| 反求工程技术及应用研究 |
| 作者 ：刘 涛 陈邦道 苏家强 | | 更新时间：2008-2-15 |
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（广西大学机械工程学院 南宁 530004）
摘要：介绍了反求工程的概念、反求基本步骤、及反求技术的应用，分析讨论了反求工程的关键技术及其最新的研究动态。
关键词：反求工程；表面数字化；数据分块；模型重建
一、引言
为了缩短新产品的开发周期、提高产品的设计和制造质量、增强企业对市场的快速响应能力，一系列新的产品快速开发技术应运而生，如CAD/CAM/CAE技术、反求工程技术、快速成型技术、快速模具技术、虚拟设计技术以及并行工程等。其中，反求工程（Reverse Engineering，RE）技术历经几十年的研究与发展，已经成为新产品快速开发过程中的核心技术，它与计算机辅助设计、优化设计、有限元分析、设计方法学等有机组合构成了现代设计理论和方法的整体。
二、反求工程概念
反求工程亦称反向工程或逆向工程。应用系统工程学、产品设计方法学和计算机辅助技术的理论和方法，探索并掌握支持产品全生命周期设计、制造和管理的关键技术，进而开发出同类的或更先进的产品。作为一种逆向思维的工作方式，反求工程技术与传统的产品正向设计方法不同，它是根据已经存在的产品或零件原型来构造产品的工程设计模型或概念模型，在此基础上对已有产品进行解剖、深化和再创造，是对已有设计的再设计。图l是正向工程与反求工程过程的对比框图。
Y
（a）正向工程流程
N
产品功能
概念设计
CAD系统
CAD模型
设计评估
制造与检测
实物/原型
数据获取
反求软件
设计意图理解
原始设计参数还原
造型规律识别
CAD系统
CAD模型
产品创新设计
新产品CAD模型
计算机辅助分析
新产品
改型设计
原形修改
（b）反求工程流程
图1 正向工程与反向工程
三、反求工程的基本步骤
反求工程一般分为：数据采集、数据预处理、数据分块与曲面重构、CAD模型构造、反求模型后处理等五个步骤。
1、数据采集
数据采集是反求工程CAD建模的首要环节。根据测量方式不同，数据采集的方法可分为接触式测量和非接触式测量两大类。接触式测量方法通过传感测头与样件的接触而记录样件表面点的坐标位置。非接触式测量方法主要是基于光学、声学、磁学等领域中的基本原理，将一定的物理模拟量通过适当的算法转换为样件表面的坐标点。使用不同的测量方法及测量软件，得到的测量数据组织方式不同。按照测量数据的组织方式可将测量数据分为四类：①散乱数据：测量点没有明显的几何分布特征，呈散乱无序状态；②扫描线数据：测量数据由一组扫描线组成，扫描线上点在扫描平面内有序排列；③网格化数据：点云中所有点都与参数域中一个均匀网格的顶点对应；④多边形数据：测量点分布在一系列平行平面内，用小线段将同一平面内距离最小的若干相邻点依次连接可形成一组有嵌套的平面多边形。
2、测量数据预处理
测量数据预处理是反求工程CAD建模的关键环节，它的结果将直接影响后期重建模型的质量。此过程中经常包括多视拼合、噪声处理与数据精简等多方面的工作。多视拼合的任务就是将多次装夹获得的测量数据融合到统一坐标系中，亦可称为坐标归一或坐标统一。目前，多视拼合主要有点位法、固定球法以及平面法。由于实际测量过程中受到各种人为和随机因素的影响，使得测量结果包含噪声。为了降低或消除噪声对后续建模质量的影响，有必要对测量点云进行平滑滤波，数据平滑通常采用高斯、平均或中值滤波。
3、数据分块与曲面重构
数据分块（Segmentation）是将点云数据分割成属于不同曲面片的数据子集。在反求工程中，产品表面往往无法由一张曲面进行完整描述，而是有多张曲面片组成，因而必须将测量数据进行分块，然后对各数据分别构造曲面模型。数据分块大体可以分为基于边（edge-based），基于面（face-based） 和基于边和面的数据分块混合技术。
曲面重构是反求工程的关键环节，其目的是要满足精度和光顺性的要求，并与相邻的曲面光滑拼接的曲面模型。根据曲面拓扑形式的不同，可以将曲面重构方法分为两大类：基于矩形域曲面的方法和基于三角域曲面的方法。
4、CAD模型构造
构造完整一致的边界表示（B-rep）CAD 模型，即用完整的面、边、点信息来表示模型的位置和形状，由于重构的曲面之间可能存在着裂缝，或者缺少曲面边界信息等因素，使得表示产品模型的几何信息和拓扑信息不完整。因此必须使用其它的手段，比如延伸、求交、裁剪、过渡、缝合等信息的高级计算功能，建立模型完整的面、边、点信息。
5、反求模型后处理
通常由于重建模型经受了起源于数据测量误差、以及重建过程中逼近和数字误差等若干不精确因数的影响，因此经过反求工程的各个环节，获得的是一个近似于物理对象的数字模型。也就是说，对于诸如两个面的平行或者轴线的重合等潜在的结构规律，在反求模型中则只能被近似地表现。然而，对于面向再设计应用，这种潜在的规律显然应该精确的体现出来。所以反求模型后处理是必不可少的。
四、反求工程的关键技术及研究现状
反求工程技术主要包括两方面的关键技术：一是实物表面数据的获取，即表面数字化技术；二是对测量数据进行处理生成三维模型，即表面重建技术。
1、表面数字化技术
表面数字化就是通过特定的测量设备和测量方法获得零件表面离散点的几何坐标数据。只有获得了样件的表面三维信息，才能实现复杂曲面的建模、评价、改进、制造。因而，高效、高精度地实现样件表面的数据采集，一直是反求工程的主要研究内容之一。
在反求工程中，传统的数字化方法是采用接触式测量，其典型代表是三坐标测量机（Coordinate Measure Machine，简称CMM）。随着快速测量的需求及光电技术的发展，以计算机图像处理为主要手段的非接触式测量技术得到飞速发展。常用的非接触式测量方法一般可分为被动视觉（Passive vision）和主动视觉（Active vision）两大类。被动式方法中无特殊光源，只能接收物体表面的反射信息，因而设备简单、操作方便、成本低，但算法较复杂。主动式方法使用一个专门的光源装置来提供目标周围的照明，通过发光装置的控制，能使系统获得更多的有用信息，降低问题难度。
目前，国内的很多学者都在从事该技术的研究，并且取得了一定的成果。如钟志华等利用测量数据的特征线输入技术，降低了复杂曲面的产品反求工程中测量数据量[1]；并提出了弦切角偏差法对这些测量数据进行过滤筛选，确保生成曲面的数据的有效和规则；同时利用参数样条函数对过滤筛选后的数据进行拟舍优化，将数据函数化，以更利于曲面的生成，且能利用数据的函数表达选择优化数据点的数量，并控制生成曲面的质量。柯映林等针对反求工程中过渡曲面特征参数的准确提取问题，提出了一种基于概率统计理论的数据分析和处理方法[2]。通过对数据进行预回归分析、假设检验、噪声去除和再回归分析等步骤，可以从含有噪声的离散特征参数数据中准确地提取出过渡特征参数。实际应用结果表明，概率与统计理论在反求工程特征提取、分析与表达中起着非常重要的作用。代明君等对三维激光扫描测量系统若干重要子系统进行了设计和改良，采用改良后的激光扫描测量系统进行实验，连续测量十条激光条纹，经图像预处理后所得到的光点测量值与真值进行了比较，误差均在±0.1mm以内，得到了比较满意的测试效果，可以满足后续加工的要求。
2、模型重建技术
反求工程的目标是根据离散的数据点集构造出分段、光滑的CAD模型，因此重建技术成为反求工程的关键技术。
在实际的产品中，只由一张曲面构成的情况不多，产品型面往往由多张曲面混合而成（如过渡、相交、裁剪等），因而，只用一张曲面去重构其数学模型是很难保证其模型精度的。于是，人们采用不同的方法来处理数据的分块问题。Tamas Varady[3]等提出一种基于四叉树的曲面重构方法，这种方法建立在“分割取近似、求和取极限”的数学原理上，首先构造一张整体的曲面，若不能满足要求，则将其一分为四，再对每一块进行处理，直至所有小块满足要求为止。C Bradey和G W Vicker[4]等则提出一种两步方案，首先用函数方法（测量点插值，如Shepard插值）构造曲面的数学模型，然后在曲面上构造拓扑矩形网格。交互定义特征线，利用此矩形网格数据构造曲面。对于图像形数据（具有行、列）特点的数据，B.Sarkar和C.H.Menq[5]运用图像处理的原理，获取曲面的特征线，然后根据这些曲线将曲面划分为不同的块，每块用B样条曲面拟合，最终使所有小块均满足要求为止。另一种方法则是基于曲线网格，首先估计各型值点的局部性质，找出特征线（如尖角、连续、及对称线等），将特征线拟合成曲线网格，对每一个网孔构造一张曲面，使网孔内部的点对其对应曲面具有最佳的逼近性，最终在所有曲面上构造拓扑矩形网格，交互定义特征线，利用此矩形网格数据构造曲面。胡鑫等提出了一种在反求工程中对散乱点云数据进行自动分割与曲面模型重构的方法[6]。建立了散乱点云数据之间的拓扑信息，对点云数据进行三角剖分重构网格曲面模型。基于网格曲面求解点云数据的曲率极值，提取边界点云，进一步拟合成边界曲线。利用边界曲线将整个点云自动分割，每片点云采用二次曲面或自由曲面进行拟合，对于二次曲面可以根据参数自动确定曲面类型，最终得到完整的CAD模型。为了提高反求工程建模的效率，柯映林等提出了一种基于空间栅格的区域分割方法。该方法采用二次抛物面模型计算散乱数据点的曲率，利用空间栅格结构建立散乱点的拓扑关系，根据栅格中数据点与栅格中零点的相对位置计算栅格曲率以及相邻栅格间的曲率差值，由曲率差函数判别并抽取边特征栅格。通过特征栅格的空间位置与曲面栅格的连通性实现了空间散乱数据的区域分割。工程应用实例表明：该方法能够直接处理点云数据而无需构建三角网格，具有运算简单，稳定性高等特点。可有效解决具有曲率突变性的点云数据的区域分割及特征提取问题。
逆向工程技术中的曲面重构技术在产品研究开发中是一项开拓性、实用性和综合性很强的技术。其难点为曲线的构建、检测和修改。只有得到光顺的曲线，拟合的曲面才能光顺。齐从谦等提出了基于特征的单元区域数据分割方法，简化了复杂曲面的拟合过程，在曲面（线）的光顺性方面，建立了以能量和曲率变化率作为双重准则的优化模型和算法，并以“曲线曲率梳型图”为工具，检验曲面（线）的光顺程度[7]。贾明等给出了两种协调曲面的设计方法，截面线方法和最小二乘逼近法[8]。两种方法都插值于边界和跨界切矢，保证了模型的整体的连续性。第一种方法插值于离散点，保证了较高的精度，同时有经验的工程人员可以对截面线进行编辑来控制设计曲面的形状和品质，有较大的灵活性。第二种方法插值于边界，同时逼近于内部离散点，而且可以通过控制光顺因子对曲面进行光顺。一般来说，光顺因子越大曲面越光顺，但误差也越来越大，当对模型的插值精度要求较高时，有可能达不到精度要求。柯映林等引入图形图象处理中多分辨率模型的概念，实现了三角曲面模型上特征线的快速计算。依据特征线计算结果，在保持曲面特征的要…… 全科论文中心http://www.issncn.net
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