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. . ..基于CATIA V5的逆向工程自由曲面重构技术﹡何 伟（.农业大学海洋学院， 066003）摘要：以 CATIA V5为平台，对以虾仁为代表的自由曲面散乱点云数据，采用“控制点调面”的方法完成了曲面重构，并对其构建步骤进行了详尽的描述，进而提出这一曲面精准重构方法的应用技巧。
关键词：逆向工程；CATIA V5；曲面重构；控制点调面中图分类号： TH122 文献标识码：A 文章编号：0 引言自由曲面形状复杂，其曲面重构一直是逆向工程研究的热点和难点之一。
逆向工程上NURBS设计技术最常使用的作业模式是对点云数据应用控制多边形或者逼近的方法创建初始造型[1—6]。
一般采用工程技术中常规构面手段，如CATIA 由线架构用逼近方法构面有多种办法，可采用的有：GSD 模块中的放样曲面（Loft ）、填充曲面（Fill ）和扫描曲面（Sweep ）；FSS 模块中的填补曲面（Fill ）、外形拟合（Fit to Geometry ）、扫掠曲面（Styling Sweep ）和网格曲面。
但对于医疗领域中人赝耳、鼻和假肢等人体器官[7，8]和玩具行业中布绒填充类玩具[9]等三维实体的逆向重构，经反复试验证明其效果没有针对性且精度上差强人意。
本文以CATIA V5R16为平台，针对以虾仁为代表的自由曲面的散乱点云数据，采用“控制点调面”法完成其曲面重构并提出这一方法的应用技巧。
1 虾仁曲面重构按如图1所示流程对处理好的虾仁点云进行曲面重构，先进行线架构，然后采用 “控制点调面”的方法构建虾段曲面，再通过虾段曲面间的调整构建虾仁全部外表面，在此过程中需要做截面线并进行曲面质量评价。
这里重点探讨如何采用“控制点调面”法完成虾段曲面重构，以虾尾某段体节为例。
图 1曲面重构流程 Figure1 Flowchart of surface reconstruction1.1虾段曲面重构1.1.1 做截面线首先完成此段虾尾特征曲线线架构，如图2所示。
CATIA软件曲面建模技巧Catia软件是一款广泛应用于工程设计和制造领域的三维建模软件。
曲面建模是Catia软件中的一个重要功能，通过灵活运用曲面建模技巧可以实现更为精细和复杂的设计。
本文将介绍一些Catia软件曲面建模的技巧和方法。
一、曲面建模简介在Catia软件中，曲面建模是基于曲面定义的模型构建方式。
通过创建和编辑曲面，我们可以构建出各种复杂的产品形状和曲线。
曲面建模相比于实体建模，可以更加自由地表达设计者的想法和要求，提供更大的设计灵活性。
二、基本曲面绘制1. 创建曲面在Catia软件中，我们可以通过多种方法创建曲面。
例如，可以使用曲线工具绘制曲线然后利用曲线来创建曲面，也可以使用曲面工具直接绘制曲面。
在创建曲面时，可以根据设计需求选择合适的绘制方法。
2. 编辑曲面Catia软件提供了丰富的曲面编辑工具，可以对已有的曲面进行修改和调整。
例如，可以使用平移、旋转、缩放等操作来调整曲面的大小和位置，也可以使用修剪、填充、切割等操作来改变曲面的形状和结构。
三、曲面拟合技巧1. 拟合曲面在实际设计过程中，我们常常需要根据已有的曲线或曲面来生成新的曲面。
Catia软件提供了曲面拟合工具，可以通过选择已有的曲线或曲面进行拟合操作。
拟合曲面时，可以指定曲面的类型和度数，从而达到更好的设计效果。
2. 曲面平滑曲面平滑是提高产品外观质量的重要技巧之一。
在Catia软件中，我们可以通过调整曲面的节点和控制点，使用曲率连续性工具，来使曲面在过渡处更加平滑。
通过合理运用曲面平滑技巧，可以消除因曲面变化导致的不连续性，提高产品的美观性和舒适度。
四、曲面修剪和联接1. 修剪曲面有时候，我们需要对曲面进行修剪，以满足设计要求。
在Catia软件中，可以使用曲面修剪工具对曲面进行修剪操作。
通过选择修剪边界和修剪刀具，可以将曲面进行精确的修剪。
2. 曲面联接曲面联接是将两个或多个曲面进行无缝连接的技巧。
在Catia软件中，可以使用曲面联接工具将曲面进行联接。
CATIA V5Free Style Shaper & Optimize & Profile ( 自由造型曲面& 最佳化曲面& 輪廓曲面)內容大綱︰Translate3-1-1.點型式Point.14歐幾里得幾何長度︰200mm預設參考點及方向選取不在曲線上的點測量學比例︰0.4點選位置指定方向, 輸入距Fig.2Fig.1Fig.23-1-1.Fig.1Fig.23-1-2.線型式3-1-2.Fig.1Fig.2Fig.33-1-2.Fig.1Fig.2Fig.33-1-2.Fig.1Fig.2Fig.3選取相切型式(Mono)、輸入值Start=-15 End=30or3-1-2.Fig.2Fig.1輸入值Start=0 End=603-1-3.平面型式3-1-3.3-1-3.3-1-3.3-1-3.3-2-1.點數︰6點，偏移值＝0點數︰7點，偏移值≠03-2-1.點數︰5點，Number of arc︰4 (點數-1)點數︰9Number of arc︰43-2-1.ClickClick3-2-1.點選顯示(Display)(Creation Type)顯示(Display)顯示操作指標(Manipulators)顯示階數(Order)顯示點數(Number of points)等位參數(Isoparameter)接近點︰更改階數控制點︰顯示點數操作方法︰3-2-4.方向(Direction)正交羅盤3-2-5.點取曲線.1曲線.2顯示(Display) ︰顯示(Display) ︰張力值(Tension)顯示(Display)︰連接點(Contact Point)3-2.曲線建立3-2-6.3-3-1.點取，即可編修階數及尺寸點選第二點前，可按3-3-1.點選第三點前，可按，即可編修階數及尺寸點選第三點前，按Ctrl 鍵，可建立對稱的單一曲面3-3-3.操作方法︰3-3-4.Geometry Extraction點選第二點前，可按Ctrl 鍵，第一點即為平面中心Fig.1Fig.2Fig.3正交方向羅盤方向按Display Corners 按Ctrl 鍵3-3-6.操作方法︰(Display)3-3-7.相切張力值曲度張力值(Curvature)3-3-8.保留3-3-9.二邊三邊四邊Close3-3-10.3DF5︰定義及切換羅盤方向並可於指令中切換方向羅盤︰XY羅盤︰YZ點選3 點羅盤︰XZ點選4 點完成3-3-10.3D選取一段點選一點OK點選一點3-3-10.3D 曲線 3D Curve* 進階選項 (Advance Option) 釋放 或 限制點限制點釋放點* 不鎖定幾何元件 ( Disable geometry detection ) ︰點除外 鎖定幾何元件︰以幾何元件優先 第41頁不鎖定幾何元件︰以羅盤平面 優先，並將點投影到平面上3.基本繪圖指令3-3.曲面建立 Surface Creation3-3-11.網狀曲面 Net Surface (FSP)操作方法︰點取 彈出 Net Surface 對話框 預設先選取guide Curves 選取 guide Curves (可複選) 選取 對話框中的 profiles選取 Profiles Curves (可複選)第42頁3.基本繪圖指令3-3.曲面建立 Surface Creation3-3-12.掃掠造型面 Styling Sweep (FSP)操作方法︰點取 彈出 Styling Sweep 對話框 選取 掃掠型式(Sweep type) 選取 profile & spine & guide OK簡單掃掠 (Simple sweep)掃掠&擷取 (Sweep & snap) ProfileSpine 第43頁GuideOK3-3-12.掃掠造型面 Styling Sweep (FSP)掃掠&適合 (Sweep & Fit)Profile 掃掠接近的斷面 (Sweep near profiles)SpineGuideOK第44頁3-3-12.掃掠造型面 Styling Sweep (FSP)資訊 (Information)︰顯示 profile, spine, guide的提示字元 限制點 ( Limit points)︰顯示 限制點，並可拉動該點說明︰ 掃掠和擷取 (Sweep & snap)︰掃掠曲面會 relimited 於 guide 上而且 profile 不會隨著 guide 而 deformation 掃掠和適合 (Sweep & Fit)︰掃掠曲面不會 relimited 於 guide 上而且 profile 會隨著 guide 而 deformation第45頁3.基本繪圖指令3-4.通用工具 Generic Tools3-4-1. 應用顯示選項 Apply Visualization Option 3-4-2. 移除顯示選項 Remove Visualization Option操作方法︰點取 彈出 Dress-Up 對話框 選取 曲面 選取顯示項目 OK移除顯示選項點取 選取 曲面第46頁3.基本繪圖指令3-4.通用工具 Generic Tools3-4-3. 快速羅盤定位 Quick Compass Orientation操作方法︰點取或 F5 顯示 Quick Compass Orientation 工具列定義羅盤於 XY平面上 Make XY the Privileged Plane定義羅盤於 YZ平面上 Make YZ the Privileged Plane定義羅盤於 XZ平面上 Make XZ the Privileged Plane定義羅盤隨視角轉換自動切換於 XY, YZ, XZ 平面上 Make Privileged Plane Most Visible以現有的平面 或 選取 3 點定義羅盤 Set compass orientationReset 羅盤基面成為預設平面將羅盤由右上角移至上次貼附的元件上，若無上次貼附 則移至 XY 平面 或 由元件移回右上角 In Model or On Perch建立羅盤的平面使用羅盤的時機︰選擇定義平面或方向︰切換羅盤方向 平移、旋轉︰如右圖所示 切換視圖︰單點羅盤上的 X, Y, Z 字母 移動元件︰將羅盤貼附元件 選取幾何元件 直接移動羅盤(如右圖)可 Double Click 羅盤 ，顯示 Compass Manipulation 以此對話框可精確定位羅盤第47頁3.基本繪圖指令3-4.通用工具 Generic Tools3-4-4. 自動偵測 Autodetection操作方法︰點取或 F12 顯示 Autodetection Setting 對話框Click “Snap”Click “Reset”自動偵測角落 自動偵測邊界 自動偵測控制點 自動偵測 Segment顯示 “點座標”顯示 “顯示選 項”Coordinate & 自動偵測 Segment第48頁Search dressing & 自動偵測控制點3.基本繪圖指令3-4.通用工具 Generic Tools3-4-5. 更新Update3-4-6. 軸系Axis System3-4-7. 建立基準 Create Datum當此 ICON 亮起表示元件尚未更新，請按此 ICON 更新元件軸系操作方法︰點選 顯示 Axis System Definition 對話框 選取原點(Origin) 選取 X, Y, Z 軸按下此 ICON 後建立的幾何元件便無父子關係 (可 Double Click 鎖住此 ICON) 第49頁3.基本繪圖指令3-5.視圖操作 View Manipulation3-5-1. 拉伸視圖Stretch View操作方法︰點取或 F12 顯示 Autodetection Setting 對話框Value = 1 or Reset拉伸指定的範圍︰ Ctrl Drag 1st Point 2nd pointValue = 0.5第50頁。
第一章曲面设计概要1、曲面造型的数学概念：（1）、贝塞尔（Bezier）曲线与曲面：法国雷诺的Bezier在1962年提出的，是三次曲线的形成原理。
这是由四个位置矢量Q0、Q1、Q2、Q3定义的曲线。
通常将Q0，Q1，…，Qn组成的多边形折线称为Bezier控制多边形，多边形的第一条折线与最后一条折线代表曲线起点和终点的切线方向，其他折线用于定义曲线的阶次与形状。
（2）、B样条曲线与曲面：与Bezier曲线不同的是权函数不采用伯恩斯坦基函数，而采用B样条基函数。
（3）、非均匀有利B样条（NURBS）曲线与曲面：NURBS是Non-Uniform Rational B-Splines的缩写。
Non-Uniform（非统一）指一个控制顶点的影响力的范围能够改变。
当创建一个不规则曲面的时候，这一点非常有用。
同样，统一的曲线和曲面在透视投影下也不是无变化的，对于交互的3D建模来说，这是一个严重的缺陷。
Rational（有理）指每个NURBS物体都可以用数学表达式来定义。
B-Spline（B样条）指用路线来构建一条曲线，在一个或更多的点之间以内差值替换。
（4）NURBS曲面的特性及曲面连续性定义：NURBS曲面的特性：NURBS用数学方法来描述形体，采用解析几何图形，曲线或曲面上任何一点都有其对应的坐标（x,y,z），据有高度的精确性。
曲面G1与G2连续性定义：Gn表示两个几何对象间的实际连续程度。
●G0：两个对象相连或两个对象的位置是连续的。
●G1：两个对象光滑连接，一阶微分连续，或者是相切连续的。
●G2：两个对象光滑连接，二阶微分连续，或者两个对象的曲率是连续的。
●G3：两个对象光滑连接，三阶微分连续。
●Gn的连续性是独立于表示（参数化）的。
2、检查曲面光滑的方法：①、对构造的曲面进行渲染处理，可通过透视、透明度和多重光源等处理手段产生高清晰度的、逼真的彩色图像，再根据处理后的图像光亮度的分布规律来判断出曲面的光滑度。
