衢州职业技术学院
1引言
作为计算机辅助设计的一项具体应用，逆向工程是近些年发展起来的消化、吸收先进技术的一系列分析方法及应用价值的组合。传统的正向设计从实际需求出发得出产品的概念，进一步建立与之相符的CAD模型，通过一系列手段得到产品的实物模型。相对于传统正向设计，逆向工程的过程采用了通过测量实际物体的尺寸并将其制作成CAD模型的方法，真实的对象可以通过如三坐标测量仪(Coordinate Measure Machine，CMM)，激光扫描仪，结构光源转换仪或者x射线断层成像这些3D扫描技术进行尺寸测量，然后通过后续处理进而得到3D模型。概括地说，逆向工程是由产品样件到数字化模型的过程，相比于传统的正向设计，它极大地缩短了产品的开发周期，提高了经济效益。
2逆向工程关键技术研究
2.1数据获取
数据获取是通过特定的测量设备和测量方法获取零件表面离散点的几何坐标数据，开发高精度、快速的数字化测量系统和测量软件，如何根据几何外形选取不同的测量方法一直是数字化技术的主要研究内容。目前的三维数字化方法，根据测量探头或传感器是否和实物接触，可分为接触式和非接触式。三坐标测量机法主要是利用三坐标测量机的接触探头逐点地捕捉样品表面数据。但该方法是接触式测量，易于损伤探头和划伤被测样件表面，不能对软质材料和超薄形物体进行测量，对细微部分测量精度也受到影响。被动式方法中较有前途的方法是立体视觉法，主要可分为双目视觉方法、三目视觉方法和单目视觉方法。双目视觉方法是人类获取距离信息的主要方式，它是根据立体视差，即被测点在左右摄象机CCD像面上成像点位置的差异来进行测距，其中立体匹配问题始终是双目视觉测量的一个主要难点所在，国内外众多学者对此进行深入而持久的研究，提出了大量的匹配算法并进行了实验验证。
2.2数据处理
CAD模型重建之前应进行数据预处理，目前，在数据处理技术方面，国内外学者做了大量的研究。本文根据数据处理过程以及每个过程的主要目的将其分为数据的准确化、数据的精简完整化、数据的有序化三个部分。在进行测量时，不可避免地会引入数据误差、噪波、坏点等。同时由于被测物体造型特殊性和测量手段的制约，会存在测量盲区和缺口。现在的研究方法主要集中在数据降噪和填补空洞两方面。在保证数据的准确性的基础上，要对数据进行进一步简化拼接处理，以便提高后续重建的计算速度，增加模型的完整性。在这个过程中主要包括的技术有数据精简、配准、坐标变换等。扫描后的数据通常是没有任何内在联系的，这就需要我们运用算法对其进行处理。主要包括点云有序化、建立拓扑关系、数据分割、特征提取等。
2.3三维重建
三维重建技术是逆向工程的核心，利用产品表面的离散点数据，依据计算机辅助几何设计理论与方法，构建近似模型来逼近原来的产品原型，用于CAD的产品模型构建，这是逆向工程的主要目的。三维重建的理论基础是计算机图形学(CG)和计算机辅助几何设计(CAGD)，逆向工程的需求也促进了CG和CAGD学科的发展，围绕CG和CAGD的三维重建技术成为逆向工程中最热门的研究方向，也是逆向工程的难点，逆向工程中三维重建时间占了逆向过程的90%-95%。重建模型的品质和精度直接影响最终产品的CAD模型的优劣。按曲面模型的表达形式分类，逆向工程中的曲面重建方法大致分为以三角Bezier曲面为基础的曲面构造方案和以四边域为基础的B样条或NURBS曲面构造方案。
（1）基于三角域的Bezier曲面重建
三角曲面以其构造灵活、边界适应性好及不受拓扑结构的限制的特点在散乱点数据的曲面插值上起着重要的作用。但另一方面它要求数据的预处理工作和后续工作较多，诸如数据压缩、噪声过滤、多视拼合、网格合并及优化等，重构曲面的品质有时还不能令人满意，需要进一步的光顺及其他的相关编辑工作；而且三角曲面模型和通用CAD/CAM系统的曲面模型不兼容，使得它和通用CAD/CAM系统的数据通信和图形交换难以实现，此外，有关三角Bezier曲面的一些计算方法的研究也还不成熟，这些因素限制了它在工业制造领域中的实际应用。
（2）基于拓扑矩形域的NURBS曲面重建
拓扑矩形域曲面造型可以追溯到1963年Ferguson提出的Ferguson双三次曲面片，他所采用的曲线曲面的参数形式己成为曲线曲面设计中进行形状数学描述的标准形式。后来，由于Pigel和Tiller等人的贡献，NURBS成为CAGD中最流行的技术，Bezier、有理Bezier、均匀B样条、非均匀B样条都被统一到NURBS中。NURBS不仅可表示自由曲线曲面，而且还能表示圆锥曲线和规则曲面，为CAGD提供了统一的数学描述方法，已成为产品外形描述的工业标准。
3实验分析
随着计算机辅助设计的迅速发展，在复杂零件设计中越来越多地引入了CAD/CAM的设计手段，改变了传统车身设计方法固有的开发周期长、设计累计误差大等问题。设计师依据产品企划时所定的规划与设计构想，绘制草图及效果图，并且依据效果图构建CAD数字模型，进而制作小比例油泥模型，经过CAD数字模型和小比例油泥模型的反复修改之后，再制作1:1油泥模型，最终确立外观造型方案，逆向建模过程如图1所示。
4结论
然而这种完全正向的计算机辅助车身设计流程对设计人员的计算机应用水平要求较高，要求设计师既要有扎实的美学功底，又要能熟练应用CAD软件，并且需要反复修改，费时费力。在正向设计中导入逆向工程设计流程之后，油泥模型与数字模型的制作顺序发生了颠倒，设计师可以在油泥模型中多次完成修改之后通过三坐标测量仪对其进行扫描，由CAD程序生成数字模型，由此减少数字模型与油泥模型之间因反复修改所消耗的时间。而相对于传统的设计方法，这种方法使得对模型进行进一步的计算机辅助分析等成为可能，数字化的优势不言而喻。
参考文献
[1]张德海. 三维数字化建模与逆向工程[M]. 北京大学出版社, 2016.
[2]成思源, 杨雪荣. Geomagic Studio 逆向建模技术及应用[M]. 清华大学出版社, 2016.
论文作者:周建峰,刘文军,毛建辉
论文发表刊物:《中国电气工程学报》2019年第1期
论文发表时间:2019/4/24
标签：曲面论文; 模型论文; 数据论文; 方法论文; 测量论文; 油泥论文; 工程论文; 《中国电气工程学报》2019年第1期论文;