0 引言
逆向工程技术又叫反求工程技术，是测量技术、数据处理技术、图形处理技术和加工技术相结合的一门综合性技术，它是以设计方法学为指导，以现代设计理论、方法、技术为基础，运用各种专业人员的工程设计经验、知识和创新思维，对已有新产品进行解剖、深化和再创造，是对已有设计工作的再设计或改进。再创造是逆向工程的灵魂。随着计算机软硬件技术的快速发展，近年来与逆向工程技术相关的软件在新产品设计开发中得到越来越多的应用，逆向工程技术软件主要包括Imageware、Geomagic Studio、Re-Soft，还有就是ProE、NX、CATIA和SolidWorks等白带的逆向工程插件的三维重构软件。其中SolidWorks软件便是当前流行的3D软件之一，其ScanTo3D插件给用户一个完整的、便捷的逆向设计流程，可实现从测量数据采集、产品曲面模型构建、实体模型构建、到快速成型(RP)、数控加工的整个过程，适合在汽车、摩托车的外形覆盖件和内饰件的设计、家电外形设计及艺术品复制等行业中使用。
1 逆向工程的基本步骤
目前，大多数有关逆向工程技术的研究和应用都集中在几何造型，称为实物逆向工程。相对传统设计而言，逆向工程的基本步骤是：
1.1 零件原型数字化
通常采用三坐标测量机或激光扫描仪等测量装置对已有的实物或模型进行准确、高速的扫描，来获取零件原型表面各点的三维坐标值。
1.2 从测量数据中提取零件原型的几何特征
按测量数据的几何属性对其进行分割，采用几何特征匹配与识别的方法来获取零件原型所具有的设计与加工特征。
1.3 重建零件原型的CAD模型
将分割后的三维数据在CAD系统中进行表面拟合重构，并通过对各个表面片的拼接与求交获取零件原型表面的CAD模型。
1.4 检验与修正重建的CAD模型
对重建的三维CAD模型进行再设计与创造后，最终生成IGES或STL数据，然后再通过快速成型机或数控机床加工出样品的方法来检验模型是否满足精度或其他试验性能指标的要求，对不满足要求的重复以上过程，直到满足设计要求。
综上可知，逆向工程主要包含数据获取、数据预处理、模型重建和快速制造，其具体流程如图1所示。
图1 逆向工程的流程图
2 数据测量与采集
数据获取是逆向工程技术的首要环节，根据测量方式不同，逆向工程的数据采集主要有接触式数据采集与非接触式数字采集两种方式。
接触式数据采集方法是通过采样探头与实物模型的接触，获取实物表面的坐标位置。其中三坐标测量机(CMM)是应用最为广泛的一种测量设备，它是基于力一变形的原理，通过接触式探头沿样件表面移动并与表面接触时发生形变，检测出接触点的三维坐标。CMM对被测物体的材质和色泽没有特殊要求，可达到很高的精度（±0.5μm），对物体边界和特征点的测量相对精确。缺点是不适宜复杂内部型腔、特征几何尺寸多的零件，效率较低，过分依赖测量者的经验。
非接触式数据采集方法主要是运用声学、磁学、光学等的基本原理，将一定的物理模拟量通过一定的算法转化，从而得到物体表面离散点的三维坐标值，其理论基础是计算机视觉中的三维视觉重建。目前最成熟的方法是激光三角法，此种方法测量速度快，而且可以达到较高的精度(±0.05mm)，可以测量具有复杂结构的样件模型，但对被测样件表面粗糙度、漫发射率和倾角过于敏感，存在由遮挡造成的阴影效应，对突变的台阶和深孔结构容易产生数据丢失。
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：
2.1 散乱数据：数据点没有明显的几何分布特征，呈杂乱无序状态。
2.2 扫描线数据：数据点由一组扫描线组成，扫描线上的点呈有序排列。
2.3 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。
2.4 多边形数据：数据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顺序连接形成一组嵌套的平面多边形。
3 数据预处理
测量数据预处理是逆向工程重建模型的关键环节，它的结果将直接影响重建模型的质量。这一过程包含多视拼合、噪声处理与数据精简等多个方面。
多视拼合也叫坐标统一，其任务是将多次装夹获得的数据融合到统一坐标系中，其方法目前主要有点位法、固定球法和平面法。
由于实际测量过程中人为和随机因素的影响，使得测量结果包含噪声，所以为了降低或消除噪声对后续建模质量的影响，须对测量的点云数据采取平滑滤波，滤波方式有高斯、平均或中值滤波。对于高密度点云，由于存在大量的冗余数据，则需要按一定要求减少数据点的数量。
数据简化主要针对光学扫描设备采集到几十万、几百万甚至更多的数据点，这些点云存在大量冗余数据，影响后续算法的效率，因此需要按一定要求减少测量点的数量。不同类型的点云可采用不同的简化方式，散乱“点云”可通过随机采样的方法来精简，对规则“点云”可通过等间距缩减、倍率缩减、等量缩减和弦偏差等方法。
4 重建CAD模型
在产品的设计过程中，一般是以零件的力学性能、机械性能、流体动力学性能或美观性要求作为设计的评价指标，零件几何外形、造型方法及设计参数必须满足设计要求，这就需要在逆向工程CAD建模中尽量还原产品原始设计参数。要按照原始设计方案进行逆向工程CAD建模，就需要对采集数据提取产品特征设计参数，并进行特征重构和特征运算，最终完成产品的数字化建模。
在模型重建中，曲面拟合是一步重要的逆向设计过程，我们以B样条曲面为例，介绍曲面拟合的基本原理。B样条曲面对数据点的插值也称为曲面反算或逆过程，就是要构造一张k×l次B样条曲面，插值给定呈拓扑矩形阵列的数据点Pij(i=0，1，…，r；j=0，1，…，s)，待求的B样条曲面方程可写成为
这里控制顶点被下述控制曲线所替代
若固定一参数值v，就给出了在这些控制曲线上m+1个点ci(v)(i=0，1，…，m)。这些点作为控制点，就定义了曲面上以为参数的等参数线。当参数扫过它的整个定义域时，无限多的等参数线就描述了整张曲面，显然曲面上这无限多以为参数的等参数线中，有n+1条插值给定的截面曲线。于是就可由反算B样条插值曲线求出这些截面曲线的控制顶点dij(i=0，1，…，m；j=0，1，…，s)，即
一张以这些截面曲线为等参数线的曲面要求一组控制曲线用来定义截面曲线的控制顶点cj(vl+j)=dij(i=0，1，…，m；j=0，1，…，s)。选择参数值vi+j(j=0，1，…，s))为控制曲线的节点，即数据点pij的参数值v，就可得下面方程组
解这些方程组，就可得所求B样条插值曲面的(m+1)×(n+1)个控制顶点dij，从而可构造出所需的拟合曲面。
5 建模实例
下面以维纳斯头像为例，首先通过三维扫描仪获取原始点云数据，并以TXT文件格式保存，可以通过专门逆向工程软件处理后以IGS文件格式导入SolidWorks软件中建模，或者直接导入SolidWorks利用逆向模块ScanTo3D插件对扫描数据进行预处理并重建模型。在此我们利用后一种方法对点云进行处理。
图2(a)所示是样件的原始点云数据，然后对点云数据进行网格化处理数据形成图2(b)所示，对其进行数据预处理，主要包括有(1)噪声剔除，可以通过选择点间距离大小来剔除噪声点；(2)多余数据简化，通过设定缩减百分比和目标点云的大小来进行选择；(3)局部及整体平滑光顺处理，边界平滑处理，可通过软件白带的整体平滑滑杆设定总的平滑度，和选取工具进行局部平滑，对于轮廓边界也可进行平滑度的设定；(4)补洞处理，所有孔洞将进行自动检测并填补，也可手动消除不需要填补的孑L洞。通过网格向导处理结果如图2(c)所示。再通ScanT03D的曲面自动生成功能，形成自动拟合曲面图，如图2(d)所示。最终系统自动提示形成维纳斯头像的实体模型图，待确认后形成图2(e)所示。
图2 维纳斯头像CAD重建过程
6 结论
6.1 通过SolidWorks软件中ScanTo3D插件可以对不能直接进行CAD建模的复杂曲面实物进行逆向设计建模，可以通过其强大的分析工具对模型的其余特性参数进行分析，为再设计产品提供依据。
6.2 与主流逆向工程软件Imageware、Geomagic Studio相比，SolidWorks、Pro/E、NX等三维重构软件中逆向模块存在逆向功能相对较弱，因此采用上述两者结合互补的设计方法，已逐渐成为现代制造业设计方向的主流。
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本文标题：逆向工程CAD重建模型的方法研究
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