逆向工程基本知識

1、第三章 逆向工程設計逆向工程基本知識第1頁 逆向工程（又稱逆向技術），是一個產品設計技術再現過程，即對一項目標產品進行逆向分析及研究，從而演繹并得出該產品處理流程、組織結構、功效特征及技術規(guī)格等設計要素，以制作出功效相近，但又不完全一樣產品。逆向工程源于商業(yè)及軍事領域中硬件分析。其主要目標是，在不能輕易取得必要生產信息下，直接從成品分析，推導出產品設計原理。 逆向工程可能會被誤認為是對知識產權嚴重侵害，不過在實際應用上，反而可能會保護知識產權全部者。比如在集成電路領域，假如懷疑某企業(yè)侵犯知識產權，能夠用逆向工程技術來尋找證據。什么是逆向工程？逆向工程基本知識第2頁 逆向工程是由高速三維激光掃描

2、機對已經有樣品或模型進行準確、高速掃描，得到其三維輪廓數據，配合逆向軟件進行曲向重構，并對重構曲面進行在線精度分析、評價結構效果，最終生成IGES(初始化圖形交換規(guī)范)或STL(標準模塊庫)數據，據此就能進行快速成型或CNC（計算機數字控制機床）數控加工。樣品數據產品逆向工程基本知識第3頁模型曲面分析確定掃描方案進行實體點云掃描進行實體建模進行點云數據處理建立需要曲線建立曲面逆向建模普通流程圖逆向工程基本知識第4頁逆向工程工作流程示意圖測量前分析采集數據數據預處理模型分析數據分塊曲面重構（二次曲面、自由曲面、規(guī)則曲面）模型內涵設計思想數據分塊目標模型待測模型逆向工程基本知識第5頁1.接口設計。

3、因為互操作性，逆向工程被用來找出系統(tǒng)之間協(xié)作協(xié)議。2.軍事或商業(yè)機密。竊取敵人或競爭對手最新研究或產品原型。3.改進文檔。當原有文檔有不充分處，又當系統(tǒng)被更新而原設計人員不在時，逆向工程被用來獲取所需數據，以補充說明或了解系統(tǒng)最新狀態(tài)。4.軟件升級或更新。出于功效、合規(guī)、安全等需求更改，逆向工程被用來了解現有或遺留軟件系統(tǒng)，以評定更新或移植系統(tǒng)所需工作。逆向工程產生動機？逆向工程基本知識第6頁5.制造沒有許可/未授權副本。6.學術/學習目標。7.去除復制保護和偽裝登錄權限。8.文件丟失：采取逆向工程情況往往是在某一個特殊設備文件已經丟失了（或者根本就沒有），同時又找不到工程責任人。完整系統(tǒng)時常

4、需要基于陳舊系統(tǒng)上進行再設計，這就意味著想要集成原有功效進行項目標唯一方法，便是采取逆向工程方法，分析已經有碎片進行再設計。9.產品分析：用于調查產品運作方式，部件組成，預計預算，識別潛在侵權行為。逆向工程基本知識第7頁逆向工程應用領域1.工業(yè)產品檢測與測量、產品及模具逆向工程(汽車，航空，家電工業(yè))2.零部件形狀變形檢測、形狀測量、研究測量、工業(yè)在線檢測3.模具設計與檢測領域4.人體數字化、服裝CAD、人體建模、人體數字雕塑、三維面容識別5.醫(yī)學仿生、醫(yī)學測量與模擬、整形美容及正畸模擬與評價6.三維彩色數字化、數字博物館、有形文物及檔案管理、判定與復制7.三維動畫影片制作、3D游戲建模、三維

5、游戲中三維模型輸入與建立逆向工程基本知識第8頁逆向工程作用？ 逆向工程被廣泛地應用到新產品開發(fā)和產品改型設計、產品仿制、質量分析檢測等領域，它作用是：1、縮短產品設計、開發(fā)周期，加緊產品更新換代速度；2、降低企業(yè)開發(fā)新產品成本與風險；3、加緊產品造型和系列化設計；4、適合單件、小批量零件制造，尤其是模具制造，可分為直接制模與間接制模法。直接制模法：基于RP技術快速直接制模法是將模具CAD結果由RP（快速成形技術）系統(tǒng)直接制造成型。該法既不需用RP（RPM(快速原型制造)：Rapid Prototyping Manufacturing）系統(tǒng)制作樣件，也不依賴傳統(tǒng)模具制造工藝，對金屬模具制造而言尤

6、為快捷，是一個極具開發(fā)前景制模方法；間接制模法：間接制模法是利用RP技術制造產品零件原型，以原型作為母模、模芯或制模工具(研磨模)，再與傳統(tǒng)制模工藝相結合，制造出所需模具。逆向工程基本知識第9頁 伴隨計算機輔助設計流行，逆向工程變成了一個能依據現有物理部件經過CAD、CAM、CAE（計算機輔助工程）或其它軟件構筑3D虛擬模型方法。逆向工程過程采取了經過丈量實際物體尺寸并將其制作成3D模型方法，真實對象能夠經過如激光掃描儀，結構光源轉換儀或者X射線斷層成像這些3D掃描技術進行尺寸測量。 逆向工程能在擁有現有物理部件之上，利用激光掃描儀、結構光源轉換儀或X射線斷層成像之類3D掃描儀技術進行尺寸測量

7、，再經過CAD、CAM、CAE或其它軟件構筑3D虛擬模型方法。逆向工程設備逆向工程基本知識第10頁三維掃描技術分類聲學式三角形法輪廓投影法成像法光學式磁學式觸發(fā)式掃描式接觸式非接觸式三維掃描技術 從三維數據采集方法上來看，非接觸式方法因為同時擁有速度和精度特點，因而在逆向工程中應用最為廣泛。逆向工程基本知識第11頁一、工業(yè)級數控三坐標測量機逆向工程基本知識第12頁一、工業(yè)級數控三坐標測量機1、測量原理三坐標測量機是測量和取得尺寸數據最有效方法之一，因為它能夠代替各種表面測量工具及昂貴組合量規(guī)，并把復雜測量任務所需時間從小時減到分鐘。三坐標測量機功效是快速準確地評價尺寸數據，為操作者提供關于生產

8、過程情況有用信息，這與全部手動測量設備有很大區(qū)分。將被測物體置于三坐標測量空間，可取得被測物體上各測點坐標位置，依據這些點空間坐標值，經計算求出被測物體幾何尺寸，形狀和位置。/10/10演示視頻1演示視頻2逆向工程基本知識第13頁/10/102、應用主要用于機械、汽車、航空、軍工、家俱、工具原型、機器等中小型配件、模具等行業(yè)中箱體、機架、齒輪、凸輪、蝸輪、蝸桿、葉片、曲線、曲面等測量，還可用于電子、五金、塑膠等行業(yè)中，能夠對工件尺寸、形狀和形位公差進行精密檢測，從而完成零件檢測、外形測量、過程控制等任務。3、特點單邊活動橋式結構，顯著提升運動性能，確保測量精度及穩(wěn)定性。三軸導軌均采取高精密天然

9、花崗巖，含有相同溫度特征及剛性。三軸導軌均采取自潔式預載荷高精度空氣軸承，運動更平穩(wěn)，導軌永不受磨損。RENISHAW自粘開放式金屬光柵尺，更靠近花崗巖基本熱膨脹系數，提升了設備穩(wěn)定性。一、工業(yè)級數控三坐標測量機逆向工程基本知識第14頁二、 絕對關節(jié)臂測量機逆向工程基本知識第15頁二、 絕對關節(jié)臂測量機1、主要功效對零件進行測量、檢驗和驗證逆向工程產品比較/產品分析快速原型設計：對示例部分或物理模型進行掃描，并轉換為CAD模型，如同三維打印機。仿形銑：由掃描點云數據直接復制生產產品。2、應用鈑金件、沖壓件、模型配件、模具、結構和裝飾五金、復合材料、機加工件、管件及其組件、車身和底盤、玻璃纖維結

10、構。應用領域：汽車及其零部件制造商、汽車內飾、航空航天零部件制造商、重型設備及其零部件制造商、船舶和造船、機械制造、家俱制造業(yè)、土木工程、新能源及其零部件制造商、軌道交通。/10/10逆向工程基本知識第16頁三、三維激光掃描儀 三維激光掃描技術是近年來出現新技術，在國內越來越引發(fā)研究領域關注。它是利用激光測距原理，經過統(tǒng)計被測物體表面大量密集點三維坐標、反射率和紋理等信息，可快速復建出被測目標三維模型及線、面、體等各種圖件數據。因為三維激光掃描系統(tǒng)能夠密集地大量獲取目標對象數據點，所以相對于傳統(tǒng)單點測量，三維激光掃描技術也被稱為從單點測量進化到面測量革命性技術突破。逆向工程基本知識第17頁/1

11、0/10 三維激光掃描技術在文物古跡保護、建筑、規(guī)劃、土木工程、工廠改造、室內設計、建筑監(jiān)測、交通事故處理、法律證據搜集、災害評定、船舶設計、數字城市、軍事分析等領域也有了很多嘗試、應用和探索。三、三維激光掃描儀逆向工程基本知識第18頁/10/10四、攝影式掃描儀“攝影式”掃描儀是針對工業(yè)產品包括領域新一代掃描儀，與傳統(tǒng)激光掃描儀和三座標測量系統(tǒng)比較，其測量速度提升了數十倍。因為有效控制了整合誤差，整體測量精度也大大提升。逆向工程基本知識第19頁/10/10其采取可見光將特定光柵條紋投影到測量工作表面，借助兩個高分辨率CCD數碼相機對光柵干涉條紋進行拍照，利用光學拍照定位技術和光柵測量原理，可

12、在極短時間內取得復雜工作表面完整點云。其獨特流動式設計和不一樣視角點云自動拼合技術使掃描不需要借助于機床驅動，掃描范圍可達12M，而掃描大型工件則變得高效、輕松和輕易。其高質量完美掃描點云可用于汽車制造業(yè)中產品開發(fā)、逆向工程、快速成型、質量控制，甚至可實現直接加工。四、攝影式掃描儀逆向工程基本知識第20頁/10/10 非接觸光學三維掃描儀，其結構主要由光柵投影設備及兩個工業(yè)級CCD Camera所組成，由光柵投影在待測物上，并加以粗細改變及位移，配合CCD Camera將所擷取數字影像透過計算機運算處理，即可得知待測物實際3D外型。四、攝影式掃描儀逆向工程基本知識第21頁/10/10攝影式三維

13、掃描儀采取非接觸白光技術, 防止對物體表面接觸,能夠測量各種材料模型,測量過程中被測物體能夠任意翻轉和移動,對物件進行多個視角測量,系統(tǒng)進行全自動拼接, 輕松實現物體360高精度測量。而且能夠在獲取表面三維數據同時,快速獲取紋理信息,得到逼真物體外形,能快速應用于模具制造行業(yè)掃描。四、攝影式掃描儀逆向工程基本知識第22頁/10/10三維掃描儀工作流程逆向工程基本知識第23頁測量數據展示逆向工程基本知識第24頁Imageware：主要用于曲面造型。將STL模型作為參考數據進行逆向造型設計。Geomagic Studio：主要用于點云前期處理。噪聲去除，平滑，修補，封裝成STL模型等。CopyCA

14、D ：能允許從已存在零件或實體模型中產生三維CAD模型。能夠接收來自坐標測量機床數據，同時跟蹤機床和激光掃描器。RapidForm：RapidForm 是韓國 INUS 企業(yè)出品全球四大逆向工程軟件之一，RapidForm 提供了新一代運算模式，可實時將點云數據運算出無接縫多邊形曲面，使它成為 3D Scan 后處理之最正確化接口。RapidForm 也將使您工作效率提升，使 3D 掃描設備利用范圍擴大，改進掃描品質。逆向工程軟件逆向工程基本知識第25頁 我國制造業(yè)進入了一個蓬勃發(fā)展新時期，這必定對掌握當代制造技術技術人才形成了巨大需求，當前國內大部分高校未涉足“逆向工程設計”專業(yè)，在廣東江蘇

15、等沿海城市，出現十萬年薪難請“逆向工程”設計師現實狀況。逆向工程應用前景逆向工程基本知識第26頁/10/10光柵三維掃描儀操作步驟一、軟件安裝二、硬件安裝三、主顯示分辨率設置與光柵分辨率設置四、校準五、掃描逆向工程基本知識第27頁/10/10光柵三維掃描儀操作手冊一、軟件安裝三維掃描軟件FlexScan3D 安裝采取普通向導安裝方式，與其它軟件安裝方式相同。既能夠完全傻瓜化安裝，也能夠采取定制式安裝方式。安裝完成后，桌面上會自動創(chuàng)建三維掃描軟件圖標，在電腦USB端口插入軟件狗后，雙擊 FlexScan3D 圖標即可進入掃描軟件界面。注：軟件狗為無驅動型，第一次插入電腦USB端口后，會自動識別并

16、安裝驅動，稍候幾分鐘，系統(tǒng)提醒安裝成功即可。逆向工程基本知識第28頁/10/101。三維掃描儀光柵主機身，與金屬結構件聯在一起；2。兩只高精度工業(yè)視覺相機（也可為一只或多只，依據型號配置有差異）；3。兩只高精度工業(yè)視覺鏡頭（也可為一只或多只，依據型號配置有差異）并與工業(yè)相機聯接在一體；4。三腳架一套5。5mm/10mm/15mm玻璃標準校準板兩件，并附一次性標準校準紙若干張；6。FlexScan3D pro專用授權軟件狗一只；7。USB 2.0或3.0工業(yè)線纜兩條；8。光柵VGA電腦信號線纜一付（2m加3m延長線），電源線纜一付（2m加3m延長線）。二、硬件安裝2.1三維掃描儀包含組件逆向工程

17、基本知識第29頁/10/10二、硬件安裝逆向工程基本知識第30頁/10/10二、硬件安裝2.2三維掃描儀硬件安裝第一步：三腳架組裝打開隨新機配置三腳架包裝包，取出三腳架主體一付，三腳滾輪三只，松開對應部位鎖緊螺絲，能夠調整三腳架各個部位，調整至適當角度，以方便后面使用。將光柵主機后面快裝卡扣，安裝到三角架快裝板上，將工業(yè)相機安裝到支架上。逆向工程基本知識第31頁/10/10二、硬件安裝2.2三維掃描儀硬件安裝安裝完成圖：逆向工程基本知識第32頁/10/10二、硬件安裝2.2三維掃描儀硬件安裝第二步:與電腦聯接確認顯卡接口，聯接光柵；設置光柵分辨率經過USB2.0接口聯接至工業(yè)相機（禁止將工業(yè)相

18、機USB線插接到電腦前面板上。）分配鏡頭電腦顯卡：確保獨立電腦顯卡信號輸出口最少為兩個，如圖所表示。普通顯卡主顯示信號1#為DVI接口（白色寬口），蘭色2# VGA口為光柵信號。1#口 DVI接口2#口 光柵接口第二步：與電腦聯接逆向工程基本知識第33頁/10/10二、硬件安裝2.2三維掃描儀硬件安裝將光柵儀連接到電腦顯卡： 逆向工程基本知識第34頁/10/102.2三維掃描儀硬件安裝三、主顯示分辨率設置與光柵分辨率設置電腦首次連接掃描儀，需設定顯示器和掃描儀分辨率，方法以下：1.確認掃描儀連線正確后，在屏幕桌面上點擊鼠標右鍵點擊“屏幕分辨率”，會彈出下列圖對話框，點擊“檢測”。逆向工程基本知

19、識第35頁/10/102.系統(tǒng)會檢測到有兩個顯示器，然后點擊“識別”按鈕。逆向工程基本知識第36頁/10/103.按照下列圖所表示，選擇顯示器，設定“分辨率”為主顯示器最正確分辨率，提議使用19寸以上寬屏液晶顯示器，分辨率在1440X900以上為好，點選“使它成為我主顯示器”左側方框。逆向工程基本知識第37頁/10/104.用鼠標左鍵選中顯示器，設定光柵最正確分辨率為1024X768，點擊鼠標右鍵“屬性”彈出如圖對話框：點擊“列出全部模式”。逆向工程基本知識第38頁/10/105.選擇“1024768 真彩色(32位)60赫茲”，點擊“確定”和“應用”，完成顯示器和掃描儀光柵機分辨率設置。逆向

20、工程基本知識第39頁/10/10四、校準光柵式三維掃描儀是一個使用2D成角拍照方式取得3D空間圖形工具。因為搬運過程中會出現拆裝情況，使得光柵與工業(yè)相機固定位置和角度發(fā)生改變，所以在正確使用前，必須做校準工作。校準工作是處理掃描數據基準，只有基準準確了，掃描所得數據才會準確。注：這一步是掃描儀正常工作基礎，非常主要！校準完成后，請勿調整相機、鏡頭和光柵鏡。假如進行了調整，則需重新校準！逆向工程基本知識第40頁/10/101.掃描儀工作類型依照不一樣校準方式“精?！惫鈻攀饺S掃描儀能夠進行不一樣工作方式。其中校準方式中有：單鏡頭掃描（Single）雙鏡頭掃描（Duo）多鏡頭陣列式掃描（Multi

21、）。逆向工程基本知識第41頁/10/10單鏡頭掃描使用一只工業(yè)相機與一個光柵機一起協(xié)同工作。掃描時經過比對鏡頭拍攝圖像與光柵投射圖像之間對比關系，計算測量出掃描儀與目標物之間距離，從而獲得物體三維空間位置，形成3D模型。單鏡頭掃描，可以獲得物體最大有效面積，掃描結果比較完整。Single單鏡頭掃描雙鏡頭掃描使用兩只工業(yè)相機與一個光柵機一起協(xié)同工作。校按時兩只鏡頭同時工作，所拍攝圖像經過軟件比對，計算測量出掃描儀與目標物體之間距離，從而得出三維物體空間位置，形成3D模型。這種方式掃描出結果精度最高。Duo雙鏡頭掃描逆向工程基本知識第42頁/10/10多鏡頭陣列式掃描，能夠使用多組單鏡頭掃描或多級

22、雙鏡頭掃描，或單鏡頭與雙鏡頭組合方式進行掃描，它能夠同時使多個掃描裝置協(xié)同工作，在同一物體不一樣角度同時進行多角度掃描，提升掃描效率，并具備瞬間抓取物體多個角度。這種工作方式同具備以上兩方式工作特點。Multi多鏡頭陣列式掃描逆向工程基本知識第43頁/10/10掃描校準類型對比校準類型鏡頭數量光柵數量校準方式優(yōu) 點DUO雙鏡頭21經過一塊校準板，采集兩個圖像，并對比圖像結果進行最高精度。SINGLE單鏡頭11經過一塊校準板采集光柵投射改變圖像進行最大有效面積。MULTI多鏡頭以上兩種任意組合以上兩種校準方式組合同時采集同一物體不一樣角度，取得更完整采集結果。逆向工程基本知識第44頁/10/10

23、2.校準前準備工作（以雙鏡頭校準為例）2.1 雙擊三維掃描桌面主程序，2.2 點擊“Settings”(設置)欄，修改默認項目路徑和默認校準路徑，默認項目路徑和默認校準路徑文件名不要修改，以下列圖。 ，進入掃描程序界面。逆向工程基本知識第45頁/10/102.3 設置完成后，退出掃描程序，即可進行下一步工作。注意：掃描軟件不支持漢字目錄，請不要設置在任何含漢字字符目錄里，不然掃描儀無法正常工作！2.4 雙擊三維掃描桌面主程序，進入掃描程序界面，點擊校準（Calibration）,進入校準界面。 逆向工程基本知識第46頁/10/102.5 點擊新建（New Calibration） 注：校準項目

24、名稱，必須使用字母或數字，當前不識別漢字逆向工程基本知識第47頁/10/10掃描儀左右位置關系，以操作者站在掃描后部位置，并向鏡頭朝向方向看去，掃描儀本身左邊為鏡頭“左鏡頭”，在鏡頭選擇上為第一個鏡頭；掃描儀本身右邊為鏡頭“右鏡頭”，在鏡頭選擇上為第二個鏡頭。2.6 點擊“確認”后開始選擇鏡頭ID身份，以確保兩只鏡頭左右分布。逆向工程基本知識第48頁/10/10說明：工業(yè)相機本身含有唯一序列號，軟件系統(tǒng)對于相機識別也是經過這個唯一設備ID號進行身份確實認。當前我們使用工業(yè)相機類型為原裝德國UEYE系列，所以相機只能選擇它。逆向工程基本知識第49頁/10/102.7 依次選定“Camera1”“

25、 Camera2”點擊“OK”2.8 在“Projector”欄選擇光柵儀。在“Calibration Board Square Size”( 校正板方格尺寸)下Size對話框輸入標定板尺寸。點擊右側齒輪狀按鈕，顯示/隱藏鏡頭圖像如圖所表示逆向工程基本知識第50頁/10/102.9 如圖所表示，在圖樣“Pattern”欄，調整投影圖樣成聚焦“Focusing” 逆向工程基本知識第51頁/10/102.10 把校準板放置在掃描儀前方，確定掃描距離。精睿系列三維掃描儀最近距離可調整至25cm 。注：掃描距離可依據被掃描樣品大小、精細度等來調整。掃描小而精細度高模型能夠調近距離。反之，大尺寸模型可適

26、當調遠距離。 逆向工程基本知識第52頁/10/102.11 旋轉鏡頭焦距調整環(huán)，調整焦距，使投影到校準板上光柵至最清楚狀態(tài)。旋轉調整焦距逆向工程基本知識第53頁/10/102.12 如圖所表示，將鼠標移動到鏡頭顯示圖像位置，點擊上方按鈕調整成直方圖顯示“l(fā)ine”模式。調整曝光延時逆向工程基本知識第54頁/10/10依據波浪線調整相機光圈，使波浪線基本位于四分之三位置，并趨于平穩(wěn)狀態(tài)。如調整相機光圈不能調整好曝光度，可調整曝光延時。注：兩只相機曝光延時時間，提議采取16.667毫秒或33.3333毫秒。逆向工程基本知識第55頁/10/102.13 以下列圖所表示，把曝光曲線改成圖像檢視（放大鏡

27、）圖像模式，將鏡頭焦距調整至最清楚狀態(tài)。、逆向工程基本知識第56頁/10/102.14 以下列圖所表示，旋轉相機球臺把鏡頭顯示紅色十字線移動到黑色十字中心位置。逆向工程基本知識第57頁/10/10點擊自動估算“Estimate”，估算投影延時。逆向工程基本知識第58頁/10/103.校準3.1 數據采集。將校準板安放在鏡頭前，觀察電腦屏幕上兩個窗口，能顯示出校正板上全部方塊時，點擊采集“capture image”進行采集數據。3.2 變換校準板位置，能夠上下、左右、前后移動，屢次、多角度進行數據采集（提議采集30-40次），以確保更佳校正效果。逆向工程基本知識第59頁/10/10校準板推薦擺

28、放位置，為其在相機顯示窗口左上，中上，右上；左中，中中，右中；左下，中下，右下極限位置，以校準板可視范圍不超出兩個鏡頭圖像為標準。在下列圖九個極限位置分別前、中、后移動校準板，依次進行數據采集。逆向工程基本知識第60頁/10/103.3 采集完成后點擊校正“CALIBRATE”開始校準。校正采集逆向工程基本知識第61頁/10/10校準結果以下列圖所表示。提醒：覆蓋率盡可能超出75% ，標準點間距越小越好。點擊“OK”，校準操作完成。圖中，左右黑白圖塊分別表示Camera1 、Camera2左右鏡頭數據采集分布情況，分布越均勻，掃描結果越好。黑色部分為校準板方格沒有放置采集區(qū)域，提議將校準板放置

29、到這個位置，進行補充掃描。下方黑白分布圖為Z值也就是目標物體距離掃描儀位置距離范圍，物體最正確成像狀態(tài)，就在這個范圍內；出了這個范圍，則成像效果差，掃描精度會打折扣。逆向工程基本知識第62頁/10/10完成以上校準操作后，掃描儀進入掃描工作狀態(tài)。再次強調：校準工作是掃描儀正常工作基礎，非常主要！校準完成后，可隨意調整三角架位置、角度和高度進行樣品掃描，但掃描過程中切勿調整相機、鏡頭和光柵鏡。假如進行了調整，則需重新校準！逆向工程基本知識第63頁/10/10五、掃描操作1. 掃描前工作準備：對于表面過于昏暗或光亮物體，應對樣品表面進行處理后再實施掃描，方便取得更加好掃描數據。提議使用現像劑，其優(yōu)點是： 1.顆粒小不影響模型特征 2.易清洗 3.不損壞模型使用方法：噴嘴距樣品20-25cm，均勻噴涂樣品表面。逆向工程基本知識第64頁/10/102. 樣品掃描工作開始2.1 點擊“project” 進