逆向工程技术与研究

逆向工程技术与应用研究 摘 要：随着逆向工程技术的不断发展，其应用领域也日益广泛。本文阐述了逆向工程的基 本概念、数据测量、数据处理、模型重建等逆向工程中的关键技术，并介绍了主要的逆向工 程商用软件，最后对逆向工程的发展前景进行了展望。 1引言 逆向工程（Reverse Engineering，RE）产生于 20 世纪 80 年代末至 90 年代初，广泛应 用于精密测量和质量检验领域，是设计下游向设计上游反馈信息的回路。目前，大多数关于 逆向工程的研究主要集中在实物几何形状的逆向重构上，即产品实物的 CAD 模型重构和最 终产品的制造，称为“实物逆向工程”（简称逆向工程）。 逆向工程，也称反向工程、反求工程，它是将实物转变为 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，是将已有产品或实物模型转化为工程设计模型和 概念模型，在此基础上对已有产品进行解剖、深化和再创造的过程。 逆向工程包括快速反求、快速成型、快速模具以及数控加工等多个环节。其中快速反 求是从实物原型到三维数字模型的转换，是反求工程技术实现的关键技术，它包括数据测量、 数据处理、三维重建和模型评价四部分。 2数据测量技术 逆向工程数据测量，又称产品面数字化，是指通过特定的测量设备和测量方法，将 物体的表面形状转换成离散的几何点坐标数据。该技术关系到对物体描述的精确度和完整度， 从而影响重构的 CAD 曲面和实体模型的质量，并最终决定加工出来的产品能否真实反映原 始实物。因此，数据测量是整个逆向工程的基础。 现有的数据测量方法分为两大类： (1) 接触式测量方法 接触式测量方法是通过传感测量头与物体的接触而物体表面的坐标位置。通常使 用三坐标测量机进行测量，测量时可根据实物的特征和测量的选择测头及其方向，确定 测量点数及其分布，然后确定测量的路径。触发式数据采集方法采用触发探头，当测头的探 针接触到产品的表面时，由于探针受理变形触发采样开关，通过数据采集系统记下探针的当 前坐标值，逐点移动探针就可以获得产品的表面轮廓的坐标数据。 (2) 非接触式测量方法 非接触式测量方法主要是基于光学、声学、磁学等进行数据的采集，将一定的物理模 拟量通过适当的算法转化为样件表面的坐标点。根据测量原理的不同，大致有光学测量、超 声波测量、电磁测量等方式。这种方法的一个应用是三维扫描技术，它是一种立体测量技术。 与传统的技术相比，能够完成复杂形体的点、面、形的三维测量，能进行高精度的快速无接 触测量。 目前，采用基于视觉传感器的非接触式测量技术的数量在增加，因为这种技术在提高测 量速度方面具有优势，而且计算与软件技术的发展，使得大量的数据能在若干秒钟内采集到 并进行处理、而不是接触式方法那样需要花费若干几分钟，甚至若干小时。然而，在视觉传 感器的非接触测量中，周围光照效应与表面反射率会导致发生问；还有，在垂直面上进行 扫描会有困难，并且需要复杂的编程。表 1 给出了激光扫描测量和机械接触测量技术特点的 比较。 表 1 激光扫描测量和机械接触测量技术特点比较 激光扫描测量 机械接触测量 测量方式 非接触式 接触式 测量精度 10～100µm 1µm 传感器 光电接收器件 开关器件 测量速度 1000～12000 点/s 人工控制（较慢） 前期处理 需喷漆，无基准点 设定坐标系，校正基准面 工件材质 无限定 硬质材质 测量死角 光学阴影处及光学焦距变化处 工件内部不易测量 误差 随曲面变化大 部分失真 优点 (1) 测量速度快，曲面数据易获 取 (2) 不需要进行侧头半径补偿 (3) 可测量柔软、易碎、不可接 触、皮毛等物体 (4) 无接触力，不会损伤精密表 面 (1) 精度较高 (2) 可直接测量工作的特定几何 特征 缺点 (1) 测量精度较差，无法判定特 定的几何特征 (2) 陡峭面不易测量，激光无法 照射到的地方无法测量 (3) 物体表面的明暗程度影响测 量精度 (1) 需逐点测量，速度慢 (2) 测量前后需做半径补偿 (3) 接触力大小会影响测量值 (4) 倾斜面测量时，不易补偿半 径，精度难保证 (5) 测量物体内部时，形状尺寸 会影响测量值 3数据处理技术 由于测量设备的缺陷、测量方法和被测物体表面特征的影响，通过测量所得的数据不可 避免地引入了误差，尤其是尖锐边和边界附近的测量数据，测量数据中的坏点，可能是该点 及其周围的曲面片偏离原曲面，所以要对原始点云数据进行预处理。预处理的主要工作包括： 异常点（误差点）处理、数据插补、数据平滑、数据精简、数据分割、多视数据对齐定位等。 3.1异常点（误差点）处理 无论何种数据采集方式，获得的数据中均存在一定的异常点或误差点，统称为噪声点， 通常是由于测量设备的标定参数或测量环境发生变化所造成。常用的检查方法是将点云显示 在图形终端上，或者生成曲线采用半交互半自动的光顺方法对点云数据进行检查调整，但对 于数量较大的点云并不适宜。此外，去除噪声点的方法还可以采用： (1) 考虑两个连续点之间的角度，若某点与它前一点的角度超过某一规定值，则剔除 该点； (2) 将这些点移动到一个平均值； (3) 将测量点沿给定的轴在规定的距离范围内向上或向下移动。 3.2数据插补 由于实物拓扑结构以及测量机的限制，一方面在实物数字化时会存在一些探头无法测到 的区域，另一种情况则是实物零件中经常存在经裁剪等生成的外形特征，如表面凹边、空及 槽等，使曲面出现缺口，这样在造型时就会出现数据“空白”现象，这样的情况使逆向建模 变得困难，需要通过数据插补的方法来补齐缺失数据，最大限度获得实物裁剪前的信息，这 将有助于模型重建工作，并使恢复的模型更加准确。目前应用于逆向工程的数据插补方法主 要有实物填充法、造型设计法和曲线、曲面插值补充法。 3.3数据平滑 数据平滑的目的是消除测量噪声，以得到精确的模型和好的特征提取效果。数据平滑通 常采用 Gaussian（高斯）、平均（Averaging）或中值（Median）滤波算法。高斯滤波器 在指定域内的权重为高斯分布，其平均效果较小，故在滤波的同时能较好地保持原数据的形 貌。平均滤波器采样点的值取滤波窗口内各数据点的统计值。中值滤波器采样点的值取滤波 窗口内各数据点的统计中值，这种滤波器消除数据毛刺的效果很好。实际使用时，可根据点 云质量和后续建模要求灵活选择滤波算法。 3.3数据精简 在重构曲面时，过密的点云会导致计算机运行、存储和操作的效率降低，生成曲面模型 需要消耗更多的时间，并且还要影响重构曲面的光顺性。为了避免上述问题，就需要对扫描 得到的点云进行数据简化。Martin等在1996年提出了一种用均匀网格（Uniform Grid）进行 数据精简的办法。Fujimoto和Kariya在1993年提出的减少方法是保证减少数据点的误差范围 处于给定的角度和距离公差范围内。Veron和Leon在1997年提出用误差带（Error Zone）减少 多面体数据点的方法。Y.H.Chen在1999年提出通过减少多边形三角形从而达到减少数据点的 方法。韩国的K.H.Lee等在2001年提出的用于激光扫描测量的数据精简方法，在数据精简时 考虑到了扫描设备的特性。2002年G.H.Liu，Y.S.Wong等人研究了一种新的高效的基于特征点 的点云数据精简方法。国内学者吴维勇和王英惠研究了基于二元张量积Haar小波分解，构造 误差驱动的曲面数据精简算法。周绿、林亨等在2004年提出了利用曲面曲率估算精简点云的 方法。 3.4数据分割 数据分割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成组， 这样全部数据将划分为特征单一、互不重叠的区域，为后续的曲面模型重建提供方便。基于 实物样件点云数据的区域分割方法分为基于测量的分割和自动分割两种方法。基于测量的分 割指在测量过程中，操作人员根据实物外形特征划分子曲面，并对各种特征进行标记，在此 基础上规划测量路径，在将不同的曲面特征数据输入CAD软件的时候，可以实现不同数据的 分层显示及处理。自动分割方法有基于边（Edge-Base）和基于面（ Surface-Based）两种方 法。基于边的方法认为测量点的法矢或曲率的突变是一个区域与另一个区域的边界，并将封 闭边界的区域作为最终的分割结果。基于面的方法是将具有相似几何特征的空间点划分为同 一区域，根据方法不同又可细分为基于曲面法矢、曲率相似特性的方法和拟合误差控制的方 法。基于面适合于包含二次曲面的实物外形，但是不适用于自由曲面。 3.5多视数据对齐定位 在数据采集的实际操作中，零件的外形数据往往不是一次测量的结果，这就需要将不同 坐标系下的数据统一到同一坐标系中，这个处理过程称为数据的对齐，或数据拼合。Faugeras 和He-bert在1986年应用四元组算法（Quaternion）来求解，以处理物体移动时物体对齐问题。 S。Arun等人在1988年通过SVD分解（SingularValue De-comPosition）来求两个对应点集的变 换问题； Besl和Mckay在1992年提出了著名的ICP算法（Iter-ative ClosestPointAlgorithm）对 齐方法，首先从一个点集、一条曲线或一个曲面中找到与一点对应的最近点，再用这个结果 去找两个对应的点集，最后采用单位四元素法来找出两个点集的变换矩阵；Rutishauser等在 1994年提出一种用三角面片分割阵列图像（Range Images），然后用统计的方法来合并两个 阵列图像的方法。 4模型重建技术 在整个逆向工程中，产品的三位几何模型 CAD 重建是最关键、最复杂的环节。因为只 有获得了产品的 CAD 模型我们才能够在此基础上进行后续产品的加工制造、快速成型制造、 虚拟仿真制造和进行产品的再设计等。在进行模型重建之前，设计者不仅需要了解产品的几 何特征和数据的特点等前期信息，而且需要了解结构分析、加工制作模具、快速成型等后续 应用问题。目前使用的造型方法主要有曲线拟合造型、曲面片直接拟合造型和网络化实体造 型。 4.1曲线拟合造型 用一个多项式的函数通过插值去逼近原始的数据，最终得到足够光滑的曲面。曲线是 构成曲面的基础，在逆向工程中常用的模型重建方法为，首先将数据点通过插值或逼近拟合 成样条曲线，然后采用造型软件完成曲面片的重构造型。 4.2曲面片直接拟合造型 该方法直接对测量数据点进行曲面片拟合，获得曲面片经过过渡、混合、连接形成最 终的曲面模型。曲面拟合造型既可以处理有序点，也可以处理散乱数据点。算法有：基于有 序点的 B样条曲面插值；B样条曲面插值；对任意测量点的 B样条曲面逼近。 4.3网络化实体造型 网络化实体造型通常是将数据点连接成三角面片，形成多面体实体模型。目前已经形 成两种简化方法：基于给定数据点在保证初始几何形状的基础上，反复排除节点和面片，构 建新的三角形，最终达到指定的节点数；寻找具有最小的节点和面片的最小多面体。 5逆向工程商用软件 目前，较知名的商用逆向工程软件有EDS公司的Imageware、RaindropGeomagic公司的 Geomagic、DEL-CAM公司的Copy-cad、INUS公司的Rapidform。较知名的CAD逆向模块有Pro/E 的Scan2Tool模块、PTC公司的ICEMSurf、CATIA的DSE、QSR模块以及Paraform公司的Paraform 等。 国内在逆向工程软件方面的研究，主要集中在高校，如清华大学、浙江大学、南京航空 航天大学。软件产品主要有高华CAD、CAXA系列、GS-CAD98、金银花系统、开目CAD、Re-soft 和Quick-Form等。其中，QuickForm是国内开发的较好的逆向工程软件。 6逆向工程的应用 在产品造型日益多元化的今天，逆向工程已成为产品开发中不可或缺的环节。在下列情 形下，需要将实物模型转化为CAD模型： （1）尽管计算机辅助设计技术（CAD）发展迅速，各种商业软件的功能日益强大，但 目前还无法满足一些复杂曲面零件的设计需要，还存在许多使用粘土或泡沫模型代替CAD设 计的情况，最终需要运用逆向工程将这些实物模型转化为CAD模型。 （2）外形设计师倾向使用产品的比例模型，以便于产品外形的美学评价，最终可通过 运用逆向工程技术将这些比例模型用数学模型表达，通过比例运算得到美观的真实尺寸的 CAD模型。 （3）由于各种学科发展水平的限制，对零件的功能和性能分析，还不能完全由CAD来 完成，往往需要通过实验来最终确定零件的形状，如在模具制造中经常需要通过反复试冲和 修具型面方得到最终符合要求的模具。若将最终符合要求的模具测量并反求出其CAD模型， 在再次制造该模具时就可运用这一模型生成加工程序，就可大大减少修模量，提高模具生产 效率，降低模具制造成本。 （4）目前在国内，由于CAD/CAM技术运用发展的不平衡，普遍存在这样的情况：在模 具制造中制造者得到的原始材料为实物零件，为了能利用CAD/CAM技术来加工模具，必须 首先将实物零件转化为CAD模型，继而在CAD模型的基础上设计模具。 （5）人体中的骨头和关节等的复制、假肢制造。 （6）特种服装、头盔的制造要以使用者的身体为原始设计依据，此时，需首先建立人 体的几何模型。 （7）在RPM的应用中，逆向工程的最主要表现为：通过逆向工程，可以方便地对快速 原型制造的原形产品进行快速、准确的测量，找出产品设计的不足，进行重新设计，经过反 复多次迭代可使产品完善。 7逆向工程发展前景 （1）数据测量方面：测量设备的发展趋势是向着高速、高精度、系统化、集成化、智 能化的方向发展，因而开发面向逆向工程的通用测量系统，高速、高精度地实现三维物体表 面的数字化，将会大大促进逆向工程技术的进步。 （2）逆向工程处理软件的开发与趋势：今后用于逆向工程的软件，将具有自动曲面拟 合、强大的曲线曲面编辑处理、模型评估检查等功能。 （3）三维曲面模型重构技术：控制曲面的光顺性和进行光滑拼接。 （4）集成技术：发展包括测量技术、模型重建技术、基于网络的协同设计和数字化制 造技术等的逆向工程技术。 8结束语 逆向工程技术在我国经过短短十几年的发展，其宽广的应用前景已受到工程技术人员的 关注。作为CAD技术的一个重要组成部分，逆向工程的内涵超出了仿制的发展阶段，它对我 国消化吸收先进技术、解决产品快速开发和创新设计、提高产品的市场竞争力有着重要的推 动作用。 北京智启维恩科技开发有限公司