文献综述
1. 课题背景
逆向工程也称为反求工程或反向工程，是指根据实物模型通过激光扫描和点采集等手段，获取产品的三维数据和空间几何形状以构造出CAD模型，继而将这些模型和设计表征用于产品的分析和制造，并且可以通过对模型特征参数的调整和修改来达到对实物模型的优化[1,2]。它与计算机辅助设计、优化设计、有限元分析、设计方法学等有机结合，构成了现代设计理论和方法的整体。广义的逆向工程包括形状反求、工艺反求和材料反求等方面。目前，国内外有关逆向工程的研究中主要集中在几何形状的逆向[3，4]。逆向工程的关键步骤主要涉及三个方面：数据采集、数据处理、曲面重构。首先，数据采集是指从已有的原型获取表面点的三维坐标信息，这是实现逆向工程的基础。目前，实现该步骤的方法有多种，其原理也互不相同。按照与被测实体对象是否接触可以分为两大类：接触式测量和非接触式测量。基于力-变形原理，接触式测量可分为触发式和连续式，接触式测量的设备主要包括三坐标测量机和关节臂测量机；而非接触式测量主要是某种与物体表面发生相互作用的物理现象来获取实体的三维信息。利用光学原理发展起来的现代三维形状测量方法应用最为广泛。其方法主要有基于光学的激光三角法、激光测距法、结构光法、图像分析法以及基于声波和磁学的方法等。如加拿大Creaform公司的HandyScan 3D；德国Gom公司的ATOS。其次，数据处理是将测得数据进行优化处理并还原成曲面，其中包括数据平滑、数据插补、数据分割、数据精简、多方位数据对齐等步骤。数据平滑和数据精简是数据处理的准备工作，而数据分割是数据处理中的一个重要环节。数据分割会依据组成实物曲面的不同特点，将全部数据划分为不同曲面类型的数据域，为后续的处理工作提供了简便。最后，曲面重构是整个逆向工程中最复杂、最关键的一步，它是后续产品结构和性能分析的基础。在该步骤中常采用曲面拟合算法来建模可以将离散的测量数据重构出连续变化的曲面。作为一新产品开发的重要阶段，逆向工程的研究正在受到广泛的重视[5-7]。
2.课题研究的现状和趋势
逆向工程的研究已经有几十年的历史了，一些重要的国际和国内的学术会议都将逆向工程及相关技术讨论作为一个重要的会议专题。在国外，软件逆向工程是作为对软件维护的一部分出现的，主要是通过逆向工程理解程序，对系统进行维护、迁移和进化遗产系统。卡内基梅隆大学软件工程研究所成立了专门的再工程中心，致力于逆向工程的研究。IBM研究中心设立了软件工程中关注点的多维分解研究项目，研究工作已经进行了多年[8，9]。逆向工程技术发展至今，国外已经开发成功和正在开发的逆向工程工具有很多,如RationalRose/Rose RealTime/Rose/ Architec，Snif ，hnagix 4D等[10]。而在国内，逆向工程的研究虽起步较晚，但却引起了高度重视。国内较早从事逆向工程研究的单位多为高等院校，具有代表性的有西安交通大学CIMS中心的面向面向三坐标测量机（CMM）的逆向工程测量方法和基于线结构光视觉传感器的光学测量机的研究，上海交通大学国家工程模具中心的集成系统和自动建模技术等[11,12]。
目前针对逆向工程的研究和应用可以分为以下几类：
(1)针对具体应用开发的系统开发了一种针对机械零件识别的逆向工程系统，此系统只能识别由平面组成的零件。开发了基于微机的逆向工程系统主要用于仿制空军部门淘汰的零件[13]。
(2)专用曲面拟合软件系统曲面拟合是逆向工程的关键过程，开发了拟合3D激光扫描数据的软件包，数据点被交互的划分区域，拟合曲面输入通用CAD系统进行相交、延伸、过渡、建立完整的CAD模型。此系统只处理标准的二次曲面[14，15]。
(3)与商用CAD系统的结合有些系统直接把数字化系统与商用CAD系统结合，Kwok开发的系统将CMM与AutoCAD结合起来，每测一个点的坐标，自动转化为IGES格式，系统具有实时可视化功能。
(4)应用于测量与拟合的集成系统，系统中数字化与曲面拟合是两个分离的过程，为了提高测量精度，用拟合结果指导测量，减少测量数据[16，17]。
