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基于特征的反求建模策略 Yingling Ke , Shuqian Fan, Weidong Zhu , An Li , Fengshan Liu , Xiquan ShiDepartment of Mechanical Engineering ,Zhejiang University ,Hanzhou 310027,China Department of Mathematics ,Delaware State University ,DE 19901,USAReceived 27 March 2005; accepted 25 December 2005摘要： 针对不使用三角形而实现从点云到表面的工业部件建模，我们提出了两种整合的解决方案，即基于截面特征的方案和基于表面特征的方案。对于基于截面特征的方案，我们引入了切片，曲线特征识别和带约束的配合。这种方案着重于逆向工程中的先进的二维到三维的特征构建模式。基于表面特征的方案则依赖于微分几何属性的估算和多种特征提取技术，因而这种方案建议使用一下一些算法和方法诸如基于4D Shepard 曲面的属性估计、对称面提取、二次曲面的识别和优化、挤压的和旋转面的提取、综合概率论和数理统计和特性提取。这种可靠的三维特征准确无误地行成了B-rep模型的有效基础。所有的算法都通过RE-SOFT来运行，这是一个由浙江大学开发的逆向工程软件。上述所提出的方案能够用来准确地发掘出最初的设计目的并且能够方便的完成反求建模。我们将采用典型的工业部件来验证基于特征的解决方案的有效性。介绍： 从实物中得到设计最初的构想和CAD重建模型在产品改进和在生产以及质量控制中占有重要地位【1】。逆向工程—作为最受欢迎的方法，它能够将一般以点集位置和它们的微分几何属性代表的低水平的几何信息转化为高水平的信息，这种高水平的信息包括设计方法，功能原理，工程约束和美学评价等等。作为联系低水平信息到高级的设计构想间的纽带，特征通常为几何外形，拓扑表述以及它们在反求建模过程中的演化。随着基于特征的表述的引入，出现了两种主要的重建模方法：边界表述（B-rep）方法【2】和特征模板方法【3,4】。理论上，如果所有主要的特征能够通过点来识别并且一些小的特征在某种程度上允许被忽略，B-rep方法能够形成准确的并且拓扑连续的模型。尽管这种方法在自然表面上的固有特征语义和拓扑信息表述上具有很大的优势，但是它很难做到与复杂的任意形式表面特征整合到一起。在这种表面上特征语义通过一系列的几何图元和从点集中提取的约束来定义。特征模板方法根据应用情况来处理特定的几何图元，例如衣服设计中服装模特的特征和机械工程中的生产制造特征。因此，特征模板法不能直接针对一般工业产品归结到反求设计中。现有的商业反求工程系统，诸如CopyCAD, Geomagic系列，Imageware和RE-SOFT已经根据传统工业产品的可靠的技术方案为它们提供了不同的反求建模解决方法【5】。然而，由于特征表述的缺乏，所得到的拓扑CAD模型通常是不准确和不连续的。最终的结果是，所得的模型很难代表产品最初的设计构想而且也很难有效地修改最终的模型参数。从功能设计的角度来看，来自点云而没有特征表述的最终的反求工程模型可能无法证实最初的流体动力学特性。我们通过特征语义表述将基于特征的解决方案整合到RE-SOFT系统中。最终我们的方案可以处理不同特征的表面类型从而还原了暗含在物理原型中的设计信息。不同的解决方案适用不同的表面类型和不同的代表初始设计理念的特征参数。在反求建模过程中存在两种基本的解决方案，基于片段曲线特征的方案和基于表面特征的方案。在第一种解决方案中，由有序的点代表的部分曲线是通过片切点云【6】构造的。接着特征基元诸如线段，圆弧角度，B-spline以及内部约束可以通过这些有序的点来识别。通过优化施加于约束上的单一的或者多个原始参数来产生参数特征曲线【7】。最终，表面特征通过扫描的方法进行模拟。另一种解决方案则估计了点云的微分几何属性。然后表面特征基元和几何规律诸如二次曲线，挤压的和旋转的表面，混合，对称性以及阵列可以通过使用点云和它的微分几何信息【8-11】提取出。通过整体地优化施加于工程约束的特征原始参数来构建最终的表面模型。图1显示了RE-SOFT中反求建模的基本解决方法，它们都分别用矩形圈起。以上所提到的方法在实际应用中经常互相交叉使用，如图1中的虚线所描述的那样。我们的反求工程系统直接使用点云而不是三角形网格作为几何图形的基础构造。整合在我们的方案中的主要算法和方法主要有：●除了解析几何外，自由形态的曲线和表面也包含在我们的受约束配合过程中●使用4D Shepard表面代替原先数千个局部表面片段来估计微分几何属性●使用了一种基于数据配准技术的对称面提取算法●通过使用