逆向工程关键技术及应用实例介绍了逆向工程技术的定义及其工作流程，整个流程分为数据采集、数据处理和曲面重构三个部分。

根据理论学习和自身实践经验对逆向工程的关键技术做了一些探讨。

并以摩托车装饰板模型的曲面重建为例，用激光扫描仪获取三维点云数据，在CATIA中对点云进行数据处理，实现曲面重构，说明了逆向工程的整个设计应用流程。

1 引言逆向工程技术是一门新兴的技术，它是在获得实物模型信息的基础上，通过一些软件如CATIA, Surfacer, Pro/E等，在消化、吸收实物原型的前提下，对实物模型进行修改和再设计，从而创造新产品。

因此它是一项开拓性、实用性和综合性很强的技术，目前已经得到了广泛的应用，如飞机、汽车等行业。

逆向工程一般包括以下几个阶段:数据采集、数据处理、曲面重构。

其一般流程如图1所示。

其中数据采集是前提，数据处理和曲面重构是逆向工程的关键，曲面重构尤为重要。

图1基于实物模型重建的逆向工程技术流程图2 数据采集数据采集又称模型数字化，即指通过坐标测量机(Coordinate Measuring Machine，简称CMM)或激光扫描仪等测量装置获取实物表面特征点三维坐标值的过程。

数据采集是逆向工程的第一环节，也是非常重要的一个环节，数据采集的质量和效率直接影响着后期的模型重建的进程，关系着整个逆向工程的成败。

数据采集的流程如图2所示。

图2 数据采集流程图随着科学技术的不断进步，数据采集出现了多种方法，如图3所示。

3 数据处理三维测量系统可采集到复杂曲面上大量密集的原始测量数据，这些数据是物体表面各点坐标，这些数据之间通常没有相应的显式拓扑关系，其中还包含大量无用的数据，同时由于环境的影响如噪声、振动等会出现一些误差数据，因此在进行曲面重构前必须进行数据处理。

图3 数据采集方法分类数据处理一般包括以下几个方面:数据重定位、噪声去除、数据精简、数据插补、数据分割。

有时由于被测对象无法一次测全数据，可能需要分几次测量，每次测量都是在不同的坐标系下进行。

数据重定位就是将在不同定位状态(即不同的坐标系)下测得的数据整合到一个坐标系下。

由于受测量设备精度、扫描速度、操作者的经验和被测零件表面质量等诸多因素的影响，会产生测量误差数据点，习惯上称为噪声点。

在进行曲面构造之前必须去除噪声点，否则最后构建出来的实体形状将由于噪声点的存在而与原实体大相径庭。

最简单的噪声去除方法是人机交互，通过图形显示，判别明显坏点，在数据序列中将这些点删除。

此种方法简单，但是对于数量比较大的点云就不适宜了。

国内出现了很多关于去除噪声点的算法，主要有高斯滤波、均值滤波和中值滤波等方法。

数字化实物模型得到的是大量离散数据的集合，数据量非常巨大，并且存在大量的冗余数据。

对于曲面重构来说，没有必要需要这么多的数据，而且如此庞大的测量点集，有时候会严重影响曲面重建的效率和质量，因此非常有必要进行数据精简。

对于不同类型的点云可采用不同的精简方式。

散乱点云可以通过随机采样的方法来精简;对于扫描线点云和多边形点云可采用等间距缩减、倍率缩减、等量缩减、弦高差等方法;网格化点云可用等分布密度和最小包围区域法进行数据缩减。

数据插补就是利用周围点的信息插值出缺损处的坐标最大限度获得样件模型的数据信息，希望数据点间有一定的拓扑关系。

逆向工程的数据插补方法主要有实物填充法、造型设计法以及曲线、曲面插值补充法。

数据分割(Point Data Segmentation)是根据组成实物外形曲面的子曲面的类型，将属于同一子曲面类型的数据分为一组，这样全部数据将划分成代表不同曲面类型的数据域，为后续的曲面模型重构提供方便。

通常情况下，被测样件模型都是由若干个自由曲面、基本曲面组成的，故在进行曲面重构之前需要进行数据分割，以便可以根据不同部分采用合理的方法构造曲面，最后再将所有曲面进行拼接、缝合。

数据分割一般分为测量过程中的分割和测量后的分割。

测量过程中的分割指在测量过程中，操作者根据被测样件模型的外形特征进行划分，以此规划测量路径，将不同部分的测量保存为不同的点云，这种方法要依赖操作者的经验和被测样件模型外观的复杂程度。

测量后的分割指测.量J束，在对点云数据进行噪声去除、精简数据、数据光顺以后进行的分割。

这种分割需要进行复杂的理论推算。

4 曲面重构曲面重构就是根据数据采集信息来恢复原始曲面的几何模型。

但是它和普通的曲面建模又有很大的区别。

逆向曲面建模是通过大量的点云数据来获得曲面的信息，所以说它所面向的对象是海量的点云数据，是一种非参数化建模。

逆向曲面模型的光顺性与拟合精度始终是一对难以调和的矛盾。

如果过高地追求曲面的精度，保证曲面通过绝大多数点云，必然导致曲面的光顺性较差。

因此，曲面重构是逆向工程中最为重要的一部分。

曲面建模步骤:首先从点云数据中提取“特征线”，建好曲面模型的“骨架”;其次根据“特征线”构建决定产品外观的基础大曲面，并且根据实际所要求的精度和光顺程度反复调整曲面，使最终得到的曲面质量达到所要求的最佳状态;再次通过倒圆角、裁剪完成曲面建模，并进行最后一次总体的质量检查和评估;最后将曲面拼接、加厚，这样就可以进入产品结构设计阶段。

整个设计过程可以用图4清晰明了地表达出来。

图4 曲面建模流程图5 逆向工程关键技术探讨通过理论学习和自身实践对逆向工程技术中的数据采集、数据处理、曲面重构做一些探讨。

5.1 数据采集数据采集是逆向工程的比较重要的一步，在采集数据时应注意以下几点。

(1)针对模型选择适当正确的测量方法。

接触式测量方法不能对易碎材料、软质材料、弹性材料、腐蚀性材料，或其它超薄型材料进行测量，而且不易测量具有复杂内部型腔、特征几何尺寸少及特征曲面较多的样件模型。

非接触式磁学测量可以获取样件内部及内表面的截面数据，但是被测样件不能是磁铁物质;光学测量要求环境光线不应过强，且光照应均匀，样件表面粗糙度小、倾角小、起伏不太大等。

同时被测件表面不应反光，不满足此要求时可采用着色渗透探伤剂对被测件表面进行喷涂着色处理，喷涂时应保证涂层的均匀。

(2)在采集数据时应建立统一的坐标系，且测量区域应该有一定的重叠，以保证数据的完整性。

(3)对曲面比较复杂的模型，要将其外形划分为规则部分和不规则两部分，分别制定测量方案。

如对自由曲面部分，利用扫描测量获得密集的扫描数据;对平面部分，可以只测量几条扫描线即可;重要部位精确采，次要部位适当取点;复杂部位密集采，简单部位稀疏取点;先采外轮廓数据，后采内部数据;对小孔部分单独测量，包括孔的位置和直径等参数。

(4)对形状复杂的自由曲面，尽量一次扫描完整张曲面，如果不能一次扫描完，应在同一平面上尽量划分曲面形状特征类似，并尽量减少测量分块数目，以减少重复定位和重复建立测量坐标系的误差。

同时一些局部曲线或曲面(如曲面边界、内孔轮廓线、过渡圆角的脊线及复杂曲面所包含的局部平面、二次曲面等)对曲面的形状和品质有关键性的影响，这就是所谓的特征曲线、特征曲面。

测量区域内特征线的走向应尽可能一致即尽量使测量区域内拥有一个特征线走向。

5.2 数据处理数据处理是逆向工程中关键技术，数据处理的好坏直接影响着曲面重构的品质。

数据处理的好则曲面特征易于识别，且曲面光顺，曲面质量好，反之曲面特征不易识别，曲面粗糙，曲面质量差。

数据处理有多种方法，具体使用哪种方法应视具体建模对象而定。

处理过程中可交叉综合运用各种方法。

数据处理的最终目的是使得点云数据精简、模型特征易于识别，有利于后续曲面构建。

5.3 曲面重构曲面重构是逆向工程中最关键的技术，也是最困难的技术。

尤其是自由曲面的重构，自由曲面一般由多个非规则曲面构成，它是曲面重构的“瓶颈”。

在重构曲面的过程中应注意以下几点。

(1)根据样件模型的结构特点，以模型的主要轮廓线如特征线、中心线等作为曲面分块的边界，分块曲面一般要保持单凸单凹，以便后续的光顺处理，且分块的数目应尽可能的少，这将有利于后续曲面的调整和处理。

(2)曲率分布要有规律，对于单凸单凹的曲面，沿半径方向的截面线的曲率半径方向必须一致。

(3)先构建基础大曲面，后构造过渡曲面，过渡曲面多采用曲线构建曲面的方法，对于过渡曲面的构造可不必过分拘泥于点云拟合，可以采用相邻基础曲面的边界作为约束进行直接曲面建构。

(4)允许T型相切曲面，尽量避免交叉曲面。

(5)在最后倒圆角、裁剪阶段的时候应先进行倒圆角后进行裁剪。

倒圆角应“先大后小、先少后多”，也就是说先倒大圆弧，再倒小圆弧;对于多个曲面相交处，应先倒出相交面少的圆弧，再倒出相交面多的圆弧。

6 逆向工程实例本文结合摩托车装饰板模型的曲面重构简单的说明逆向工程的全过程。

本次设计中数据采集采用的是由美国Faro公司生产的Faro激光测量臂和法国的Kreon 激光扫描系统(近距扫描)组成的激光扫描设备，见图5。

三维软件使用的是CATIA。

CATIA是由法国Dassault开发并由IBM公司负责销售的CAD/CAM/PDM应用系统。

图5激光扫描系统图6是激光扫描系统得到的数据，图7是进行数据处理后的数据。

从图6可以看出得到的数据是海量的，同时由于受装饰板表面影响、环境影响以及扫描仪的误差，使得到的点云数据存在很大的误差。

从图7看出经过定位、移除、过滤、合并等操作处理，数据精简了很多，数据质量也有了很大的提高，且装饰板的大致轮廓也已经可以看出，可以用来构建曲面。

图6 采集的数据图7 处理后的数据图8是点云渲染图，可以看出曲面还是有点复杂，需要进行曲面分块，分别构建，最后再进行缝合等操作。

图9是最终曲面模型。

图8 渲染图图9 最终曲面7 结束语逆向工程技术能快速建立新产品的数据化模型，大大缩短新产品研发周期，提高企业生产效率，在汽车、飞机等行业都有着广泛的应用。

近几年逆行工程技术发展比较迅速，但数据处理和曲面重构仍是需要不断进行深入研究的两个方面。