為了適應(yīng)市場(chǎng)的需求，更多的是為了適應(yīng)不斷發(fā)展的先進(jìn)制造技術(shù)，需要將實(shí)CAD數(shù)據(jù)，以便利用快速成形系統(tǒng)( RF)、計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)系統(tǒng)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PDM)等先進(jìn)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行處理和管理，并進(jìn)行進(jìn)一步修改和再設(shè)計(jì)優(yōu)化。由于這樣的需求，便需要一個(gè)解決方案:樣品—數(shù)據(jù)—產(chǎn)品。逆向工程便由此誕生了，逆向工程也稱為反求工程(Reverse Engineering,簡(jiǎn)稱RE)。逆向工程為制造業(yè)提供了一個(gè)全新、高效的重構(gòu)手段，實(shí)現(xiàn)從實(shí)際物體到幾何模型的直接轉(zhuǎn)換。逆向工程具體流程如圖1所示。

　　實(shí)體逆向工程的需求主要有兩方面:一方面，作為研究對(duì)象，產(chǎn)品實(shí)物是面向消費(fèi)市場(chǎng)最廣、最多的一類設(shè)計(jì)成果.也是最容易獲得的研究對(duì)象;另一方面，在產(chǎn)品開發(fā)和制造過程中，雖已廣泛使用了計(jì)算機(jī)幾何造型技術(shù)，但是仍有許多產(chǎn)品，由于種種原因，最初并不是由計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)模型描述的，設(shè)計(jì)和制造者面對(duì)的是實(shí)物樣件。

　　在逆向工程中，三維CAD模型的重建是指利用產(chǎn)品表面的散亂點(diǎn)數(shù)據(jù)，通過插值或者擬合，構(gòu)建一個(gè)近似模型來逼近產(chǎn)品原型。三維CAD模型的重構(gòu)是整個(gè)逆向工程中最關(guān)鍵、最復(fù)雜的一環(huán)，是后續(xù)產(chǎn)品加工制造、快速成形、工程分析和產(chǎn)品再設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。而伴隨著逆向工程及其CAD重建相關(guān)技術(shù)理論研究的深人進(jìn)行，其成果的商業(yè)應(yīng)用也日益受到重視，涌現(xiàn)出了大量的商業(yè)化逆向工程CAD建模軟件系統(tǒng)。

　　1 CAD建模技術(shù)及軟件系統(tǒng)

　　產(chǎn)品的三維CAD建模是指從一個(gè)已有的物理模型或?qū)嵨锪慵a(chǎn)生出相應(yīng)的CAD模型的過程，包含物體離散測(cè)點(diǎn)的網(wǎng)格化、特征提取、表面分片和曲面生成等，是整個(gè)RE過程中最關(guān)鍵、最復(fù)雜的一環(huán)，也為后續(xù)的工程分析、創(chuàng)新設(shè)計(jì)和加工制造等應(yīng)用提供數(shù)學(xué)模型支持。其內(nèi)容涉及計(jì)算機(jī)、圖像處理、圖形學(xué)、計(jì)算幾何、測(cè)量和數(shù)控加工等眾多交叉學(xué)科和工程領(lǐng)域，是國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界，尤其是CAD/CAM領(lǐng)域廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題。

　　在實(shí)際的產(chǎn)品中，只由一張曲面構(gòu)成的情況不多，產(chǎn)品形面往往由多張曲面混合而成。由于組成曲面類型的不同，因此，CAD模型重建的一般步驟為:先根據(jù)幾何特征對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分割，然后分別對(duì)各個(gè)曲面片進(jìn)行擬合，再通過曲面的過渡、相交、裁剪、倒圓等手段，將多個(gè)曲面“縫合”成一個(gè)整體，即重建的CAD模型。

　　根據(jù)曲面拓?fù)湫问降牟煌杂汕娼Ｊ侄畏譃閮纱箢?第一種是以三角Bezier曲面為基礎(chǔ)的曲面構(gòu)造方法;第二種是以NURBS(非均勻有理B樣條)曲線、曲面為基礎(chǔ)的矩形域參數(shù)曲面擬合方法。這兩種曲面重構(gòu)方案，各有利弊。

　　三角域Bezier曲面擬合具有構(gòu)造靈活、邊界適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)復(fù)雜形狀曲面的擬合具有很大的靈活性，因而在散亂數(shù)據(jù)點(diǎn)的曲面擬合中被廣泛應(yīng)用。這種方法最適合表現(xiàn)無規(guī)則、復(fù)雜型面的物體，特別是人臉這類對(duì)象。但這種方法所構(gòu)造的曲面模型不符合產(chǎn)品描述標(biāo)準(zhǔn)，與通用CAD/CAM系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換困難，因此，利用這種方法生成的曲面必須轉(zhuǎn)換為NURBS曲面。但是，在轉(zhuǎn)換過程中，不可避免地會(huì)丟失一些信息.產(chǎn)生一定的誤差;同時(shí)，這種方法還存在對(duì)曲面修改能力不足、可控性差等缺點(diǎn)，這些都限制了它在實(shí)踐中的應(yīng)用。

　　NURBS方法建立在B樣條方法之上，較好地實(shí)現(xiàn)了解析幾何與自由曲線曲面的統(tǒng)一，成為當(dāng)今CAD/CAM軟件中曲面數(shù)學(xué)表達(dá)的主流。這類曲面可以應(yīng)用四邊參數(shù)曲面片插值、拉伸、旋轉(zhuǎn)、放樣( Lofting )或蒙皮(Skinning )、掃掠( Sweeping )、混合(Blend)和四邊界構(gòu)造，并以此為基礎(chǔ)，形成了一套完整的曲面延(札求交、裁減、變換、拼接及光順等算法。但該方法只有當(dāng)測(cè)量點(diǎn)數(shù)據(jù)滿足以張量積形式分布和數(shù)據(jù)變化不太劇烈的要求時(shí)，才能得到光順的曲面，不適用于大規(guī)模散亂數(shù)據(jù)的曲面重建。

　　伴隨著逆向工程及其CAD重建理論研究的深人進(jìn)行，其成果的商業(yè)應(yīng)用也日益受到重視，涌現(xiàn)出了大量的商業(yè)化逆向工程CAD建模系統(tǒng)。當(dāng)前，市場(chǎng)上提供了逆向建模功能的軟件達(dá)數(shù)十種之多，但大致可以分為兩類:一是專用的逆向軟件，如Imageware ,Geomagic , Polyworks ,CopyCAD, ICEMSurf和RE-Soft等;二是提供逆向處理模塊的正向CAD/CAM軟件，如PTC的Pro/Scan-tools模塊、UG的Point cloudy功能等。

　　逆向工程軟件采用NURBS或者三角域曲面造型.具有較強(qiáng)的點(diǎn)云處理功能，但對(duì)于特征的識(shí)別難度較大，依賴于操作人員的經(jīng)驗(yàn);同時(shí)在進(jìn)行曲面的擬合造型時(shí)，所提供的功能不如先進(jìn)的正向CAD/ CAM軟件。而正向CAD/CAM軟件大多采用B樣條或NURBS方法進(jìn)行曲面造型，具有很強(qiáng)的曲面造型功能。針對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理，雖然提供有專門的模塊，但與逆向軟件相比，處理功能還不夠豐富和強(qiáng)大。

　　目前，逆向工程中的CAD重建技術(shù)的應(yīng)用仍是一項(xiàng)專業(yè)性很強(qiáng)的工作，如何根據(jù)實(shí)際的情況(如模型重構(gòu)人員的水平、企業(yè)產(chǎn)品的特點(diǎn)等〕選擇適合企業(yè)自身需要的逆向建模軟件系統(tǒng)，仍具有比較實(shí)際的意義。文獻(xiàn)對(duì)當(dāng)前市面上商用化的逆向軟件進(jìn)行了比較，但側(cè)重在軟件的基本操作上，文獻(xiàn)從數(shù)據(jù)點(diǎn)處理、曲線和曲面的擬合、編輯及質(zhì)量評(píng)價(jià)、加工及工程分析等方面，比較和評(píng)價(jià)了商品化CAD/CAM軟件的逆向工程功能，文獻(xiàn)基于逆向工程中的曲面建模技術(shù)，對(duì)商用的逆向軟件(模塊)進(jìn)行了分析。比較說來，無論是專用的逆向軟件，還是提供逆向模塊的正向CAD/CAM軟件，在整個(gè)逆向工程的CAD模型建構(gòu)上，都還不具備優(yōu)秀而又理想通用的處理能力，在當(dāng)前的逆向CAD建模中，結(jié)合實(shí)際中不同需求的逆向特點(diǎn)，在正向CAD軟件的基礎(chǔ)上配備專用的逆向造型軟件是業(yè)界流行的處理方法。

　　2.應(yīng)用實(shí)例

　　下面是在Imageware中構(gòu)造汽車表面曲面模型的過程。首先利用I}nagew，的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理功能，構(gòu)造特征線，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分割，如圖2所示。再利用image。的構(gòu)面功能，根據(jù)特征線和分片的點(diǎn)云，構(gòu)建出如圖3所示的最終曲面模型。

　　以下給出的是利用Imageware與Pro/E結(jié)合進(jìn)行逆向建模的例子。圖4是一個(gè)自行車車座的點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖;圖5是在Image二中利用有關(guān)點(diǎn)云處理功能提取出的截面特征曲線示意圖，圖6是以提取出的截面特征曲線作為邊界，并在相鄰曲面片間的公共連接邊處設(shè)置相切約束后，輸人Pro/E中構(gòu)造的曲面模型。

　　利用Imagewsire與Pro/E相結(jié)合進(jìn)行逆向建模，既能充分利用Imageware處理大型點(diǎn)云數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì)，也能充分利用Pro/E的參數(shù)化曲面造型優(yōu)勢(shì)，從而提高了逆向建模的效率。

　　3.結(jié)論

　　逆向工程中的CAD建模涉及到眾多研究領(lǐng)域，其理論和方法無論從加深對(duì)三維物體識(shí)別理解的理論角度還是從工程設(shè)計(jì)的實(shí)踐角度都具有重要的意義。正因?yàn)槿绱耍玫搅藝?guó)內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注和投人。但目前的工作從總體看仍然較多局限于特殊對(duì)象、特殊測(cè)量數(shù)據(jù)和特殊建模方法的研究，不同領(lǐng)域的研究缺乏溝通，對(duì)于復(fù)雜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的對(duì)象和數(shù)據(jù)的研究還存在困難，還沒有理想的通用方法。

　　逆向工程技術(shù)，特別是三維模型重建，仍然是一項(xiàng)專業(yè)性很強(qiáng)的工作，除需了解產(chǎn)品特點(diǎn)、制造方法和熟練使用CAD軟件、逆向造型軟件外，另一方面應(yīng)熟悉上游的測(cè)量設(shè)備及測(cè)量過程，以了解數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以及對(duì)后續(xù)處理對(duì)重建模型的要求。因此，模型重構(gòu)的質(zhì)量仍直接受到操作者經(jīng)驗(yàn)、水平的影響。如何提高軟件的智能化程度，減低對(duì)設(shè)計(jì)人員的依賴，是未來發(fā)展的方向。