基于Imageware的鼠标逆向造型

周天琦

摘要：针对目前正向鼠标造型过程中存在的设计效率低下、成熟鼠标设计数据无法有效复用等问题，基于逆向工程理论和Imageware软件，研究了鼠标的逆向造型方法，在缩短鼠标设计周期的同事，有效规避设计风险，并提高鼠标产品的设计质量。

关键词：鼠标；逆向造型；Imageware

引言：

随着计算机电子技术和工业制造水平的不断发展，消费者对鼠标的要求不仅体现在功能上与计算机系统兼容，同时在外观、造型等人体工学和美学方面也提出了更高的要求。当前，在鼠标产品功能日趋完善的情况下，鼠标的造型逐渐成为广大消费者关注的重点。但长期以来，鼠标的外观造型通常采用正向设计方法，设计效率较低，产品投放市场的周期较长。而目前各大鼠标厂商对鼠标产品市场份额的竞争已日趋白热化，如何在短时间内将符合消费者设计要求的鼠标产品投放到市场，直接决定了企业能否生存。此外，优秀的鼠标产品外形应兼顾美学和人体工学的设计要求，但这一过程需要通过多次试验和市场反馈方能达到，在设计过程中充分有效地重用已有的鼠标外形设计知识，不仅能缩短设计周期，同时能够规避设计风险，提高鼠标产品的设计质量。

但在对已有成熟鼠标产品的借鉴过程中，若无设计图样，设计者同样无法准确了解相关设计数据，进而影响对原鼠标设计者设计意图的剖析，而针对其改进优化也将无从谈起，且鼠标产品曲面多为自由曲面，无法用准确的数学表达式表达，致使设计师无法有效重构产品原始数模。基于此，本文提出运用逆向工程方法[1-3]，基于Imageware软件快速重构鼠标的三维模型，为新的鼠标产品造型设计提供数据支撑。

1.鼠标逆向造型流程

鼠标逆向造型流程如图1所示，主要分为三个部分：

（1）鼠标外型点云采集。运用点云测量设备获取鼠标外型的点云坐标数据，该数据是后续逆向造型的基础。

（2）鼠标外型点云处理。将采集到的点云数据导入Imageware中，完成点云数据的去噪、对齐、精简、分割等预处理，提高点云的质量。

（3）鼠标外型曲面重构。基于预处理过的鼠标点云数据，在Imageware中构建鼠标轮廓线，并基于此，构建鼠标外型曲面，并对构建的曲面进行误差分析，保证曲面的重构质量。

2.鼠标外型点云数据采集

2.1鼠标外形结构分析

本文以联想Thinkpad 0A36414蓝牙激光鼠标为研究对象（如图2所示），该鼠标颜色为磨砂黑，鼠标重量63g，采用4向滚轮设计，鼠标外观设计小巧、精美，呈现流线型。该鼠标为左右对称设计。该鼠标尺寸为9.6mm*5.6mm*3.2mm，上表面为平滑的弧形曲面，侧面为直纹面，底面为平面，上表面和侧面平滑过渡，无锐角，可分别对上表面、侧面和底面进行测量，之后在拼接生成整体点云。

2.2 运用ATOS系统采集鼠标点云数据

常见的点云测量方法有接触式和非接触式两种[4]，本文采用ATOS光学非接触式测量设备对鼠标外型面进行测量。通过对鼠标外形进行分析，结合ATOS测量系统的使用方法，制定如下测量策略：在第一次测量中确定鼠标的顶面和侧面，第二次测量中确定鼠标的底部，当投影中进行一次测量时，鼠标的位置可能不会相对于参考点而改变，如果顶面测量完成，转动鼠标以便底部的常规参考点被测到，两次投影后，所测的结果放到一起，这样便得到了鼠标的点云数据，最终测得的鼠标点云数据如图3所示。

3.鼠标外型点云数据预处理

3.1 点云对齐

初始点云位于世界坐标系的随机位置，为方便后续建模，需将点云坐标系与世界坐标系对齐，具体方法为：

（1）将点云数据导入Imageware中，在世界坐标系位置构建三个垂直与坐标轴的平面，并分别命名为XY_Plane，XZ_Plane和YZ_Plane；

（2）在点云底部较平坦部位截取一部分点云，并将其拟合为平面，命名为XY_Part_ Plane；

（3）在点云两个侧面分别等高采样两条平行点云，经排序后获取平均点云，并将平均点云拟合为平面，命名为XZ_Part_Plane；

（4）基于逐步式定位方法，将XY_Part_Plane和XY_Plane匹配，XZ_Part_Plane和XZ_ Plane匹配，完成点云的对齐（如图4所示）。

3.2 噪点去除

采用目视法，观察对齐后的点云，并将噪声點从点云数据中剔除，保证点云数据的精度。

3.3 点云精简

为提高曲面拟合时的计算速度，设置点云采样距离为0.5mm，对点云数据进行重新采样，实现点云的精简，精简后，点的数量从89410减少为37203。

4.鼠标外型曲面重构

4.1鼠标轮廓线构建

运用Imageware的投影采样命令，分别鼠标底面、侧面、上表面的投影采样点云，并分别拟合为NURBUS曲线，之后将各部分的曲面缝合，形成鼠标轮廓线（如图5所示）。

4.2 鼠标曲面拟合

在Imageware中，曲面的构建方法总体上可分为基于点云直接生成曲面、基于直线经扫掠、蒙皮等方法生成曲面、点云和曲线混合生成曲面等三种方法。运用Imageware实现曲面连接拟合。通过对鼠标产品点云进行分析，可将鼠标表面分为上表面、侧面和底面三部分，分别对这三部分进行曲面拟合。鼠标的上表面是一个连续曲面，曲率变化不大，可运用点云和曲线混合生成法拟合；鼠标的侧面是直纹面，因而可以用扫掠法拟合；鼠标底面为平面，可直接根据轮廓线拟合，最终形成的鼠标曲面模型如图6所示。将鼠标点云和拟合后的曲面进行误差分析，可以看出误差大部分保持在±0.3mm以内，能满足后续的优化改进需求。

5.结束语

本文通过研究鼠标外型面点云采集、点云数据预处理、鼠标外型面重构等技术，为鼠标的逆向造型提供了一整套解决方案，也为鼠标的创新设计提供了模型基础，在点云采集、曲面重构精度等技术进一步优化后，还可将该方法可=延伸至鼠标的模具加工领域，从而扩展逆向工程技术在鼠标研发中的应用范围。

参考文献：

[1] 王霄.逆向工程技术及其应用[M].北京：化学工业出版社，2004.7.

[2] 张学昌.逆向建模技术与产品创新设计[M].北京：北京大学出版社，2009.9

[3] 彭卓凯. 基于NX和Imageware的正逆向相结合的复杂曲面设计[J]. 机械， 2013， 40（7）：56-60.

[4] 刘伟军，孙玉文.逆向工程：原理、方法及应用[M].北京：机械工业出版社，2009.1.