基于图像的复杂曲面实体三维建模研究

0 引言

    现代复杂装备多数是由具有复杂型面的实体零件构成，常见的如汽车、轮船和飞机，尤其是军用飞机等，随着计算机技术的发展，这些装备不再仅仅局限于一般的产品设计、制造和使用，而是派生出了基于计算机技术的围绕产品对象的诸如工程分析、仿真、虚拟维修和虚拟样机，甚至广告、三维游戏以及各种意图的科学研究等等，这些应用通常都需要装备或者产品对象的计算机三维实体模型。但是通常情况下，实体模型的构建者很难获取产品对象的全套原始设计数据信息，因此构建逼真的三维模型一般比较困难。

    近年来发展迅速的逆向工程技术(Reverse Engineering)，首先是对实物原型进行数据采集，经过数据处理和曲面重构等过程，构造出实物的三维模型，然后再对原型进行复制或在原型基础上进行再设计。可见，逆向工程必须是有实物原型且实物原型的尺寸能够方便地被常规的三坐标测量设备所测量。但是，在下述情况下：1）建模对象的实物原型无法获取；2）实物原型因种种原因不便于数据采集；3）成本制约，无三坐标测量设备。这些情况下，逆向工程技术就存在局限性。

    本文研究的重点就是针对上述情况下，利用装备的一些图像资料包括图片、照片和影像等，在加上一些必要的数据并借助三维CAD软件构建出具有复杂型面的装备的三维虚拟模型，这种方法已经运用到了多种复杂产品的建模中，取得了好的效果。本文以飞机的建模为例，借助介绍该方法的应用。

1 关键技术

    1.1 复杂型面实体的常用建模工具

    飞机含有较多的具有复杂型面的实体零件，在机头、机身和机翼上表现尤为显著，特别是机身，从外形看，是由多个复杂曲面平滑连接而成，因此建模的重点是机身，建模的核心是曲面造型。只要具有复杂型面的零件能够建模成功，其他的规则零件的建模相对容易的多，这里仪就复杂型面实体部分的建模进行讨论。特征工具栏中常用的复杂型面实体建模工具是放样和扫描，机头和机身主要采用放样或者扫描来构建。扫描限于截面轮廓形状一致的特征造型，而放样适用的范围可延伸到截面轮廓形状不同的特征造型，放样的适用范围更广一些。

    也提供了专门的曲面工具栏，内有诸如扫描、放样、延展和剪裁曲面等多种曲面造型工具，这些工具可以生成零厚度的曲面。这些零厚度的曲面与特征工具创建的特征是不能直接融合的。比如：特征工具栏和曲面工具栏各自拥有自己的切除工具，这些切除工具只对自己有效，换句话说，曲面的剪裁工具对特征工具创建的特征不起作用，反之，特征工具中的各种切除工具对曲面工具创建的曲面也不起作用。这样对于复杂型面实体零件的一致性建模会带来不便，此外，当两种建模结果混合到一起时有时还会出现一些意想不到的错误，因此如果既有实体特征又有曲面特征的零件，建议以特征工具建模为主，曲面工具为辅。能用特征工具建模的优先选用特征工具，有些特殊表面如一些曲面间的汇交区，曲面的尖角区或延展区等曲面工具更为便捷的，可先采用曲面工具建模，之后运用特征工具栏中的加厚工具将该零厚度曲面转换成有厚度的实体特征，并使其与其他特征实现结果合并，便于后续的一致性操作。当然如果先采用曲面工具构建曲面，之后一一通过加厚工具将其转变成实体特征，技术上也是可行的。