GeomagicStudio阶段处理的基本操作实践技巧

任务导入

Geomagic Studio 的点处理阶段、多边形处理阶段是Geomagic Studio 阶段处理的基本操作。通过学习此任务，可以掌握阶段处理的基本操作过程。

知识链接

1.Geomagic Studio 的点处理阶段

1）点处理阶段概述

在逆向工程中，对点云数据的预处理是完成被测物体模型扫描后的第一步。在数据的采集中，由于随机（环境因素等）或人为（工作人员经验等）引起数据的误差，使点云数据包含噪声，造成被测物体模型重构曲面不理想，并从光顺性和精度等方面影响建模质量，因此需在三维模型重建前去除多余的点。又由于被测物体形状过于复杂，导致扫描时产生死角而使数据缺损，这时就要对扫描数据进行修补。为了提高扫描精度，扫描得到的点云数据可能会很大，且其中会包括大量的冗余数据，因此要对数据进行精简。如果不能一次将物体的数据信息全部扫描，就要从各个角度进行多次扫描，再对数据点进行拼接，以形成完整的物体表面点云数据。这些便是点处理阶段对点云数据的处理过程。

Geomagic Studio 的点处理阶段主要是对初始扫描数据进行一系列的预处理，包括去除非连接项、去除体外孤点、采样等处理，从而得到完整的点云数据，可进一步封装成可用的多边形数据模型。其主要思路是：首先导入点云数据进行着色处理来更好地显示点云；然后通过去除非连接项和体外孤点、采样、封装等技术操作，得到高质量的点云或多边形对象。

2）点处理阶段的主要命令

点处理阶段的主要命令在“点”工具栏中，具体包括“采样”“修补”“联合”“封装”四个工具组，如图4-2-17所示。

图4-2-17　“点”工具栏

（1）“采样”工具组。“采样”工具组是指在不移动任何点的情况下减少点的密度，分为“统一”“曲率”“格栅”和“随机”四种工具。

①“统一”工具：按照指定距离的方式对点云数据进行采样，是最常用的采样方法，同时可以指定模型曲率的保持程度。

②“曲率”工具：按照设定的百分比减少点云数据，同时可以保持点云曲率明显部分的形状。

③“格栅”工具：手动对导入的点云按照点与点的距离进行等距采样，适合于散乱无序的点云数据。

④“随机”工具：用随机的方法对点云进行采样，适用于模型特征比较简单、规则的无序点云数据。

（2）“修补”工具组。“修补”工具组是对点云数据按照一定的方式进行精减。

①“修剪”工具：从对象中删除已选点之外的所有点。

②“删除”工具：从对象中删除所有的选择点。

③“选择”工具：删除偏离主点云的点集或孤岛。

④“减少噪声”工具：减少在扫描过程中产生的噪声点数据。噪声点是指模型表面粗糙的、非均匀的外表点云，是扫描过程中由于扫描仪器轻微抖动等原因而产生的。“减少噪声”工具可以使数据平滑，降低模型噪声点的偏差值，在后来封装的时候能够使点云数据统一排布，更好地表现真实的物体形状。

⑤“着色”工具：点云着色，是为了更加清晰、方便地观察点云的形状。

在“着色”下拉菜单里面还有一个法线命令，该命令分为修复法线和删除法线，使无序的点对象产生所需的法线。

修复法线：对无序的点对象进行处理，使其产生法线、翻转法线、移除不必要的法线。

删除法线：删除裸露在点云之外没有用处的法线。

⑥“按距离过滤”工具：通过用户定义的间距位置，来选择在距离之内或之外的数据，比如通过坐标系的原点来选择数据。

（3）“联合”工具组。“联合”工具组将同一模型的多个扫描数据合并成一个扫描数据或者一个多边形模型。

①“联合点对象”工具：将多次扫描数据对象合并成一个点对象，同时在“模型管理器”中出现一个合并的点。

②“合并”工具：用于将两个或两个以上的点云数据合并为一个整体，并且自动执行点云减噪、统一采样封装、生成可视化的多边形模型，多用于注册完毕之后的多块点云之间的合并。

提示：“联合点对象”工具与“合并”工具的区别在于前者对点云数据处理后仍为点云数据，后者对点云数据处理后就成了多边形数据，即“联合点对象”工具+“封装”工具=“合并”工具。

（4）“封装”工具组。“封装”工具组主要是把点云数据转换为多边形模型。

“封装”工具：将围绕点云进行封装计算，使点云数据转换为多边形模型。

3）Geomagic Studio 扫描数据拼接功能

由于物体表面很大或者很复杂，采集物体数据的过程中，扫描设备不能从一个方向和位置采集到物体表面的完整扫描数据，因此需要从不同方向和位置对物体进行多次分区扫描，从而得到物体各个局部扫描数据。然后对各个局部扫描数据进行拼接，拼接时首先在两片数据点云上选择对应的点，当然这些点的选择不一定十分准确，大概位置相同即可，Geomagic Studio 软件根据两数据点云所反映的实物特征进行拼接，以得到物体完整的点云数据，并通过合并操作得到完整的数据模型。在实际操作过程中，操作者可以根据具体情况使用上述方法以达到最佳效果。

扫描数据拼接功能的主要操作命令在菜单栏“对齐”按钮下的“扫描拼接”工具组中，它包含“手动注册”“全局注册”“探测球体目标”“目标注册”和“清除目标”五个工具，如图4-2-18所示。

图4-2-18　“扫描拼接”工具组

①“手动注册”工具：在重合区域内定义公共特征点以允许用户创建两个或多个重合扫描数据的初始拼接。

②“全局注册”工具：对两个或者多个初始拼接后的点对象或多边形对象进行精确拼接。

③“探测球体目标”工具：探测球体中心并创建用于“目标对齐”命令下的点特征。

④“目标注册”工具：根据“探测球体目标”找到的点特征，对齐两个或多点或者多边形对象，在每个对象上至少需要三个目标。

⑤“清除目标”工具：从对象中删除球形或圆柱形注册目标。

2.Geomagic Studio 多边形处理阶段

1）多边形处理阶段概述

多边形网格化是将预处理过的点云集，用多边形相互连接，形成多边形网格，其实质是数据点与其临近点间的拓扑连接关系以三角形网格的形式反映出来。点云数据集所蕴含的原始物体表面的形状和拓扑结构可以通过三角形网格的拓扑连接揭示出来。

然而，点云在转换为多边形网格后，多边形网格模型的合法性和正确性存在很大的问题，由于点云数据的缺失、噪声、拓扑关系混乱、顶点数据误差、网格化算法缺陷等原因，转换后的网格会出现网格退化、自交、孤立、重叠和孔洞等错误。这些缺陷严重影响网格模型后线处理，如曲面重构、快速原型制造、有限元分析等。

因此多边形处理阶段的工作是修复由于上述原因引起的错误网格，并且通过松弛、去噪、拟合等方式将多边形模型表面进一步优化。经过这一系列的技术处理，从而得到一个理想的多边形数据模型，为多边形高级阶段的处理以及曲面的拟合打下基础。

多边形处理阶段的流程并没有严格的顺序，对于某个具体模型，需要针对该模型的具体问题选择某个操作。常见情况下的流程为修补错误网格、平滑光顺网格表面、填充孔。修复边界/面以及编辑网格命令，要根据模型的具体要求选择是否执行。

2）多边形处理阶段的主要命令

多边形处理阶段的主要命令包含“修补”“平滑”“填充孔”“联合”“偏移”“边界”“锐化”“转换”和“输出”九个工具组，如图4-2-19所示。

如图4-2-19　多边形处理阶段的主要命令

（1）“修补”工具组。

“修补”工具组包含一系列修复网格命令，以修复点云网格化过程出现的网格错误，“修补”工具组如图4-2-20所示。

图4-2-20　“修补”工具组

“修补”工具组所包含的工具及其功能如下。

①“删除”工具：从对象中删除所选多边形，功能与删除键相同。

②“网格医生”工具：自动检测并修复多边形网格内的缺陷。

提示：“网格医生”工具能自动修复网格细微缺陷，可用该工具修复常见错误网格，如钉状物、小孔、非流形等。当模型网格数量较少时，可直接使用“网格医生”工具修复常见错误网格；但当模型网格数量较多时，直接使用“网格医生”工具则会使计算时间过长，此时建议分别使用各自修复命令，直至修复完成，最后使用“网格医生”工具检查是否有遗漏。

③“简化”工具：减少三角形数目，但不影响曲面细节或颜色。

提示：使用“简化”工具会删除模型中的网格，一般情况下不建议使用。通常是通过在点云阶段对点云数量缩减，在封装过程控制面片数量以达到减少网格的效果。

④“裁剪”工具：在对象上叠加一个平面或曲线对象，并移除该对象一侧的所有三角形网格，或在网格与平面的交界处创建一个人工边界。其包含用平面裁剪、用曲线裁剪、用薄片裁剪三种。

用平面裁剪：在对象上叠加一个平面，并移除该平面一侧所有网格，或在交点处创建一个人工边界。

用曲线裁剪：在多边形网格上剪出具有投影修剪曲线形状的部分。

用薄片裁剪：使用二维曲线切割多边形对象，以从多边形对象中切除一个三维块。

⑤“流形”工具：删除非流形三角网格的一组命令。流形三角形是与其他三角形三边相接或两边相接（一边重合）的三角形。“流行”工具包括开流形和闭流形两种。

开流形：从开放的流形对象中删除非流形三角形，该命令将会删除孤立网格。

闭流形：从封闭的流形（体积封闭）对象中删除非流形三角形，在开放的流形对象上，所有三角形均会被视为非流形，并且整个对象会被删除。(www.xing528.com)

⑥“去除特征”工具：删除所选特征，并填充删除后留下的孔。

⑦“重划网格”工具：包括重划网格、细化和重新封装三个命令。

重划网格：重新封装，产生一个更加统一的三角面。

细化：按用户定义的系数细分多边形，以在对象上或所选区域内增加多边形数目。

重新封装：在多边形对象的所选部分上重建多边形网格。

（2）“平滑”工具组。“平滑”工具组对网格进行平滑操作，消除尖角，使表面更加光顺，如图4-2-21所示。“平滑”工具组所包含的工具及其功能如下。

图4-2-21　“平滑”工具组

①“松弛”工具：最大限度减少单独多边形之间的角度，使多边形网格更加平滑。

②“删除钉状物”工具：检测并展平多边形网格上的单点尖峰。

③“减少噪声”工具：将点移至统计的正确位置，以减少噪声（如扫描仪误差）。噪声会使锐边变钝，使平滑曲线变粗糙。

④“快速光顺”工具：使多边形网格或所选部分网格更加平滑，并使网格大小一致。

⑤“砂纸”工具：使用自由手绘工具使多边形更加平滑。

（3）“填充孔”工具组。“填充孔”工具组是对孔洞的识别和填充，如图4-2-22所示。“填充孔”工具组所包含的工具及其功能如下。

图4-2-22　“填充孔”工具组

①“全部填充”工具：自动识别，并填充所筛选的孔。

②“填充单个孔”工具：填充单个孔。

图4-2-22 中右上的“”图标为填充孔的方式，只有在以上某个填充孔工具激活时才能被选中，其中从左至右分别为曲率、切线和平面。

曲率：指定的新网格必须匹配周围网格的曲率。

切线：指定的新网格必须匹配周围网格的切线。

平面：指定的新网格大致平坦。

图4-2-22 中右下的“”图标为识别孔的样式，只在“填充单个孔”工具激活时才能被选中，其中从左至右分别为内部孔、边界孔和搭桥。

内部孔：指定填充一个完整开口。单击选择孔的边缘即可填充。

边界孔：在孔的边缘单击一点以指定起始位置，再在孔边缘上单击另一点以指定局部填充的边界，最后单击边界线一侧，以选择填充孔的位置是在边界线的“左侧”或“右侧”。

搭桥：指定一个通过孔的桥梁，以将孔分成可分别填充的孔。使用该功能将复杂的孔划分为更小的孔，以便更精确地进行填充。在孔边缘上单击一点，将其拖至边缘上的另一点，然后松开按键以创建桥梁的一端。当再次松开按键时，桥梁创建成功。

（4）“联合”工具组。“联合”工具组如图4-2-23所示，它所包含的工具及其功能如下。

图4-2-23　“联合”工具组

①“合并”工具：将选择的两个或多个多边形对象合并为单独的复合对象，该命令可自动执行降噪、全局配准与均匀抽样操作，并能将“模型管理器”中产生多边形对象放到名为“合并N”的对象内。

②“曲面片”工具：合并一个已经存在的点云对象或多边形对象到一个新的多边形对象中，使其更好地拟合。

③“联合”工具：通过两个或多个活动多边形对象创建单独多边形对象。

④“布尔”工具：生成一个作为两个活动对象的并集或交集，或一个对象减去其与其他对象交集的新对象。

⑤“平均值”工具：创建一个作为两个或更多原始对象平均值的新活动对象。

（5）“边界”工具组。“边界”工具组如图4-2-24所示，它所包含的工具及其功能如下。

图4-2-24　“边界”工具组

①“修改”工具：在多边形对象上修改边界的命令。“修改”工具包括了编辑边界、松弛边界、创建/拟合孔、直线化边界和相分边界。

编辑边界：使用控制点和张力重建一个人工边界。

松弛边界：松弛多边形网格使自然边界更加平滑。

创建/拟合孔：切出一个完好的孔，将锯齿状孔转化为完好的孔，或调整孔的大小，并创建一个有序的自然边界。

直线化边界：在现有边界线上确定两个点，并选择需要直线化的边界部分，以创建直线边界。

相分边界：沿边界线标记特殊点，使其在编边界时作为端点。

②“创建”工具：在多边形对象上创建人工边界的一组命令。“创建”工具包括了样条边界、选择区边界、多义线边界和折角边界。

样条边界：根据用户控制点布局创建一个样条，并将样条转换为边界。

选择区边界：选择一组多边形周围创建边界。

多义线边界：沿用户选择的顶点路径创建一个边界。

折角边界：在法线相差指定角度或更大角度的每对相邻多边形之间创建边界。

③“移动”工具：移动现有边界的一组命令。“移动”工具包括投影边界到平面、延伸边界和伸出边界。

投影边界到平面：将接近边界的现有三角形拉伸，以将选择的边界投射到用户定义的平面。

延伸边界：按周围曲面提示的方向投射一个选择的自由边界。

伸出边界：将选择的自然边界投射到与其垂直的平面。

④“删除”工具：移除非自然边界的一组命令。“删除”工具包括删除边界、删除全部边界和清除细分点。

删除边界：从对象中删除一个或多个边界。

删除全部边界：清除包括细分边界在内（不包括自然边界）的所有边界。

清除细分点：从选择的三角形区域中移除细分点。

（6）“转换”工具组。“转换”工具组能将多边形对象转换为点云对象，如图4-2-25所示。它所包含的工具及其功能如下。

“转为点”工具：通过移除三角面而保留优先权的点云，转换多边形对象到点云对象。

图4-2-25　“转换”工具组

（7）“输出”工具组。“输出”工具组将数据模型输出到其他软件中再次编辑，如图4-2-26所示。它所含的工具及其功能如下。

“发送到”工具：允许模型数据发送到另一个应用中，以便进一步分析，软件支持将模数据发送到Spacec Claim Engineer 与Geomagic Design Direct 中。

图4-2-26　“输出”工具组

任务实施

1.试说明Geomagic Studio 点处理阶段的主要操作步骤。

2.在“填充孔”工具组中，填充孔的方式各是什么？说明其内容。

知识拓展

总结Geomagic Studio 各处理阶段的流程，并做出流程图。