逆向工程关键技术研究及应用

逆向工程关键技术研究及应用
摘要：逆向工程是一项计算机辅助设计的新技术，它是在现有产品数字化基础上进行设计创新的，其关键技术主要包括：实物数字化、数据预处理、三维模型重建等。

本文总结了国内外的逆向工程技术研究现状，对其关键技术进行了研究，并概括了目前逆向工程在设计中的应用情况，最后对逆向工程存在的问题进行了讨论。

一、绪论
计算机辅助设计指利用计算机及其图形设备帮助设计人员进行设计工作，简称CAD。

在工程和产品设计中，计算机可以帮助设计人员担负计算、信息存储和制图等各项工作。

在设计中通常要用计算机对不同方案进行大量的计算、分析和比较，以决定最优方案；各种设计信息，不论是数字的、文字的或图形的，都能存放在计算机的内存或外存里，并能快速地检索；设计人员通常用草图开始设计，将草图变为工作图的繁重工作可以交给计算机完成；由计算机自动产生的设计结果，可以快速作出图形显示出来，使设计人员及时对设计作出判断和修改；利用计算机可以进行与图形的编辑、放大、缩小、平移和旋转等有关的图形数据加工工作。

CAD能够减轻设计人员的劳动，缩短设计周期和提高设计质量。

作为计算机辅助设计的一项具体应用，逆向工程是近些年发展起来的消化、吸收先进技术的一系列分析方法及应用价值的组合。

传统的正向设计从实际需求出发得出产品的概念，进一步建立与之相符的CAD模型，通过一系列手段得到产品的实物模型。

相对于传统正向设计，逆向工程的过程采用了通过测量实际物体的尺寸并将其制作成CAD模型的方法，真实的对象可以通过如三坐标测量仪(Coordinate Measure Machine，CMM)，激光扫描仪，结构光源转换仪或者x射线断层成像这些3D扫描技术进行尺寸测量，然后通过后续处理进而得到3D模型。

概括地说，逆向工程是由产品样件到数字化模型的过程，相比于传统的正向设计，
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它极大地缩短了产品的开发周期，提高了经济效益。

二、研究现状
逆向工程是20世纪80年代初由日本名古屋研究所、美国3M公司和美国UVP公司提出并研制开发的[1]。

Besl等[2]提出了经典的最近点迭代法(ICP算法)，能够很好的实现多块点云数据的拼合；李丰等[3]对点云数据多视角拼合的三基准点选取技术进行了研究；Polthier等[4]提出一种用于点云去噪的基于偏微分方程的曲面逼近算法，在去除小振幅噪音时取得了很好效果；Hamann[5]通过先计算三角面片的曲率，再根据面片位置及曲率大小删除冗余三角形，进行三角网格数据的精简；上官建林[6]提出自适应最小距离法对线扫描点云进行精简，效果较好；Fafin[7]在1982年，提出构造G1连续三角Bezier曲面的方法；Piegl等[8]研究了有理B样条曲线曲面的构造，并在此基础上提出了NURSB曲面方法；南京航天航空大学[9]基于海量散乱点的三角网格曲面建模方法；浙江大学化工机械研究所[10]提出的基于三角Bezier曲面建模的RE、RP集成技术；西安交大CIMS中心[11]的基于线结构光视觉传感器的坐标测量机的研究和面向CMM的逆向工程的测量方法。

逆向工程技术不但在理论与实践上得到了大量研究，同时也己涌现出了众多商用的逆向工程软件。

在国外，出现了多个逆向工程专用和非专用的软件系统。

如，美国EDS公司的Imageware、美国Raindrop公司的Geomagic Studio、韩国的Rapidform、英国DelCAM公司的CopyCAD等逆向工程专用软件系统。

另外，在一些通用CAD/CAM软件中，如Pro/ENGINEER中的Pro/SCAN，UG中的PointCloud等也具备处理逆向工程技术的能力。

在国内，关于逆向工程软件系统方面，起步晚、投入较少、影响力不足。

卓有成就的仅有西北工业大学的实物测量造型系统NPU-SRMS和浙江大学生产工程研究所开发的基于Bezier曲面的逆向工程软件RE-SOFT。

三、逆向工程关键技术研究
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逆向工程一般可以分为4个步骤：
第一步:零件原形的数字化（数据获取）。

通常采用三坐标测量机(CMM)或激光扫描仪等测量装置来获取零件原形表面点的三维坐标值。

第二步:从测量数据中提取零件原形的几何特征（数据处理）。

按测量数据的几何属性对其进行分割，采用几何特征匹配与识别的方法来获取零件原形所具有的设计与加工特征。

第三步:零件原形CAD模型的重建（三维重建）。

将分割后的三维数据在CAD系统中分别做表面模型的拟合，并通过各表面片的求交与拼接获取零件原形表面的CAD模型。

第四步:重建CAD模型的检验与修正。

采用根据获得的CAD模型重新测量和加工出样品的方法来检验重建的CAD模型是否满足精度或其他试验性能指标的要，对不满足要求者重复以上过程，直至达到零件的逆向工程设计要求。

1、数据获取
数据获取是通过特定的测量设备和测量方法获取零件表面离散点的几何坐标数据，开发高精度、快速的数字化测量系统和测量软件，如何根据几何外形选取不同的测量方法一直是数字化技术的主要研究内容。

目前的三维数字化方法，根据测量探头或传感器是否和实物接触，可分为接触式和非接触式。

三坐标测量机法主要是利用三坐标测量机的接触探头(有各种不同直径和形状的探针)逐点地捕捉样品表面数据。

这是目前应用最广的自由曲面三维模型数字化方法之一。

当探头上的探针沿样件表面运动时，样件表面的反作用力使探针发生形变。

这种形变通过连接到探针上的三个坐标的弹簧产生位移反应出来，其大小和方向由传感器测出。

经模拟转换．将测出的信号反馈给计算机，经相关的处理得到所测量点的三维坐标。

采用该方法可以达到很高的测量精度(±0.5μm)，对被测物体的材质和色泽一般无特殊要求，对于没有复杂内部型腔、特征几何尺寸多、只有少量特征曲面的零件该测量方法非常有效。

其缺点主要表现在：由于该方法是接触式测量，易于损伤探头和划伤被测样件表面，不能对软质材料和超
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薄形物体进行测量，对细微部分测量精度也受到影响．应用范围受到限制；始终需要人工干预，不可能实现全自动测量；由于测头的半径而存在三维补偿问题；价格较高，对使用环境有一定要求：测量速度慢，效率低。

基于计算机视觉的非接触式测量是现代测试技术的一个重要分支。

它是以现代光学为基础，融合电子学、计算机图像学、信息处理、计算机视觉等科学技术为一体的现代测量技术。

相对于传统的接触式测量方法，它具有很多优点：非接触、扫描述度快、扫描精度高、对细微部分的扫描精度也不受影响。

现代曲面测量的研究已越来越集中在计算机视觉的无接触检测上。

在计算机视觉中，按照测量过程所采用的照明方式的不同，主要可分为被动式方法和主动式方法。

被动式方法是指不向被测物体发射可控制的光束，而是直接利用自然光得到的图像来获取物体三维信息。

被动式方法中较有前途的方法是立体视觉法，主要可分为双目视觉方法、三目视觉方法和单目视觉方法。

双目视觉方法是人类获取距离信息的主要方式，它是根据立体视差，即被测点在左右摄象机CCD像面上成像点位置的差异来进行测距，其中立体匹配问题始终是双目视觉测量的一个主要难点所在，国内外众多学者对此进行深入而持久的研究，提出了大量的匹配算法并进行了实验验证。

三目视觉方法主要是为了增加几何约束条件，减小双目视觉中立体匹配的困难，但结构上的复杂性也引入了测量误差，降低了测量效率，在实际中应用较少。

单目视觉方法只采用一个摄象机，结构简单。

相应的对摄像机的标定也较为简单，同时避免了双目视觉中立体匹配的困难。

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2、数据处理
CAD模型重建之前应进行数据预处理，目前，在数据处理技术方面，国内外学者做了大量的研究。

本文根据数据处理过程以及每个过程的主要目的将其分为数据的准确化、数据的精简完整化、数据的有序化三个部分。

在进行测量时，不可避免地会引入数据误差、噪波、坏点等。

同时由于被测物体造型特殊性和测量手段的制约，会存在测量盲区和缺口。

现在的研究方法主要集中在数据降噪和填补空洞两方面。

在保证数据的准确性的基础上，要对数据进行进一步简化拼接处理，以便提高后续重建的计算速度，增加模型的完整性。

在这个过程中主要包括的技术有数据精简、配准、坐标变换等。

扫描后的数据通常是没有任何内在联系的，这就需要我们运用算法对其进行处理。

主要包括点云有序化、建立拓扑关系、数据分割、特征提取等。

3、三维重建
三维重建技术是逆向工程的核心，利用产品表面的离散点数据，依据计算机辅助几何设计理论与方法，构建近似模型来逼近原来的产品原型，用于CAD的产品模型构建，这是逆向工程的主要目的。

三维重建的理论基础是计算机图形学(CG)和计算机辅助几何设计(CAGD)，逆向工程的需求也促进了CG和CAGD学科的发展，围绕CG和CAGD的三维重建技术成为逆向工程中最热门的研究方向，也是逆向工程的难点，逆向工程中三维重建时间占了逆向过程的90%—95%。

重建模型的品质和精度直接影响最终产品的CAD模型的优劣。

按曲面模型的表达形式分类，逆向工程中的曲面重建方法大致分为以三角Bezier曲面为基础的曲面构造方案和以四边域为基础的B样条或NURBS曲面构造方案。

1)基于三角域的Bezier曲面重建
三角曲面以其构造灵活、边界适应性好及不受拓扑结构的限制的特点在散乱
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点数据的曲面插值上起着重要的作用。

但另一方面它要求数据的预处理工作和后续工作较多，诸如数据压缩、噪声过滤、多视拼合、网格合并及优化等，重构曲面的品质有时还不能令人满意，需要进一步的光顺及其他的相关编辑工作；而且三角曲面模型和通用CAD/CAM系统的曲面模型不兼容，使得它和通用CAD/CAM系统的数据通信和图形交换难以实现，此外，有关三角Bezier曲面的一些计算方法的研究也还不成熟(如三角曲面之间的求交、三角曲面的裁剪等)，这些因素限制了它在工业制造领域中的实际应用。

2) 基于拓扑矩形域的NURBS曲面重建
拓扑矩形域曲面造型可以追溯到1963年Ferguson提出的Ferguson双三次曲面片，他所采用的曲线曲面的参数形式己成为曲线曲面设计中进行形状数学描述的标准形式。

后来，由于Pigel和Tiller等人的贡献，NURBS成为CAGD中最流行的技术，Bezier、有理Bezier、均匀B样条、非均匀B样条都被统一到NURBS 中。

NURBS不仅可表示自由曲线曲面，而且还能表示圆锥曲线和规则曲面，为CAGD提供了统一的数学描述方法，已成为产品外形描述的工业标准。

1991年，国际标准化组织(iso)颁布的工业产品数据交换标准STEP中，把NURBS作为定义工业产品几何形状的唯一数学方法。

四、逆向工程在工业中的应用[12]
早期的车身设计采用传统的设计方法,整个过程是基于手工设计完成的,分为概念设计和技术设计两个阶段。

主要包括手工造型设计、实物模型制作和依据经验的结构设计。

其特点是整个设计过程必须通过实物和图纸结合的方式来表达设计并传递设计的数据信息。

近年来,随着计算机辅助设计的迅速发展,在车身设计中越来越多地引入了CAD/CAM的设计手段,改变了传统车身设计方法固有的开发周期长、设计累计误差大等问题。

设计师依据产品企划时所定的规划与设计构想，绘制草图及效果图，并且依据效果图构建CAD 数字模型，进而制作小比例油泥模型，经过CAD 数字模型和小比例油泥模型的反复修改之后，再制作1：1油泥模型，最终确立
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外观造型方案。

左：油泥模型 右：CAD 模型
然而这种完全正向的计算机辅助车身设计流程对设计人员的计算机应用水平要求较高，要求设计师既要有扎实的美学功底，又要能熟练应用CAD 软件，并且需要反复修改，费时费力。

在正向设计中导入逆向工程设计流程之后，油泥模型与数字模型的制作顺序发生了颠倒，设计师可以在油泥模型中多次完成修改之后通过三坐标测量仪对其进行扫描，由CAD 程序生成数字模型，由此减少数字模型与油泥模型之间因反复修改所消耗的时间。

而相对于传统的设计方法，这种方法使得对模型进行进一步的计算机辅助分析等成为可能，数字化的优势不言而喻。

五、逆向工程存在的问题
逆向工程技术主要包括零件数字化、特征提取和建模。

零件数字化技术发展相对成熟，已有相关的商品化设备。

但无论是接触式还是非接触式测量，普遍存在的问题是标定、精度、测量的可及性、阻塞、噪声、样件的公差分布等，尤其是噪声点，对后续处理带来极大的不便。

特征提取就是建立能够刻画曲面形貌的特征线或属于统一特征的面，常用的方法有基于边的方法、基于面的方法和两种方法的混合。

建模就是采用何种曲面形式对点云进行描述，自动化建模过程中，曲面的分块和拟合之间是一种相互关联、相互制约的关系，如果知道曲面的具体形式，就可以很容易地判断属于它的点集；同样，如果能够知道哪些点属于同一
个曲面，也可以找出最适合的曲面类型对其进行拟合。

然而这两点却均不可求，
因此即使是一个比较简单的实体，进行自动分块也是一件困难的事，需要通过交互方式或迭代方式给出，这也是逆向工程研究的热点之一。

用自由网格曲面构造物体是要很长时间完成，从几分钟到几个小时不等，误差对于工程应用来说是很大的。

此外重构物体是由许多面片组成，这些面片对于造型处理起来也不直观。

另一个问题是大多数算法对各向异性的图形数据要做很多工作。

所有这些问题表明：逆向工程中现有的算法对于工程应用也不很成熟，需要研究新的技术和方法。

参考文献
[1]林志浩．逆向工程中曲面重构技术的研究与实现[D]．苏州：苏州大学硕士学位论文，2006.
[2]Besl P J,Mckay N D．A method for registration of 3D shapes[J]．IEEE transactions on pattern analysis and machine intelligence，1992，l4(2)：239-256.
[3]李丰，惠延波，吴小晴．多视数据拼合的三基准点精确选取技术研究[J]．机械设计与制造，2010(1)：201-203．
[4]Lange C，Polthier K．Anisotropic smoothing of point sets[J]．Special Issue of Computer-Aided Geometric Design，2005，22(7)：680-692．
[5]Hamann B．A data reduction scheme for triangulated surfaces[J]．Journal of Computer-Aided Geometric Design，1994，1 l：l97—214．
[6]上官建林．快速原型制造中逆向工程关键技术研究[D]．郑州：郑州大学硕士学位论文，2007．
[7]G.Farin.Design C1 Surfacer Consisting of Triangular Cubic Pathes[J]．Computer-Aided Design．1982，14(4)：253-256．
[8]L Piegl，W Tiller．The NURBS BOOK[M]．New York：Springer-Verlag Berlin and Heidelberg GmbH&Co．K，1 995．
[9]周儒荣，张丽艳，苏旭等．海量散乱点的曲面重建算法研究[J]．软件学报，2001，12(2)：249-255．
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[10]肖尧先，柯映林．三角Bezier曲面建模的RE系统与RP系统集成[J]．机械工程学报，2003(2)：42-47．
[11]金涛，陈建良，童水光．逆向工程技术研究进展[J]．中国机械工程，2002，13(16)：1430-1436．
[12]张巨塨，李红云．油泥模型和三维软件在汽车设计中的协作[J]．2008年中国
汽车工程学会年会．
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