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逆向工程技术概述
逆向工程是数字化与快速响应制造大趋势下的一项重要技术，是CAD领域中一个相对独立的范畴。美国的R. Martin和J. Cox致力于逆向工程技术的研究，他们将逆向工程简单地定义为“理解原始的设计意图和机制”，包括形状、材料、工艺等诸多方面。目前有关逆向工程的研究和应用大多数针对实物模型的几何形状的反求，在这个意义下，逆向工程是根据已有实物模型的坐标测量数据，重新建立实物的数字化模型，而后进行分析、加工等处理。这里的实物模型可以是机械产品、人体、动植物、艺术品、地形地貌等等。通过实物模型产生其数字化模型，可以充分利用数字化的优势，提高设计、制造、分析的质量和效率，并适应智能化、集成化、并行化、网络化的产品设计制造过程中的信息存储与交换。逆向工程将现代坐标测量设备作为产品设计的前置输入装置和原型或产品制造后的检测手段，与RPM（快速原型制造）、CAD/CAM（计算机辅助设计与制造）、先进计算机硬件技术相结合并形成产品设计制造的闭环系统，能有效提高产品的快速响应能力，丰富几何造型方法和产品设计手段，其关键技术可用于其他许多领域，从而拓宽计算机辅助建模的应用。
逆向工程并不限于样件复制，其目标是实现一种智能化的三维扫描识别重建系统。相比二维信息的扫描，基于三维重构的逆向工程需要处理的数据信息更为丰富，数据量呈几何级数增长，而且扫描精度越高，数量量越大。因此，除了需要正确选择足够精度要求的扫描设备，还要具备能灵活采集、编辑点云、最终形成曲面乃至实体的逆向软件，同时要有性能足够的计算机硬件设备，以便顺利完成模型的构建。
早期的逆向工程技术由于缺乏足够精度的扫描设备、功能丰富的软件和性能强大的计算机，而受到了限制。本文将结合逆向工程技术发展和应用，帮助用户选择上述三种平台。航空航天、汽车、模具、电子电器等广泛的行业用户将能利用逆向工程技术，提高设计效率，加速产品设计的创新。
正确选择测量系统
数据采集是逆向工程中的第一个环节，是数据处理、模型重建的基础。如何高效率、高精度地采集样件的外形数据是逆向工程的一个重要研究内容。
随着科学技术的不断发展，测量技术也随着新的物理原理、新的技术成就的不断引入而获得长足发展，光波干涉技术特别是激光技术的实用化使得测量精度提高了1-2个数量级；数字显示技术在测量上得到了充分的应用，提高了读数精度和可靠性；光电摄像技术与计算技术的结合，使得对复杂零件的测量无论是精度还是效率都得到了极大的提高。目前，主要的坐标测量方法分类如图1所示。 （图片） 坐标测量可分为接触式测量和非接触式测量两大类。接触式测量方法通过传感测量头与样件的接触而记录样件表面的坐标位置，可以细分为点触发式和连续式数据采集方法。对于航空航天、汽车等行业，大型样件的测量一般可以选用接触式测量，以满足精度要求。因为，接触式测量中的点触发式测量可以通过人为规划，使得在大曲率或曲率变化剧烈的区域获得较多的测量点，而在相对平坦的区域则可以测量较少的点。结合造型方法，人工对被测物体进行区域规划，测量对物体形状起关键作用的特征线和曲线网格，数据点可以根据需要组织成模型重建软件所需要的形式，然后根据特征线及曲线网格重建物体的CAD模型，减少了数据处理的难度和工作量。其唯一的缺点是测量效率较低。
非接触式测量方法主要是基于光学、声学、磁学等领域中的基本原理，将一定的物理模拟量通过适当的算法转化为样件表面的坐标点。例如：声纳测量仪利用声音遇到被测物体产生回声的时间计算点与声源间的距离；激光测距法是将激光束的飞行时间转化为被测点与参考平面间的距离。非接触式测量使测量效率得到了极大提高，某些光学测量机可以在数秒钟内得到几十万个数据点，因而在测量过程中可以大大减少人工测量规划，在整个样件表面快速采集大量的密集点集。由于操作简便，以激光测距法为代表的非接触式测量技术近两年来，发展迅速，应用普及面越来越广。不过，非接触测量获得的海量数据的数据量非常庞大，常有几十万、上百万，甚至更多。必须配合较强功能的逆向软件和高性能的计算机设备，才能顺利使用。不过，将五年来，按照摩尔定律，计算机硬件的性能迅速提高，软件技术也今非昔比，基于光学的非接触式测量方法和坐标测量设备在逆向工程中得到了更为广泛的应用。
笔者建议有条件的用户选用易于使用的光学非接触式坐标测量设备。
市场上常见的坐标测量设备有Faro的便携3-D数字化设备FaroArm，它属于接触式便携臂式测量设备，能够克服机械测量仪器的缺陷，它能够捕捉其球测头范围内的任何一点，精确程度达0.0005英寸。这款设备在航空航天、汽车制造以及OEMs制造领域属于常见测量工具。赛克数码的SK4004A大范围数字化影像测量仪，其可测范围达320x200mm,工作平台612x413mm，其3um测量精度下速度可达500mm/min。位移驱动0.1um，位移解析度0.4um，重合精度达3um，线性精度(3 L/150) um。其它类似的设备非常多，国外的光学坐标测量设备主要在精度、测量速度、数据分析等方面领先，国内设备也比较实用。
选择功能强大的逆向软件
模型重建是逆向工程中最关键的部分之一，这里离不开功能强大的逆向软件。
迄今为止，在国际市场上，出现了多个与逆向工程相关的软件系统，主要有：美国UGS公司的Imageware Surfacer7.1、英国DelCAM公司的 CopyCAD、英国MDTV公司的STRIM and Surface Reconstruction，在一些流行的CAD/CAM集成系统中也开始集成了类似模块，如Unigrahics 中的PointCloud功能、Pro/Engineering中的Pro/SCAN功能、Cimatron中的Reverse Engineering功能模块等。在我国，有关逆向工程的研究与开发工作也在不少单位内展开，如浙江大学、华中理工大学、西安交通大学、西北工业大学等，并取得一定的成果，如浙江大学推出了Re-Soft软件系统。 现介绍几种常用的逆向工具。
Imageware Software——自由曲面的最佳软件
Imageware Surfacer主要有四个方面的功能：
(1)扫描点的分析及处理——可接收来自不同来源的数据，如CMM、Laser sensors、 Moire sensors、Ultrasound等。
(2)曲面模型构造——、把扫描点变换成NURBS曲面模型。
(3)曲面模型精度、品质分析。
(4)曲面修改――曲线和曲面可实时交互形状修改。
该软件广泛应用于汽车工业、航空工业、制鞋工业和电子产品等领域。
DelCAM CopyCAD
(1)数字化点的输入与处理，包括数据输入与数字化点数据的变换与处理。
(2)三角形划分，可以根据用户定义的允差三角化数字化模型。
(3)特征曲线的生成，以交互手动或自动的方式从三角形模型中提取特征线，或直接从外部输入特征线。
(4)利用特征线构成的网格构造曲面片，然后通过指定曲面片之间的连续性要求，来实现曲面片之间的光滑拼接。
(5)曲面模型精度、品质分析。
PTC Pro/Engineering Pro/SCAN和Unigraphics PointCloud
PTC公司的Pro/Engineering中的Pro/SCAN只能处理扫描数据输入，通过点过滤和线过滤技术将模型的数据量减少，最终通过线来建立曲面。而Unigraphics中的PointCloud模块则对具有单值特征的曲面直接拟合成曲面。
对于逆向工程的专业用户，推荐使用Imageware或CopyCAD系统。
选择性能强劲的工作站
上文提到，非接触测量获得的海量数据的数据量非常庞大，常有几十万、上百万，这些数据点组成的点云需要经过数据接收、降噪过滤、曲面拟和、曲面修正、形成三维模型等若干个处理步骤，才能得到符合要求的模型数据。这一过程对计算机性能的要求是非常全面的，一方面，上百万的三维空间测点数据需要处理运算，对系统的计算能力和内存带宽是严峻的考验，一方面，三维曲面的编辑和三维模型的形成对图形系统提出了较高的要求。同时，逆向过程，特别是数据采集过程是个连续的工作过程，不允许中断，因此对计算机系统在高负荷工作状况下的稳定性也提出了要求。高运算性能、高图形处理能力和高稳定性，正好是图形工作站的特点，无怪乎测量设备和软件商均推荐用户使用工作站作为数据采集和处理的核心硬件平台。
以美国HYTEC公司的FlashCT三维快速工业CT系统为例，作为全球最早采用数字面板探测器开发工业CT的制造商，为了满足海量数据的采集、处理和可视化、分析功能，HYTEC在其处理系统中推荐用户采用多CPU工作站，在其可视化模块推荐用户采用符合工业标准的OpenGL专业图卡。
笔者在实际工作中也使用图形工作站，以保证工作能一次顺利完成。在处理海量数据时，我推荐用户采用IBM公司的IntelliStation M Pro系列工作站，一方面，笔者比较信任IBM公司计算机设备的品质，一方面，IntelliStation M Pro系列工作站的口碑和实际性能也非常好。
最近，笔者在完成某摩托车改型逆向数据采集工作时，使用了一台IBM公司的IntelliStation M Pro 6218工作站，其处理器采用高主频的Intel Pentium 4 670（3.8GHz），内存配置到1GB，显卡采用了ATI FIREGL V3100，硬盘适用SATA 160GB。笔者采用德国GOM公司的ATOS光学扫描仪（Atos I）进行数据采集，在测量精度0.1mm/m下，获得781万个测点数据。如此数量的数据在IntelliStation M Pro 6218上实现了同步成形，虽然稍有停顿，但能保证一边扫描，一边点云成形。扫描完毕后，进行点过滤和网格化的过程非常顺利，较大的内存和高主频的处理器显示了威力。在形成网格曲面的过程中，面对高精度的线框三维模型，ATI FIREGL V3100稍显吃力，幸好IntelliStation M Pro 6218的显卡可以升级到性能更强的V7100。使用V7100后，线框模型的显示和操作顺利多了，后期相对简单的实体模型则更不在话下。（图片） 在1个多小时的运行过程中，平均系统资源占用率都在85%以上，在点云采集和处理过程中，CPU占用率长时间在90%—100%之间摆动，峰值状态物理内存耗尽，暂存盘空间使用了720Mb。即使如此，系统仍然稳定如初。笔者使用的另一台配置较高的DIY工作站（3.2GHz处理器，1GB内存，NV Quadro 500显卡）从未经受过如此考验，但根据以往经验，测点数量超过450万后，系统就容易宕机。虽然配置相近，但是稳定性还是与IntelliStation M Pro 6218有较大差距。（图片） 在IBM工作站的官方网站上，笔者发现，IntelliStation M Pro全系列工作站已经得到了Imageware和DELCAM CopyCAD等大多数逆向工程软件厂商的认证，可以稳定运行这些逆向软件。
由此可见，在逆向过程中，用户应该尽量选择品牌知名度高、性能强大、品质稳定、经过认证的工作站产品，IntelliStation M Pro系列是不错的选择。但是，用户也需要根据系统需求，灵活搭配，以够用、好用为依据，不必一味追求计算机系统的高性能。
10/11/2006
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