逆向工程测量系统
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逆向工程
引言
在工程技术人员的一般概念中，产品设计过程是一个从无到有的过程： 设计人员首先构思产品的外形、性能和大致的技术参数等，然后利用CAD技 术建立产品的三维数字化模型，最终将这个模型转入制造流程，完成产品的 整个设计制造周期。这样的产品设计过程我们可以称之为“正向设计”。 逆向工程则是一个“从有到无”的过程。简单地说，逆向工程就是根 据已经存在的产品模型，反向推出产品的设计数据（包括设计图纸或数字模 型）的过程.随着计算机技术在制造领域的广泛应用，特别是数字化测量技 术的迅猛发展，基于测量数据的产品造型技术成为逆向工程技术关注的主要 对象。通过数字化测量设备（如坐标测量机、激光测量设备等）获取的物体 表面的空间数据，需要经过逆向工程技术的处理才能获得产品的数字模型， 进而输送到CAM系统完成产品的制造。
逆向工程研究方法
现有的逆向工程分析方法主要有以下4种。 (1)词法分析和语法分析 该方法主要是对程序源码进行分析，已经发展得比较成熟。通过词法分析可 以得到程序信息的多种有用表示，其中最常用的是交叉引用列表。通过语法 分析可以得到两类表示:分析树(parse tree)、抽象语法树AST(abstract syntaxtree)，其中AST是更复杂的程序分析工具基础，包含了和程序的实际 内容相关的细节。 (2)图形化方法 图形化方法包括控制流分析、数据流分析以及程序依赖图。控制流分析是在 确定程序语法结构之后进行。控制流分析有两种形式:过程内 (intraprocedural)分析、过程间(in-terprocedural)分析。过程内分析能确定子 程序内语句的执行顺序，通过构建控制流图 CFG(control flow graph)进行。 过程间分析确定程序单元之间的调用关系，用调用图(cangraph)表示。数据 流分析关注于解决程序中从定义到使用的过程的相关问题，比控制流分析要 复杂得多。程序依赖图是数据流分析的进一步改进，比数据流分析更复杂。 在程序依赖图中，控制流和数据流依赖被放在一起处理。如果同时需要控制 流图和数据流图，使用程序依赖图就很方便。程序依赖图还具有这样的结构 特性:一个程序依赖图描述了一个控制依赖的区域。
(4)曲面处理过程：决定所要创建的曲面类型，可以选择创建的曲面以精 确为主或以光滑为主，或两者居中；由点云或曲线创建曲面；检查／修改 曲面，检查曲丽与点或其它曲面或特征的精确度、平滑度与连续的相关性。
(5)误差分析：应该考虑被测物对机构引起的综合轨迹误差、逆向工程设 计所依据的数据值存在的测量误差、设计中的被测物存在的加工误差、设 计中的曲线拟合存在的拟合误差等方面。
(3)程序切片 切片技术来源于数据流分析方法，己经成为很多程序理解工具的基础。 一个程序切片是由程序中的一些语句和判定表达式组成的集合。这些语 句和判定表达式可能会影响在程序的某个位置(常用行号标识)上所定义 或使用的变量的值。利用切片技术可以将关注点确定在一个较小范围而 不是关注整个程序。 (4)动态分析 静态分析是对程序源码进行分析。动态分析则是在程序运行时进行分析， 基本方法是对程序进行植入。程序植入是一种在全局范围内更改源代码 以添加额外操作的过程。这种方法的主要原理是:利用代码的结构信息， 依据固定的规则，将软件触发器添加到代码中。所谓软件触发器，是指 在源程序的相应位置添加的一些代码，运行时由这些代码按特定协议将 指定的动态信息传递到指定位置或传递给动态信息收集机制。对于使用 动态绑定和多态的面向对象系统，动态分析是必需的。
正向工程:从高层抽象和独立于实现的逻辑设计到一个系统的物理实现的传 统开发过程。 逆向工程:分析目标系统，认定系统的构件及其交互关系，并且通过高层抽 象或其它形式来展现目标系统的过程。
c)再文档:主要是在同一抽象层次做语义等价描述，实际上是逆向工程的 一种简单形式; d)设计再现:利用领域知识和外部信息在较高抽象层次产生系统的等价描 述，这样要使用除了源代码外的很多信息; e)重构:在同一抽象层次把系统从一种表示方式转换到另一种表示方式， 一个重要方面是新系统和原始系统的语义行为应该一样，而且功能也不 能变; f)再工程:目的是研究系统，产生较高抽象层次描述，增加新功能到这个描 述，使用正向工程技术在原始系统的基础上开发一个新系统。
逆向工程分类
从广义讲，逆向工程可分以下三类。
(1)实物逆向：顾名思义，它是在已有实物条件下，通过试验、测绘和分 折。提出再创造的关键；其中包括功能逆向、性能逆向、方案、结构、材质、 精度、使用规范等多方面的逆向。实物逆向对象可以是整机、部件、组件和 零件。 (2)软件逆向：产品样本、技术文件、设计书、使用说明书、图纸、有关 规范和标准、管理规范和质量保证手册等均称为技术软件。软件逆向中有三 类情况：1)既有实物，又有全套技术软件；2)有实物而无技术软件；3)无实 物，仅有全套或部分技术软件。 (3)影像逆向：无实物，无技术软件，仅有产品相片、图片、广告介绍、 参观印象和影视画面等，要从其中去构思、想象来逆向，称为影像逆向，这 是逆向对象中难度最大的。影像逆向本身就是创新过程。目前还未形成成熟 的技术。一般要利用透视变换和透视投影．形成不同透视图，从外形、尺寸、 比例和专业知识，去琢磨其功能和性能，进而分析其内部可能的结构。
g)体系结构再现:用于从源码、性能分析信息、设计文档及专家知识等现 有信息中抽象出一个更高层次表示的技术和过程。
它们之间的关系如图所示：
逆向工程流程图
逆 向 工 程 应 用 流 程 图
逆向工程技术流程
(1)逆向工程是以一个物理零件或模型作为开始，进而决定下游工程。 (2)点处理过程：主要包括多视点云的拼合、点云过滤、数据精简和点云 分块等。 (3)曲线处理过程：决定所要创建的曲线类型。曲线可以设计得与点的片 段相同，或让曲线更光滑些；由已存在的点创建出曲面；检查／修改曲线， 检查曲线与点或其它曲线的精确度、平滑度与连续的相关性。
逆向工程，有的人也叫反求工程、反向工程(Reverse Engineering,RE)， 是20Hale Waihona Puke Baidu纪80年代末期发展起来的一项先进制造技术，是以产品及设备的实 物、软件（图样、程序及技术文件等）或影像（图片、照片等）为研究对 象，反求出初始的设计意图。简单地说，就是指用一定的测量手段对实物 或模型进行测量,根据测量数据通过三维几何建模方法重构实物的CAD模型 的过程,是一个从样品生成产品数字化信息模型,并在此基础上进行产品设计 开发及生产的全过程。 在软件工程领域，迄今为止没有统一的逆向工程定义。较为通用的是Elliot Chikafsky和Cross在文献中定义的逆向工程的相关术语。
引言
在工程技术人员的一般概念中，产品设计过程是一个从无到有的过程： 设计人员首先构思产品的外形、性能和大致的技术参数等，然后利用CAD技 术建立产品的三维数字化模型，最终将这个模型转入制造流程，完成产品的 整个设计制造周期。这样的产品设计过程我们可以称之为“正向设计”。 逆向工程则是一个“从有到无”的过程。简单地说，逆向工程就是根 据已经存在的产品模型，反向推出产品的设计数据（包括设计图纸或数字模 型）的过程.随着计算机技术在制造领域的广泛应用，特别是数字化测量技 术的迅猛发展，基于测量数据的产品造型技术成为逆向工程技术关注的主要 对象。通过数字化测量设备（如坐标测量机、激光测量设备等）获取的物体 表面的空间数据，需要经过逆向工程技术的处理才能获得产品的数字模型， 进而输送到CAM系统完成产品的制造。
逆向工程研究方法
现有的逆向工程分析方法主要有以下4种。 (1)词法分析和语法分析 该方法主要是对程序源码进行分析，已经发展得比较成熟。通过词法分析可 以得到程序信息的多种有用表示，其中最常用的是交叉引用列表。通过语法 分析可以得到两类表示:分析树(parse tree)、抽象语法树AST(abstract syntaxtree)，其中AST是更复杂的程序分析工具基础，包含了和程序的实际 内容相关的细节。 (2)图形化方法 图形化方法包括控制流分析、数据流分析以及程序依赖图。控制流分析是在 确定程序语法结构之后进行。控制流分析有两种形式:过程内 (intraprocedural)分析、过程间(in-terprocedural)分析。过程内分析能确定子 程序内语句的执行顺序，通过构建控制流图 CFG(control flow graph)进行。 过程间分析确定程序单元之间的调用关系，用调用图(cangraph)表示。数据 流分析关注于解决程序中从定义到使用的过程的相关问题，比控制流分析要 复杂得多。程序依赖图是数据流分析的进一步改进，比数据流分析更复杂。 在程序依赖图中，控制流和数据流依赖被放在一起处理。如果同时需要控制 流图和数据流图，使用程序依赖图就很方便。程序依赖图还具有这样的结构 特性:一个程序依赖图描述了一个控制依赖的区域。
(4)曲面处理过程：决定所要创建的曲面类型，可以选择创建的曲面以精 确为主或以光滑为主，或两者居中；由点云或曲线创建曲面；检查／修改 曲面，检查曲丽与点或其它曲面或特征的精确度、平滑度与连续的相关性。
(5)误差分析：应该考虑被测物对机构引起的综合轨迹误差、逆向工程设 计所依据的数据值存在的测量误差、设计中的被测物存在的加工误差、设 计中的曲线拟合存在的拟合误差等方面。
(3)程序切片 切片技术来源于数据流分析方法，己经成为很多程序理解工具的基础。 一个程序切片是由程序中的一些语句和判定表达式组成的集合。这些语 句和判定表达式可能会影响在程序的某个位置(常用行号标识)上所定义 或使用的变量的值。利用切片技术可以将关注点确定在一个较小范围而 不是关注整个程序。 (4)动态分析 静态分析是对程序源码进行分析。动态分析则是在程序运行时进行分析， 基本方法是对程序进行植入。程序植入是一种在全局范围内更改源代码 以添加额外操作的过程。这种方法的主要原理是:利用代码的结构信息， 依据固定的规则，将软件触发器添加到代码中。所谓软件触发器，是指 在源程序的相应位置添加的一些代码，运行时由这些代码按特定协议将 指定的动态信息传递到指定位置或传递给动态信息收集机制。对于使用 动态绑定和多态的面向对象系统，动态分析是必需的。
正向工程:从高层抽象和独立于实现的逻辑设计到一个系统的物理实现的传 统开发过程。 逆向工程:分析目标系统，认定系统的构件及其交互关系，并且通过高层抽 象或其它形式来展现目标系统的过程。
c)再文档:主要是在同一抽象层次做语义等价描述，实际上是逆向工程的 一种简单形式; d)设计再现:利用领域知识和外部信息在较高抽象层次产生系统的等价描 述，这样要使用除了源代码外的很多信息; e)重构:在同一抽象层次把系统从一种表示方式转换到另一种表示方式， 一个重要方面是新系统和原始系统的语义行为应该一样，而且功能也不 能变; f)再工程:目的是研究系统，产生较高抽象层次描述，增加新功能到这个描 述，使用正向工程技术在原始系统的基础上开发一个新系统。
逆向工程分类
从广义讲，逆向工程可分以下三类。
(1)实物逆向：顾名思义，它是在已有实物条件下，通过试验、测绘和分 折。提出再创造的关键；其中包括功能逆向、性能逆向、方案、结构、材质、 精度、使用规范等多方面的逆向。实物逆向对象可以是整机、部件、组件和 零件。 (2)软件逆向：产品样本、技术文件、设计书、使用说明书、图纸、有关 规范和标准、管理规范和质量保证手册等均称为技术软件。软件逆向中有三 类情况：1)既有实物，又有全套技术软件；2)有实物而无技术软件；3)无实 物，仅有全套或部分技术软件。 (3)影像逆向：无实物，无技术软件，仅有产品相片、图片、广告介绍、 参观印象和影视画面等，要从其中去构思、想象来逆向，称为影像逆向，这 是逆向对象中难度最大的。影像逆向本身就是创新过程。目前还未形成成熟 的技术。一般要利用透视变换和透视投影．形成不同透视图，从外形、尺寸、 比例和专业知识，去琢磨其功能和性能，进而分析其内部可能的结构。
g)体系结构再现:用于从源码、性能分析信息、设计文档及专家知识等现 有信息中抽象出一个更高层次表示的技术和过程。
它们之间的关系如图所示：
逆向工程流程图
逆 向 工 程 应 用 流 程 图
逆向工程技术流程
(1)逆向工程是以一个物理零件或模型作为开始，进而决定下游工程。 (2)点处理过程：主要包括多视点云的拼合、点云过滤、数据精简和点云 分块等。 (3)曲线处理过程：决定所要创建的曲线类型。曲线可以设计得与点的片 段相同，或让曲线更光滑些；由已存在的点创建出曲面；检查／修改曲线， 检查曲线与点或其它曲线的精确度、平滑度与连续的相关性。
逆向工程，有的人也叫反求工程、反向工程(Reverse Engineering,RE)， 是20Hale Waihona Puke Baidu纪80年代末期发展起来的一项先进制造技术，是以产品及设备的实 物、软件（图样、程序及技术文件等）或影像（图片、照片等）为研究对 象，反求出初始的设计意图。简单地说，就是指用一定的测量手段对实物 或模型进行测量,根据测量数据通过三维几何建模方法重构实物的CAD模型 的过程,是一个从样品生成产品数字化信息模型,并在此基础上进行产品设计 开发及生产的全过程。 在软件工程领域，迄今为止没有统一的逆向工程定义。较为通用的是Elliot Chikafsky和Cross在文献中定义的逆向工程的相关术语。