1逆向工程關鍵技術

1、.1.3 逆向工程中的關鍵技術1.3.1 數(shù)據(jù)采集技術 目前，用來采集物體表面數(shù)據(jù)的測量設備和方法多種多樣，其原理也各不相同。測量方法的選用是逆向工程中一個非常重要的問題。不同的測量方式，不但決定了測量本身的精度、速度和經(jīng)濟性，還造成測量數(shù)據(jù)類型及后續(xù)處理方式的不同。根據(jù)測量探頭是否和零件表面接觸，逆向工程中物體表面數(shù)字化三維數(shù)據(jù)的采集方法基本上可以分為接觸式(Contact)和非接觸式（Non-contact）兩種。 接觸式包括三坐標測量機（Coordinate Measuring Machining，CMM）和關節(jié)臂測量機；而非接觸式主要有基于光學的激光三角法、激光測距法、結構光法、圖像分

2、析法以及基于聲波、磁學的方法等。這些方法都有各自的特點和應用范圍，具體選用何種測量方法和數(shù)據(jù)處理技術應根據(jù)被測物體的形體特征和應用目的來決定。目前，還沒有找到一種完全使用于工業(yè)設計逆向測量方法。各種數(shù)據(jù)采集方法分類如圖1.3所示。 在接觸式測量方法中，CMM是應用最為廣泛的一種測量設備；CMM通常是基于力-變形原理，通過接觸式探頭沿樣件表面移動并與表面接觸時發(fā)生變形，檢測出接觸點的三維坐標，按采樣方式又可分為單點觸發(fā)式和連續(xù)掃描式兩種。CMM對被測物體的材質(zhì)和色澤沒有特殊要求，可達到很高的測量精度（0.5m），對物體邊界和特征點的測量相對精確，對于沒有復雜內(nèi)部型腔、特征幾何尺寸多、只有少量特征

3、曲面的規(guī)則零件反求特別有效。主要缺點是效率低，測量過程過分依賴于測量者的經(jīng)驗，特別是對于幾何模型未知的復雜產(chǎn)品，難以確定最優(yōu)的采樣策略與路徑。計算機斷層掃描X射線法激光三角法激光測距法非接觸式結構光法光學法圖像分析法超聲波法聲波法核磁共振法磁學法機關節(jié)臂測量機CMM激光追蹤層析法組合式接觸式逆向工程數(shù)據(jù)采集方法圖1.3 逆向工程數(shù)據(jù)采集方法分類隨著電子技術、計算機技術的發(fā)展，CMM也由以前的機械式發(fā)展為目前的計算機數(shù)字控制（CNC）型的高級階段。目前，智能化是CMM發(fā)展的方向。智能測量機的研究是利用計算機內(nèi)的知識庫與決策庫確定測量策略，其關鍵技術包括零件位置的自動識別技術、測量決策智能化和測量

4、路徑規(guī)劃、CAD/CAM集成技術等。隨著快速測量的需求及光電技術的發(fā)展，以計算機圖像處理為主要手段的非接觸式測量技術得到飛速發(fā)展，該方法主要是基于光學、聲學、磁學等領域中的基本原理，將一定的物理模擬量通過適當?shù)乃惴ㄞD化為樣件表面的坐標點。一般常用的非接觸式測量方法分為被動視覺和主動視覺兩大類。被動式方法中無特殊光源，只能接收物體表面的反射信息，因而設備簡單，操作方便，成本低，可用于戶外和遠距離觀察中，特別適用于由于環(huán)境限制不能使用特殊照明裝置的應用場合，但算法較復雜；主動方法使用一個專門的光源裝置來提供目標周圍的照明，通過發(fā)光裝置的控制，使系統(tǒng)獲得更多的有用信息，降低問題難度。被動式非接觸測量

5、的理論基礎是計算機視覺中的三維視覺重建。根據(jù)可利用的視覺信息，被動視覺方法包括由明暗恢復形狀（Shape From Shading，SFS）、由紋理恢復形狀、光度立體法、立體視覺和由遮擋輪廓恢復形狀等，其中在工程中應用較多的是后兩種方法。立體視覺又稱為雙目視覺或機器視覺，其基本原理是從兩個（或多個）視點觀察同一景物，以獲取不同視角下的感知圖像，通過三角測量原理計算圖像像素間的位置偏差（即視差）來獲取景物的三維信息，這一過程與人類視覺的立體感知過程是類似的。雙目立體視覺的原理如圖1.4所示，其中P是空間中任意一點，C1、C2是兩個攝像機的焦點，類似于人的雙眼，P1、P2是P點在兩個成像面上的像點

6、?？臻g點P、C1、C2形成一個三角形，且連線C1P與像平面交于P1點，連線C1P與像平面交于P2點。因此，若已知像點p1、p2，則連線C1P1和C2P2必交于空間點P，這種確定空間點坐標的方法稱為三角測量原理。圖1.4 立體視覺原理圖 一個完整的立體視覺系統(tǒng)通常由圖像獲取、攝像機標定、特征提取、立體匹配、深度確定和內(nèi)插6部分組成。由于它直接模擬了人類視覺的功能，可以在多種條件下靈活地測量物體的立體信息；而且通過采用高精度的邊緣提取技術，可以獲得較高的空間地位精度（相對誤差為1%2%），因此在計算機被動測距中得到廣泛應用。但立體匹配始終是立體視覺中最重要的也是最困難的問題，其有效性有賴于三個問題

7、的解決，即選擇正確的匹配特征，特征間的本質(zhì)屬性及建立能正確匹配所選特征的穩(wěn)定算法。雖然已提出了大量各具特色的匹配算法，但場景中光照、物體的幾何形狀與物理性質(zhì)、攝像機特性、噪聲干擾和畸變等諸多因素影響，至今仍未有很好地解決。利用圖像平面上將物體與背影分割開來的遮擋輪廓信息來重構表面，稱為遮擋輪廓恢復形狀，其原理如圖1.5中所示。將視點與物體的遮擋輪廓線相連，即可構成一個視錐體。當從不同的視點觀察時，就會形成多個視錐體，物體一定位于這些視錐體的共同交集內(nèi)。因此，通過體相交法，將各個視錐體相交便得到了物體的三維模型。圖1.5 體相交法原理 遮擋輪廓恢復形狀方法通常由相機標定、遮擋輪廓提取以及物體與輪

8、廓間的投影相交三個步驟完成，而且遮擋輪廓恢復形狀方法在實現(xiàn)時僅涉及基本的矩陣運算，因此具有運算速度快、計算過程穩(wěn)定、可獲得物體表面致密點集的優(yōu)點。缺點是精度較低，難以達到工程實用的要求，目前多用于計算機動畫、虛擬現(xiàn)實模型、網(wǎng)上展示等場合，而且該方法無法應用于某些具有凹陷表面的物體。如美國Immersion公司開發(fā)了Lightscribe系統(tǒng)，該系統(tǒng)由攝像頭、背景屏幕、旋轉平臺及軟件系統(tǒng)組成。首先對放置在自動旋轉平臺上的物體進行攝像，將攝得的圖像輸入軟件后利用體相交技術可自動生成物體的三維模型，但對于物體表面的一些局部細節(jié)和凹陷區(qū)域，該系統(tǒng)還需要結合主動式的激光掃描進行細化。隨著主動測距手段的日

9、趨成熟，在條件允許的情況下，工程應用更多使用的是主動視覺方法。主動視覺是指測量系統(tǒng)向被測物體投射出特殊的結構光，通過掃描、編碼或調(diào)制，結合立體視覺技術來獲得被測物體的三維信息。對于平坦的、無明顯灰度、紋理或形狀變化的表面區(qū)域，用結構光可形成明亮的條紋，作為一種“人工特征”施加到物體表面，從而方便圖像的分析和處理。根據(jù)不同的原理，應用較為成熟的主動視覺方法又可分為激光三角法和投影柵法兩類。激光三角法是目前最成熟，也是目前應用最廣泛的一種主動式方法。激光掃描的原理如圖1.6所示。由激光發(fā)出的光束，經(jīng)過一組改變方向的反射鏡組成的掃描裝置變向后，投射到被測物體上。攝像機固定在某個視點上觀察物體表面的漫

10、射點，圖中激光束的方向角和攝像機與反射鏡間的基線位置是已知的，可由焦距f和成像點的位置確定。因此，根據(jù)光源、物體表面反射點及攝像機成像點之間的三角關系，可以計算出表面反射點的三維坐標。激光三角法的原理與立體視覺在本質(zhì)上是一樣的，不同之處是將立體視覺方法中的一個“眼睛”置換為光源，而且在物體空間中通過點、線或柵格形式的特定光源來標記特定的點，可以避免立體視覺中對應點匹配的問題。激光三角法具有測量速度快，而且可達到較高的精度（0.05）等優(yōu)點，但存在的主要問題是對被測物體表面的粗糙度、漫反射率和傾角過于敏感，存在由遮擋造成的陰影效應，對突變的臺階和深孔結構容易產(chǎn)生數(shù)據(jù)丟失。圖1.6 激光三角法原理

11、 在主動式方法中，除了激光以外，也可以采用光柵或白光源投影。投影光柵發(fā)的基本思想是把光柵投影到被測物體表面上，受到被測物體表面高度的調(diào)制，光柵投影線發(fā)生變形，變形光柵攜帶了物體表面的三維信息，通過解調(diào)變形的光柵影線，從而得到被測表面的高度信息，其原理如圖1.7中所示。入射光線P照射到參考平面上的A點，放上被測物體后，P照射到物體上的B點，此時從圖示方向觀察，A點就移動到新的位置C點，距離AC就攜帶了物體表面的高度信息Z=h（x,y），即高度受到了表面形狀的調(diào)制。按照不同的解調(diào)原理，就形成了諸如莫爾條紋法、傅里葉變換輪廓法和相位測量法等多種投影光柵的方法。圖1.7 投影光柵法原理圖投影光柵法的主

12、要優(yōu)點是測量范圍大、速度快、成本低、且精度較高（0.04）；缺點是只能測量表面起伏不大較平坦的物體，對于表面變化劇烈的物體，在陡峭處往往會發(fā)生相位突變，使測量精度大大降低?？偟膩碚f，精度與速度是數(shù)字化方法最基本的指標。數(shù)字化方法的精度決定了CAD模型的精度及反求的質(zhì)量，測量速度也在很大程度上影響著反求過程的快慢。目前，常用的各種方法在這兩方面各有優(yōu)缺點，且有一定的適用范圍，所以在應用是應根據(jù)被測物體的特點及對測量精度的要求來選擇對應的測量方法。在接觸式測量方法中，CMM是應用最廣泛的一種測量設備；而在非接觸式測量方法中，結構光法被認為是目前最成熟的三維形狀測量方法，在工業(yè)界廣泛應用，德國GOM

13、公司研發(fā)的ATOS測量系統(tǒng)及Steinbicher公司的COMET測量系統(tǒng)都是這種方法的典型代表。表1.1對CMM與激光掃描數(shù)字化測量方法進行了全面比較，從表中可以清楚的看出，每一種測量方法都有其優(yōu)勢與不足，在實際測量中，兩種測量技術的結合將能夠為逆向工程帶來很好的彈性，有助于逆向工程的進行。表1.1 三坐標測量和激光掃描測量優(yōu)缺點比較三坐標測量數(shù)據(jù)采集激活掃描測量數(shù)據(jù)采集優(yōu)點數(shù)據(jù)收集精度高；可使用的技術廣泛；具備在一定遮擋場合進行數(shù)據(jù)收集的能力；收集的離散點集CAD軟件處理容易；不會破壞數(shù)字化對象數(shù)字化速度快，整個測量過程時間短；收集的數(shù)據(jù)密度大，有助于改善建模的可視化和細節(jié)分析無須過多的數(shù)

14、據(jù)收集預先規(guī)劃；不破壞數(shù)字化對象；可以對柔軟或易碎對象進行測量缺點測量過程周期長，探頭半徑補償繁瑣；不能對物體內(nèi)部實現(xiàn)測量；對軟工件或易碎件實現(xiàn)測量的能力有限；測量前必須制定相應的測量規(guī)劃和策略；探頭的半徑大小限制了對工件細部特征的測量要實現(xiàn)對高反射光或發(fā)散光的工件表面進行測量，需要使用著色劑；不能對物體內(nèi)部或者被遮擋的幾何特征進行測量；許多CAD軟件往往不易處理測量所獲取的高密度離散幾何數(shù)據(jù)；技術成本高；掃描設備需要與被測對象隔開一定的距離，增大整個系統(tǒng)的工作空間目前，除了充分發(fā)揮現(xiàn)有數(shù)字化方法的特點與優(yōu)勢外，一個重要的研究方向就是以傳感器規(guī)劃和信息融合為基礎，開發(fā)多種 數(shù)字化方法的聯(lián)合使用

15、方法與集成系統(tǒng)，其中CMM與視覺方法的集成由于在測量速度，精度與物理特性等方面具有較強的互補性，是目前最具有發(fā)展前景的集成數(shù)字方法。但如何提高集成過程中的自動化、智能化程度，以下一些關鍵問題值得進一步研究：（1）基于視覺技術的邊界輪廓和物體特征的識別方法；（2）CMM智能化測量技術；（3）高效的多傳感器數(shù)據(jù)融合方法；（4）考慮后續(xù)的模型重建的要求，數(shù)字化過程與表面重構的集成化研究。1.3.2 CAD建模技術 產(chǎn)品的三維CAD建模是指從一個已有的物理模型或者實物零件產(chǎn)生出相應的CAD模型的過程，包括物體離散數(shù)據(jù)點的網(wǎng)格化、特征提取、表面分片和曲面生成等，是整個逆向過程中最關鍵、最復雜的一環(huán)，也為

16、后續(xù)的工程分析、創(chuàng)新設計和加工制造等應用提供數(shù)學模型支持。其內(nèi)容涉及計算機、圖像處理、圖形學、計算幾何、測量和數(shù)控加工等眾多交叉學科和工程領域，是國內(nèi)外學術界，尤其是CAD/CAM領域廣泛關注的熱點和難度問題。 在實際的產(chǎn)品中，只由一張曲面構成的情況不多，產(chǎn)品往往有多張曲面混合而成。由于組成曲面類型不同，因此，CAD模型重建的一般步驟：先根據(jù)幾何特征對點云數(shù)據(jù)進行分割，然后分別對各個曲面片進行擬合，再通過曲面的過渡、相交、裁剪、倒圓、等手段，將多個曲面“縫合”成一個整體，即重建的CAD模型。在逆向工程應用初期，由于沒有專用的逆向軟件，只能選擇一些正向的CAD系統(tǒng)來完成模型的重建；后來，為滿足復

17、雜曲面重建的要求，一些軟件商在其傳統(tǒng)CAD系統(tǒng)里集成了逆向造型模塊，如Pro/Scan-tools、Point Cloudy等；而伴隨著逆向工程及其相關技術理論研究的深入進行及其成果商業(yè)應用的廣泛展開，大量的商業(yè)化專用逆向工程CAD建模系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)。當前，市場上提供了逆向建模功能的系統(tǒng)達數(shù)十種之多，較具代表性的有EDS公司的Imageware Geomagic 公司的Geomagic Studio、Paraform公司的Paraform、PTC公司的ICEM Surf、DELCAM公司的CopyCAD軟件以及國內(nèi)浙江大學的Re-Soft等。1. 逆向工程CAD系統(tǒng)的分類1）根據(jù)CAD系統(tǒng)提供方

18、式分類以測量數(shù)據(jù)點為研究對象的逆向工程技術，其逆向軟件的開發(fā)經(jīng)歷了兩個階段。第一階段是一些商品化的CAD/CAM軟件集成進專用的逆向模塊，典型的如PTC的Pro/Scan-tools模塊、CATIA的QSR/GSD/DSE/FS模塊及UG的Point cloudy功能等。隨著市場需求的增長，這些有限的功能模塊已不能滿足數(shù)據(jù)處理、造型等逆向技術的要求；第二階段是專用的逆向軟件開發(fā)，目前面世的產(chǎn)品類型已達數(shù)十種之多，典型的如Imageware,Geomagic,Polyworks,CopyCAD,ICEMSurf和RE-Soft等。2) 根據(jù)CAD系統(tǒng)建模特點與策略分類根據(jù)CAD系統(tǒng)提供方式的分類

19、多少顯得有些籠統(tǒng)，難以為逆向軟件的類型提供更為明確的指導，因為逆向CAD建模通常都是曲面模型的構建，對CAD系統(tǒng)的曲面、曲面處理功能要求較高，其分類沒有這方面的信息。再者，各種專用逆向軟件建模的側重點不一樣，從而實現(xiàn)特征提取與處理的功能也有很大的不同，如Imageware主要功能齊全，具有多種多樣的曲線曲面創(chuàng)建和編輯方法，但是它對點云進行區(qū)域分割主要還是通過建模人員依據(jù)其特征識別的經(jīng)驗手動來完成，不能由系統(tǒng)自動實現(xiàn)；Geomagic區(qū)域分割自動能力很強，并可以完全自動地實現(xiàn)曲面的重建，但是創(chuàng)建特征線的方式又很單一，且重建的曲面片之間的連續(xù)程度不高。依據(jù)逆向建模系統(tǒng)實現(xiàn)曲面重建的特點，可以將曲面

20、重建的方式劃分為傳統(tǒng)曲面造型方式和快速曲面造型方式兩類。傳統(tǒng)曲面造型方式在實現(xiàn)模型重建上通常有兩種方法。（1） 曲線擬合法，該方法先將測量點擬合成曲線，再通過曲面造型的方式將曲線構建成曲面（曲面片），最后對各曲面片直接添加過渡約束和拼接操作完成曲面模型的重建。（2） 曲面片擬合法，該方法直接對測量數(shù)據(jù)進行擬合，生成曲面（曲面片），最后對曲面片進行過渡、拼接和裁剪等曲面編輯操作，構成曲面模型的重建。與傳統(tǒng)曲面造型方式相比，快速曲面造型方式通常是將點云模型進行多邊形化，隨后通過多邊形模型進行NURBS曲面擬合操作來實現(xiàn)曲面模型的重建。兩種方式實現(xiàn)曲面造型的基本作業(yè)流程如圖1.8所示。數(shù)據(jù)收集數(shù)據(jù)預

21、處理傳統(tǒng)曲面造型方式 快速曲面造型方式多邊形化處理曲面片擬合曲線擬合基本造型處理曲面片重建曲面片擬合，并同時完成曲面模型重建曲面模型重建實體模型下游應用圖1.8 實現(xiàn)曲面造型的基本作業(yè)流程傳統(tǒng)曲面造型方式主要表現(xiàn)為由點一線一面的經(jīng)典逆向建模流程，它使用NURBS曲面直線由曲線或測量點來創(chuàng)建曲面，其代表有Imageware，ICEM Surf和CopyCAD等。該方式下提供了兩種基本建模思路：一是由點直接到曲面的建模方法，這種方法是在對點云進行區(qū)域分割后，直接應用參數(shù)曲面片對各個特征點云進行擬合，以獲得響應特征的曲面基元，進而對各曲面基元進行處理，獲得目標重建曲面，如圖1.9（a）所示：二是由點

22、到曲線再到曲面的建模方法，這種方法是在用戶根據(jù)經(jīng)驗構建的特征曲線的基礎上實現(xiàn)曲面造型，而后通過響應的處理以獲得目標重建曲面的建模過程，如圖1.9（b）所示。傳統(tǒng)曲面造型延續(xù)了傳統(tǒng)正向CAD曲面造型的方法，并在點云處理與特征區(qū)域分割、特征線的提取與擬合及特征曲面片的創(chuàng)建方面提供了功能多樣化的方法，配合建模人員的經(jīng)驗，容易實現(xiàn)高質(zhì)量的曲面重建，但是進行曲面重建需要大量建模時間的投入和熟練建模人員的參與。并且，由于基于NURBS曲面建模技術在曲面模型幾何特征的識別、重建曲面的光順性和精確度的平衡把握上，對建模人員的建模經(jīng)驗提出了很高的要求。 圖1.9 傳統(tǒng)曲面造型方式建模 快速曲面造型方式是通過對點

23、云的網(wǎng)格化處理，建立多面體化表面來實現(xiàn)，其代表有Geomagic Studio 和Re-soft 等。一個完整的網(wǎng)格化處理過程通常包括以下步驟：首先，從點云中重建三角網(wǎng)格曲面，再對這個三角網(wǎng)格曲面分片，得到一系列有四條邊界的子網(wǎng)格曲面；然后，對這些子網(wǎng)格逐一參數(shù)化；最后，用NURBS曲面片擬合每一片子網(wǎng)格曲面，得到保持一定連續(xù)性的曲面樣條，由此得到用NURBS曲面表示的CAD模型，可以用CAD軟件進行后續(xù)處理，圖1.10中Geomagic的“三階段法”便是快速曲面造型曲面重建的一個典型說明。 圖1.10 快速曲面重建的“三階段法” 快速曲面造型方式的曲面重建方法簡單、直觀、適用于快速計算和實時

24、顯示的領域，順應了當前許多CAD造型系統(tǒng)和快速原型制造系統(tǒng)模型多邊形表示的需要，已成為目前應用廣泛的一類方法。然而，該類方法同時也存在計算量大、對計算機硬件要求高，曲面對點云的快速適配需要使用高階NURBS曲面等不足，而且面片之間難以實現(xiàn)曲率連續(xù)，難以實現(xiàn)高級曲面的創(chuàng)建。 2.兩類逆向建模技術的比較 總得說來，兩類曲面造型方式的差異主要表現(xiàn)在處理對象、重建對象及建模質(zhì)量等方面。1） 處理對象的異同 在傳統(tǒng)曲面造型方式的逆向系統(tǒng)中，所處理的點云涵蓋了對從低密度、較差質(zhì)量（如Pro/Pcan-tools）的高質(zhì)量、密度適中（如ICEM Suif、CopyCAD等），再到高密度整個范圍。如Image

25、ware便可以接受絕大部分的CMM、Lzser Scan、X-ray Scan 的資料，并且沒有點云密度和數(shù)據(jù)量大小的限制。只是在實際建模過程中，往往會先對密度較大的點云進行采樣處理，以改善計算機內(nèi)存的使用。 而對于快速曲面造型方式，為了獲取較好的建模精度，往往要求用于曲面重建的點云具有一定的點云密度和比較好的點云質(zhì)量。如在Geomagic Studio 中，要實現(xiàn)點云的多邊形化模型的創(chuàng)建，必須保證處理點云具有足夠的密度和較好的質(zhì)量，否則無法創(chuàng)建多邊形模型或創(chuàng)建的多邊形模型出現(xiàn)過多、過大的破洞，嚴重影響后續(xù)構建曲面的質(zhì)量。2） 重建對象的異同 對于具有豐富特征模型的曲面重建（如工藝品、雕塑、人

26、體設計等），使用傳統(tǒng)曲面造型的方法就顯得非常困難，而快速曲面造型的方法則能輕易勝任。此外，在實際的產(chǎn)品開發(fā)過程中，在產(chǎn)品的概念設計階段，需要根據(jù)相應的手工雕刻模型進行最初的快速建模時，快速曲面造型方式便是一種最佳的選擇。 而對于多由常規(guī)曲面構成的典型機械產(chǎn)品，或如汽車車體和內(nèi)飾件造型等這些往往對曲面造型的質(zhì)量要求很高的場合，目前采用的主要還是傳統(tǒng)曲面造型方式的逆向系統(tǒng)。3） 建模質(zhì)量的比較 逆向建模的質(zhì)量表現(xiàn)在曲面的光順性和曲面重建的精度兩個方面。 從曲面的光順性角度看，目前，盡管在一些領域快速曲面造型取得了令人滿意的成果，但曲面重建中各曲面片之間往往只能實現(xiàn)G1聯(lián)系，難以實現(xiàn)G2連續(xù)，從而無

27、法構建高品質(zhì)的曲面，這也限制了在產(chǎn)品制造商的應用。相比而言，傳統(tǒng)曲面造型方式提供了結合視覺與數(shù)學的檢測工具和高效率的連續(xù)性管理工具，能及時且同步地對構建的曲線、曲面進行檢測，提供即時的分析結果，從而容易實現(xiàn)高品質(zhì)的曲面構建。 在精度方面，兩種方法均可獲得較高精度的重建結果，但相對來說，快速曲面造型遵循相對固定的操作步驟，而傳統(tǒng)曲面造型方式則更依賴于操作人員的經(jīng)驗。 3.逆向工程的CAD建模系統(tǒng)分類 通過綜合分析當前典型商業(yè)逆向CAD建模系統(tǒng)（軟件/模塊）建模特點和策略，我們將其按照傳統(tǒng)曲面造型方式與快速曲面造型方式進一步分類，其結果如表1.2所示。表1.2 逆向工程CAD系統(tǒng)的分類軟件（模塊）

28、類型軟件（模塊）名逆向曲面重建建模方式特點傳統(tǒng)曲面造型方式快速曲面造型方式專用逆向軟件Imageware逆向流程遵循由點-線-面曲面創(chuàng)建模式，并具有由點云直接擬合曲面的功能。曲線、曲面創(chuàng)建和編輯方法多樣，輔以即時的品質(zhì)評價工具，可實現(xiàn)高質(zhì)量曲面創(chuàng)建Geomagic遵循點-多邊形-曲面三個階段作業(yè)流程，可以輕易地從點云創(chuàng)建出完美的多邊形模型和樣條四邊形網(wǎng)格，并可自動轉換為NURBS曲面，建模效率高。新增的Fsshion模塊可以通過定義曲面特征類型來捕獲物理原型設計意圖，并擬合成準CAD曲面CopyCAD遵循由點云三角形化構造線-特征線網(wǎng)格構造 曲面的逆向流程，整個進程基本上是交互式完成的，具有一

29、定的快速式曲面造型的特點Rapidform遵循由點云-多邊形化模型-曲線網(wǎng)格-NURBS曲面的逆向流程，提供了自動和手動兩種曲面構建的方式和類似正向CAD平臺的曲面建模工具，允許從3D掃描數(shù)據(jù)點創(chuàng)建解析曲面ICEM Surf逆向作業(yè)流程為點云-測量線-曲面片，支持按鍵式和互動式兩種準自動化的曲面重建方法?；贐EZIER和NURBS兩種數(shù)學方法，可以在兩種曲面/曲面之間靈活地相互轉換，A級曲面造型的效率較高，可以快速、動態(tài)地修改和重用曲面上的特征Polyworks遵循的逆向工作流程：點云獲取和處理-創(chuàng)建多邊形化模型-構造特征曲線-創(chuàng)建曲線網(wǎng)格-用BEZIER和NURBS曲面擬合曲面片-添加曲面

30、片連續(xù)性約束-生成曲面模型，軟件具有自動檢測邊界、自動縫合等快速建模功能RE-Soft遵循特征造型的理念，提供了基于截面特征曲線兩種建模策略，在實際應用上，兩種策略相互約束和滲透。也提供了有點云-三角剖分模型-Bezier曲面擬合的自動化曲面重建方法軟件（模塊）類型軟件（模塊）名逆向曲面重建建模方式特點傳統(tǒng)曲面造型方式快速曲面造型方式提供逆向模塊的正向CAD/CAE/CAM軟件DESQSRGSDFS在CATIA建模系統(tǒng)中，四個模塊均可用于逆向工程建模，曲面模型的生成符合一般產(chǎn)品建模的基本要求，產(chǎn)品設計和檢測流程遵循逆向工程建模的一般流程，即掃描點云-特征線-曲面，具有較為豐富全面的曲面建模功能

31、Pro/Scan-tools是集成與Pro/E軟件中的專用于逆向建模的工具模塊，具有基于曲線（型曲線）和基于曲面（常規(guī)的Pro/E曲面和型曲面）兩種方式獨立或者結合的曲面重建方式，可以根據(jù)掃描數(shù)據(jù)建立光滑曲面Pointcloud該模型是集成在UG軟件中的用于逆向工程建模的工具模塊，其逆向造型遵循：點-線-面一般原則，對具有單值特征的曲面直接擬合成曲面，與專業(yè)的逆向工程軟件相比，其功能較為有限說明：1. 表示項目被選中； 表示項目未被選中。2.DSE:Digitized Shape Editor（數(shù)字編輯器）；QSR:Quick Shape Reconstruction（快速造型重建）；GSD:

32、Generative Shape Design（生成造型設計）；FS：Freesyle（自由造型設計） 目前，雖然商用的逆向工程軟件類型很多，但是在實際設計中，專門的逆向工程設計軟件還存在較大的局限性，例如，Imageware軟件在讀取點云數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)工程速度較快，能較容易地進行海量點數(shù)據(jù)的處理，但進行面擬合時，Imageware所提供的工具及面的質(zhì)量卻不如其他CAD軟件（如Pro/E、UE等）。但使用Pro/E、UE等軟件讀取海量點云數(shù)據(jù)是，卻存在由于數(shù)據(jù)龐大而造成系統(tǒng)運行速度太慢等問題。在機械設計領域中，逆向工程軟件集中表現(xiàn)為智能化低；點云數(shù)據(jù)的出來方面功能弱；建模過程主要依靠人工干預，設

33、計精度不夠高；集成化程度低等問題。 在具體工程設計中，一般采用幾何軟件配套使用、取長補短的方式。因此，在實際建模過程中，建模人員往往采用“正向+逆向”的建模模式，也稱為混合建模，即在正向CAD軟件的基礎上，配備專用的逆向造型軟件（如Imageware、Geomagic等）。在逆向軟件中先構建出模型的特征線，再將這些線導入到正向CAD系統(tǒng)中，由正向CAD系統(tǒng)來完成曲面重建。1.4 逆向工程技術的發(fā)展目前，逆向工程在數(shù)據(jù)處理、曲面處理、曲面擬合、規(guī)則特征識別、專用商業(yè)軟件和三維掃描儀的開發(fā)等方面已取得了非常顯著的進步，但在實際應用中，缺乏明確的建模指導方針，整個過程仍需大量的人工交互，操作者的經(jīng)驗

34、和素質(zhì)影響著產(chǎn)品的質(zhì)量，自動重建曲面的光順性難以保證，對建模人員的經(jīng)驗和技術技能依賴較重。而且目前的逆向工程CAD建模軟件大多仍以構造滿足一定精度和光順性要求的CAD模型為最終目標，沒有考慮在產(chǎn)品創(chuàng)新需求，因此逆向工程技術仍然是目前CAD/CAM領域一個非?；钴S的研究方向。 逆向工程CAD建模的研究經(jīng)歷了以幾何形狀重構為目的逆向工程CAD建模，基于特征的逆向工程CAD建模和支持產(chǎn)品創(chuàng)新設計的逆向工程CAD建模三個階段。以現(xiàn)有產(chǎn)品為原型，還原產(chǎn)品設計意圖，注重重建模型的再設計能力已成為當前逆向工程CAD建模研究的重點。1） 以幾何形狀重構為目的的CAD建模在目前的一些比較實用的以幾何形狀重建為目

35、的的逆向工程CAD建模軟件中，仍以構造滿足一定精度和光順性要求，與相鄰曲面光滑拼接的曲面CAD模型為最終目標。以幾何形狀重構為目的的逆向工程CAD建模方法對于恢復幾何原形是有效的，但建模過程復雜，建模效率低，交互操作多，難以實現(xiàn)產(chǎn)品的精確建模。而且缺乏對特征的識別，丟失了產(chǎn)品設計過程中的特征信息，與產(chǎn)品的造型規(guī)律不相符合，無法表達產(chǎn)品的原始設計意圖。因此，在這種建模方法和模型初始表示對于表達產(chǎn)品設計意圖和創(chuàng)新設計是不適宜的。2） 基于特征的CAD建?；谔卣鞯哪嫦蚬こ藽AD建模是將正向設計中的特征技術引入逆向工程形成的一種CAD建模思路，通過抽取蘊含在測量數(shù)據(jù)中的特征信息，重建基于特征表達的參

36、數(shù)化CAD模型，表達原始設計意圖。該方法具有的優(yōu)勢如下： （1）表達了原始設計信息，可以重建更為精確的CAD模型，提高CAD模型重建的效率； （2）特征包含了高層次的表達產(chǎn)品設計意圖的工程信息，通過對特征參數(shù)的是修改和優(yōu)化，可以得到不同參數(shù)的系列化新產(chǎn)品CAD模型，從而加快新產(chǎn)品的開發(fā)速度。 基于特征的模型重建研究主要集中在特征識別，包括邊界線和曲面特征，研究對象主要是規(guī)則特征。但在CAD模型重建方面，都存在著這樣一個缺陷，即將模型重建分割為孤立的曲面片造型，忽略了產(chǎn)品模型的整體屬性。3） 支持產(chǎn)品創(chuàng)新設計的CAD建模從應用領域來看，逆向工程的應用可分為兩個目標：原始復制和設計創(chuàng)新。對于復雜曲面外形產(chǎn)品的逆向工程CAD建模而言，其主要目的不是對現(xiàn)有產(chǎn)品外形進行簡單復制，而是要建立產(chǎn)品CAD的模型，進而實現(xiàn)產(chǎn)品的創(chuàng)新設計。具備進一步創(chuàng)新功能的逆向工程包含了三維重構與基于原型的再設計，真正體現(xiàn)了現(xiàn)代逆向工程的核