异形鼠标的三维扫描与数字化模型设计
摘要
此次设计针对“逆向工程”这一技术进行了学习与研究，将其运用到实际生活当中，将生活中带有曲面的物品进行了模型的重建。逆向工程的整体步骤可以简化分为两部分。第一部分为数据的获取，第二部分则为处理数据以及重建模型。可以根据带有曲面的物品的特点，通过逆向技术完成物品模型的重塑。使用了三维天下单目扫描设备进行了精密的地物品扫描工作，再通过Geomagic Studio软件对扫描得到的数据进行处理，从而获得完整的，具体化的数据，用来后期物品模型的重塑工作。使用功能强大且齐全的Geomagic Design X软件，对带有曲面的物品进行模型的重塑。“逆向工程”这一技术具有提高产品更新换代的速度的优势，更有降低工厂，企业高成本投资的风险等等一系列优势。【12】
关键词；逆向技术；数据获取处理；模型的重塑
Abstract
The design of the "reverse engineering" technology for the study and research, to apply it to the real life, the life with the surface of the object model reconstruction. The whole process of reverse engineering can be simplified into two parts. The first part is the acquisition of data, and the second part is the processing data and the reconstruction model. The product model can be reconstructed by reverse technology according to the features of the objects with surfaces. Using the three-dimensional world monocular scanning equipment for the precision of the scanning of the ground, and then through the Geomagic Studio software to scan the data processed, so as to obtain a complete, specific data, used for later model of the remodeling work. Use powerful and complete geomagic design x software to reshape objects with surfaces. The technology of "reverse engineering" has the advantage of improving the speed of product renewal, and has a series of advantages such as reducing the risk of the factory and the high cost investment.
Keywords: Reverse Engineering; Data acquisition and processing; Remodeling of the model
目录
摘要 1
第1章 绪论 3
1.1逆向工程的概述 3
1.2 逆向工程的应用 4
1.3鼠标模型的应用及作用 5
第2章 逆向工程的硬件设备与软件 7
2.1扫描设备 7
2.2点云数据处理软件 9
2.3逆向建模软件 11
第3章 鼠标模型的逆向具体过程 12
3.1 鼠标整体结构的分析 12
3.2 三维扫描 14
3.3点云数据的获取与分析 18
3.4逆向建模 20
第4章 总结 33
致谢 34
参考文献 35
第1章 绪论
1.1逆向工程的概述
逆向工程又称为逆向技术，逆向工程是通过反向思维来实现已完成的产品零件的生产加工过程再现。其主要用途就是利用这种方法，将一些复杂的，带有较多曲面的，并且不知其加工制作方法的物品，零件进行模型的重构，从而去掌握其复杂的制作工艺与技术。尽可能地追赶国外先进制造技术，对我国技术产业革新的速率进行提升，从而在国际市场占有更高的位置。逆向工程的运用可以大大缩短企业，工厂研发新产品的周期，从而 提高新产品研发的效率。应用前景非常广泛，普通产品的设计流程大致可以概述为；产品的作用以及性能的考虑，产品的设计，产品具体参数的得出，产品的建模，最终到产品的研发，生产。然而逆向工程则是通过一个已经完成的物品或者零件，进行结构的分析，随后进行三位扫描，从而将其扫描得出的点云数据进行处理，通过计算机软件进行模型的重构。将一个已完成的物品进行制造过程的还原。中国，作为国际上制造业中的大国，掌握核心的制造技术对于未来发展趋势必不可少，而逆向技术作为制造业中不可或缺的一项技术工程，对于未来国家能够在国际市场上占有一席之地起着十分重要的作用。
1.2 逆向工程的应用
目前为止，逆向工程所涉及到的领域非常广泛，几乎所有的已完成的零件都能够使用逆向技术进行生产，加工过程的还原。逆向工程在军工，航天，汽车，医疗，建筑等行业都有非常广泛的应用。
就汽车行业来说，逆向工程可以将国外一些比较高端的技术生产出来的成品进行还原，从而了解这种产品的生产模型，进而地掌握其技术。
逆向工程还能够运用于各种零件，物品的修复工作当中，这其中包括了破损，以及已损坏的艺术品的修复。通过其外观的扫描，以及处理，最终得到物品生产设计的蓝图，以此来对已破损，损坏的物品进行修复。
逆向工程还能够在军工领域对一些军事技术产品进行复制，甚至能够盗取敌方一些高新技术，在电子对抗中起着不可替代的作用。
逆向工程在民用企业之中运用也十分广泛，在医疗行业中，逆向工程的作用不容小觑，尤其是对一些病人已经损坏，老化的关节，骨头需要进行替换的时候，可以利用逆向技术，对其进行还原，从而制造出能够替代已经老化，损坏的自身骨头关节等。利用逆向工程还原，制造出的替代品，与原身体零件能够更好的相互配合，减少因为人工制造而产生出的差异。具体代表为；假肢替换，牙科手术(种牙，植牙)。【3】
在磨具制造领域逆向技术也起着举足轻重的作用，通常的磨具制造需要对一个物品进行反复的测量与处理以及分析，然后对已获得的数据进行后期的分析，这其中还难免有错误数据的产生，如此以来生产效率就会变得很低，而且人工成本，材料设备成本变得非常高昂。利用逆向工程便可以对已完成的产品进行扫描处理，从而以得到的数据进行建模，来快速地得到产品的磨具，以完成磨具的制造任务。逆向工程相较于传统的生产，加工方式，其优点在于减少了生产的时间，提高了企业工厂的生产效率，同时也降低了人工，材料设备的成本。
1.3鼠标模型的应用及作用
鼠标，作为21世纪科学技术革新之下出现的个人电脑Personal computer（简称PC）必不可少的硬件外设之一，想必对所有人来讲都不陌生。鼠标的起源可以追溯到19世纪的60年代，一个来自于名叫道格拉斯（Douglas Engelbart）的美国人的发明，当然，那时的鼠标可以称之为鼠标的鼻祖，仅仅能进行最基本的定位，所用到的范围也十分局限，因为那时只有中型和大型的计算机，并且那时鼠标的运用大多数只运用于军事领域。
因为运用的局限性，所以那时的鼠标并没有体现出它自身的价值。要说鼠标真正开始被认可接受是在苹果公司的电脑出现之后，再到后来的微软公司的windows 3.1系统问世之后，采用了 “鼠标”这一外设，渐渐地，鼠标才开始被大众所接纳，慢慢地才有了它现在的雏形——机械鼠标。机械鼠标又称为“滚轮鼠标”，顾名思义，就是鼠标下面的感应装置采用的是一个圆型滚珠，机械鼠标是通过圆形的滚珠左右移动去触碰鼠标内部的两个电阻板，来增大或者减小电阻阻值，从而通过这种机械式的感应来实现光标的运动。
随着技术的革新，继机械鼠标之后，光电鼠标诞生了，也就是我们现在家家户户，市场上最常见的新一代鼠标。光电鼠标从外观上最直观的变化就是使用红外扫描的光头取代了古老的机械化滚珠，从而使得鼠标的整体外观变得更加具有科技感，鼠标的即时感应灵敏度，精度(dpi)也得到了大幅度的提升。随着科技的不断进步，逐渐地，人们开始对生活品质越来越注重，同时也对日常使用的物品要求越来越高。人体工学，美学。这样的关键词逐渐进入产品研发设计者的眼帘之中。科学停止不了进步，在一项技术或者说物品的性能提升到一个瓶颈期的时候，性能的提升速度逐渐开始变得缓慢，自然地想要再进行革新只能是从其他的角度或者方面来进行，这时候，对于产品的外观以及实用性，舒适，美观的角度出发，自然有了许多的新思路。
这种新的思路就像雨后的春笋一样，使得市场上各式各样的鼠标一夜之间层出不穷。商务办公方面的人士大多数对于电脑设备都比较注重简约，方便，一切以工作为核心。于是便出现了外形简单且实用性比较高的一类鼠标来满足市场的需求。这种鼠标外观看起来十分简单，延续了最传统的鼠标造型，只是在其基础上进行了美化。在性能方面这种鼠标更加注重质量，使用寿命（左右键及滚轮的点击次数）。随着个人电脑（Personal computer）的普及，PC游戏也渐渐地走向年轻人的业余生活，于是便产生了“电竞”这个名词。电竞，是基于电子游戏之上而衍生出的一种竞技类比赛。它对于电脑的硬件外设有着颇为苛刻的要求，因为需要玩家快速地反映，所以这也使得鼠标必须具有极高的灵敏程度，加上电竞选手通常需要聚精会神，全神贯注地长期使用鼠标，这就让鼠标的舒适程度，人体工学设计有了十分高要求，以满足长期使用时使用者的舒适需求。由此一来，鼠标便有了一个很大的系列，称为“电竞鼠标”（又称游戏鼠标）。
鼠标最初的发明是Douglas Engelbart 想通过一种电脑外部的硬件设备来取代传统的，机械化的，繁琐的键盘代码输入指令来控制计算机的各种运算功能。从而使得电脑的操作变得容易操作，简单化。有一次他在开会的时候，在随身携带的笔记本上用笔画出了鼠标的草图，两个滚轮，它们是相互垂直的，后来在他回去之后将这个草图进行了更加完善的构思与分析，最终将世界上第一个鼠标生产了出来，因此后人将他称为鼠标之父。
道格拉斯制造出的第一个鼠标外形十分简陋，就是一个木制的方形盒子中间有两个感应的相互垂直的滚轮，外面有一条电线，因为造型酷似老鼠，所以将它取名为“鼠标”。后来因为人们对功能，操纵性，以及舒适度等方面的考虑，鼠标的设计逐渐向人体工学靠近，从最初的方形木质盒子，到后来鼠标背部的流线型设计，以及更加适合手握的造型，易于操作的中部滚轮设计，形成了现在我们所看到的鼠标。
尽管后来市面上出现了各种各样，形状各异，功能多到眼花缭乱的鼠标，包括无线鼠标（通过红外信号的传输，取缔了传统的电线传输方式，使得鼠标成为了一个独立的整体，操作起来也更加简洁，没有了电线的束缚。但是无线鼠标需要内置电池电源，并且发射出的电信号会受周围环境因素的影响，从而造成不稳定，这些也是无线鼠标的缺点）。但是左右两个按键加上中间一个滚轮的黑色设计依然是最经典的款式。
鼠标整体的背部弧线，曲面对技术设计有着较高的要求。如果说我们得到一个生产成品的鼠标，想要得到它的数字模型就必须需要具体的尺寸，如果说一个规则的物体，通过正向设计，经过尺子等工具的传统测量方法，是完全可以得出精确数据的。但是鼠标这种不规则的背部曲面设计，使得想通过传统的用尺子等工具来进行测量是完全不可能的。 尽管有一些其他的冷门方法，但是过程都十分繁琐，复杂。如果使用逆向工程进行操作，通过三维扫描仪进行点云数据收集，处理后，便可以很快地得到我们想要的鼠标数字模型。这也就是此次课题项目我们探讨的要点。
参考文献
[1] 中山技术学院，基于逆向工程的毕业设计论文[D]，2014.12.29
[2] 豆丁网，叶轮的毕业设计说明书[D]，2015.10.28
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[4] 环球网，鼠标四十年发展史，2017
[5] 三维天下，三维扫描仪，2018
[6] 百度百科，关键词Geomagic ,2018
[7] 杨晓雪，闫学文. Geomagic Design X三维建模案例教程[P].机械工业出版社.2016.4.1
[8] 成思源，杨雪荣. Geomagic Design X 逆向设计技术[P].清华大学出版社.2017.12.1
[9] 成思源，杨雪荣.Geomagic Studio 逆向建模技术及应用[P].清华大学出版社.2016.8.1
[10] 谢斌. 逆向工程在汽车覆盖件成形技术上的应用[D].合肥工业大学硕士学位论文2005.5
[11] 无锡职业技术学院.Win3DD系列三维扫描系统使用手册.2017
[12] 百度百科，关键词逆向工程，2018.5.1
