長久以來，工業(yè)產品的傳統(tǒng)開發(fā)方式均是遵循嚴謹?shù)难邪l(fā)流程，從產品需求的構思、功能與規(guī)格預期指標的確定，進而到各個組件的設計、制造、組裝、性能測試等。每個組件都保留有原始的設計圖，此設計圖目前通常通過 CAD 文件來保存。這種開發(fā)模式被稱為“預定模式”(Pre-scriptive Model)，此類開發(fā)工程亦通稱為“正向工程”(Forward Engineering)。 
    然而，隨著工業(yè)技術水平的提升以及生活水準的提高，任何通用性產品在消費者對于高品質的要求下，功能上的需求已不再是贏得市場競爭力的唯一條件。產品不單單是功能要先進，近年來在 3D CAD 軟件的帶動下，工業(yè)設計領域已日益受到重視。 
    工業(yè)設計多著重于產品的外觀造型，在正向工程的研發(fā)流程中已不是傳統(tǒng)的機械工程師們所能勝任的了，取而代之的就是所謂的“逆向工程”(Reverse Engineering)。設計師們先通過手工方式塑造出模型，例如：蠟模、木模、石膏模、粘土模、工程塑料模等等，然后再以三維尺寸測量的方式生成自由曲面的 CAD 文件。 
    由下圖可了解正向工程與逆向工程的整個產品開發(fā)流程。
    逆向工程的應用范圍包括： 
    模具樣品開發(fā)：汽機車類、家電制品、運動器材、玩具、陶瓷等。 
    快速原型制作：古董、人像、藝術品、卡通人物、玩具等。 
    人體形狀測量：人體外形測量、醫(yī)療器材制作等。 
    造型設計：立體動畫、多媒體虛擬實景、廣告動畫等。 
    逆向工程以往通常是指對某一產品進行仿制工作。這種需求的產生可能是由于原始設計文件遺失、部分零件重新設計，或是委托方交付一件樣品或產品(例如：木鞋模、高爾夫球頭等)，請制造廠商復制出來。 
    傳統(tǒng)的復制方法是利用立體雕刻機或是仿型銑床制作出成比例的模具，然后再進行量產。這種方法被稱之為“類比式(Analog Type)復制”，缺點是無法建立工件尺寸的文件，也無法做任何的外形修改，現(xiàn)已逐漸被數(shù)字化的逆向工程系統(tǒng)所取代。 
    目前所謂的逆向工程是指針對現(xiàn)有工件，利用 3D 數(shù)字化測量儀準確、快速地取得點云圖像，隨后經過曲面構建、編輯、修改之后，置入一般的 CAD/CAM 系統(tǒng)，再由 CAD/CAM 計算出 NC 加工路徑，最后通過 CNC 加工設備制作模具。另一種量產方式則是先以快速原型機(Rapid Prototyping System)將樣品模型制作出來，然后再以快速模具(Rapid Tooling)進行產品量產。具體流程如下圖所示。 
    四大逆向工程軟件簡介 
    Imageware 
    Imageware 由美國 EDS 公司出品，是最著名的逆向工程軟件，正被廣泛應用于汽車、航空、航天、消費家電、模具、計算機零部件等設計與制造領域。該軟件擁有廣大的用戶群，國外有 BMW、Boeing、GM、Chrysler、Ford、raytheon、Toyota 等著名國際大公司，國內則有上海大眾、上海交大、上海 DELPHI、成都飛機制造公司等大企業(yè)。 
    以前該軟件主要被應用于航空航天和汽車工業(yè)，因為這兩個領域對空氣動力學性能要求很高，在產品開發(fā)的開始階段就要認真考慮空氣動力性。常規(guī)的設計流程首先根據(jù)工業(yè)造型需要設計出結構，制作出油泥模型之后將其送到風洞實驗室去測量空氣動力學性能，然后再根據(jù)實驗結果對模型進行反復修改直到獲得滿意結果為止，如此所得到的最終油泥模型才是符合需要的模型。如何將油泥模型的外形精確地輸入計算機成為電子模型，這就需要采用逆向工程軟件。首先利用三坐標測量儀器測出模型表面點陣數(shù)據(jù)，然后利用逆向工程軟件(例如：Imageware surfacer)進行處理即可獲得 class 1 曲面。 
    隨著科學技術的進步和消費水平的不斷提高，其它許多行業(yè)也開始紛紛采用逆向工程軟件進行產品設計。以微軟公司生產的鼠標器為例，就其功能而言，只需要有三個按鍵就可以滿足使用需要，但是，怎樣才能讓鼠標器的手感最好，而且經過長時間使用也不易產生疲勞感卻是生產廠商需要認真考慮的問題。因此微軟公司首先根據(jù)人體工程學制作了幾個模型并交給使用者評估，然后根據(jù)評估意見對模型直接進行修改，直至修改到大家都滿意為止，最后再將模型數(shù)據(jù)利用逆向工程軟件 Imageware 生成 CAD 數(shù)據(jù)。當產品推向市場后，由于外觀新穎、曲線流暢，再加上手感也很好，符合人體工程學原理，因而迅速獲得用戶的廣泛認可，產品的市場占有率大幅度上升。 
    Imageware 逆向工程軟件的主要產品有： 
    Surfacer——逆向工程工具和 class 1 曲面生成工具 
    Verdict——對測量數(shù)據(jù)和CAD數(shù)據(jù)進行對比評估 
    Build it——提供實時測量能力，驗證產品的制造性 
    RPM——生成快速成型數(shù)據(jù) 
    View——功能與 Verdict 相似，主要用于提供三維報告 
    Imageware 采用 NURB 技術，軟件功能強大，易于應用。Imageware 對硬件要求不高，可運行于各種平臺：UNIX 工作站、PC 機均可，操作系統(tǒng)可以是 UNIX、NT、Windows95 及其它平臺。 
    Imageware 由于在逆向工程方面具有技術先進性，產品一經推出就占領了很大市場分額，軟件收益正以 47% 的年速率快速增長。 
    Surfacer 是 Imageware 的主要產品，主要用來做逆向工程，它處理數(shù)據(jù)的流程遵循點——曲線——曲面原則，流程簡單清晰，軟件易于使用。其流程如下： 
    一、點過程 
    讀入點陣數(shù)據(jù)。 
    Surfacer 可以接收幾乎所有的三坐標測量數(shù)據(jù)，此外還可以接收其它格式，例如：STL、VDA 等。 
    將分離的點陣對齊在一起(如果需要)。 
    有時候由于零件形狀復雜，一次掃描無法獲得全部的數(shù)據(jù)，或是零件較大無法一次掃描完成，這就需要移動或旋轉零件，這樣會得到很多單獨的點陣。Surfacer　可以利用諸如圓柱面、球面、平面等特殊的點信息將點陣準確對齊。 
    對點陣進行判斷，去除噪音點(即測量誤差點)。 
    由于受到測量工具及測量方式的限制，有時會出現(xiàn)一些噪音點，Surfacer 有很多工具來對點陣進行判斷并去掉噪音點，以保證結果的準確性。 
    通過可視化點陣觀察和判斷，規(guī)劃如何創(chuàng)建曲面。 
    一個零件，是由很多單獨的曲面構成，對于每一個曲面，可根據(jù)特性判斷用用什么方式來構成。例如，如果曲面可以直接由點的網(wǎng)格生成，就可以考慮直接采用這一片點陣；如果曲面需要采用多段曲線蒙皮，就可以考慮截取點的分段。提前作出規(guī)劃可以避免以后走彎路。 
    根據(jù)需要創(chuàng)建點的網(wǎng)格或點的分段。 
    Surfacer 能提供很多種生成點的網(wǎng)格和點的分段工具，這些工具使用起來靈活方便，還可以一次生成多個點的分段。 
    二、曲線創(chuàng)建過程 
    判斷和決定生成哪種類型的曲線。 
    曲線可以是精確通過點陣的、也可以是很光順的(捕捉點陣代表的曲線主要形狀)，或介于兩者之間。 
    創(chuàng)建曲線。 
    根據(jù)需要創(chuàng)建曲線，可以改變控制點的數(shù)目來調整曲線?？刂泣c增多則形狀吻合度好，控制點減少則曲線較為光順。 
    診斷和修改曲線。 
    可以通過曲線的曲率來判斷曲線的光順性，可以檢查曲線與點陣的吻合性，還可以改變曲線與其它曲線的連續(xù)性(連接、相切、曲率連續(xù))。Surfacer 提供很多工具來調整和修改曲線。 
    三、曲面創(chuàng)建過程 
    決定生成那種曲面。 
    同曲線一樣，可以考慮生成更準確的曲面、更光順的曲面(例如 class 1 曲面)，或兩者兼顧，可根據(jù)產品設計需要來決定。 
    創(chuàng)建曲面。 
    創(chuàng)建曲面的方法很多，可以用點陣直接生成曲面(Fit free form)，可以用曲線通過蒙皮、掃掠、四個邊界線等方法生成曲面，也可以結合點陣和曲線的信息來創(chuàng)建曲面。還可以通過其它例如園角、過橋面等生成曲面。 
    診斷和修改曲面。 
    比較曲面與點陣的吻合程度，檢查曲面的光順性及與其它曲面的連續(xù)性，同時可以進行修改，例如可以讓曲面與點陣對齊，可以調整曲面的控制點讓曲面更光順，或對曲面進行重構等處理。 
    英國 Triumph Motorcycles 有限公司的設計工程師 Chris Chatburn 說：“利用 Surfacer 我們可以在更短的時間內完成更多的設計循環(huán)次數(shù)，這樣可以讓我們減少 50% 的設計時間。” 
    最新發(fā)布的 Surfacer 10.6 軟件將以下工作流程的高性能工具完整的集成到一起： 
    [彈性的曲面創(chuàng)建工具]：可以在一個彈性的設計環(huán)境里非常方便的直接從曲線、曲面、或測量數(shù)據(jù)創(chuàng)建曲面，支持貝茨爾(Bezier)和非均勻有理 B 樣條(NURBS)曲面兩種方法。用戶可以選擇適合的曲面方法，通過結合兩種方法的優(yōu)點來獲益。 
    [動態(tài)的曲面修改工具]：允許用戶在交互的方式下試探設計主題，立刻就可以看到是否美觀和思路是否符合工程觀念。設計、工程分析、制造的標準都通過精心的構造過程考慮進去，所以當每次修改曲面時不需要再重新校核標準。 
    [實時的曲面診斷工具]：可以提供諸如任意截面的連續(xù)性、曲面反射線情況、高亮度線、光譜圖、曲率云圖和園柱型光源照射下的反光圖等多種方法，在設計的任何時候都可以查出曲面缺陷。 
    [有效的曲面連續(xù)性管理工具]：在復雜的曲面縫補等情況下，即使曲面進行了移動修改等操作，也能保證曲面同與之相連的曲面間的曲率連續(xù)，避免了乏味的手工再調整過程。 
    [強大的處理掃描數(shù)據(jù)能力]：根據(jù) Rainbow 圖法(相當于假設雨水從上面落下，由于形狀差異導致雨水流速差異)、曲率大小變化云圖法(對于一個完全光順的 class 1 曲面，相當于曲率大小變化為零，對于兩個不同曲面，此值會不同)將掃描數(shù)據(jù)分開，這樣可以很快地捕捉產品的主要特征，并迅速建立各個相應曲面，避免了費事的分析和處理。
    正是由于 Imageware 在計算機輔助曲面檢查、曲面造型及快速樣件等方面具有其它軟件無可匹敵的強大功能，使它當之無愧的成為逆向工程領域的領導者。 
    Geomagic Studio 
    由美國 Raindrop (雨滴)公司出品的逆向工程和三維檢測軟件 Geomagic Studio 可輕易地從掃描所得的點云數(shù)據(jù)創(chuàng)建出完美的多邊形模型和網(wǎng)格，并可自動轉換為 NURBS 曲面。該軟件也是除了 Imageware 以外應用最為廣泛的逆向工程軟件。 
    Geomagic Studio 主要包括 Qualify、Shape、Wrap、Decimate、Capture 五個模塊。主要功能包括： 
    自動將點云數(shù)據(jù)轉換為多邊形(Polygons) 
    快速減少多邊形數(shù)目(Decimate) 
    把多邊形轉換為 NURBS 曲面 
    曲面分析(公差分析等) 
    輸出與 CAD/CAM/CAE 匹配的文件格式(IGS、STL、DXF等) 

    1.從CAD數(shù)模得到的產品模型 

    2.將CAD模型讀入 Geomagic Studio 

    3.CAD 設計模型與從實際模型掃描所得的點云數(shù)據(jù)(不同坐標系) 

    4.掃描數(shù)據(jù)與CAD模型的自動對合 

    5.掃描數(shù)據(jù)與CAD模型的自動對齊 

    6.誤差以彩色圖形直觀顯示 

    7.用戶可標出任意點誤差 8. Qualify 的結果可以輸出為 HTML 格式 　 
    CopyCAD 
    CopyCAD 是由英國 DELCAM 公司出品的功能強大的逆向工程系統(tǒng)軟件，它能允許從已存在的零件或實體模型中產生三維CAD模型。該軟件為來自數(shù)字化數(shù)據(jù)的 CAD 曲面的產生提供了復雜的工具。CopyCAD 能夠接受來自坐標測量機床的數(shù)據(jù)，同時跟蹤機床和激光掃描器。 
    CopyCAD 簡單的用戶界面允許用戶在盡可能短的時間內進行生產，并且能夠快速掌握其功能，既使對于初次使用者也能做到這點。使用 CopyCAD 的用戶將能夠快速編輯數(shù)字化數(shù)據(jù)，產生具有高質量的復雜曲面。該軟件系統(tǒng)可以完全控制曲面邊界的選取，然后根據(jù)設定的公差能夠自動產生光滑的多塊曲面 ，同時，CopyCAD 還能夠確保在連接曲面之間的正切的連續(xù)性。 
    該軟件的主要功能如下： 
    數(shù)字化點數(shù)據(jù)輸入 
    DUCT 圖形和三角模型文件 
    CNC 坐標測量機床 
    分隔的 ASCII 碼和 NC 文件 
    激光掃描器、三維掃描器和 SCANTRON 
    PC ArtCAM 
    Renishaw MOD 文件 
    點操作 
    能夠進行相加、相減、刪除、移動以及點的隱藏和標記等點編輯 
    能夠為測量探針大小對模型的三維偏置進行補償 
    能夠進行模型的轉換、縮放、旋轉和鏡像等模型轉換 
    能夠對平面、多邊形或其它模型進行模型裁剪 
    三角測量 
    在用戶定義的公差和選項內的數(shù)字化模型的三角測量，包括： 
    ① 原始的——法線設置 
    ② 尖銳——尖銳特征強化 
    ③ 特征匹配——來自點法線數(shù)據(jù)的特征 
    ④ 關閉三角測量——為了快速繪圖可以關閉模型 
    特征線的產生 
    邊界——轉換模型外邊緣為特征線 
    間斷——為找到簡單的特征(如凸出和凹下)而探測數(shù)據(jù)里的尖銳邊緣 
    能夠轉換數(shù)字化掃描線為特征線 
    輸入的數(shù)據(jù)——能夠從點文件中摘錄多線條和樣條曲線 
    曲面構造 
    通過在三角測量模型上跟蹤直線產生多樣化曲面 
    在連接的曲面之間，用已存在的曲面定義帶有選項的正切連續(xù)性的邊界 
    使用特征線指導和加快曲面定義 
    曲面錯誤檢查 
    比較曲面與數(shù)字化點數(shù)據(jù) 
    報告最大限、中間值和標準值的錯誤背離 
    錯誤圖形形象地顯示變化 
    輸出 
    IGES、CADDS4X 
    STL ASCII 碼和二進制 
    DUCT 圖形、三角模型和曲面 
    分隔的 ASCII 碼 
    RapidForm
    RapidForm 是韓國 INUS 公司出品的全球四大逆向工程軟件之一，RapidForm 提供了新一代運算模式，可實時將點云數(shù)據(jù)運算出無接縫的多邊形曲面，使它成為 3D Scan 后處理之最佳化的接口。RapidForm 也將使您的工作效率提升，使 3D 掃描設備的運用范圍擴大，改善掃描品質。 
    多點云數(shù)據(jù)管理介面 
高級光學 3D 掃描儀會產生大量的數(shù)據(jù)(可達 100,000 ～ 200,000點)，由于數(shù)據(jù)非常龐大，因此需要昂貴的電腦硬件才可以運算，現(xiàn)在 RapidForm 提供記憶管理技術(使用更少的系統(tǒng)資源)可縮短您處理數(shù)據(jù)的時間。 
    多點云處理技術 
可以迅速處理龐大的點云數(shù)據(jù)，不論是稀疏的點云還是跳點都可以輕易地轉換成非常好的點云， RapidForm 提供過濾點云工具以及分析表面偏差的技術來消除 3D 掃描儀所產生的不良點云。 
    快速點云轉換成多邊形曲面的計算法 
    在所有逆向工程軟件中，RapidForm 提供一個特別的計算技術，針對 3D 及 2D 處理是同類型計算，軟件提供了一個最快最可靠的計算方法，可以將點云快速計算出多邊形曲面。RapidForm 能處理無順序排列的點數(shù)據(jù)以及有順序排列的點數(shù)據(jù)。 
    彩色點云數(shù)據(jù)處理 
    RapidForm 支持彩色 3D 掃描儀，可以生成最佳化的多邊形，并將顏色信息映像在多邊形模型中。在曲面設計過程中，顏色信息將完整保存，也可以運用 RP 成型機制作出有顏色信息的模型。RapidForm 也提供上色功能，通過實時上色編輯工具，使用者可以直接對模型編輯自己喜歡的顏色。 
    點云合并功能 
    多個點掃描數(shù)據(jù)有可能經手動方式將特殊的點云加以合并，當然，RapidForm 也提供一技術，使用者可以方便地對點云數(shù)據(jù)進行各種各樣的合并。 
    注：Roland 模具加工機隨機所附的 PixForm 軟件為 RapidForm 的 OEM 軟件。