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古典家具多曲面逆向设计方法研究

放大字体  缩小字体 发布日期:2019-01-11  来源:网络  浏览次数:196
  摘要:为获取古典家具的全息尺寸数据,保存其完整的三维数据信息,分析了三维数据扫描、点云处理、曲面重构及参数化模型构建等逆向设计的关键技术与方法,总结了古典家具逆向设计的流程。以明式家具香几的逆向设计为例,采用Geomagic Studio软件对扫描得到的三维数据进行预处理和曲面重构,运用SolidWorks软件对其进行参数化设计,得到三维装配模型。该方法可为古典家具的全息数据保存及创新研发提供参考。
  关键词:古典家具 逆向设计 曲面重构 数据采集 CAD
  引言
  中国古典家具是智慧与传统文化高度发展的产物,其经典的样式、完美的结构、精良的工艺为现代家具的创新设计提供参考。然而,古典家具在长期的温度和湿度变化、光照及自然腐蚀下破损严重,引起国内外众多科研人员的广泛关注,并逐步加大保护力度。逆向工程是近年来古典家具数字化保护方面逐渐采用的一种技术。张荣强等采用逆向工程技术对古典家具中的鼓墩进行了扫描,得到鼓墩的完整三维数据,并结合人机舒适性对传统鼓墩进行了改进设计,该案例的实施不仅有利于鼓墩的三维数据存储,也为古典家具的改进与创新提供了参考。李响等从逆向工程的原理、特点及应用方法等角度分析了该技术在工业设计中的应用,并结合实例扫描过程,阐述了逆向工程技术操作过程中的注意事项。宫文峰等分析了顺向工程建模与逆向工程建模的不同,并通过实例验证了逆向工程建模技术的可行性,证明了该技术已成为新一代产品开发的重要技术手段。文献以儿童玩具的逆向建模为例进行了数据采集与模型重构,进一步验证了该方法有利于缩短产品开发的周期、提升产品的设计质量。袁晓东“通过对市场已有的普通办公座椅进行三维扫描,以座椅原型数据为基础,结合人机工程学理论以提升座椅的舒适性和安全性为目的,进行了座椅改进设计,设计出一款造型独特的办公座椅。张悦等采用SolidWorks软件,对实木家具的結构装配原则与路径进行了合理的规划,缩短了虚拟组件装配的所用时间。逆向工程技术的引进推动了古典家具领域的发展,不仅保存了古典家具精妙绝伦的做工,更完整、真实、准确地保存了其三维信息。基于目前市场上逆向工程技术的应用现状,文中对古典家具的逆向设计特点进行了梳理,归纳了逆向工程技术在古典家具中的应用流程,并给出了逆向设计实例,为古典家具的样品数字化保存、修复和新品研制提供参考。
  一、逆向工程及应用概述
  逆向工程最早于20世纪80年代在日本及美国兴起,被广泛应用在各个领域。逆向工程技术又称反求工程,是在已有实物模型的基础上进行三维扫描并重新构建模型的过程,随着该技术的发展与成熟,逆向工程技术被广泛应用在产品设计的开发与创新中,大大缩短了产品研发周期,提升了产品质量,提高了企业的市场竞争力。
  国内引进逆向工程技术相对较晚,但近年来,该技术也在各类产品的逆向创新设计中不断应用。逆向工程技术的应用领域不仅涉及到儿童玩具、电子产品及办公座椅等领域,在汽车制造的创新设计中应用更为成熟。此外,逆向工程技术也成为当今文物数据保护的重要手段,在古典家具数字化保护领域,逆向设计技术发挥了重要作用,是古典家具仿制与改进设计的重要手段,在家具新品开发阶段起重要的辅助作用,有效缩短了古典家具新品的设计周期,是提升古典家具创新力的有效方法。
  逆向工程技术的基本操作步骤可概括为:数据获取一数据处理一模型重构一模型改进一新产品,每一步操作都具有一定的关联性和顺序性,缺一不可。
  二、逆向设计方法
  (一)实物三维扫描。实物样本模型的三维扫描是逆向工程建模的首要步骤,分为模型贴点与模型扫描两部分。为获取模型的完整数据,需在模型表面喷涂显像剂,待显像剂干后即可在模型表面粘贴点,以便扫描使用。模型贴点的质量对模型数据获取的完整性影响较大,属于前期的关键步骤2_--。由于古典家具造型复杂、雕刻精细,对扫描的质量提出了较高的要求,获取足够精细的三维数据,对后期的数据修复与改进设计具有重要的意义。三维扫描目前主要有接触式测量和非接触式测量,两种方式的扫描特性及优劣如表1所示。
  扫描设备方面,目前采用较多的是3DSS扫描仪器。根据扫描速度和精度的不同要求,一般采用非接触式测量方法进行。图1是目前市场上应用较多的3款不同型号的三维模型扫描仪。
  (二)点云数据处理。经过扫描的文件可导入计算机中进行数据检验。受实物模型贴点定位、实物原型质量及扫描测量环境的影响,在进行计算机三维模型重构前需对扫描数据采用滤波算法进行去噪、平滑及对齐处理,为后期的模型重构奠定基础,这一点是建立高质量模型曲面的关键步骤。目前,使用较多的逆向工程点云数据处理软件是Geomagic Studio,该软件能有效处理噪点多、且不光滑的点云数据,具有简洁的操作界面,不仅工作效率高,兼容性电较强。Geomagic Studio软件操作界面如图2所示。
  在点云数据精简与平滑处理过程中,容易使曲率变化较大的地方丢失数据,造成尖角和棱线处特征不明显。因此,复杂的曲面数据处理可采用分块处理的方法,可使处理的效果更加精细。进行精致去噪之后,噪点减少,表面呈现光滑效果。该过程简单但较为重要,影响到后期的曲面重建质量。中国古典家具做工精湛,雕刻细节较多,花纹部分起伏较多,这部分不仅对前期扫描要求高,在点云数据的处理中更需要精细处理。如噪点没有详细处理,会导致后期由于坏点的影响造成重构模型偏离原模型。
  (三)曲面重构与参数化模型建立。在前期准备工作之后,即可采用三维建模软件Pro/E,UG或Rhino等进行模型重构。曲面的重构是在数据信息完整详细的情况下,根据点云数据进行的曲面光骨重构。曲面重构主要有两种方法:(1)根据点云形成多条曲线,由曲线进一步形成模型的基本形态;(2)在详细的点云数据下,根据4点原则直接形成模型的基本造型,是点云拟合的建模方法,两种方法可交叉使用,都是为了保证最终曲面的有效性和曲率的光滑。在构建好基础面的基础上,将面与面之间再构建过渡面,使相交两面的基础面之间的曲率光顺,该方法是NURBS曲面构建的核心,可有效保证模型曲面的高品质。
 
 
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