（机械设计及理论专业论文）基于逆向工程的鞋楦与帮样交互设计的研究.pdf

东北大学硕士学位论文摘要 基于逆向工程的鞋楦与帮样交互设计的研究 摘要 科学技术的发展给各行各业都带来了很大的改变，制鞋业，毫不例外也得到了相当 大的推动。将c a d 技术引入到鞋的设计制造中对提高整个制鞋行业的水平都具有重要 的意义。但由于目前国内的鞋业c a d 技术并不十分完善，本文在分析该领域的研究现 状和存在的问题的基础上，主要做了以下几个方面的工作： 由于鞋楦是制鞋工艺中皮鞋款式的基准，是制鞋的基础，因此本文首先建立了鞋楦 的c a d 模型。鞋楦是一个由复杂的不规则曲面所组成的自由型闭合曲面体，通常鞋楦 的设计分为“正向设计”和“逆向设计”两种方法，本文采用了“逆向设计”方法，即 通过表面测量获得鞋楦表面数据，然后进行基于测量点的模型重建，得到数字化的鞋楦 模型。鞋楦模型的精确建立，为后续的制鞋工作奠定了基础。 楦面展平，针对这个问题一直以来制鞋工作者们都在积极寻求更准确更快速的解决 方法。目前，国内外鞋样设计的植面展平方法有多种，都各有特点。本文提出的楦面展 平方法将楦面关键部位的特点与某种曲面展开算法结合起来，首先确定鞋楦曲面上的关 键部位点，然后据所确定的关键部位点进行网格划分，以网格为基础，采用曲面展开算 法一三角线法结合最佳展开基点理论展平楦面。在展平过程中，为了使展平结果更准 确，本文对多种网格划分情况以及展开基点的位置对展平结果的影响进行了误差分析， 从中优选出较佳的网格划分方式和较佳的展开基点位置，并将该展平结果与传统的楦面 展平方法一三角逼近作图法得到的展平结果进行了形状上的比较，最终得到了较为理 想的楦面展平图。 在鞋帮样的设计过程中，如何能让设计师在二维与三维之间进行随心所欲的交互设 计，一直是计算机辅助鞋样设计研究并期望得到更好解决的问题，本文对此进行了比较 深入的研究。为了在计算机上实现二维、三维之闻双向设计的思想，本文在二维展开平 面与三维楦面之间建立了一种映射关系，应用变换理论以及n u r b s 曲面的u ，v 两个 方向的参数实现了二者间点对点的精确对应，并根据该对应关系完成了鞋的二维帮样板 与三维楦面之间帮样线条的交互创建和修改功能，从而为鞋的帮样款式设计带来了很大 方便，并应用帮样线条交互创建和修改功能给出了整鞋设计的样例。 关键词：计算机辅助设计；逆向工程；鞋楦建模；楦面展平；二、三维交互设计 i i ， 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e s e a r c ho ni n t e r a c t i v ed e s i g no fs h o el a s t a n d u p p e r b a s e do nr e v e r s e e n g i n e e r i n g a b s t r a c t t h et e c h n i c a ld e v e l o p m e n to fs c i e n c ea l lb r i n g sm a n yc h a n g e sf o re v e r yt r a d e s h o e i n d u s t r yn e c e s s a r i l ya l s oi ss u b j e c t e dt ot h es e r i o u si m p a c t l e a d i n gt h et e c h n i q u eo f c a di n t o d e s i g na n dm a n u f a c t u r eo fs h o ei n d u s t r yh a st h ei m p o r t a n tm e a n i n gf o rr a i s i n gt h el e v e l so f t h ew h o l es h o ei n d u s t r y a tp r e s e n t ，c a dt e c h n i q u eo fs h o ei n d u s t r yi sn o tp e r f e c t ，o nt h eb a s i s o ft h ea n a l y s i so fi t ss t a t u sq u oa n dt h ep r o b l e m sr e m a i n e d , t h ew o r kh a sb e e nd o n ei nt h e p a p e ri sa sf o l l o w s ： b e c a u s es h o el a s ti st h eb a s i so f s h o es t y l ei nm a k i n gt h es h o ec r a f t a l s oi sb e n c h m a r ko f s h o es t y l ei nt h es h o e m a k i n gt e c h n o l o g y , s os h o el a s tm o d e li sr e c o n s t r u c t e df n s f l yi nt h i s p a p e r t h eg e o m e t r i cm o d e lo f s h o el a s ti sat y p i c a l l yc o m p o s e do ff l e ef o r ms u r f a c e sr a t h e r t h a nb a s i cg e o m e t r i cs h a p e s ，t h ed e s i g no ft h es h o el a s ti su s u a l l yd i v i d e di n t ot w om e t h o d s w h i c ha r e ”p o s i t i v ed e s i g n ”a n d ”r c v e i s ed e s i g n ”t h i sp a p e ra d o p t st h em e t h o do f r e v e r s e d e s i g n ”，i e a c q u i r e st h es h o el a s t s u r f a c ed a t at h r o u g ht h es u r f a c em e a s u r e m e n ts y s t e m ， t h e nr e c o n s t r u c t sm o d e la c c o r d i n gt ot h ep o i n t sd a t a , g e t st h es h o el a s td i g i t a lm o d e la t l a s t t h ea c c u r a t ee s t a b l i s h m e n to f t h es h o el a s tm o d e li st h ef u n c t i o nf o rs h o e m a k i n gl a t e r s h o el a s tf l a t t e n i n gh a sb e e nah o t s p o ti nt h ea r e ao fs h o e m a k i n g a tp r e s e n t ，t h e r ea r e m a n ys h o el a s tf l a t t e n i n gm e t h o d sf o rs h o ep a t t e r nd e s i g n , a l le a c hh a v et h ec h a r a c t e r i s t i c s i n t h i s p a p e r , t h en e ws h o el a s tf l a t t e n i n g m e t h o di s p u tf o r w a r dw h i c hc o m b i n e dt h e c h a r a c t e r i s t i c sp o i n t so ft h es h o el a s t 谢t l ls o m es u r f a c ef l a t t e n i n ga r i t h m e t i c t h es h o el a s ti s f l a t t e n e db yt h es u r f a c ef l a t t e n i n ga r i t h m e t i cw h i c hn a m e l yt r i a n g l em e t h o dc o m b i n e st h e t h e o r yw h i c hi sb e s tf l a t t e n i n gb a s ep o i n tt o g e t h e r i nt h ep r o c e s so ff l a t t e n i n g ，t h ee r r o r a n a l y s i si sd o n ef o rp a r a m e t e r i z i n gm e s h e sa n dc h a n g i n gf l a t t e n i n gb a s ep o i n t ，t h e nt h eb e s t m e s ha n df l a t t e n i n gb a s ep o na r es e l e c t e d t h ec o n t r a s ti si m p l e m e n t e db e t w e e nt h ef l t t e n i n g r e s u l tb yt h em e t h o dw h i c hi si n 订o d u c c di nt h i sp a p e ra n dt h eg r a p h i c sw h i c hi sd o n eb yt h e t r a d i t i o n a ls h o el a s tf l a t t e n i n gm e t h o dw h i c hn a m e l yt r i g o n a lc o n s t r u c tm e t h o d , t h e r e b yg e t s t h em o r er e a s o n a b l er e s u l to f s h o el a s ts u r f a c ef l a t t e n i n g i nt h es h o ep a r e md e s i g np r o c e s s ，t h ep r o b l e mw h i c hh o wt or e a l i z ei n t e r a c t i v ed e s i g n f r e e l yb e t w e e n2 da n d3 d i sa l w a y se x p e c t e dt or e s o l v eb e t t e ri nc o m p u t e ra i d e ds h o ep a t t e r n r e s e a r c h s oi ti ss t u d i e dd e e p l yi n t h i sp a p e r t or e a l i z et h ei n t e r a c t i v ed e s i g nt h o u g h t i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t b e t w e e n2 da n d3 db yc o m p u t e r , am a p p i n ga r i t h m e t i ci sp u tf o r w a r db e t w e e n2 dp l a n ea n d 3 ds u r f a c ei nt h i sp a p er i tr e a l i z e st h ea c c u r a t em a p p i n go fp o i n tt op o i n tb e t w e e nt h e mb y t r a n s f o r mt h e o r ya n dt h ep a r a m e t e r sw h i c hi n c l u d eua n dvo l lt h es u r f a c e t h ef u n c t i o nw h i c h i n c l u d e sp a t t e r ns t y l ei sd r a w na n de d i t e db e t w e e n2 dp l a n ea n d3 ds u r f a c ei sf i n i s h e db yt h e c o r r e s p o n d i n gr e l a t i o n ，t h u si tb r i n g sc o n v e n i e n e yf o rs h o ep a t t e md e s i g n i nt h i sp a p e r , t h e e x a m p l eo na w h o l es h o ep a t t e r nd e s i g ni sd o n ea tl a s t k e yw o r d s ：c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ；r e v e r s ee n g i n e e r i n g ；s h o el a s tm o d e l i n g ；l a s ts u r f a c e f l a t t e n i n g ；i n t e r a c t i v ed e s i g nb e t w e e n2 da n d3 d 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：王绅 日期： 2 口口f 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东j 匕大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 【本章摘要】本章首先阐述了制鞋c a d 的必要性和重要性以及本课题研究的意义；然 后对与本课题相关的一些技术进行了简要的介绍；最后在分析了制鞋业目前存在的问题 的基础上给出了本课题的研究内容。 1 1 制鞋业引入c a d 技术的必要性和重要性 鞋业市场在我国是一个非常巨大而且稳定的市场，全世界很大一部分鞋都来自中国， 然而中国的制鞋业正面临着挑战，由传统的作坊式生产所引起的鞋产品生产周期长，生 产效率低，质量、尺寸不稳定等缺陷已经在激烈的市场竞争中越来越突出地呈现出来。 因此必须对现行的制鞋工艺进行全面的自动化改造。将c a d 技术引入到鞋的设计制造中 是改造传统的制鞋业使其向信息化方向发展的关键，也是未来发展的方向。目前，国外 的鞋业c a d 技术发展的已经比较完善，从鞋楦设计到成鞋款式形成所有流程都可在计算 机里完成，与国外相比，我国在鞋业c a d 领域发展相对滞后，对于应用计算机相关技术 来完成制鞋全部过程所遇到的一些关键问题，如鞋楦测量、鞋楦建模、鞋楦扩缩、鞋楦 加工、楦面展平、帮样设计等问题还有待于进行深入的讨论与研究。为了扭转我国鞋类 产品在高档鞋市场上所处的竞争劣势地位，提高我国鞋类产品在国际市场上的竞争力， 对于制鞋业采用c a d 技术是十分必要的，具有重要的理论意义和实用价值。 1 2 本课题研究的意义 制鞋业是我国国民经济中的一个重要产业，经过多年的发展，已经有了相当的基础。 但是技术的欠缺正越来越成为其发展的桎梏。现在，制鞋业正处于从劳动密集型向技术 密集型转化的一个关键时期，世界各国的制鞋业都在努力进行研究，希望通过利用计算 机技术、自动化技术等现代高新技术来促进制鞋工业的生产效率，更好地满足人们的需 求。中国在这方面的研究相对滞后，与国外先进水平还有相当的差距。所以本课题的研 究意义重大。 鉴于鞋业c a d 中亟待解决的几大关键问题，本课题的研究主要基于以下几方面的原 因： 其一，众所周知，鞋的成形必须依靠人脚的模型鞋楦。鞋楦是制鞋工艺中皮 鞋款式的基准，是制鞋的基础。皮鞋款式的变化直接依赖于鞋楦的造型设计，并且鞋楦 的质量直接影响鞋的质量。鞋植的设计分为“正向设计”和“逆向设计”两种方法f l l ， 所谓“正向设计”就是对鞋檀进行从无到有的设计。这种设计方法一般分为三个阶段： 第一阶段是楦体造型的构思阶段，对楦体造型的整体构恩、设想及对各部位造型尺寸的 确定：第二阶段是楦体造型设计阶段，根据对楦体造型的形象构思、设想和已基本确定 1 东北大学硕士学位论文第一章绪论 的造型尺寸，进行楦底样设计和造型图纸设计；第三阶段是楦体造型的完成阶段，根据 设计出来的楦底样，造型图纸及造型尺寸利用手工刻制或计算机辅助手段完成楦型设 计。如果样楦与设想相距甚远又需要重新设计，直到样楦满意为止。与“正向设计”相 比，“逆向设计”具有突出的优势，它是通过表面测量获得鞋楦表面数据，然后基于测 量点的模型重建，得到数字化的鞋楦模型，以此鞋楦模型为基础，用户可对该鞋楦模型 进行修改，如扩缩、拼接处理，设计者可获得想要的鞋楦模型，从而能够进行整鞋设计， 这样不但可以方便交流而且可大大解决传统制楦过程中制作时间长、质量不稳定、精度 低等缺点。同时，鞋楦是鞋帮样设计的依据，迄今为止，人们所见到的鞋帮样设计，还 没有不依靠鞋楦的具体造型而凭空想象来设计的。设计人员在设计鞋帮样时，无论是使 用平面设计方法、立体设计方法，还是计算机辅助设计方法，都必须依据鞋楦的具体造 型进行设计。因此，鞋楦模型的精确建立，也为后来的鞋帮样设计奠定了基础。 其二，所谓楦面展平【2 1 ，指的是多向弯曲的楦表面，在外力的作用下，通过空间角 的变化被展成一个形状相似、大小相近的展平面的过程。目前，国内外鞋样设计的楦面 展平方法有多种，归纳起来不外乎贴楦法和作图法两大类。对于贴楦法，长期以来，人 们主要凭经验，采用诸如比楦取样法、画样糊纸法等进行鞋帮样的展平设计取样的好 坏、曲跷处理是否得当，依赖于设计师本人的经验，依赖于设计师本人所采用的取样方 法，一般地，要经过数次“伏楦”试验才能得到满意的样板。如今有经验的高水平设计 师越来越少了。采用这种传统经验方法设计缺乏帮样设计专业基础理论，因此在技术交 流和质量管理、技艺传授问题上，存在一定困难。有些独到的设计经验，因无文字记载 和无人继承而濒于失传。对于作图法，虽然有充足的理论基础，但它却需要手工测试楦 面的许多特征参数，然后经过手工绘制才能得到檀面展平图。这两种传统的方法普遍存 在着误差较大，费工费时，式样变化慢的缺点。如果采用计算机辅助技术进行楦面展平 则可克服由传统展平方法所带来的弊端，它结合某种曲面展开的方法，充分发挥计算机 运算速度快，运算结果精确等特点，使鞋楦曲面在计算机里自动展平，自动进行衄跷处 理，自动给出令人满意的二维样板。 其三，传统的样品鞋设计，是设计师用铅笔在楦头上勾画帮样线，然后用“贴檀法” 将帮样线描画在透明硫酸纸上，经拆线、展平、曲跷处理、修剪调整等最后产生二维鞋 帮样板。这就势必要存在这样的问题【3 】：在帮样线的修改调整时，对二维样板的修改、 修剪，三维鞋楦上的帮样线( 立体帮样线) 不随之变动。反之，改动楦面上的帮样线， 二维样板也不随之变化。这就给设计师在鞋的设计过程中造成了很大的困难，二维与三 维设计间的脱节，使得设计师们无法随心所欲地去修改帮样线的不满意之处，从而制约 了他们设计的热情与丰富的想象力。针对这个问题，如果在计算机上采用二维、三维双 向设计的思想来进行鞋帮样设计，则问题可迎刃而解：通过建立二维样板与三维楦面之 间的转换关系，使得在二维样板上作修改，楦面上的帮样线随之变动，反过来，改动楦 面上的帮样线，二维样板也随之变化。通过引入c a d 技术可以尽可能地模拟传统的制 2 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 鞋设计流程。用计算机的鼠标模拟设计师手中的铅笔，用计算机屏幕上的楦图像取代了 设计师手中的实物楦，由此让设计师在使用计算机系统时感觉上和使用传统方法没有两 样。这一过程改变了传统方法中以实物( 鞋楦、样鞋) 作为传递信息主体的方式，以存储 于计算机中的数据( 楦面方程、鞋帮控制数据等) 作为传递信息的主体，所以必然具有准 确、直琨、表达统一、修改调整快的特点。从而提高样品鞋设计的效率，在生产实际中 有着重要的实用意义。 1 3 与本课题相关技术的研究现状 1 3 1 国内外制鞋c a d 技术研究现状4 】【5 1 广义来看，皮鞋设计应包括造型设计、鞋楦及底部件设计、结构( 即帮样) 设计、 工艺设计四大部分，通常意义上的皮鞋设计，往往以帮样设计为中心，并包含有其他方 面的内容。从皮鞋设计的程序看，造型设计在前，其次是鞋檀设计，第三是结构( 帮样) 设计，最后是工艺设计。对于皮鞋设计，无论是鞋楦设计，还是结构( 帮样) 设计，绝大 部分都还是以传统的经验设计方法为主，应用计算机辅助设计制鞋技术还有待于进一步 的开发。 目前，国外和国内的制鞋水平差距很大，尤其体现在制鞋c a d 方面，在国外，已经 有相当成熟的制鞋c a d 软件应用于各大制鞋企业。许多厂商都对把c a d 技术引入制鞋工 业非常重视，随着计算机性能的提高和软件技术的发展，将计算机用于皮鞋设计、加工 及生产管理技术皆已逐渐成熟和实用。将这些高新技术用于制鞋业即组成所谓的“集成 制鞋系统”，如近年由法国克雷奥公司推出的“定做皮鞋系统”，从在商店里进行脚型测 量丌始到工厂定做出一双皮鞋只需一天的时间，可以认为这种集成制鞋系统集中地代表 了目前国内外制鞋工业的水平和发展方向。 以美国、意大利、法国、英国、德国等为代表的世界制鞋发达因家在鞋楦c a d c a m 方面做了许多研究，都以微机工作站或小型机为系统主机，硬件投资规模大，设备先进， 主要在鞋檀测量、帮样扩缩、色彩、帮样加工自动化控制和数控刻楦等方面发挥优势。 如：加拿大c i m t e c h 公司推出的d e s o o m 系统、美国的g e r b e r c a m s c a 公司s h o e m a s t e r 系统、 英国的c r i s p i n 系统、原西德大陆公司的下样机、意大利的p r e s t i g e 扩缩样c a d c a m 系统及英国b u 公司的s p r i n g 鞋帮c a d 系统等。自1 9 7 6 年欧美第一台制鞋c a d 系统问世 以来，到1 9 8 1 年发展到三家鞋厂采用，而到1 9 8 6 年竟达五十多家采用c a d 系统，其普及 率达4 0 ，到2 0 0 0 年其应用更为普遍。 在国内，有很多高校及科研单位都在研究c a d 在制鞋业中的应用。但这些研究局限 于理论方面的居多，具有实用化价值的系统较少。 8 6 年上海大学与福州皮革工业研究所研制的“p f s 1 ”微机辅助优化设计系统，主 要有帮样扩缩、楦体展平等功能。 一气 东北大学硕士学位论文第一章绪论 四川大学光电系研制的“l i m a ，1 0 0 鞋楦三维面形自动测量系统”应用光电技术，以 激光作为基准进行鞋楦三维测量，可获得高精度植体三维数据。但仅解决了鞋楦的数据 测量问题，还不是一个c a d 系统。 成都科技大学研制的“鞋样c a d 系统”用手工测量的方法获取鞋楦特征部分的三维 数据，用双三次b 样条曲面拟合逼近算法构造鞋楦表面，然后进行展平，曲跷处理。但 构造的曲面与实际楦面的误差较大，而且不能对鞋楦进行缩放和修改。 国家轻工部于8 7 年下达给重庆皮革工业科研所与重庆大学光机所“皮鞋鞋帮c a d 系 统”研究丌发项目，拟开发出性能好，实用性强，易于推广的现代化皮鞋设计技术装备。 该项目于1 9 9 0 年圆满完成，并通过部级鉴定。研制成功的s c a d 一1 0 0 系统因具备以个人 微机为系统主机，并在鞋帮三维曲面展平处理准确率高，采用无接触方式对鞋楦高速准 确测试，性能价格比高及使用维护方便等优势而达到国内领先水平，并受到国内广大鞋 厂的欢迎。但从皮鞋系统设计要求上看，尚需进一步研制皮鞋帮样c a d 系统及其配套设 备，包括提高c a d 的性能、配置鞋帮下料c a m 系统、加工鞋楦的数控刻楦机等c a m 系 统以实现鞋帮鞋檀从设计到加工的计算机处理，即鞋帮鞋檀c a d c a m ，以满足国内众 多制鞋厂的需求，加速缩小与国外鞋帮鞋楦c a d c a m 先进水平的差距，故在前期技术 丌发基础上于八五和九五襄间继续安排攻关，迸一步开发一般鞋厂易于接受、性能好、 实用性强、造价低和易推广使用的鞋楦c a d c a m 系统。以普遍提高国内制鞋企业技术 水平，产生良好的社会经济效益。 据所查的资料，鞋的二、三维交互设计在国外的一些制鞋软件系统中已能实现，但 在国内的制鞋软件系统资料的检索中针对这一阅题的研究还未曾发现相应的解决办法。 l 3 2 逆向工程【6 川 “逆向工程”( r e v e r s ee n g i n e e r i n g ，r e ) ，也称反求工程、反向工程等。逆向工程起 源于精密测量和质量检验，它是设计下游向设计上游反馈信息的回路。目前，大多数有 关“逆向工程”技术的研究和应用都集中在几何形状，即重建产品实物的c a d 模型和 最终产品的制造方面，称为“实物逆向工程”。这是因为一方面，作为研究对象，产品 实物是面向消费市场最广、最多的一类设计成果，也是最容易获得的研究对象；另一方 面，在产品开发和制造过程中，虽已广泛使用了计算机几何造型技术，但是仍有许多产 品，由于种种原因，最初并不是由计算机辅助设计( c o m p u l e r a i d e d d e s i g n ，c a d ) 模 型描述的，设计和制造者面对的是实物样件。为了适应先进制造技术的发展，需要通过 一定途径将实物样件转化为c a d 模型，以期利用计算机辅助制造( c o m p u t e ra i d e d m a n u f a c t u r e ，c a m ) 、快速原型制造和快速模具( r a p i dp r o t o t y p i n gm a n u f a c t u r e r a p i d t o o l i n g ，r p m r t ) 、产品数据管理( p r o d u c td a t am a n a g e m e n t ，p d m ) 及计算机集成制 造系统( c o m p u t e ri n t e g r a t em a n u f a c t u r es y s t e m ，c i m s ) 等先进技术对其进行处理或管 理。在这一意义下，“实物逆向工程”( 简称逆向工程) 一般可分为三步：模型数据化、 4 东北大学硕士学位论文第一章绪论 数据处理以及模型重建。 1 3 2 1 模型数字化 为将一实物模型映射为三维几何模型，首先需检测实物表面的三维坐标点。目前， 曲面检测中最常用的是坐标测量仪c m m ( c o o r d i n a t em e a s u r i n gm a c h i n e ) ，其具有较高 的精度，通用性强，但数据采集慢，检测效率较低。其它检测方式还有电磁感应法，激 光扫描法，三角形法，结构光法以及基于x 射线或y 射线c t 扫描法，核磁共振m r i 超声层析成像等。其中激光扫描法应用得较多，主要产品有英国3 ds c a n n e r 公司生 产的r e v e r s a 激光测量系统，德国g o m 公司的a t o s 光学扫描测量系统等。 1 3 2 2 数据处理 目前，非接触式测量方法在工业界得到越来越广泛的应用，这种测量方法测得的数 据非常庞大，并常常带有许多的杂点、噪声点，影响后续的曲面、曲线重构过程。因此， 需在曲面重构前，对点云进行一些必要的处理，以获得满意的数据，为曲面重构过程做 好准备，即点云预处理。点云预处理主要包括多视点云的拼合、点云过滤、数据精简和 点云分蛱等，其工作流程如图1 1 所示。 图1 1 点云预处理工作流程 f i g 1 1f l o wc h a r to f p r e - p r o c e s sf o rp o i mc l o u d 1 3 2 3 曲面建模 在逆向工程中，三维c a d 模型的重构是利用产品表面的散乱点数据，通过插值或 者拟合，构建一个近似模型来逼近产品原型。根据曲面拓扑形式的不同，目前逆向工程 研究中，自由曲面建模手段分为两大类：第一种是以三角b e z i e r 曲面为基础的曲面构造 方法；第二种是以n u r b s ( 非均匀有理b 样条) 曲线、曲面为基础的矩形域参数曲面 拟合方法。这两种曲面重构方案，各有利弊。三角域b e z i e r 曲面拟合具有构造灵活、适 应性好等优点，因而在散乱数据点的曲面拟合中被广泛应用。这种方法最适合表现无规 则、复杂型面的物体，特别是人脸这类对象。但这种方法所构造的曲面模型不符合产品 描述标准，与通用c a d c a m 系统数据交换困难，因此利用这种方法生成的曲面还必须 s 东北大学硕士学位论文第一章绪论 转换为n u r b s 曲面。但是，在转换过程中，不可避免地会丢失一些信息，产生一定的 误差；同时，这种方法还存在着对曲面修改能力不足、可控性差等缺点，这些都限制了 它在实际中的应用。矩形域参数曲面拟合方法一直是曲面拟合方面研究的重点，应用对 象主要是由复杂曲面组成的产品。矩形域参数曲面拟合方法是目前研究和应用得最多的 一类曲面重构方法，常采用c o o n s 曲面、b e z i e r 曲面、b 样条曲面和n u r b s 曲面，许 多研究成果已成为成熟技术，在c a d c 舢讧系统中广泛应用。矩形域参数曲面拟台方法 的曲面重构主要有两种方法：一是先将测量点拟合成曲线，再通过曲面造型的方式将曲 线构建曲面( 曲面片) ；二是直接对测量数据拟合，生成曲面( 曲面片) ，最终经过曲面 片的过渡、拼接和裁剪等曲面编辑操作，完成睦面模型的构建。 1 3 2 4i m a g e w a r e 软件介绍 本课题的鞋楦的逆向建模部分采用的是s d r c 公司的l m a g e w a r e 软件，因此下面对该 软件作简要介绍。 l m a g e w a r e 是著名的逆向工程软件，它的主要产品有( 1 ) s u r f a c e r ：逆向工程工具和 c l a s s1 曲面生成工具。( 2 ) v e r d i c t ：对测量数据和c a d 数据进行对比评估。( 3 ) b u i l di t ：提 供实时测量能力，验证产品的制造性。( 4 ) r p m ：生成快速成型数据。( 5 ) v i e w ：功能与 v e r d i c t 相似，主要用于提供三维报告。 其q b s u r f a c e r 是i m a g e w a r e 的主要产品，主要用来做逆向工程，它处理数据的流程遵 循点一曲线一曲面原则，流程简单清晰，软件易于使用。并且s u r f a c e r 在点的处理、曲 线处理和曲面的处理过程中，提供了各种诊断方法来保证精度。 在点的处理过程中，有以下几个功能模块：( 1 ) 读入点阵的过程；( 2 ) 将分散的点云 对齐；( 3 ) 对点云进行判断并去除噪声点；( 4 ) 可视化点云；( 5 ) 点云检查与光顺。 曲线的创建过程中，有以下几个功能模块：( 1 ) 判断和决定生成哪种类型的曲线；( 2 ) 创建曲线；( 3 ) 诊断和修改曲线。 曲面的创建过程中，有以下几个功能模块：( 1 ) 决定生成哪种曲面：( 2 ) 灵活的曲面 创建工具；( 3 ) 实时的曲面诊断工具；( 4 ) 动态的曲面修改工具；( 5 ) 曲面连续性管理；( 6 ) 强大的处理扫描数据的能力。 由以上可以看出，在整个逆向工程( 包括高质量曲面) 过程中，无论在点的处理、 线的处理、面的处理过程中，s u r f a c e r 都提供了多种工具及方法，使用户有很大的空间， 可尽情发挥自己的想象力，利用s u r f a c e r - 来快速达到设计目标。 1 3 3 曲面展开及二、三维映射研究现状 曲面包括可展曲面和不可展曲面，一直以来，由于钣金、制鞋、服装、飞机、汽车、 船舶等行业都涉及到复杂的曲面，随着计算机的飞速发展与应用，曲面展开及二、三维 映射技术越来越成为计算机辅助设计领域研究的热点。在鞋的设计过程中，必然要经历 楦面展平这一步骤，楦面是一个十分复杂的不可展曲面，如何通过采用计算机技术将其 6 东北大学硕士学位论文第一章绪论 展平国内外的研究者都进行过一些较深入地研究。文献8 1 3 阐述了采用三角逼近法进 行楦面展平的方法，由于传统制鞋一般都采用这种方法，所以方法成熟，三角形的划分 在部位点、标志点和边沿点之间进行，可以确保关键部位在展开后没有太大的误差。但 须确定部位点、标志点和边沿点，所以需要进行数据计算。文献 1 4 1 采用的是网式展平 法。因关键点都定在了网格的结点部位，因此同三角逼近法具有相同的优点。缺点除有 三角形逼近法的缺点外，网格不能划分太密，否则展平过于繁琐，方法不太成熟，展平 结果须经过必要的后置处理。文献 1 5 】f h p h i l l i p a z a r i a d i s 和n i k o s a s p r a g a t h o s 提出的双曲 度曲面展开方法中将展开过程分成了三个阶段，前两个阶段是曲面的初始展开阶段，第 三个阶段是将初始展开平面修正阶段，即消除展开平面中的重叠和裂缝。该方法以楦曲 面展平为例，直接将整个楦面展平，没有将里外怀分开展平，不能控制重要尺寸的局部 精度。文献【1 6 中，p n a z a r i a d i s 和n a a s p r a g a t h o s 提出了两种三维曲面展开的方法，第 一种方法是考虑曲面上等参曲线的测地线曲率在内的不带约束全局优化问题的展开方 法；第二种方法是基于服从于控制某个局部精度约束的全局优化问题展开方法。相对于 以前的曲面展开方法，由于势能函数和所提出的约束仅仅基于目标曲面的三角化，所以 第二种曲面展开方法不依赖于曲面参数化，而且局部精度可控。文献【1 7 】提出的方法同 文献中的方法二。 对于二、三维映射的研究，通过国内外相关资料的查阅，也有了一些了解。文献 1 8 。1 9 】 讲述的都是基于曲面三角形中的点与平面三角形中的点面积坐标相等来建立映射关系。 文献【2 0 】针对参数样条曲面与其参数平面上点的一一对应关系，用参数平面将变形或近 似展开前后的曲面联系起来，通过由坐标反解参数和由参数正解坐标，建立起其上点的 对应关系，但这种方法必须要保证变形前的曲面和变形后的曲面的参数域一致。文献 2 l - 2 2 】提出了一种纹理映射方法。该方法在任意曲面和它的平面展开之间定义映射，并 用映射特征值来评价映射精度，能有效地减少任意曲面纹理映射中的映射变形误差。文 献 2 3 - 2 4 是基于弹性质点变形模型来建立二、三维映射算法，该方法相对于其他方法较 复杂。文献【2 5 】是在b c t a 样条曲面与平面之间寻找近似的等距映射关系，就是选用柱面 法或锥面法来获得其近似展开形状，但这只是针对b e t a 样条蓝面来进行，对于其他的参 数曲面未必适用。 1 4 本课题研究内容、特色及创新之处 1 4 1 课题研究内容 本课题的研究目标是实现基于逆向工程的鞋楦建模与鞋帮样的二、三维交互设计。 本课题的研究内容包括鞋楦逆向工程设计建模；帮样展开样板设计；鞋楦曲面与展 开样板的二、三维转换。其研究的技术路线如图1 2 所示。 7 东北大学硕士学位论文第一章绪论 图1 2 课题研究的技术路线 f i g 1 2 f l o w c h a r t o f t e c h n i q u es t u d y i n g p r o c e s s 1 4 2 特色及创新之处 本课题的创新之处主要在于鞋帮样的二、三维交互设计的研究。虽然在国外的一些 制鞋软件当中已经实现了鞋帮样的二、三维双向设计，但其核心技术并没有公开，而在 国内的制鞋软件中能够实现这一功能的还未发现。而且对这一方面问题的解决其意义并 不仅仅局限在鞋的设计方面，它还具有普遍的意义。这种方法对于服装、飞机、船舶等 方面都会有一定的实际意义。 本课题在如下方面具有自己的特色： ( 1 ) 在基于逆向工程的鞋楦曲面建模过程中，总结并积累一系列切实可行的曲线、 曲面建模方法。 f 2 1 结合以往鞋檀曲面展开方法，加以修改、完善，形成更为精确、合理的楦面展 开方法。 0 ) 力争创新性的实现皮鞋帮样二、三维交互设计，并争取为二、三维数据域间的 映射提供新算法。 8 东北大学硕士学位论文 第二章鞋植三维数据的获取 第二章鞋楦三维数据的获取 【本章摘要】本章首先简要介绍了德国g o m 公司的a ：r o s 光学测量系统的测量原理， 然后详细阐述了a t o s 数据测量系统的构成及特点，最后分步骤地介绍了鞋楦数据获取 过程。 2 1 数据获取原理简介 各种具有复杂表面的工件，如发动机叶片、压缩机转子、汽车车身等，在交通、 国防、航空航天等部门具有很广泛的应用。其逆向工程中的轮廓数字化，以及尺寸误差、 形位误差的检测，均需要进行精确的三维测量。鞋楦是鞋子的母体，是具有复杂曲面的 重要制鞋模具。它不仅决定着鞋子的款式，而且还决定着鞋子的舒适度。 鞋楦表面数据是通过德国g o m 公司的a t o s 光学测量系统测量获得，该系统采用 结构光法【刀进行测量。结构光法的基本原理是把一定模式的光源( 如光栅) 投影到被测 件表面，受被测物体表面高度的限制，光栅影线发生变形，利用两个镜头获取不同角度 的图像，通过解调变形光栅影线，就可以得到被测表面的整幅图像上象素的三维坐标。 结构光法被认为是目前三维形状测量中最好的方法之一。结构光法的主要优点是测 量范围大、稳定、速度快、成本低、设备携带方便、受环境影响小、易于操作。缺点是 精度较低，而且只能测量表面曲率变化不大的、较平坦的物体；对于表面变化剧烈的物 体，在陡峭处往往会发生相位突变，使测量精度大大降低；工件本身的表面色泽、粗糙 度也会影响测量的精度，为提高测量精度，需对被测量表面涂上“反差增强；f l ”或喷漆 处理，以减小误差；同时，存在图像的获取和处理时间长、测量量程较短等问题。 尽管如此i 基于结构光法的测量设备仍被认为是目前铡量速度和精度最高的扫描测 量系统，特别是分区测量技术的进步，使光栅投影测量的范围不断增大，成为目前逆向 测量领域中使用最广泛和成熟的测量系统。 2 2a t o s 数据测量系统构成及特点 7 】 由于本文采用德国g o m 公司的a t o s 光学扫描测量系统( 如图2 1 所示) 进行楦 面数据采集，因此对该测量系统加以简要介绍。 a t o s 测量系统是德国g o m 公司研发的产品，自1 9 8 9 年在德国问世以来，经过多 年的发展，已成为世界上使用最为成功的扫描测量系统，广泛应用于汽车、航空航天、 消费品、艺术品及科学研究等领域。目前，在全球保有量超过8 0 0 套系统，在中国内地 也有超过9 0 套系统，为中国的工业，特别是汽车工业的发展提供了高效的测量手段。 下面介绍一下该系统的具体模块。 ( 1 ) a t o s 模块 9 东北大学硕士学位论文 第二章鞋楦三维数据的获取 图2 1a t o s + x l 移动式光学三坐标测量仪 f i g 2 1a t o s + x l l a s e rc o o r d i n a t em e a s u r i n gm a e h i n e a t o s 模块又称为光学测量系统，它的测量原理应用结构光法，在非接触式测量方 法中，结构光法是被认为是目前最成熟的三维形状测量方法，在工业界广泛应用，而 a t o s 测量系统是这种方法的典型代表。a t o s 光学测量模块采用矩形光栅投影，每次 测量数据的周期是1 1 s ，不同型号每次测量采集到的数据点数目是不同的，其最新的型 号是a t o s i ，每次能采集到4 0 0 万点数据，每次最大可以测量2 m 2 m 的范围，特别 适合大型工件的快速测量。目前，在市场上应用最多的是a t o s h 系列，包括测量头、 三角架、控制器、t r i t o p 数码相机系统和相应的计算机软硬件系统组成。它每次可以采 集1 3 0 万个点，每次最大测量范围是1 2 m x 0 9 6 m ，非常适合应用于汽车行业。其数据 拼合方式是采用独创的参考点技术，即两个数据是通过共有的三个参考点进行拼合，最 后得到完整的点云数据。 ( 2 ) t r i t o p 模块 t r i t o p 模块又称为照相测量定位系统，是利用照相机技术来获取某些特征标志点的 三坐标位置。它是根据全球卫星定位原理而开发的：即如果在空间三个( 或三个以上) 不同的位置可以看到同一个位置点，那么该点将是可以计算出空间位置坐标值的点。根 据这个原理，利用专用高分辨率的数码相机、经过编码的参考点、经过标定的比例尺、 t r i t o p 数码影像分析和坐标点计算的软件，使用数码相机拍一组照片，然后将照片送到 t r i t o p 软件里分析处理，最后得到三维坐标点。t r i t o p 数码相机系统既可以辅助a t o s 测量确定用户坐标系，也可以单独测量某些特征标志