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基于CATIA的点云处理与曲面重构的流程

CATIA是法国达索公司和IBM共同推出的一款CAD /CAE /CAM 一体化软件。CATIA 软件里的曲面建模部分集成了数字化外形编辑器模块、快速曲面重构模块、创成式外形设计GSD及自由曲面造型FreeStyle四个曲面模块,为汽车、飞机等外形复杂的产品设计提供了方便、快捷的手段,大大缩短了汽车的设计周期,提高了开发效率。

1 点云数据处理和曲面重构

曲面重构的目标是根据离散的点云数据构造出光滑、曲面拟合度高的CAD 数字模型,由三维扫描仪获得的点云数据不能直接用来铺面,需要经过一些处理才能实现曲面重构。CATIA点云处理流程如图1所示。CATIA里的数字化编辑器模块DSE主要用于数据导入、坏点剔除、匀化、实时诊断与质量检查等。快速曲面创建模块QSR可以根据数字化数据,方便快速地重建曲面。数字化数据是经过数字化编辑器剔除了坏点和网格化分后的数据,该模块提供若干重构曲面的工具:自由曲面拟合、机械外形识别(平面,圆柱,球体,锥体)和原始曲面延伸等。可用于分析曲率和等斜率特性,使用户可以方便地在有关曲面区域中创建多边形点段。创成式外形设计模块GSD是完整的曲线操作工具和*基础的曲面构造工具,除了可以完成所有曲线操作外,还具有拉伸、旋转、扫描、边界填补、倒角等功能,连续性**达到G2。自由曲面造型模块FreeStyle除包括GSD中的所有功能以外,还可实现曲面控制点、自由约束边界、去除参数、A面标准的曲面桥接、倒角、光顺等操作。在实际工作中,上述4个模块的交互使用,可以快速完成点云处理、3D 模型建立、曲面重构等工作。

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图1 CATIA曲面重构设计流程

CATIA可以接受多种格式(如ASII、STL、IGS、IGES等)的点云数据,本文以某轿车后背门内板为例,对CATIA点云处理步骤进行介绍。

1. 1 点云的导入和处理

利用CATIA 的DSE模块导入点云。由于三维扫描测量的数据量很大,因此可采用先激活一部分点云数据并将其导出的方法,然后再重新导入该部分点云数据。这样做的目的是将点云分块,以减小运算负荷,提**率。图2为导入的某轿车的后背门内板点云。

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图2 后背门内板点云

 加载点云时可以根据需要确定采样率(加载点占原始点的百分比) ,本例以1: 1 的比率导入。导入时要注意导入文件单位,不然会引起比率的变化,默认的单位为毫米。三维扫描测量的点云数据非常庞大,此外由于受光照条件、被测件表面反射特性和系统测量误差、随机误差等影响, 测量数据中存在许多无用数据, 即所谓的“噪声”点。首先,需要用DSE里的删除功能,将除后背门内板之外的噪声点删除。在删除过程中,适当保留一定的边缘部分,用于在拟合曲面时,能够较为准确地确定边缘的形状。其次,还可以在保证一定精度的前提下过滤掉一部分数据以减少运算负荷。常用的过滤方法有球过滤法( Homogeneous) 和曲率过滤法(Adap ta2tive) 。若选择Homogeneous,点云数据将根据输入球半径的大小被均匀过滤,在球半径大小范围内的数据将被过滤掉,如图3 所示。由于球过滤法(Homogeneous)具有均匀过滤点云数量的特点,因此曲率变化大的部位的关键点也会被滤掉,这样不利于曲面的构建。Adap tative则不同,它对曲率变化小的部位点云的过滤比曲率变化大的部位点云的过滤更多,从而保留了曲面重建要用到的关键点,如图4 所示。考虑到后背门内板的表面特征及对曲面的要求,本例选择Adap tative进行过滤。选择不同的过滤值,滤掉的点的数量不同。经反复验证,选择过滤值为0103 时,过滤后的点云****。过滤的宗旨:在保留曲面上的重要特征的同时提高点云处理的运算效率。

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1. 2 点云的网格化

扫描得到的点云呈现散乱无序状态,且经过过滤后各点之间距离变大,为了更好地辨识点云的特征,方便在点云上划线做面重建模型,需要将处理好的点云进行网格化。根据给定的相邻参数,在点云上的相邻点之间镶嵌生成网格状的三角形小面片,选择不同的相邻参数得到的网格面的效果不同,如图5和图6所示。图5为相邻值为10的网格面,图6为相邻值为20的网格面。从这2个图可以看出,相邻值越大破洞越少。由此可见,网格面上破洞的大小与所选相邻参数有关。正确的操作方法是选择一个较大的相邻参数,再利用补洞工具( Fill Holes命令)对局部破洞进行修补。

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1. 3 创建扫描线和样条曲线

扫描线( Scans)是创建样条曲线的基础,在创建过程中,扫描线一定要体现零件几何轮廓的特征。扫描线创建的方法有很多种,可以由DSE下的Planar Sections和点云网格相交来生成(在使用Planar Sections时,可以根据需要旋转或移动平面,使生成的扫描线能很好地反映轮廓) ,也可以直接用DSE 下的Create Scan on Clouds 从点云上生成。样条曲线的创建是曲面重构过程中*关键的一步,样条曲线的创建主要是从扫描线生成,也可以通过曲面相交得到。由于扫描仪器精度有限,扫描线或拟合得到的曲线一般很难保证其光顺。曲面的光顺往往与曲线的光顺有关,只有曲线光顺了才能保证曲面的光顺。可以通过Free Style模块的分析工具分析曲线的曲率变化,根据曲率变化调节曲线,保证曲线曲率变化比较均匀。曲线上的控制点多则曲线吻合得好,控制点少则曲线较为光顺。

1. 4 曲面的创建与处理

一块比较大的点云应根据表面特征分成若干份小的点云来实现曲面重构,再将这些曲面放在同一个Geometrical Set中就能实现拼合,然后通过拉伸、剪切等操作完成三维模型的建立。根据上一步所创建的曲线,可以运用QSR模块里的工具进行曲面拟合, GSD模块通过填充曲面或定义脊线、引导线或连接线的方法来拟合曲面。根据后背门内板的特性,在创建曲面的过程中运用了曲面自识别和点—线—面的方法。对于曲率变化较小或者变化均匀的曲面,可将它作为一张曲面来处理,直接由特征线得到的曲面的精度比用powerfit得到的更高。

1. 5 曲面拼合

在曲面建完之后,需对各个曲面进行拉伸、裁剪、倒角处理,再利用自由造型FreeStyle分析工具对曲面质量进行分析,**将所有的面连接在一起,并检查曲面的连接状况,*终得到理想的曲面(见图7) 。在点云处理过程中,首先应分析样件和点云特征,看是否对称。对于结构对称部件只需对一半进行建模,然后再镜像,**填充两者之间的缝隙,这样可以节省运算量。

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2 结束语

为了使构建的曲面达到良好的效果,进行点云处理时应特别注意如下几点:

1) 在划定点云的范围时,要适当保留一定的边缘,以便准确确定构建曲面的边缘形状。

2) 过滤点云时要根据点云特征选择适当的过滤方法和过滤值。

3) 创建曲面时, 要分块创建, 以提高运算效率。

4) 创建完的曲面要进行曲面曲率分析,检查拟合情况是否达到了要求。


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