（计算机科学与技术专业论文）面向逆向创新设计的网格特征编辑技术研究.pdf

浙江大学博士学位论文摘要 摘要 设计重用在产品设计中发挥着重要作用。目前三维模型设计重用得主要方式 有三种，分别是参数化设计、自由变形和逆向工程。三种方式各有优缺点和应用 范围。最近有学者针对逆向工程中存在的问题提出了一种新的设计重用方式一一 逆向创新设计。 逆向创新设计是以逆向工程为基础，结合参数化设计和自由变形思想，形成 的新的设计方式。该设计方式虽然在c a d c a e 系统集成和设计创新方面具有明 显优势，但是至今还没有形成系统的理论框架，更没有成熟的技术解决方案。所 以对于逆向创新设计技术的研究有利于设计理论的发展，更有利于逆向创新技术 在实际工程领域的应用。为此本文对逆向创新设计中的网格特征编辑及其相关技 术进行了深入研究，研究成果和创新点主要体现在以下五个方面： 提出了一种从散乱数据点快速构造二维流形网格的区域扩张算法。该算法从 一个种子面片出发，利用启发信息，即网格的某些局部特性，优先选择有利 的活动边进行扩张。有利的活动边指扩张简单，不易产生几何错误的活动边。 在每次扩张中算法首先确定候选点，然后根据准则选择最佳点与活动边构成 新面片，再经过启发信息检测和几何完整性检测，最后加入到已构造的网格 中。如此不断扩张直到最终构造出反映物体形状的二维流形网格。该算法只 需要采样点的位置信息，不需要事先给定点法矢、边界等其他信息，可以处 理分布不均匀的散乱数据点，也可以处理按扫描线分布的散乱数据点。 提出了针对网格局部尖锐特征和网格局部过渡特征的交互式提取方法。对于 局部尖锐特征，首先由用户通过画笔方式选取一块包含特征的区域，接着对 选中的面片进行分析并计算特征参数，然后从种子特征出发利用特征参数寻 找周围相近的特征并将其合并，该过程不断重复直到特征无法进一步扩张。 局部过渡特征提取方法与局部尖锐特征提取方法基本思想类似，只是分析和 提取过程嵌入在画笔式选取过程中。此外，如果特征参数由用户直接指定， 该方法也能被用来提取网格的整体特征。本文的交互式特征提取方法十分直 观和方便，而且针对过渡特征的提取方法既可以提取圆角特征，也可以提取 倒角特征，甚至是含有噪音的过渡特征。 i i i 浙江大学博士学位论文摘要 提出了一种从网格过渡特征快速构造网格尖锐特征的新算法。用户提取过渡 特征之后，该算法首先对特征区域进行预光顺，接着利用非特征区域面片的 法矢增量式计算特征区域面片的新法矢，然后对其中不合理的面片法矢进行 修正，最后根据新法矢逐步调整网格顶点位置，使面片的实际法矢与新法矢 趋向一致。该算法不仅能从圆角特征和倒角特征构造尖锐特征，还能从含有 噪音的过渡特征构造尖锐特征。 提出了一种沿网格尖锐特征线构造网格圆角特征的新算法。虽然从造型上讲 该算法与尖锐特征构造算法是两个互逆操作，但在流程上两者有很多相似之 处。该算法首先利用用户选取的尖锐特征线和指定的圆角半径构造准过渡区 域，然后估算准过渡区域中面片的目标法矢方向，最后根据目标法矢调整网 格顶点位置，使面片的实际法矢与目标法矢趋向一致。该算法既能从闭合的 尖锐特征线构造圆角特征，也能从非闭合的尖锐特征线构造圆角特征。 提出了一种面向有限元分析的网格迭代优化算法。该算法首先对给定网格进 行细分得到足够的自由度，以改变网格的几何和拓扑，然后在误差允许的范 围内，通过简化和规则化来提高网格质量。该过程不断迭代，直到网格质量 满足有限元分析要求或者达到迭代上限。该算法既能灵活地控制网格属性， 又能有效地提高网格质量，因此可以将其作为逆向创新设计中网格编辑的后 续处理操作，用来生成面向有限元分析的高质量表面网格。 关键词：二维流形网格，网格重造，特征提取，尖锐特征，过渡特征，特征编辑， 网格锐化，圆角特征构造，网格优化 浙江大学博士学位论文h b s t r a c t a b s t r a c t d e s i g nr e u s ep l a y sav e r yi m p o r t a n tp a r ti nt h ep r o d u c td e s i g n a tp r e s e n t ， f r e e - f o r md e f o r m a t i o na n dr e v e r s ee n g i n e e r i n ga r em a j o rm e t h o d s f o rt h ed e s i g nr e u s eo ft h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e l s a l lh a v et h e i ro w n a d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e sa n dt h es c o p eo fa p p l i c a t i o n r e c e n t l y ，s o m es c h o l a r sh a v ep r o p o s e da n e wd e s i g nr e u s em e t h o dc a l l e dr e v e r s ei n n o v a t i v ed e s i g nf o rt h ep r o b l e m si nr e v e r s e e n g l n e e r l n g r e v e r s ei n n o v m i v ed e s i g n ，w h i c hi sb a s e do nr e v e r s ee n g i n e e r i n g ，c o m b i n e st h e i d e a so fp a r a m e t r i cd e s i g na n df r e e f o r md e f o r m a t i o n i th a so b v i o u sa d v a n t a g e si nt h e c a d c a es y s t e mi n t e g r a t i o na n dd e s i g ni n n o v a t i o no v e rt h eu s u a lm e t h o d s b u t c u r r e n t l y , t h e r ei sn os y s t e m a t i ct h e o r e t i c a lf r a m e w o r kf o rt h i sm e t h o d ，n o tt om e n t i o n t h es o p h i s t i c a t e dt e c h n o l o g ys o l u t i o n s t h u s ，t h er e s e a r c ho nt h er e v e r s ei n n o v a t i v e d e s i g nt e c h n o l o g yi sc o n d u c i v et ot h ed e v e l o p m e n to fd e s i g nt h e o r ya n di t sa p p l i c a t i o n i np r a c t i c a le n g i n e e r i n g t h e r e f o r e ，i nt h i st h e s i s ，a ni n d e p t hr e s e a r c ho nt h em e s h f e a t u r ee d i t i n ga n di t sr e l a t e dt e c h n o l o g i e sf o rr e v e r s ei n n o v a t i v ed e s i g ni sg i v e n a l l c r e a t i v ea c h i e v e m e n t si nt h i st h e s i sa r el i s t e da sf o l l o w s ： an e w r e g i o ng r o w i n ga l g o r i t h mi sp r o p o s e dt of a s tr e c o n s t r u c tat w om a n i f o l d m e s hf r o ma nu n o r g a n i z e dp o i n tc l o u d s t a r t i n gw i t has e e df a c e ，t h ea l g o r i t h m s e l e c t st h eb e s ta c t i v ee d g et og r o wb yt h eh e u r i s t i ci n f o r m a t i o n t h eb e s ta c t i v e e d g ei sa na c t i v eo n ew h i c hc o u l dm a k er e g i o ng r o w i n ge a s ya n da v o i dg e o m e t r y e r r o r i ne a c hg r o w i n g ，a m o n gt h ec a n d i d a t ep o i n t s ，t h eb e s tp o i n ti ss e l e c t e db a s e d o ns o m ec r i t e r i at oc r e a t eat r i a n g l ew i t ht h ea c t i v ee d g e a d dt h et r i a n g l ei n t ot h e m e s hi fi tp a s s e st h eh e u r i s t i ci n f o r m a t i o na n dt h eg e o m e t r i ci n t e g r i t yt e s t s a m p l e p o i n t sa r ep r o c e s s e du n t i lat w o d i m e n s i o n a lm a n i f o l dm e s hw h i c hr e c o v e r so b j e c t s h a p ei sc o n s t r u c t e d t h ea l g o r i t h md o e s n tn e e dp o i n tn o r m a l ，s u r f a c eb o u n d a r y , b u to n l yp o i n tp o s i t i o n i tc a nd e a lw i t hn o to n l yt h o s en o n - u n i f o r mp o i n tc l o u d s ， b u ta l s ot h es c a nl i n et y p eo n e s an e wm e t h o di sp r e s e n t e dt oi n t e r a c t i v e l ye x t r a c tl o c a ls h a r pf e a t u r e sa n dl o c a l v 浙江大学博士学位论文 a b s t r a c t t r a n s i t i o n f e a t u r e so nt h em e s h f o rs h a r pf e a t u r e ，f i r s t ，s o m ef a c e sc o n t a i n i n g m e s hf e a t u r ea r es e l e c t e db yt h eu s e rw i t hp a i n t b r u s ha n df e a t u r ep a r a m e t e r sa r e c a l c u l a t e df r o mt h es e l e c t e df a c e s t h e ns t a r t i n gf r o mt h es e e df e a t u r e ，s i m i l a r f e a t u r e sn e a r b ya r ef o u n da c c o r d i n gt ot h ef e a t u r ep a r a m e t e r sa n dc o m b i n e d t h i s p r o g r e s si si t e r a t e du n t i lt h e r ei sn of u r t h e re x p a n s i o nf o rt h ef e a t u r e t h eb a s i c i d e ao ft h et r a n s i t i o nf e a t u r ee x t r a c t i o ni sv e r ys i m i l a rt ot h eo n eo ft h es h a r p f e a t u r ee x t r a c t i o ne x c e p tt h a tt h ea n a l y s i sa n de x t r a c t i o np r o c e d u r e sf o rt h e t r a n s i t i o nf e a t u r e sa r ee m b e d d e di nt h ep a i n t b r u s hs e l e c t i o n f u r t h e r m o r e ，i ft h e f e a t u r ep a r a m e t e r sa r ed i r e c t l ys p e c i f i e db yt h eu s e r ，t h e nt h i sm e t h o dc a na l s ob e u s e dt oe x t r a c tt h eg l o b a lf e a t u r e so ft h em e s h t h em e t h o d sp r o p o s e di nt h i sp a p e r a r ev e r yi n t u i t i v ea n dc o n v e n i e n t t h em e t h o df o r t h et r a n s i t i o nf e a t u r e sc a ne x t r a c t b l e n df e a t u r e ，c h a m f e rf e a t u r e ，a n de v e nt h et r a n s i t i o nf e a t u r ew i t hn o i s e an e w a l g o r i t h mi sp r o p o s e dt oc o n s t r u c ts h a r pf e a t u r ef r o mt h et r a n s i t i o nf e a t u r e o nt h em e s h p r e - s m o o t h i n gi sf i r s ta p p l i e dt of e a t u r er e g i o na f t e rt h et r a n s i t i o n f e a t u r ei se x t r a c t e db yt h eu s e r t h e ni n c r e m e n t a l l yc a l c u l a t et h en e wf a c en o r m a l s o ft h ef e a t u r er e g i o na c c o r d i n gt ot h eo n e so ft h en o n f e a t u r er e g i o na n dr e c t i f yt h e u n r e a s o n a b l en o r m a l s f i n a l l y , t h ev e r t e xp o s i t i o n sa r eg r a d u a l l ya d j u s t e db a s e do n t h o s en e wn o r m a l s ，w h i c hl e a d st h ea c t u a ln o r m a l so ft h ef a c e st oa g r e ew i t ht h e i r n e wo n e s t h i sm e t h o dc a nd e a lw i t hn o to n l yt h eb l e n df e a t u r e so rc h a m f e r f e a t u r eo nt h em e s h ，b u ta l s ot h et r a n s i t i o nf e a t u r ew i t hn o i s e an e wa l g o r i t h mi sp r o p o s e dt oc o n s t r u c tb l e n df e a t u r ef r o mt h es h a r pf e a t u r el i n e o nt h em e s h a l t h o u g hf r o mt h em o d e l i n gp o i n to fv i e wt h i so p e r a t i o ni so p p o s i t e t ot h es h a r pf e a t u r ec o n s t r u c t i o n ，t h e r ea r el o t so fs i m i l a r i t i e sb e t w e e nt h e c o n s t r u c t i n ga l g o r i t h m t h er e g i o nt ob eb l e n d e di sf i r s tc o n s t r u c t e da c c o r d i n gt o t h es h a r pf e a t u r el i n ea n dt h eb l e n dr a d i u ss p e c i f i e db yt h eu s e r t h e n ，t h et a r g e t n o r m a l so ft h ef a c e si nt h ec o n s t r u c t e dr e g i o na r ee s t i m a t e d f i n a l l y ，t h ev e r t e x p o s i t i o n sa r eg r a d u a l l ya d j u s t e db a s e do nt h o s et a r g e tn o r m a l s ，w h i c hl e a d st h e a c t u a ln o r m a l so ft h ef a c e st oa g r e ew i t ht h e i rt a r g e to n e s t h es h a r pf e a t u r el i n et o b eb l e n d e dw i t ho u ra l g o r i t h mc a ne i t h e rb eo p e no rc l o s e d 浙江大学博士学位论文a b s t r a c t a ni t e r a t i v em e s ho p t i m i z a t i o na l g o r i t h mi sp r o p o s e df o rf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s g i v e nm e s hi sf i r s tr e f i n e dt og e te n o u g hd e g r e eo ff r e e d o mf o rc h a n g i n gt o p o l o g y a n dg e o m e t r y t h e nw i t h i nag i v e nt o l e r a n c et h em e s hq u a l i t yi s i m p r o v e db y s i m p l i f i c a t i o na n dr e g u l a r i z a t i o n t h i sp r o g r e s si si t e r a t e du n t i lt h em e s hq u a l i t y m e e t st h er e q u i r e m e n to rag i v e nm a x i m u mn u m b e ro fi t e r a t i o n si sr e a c h e d t h e p r o p o s e da l g o r i t h mc a nc o n t r o lt h em e s hp r o p e r t i e sf l e x i b l ya n di m p r o v et h em e s h q u a l i t ye f f e c t i v e l y t h u s ，i tc a nb eu s e dt og e n e r a t eh i g hq u a l i t ys u r f a c em e s hf o r f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa sa p o s t - o p e r a t o ro ft h em e s he d i t i n gi nr e v e r s ei n n o v a t i v e d e s i g n k e y w o r d s ：t w o - m a n i f o l dm e s h ，m e s hr e c o n s t r u c t i o n ，f e a t u r ee x t r a c t i o n ，s h a r p f e a t u r e ，t r a n s i t i o nf e a t u r e ，f e a t u r ee d i t i n g ，m e s hs h a r p e n i n g ，m e s hb l e n d i n g ，m e s h o p t i m i z a t i o n v i i 浙江大学博士学位论文图目次 图目次 图1 1 参数化设计应用实例2 图1 2 自由变形应用实例3 图1 3 逆向工程应用实例4 图1 4 基于逆向工程的产品设计( 虚线框中为逆向工程阶段) 4 图1 5 基于逆向创新设计的产品设计( 虚线框中为逆向创新设计阶段) 5 图1 6 机械零件模型的变形【7 5 1 1 l 图1 7 尺寸【7 5 1 1 2 图2 1 基本概念l8 图2 2h r g 算法流程。1 9 图2 3 按扫描线分布的数据点的种子三角面片构造结果比较2 0 图2 4h r g 算法构造网格过程2 1 图2 5 活动边e 的有效区域2 2 图2 6 候选点的加权2 3 图2 7 维纳斯模型的网格重构结果2 6 图2 8 鞋楦模型的网格重构结果2 6 图2 9 龙模型的网格重构结果2 6 图2 1 0 游戏手柄模型的网格重构结果2 7 图2 1 1 护罩模型的网格重构结果2 7 图2 1 2 油箱模型的网格重构结果2 7 图2 1 3 喷射器部件模型的网格重构结果2 8 图2 1 4 船模型的网格重构结果2 8 图3 1 各种特征的识别31 图3 2 画笔式面片选取方式示例一3 4 图3 3 锐边附近面片万的自然邻域( 黄色表示) 3 6 图3 4 局部尖锐特征提取效果3 7 图3 5 局部过渡特征提取效果3 8 图3 6 整体过渡特征提取效果3 8 图4 1 预光顺效果4 3 图4 2 圆角特征的法矢滤波过程示例4 3 图4 3 面片石的法矢滤波4 4 x l 浙江大学博士学位论文 图目次 图4 4 法矢修正“4 5 图4 5 面片法矢不合理引起的面片退化4 5 图4 。6 顶点坐标更新方法比较4 6 图4 7 退化三角面片的删除4 7 图4 8 不同特征的锐化结果4 8 图4 9 喷射器部件模型的锐化结果4 9 图4 1 0 固定器模型的锐化结果4 9 图4 1 1 相交圆柱模型的锐化结果4 9 图4 1 2 螺旋桨模型的锐化结果5 0 图4 1 3 犀牛模型采用不同算法的结果5 0 图4 1 4 齿轮模型采用不同算法的结果5 0 图4 1 5 阀模型采用不同算法的结果5 l 图5 1 圆角过渡曲面相关概念5 5 图5 2 本文网格圆角特征构造算法流程5 6 图5 3 尖锐特征线的影响范围5 6 图5 4 三角面片分裂准则5 7 图5 5 准过渡区域的细分效果5 8 图5 6 面片厂估算法矢的截面图5 9 图5 7 顶点坐标更新方法比较6 0 图5 8 喷射器部件模型的圆角特征构造结果6 3 图5 9 花模型的圆角特征构造结果6 3 图5 1 0 头盔模型的圆角特征构造结果6 4 图5 1 1 控制臂模型的圆角特征构造结果：“ 图5 1 2 钓钩模型的圆角特征构造结果6 5 图6 1 不同类型的网格模型6 7 图6 2 算法流程图7 0 图6 3 网格迭代优化过程中各步骤效果7 0 图6 4t 为砧在顶点v 的切平面中的分量7 2 图6 5 档位杆模型的优化结果7 4 图6 6 猪模型的优化结果7 4 图6 7 迭代次数对网格质量的影响7 5 图6 8 颌骨模型的优化结果7 5 浙江大学博士学位论文 图目次 图6 9 齿轮模型的优化结果7 5 图6 1 0 连接件模型的优化结果7 6 图6 1 1 喷射器部件模型的局部优化结果7 6 图6 1 2 控制臂模型的局部优化结果7 6 图7 1 本文所有算法在阀模型上的应用效果8 1 浙江大学博士学位论文 表目次 表目次 表2 1 实验模型的网格重构时间统计2 8 表4 2 实验模型的锐化时间统计( 以m 。- o 0 1 ) 5 1 表6 3 本文优化算法和q i & p c 算法【2 2 1 的效果对比熙。1 _ o 2 ) 7 7 表6 4 本文优化算法和q i & p c 算法【2 2 】的效率对比7 7 x 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他入已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝鎏盘堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。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： 签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝婆盘鲎有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝婆盘堂 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和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 导师签名： 签字日期：年月日 签字日期：年月日 浙江大学博士学位论文致谢 致谢 深深感谢我的前任导师叶修梓教授和现任导师张三元教授。论文的研究和撰 写工作是在他们的悉心指导下完成的。在攻读博士学位期间，两位导师在学业和 科研上给了我精心的培养和教导，在为人和处事方面给了我谆谆的教诲和指引。 他们精深的学术造诣、严谨的治学态度、兢兢业业的工作作风、诚恳正直的为人 都给我留下了极为深刻的印象，成为我攻读博士期间所获得的宝贵的精神财富。 在此，谨向导师表示我最诚挚的感谢! 感谢张引副教授和彭维博后对我的学习和研究的帮助。感谢陈志杨副教授的 帮助和指导，我在五年研究生活中参与的大部分项目都是由陈老师负责，正是在 和陈老师的讨论与交流中深受启发，不断克服项目中所遇到的各种困难和解决科 研中所遇到的各种难题。 感谢实验室所有师兄师姐、师弟师妹。五年前正是在钱锦锋、钱任锎、李强 等师兄的帮助下使我逐渐开始了解计算机图形学和逆向工程，也正是和他们一起 合作开发了第一个完整的逆向工程软件。接着在s o l i d w o r k s 中国研发中心，又与 丁展、徐芝琦、蒋跃华、陈飞舟、王桦、方萃浩、戴静兰、钱江等师兄师姐合作 研发t s i n d y n g r e 和s c a n t 0 3 d 。s c a n t 0 3 d 已作为s o l i d w o r k s 的插件正式发布，这 也是我完成的第一商业项目。感谢刘红政，在论文撰写过程中他给了我很多具有 参考价值的资料和建议。还要感谢黄联卫、谭光华、许秋儿、黄燎、高路等同学， 无论是项目开发还是论文撰写，他们都给了我很大的帮助。此外还要特别感谢徐 舒畅、钱锦锋、邹万红、丁展、王桦、徐芝琦、陈飞舟，平日与他们的交流和讨 论不仅使我在学术上得到很多启发，更重要的是在为人处事方面也使我受益匪 浅。总之，五年的研究生活，无论是在实验室，还是在s o l i d w o r k s 中国研发中心， 与师兄师姐、师弟师妹朝夕相处中的点点滴滴时时让我感动，成为我人生美好的 回忆。 感谢周聪、高崇辉、徐苏、孙伟、施树声、汪军、樊慈波等好友，正是他们 的支持和鼓励使我度过了最艰难的时期。 最后，我由衷地感谢我的女朋友方华及其家人，这几年来的无私的理解、付 出和宽容，支持我顺利完成学业。同时深深感谢我的父亲和母亲，他们给予了最 浙江大学博士学位论文致谢 无私的关爱，我的成长凝聚着他们的心血和付出，对他们的谢意无法用言语表达。 回首五年多的求学生涯，还有许多人给予我热心的帮助和温暖的关怀，这里 无法一一列举他们的名字，但我从心底感激他们，感谢所有关心、帮助和支持过 我的人! i l 沈建国谨致 2 0 0 9 年3 月 于浙火求是园 浙江大学博士学位论文 1 绪论 1 绪论 本章第一节从设计重用角度出发，简单介绍了参数化设计、自由变形和逆向 工程的概念和应用，并在此基础上引入了逆向创新设计的概念和定义，继而阐明 了本文的研究意义。接着在第二节中详细介绍了与逆向创新设计技术紧密相关的 逆向工程技术和网格编辑技术的研究现状。最后在第三节中通过分析逆向创新设 计中的研究重点和难点，提出了本文的主要研究目标和研究内容，并给出了本文 的组织架构。 1 1 研究背景和意义 随着市场竞争的日益加剧，新产品开发周期越来越短。如何充分利用现有的 设计资源，快速开发满足客户个性化需求的新产品成为企业竞争的焦点。设计重 用作为新产品快速开发的重要途径，已引起工程界和学术界的广泛关注。 设计重用从广义上讲是指对产品设计本身以及对产品设计过程中所形成的设 计知识、方法与经验的重用【l 】。设计重用除了可以充分利用设计资源外，还可以 有效缩短设计周期，降低开发成本，提高设计质量，快速响应市场需求。研究表 明，在现代工程领域，超过7 5 的设计活动是对过去设计及设计知识的重用【2 1 。 同时设计重用与产品创新也紧密相关。产品创新一般可以分为首创式创新和模仿 式创新。前者通常需要从原理上进行改变，是从无到有的创新，而后者通常是对 已有产品的改进。据统计，8 5 9 0 t 均产品创新属于模仿式创新【3 1 。而模仿式创 新的主要手段就是设计重用。 本文以下所指的设计重用主要是指狭义上的设计重用，即设计本身的重用。 目前三维模型设计重用的主要方式有三种，分别是参数化设计、自由变形和逆向 工程【4 】。三种方式各有特点和应用范围。 参数化设计( p a r a m e t r i cd e s i g n ) ，也被称为尺寸驱动( d i m e n s i o nd r i v e n ) ， 是通过改动几何图形的某一部份或某几部份的尺寸，或修改已定义好的图形参 数，自动完成对几何图形中相关部分的改动，从而实现对几何图形的驱动【5 1 。在 参数化设计中，通常几何图形的拓扑关系保持不变，尺寸形状与一组参数显示对 应。从本质上讲，参数化设计就是在约束条件下通过参数驱动产生不同的几何图 形。参数化设计极大地改善了几何图形的修改能力，增加了设计的灵活性。与以 淅大学博士学位论戈 往无约束设计方式相比，参数化设计更符台设计者的设计习惯，并且可以通过参 数设计出一系列而不是单个的产品模型，避免了重复劳动，提高了设计效率。可 见，参数化设计是规格化、系列化产品的一种简单高效的设计方式不仅如此， 参数化设计在概念设计、实体造型机构仿真、优化设计等领域也发挥着重要作 用图11 给出了参数化设计的应用实例。 澍 田1 1 参数化设计应用实例 参数化设计可毗从线，面或体等简单的几何元素出发，设计出复杂的参数化 模型参数化模型不仅表示了几何图形的拓扑关系和各种约束关系，还反映7 设 计者的设计思想和意图。参数化设计正是凭借其强有力的草图设计，尺寸驱动修 改图形功能，在机械产品的计算机辅助设计( c o m p u t e r a i d e d d e s i g n ，简称c a d ) 中得到了广泛的应用，比如目前主流三维c a d 软件c a r l a 、u g 、p r o e 、s o l i d w o r k s 等都采用参数化设计作为主要设计方式尽管如此，对设计者而言，参数化设计 过程还是比较繁琐，尤其是利用自由曲面进行曲面遣型时受到很多限制，常常需 要手动调整大量的控制顶点，既费时又难以达到预期效果为此产生了一种新的 造型技术一一自由变形技术。 自由变形( f r c e - f o r r a d e f o r m a t i o n ，简称f f d ) 是形状变形的有效方法之一 从1 9 8 6 年首次提出自由变形算法旧至今已经涌现出许多关于自由变形算法的研 究。自由变形算法通常与几何目形的表达方式无关，它不对几何图形直接进行变 形，而是对几何图形所嵌入的空问进行变形自由变形的实施可【；c 比喻为雕塑家 的手，每实施一次，相当于用手把整个物体雕塑一遍随着自由变形算法的逐次 实施，最终把物体雕塑成所希望的形状。自由变形的优点在于它具有很大的灵活 性，能够融入任何类型的实体造型体统，能改变任意类型曲面或多边彤的形状， 既能整体应用也能局部应用。虽然自由变形起琢于几何造型领域，但其在计算机 动画领域的应用更为广泛，目前许多商用动画软件如3 d s m a x s o l , i m a g e 、m a y a 等都有类似于自由变形的功能图1 2 给出了自由变形的应用实例 渐大学霹学位论文 e 爸龟圈 圈1 2 自由变形应用实例 自由变形发展至夸，已经有多种控制方式， 匕如采用三维网格控制曲线控 制、曲面控制以及约束控制等虽然每种方式各有优点及使用场合，但都是问接 的控制方式，这使得自由变形很难直观地获取想要得到的变形结果，通常需要设 计者对变形原理有所了解或者积累丰富的经验直接控制的自由变形( d i r e c t m a n i p u l a t i o n o f f r e e f o r m d e f o r m a d o n ，简称d m f f d ) 方法在继承传统自由变形 方法优点的同时克服7 其在控制方式上的限制，通过编辑移动所选图形上的点束 直接控制图形的变形，这使得设计者能够更直观灵活地控制复杂图形的变形 d m f f d 的核心思想为：选择物体上的一点，将该点移动至目标位置，然后反求 出控制顶点的位置变化，并计算物体上其余点的位置。尽管如此，自由变形在形 状控制上还是比较困难，难以实现精确变形，例如无法构造网格尖锐特征，圆角 过渡曲面等这些缺点限制了自由变形方法在几何造型系统中的广泛应用。 参数化设计和自由变形需要经过需求分析、概念设计，详细设计等阶段，最 后将设计应用于产品的制造，这类设计通常被称为正向设计。与正向设计过程相 反，逆向工程( r e v e r s ee n g i n e e r i n g ，简称r e ，又被称为反求工程或反向工程) 是基于己有的产品样件，反向推出其数字化模型，分析修改后再制造新产品的过 程。具体来讲，逆向工程是从已有的产品样件出发，利用数据呆集设备，对其表 面进行采样，得到一个或多个点云或网格，然后利用几何数字处理技术和模型重 构技术得到样件的c a d 模型，最后通过对模型的分析和改进，设计出更好的新 产品逆向工程可以认为是将产品样件转化为c a d 模型的相关数字化技求和几 何模型重建技术的总称。可见，逆向工程是集计算机技术，测量技术、现代产品 设计与制造技术的综合性应用技术，可以为产品改进、创新设计和快速犀型制造 等提供有力支持。 淅大学博士学位论文 图1 3 逆向工程应用实例 随着逆向工程相关技术理论研究的深入开展，其成果的工程应用也日益受到 重视，涌现出许多商业化的逆向软件，比如i m a g e w a = r e 、r a p i d f o n n 、g e o m a g i c s t u d i o 、c o p y c a d 等。此外，许多主流三维c a d 软件业也集成了逆向工程模块， 使设计师能在同一平台完成从采样数据到c a d 模型的制作，其中具有代表性的 有c a t l a 中集成的d s e ( d i g i t i z e ds h a p ee d i t o r ) 和q s r ( q u i c ks u r f a c e r e c o n s t r u c t i o n ) 模块，p r o e 中集成的r e s t y l e 模块，以及s o f i d w o r k s 中集成的 s c a n t 0 3 d 模块等。逆向设计软件的不断成熟和数字化测量技术的迅猛发展，使得 逆向工程不仅在机械、轻工、航空、汽车等领域得到了更广泛应用，而且也逐渐 开始应用于人体建模、医学仿真、文物数字化等其他领域。图1 3 给出了逆向工 程的应用实例。 圈1 4 基于逆向工程的产品设计( 虚线框中为逆向工程阶段 基于逆向工程的产品设计流程如图1 4 所示，总体来看，目前的逆向工程相 对比较独立，逆向工程技术主要集中在数据采集、数据处理以及模型重构三个阶 段，而优化再设计和c a e ( c o m p u t e r a i d e de n 百n e e r i n g ，计算机辅助工程) 分析 雾 ： 浙江大学博士学位论文 1 绪论 主要依赖于重建后的c a d 模型，这使得逆向工程存在以下几个问题： ( 1 ) 设计重用还停留在初级阶段。在逆向工程中，产品只是被简单的复制， 并没有真正实现产品设计创新； ( 2 ) 修改重构的c a d 模型受到很多限制。由于该模型不能表达高