，当前各种研究成果并不能很好地兼顾到其在具体工程实践中的应用特点。
本文以虾仁这种柔软的、尺寸较小的且均为自由曲面的散乱点数据曲面重构为例，提出了有针对性的曲面重构的策略和应用技巧，可以推广到其它仿真食品如模拟虾蛄、蟹钳和模拟干贝的成形零件的设计中去，对于具有同样特点的医疗技术中需整形患者的耳、鼻和面部等人体器官、组织和玩具行业中布绒填充类玩具等领域，同样适用于该项技术。另外在汽车设计领域，如车身的外覆盖件、车门等逆向造型过程中，有时也要借助“控制点调面”法做大面。笔者运用本文所总结的方法完成了人面部、烤鸭、布绒米老鼠玩具、车门等三维曲面重建，均获得较高的反求精度，因此本文所提出的重构方法有一定的应用价值。
(审核编辑: Doris)
