逆向工程技术
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1
逆向工程技术
一、逆向工程技术概述
2
1. 概念
正向工程（或顺向工程）
逆向工程(Reverse Engineering)(也称反求工程、反向工程等)：将实物 转化为CAD模型相关的数字化技术、几何模型重建技术和产品制造技术 的总称。
一、逆向工程技术概述
3
2. 应用领域
对产品外形有特殊美学要求的领域，为了方便产品的美学评价，需 要由造型设计师用油泥等材料制作真实尺寸模型.
G1连续：切线连续，制作简单，成功率高，常用于小家电面的相交处。
G2连续：曲率连续，视觉效果光滑流畅，是A级曲面的最低标准。
G3连续：曲率的变化率连续 G4连续：曲率变化率的变化率连续
反光效果完美，通常用于汽车设计
数据光顺：对点云进行滤波。常用的滤波算法有高斯(Gaussian) 滤波、平均(Averaging)滤波和中值(Median)滤波，在Imageware软件 中即提供了这三种滤波方式
原始点云
平均精简
按距离精简
按弦偏差精简
三、数据处理
19
6．数据分割
多个自由曲面 被测样件 多个规则曲面 分割 单个的曲面或平面点云
多个平面
整体曲面模型 拼接、缝合 合理的方法构造曲面片
三角面片模型 厚度
STL格式
快速成型机
四、模型重构
20
曲面重构
实体模型
1．曲面重构
Imageware：点处理模块、曲面处理模块和评价模块。
测量范围：390×295mm 测量距离：820mm 每幅点云：450,000 测量精度：±0.1mm
扫描头
被测样件
控制器
计算机
二、数据获取
11
3. 数据获取注意事项
合理选择测量设备 样件特点、精度要求、测量效率、设备成本等。
测量设备的标定 在设备搬运、环境变化或长期停用后，可能导致标定值偏移，故应重 新标定。
四、模型重构
24
1．曲面重构
1.2 曲面构造 由点云拟合均匀曲面
构造双向放样曲面
四、模型重构
25
1．曲面重构
1.2 曲面构造 由边界Biblioteka Baidu线生成曲面
构造放样曲面
四、模型重构
1．曲面重构
1.2 曲面构造 由曲线网格构造曲面
26
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构造旋转曲面
一、逆向工程技术概述
6
3. 技术流程
实物样品 数据获取
测量设备
数据处理
CAD模型重构
纸质技术文档 仿制改造产品
CAD/CAM系统 制造系统
快速成型 产品样件
模具 批量生产产品
二、数据获取
7
1. 测量方法
数据测量方法
3D扫描仪
接触式
非接触式
触发式
连续式
光学式
非光学式
MRI CT
三坐标测量机 （CMM）
艺术品、考古文物的修复与复制。艺术品和考古文物大多为手工制 品，具有复杂外形，对其精确的修复与复制可借助于逆向工程。
特种服装、头盔的制造要以使用者的身体为原始设计依据，需要建立 人体的几何模型。
因此，逆向工程技术可用于航空、航天、汽车、摩托车、模具工业及其 它行业，它是技术引进的一个重要手段。
三、数据处理
14
2．多视对齐
Polyworks的IMAlign模块
三、数据处理
15
2．多视对齐
粘贴特征点
三、数据处理
16
3．数据光顺
在汽车、摩托车覆盖件的应用中，对表面的光顺性往往有很高的 要求，通常要求达到A级(Class A)曲面品质。 G0连续：位置连续，即曲面间没有缝隙，但可能有锐利边缘，不常用。
韩国：SOLUTIONIX公司的REXCAN系列扫描仪
美国：Cyberware公司的人体三维彩色扫描仪，CGI公司的
层析断层测量机
国内测量设备的发展也十分迅速
10余家三坐标测量机厂家
非接触式：北京天远，深圳华朗，西安交通大学等
二、数据获取
10
2. 测量设备
COMET 400 测量系统
工具条
视 图 区
菜单条
状态栏
示例点云 滚动条
四、模型重构
21
1．曲面重构
1.1 点云处理
点云精简 点云光顺
点云显示
四、模型重构
22
1．曲面重构
1.1 点云处理 点云分割
点云的圈选
沿任一方向截取点云
四、模型重构
23
1．曲面重构
1.1 点云处理
沿某一轴线方向的系列平面截取点云
沿一条曲线的系列平面截取点云
抄数机
激结激干图
光构光涉像
三光测法分
角法距
析
法
法
法
超层
测 量 法
测 量 法
声 波 测 量
析 扫 描 法
法
二、数据获取
8
2. 测量设备
三坐标测量机(CMM)
悬臂式
桥式
便携式
龙门式
二、数据获取
9
2. 测量设备
非接触式扫描仪
德国：GOM公司的ATOS，Steinbichler公司的COMET
瑞士：FARO公司的激光扫描仪
由于学科发展水平的限制，产品设计需要通过试验测试才能定型的 工件模型。如汽车发动机气道、航空发动机的涡轮叶片、航空器的 外形等。
一、逆向工程技术概述
4
2. 应用领域
实物的外形是由自由曲面组成，正向设计方法难以满足精度要求，如 高尔夫球杆头部造型、鞋楦等。
一、逆向工程技术概述
5
2. 应用领域
数据光顺 —— 点云精度
三、数据处理
17
4．数据插补
样件复杂结构 测量机的限制
无法测到的区域（凹边、孔、突起、拐角等处） 数据“空白”
可用Polyworks软件的IMEdit模块来实现数据插补。
原始点云
完成插补后的点云
三、数据处理
18
5．数据精简
采用非接触式测量仪对大型样件进 行测量时，会得到海量点云。
圆 轮廓线
四、模型重构
27
1．曲面重构
1.2 曲面构造 构造扫略曲面
发生线
路径1 路径2
1.3 曲面修改 调整曲面控制点
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四、模型重构
28
环境控制 振动、温度、光线等。
被测件预处理 孔、槽、凹边的填充、表面喷涂着色、粘贴特征点。
三、数据处理
12
采用非接触方法获取的数据通常非常庞大，被称作点云（Point
Clouds）。为了获得完整、准确的数据，需要在模型重建前进行数
据处理。
数据获取
噪点去除
是否进行多次测量 否
是 多视对齐
数据光顺
数据插补
数据精简
数据分割
三、数据处理
13
1．噪点去除
噪点：测量误差点
直接识别：明显的异常点和散乱点 曲线检查法：用最小二乘法通过截面数据的首末点拟合曲线 角度判断法：检查点沿扫描线方向与前后两点形成的夹角是否小
于允许值。 弦高差方法：连接检查点前后两点，计算检查点到连线(弦)的距离
被集成到逆向软件中
逆向工程技术
一、逆向工程技术概述
2
1. 概念
正向工程（或顺向工程）
逆向工程(Reverse Engineering)(也称反求工程、反向工程等)：将实物 转化为CAD模型相关的数字化技术、几何模型重建技术和产品制造技术 的总称。
一、逆向工程技术概述
3
2. 应用领域
对产品外形有特殊美学要求的领域，为了方便产品的美学评价，需 要由造型设计师用油泥等材料制作真实尺寸模型.
G1连续：切线连续，制作简单，成功率高，常用于小家电面的相交处。
G2连续：曲率连续，视觉效果光滑流畅，是A级曲面的最低标准。
G3连续：曲率的变化率连续 G4连续：曲率变化率的变化率连续
反光效果完美，通常用于汽车设计
数据光顺：对点云进行滤波。常用的滤波算法有高斯(Gaussian) 滤波、平均(Averaging)滤波和中值(Median)滤波，在Imageware软件 中即提供了这三种滤波方式
原始点云
平均精简
按距离精简
按弦偏差精简
三、数据处理
19
6．数据分割
多个自由曲面 被测样件 多个规则曲面 分割 单个的曲面或平面点云
多个平面
整体曲面模型 拼接、缝合 合理的方法构造曲面片
三角面片模型 厚度
STL格式
快速成型机
四、模型重构
20
曲面重构
实体模型
1．曲面重构
Imageware：点处理模块、曲面处理模块和评价模块。
测量范围：390×295mm 测量距离：820mm 每幅点云：450,000 测量精度：±0.1mm
扫描头
被测样件
控制器
计算机
二、数据获取
11
3. 数据获取注意事项
合理选择测量设备 样件特点、精度要求、测量效率、设备成本等。
测量设备的标定 在设备搬运、环境变化或长期停用后，可能导致标定值偏移，故应重 新标定。
四、模型重构
24
1．曲面重构
1.2 曲面构造 由点云拟合均匀曲面
构造双向放样曲面
四、模型重构
25
1．曲面重构
1.2 曲面构造 由边界Biblioteka Baidu线生成曲面
构造放样曲面
四、模型重构
1．曲面重构
1.2 曲面构造 由曲线网格构造曲面
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构造旋转曲面
一、逆向工程技术概述
6
3. 技术流程
实物样品 数据获取
测量设备
数据处理
CAD模型重构
纸质技术文档 仿制改造产品
CAD/CAM系统 制造系统
快速成型 产品样件
模具 批量生产产品
二、数据获取
7
1. 测量方法
数据测量方法
3D扫描仪
接触式
非接触式
触发式
连续式
光学式
非光学式
MRI CT
三坐标测量机 （CMM）
艺术品、考古文物的修复与复制。艺术品和考古文物大多为手工制 品，具有复杂外形，对其精确的修复与复制可借助于逆向工程。
特种服装、头盔的制造要以使用者的身体为原始设计依据，需要建立 人体的几何模型。
因此，逆向工程技术可用于航空、航天、汽车、摩托车、模具工业及其 它行业，它是技术引进的一个重要手段。
三、数据处理
14
2．多视对齐
Polyworks的IMAlign模块
三、数据处理
15
2．多视对齐
粘贴特征点
三、数据处理
16
3．数据光顺
在汽车、摩托车覆盖件的应用中，对表面的光顺性往往有很高的 要求，通常要求达到A级(Class A)曲面品质。 G0连续：位置连续，即曲面间没有缝隙，但可能有锐利边缘，不常用。
韩国：SOLUTIONIX公司的REXCAN系列扫描仪
美国：Cyberware公司的人体三维彩色扫描仪，CGI公司的
层析断层测量机
国内测量设备的发展也十分迅速
10余家三坐标测量机厂家
非接触式：北京天远，深圳华朗，西安交通大学等
二、数据获取
10
2. 测量设备
COMET 400 测量系统
工具条
视 图 区
菜单条
状态栏
示例点云 滚动条
四、模型重构
21
1．曲面重构
1.1 点云处理
点云精简 点云光顺
点云显示
四、模型重构
22
1．曲面重构
1.1 点云处理 点云分割
点云的圈选
沿任一方向截取点云
四、模型重构
23
1．曲面重构
1.1 点云处理
沿某一轴线方向的系列平面截取点云
沿一条曲线的系列平面截取点云
抄数机
激结激干图
光构光涉像
三光测法分
角法距
析
法
法
法
超层
测 量 法
测 量 法
声 波 测 量
析 扫 描 法
法
二、数据获取
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2. 测量设备
三坐标测量机(CMM)
悬臂式
桥式
便携式
龙门式
二、数据获取
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2. 测量设备
非接触式扫描仪
德国：GOM公司的ATOS，Steinbichler公司的COMET
瑞士：FARO公司的激光扫描仪
由于学科发展水平的限制，产品设计需要通过试验测试才能定型的 工件模型。如汽车发动机气道、航空发动机的涡轮叶片、航空器的 外形等。
一、逆向工程技术概述
4
2. 应用领域
实物的外形是由自由曲面组成，正向设计方法难以满足精度要求，如 高尔夫球杆头部造型、鞋楦等。
一、逆向工程技术概述
5
2. 应用领域
数据光顺 —— 点云精度
三、数据处理
17
4．数据插补
样件复杂结构 测量机的限制
无法测到的区域（凹边、孔、突起、拐角等处） 数据“空白”
可用Polyworks软件的IMEdit模块来实现数据插补。
原始点云
完成插补后的点云
三、数据处理
18
5．数据精简
采用非接触式测量仪对大型样件进 行测量时，会得到海量点云。
圆 轮廓线
四、模型重构
27
1．曲面重构
1.2 曲面构造 构造扫略曲面
发生线
路径1 路径2
1.3 曲面修改 调整曲面控制点
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四、模型重构
28
环境控制 振动、温度、光线等。
被测件预处理 孔、槽、凹边的填充、表面喷涂着色、粘贴特征点。
三、数据处理
12
采用非接触方法获取的数据通常非常庞大，被称作点云（Point
Clouds）。为了获得完整、准确的数据，需要在模型重建前进行数
据处理。
数据获取
噪点去除
是否进行多次测量 否
是 多视对齐
数据光顺
数据插补
数据精简
数据分割
三、数据处理
13
1．噪点去除
噪点：测量误差点
直接识别：明显的异常点和散乱点 曲线检查法：用最小二乘法通过截面数据的首末点拟合曲线 角度判断法：检查点沿扫描线方向与前后两点形成的夹角是否小
于允许值。 弦高差方法：连接检查点前后两点，计算检查点到连线(弦)的距离
被集成到逆向软件中