逆向工程技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
    一、引言
    逆向工程也稱反求工程或反向工程，是根據(jù)已存在的產(chǎn)品或零件原型構(gòu)造產(chǎn)品或零件的工程設(shè)計(jì)模型，并在此基礎(chǔ)上對已有的產(chǎn)品進(jìn)行剖析、理解和改進(jìn)，是對已有設(shè)計(jì)的二次設(shè)計(jì)。
    從廣義講，逆向工程可分以下三類：
    （1）實(shí)物逆向：它是在已有產(chǎn)品實(shí)物的條件下，通過測繪和分折，從而再創(chuàng)造；其中包括功能逆向、性能逆向、方案、結(jié)構(gòu)、材質(zhì)等多方面的逆向。實(shí)物逆向的對象可以是整機(jī)、零部件或組件。
    （2）軟件逆向：產(chǎn)品樣本、技術(shù)文件、設(shè)計(jì)書、使用說明書、圖紙、有關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)、管理規(guī)范和質(zhì)量保證手冊等均稱為技術(shù)軟件。軟件逆向有三類：既有實(shí)物，又有全套技術(shù)軟件；只有實(shí)物而無技術(shù)軟件；沒有實(shí)物，僅有全套或部分技術(shù)軟件。
    （3）影像逆向：設(shè)計(jì)者既無產(chǎn)品實(shí)物，也無技術(shù)軟件，僅有產(chǎn)品的圖片、廣告介紹或參觀后的印象等，設(shè)計(jì)者要通過這些影像資料去構(gòu)思、設(shè)計(jì)產(chǎn)品，該種逆向稱為影像逆向。
    目前，國內(nèi)外有關(guān)逆向工程的研究主要集中在幾何形狀的逆向，即重建產(chǎn)品實(shí)物的CAD，稱為“實(shí)物逆向工程”。逆向工程示意圖如下：


    二、逆向工程數(shù)據(jù)測量技術(shù)
    數(shù)據(jù)測量是通過特定的測量設(shè)備和測量方法獲取產(chǎn)品表面離散點(diǎn)的幾何坐標(biāo)數(shù)據(jù)，將產(chǎn)品的幾何形狀數(shù)字化。其測量原理是：將被測產(chǎn)品放置于三坐標(biāo)測量機(jī)的測量空間內(nèi)，可以獲得被測產(chǎn)品上各個(gè)測量點(diǎn)的坐標(biāo)位置，根據(jù)這些點(diǎn)的空間坐標(biāo)值，經(jīng)過計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理，擬合形成測量元素，如圓、球、圓柱、圓錐、曲面等，經(jīng)過數(shù)學(xué)計(jì)算的方法得出其形狀、位置公差及其它幾何量數(shù)據(jù)。高效、高精度地獲取產(chǎn)品的數(shù)字化信息是實(shí)現(xiàn)逆向工程的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。
    現(xiàn)有的數(shù)據(jù)采集方法主要分為兩大類：
    （1）接觸式數(shù)據(jù)采集方法
    接觸式數(shù)據(jù)采集方法包括使用基于力的擊發(fā)原理的觸發(fā)式數(shù)據(jù)采集和連續(xù)式掃描數(shù)據(jù)采集、磁場法、超聲波法。接觸式數(shù)據(jù)采集通常使用三坐標(biāo)測量機(jī)，測量時(shí)可根據(jù)實(shí)物的特征和測量的要求選擇測頭及其方向，確定測量點(diǎn)數(shù)及其分布，然后確定測量的路徑，有時(shí)還要進(jìn)行碰撞的檢查。觸發(fā)式數(shù)據(jù)采集方法采用觸發(fā)探頭，觸發(fā)探頭又稱為開關(guān)測頭，當(dāng)測頭的探針接觸到產(chǎn)品的表面時(shí)，由于探針受理變形觸發(fā)采樣開關(guān)，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記下探針的當(dāng)前坐標(biāo)值，逐點(diǎn)移動探針就可以獲得產(chǎn)品的表面輪廓的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。常用的接觸式觸發(fā)探頭主要包括：機(jī)械式觸發(fā)探頭、應(yīng)變片式觸發(fā)探頭、壓電陶瓷觸發(fā)探頭。采用觸發(fā)式測頭的優(yōu)點(diǎn)在于：適用于空間箱體類工件及已知產(chǎn)品表面的測量；觸發(fā)式探頭的通用性較強(qiáng)，適用于尺寸測量和在線應(yīng)用；體積小，易于在狹小的空間內(nèi)應(yīng)用；由于測量數(shù)據(jù)點(diǎn)時(shí)測量機(jī)處于勻速直線低速狀態(tài)，測量機(jī)的動態(tài)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(xì)節(jié)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(jìn)行測頭補(bǔ)償，數(shù)據(jù)量小，不能真實(shí)的反映實(shí)體的形狀。
    （2）非接觸式數(shù)據(jù)采集方法
    非接觸式數(shù)據(jù)采集方法主要運(yùn)用光學(xué)原理進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，主要包括：激光三角形法、激光測距法、結(jié)構(gòu)光法以及圖像分析法等。
    非接觸式數(shù)據(jù)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(chǎn)生的偽劣點(diǎn)問題，獲得的密集點(diǎn)云信息量大、精度高，測頭產(chǎn)生的光斑也可以做得很小，可以探測到一般機(jī)械測頭難以測量的部位，最大限度地反映被測表面的真實(shí)形狀。非接觸式數(shù)據(jù)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，適用于表面形狀復(fù)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(shù)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(shù)據(jù)的零件、不考慮測量成本及其相關(guān)軟硬件的配套情況下的測量。
    總之，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(chǎn)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；對離散點(diǎn)的測量采用掃描式；對易變形、精度要求不高的產(chǎn)品、要求獲得大量測量數(shù)據(jù)的零件進(jìn)行測量時(shí)采用非接式測量方法。
    三、逆向工程數(shù)據(jù)處理技術(shù)
    數(shù)據(jù)處理是逆向工程的一項(xiàng)重要的技術(shù)環(huán)節(jié)，它決定了后續(xù)CAD模型重建過程能否方便、準(zhǔn)確地進(jìn)行。根據(jù)測量點(diǎn)的數(shù)量，測量數(shù)據(jù)可以分為一般數(shù)據(jù)點(diǎn)和海量數(shù)據(jù)點(diǎn)；根據(jù)測量數(shù)據(jù)的規(guī)整性，測量數(shù)據(jù)又可以分為散亂數(shù)據(jù)點(diǎn)和規(guī)矩?cái)?shù)據(jù)點(diǎn)；不同的測量系統(tǒng)所得到的測量數(shù)據(jù)的格式是不一致的，且?guī)缀跛械臏y量方式和測量系統(tǒng)都不可避免地存在誤差。因此，在利用測量數(shù)據(jù)進(jìn)行CAD重建前必須對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)處理工作主要包括：數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)化、多視點(diǎn)云的拼合、點(diǎn)云過濾、數(shù)據(jù)精簡和點(diǎn)云分塊等。
    每個(gè)CAD/CAM系統(tǒng)都有自己的數(shù)據(jù)格式，目前流行的CAD/CAM軟件的產(chǎn)品數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和格式各不相同，不僅影響了設(shè)計(jì)和制造之間的數(shù)據(jù)傳輸和程序銜接，而且直接影響了CMM與CAD/CAM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊。目前通行的辦法是利用幾種主要的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)（IGES、STEP、AutoCAD的DXF等）來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊。
    在逆向工程實(shí)際的過程中，由于坐標(biāo)測量都有自己的測量范圍，因此無論采用什么測量方法，都很難在同一坐標(biāo)系下將產(chǎn)品的幾何數(shù)據(jù)一次性完全測出。產(chǎn)品的數(shù)字化不能在同一坐標(biāo)系下完成，而在模型重建的時(shí)候又必須將這些不同坐標(biāo)下的數(shù)據(jù)統(tǒng)一到一個(gè)坐標(biāo)系里，這個(gè)數(shù)據(jù)處理過程就是多視數(shù)據(jù)定位對齊(多視點(diǎn)云的拼合)。多視數(shù)據(jù)的對齊主要可以分為兩種：通過專用的測量軟件裝置實(shí)現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的直接對齊；事后數(shù)據(jù)處理對齊。采用事后數(shù)據(jù)處理對齊又可以分為：對數(shù)據(jù)的直接對齊和基于圖形的對齊。對數(shù)據(jù)的直接對齊研究研究中，出現(xiàn)了多種算法，如ICP算法；四元數(shù)法；SVD法；基于三個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)的對齊方法等。
    數(shù)據(jù)平滑的目的是消除測量數(shù)據(jù)的噪聲，以得到精確的數(shù)據(jù)和好的特征提取效果。目前通常是采用標(biāo)準(zhǔn)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(shù)據(jù)的形貌，中值濾波消除數(shù)據(jù)毛刺的效果較好。因此在選用時(shí)應(yīng)該根據(jù)數(shù)據(jù)質(zhì)量和建模方法靈活選擇濾波算法。
    運(yùn)用點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行造型處理的過程中，由于海量數(shù)據(jù)點(diǎn)的存在，使存儲和處理這些點(diǎn)云數(shù)據(jù)成了不可突破的瓶頸。實(shí)際上并不是所有的數(shù)據(jù)點(diǎn)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縮減數(shù)據(jù)量，對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡。目前采用的方法有：利用均勻網(wǎng)格減少數(shù)據(jù)的方法；利用減少多變形三角形達(dá)到減少數(shù)據(jù)點(diǎn)的方法；利用誤差帶減少多面體數(shù)據(jù)點(diǎn)的方法。數(shù)據(jù)分割是根據(jù)組成實(shí)物外形曲面的子曲面的類型，將屬于同一曲面類型的數(shù)據(jù)成組，劃分為不同的數(shù)據(jù)域，為后續(xù)的模型重建提供方便。數(shù)據(jù)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(shù)二次曲面逼近的數(shù)據(jù)分割方法；散亂數(shù)據(jù)點(diǎn)的自動分割方法；基于CT技術(shù)的數(shù)據(jù)分割方法。
    四、逆向模型重建技術(shù)
    在整個(gè)逆向工程中，產(chǎn)品的三位幾何模型CAD重建是最關(guān)鍵、最復(fù)雜的環(huán)節(jié)。因?yàn)橹挥蝎@得了產(chǎn)品的CAD模型我們才能夠在此基礎(chǔ)上進(jìn)行后續(xù)產(chǎn)品的加工制造、快速成型制造、虛擬仿真制造和進(jìn)行產(chǎn)品的再設(shè)計(jì)等。在進(jìn)行模型重建之前，設(shè)計(jì)者不僅需要了解產(chǎn)品的幾何特征和數(shù)據(jù)的特點(diǎn)等前期信息，而且需要了解結(jié)構(gòu)分析、加工制作模具、快速成型等后續(xù)應(yīng)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(gè)多項(xiàng)式的函數(shù)通過插值去逼近原始的數(shù)據(jù)，最終得到足夠光滑的曲面。曲線是構(gòu)成曲面的基礎(chǔ)，在逆向工程中常用的模型重建方法為，首先將數(shù)據(jù)點(diǎn)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(gòu)造型。優(yōu)點(diǎn)是原理比較簡單，只要多項(xiàng)式的次數(shù)足夠高就可以得到滿意的曲面，但也容易造成計(jì)算的不穩(wěn)定，同時(shí)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(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行曲面片擬合，獲得曲面片經(jīng)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(diǎn)，也可以處理散亂數(shù)據(jù)點(diǎn)。算法有：基于有序點(diǎn)的B樣條曲面插值；B樣條曲面插值；對任意測量點(diǎn)的B樣條曲面逼近。
    （3）點(diǎn)數(shù)據(jù)網(wǎng)格化：網(wǎng)絡(luò)化實(shí)體模型通常是將數(shù)據(jù)點(diǎn)連接成三角面片，形成多面體實(shí)體模型。目前已經(jīng)形成兩種簡化方法：基于給定數(shù)據(jù)點(diǎn)在保證初始幾何形狀的基礎(chǔ)上，反復(fù)排除節(jié)點(diǎn)和面片，構(gòu)建新的三角形，最終達(dá)到指定的節(jié)點(diǎn)數(shù)；尋找具有最小的節(jié)點(diǎn)和面片的最小多面體。
    五、逆向工程展望
    逆向工程的研究已經(jīng)日益引人注目，在數(shù)據(jù)處理、曲面片擬合、幾何特征識別、商用專業(yè)軟件和坐標(biāo)測量機(jī)的研究開發(fā)上已經(jīng)取得了很大的成績。但是在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，整個(gè)過程仍需要大量的人機(jī)交互工作，操作者的經(jīng)驗(yàn)和素質(zhì)直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量，自動重建曲面的光順性難以保證，下面一些關(guān)鍵技術(shù)將是逆向工程主要發(fā)展方面：
    （1）數(shù)據(jù)測量方面：發(fā)展面向逆向工程的專用測量設(shè)備，能夠高速、高精度的實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品幾何形狀的三維數(shù)字化，并能進(jìn)行自動測量和規(guī)劃路徑；
    （2）數(shù)據(jù)的預(yù)處理方面：針對不同種類的測量數(shù)據(jù)，開發(fā)研究一種通用的數(shù)據(jù)處理軟件，完善改進(jìn)目前的數(shù)據(jù)處理算法；
    （3）曲面擬合：能夠控制曲面的光順性和能夠進(jìn)行光滑拼接；
    （4）集成技術(shù)：發(fā)展包括測量技術(shù)、模型重建技術(shù)、基于網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同設(shè)計(jì)和數(shù)字化制造技術(shù)等的逆向工程技術(shù)。