0 引言
逆向工程技術又叫反求工程技術，是測量技術、數據處理技術、圖形處理技術和加工技術相結合的一門綜合性技術，它是以設計方法學為指導，以現代設計理論、方法、技術為基礎，運用各種專業人員的工程設計經驗、知識和創新思維，對已有新產品進行解剖、深化和再創造，是對已有設計工作的再設計或改進。再創造是逆向工程的靈魂。隨著計算機軟硬件技術的快速發展，近年來與逆向工程技術相關的軟件在新產品設計開發中得到越來越多的應用，逆向工程技術軟件主要包括Imageware、Geomagic Studio、Re-Soft，還有就是ProE、NX、CATIA和SolidWorks等白帶的逆向工程插件的三維重構軟件。其中SolidWorks軟件便是當前流行的3D軟件之一，其ScanTo3D插件給用戶一個完整的、便捷的逆向設計流程，可實現從測量數據采集、產品曲面模型構建、實體模型構建、到快速成型(RP)、數控加工的整個過程，適合在汽車、摩托車的外形覆蓋件和內飾件的設計、家電外形設計及藝術品復制等行業中使用。
1 逆向工程的基本步驟
目前，大多數有關逆向工程技術的研究和應用都集中在幾何造型，稱為實物逆向工程。相對傳統設計而言，逆向工程的基本步驟是：
1.1 零件原型數字化
通常采用三坐標測量機或激光掃描儀等測量裝置對已有的實物或模型進行準確、高速的掃描，來獲取零件原型表面各點的三維坐標值。
1.2 從測量數據中提取零件原型的幾何特征
按測量數據的幾何屬性對其進行分割，采用幾何特征匹配與識別的方法來獲取零件原型所具有的設計與加工特征。
1.3 重建零件原型的CAD模型
將分割后的三維數據在CAD系統中進行表面擬合重構，并通過對各個表面片的拼接與求交獲取零件原型表面的CAD模型。
1.4 檢驗與修正重建的CAD模型
對重建的三維CAD模型進行再設計與創造后，最終生成IGES或STL數據，然后再通過快速成型機或數控機床加工出樣品的方法來檢驗模型是否滿足精度或其他試驗性能指標的要求，對不滿足要求的重復以上過程，直到滿足設計要求。
綜上可知，逆向工程主要包含數據獲取、數據預處理、模型重建和快速制造，其具體流程如圖1所示。
圖1 逆向工程的流程圖
2 數據測量與采集
數據獲取是逆向工程技術的首要環節，根據測量方式不同，逆向工程的數據采集主要有接觸式數據采集與非接觸式數字采集兩種方式。
接觸式數據采集方法是通過采樣探頭與實物模型的接觸，獲取實物表面的坐標位置。其中三坐標測量機(CMM)是應用最為廣泛的一種測量設備，它是基于力一變形的原理，通過接觸式探頭沿樣件表面移動并與表面接觸時發生形變，檢測出接觸點的三維坐標。CMM對被測物體的材質和色澤沒有特殊要求，可達到很高的精度（±0.5μm），對物體邊界和特征點的測量相對精確。缺點是不適宜復雜內部型腔、特征幾何尺寸多的零件，效率較低，過分依賴測量者的經驗。
非接觸式數據采集方法主要是運用聲學、磁學、光學等的基本原理，將一定的物理模擬量通過一定的算法轉化，從而得到物體表面離散點的三維坐標值，其理論基礎是計算機視覺中的三維視覺重建。目前最成熟的方法是激光三角法，此種方法測量速度快，而且可以達到較高的精度(±0.05mm)，可以測量具有復雜結構的樣件模型，但對被測樣件表面粗糙度、漫發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生數據丟失。
使用不同的測量方法及測量軟件，得到的測量數據組織方式不同。按照測量數據的組織方式可將測量數據分為四類：
2.1 散亂數據：數據點沒有明顯的幾何分布特征，呈雜亂無序狀態。
2.2 掃描線數據：數據點由一組掃描線組成，掃描線上的點呈有序排列。
2.3 網格化數據：點云中所有點都與參數域中一個均勻網格的頂點對應。
2.4 多邊形數據：數據點分布在一系列平行平面內，用小線段將同一平面內距離最小的若干相鄰點順序連接形成一組嵌套的平面多邊形。
3 數據預處理
測量數據預處理是逆向工程重建模型的關鍵環節，它的結果將直接影響重建模型的質量。這一過程包含多視拼合、噪聲處理與數據精簡等多個方面。
多視拼合也叫坐標統一，其任務是將多次裝夾獲得的數據融合到統一坐標系中，其方法目前主要有點位法、固定球法和平面法。
由于實際測量過程中人為和隨機因素的影響，使得測量結果包含噪聲，所以為了降低或消除噪聲對后續建模質量的影響，須對測量的點云數據采取平滑濾波，濾波方式有高斯、平均或中值濾波。對于高密度點云，由于存在大量的冗余數據，則需要按一定要求減少數據點的數量。
數據簡化主要針對光學掃描設備采集到幾十萬、幾百萬甚至更多的數據點，這些點云存在大量冗余數據，影響后續算法的效率，因此需要按一定要求減少測量點的數量。不同類型的點云可采用不同的簡化方式，散亂“點云”可通過隨機采樣的方法來精簡，對規則“點云”可通過等間距縮減、倍率縮減、等量縮減和弦偏差等方法。
4 重建CAD模型
在產品的設計過程中，一般是以零件的力學性能、機械性能、流體動力學性能或美觀性要求作為設計的評價指標，零件幾何外形、造型方法及設計參數必須滿足設計要求，這就需要在逆向工程CAD建模中盡量還原產品原始設計參數。要按照原始設計方案進行逆向工程CAD建模，就需要對采集數據提取產品特征設計參數，并進行特征重構和特征運算，最終完成產品的數字化建模。
在模型重建中，曲面擬合是一步重要的逆向設計過程，我們以B樣條曲面為例，介紹曲面擬合的基本原理。B樣條曲面對數據點的插值也稱為曲面反算或逆過程，就是要構造一張k×l次B樣條曲面，插值給定呈拓撲矩形陣列的數據點Pij(i=0，1，…，r；j=0，1，…，s)，待求的B樣條曲面方程可寫成為
這里控制頂點被下述控制曲線所替代
若固定一參數值v，就給出了在這些控制曲線上m+1個點ci(v)(i=0，1，…，m)。這些點作為控制點，就定義了曲面上以為參數的等參數線。當參數掃過它的整個定義域時，無限多的等參數線就描述了整張曲面，顯然曲面上這無限多以為參數的等參數線中，有n+1條插值給定的截面曲線。于是就可由反算B樣條插值曲線求出這些截面曲線的控制頂點dij(i=0，1，…，m；j=0，1，…，s)，即
一張以這些截面曲線為等參數線的曲面要求一組控制曲線用來定義截面曲線的控制頂點cj(vl+j)=dij(i=0，1，…，m；j=0，1，…，s)。選擇參數值vi+j(j=0，1，…，s))為控制曲線的節點，即數據點pij的參數值v，就可得下面方程組
解這些方程組，就可得所求B樣條插值曲面的(m+1)×(n+1)個控制頂點dij，從而可構造出所需的擬合曲面。
5 建模實例
下面以維納斯頭像為例，首先通過三維掃描儀獲取原始點云數據，并以TXT文件格式保存，可以通過專門逆向工程軟件處理后以IGS文件格式導入SolidWorks軟件中建模，或者直接導入SolidWorks利用逆向模塊ScanTo3D插件對掃描數據進行預處理并重建模型。在此我們利用后一種方法對點云進行處理。
圖2(a)所示是樣件的原始點云數據，然后對點云數據進行網格化處理數據形成圖2(b)所示，對其進行數據預處理，主要包括有(1)噪聲剔除，可以通過選擇點間距離大小來剔除噪聲點；(2)多余數據簡化，通過設定縮減百分比和目標點云的大小來進行選擇；(3)局部及整體平滑光順處理，邊界平滑處理，可通過軟件白帶的整體平滑滑桿設定總的平滑度，和選取工具進行局部平滑，對于輪廓邊界也可進行平滑度的設定；(4)補洞處理，所有孔洞將進行自動檢測并填補，也可手動消除不需要填補的孑L洞。通過網格向導處理結果如圖2(c)所示。再通ScanT03D的曲面自動生成功能，形成自動擬合曲面圖，如圖2(d)所示。最終系統自動提示形成維納斯頭像的實體模型圖，待確認后形成圖2(e)所示。
圖2 維納斯頭像CAD重建過程
6 結論
6.1 通過SolidWorks軟件中ScanTo3D插件可以對不能直接進行CAD建模的復雜曲面實物進行逆向設計建模，可以通過其強大的分析工具對模型的其余特性參數進行分析，為再設計產品提供依據。
6.2 與主流逆向工程軟件Imageware、Geomagic Studio相比，SolidWorks、Pro/E、NX等三維重構軟件中逆向模塊存在逆向功能相對較弱，因此采用上述兩者結合互補的設計方法，已逐漸成為現代制造業設計方向的主流。
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本文標題：逆向工程CAD重建模型的方法研究
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