基于3D扫描的逆向建模实验教学研究与实践

魏枫展，毕文波，刘璐，谢宗法

（山东大学 机械工程学院，山东济南 250061）

在新工科以及数字化技术发展背景下，学生实践与创新能力的培养在本科实验教学中愈加重要。我国现阶段高等教育存在的一大突出问题就是毕业生实践与创新能力不足，因此，在实践教育教学过程中，需重新回归理论与实践并重，在理论教学的基础上，重视实践、关注创新[1-3]。尤其是工科类专业的学生，在本科期间不仅需要熟练掌握本专业知识和技能，还需要具备一定的实践与创新设计的能力[4,5]。

逆向工程技术（Reverse Engineering，RE）也被称为反求工程技术、反向工程技术。该技术最早于20世纪60年代被提出。它是指利用先进的数字化测量设备，如测量系统（3D扫描等）、逆向建模软件（Geomagic Design X、UG/NX等），在没有模型具体参数时，能够精准、迅速地获得模型几何轮廓数据，并通过编辑与修改对模型曲面进行重构，使之生成实物原型[6,7]。

随着数字化技术的快速发展，逆向工程技术被广泛应用于产品创新设计和快速成型领域，具有缩短研发周期、减少企业成本和加快产品造型设计的作用[8]。因此，开设基于3D扫描的逆向建模实验课程，对于提高本科生实践和创新能力具有重要的作用，更为构性今后参与企业工作或科研工作打下良好基础。

逆向工程技术是利用已有产品实物数据，进行快速创新设计的重要途径[9]。在实验教学环节中，学生可通过使用3D扫描仪来实现实物产品的建模，并在此基础上开展创新设计。此实验通过让学生对实物原型再现，并进行基于原型的再分析、再设计、再提高，从而实现进一步创新设计，提高学生的实践能力，锻炼和提升其创新设计能力。同时，将逆向工程中更为先进的测量硬件和用于逆向建模获取零件数据的软件应用到较复杂零件的测绘建模实验中，可提高实践教学手段的先进性，加强实践教学内容与学科前沿和工程实际的结合，加大科研成果向本科教学资源的转化力度，强化信息化技术在实验实践教学中的应用[10]。

本次实验的对象为2022年北京冬奥会吉祥物“冰墩墩”，实物模型如图1所示。实验所采用的逆向建模实验流程如图2所示。在实验过程中，首先使用3D扫描仪对零件模型进行数据的采集，完成模型数据的数字化；
其次通过逆向处理软件对获得的点云数据进行预处理；
然后对模型点云数据进行曲面拟合，进而获得实体模型；
最后对实体模型进行修改和设计，完成零件模型的逆向建模。

图1 “冰墩墩”实物模型

图2 实验流程图

2.1 数据获取

模型数据可通过接触式采集和非接触式采集两种方式获取[11]。

接触式采集方法是指采用物理接触被测模型获得数据的方法。三坐标测量机是典型的接触式测量设备，其优点是测量的准确性和可靠性较高、对被测模型的表面颜色的反射性无特殊要求；
但缺点也非常明显，其测量速度慢，尤其对于一些材质较软且表面易变形的零件，测头的接触可能会导致精度受到限制。

非接触式采集方法主要是利用光学原理。激光3D扫描就是典型的非接触式测量设备，其优点是测量速度快、不受零件材质软硬的影响；
缺点是易受环境和零件表面颜色反射的影响。

本次实验采用EinScan-Pro 3D扫描仪对物体进行非接触式数据采集方式，如图3所示，该手持式激光扫描仪扫描的精度高、速度快，便于获取模型的点云数据。数据采集前要对实物模型表面进行预处理，首先要保证实物模型表面清洁干净，然后根据不同类型的表面采取不同的处理方式：对于模型吸光能力强的表面，喷涂一些显像剂；
对于模型复杂的曲面，在曲面处粘贴标志点。模型预处理后即可将其置于扫描仪旋转台上，对产品进行扫描，获取表面数据。

图3 EinScan-Pro 3D扫描仪

2.2 数据处理

本实验选用Geomagic Design X逆向处理软件，该软件是美国Raindrop公司开发的可用于实现零件的正逆向建模的软件。利用Geomagic Design X软件可以将3D扫描仪扫描所得的点云数据通过逆向处理，转化为实体多边形模型和面片网格，并通过该软件能自动获取后续实体重构的NURBS曲面[12]。

逆向工程实体曲面重构的关键步骤就是数据的处理，数据的处理包括两部分：一是对点云数据的处理，二是处理点云数据形成的多边形面片，重构三维模型。数据处理的结果会直接影响后续实体重构曲面的形状。在进行数据处理时，首先要使用Geomagic Design X软件对扫描仪采集到的点云数据进行预处理，再将处理后的点云数据进行封装，形成多边形面片。对多边形面片的处理要根据具体实体表面形状特点进行编辑修改，尤其对于一些复杂的实体曲面，要通过Geomagic Design X软件中的数据偏差分析功能与采集到的点云数据进行分析对比。重复上述步骤直至数字化模型符合设计要求。

2.2.1 点云数据处理

点云数据的采集常常伴随着由环境以及操作者本身操作失误所引起的采集数据存在误差的问题，使点云数据存在噪声。如果不进行点云数据的处理，会导致被测模型曲面构造不理想，尤其对于模型的一些复杂曲面，常常需要重复多次扫描，这会导致扫描得到的原始点云数据异常冗余，因此在完成实体模型的点云数据采集工作后，需要通过Geomagic Design X软件对采集到的点云数据进行优化处理，其中包括对点云数据进行“杂点消除”“删除未连接项”“数据采样”“数据平滑”等工作，使点云数据得到精简优化，处理流程如图4所示。

图4 点云处理流程

图5为经过点云数据处理后，所获得的点云数据。

图5 点云数据

2.2.2 三维模型重构

模型重构是对点云数据经过封装形成的多边形面片文件（即STL文件），使用Geomagic Design X软件的建模功能，根据实物模型的结构特征进行曲线、曲面拟合，从而获得实物模型的过程，也是逆向工程中最为复杂和困难的一步。模型重构的方法一般根据不同情况可分为三种[13]：一是基于几何特征的模型重构，该方法主要运用于模型有明显的几何特征时，如回转体、长方体等特征，使用Geomagic Design X软件中的“提取精灵”等命令直接创建该特征；
二是基于面片草图的模型重构，该方法利用面片草图命令获得草图后，对草图直接进行拉伸、旋转、切除等；
三是基于曲面的模型重构，该方法利用可获得的曲面创建实体。模型重构的过程并无相对固定的操作顺序，可根据模型的具体情况自由地选择模型重构的方法，流程图如图6所示。

图6 三维模型重构流程

图7为经过三维模型重构处理后，所获得的“冰墩墩”模型数据。

图7 三维模型重构

2.3 完成参数化模型

完成三维模型重构后，可将完成的参数化CAD模型保存或者导出到其他CAD软件中进行创新性再设计。Geomagic Design X可无缝对接国内外主流CAD软件，包括SolidWorks、UG、AutodeskInventor和PTC Creo等。“冰墩墩”模型经过三维模型重构处理后导入Creo中处理，模型效果如图8所示。

图8 冰墩墩三维模型

目前，考核评价体系多为单一的终结性评价，即学生的最终成绩是以学生的最终成品或期末考试成绩判断。此种评价方式以最终结果为导向，忽略了学生在整个学习过程中的表现。而多元化考核评价体系与单一的终结性评价不同，是多形式、多主体的课程考核评价机制，会关注学生在整个学期中各个阶段的综合性表现，是一种过程性考核。这种考核评价体系能够提升学生在学习过程中的主动性与自觉性，提高其学习能力，且能更加客观与公正地对学生学业成果与教学质量进行评价[14]。

在实验教学过程中，将学生分为多个小组，每组3-4人。教学过程中会按照教学进度安排小组过程展示，每一次的过程展示成绩由授课教师及组内成员互评分数两部分构成。学生的最终成绩以每次过程展示成绩的平均值确定。

过程展示的方式有多种，如进展汇报、答辩或学生自主采取的展示方式等，评分依据除了学生所完成的作品，还包括整个课程过程中学生展现出的实践能力、问题解决能力、团队协作意识、创新意识等。同时，通过采用组内匿名相互评分的方式，可以更为合理地考查各个学生在组内的项目参与度与组员间协作度，避免出现部分学生平时不参与或较少参与协作过程，但是确因所在小组完成出色而获得较高成绩，造成最终成绩不公平的现象[15]。

许多高校逐步重视工程教育，本文的实验教学模式也是工程教育新思路之一。逆向工程改变了传统产品设计开发模式，是吸收消化新技术与实现产品创新的重要途径，适合本科生教育实践学习。同时，实验教学方法的改革离不开引入先进的设备与仪器辅助，借助新技术可以不断提高教学质量。本次实验借助3D激光扫描仪辅助，有利于学生了解先进的设备仪器，学习新型测量、制造、设计技术，巩固理论知识；
有利于开拓学生知识结构，激发学生创新意识与思维，培养其实践创新能力、解决实际工程问题能力；
有利于学生将理论与实践相结合，提高就业竞争力，适应社会实际需求。同时，通过本文建立的多元化考核评价体系，能够更全面、综合地对学生实验学习成果进行客观评价，也是教学模式改革的重要一环。