1、引言逆向工程也稱反求工程或反向工程， 是根據已存在的產品或零件原型構造產品或零件的工程設 計模型，并在此基礎上對已有的產品進行剖析、理解和改進，是對已有設計的再設計。從廣義講，逆向工程可分以下三類 :(1) 實物逆向 :它是在已有產品實物的條件下， 通過測繪和分折， 從而再創造 ;其中包括功能逆向、 性能逆向、方案、結構、材質等多方面的逆向。實物逆向的對象可以是整機、零部件和組件。(2) 軟件逆向 :產品樣本、技術文件、設計書、使用說明書、圖紙、有關規范和標準、管理規范 和質量保證手冊等均稱為技術軟件。軟件逆向有三類:既有實物，又有全套技術軟件 ;只有實物而無技術軟件 ;沒有實物，僅有全套或部

2、分技術軟件。(3) 影像逆向 :設計者既無產品實物，也無技術軟件，僅有產品的圖片、廣告介紹或參觀后的印 象等，設計者要通過這些影像資料去構思、設計產品，該種逆向稱為影像逆向。目前，國內外有關逆向工程的研究主要集中在幾何形狀的逆向，即重建產品實物的 CAD ，稱 為“實物逆向工程 ”。逆向工程與順向工程如下圖 l 所示 :逆向工程數據測量技術 數據測量是通過特定的測量設備和測量方法獲取產品表面離散點的幾何坐標數據， 將產品的幾 何形狀數字化。 其測量原理是 :將被測產品放置于三坐標測量機的測量空間內，可以獲得被測產品上各個測量點的坐標位置，根據這些點的空間坐標值，經過計算機數據處理，擬合形成測量

3、元素，如 圓、球、圓柱、圓錐、曲面等，經過數學計算的方法得出其形狀、位置公差及其它幾何量數據。高 效、高精度地獲取產品的數字化信息是實現逆向工程的基礎和關鍵。現有的數據采集方法主要分為兩大類 :(1) 接觸式數據采集方法接觸式數據采集方法包括使用基于力的擊發原理的觸發式數據采集和 連續式掃描數據采集、磁場法、超聲波法。接觸式數據采集通常使用三坐標測量機，測量時可根據 實物的特征和測量的要求選擇測頭及其方向，確定測量點數及其分布，然后確定測量的路徑，有時 還要進行碰撞的檢查。觸發式數據采集方法采用觸發探頭，觸發探頭又稱為開關測頭，當測頭的探 針接觸到產品的表面時，由于探針受理變形觸發采樣開關，通

4、過數據采集系統記下探針的當前坐標 值，逐點移動探針就可以獲得產品的表面輪廓的坐標數據。 常用的接觸式觸發探頭主要包括 :機械式 觸發探頭、 應變片式觸發探頭、 壓電陶瓷觸發探頭。 采用觸發式測頭的優點在于 :適用于空間箱體類 工件及已知產品表面的測量 ;觸發式探頭的通用性較強，適用于尺寸測量和在線應用;體積小，易于在狹小的空間內應用 ;由于測量數據點時測量機處于勻速直線低速狀態，測量機的動態性能對測量精度的影響較小。但由于測頭的限制，不能測量到被測零件的一些細節之處，不能測量一些易碎、易 變形的零件。另外接觸式測量的測頭與零件表面接觸，測量速度慢，測量后還要進行測頭補償，數 據量小，不能真實的

5、反映實體的形狀。(2) 非接觸式數據采集方法非接觸式數據采集方法主要運用光學原理進行數據的采集，主要包括 :激光三角形法、激光測距法、結構光法以及圖像分析法等。非接觸式數據采集速度快、精度高，排除了由測量摩擦力和接觸壓力造成的測量誤差，避免了 接觸式測頭與被測表面由于曲率干涉產生的偽劣點問題，獲得的密集點云信息量大、精度高，測頭 產生的光斑也可以做得很小，可以探測到一般機械測頭難以測量的部位，最大限度地反映被測表面 的真實形狀。 非接觸式數據采集方法采用非接觸式探頭， 由于沒有力的作用， 適用于測量柔軟物體 ; 非接觸式探頭取樣率較高，在 50 次/秒到 23000 次/秒之間，適用于表面形狀

6、復雜，精度要求不特別 高的未知曲面的測量，例如 :汽車、家電的木模、泥模等。但是非接觸式探頭由于受到物體表面特征 的影響 (顏色、光度、粗糙度、形狀等 )的影響較大，目前在多數情況下其測量誤差比接觸式探頭要 大，保持在 10 微米級以上。該方法主要用于對易變形零件、精度要求不高零件、要求海量數據的 零件、不考慮測量成本及其相關軟硬件的配套情況下的測量。總之， 在可以應用接觸式測量的情況下， 不要采用非接觸式測量 ;在只測量尺寸、 位置要素的情 況下盡量采用接觸式測量 ;考慮測量成本且能滿足要求的情況下，盡量采用接觸式測量; 對產品的輪廓及尺寸精度要求較高的情況下采用非接觸式掃描測量;對離算點的

7、測量采用掃描式 ;對易變形、精度要求不高的產品、要求獲得大量測量數據的零件進行測量時采用非接式測量方法。共 2 頁。逆向工程數據處理技術數據處理是逆向工程的一項重要的技術環節，它決定了后續 CAD 模型重建過程能否方便、準 確地進行。 根據測量點的數量， 測量數據可以分為一般數據點和海量數據點 ;根據測量數據的規整性， 測量數據又可以分為散亂數據點和規矩數據點;不同的測量系統所得到的測量數據的格式是不一致的，且幾乎所有的測量方式和測量系統都不可避免地存在誤差。因此，在利用測量數據進行 CAD 重建前必須對測量數據進行處理。 數據處理工作主要包括 :數據格式的轉化、 多視點云的拼合、 點云 過濾

8、、數據精簡和點云分塊等。每個 CAD/CAM 系統都有自己的數據格式， 目前流行的 CAD/CAM 軟件的產品數據結構和格式 各不相同，不僅影響了設計和制造之間的數據傳輸和程序銜接， 而且直接影響了 CMM 與 CAD/CAM 系統的數據通訊。 目前通行的辦法是利用幾種主要的數據交換標準（IGES 、STEP、AutoCAD 的 DXF等）來實現數據通訊。在逆向工程實際的過程中，由于坐標測量都有自己的測量范圍，因此無論我們采用什么測量方 法，都很難在同一坐標系下將產品的幾何數據一次完全測出。產品的數字化不能在同一坐標系下完 成，而在模型重建的時候又必須將這些不同坐標下的數據統一到一個坐標系里，

9、這個數據處理過程 就是多視數據定位對齊 （多視點云的拼合 ）。多視數據的對齊主要可以分為兩種 :通過專用的測量軟件 裝置實現測量數據的直接對齊 ;事后數據處理對齊。采用事后數據處理對齊又可以分為:對數據的直接對齊和基于圖形的對齊。對數據的直接對齊研究研究中，出現了多種算法，如ICP 算法 ;四元數法;SVD法;基于三個基準點的對齊方法等。數據平滑的目的是消除測量數據的噪聲，以得到精確的數據和好的特征提取效果。目前通常是 采用標準高斯、平均或中值濾波算法。其中高斯濾波能較好地保持原數據的形貌，中值濾波消除數 據毛刺的效果較好。因此在選用時應該根據數據質量和建模方法靈活選擇濾波算法。運用點云數據進

10、行造型處理的過程中，由于海量數據點的存在，使存儲和處理這些點云數據成 了不可突破的瓶頸。實際上并不是所有的數據點都對模型的重建起作用，因此，可以在保證一定的 精度的前提下減少數據量，對點云數據進行精簡。目前采用的方法有：利用均勻網格減少數據的方法;利用減少多變形三角形達到減少數據點的方法;利用誤差帶減少多面體數據點的方法。數據分割是根據組成實物外形曲面的子曲面的類型，將屬于同一曲面類型的數據成組，劃分為 不同的數據域，為后續的模型重建提供方便。數據分割方法可以分為基于測量的分割和自動分割兩 種方法。目前的分割方法有 ：基于參數二次曲面逼近的數據分割方法;散亂數據點的自動分割方法 ;基于 CT

11、技術的數據分割方法。逆向模型重建技術在整個逆向工程中，產品的三位幾何模型 CAD 重建是最關鍵、最復雜的環節。因為只有獲得 了產品的 CAD 模型我們才能夠在此基礎上進行后續產品的加工制造、快速成型制造、虛擬仿真制 造和進行產品的再設計等。在進行模型重建之前，設計者不僅需要了解產品的幾何特征和數據的特 點等前期信息，而且需要了解結構分析、加工制作模具、快速成型等后續應用問題。目前使用的造 型方法主要有 ：（1）曲線擬合造型 ：用一個多項式的函數通過插值去逼近原始的數據，最終得到足夠光滑的曲面。 曲線是構成曲面的基礎，在逆向工程中常用的模型重建方法為，首先將數據點通過插值或逼近擬合 成樣條曲線，

12、然后采用造型軟件完成曲面片的重構造型。優點是原理比較簡單，只要多項式的次數 足夠高就可以得到滿意的曲面，但也容易造成計算的不穩定，同時邊界的處理能力也比較差，一般用于擬合比較簡單的曲面。(2) 曲面片直接擬合造型該方法直接對測量數據點進行曲面片擬合， 獲得曲面片經過過渡、 混合、 連接形成最終的曲面模型。 曲面擬合造型既可以處理有序點， 也可以處理散亂數據點。 算法有 :基于 有序點的 B 樣條曲面插值 ;B 樣條曲面插值 ;對任意測量點的 B 樣條曲面逼近。(3) 點數據網格化網絡化實體模型通常是將數據點連接成三角面片， 形成多面體實體模型。 目前 已經形成兩種簡化方法 :基于給定數據點在保

13、證初始幾何形狀的基礎上， 反復排除節點和面片， 構建 新的三角形，最終達到指定的節點數 ;尋找具有最小的節點和面片的最小多面體。展望 逆向工程的研究已經日益引人注目，在數據處理、曲面片擬合、幾何特征識別、商用專業軟件 和坐標測量機的研究開發上已經取得了很大的成績。但是在實際應用當中，整個過程仍需要大量的 人機交互工作，操作者的經驗和素質直接影響著產品的質量，自動重建曲面的光順性難以保證，下 面一些關鍵技術將是逆向工程主要發展方面 :(1) 數據測量方面 :發展面向逆向工程的專用測量設備，能夠高速、高精度的實現產品幾何形狀 的三維數字化，并能進行自動測量和規劃路徑 ;(2) 數據的頂處理方面 :

14、 針對不同種類的測量數據，開發研究一種通用的數據處理軟件，完善改 進目前的數據處理算法 ;(3) 曲面擬合 :能夠控制曲面的光順性和能夠進行光滑拼接 ;(4) 集成技術 :發展包括測量技術、模型重建技術、基于網絡的協同設計和數字化制造技術等的 逆向工程技術。共 2 頁。逆向工程數據處理技術數據處理是逆向工程的一項重要的技術環節，它決定了后續 CAD 模型重建過程能否方便、準 確地進行。 根據測量點的數量， 測量數據可以分為一般數據點和海量數據點 ;根據測量數據的規整性， 測量數據又可以分為散亂數據點和規矩數據點;不同的測量系統所得到的測量數據的格式是不一致的，且幾乎所有的測量方式和測量系統都不

15、可避免地存在誤差。因此，在利用測量數據進行 CAD 重建前必須對測量數據進行處理。 數據處理工作主要包括 :數據格式的轉化、 多視點云的拼合、 點云 過濾、數據精簡和點云分塊等。每個 CAD/CAM 系統都有自己的數據格式， 目前流行的 CAD/CAM 軟件的產品數據結構和格式 各不相同，不僅影響了設計和制造之間的數據傳輸和程序銜接， 而且直接影響了 CMM 與 CAD/CAM 系統的數據通訊。 目前通行的辦法是利用幾種主要的數據交換標準(IGES 、STEP、AutoCAD 的 DXF等)來實現數據通訊。在逆向工程實際的過程中，由于坐標測量都有自己的測量范圍，因此無論我們采用什么測量方 法，

16、都很難在同一坐標系下將產品的幾何數據一次完全測出。產品的數字化不能在同一坐標系下完 成，而在模型重建的時候又必須將這些不同坐標下的數據統一到一個坐標系里，這個數據處理過程 就是多視數據定位對齊 (多視點云的拼合 )。多視數據的對齊主要可以分為兩種 :通過專用的測量軟件 裝置實現測量數據的直接對齊 ;事后數據處理對齊。采用事后數據處理對齊又可以分為:對數據的直接對齊和基于圖形的對齊。對數據的直接對齊研究研究中，出現了多種算法，如ICP 算法 ;四元數法;SVD法;基于三個基準點的對齊方法等。數據平滑的目的是消除測量數據的噪聲，以得到精確的數據和好的特征提取效果。目前通常是 采用標準高斯、平均或中

17、值濾波算法。其中高斯濾波能較好地保持原數據的形貌，中值濾波消除數 據毛刺的效果較好。因此在選用時應該根據數據質量和建模方法靈活選擇濾波算法。運用點云數據進行造型處理的過程中，由于海量數據點的存在，使存儲和處理這些點云數據成 了不可突破的瓶頸。實際上并不是所有的數據點都對模型的重建起作用，因此，可以在保證一定的 精度的前提下減少數據量，對點云數據進行精簡。目前采用的方法有：利用均勻網格減少數據的方法;利用減少多變形三角形達到減少數據點的方法 ;利用誤差帶減少多面體數據點的方法。數據分割是根據組成實物外形曲面的子曲面的類型，將屬于同一曲面類型的數據成組，劃分為 不同的數據域，為后續的模型重建提供方

18、便。數據分割方法可以分為基于測量的分割和自動分割兩 種方法。目前的分割方法有 :基于參數二次曲面逼近的數據分割方法 ;散亂數據點的自動分割方法 ;基 于 CT 技術的數據分割方法。逆向模型重建技術在整個逆向工程中，產品的三位幾何模型 CAD 重建是最關鍵、最復雜的環節。因為只有獲得 了產品的 CAD 模型我們才能夠在此基礎上進行后續產品的加工制造、快速成型制造、虛擬仿真制 造和進行產品的再設計等。在進行模型重建之前，設計者不僅需要了解產品的幾何特征和數據的特 點等前期信息，而且需要了解結構分析、加工制作模具、快速成型等后續應用問題。目前使用的造 型方法主要有 :(1) 曲線擬合造型 :用一個多項式的函數通過插值去逼近原始的數據，最終得到足夠光滑的曲面。 曲線是構成曲面的基礎，在逆向工程中常用的模型重建方法為，首先將數據點通過插值或逼近擬合 成樣條曲線，然后采用造型軟件完成曲面片的重構造型。優點是原理比較簡單，只要多項式的次數 足夠高就可以得到滿意的曲面，但也容易造成計算的不穩定，同時邊界的處理能力也比較差，一般 用于擬合比較簡單的曲面。(2) 曲面片直接擬合造型該方法直接