基于图像的复杂曲面实体三维建模研究

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Solidworks软件介绍该方法的应用。

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。

Solidworks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。

1.2 建模对象的特征分段

飞机机身一般不可能只有一个简单的曲面特征构成，往往是由多段复杂曲面特征平滑连接而成，所以建模时不可能通过一次扫描或者一次放样构建完成，需要分段一一构建。这样一来，建模前需要对建模对象的曲面实体部分按照截面相近原则依次进行分段，识别出各段的主体截面轮廓以及相邻区段的过渡截面轮廓，这些轮廓的几何形状即为扫描或放样的轮廓元素，因此特征分段的关键就是获取这些轮廓元素，之后依次对每一区段利用扫描或放样工具构建出这些实体特征。

1.3 参考图像的选择及三维参考空间的搭建

放样在飞机建模中应用最多，共有三大要素：1)放样的轮廓；2）放样的引导线；3）放样的过程控制。这三者均对建模结果有着重要影响。构建机身（含机头）时，放样的轮廓一般易于获得，但是放样的引导线通常是自由曲线且不易获得，这就需要借助飞机图像来获取这些曲线，这也就是本文所述的基于图像构建复杂型面产品模型的核心所在。而战机图像是各个姿态的，需要进行甄别选用，选择时可以参考工程图的主、俯、左三视图的构成原理，寻找各个视图的代表图像，用这些图像在Solidworks绘图区中搭建一个三维参考空间。图1左图为来自互联网的一张某型飞机的原始图像，稍加处理后即可作为三视图的基准图。右图即为运用这一原始图像在Solidworks中搭建的三维参考空间图。搭建三维参考空间需要注意的首要问题是要保证三幅图的比例一致，方法是：在插入前先在要插入视图的草图上绘制出代表机长（也可以是机高或翼展）实际尺寸的线段，然后以该线段为标尺放大图像的对应尺寸与该标尺长度相等，注意放大时必须锁定图像的长宽比例。其次，三幅图插入时飞机位置必须一致，方法是：可先在各图像的机头或机身上确定一个统一的参考点，然后插入到Solidworks草图中时让该参考点均与坐标原点重合。

图像的来源可以多种多样，常见的有互联网，教科书，培训资料，媒体资料等等，也可以通过现场的拍摄获取，总之，素材信息的来源很多，可以根据需要做筛选以及后续的处理工作。

1.4 建模过程

有了三维参考空间即可着手建模，建模可从机头开始，按前面所分的区段依次构建各段特征，下面以飞机的整流罩为例介绍建模过程。

飞机的整流罩在采用放样法建模时需要四条引导线，根据实际位置分别命名为脊引导线、腹引导线、左侧引导线和右侧引导线。引导线的获取方法是：以三维参考空间的主视图为绘图平面并依据主视图中飞机整流罩的轮廓摹绘出脊引导线和腹引导线。同样方法，以俯视图为草图绘制平面并依据俯视图上整流罩的轮廓分别摹绘出左侧引导线和右侧引导线，结果如图2所示。以上曲线地绘制均采用样条曲线工具，样条曲线上型值点的数量、位置和相互间的几何关系可根据实际情况调整，调整要以与图像上的目标轮廓最大限度地重合为准。

放样的轮廓来源于零件实体的截面轮廓，应根据所绘区段相应位置的截面形状来绘制，有些地方是圆形，有些地方是椭圆，有些地方可能是组合图形，这些图形信息可以根据收集来的素材进行分析和推理，图3左图即为最终绘制出的整流罩的轮廓线和引导线，右图为根据轮廓线和引导线放样后的结果。

放样所得的特征应最大限度的与图像拟合，图4为构建的整流罩模型与原始图像的套合比对结果。

2 应用实例

运用上述方法构建的某型战机的三维模型如图5所示，飞机外观可根据实际情况通过Solidworks的外观工具和材料工具进行附加，此外还可利用Solidworks的PhotoWorks插件进行渲染以达到逼真的效果。

有时除了要构建出飞机的外形外，往往还需要在飞机内部添加一些骨架或设备，这些骨架或设备可以是仿真的，也可以是等效模型，这要根据实际的需求和所能搜集到的素材信息量确定。有了飞机外壳的三维实体模型后，在其内部添加骨架组件或者设备就有了一定的参考，再结合搜集来的表示飞机内部结构的图像，可大致推理出主要内部件的形状、尺寸和位置，依据这些推理结果可构建出这些组件的三维模型并装配到已构建出的机体内部。图6为含有内部骨架组件等效模型的某型飞机实例。

3 结论

基于图像的复杂型面实体的建模方法主要应用于成型产品的仿真建模，尤其用于解决无法获取装备原型或者虽有装备原型但不便于测量情况下的产品三维仿真建模问题。该方法实施的原则是：首先必须满足神似，其次力求做到形似。至于形似的程度（也即模型的仿真程度）取决于项目的精度要求和所能获取的产品原始数据的精度及广度。很显然，如果原始数据信息不足，再加上产品图像的清晰度、角度以及虚光等因素的影响，建模结果的仿真度肯定要受到影响。如果仅仅为了获取广告和游戏素材，往往只须做到神似即可，但要将建模结果用于某些工程分析、毁伤仿真等科学研究，必须在素材信息的搜集方面下足功夫。