CN105225266A - 一种基于异形曲面进行现实与理论交互建模的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于现实中已有的异型曲面建立新的理论模型的方法，特别是可用于在大型的建筑异形曲面上建立新的三维模型。本发明通过对现实中的异形曲面进行扫描，获得其三维点云数据，然后通过对点云数据处理生成异形曲面的三角网模型，再在三角网模型的基础上重建一个新的NURBS光滑曲面，并且对NURBS光滑曲面进行偏移，并将理论模型在这一偏移的NURBES曲面上进行构建，最终生成一个可以加工并安装在已有异形曲面上的新的模型。

Description

一种基于异形曲面进行现实与理论交互建模的方法

技术领域

本发明涉及一种基于现实中已有的异形曲面建立新的理论模型的方法，特别是可用于在大型的建筑异形曲面上建立新的三维模型。

技术背景

在工程中，产品的表面造型基本上由以下两类组成：第一类是由平面、球面、圆柱面、圆锥面等初等解析曲面构成，因为其造型规则、易于加工，因此很多机械、建筑、工业等产品造型都是属于这一类；第二类则是不由初等解析曲面组成，而由复杂方式自由变化的曲线曲面即所谓异形曲面组成，其在汽车、飞机、船舶、异形建筑也经常出现。

因为异形曲面不能用画法几何或者机械制图方法表达，因此成为建模和加工的难题。以往异形曲面精确模型的制作和加工，在较小的机械部件或者工业产品中应用较多，在建筑领域虽然很多雕塑有较多的异形曲面，但因为其精度要求并不高，建模和加工实现的方法也较为容易。就建筑异形曲面来说，因为其造型往往较大，建造起来也比机械部件更加困难。

特别是在建筑异形曲面，往往需要在曲面上依照某种理论模型进一步施工建造，比如在建筑异形曲面上建造台阶、浇筑浮雕、安装装饰材料、贴合保温材料等，都需要基于异形曲面再次建模。这时候，在曲面上生产新的模型，既要与现实曲面无缝接合，同时又要符合台阶、浮雕等理论模型的造型要求，或者能与装饰、保温材料完全贴合。台阶、浮雕、装饰和保温材料，虽然可设计各自的理论模型，但是将其与现实中建筑异形曲面完全匹配，却十分困难。因此需要对现实中的异形曲面建模并且与相应的理论模型进行融合。而这种现实与理论交互建模的难度比异形曲面本身的建模与建造难度大得多。

目前获得现实中的曲面模型的方法可以采用逆向建模技术。逆向建模属于逆向工程的范畴。逆向工程(ReverseEngineering，RE)，通常也称为反求工程，它是将测量技术、数据处理技术、图形处理技术和加工技术相结合的一门结合性技术。它有别于工程人员从构思、建模、成型，从无到有的“正向设计”过程。逆向工程设计，是从已有的产品，反向推出产品的数字化模型，从而用于改造、生产、再加工等。但是单纯的逆向建模只能获得曲面的造型，对于曲面上要生产的新模型就则无法实现。

发明内容

为了解决上述现实异形曲面和理论模型融合的难题，本发明专利突破现有技术不足之处，实现一种逆向设计与正向设计交互建模的方法，将现实中的异形曲面和理论模型有机的整合起来。本发明采用的技术和过程如下：

一、三维激光扫描

本发明采用最新的三维激光扫描，获取异形曲面的空间点云数据，用于逆向建模。三维激光建模技术又称为实景复制技术，被认为是继GPS空间定位系统之后测绘技术领域的一项革命性突破，具有非接触性、快速性、高密度、高精度、数字化、自动化等特性。它能快速获取物体表面各点三维坐标，形成物体的点云模型。三维扫描步骤如下：

1、张贴靶标：在数据采集范围内，粘贴5个以上不共线不共面的三维激光扫描仪用的靶标，作为之后点云数据拼接的特征识别位置；

2、架设三维激光扫描仪：在能取得较好的扫描异形曲面的视角上架设三维激光扫描仪，并且调好水平，设置扫描起始点；

3、扫描：设置合适的扫描参数，包括扫描范围、扫描距离、扫描密度等，然后启动扫描，对异形曲面表面的三维信息进行采集。

4、多站扫描：如一次不能扫描获得异形曲面的完整数据，则移动三维激光扫描仪，重复2、3的步骤，直到完整的采集异形曲面的点云信息。

二、点云处理

获取异形曲面的三维点云数据之后，将其导入点云处理软件，作如下处理：

1、点云拼接：采集到的异形曲面的初始点云信息，都是基于自身扫描所在站点的相对坐标信息，因此需要将各站点的扫描数据统一在同一坐标系下，即通过对张贴靶标的中心点进行识别，将所有各站点云数据拼接在同一坐标系下。

2、去除杂点：将与异形曲面无关的点云去除，留下有用的数据，用于后续建模。

3、合并点云：将多站点云数据合并为一个点云整体。

4、优化点云：继续对合并的点云进行优化，包括光顺点云和对点云进行抽稀，使得点云数据质量更佳，同时数据量减少。

三、三角网建模

继续对前面的点云模型进行处理，数据模型从点云进入多边形模型：

1、生成三角网模型：这一步骤是将点云中各点相连，封装成为由三角面组成的模型，在逆向建模软件中可以一键实现。

2、编辑曲面边界：对曲面三角化模型的边界进行编辑，消除边界的锯齿、和不连贯，使边界趋于光滑、松弛，但要保持和实际边界一致。

3、优化三角网：修复三角网网格缺陷、填补网格漏洞，并在不影响曲面细节的情况下进行简化、松弛、光顺等操作。此时生成的模型已经可以用作建模的基准面，我们对三角网模型进行保存。

四、曲面重建和偏移

三角网模型真实的反应现实曲面的造型，同时也可以用于数控建工，但是因为其数据量较大结构复杂，不利于与理论参数化模型的交互建模。但是如果三角网曲面进一步变得光滑和规则，则无法反应现实曲面。为此，本专利的解决方法为三角网曲面生成一个光滑和规则的NURBS(Non-UniformRationalB-Splines，即非均匀有理B样条曲线)单一曲面，并且沿曲面法线方向偏移一定的距离，两个面之间可以封闭为体，接下来再在偏移曲面上建模就容易得多了。这里曲面重建和偏移过程如下：

1、生成NURBS曲面：将三角网模型输入具有从网格建立NURBS单一曲面功能的三维建模软件，生成与三角网模型有一致边界的NURBS单一曲面。

2、优化NURBS曲面：打开NURBS曲面控制点，调整控制点，对NURBS曲面进行编辑，使NURBS曲面更加光滑和规则，符合后续建模的要求。

3、偏移NURBS曲面：对调整后的NURBS曲面执行偏移命令，沿曲面法线进行偏移，偏移的距离可根据后续建模要求而定，但是至少保证两个曲面没有重合相交的部分。

五、建立理论模型

接下来，基于偏移NURBS曲面上进行交互建模，将需要在异形曲面上建立的理论模型，与偏移的NURBS曲面整合起来。最终的整个模型为：一面为与现实中的异形曲面对接的三角网模型，另一面位NURBS曲面及其在其上设计的理论模型。

六、生产建造

根据模型的生产要求进行加工建造。因为本发明所建模型为全数字化模型，可用数控加工、3D打印等精确的加工方式，进行高质量的建造。

本发明专利的有益效果是：

本发明专利用三维激光扫描技术获取异形曲面的点云模型，通过逆向建模真实准确的得到异形曲面的造型，解决了异形曲面无法用画法几何直接进行正向设计的难题；本发明在扫描生成三角网曲面模型的基础上重建偏移出一个NURBS单一曲面，因为三角网曲面模型较好的反应现实的异形曲面的细节特征，而NURBS单一曲面上能很好的用于理论模型的构建，从而将实现现实中的异形曲面与理论模型的对接；本发明采用全数字化建模，能够很好的对模型进行修改和调整，并且可以输出用于数控加工、3D打印等数字化生产方式，可以提高效率、减少返工、节约成本。

附图说明

图1为技术流程图；

图2为别墅三维效果图；

图3为别墅异形曲面现实建造图；

图4为别墅异形曲面点云图；

图5为别墅异形曲面三角网模型；

图6为重建曲面示意图；

图7为保温板最终模型。

具体实施方式

下面我们结合附图和具体实例对本发明作进一步的说明：

如图1所示，为建立建筑异形曲面的现实与理论交互模型的过程，主要分为六个步骤：即三维激光扫描、点云数据处理、三角网建模、曲面重建和偏移、建立理论模型以及生产建造。

下面结合一个具体的实例对其实施方式进行描述：

本实例为荷兰设计师为北京一高档别墅区设计的别墅，因为设计理念较为超前，别墅采用了大量的空间异形曲面结构，图2为别墅区其中的一栋别墅，图3为被建造出来的其中一个长7.5m、高3m的复杂异形曲面。曲面被建造出来之后，要在外面覆盖保温板材料，并且保温板材料外面需要生成2cm高的台阶，形成一个台阶面，用于贴2cm厚的装饰瓷砖。因为建造出来的异形曲面和最初设计模型差别较大，无法直接用最初的设计模型进行保温板模型的建模，而采用本专利所述方法能有效解决保温板的建模问题。实现过程如下：

1、粘贴靶标：在别墅异形曲面周围粘贴5个靶标，作为扫描后点云数据拼接之用；

2、架设三维扫描仪：在距离别墅异形曲面约4m处架设Z+Fimager5010C三维激光扫描仪。将三维激光扫描仪调为水平，并且让扫描起始点所对的方向与别墅异形曲面所在的墙面垂直，这样采集的数据便于后期建模。

3、扫描异形曲面：在Z+Fimager5010C三维激光扫描仪上启动扫描程序，扫描仪将自动完成扫描。

4、第二站扫描：移动Z+Fimager5010C三维激光扫描仪，选择另外一个视角，再次对别墅异形曲面进行扫描，获得曲面的完整数据。

5、点云拼接：将扫描获得的点云导入Z+Fimager5010C三维激光扫描仪的后处理软件Z+Flasercontrol中，先进行附色处理生成彩色点云，之后通过靶标位置进行坐标转换，完成点云拼接。

6、点云处理：将拼接后的点云文件逆向三维软件geomagic中，依次执行去除杂点、合并点云、光顺、取样等操作，最终获得满足后续建模要求的异形曲面点云，如图4所示。

7、生成三角网模型：在geomagic中，将异形曲面点云封装成为图5所示的三角网模型，接着对曲面边界进行编辑，调整出光滑的边界线，并进一步对三角网曲面模型进行简化、松弛、光顺等优化处理，使曲面在保持足够的细节的前提下，变得更适合于后续的建模和加工。

8、重建曲面：将别墅异形曲面的三角网模型导入三维建模软件Rhino，对三角网模型执行“嵌面”命令，生成一个新的曲面，这个曲面为单一的NURBS曲面。然后提取三角网模型的边界线，对NURBS曲面进行修剪，使其与三角网模型具有一致的边界，如图6所示。

9、偏移曲面：对NURBS曲面执行偏移命令。这里要求保温板的厚度为50cm，所以偏移距离为50cm。

10、制作保温板整体模型：保温板偏移曲面上面需要贴2cm的瓷砖，因此这里继续在偏移曲面上建立2cm高的台阶，形成一个台阶面，并最后封面为一个整体保温板模型，如如图7所示。

11、生产加工：将前面得到的保温板模型进行数控加工。因为模型较大，最终通过分段加工之后粘合在一起。最后，将保温板安装在图3所示的别墅异形曲面上，完成保温板制作安装的整个环节。

Claims (3)

1.一种基于异形曲面进行现实与理论交互建模的方法，其实现技术和过程为：采用三维激光扫描技术对现实中的异形曲面进行扫描，获得其三维点云模型，然后通过点云数据处理生成异形曲面的三角网模型，再在三角网模型的基础上重建一个新的NURBS光滑曲面，并且对NURBS光滑曲面进行偏移，并将理论模型在这一偏移的NURBES曲面上进行构建，最终生成一个可以加工并安装在已有异形曲面上的新的模型。

2.根据权利1所述的基于异形曲面进行现实与理论交互建模的方法，其特征为：模型与现实中的异形曲面的对接面是通过三维激光扫描获得的点云生成的三角网异形曲面，与现实中的异形曲面实现完全匹配。

3.根据权利1所述的基于异形曲面进行现实与理论交互建模的方法，其特征为：以三角网异形曲面为基础，重建一个具有一致边界的NURBS单一曲面，并将其偏移一定的距离之后，作为理论模型建模的基准面。