试析逆向工程测量技术的应用

试析逆向工程测量技术的应用

李亚平

李亚平

河北省地球物理勘查院河北廊坊065000

摘要：数据的获取、测量是逆向工程中的第一个步骤，也是逆向工程测量最关键的技术之一。本文介绍了逆向工程技术及其应用范围；对涉及到的关键技术：数据获取、数据处理与曲面重构等研究现状进行了系统地阐述。

关键词：逆向工程；数据获取；测量技术；非接触式；接触式

随着现代工业的迅速发展，逆向工程开始发挥着越来越大的作用，测量作为逆向工程的第一步，对下游的步骤起着决定性的作用。综合接触式工程测量技术和非接触式工程测量技术的实物数据获取方法，是目前众多逆向工程测量技术中针对大型的、结构复杂的测量对象最具有高效性的一种工程测量方式。研究逆向工程测量技术，对现代工程测量技术的发展有着重要的现实意义。

1研究逆向工程测量技术的意义

1.1逆向工程技术历经几十年的研究与发展，是一项开拓性、实用性和综合性很强的技术，已经成为新产品快速开发过程中的核心技术，它与计算机辅助设计、优化设计、有限元分析、设计方法学等有机组合构成了现代设计理论和方法的整体。

1.2现代逆向工程测量技术是将接触式测量技术和非接触式测量技术相融合，是实现被测工程整体测量和数据拼接的有效方法，其使用越来越广泛。虽然关于摄影测量技术的研究几乎是自照相机发明以来就开始了，但是用于逆向测量工程的数字近景摄影测量技术仍然是一门“年轻”的技术，它继承了“摄影测量与遥感”领域的许多知识和技术，同时又发展出许多自身特有的技术和方法。

1.3随着计算机技术在各个领域的广泛应用，特别是软件开发技术的迅猛发展，基于某个软件，以反汇编阅读源码的方式去推断其数据结构、体系结构和程序设计信息成为软件逆向工程技术关注的主要对象。软件逆向技术的目的是用来研究和学习先进的技术，特别是当手里没有合适的文档资料，而你又很需要实现某个软件的功能的时候。也正因为这样，很多软件为了垄断技术，在软件安装之前，要求用户同意不去逆向研究。

1.4逆向工程通过各种测量手段和三维建模方法，将已有实物原型转化为计算机上的三维数字模型，工程设计模型和概念模型，并在此基础上对现有的产品进行解剖、分析、深化、重新创造的过程。因此逆向工程是设计下游向设计上游反馈信息的渠道，是工程测量技术计算机软硬件技术的综合。

2逆向工程测量技术获取数据需要注意的环节

2.1数据处理。数据处理步骤主要有：多视点云的拼合、数据分块、曲面光顺、点云过滤和数据精简等。不同的测量系统所得到的测量数据格式是不一致的，而且几乎所有的测量方式和测量系统都不可避免地存在误差。因此，在利用测量数据进行CAD重构之前必须对测量数据进行处理。

2.2数据分块。对测量数据进行分块，可将复杂的数据处理问题简化，使后期的曲面局部修正变得方便灵活，有利于提高精度。分块数据曲面重构的选择性较好，很多参数曲面在曲率大范围扰动时的拟合状况并不理想。

2.3数据点压缩。扫描法采集的数据往往十分密集，数据量一般都在数兆字节，甚至高达数十兆字节，即使处理了噪声点，数据量仍然很大，一般不会直接使用这些数据进行曲线或曲面的重构，因为那样做，会使计算效率大大降低，消耗更多内存，而且重构出的曲线、曲面的精度并不一定高，甚至误差会很大。因此，有必要对点云数据进行压缩处理。

2.4曲面光顺方法。这种方法有最小二乘法、标准高斯、平均或中值滤波、能量法、回弹法、基样条法、圆率法、磨光法等多种方法。最小二乘法要求曲线对型值点的偏离足够小的同时，样条中的弯曲足够小。高斯滤波器在制定域内的权重为高斯分布，其平均效果较小，故在滤波的同时能较好地保持原数据的形貌。平均滤波器采样点的值取滤波窗口内各数据点的统计值，这种滤波器的消除数据毛刺的效果很好。

2.5计算机断层扫描。这种基于X射线的CT扫描机，是以测量物体对X射线的衰减系数为基础，用数学方法经过计算机处理而重建断层图像，即称为工程CT对中空物体的无损三维测量，这种方法是目前较先进的非接触式检测方法，它可对被测工程的内部形状，壁厚，材料，尤其是内部构造进行测量，该方法同样能够获得被测工程内表面数据，且不破坏工程结构，但它存在价高，空间分辨率低，获取数据时间长，设备体积大等缺点。

3强化逆向工程测量技术基本措施

3.1在只测量尺寸、位置要素的情况下尽量采用接触式测量；考虑测量成本且能满足要求的情况下，尽量采用接触式测量；对产品的轮廓及尺寸精度要求较高的情况下采用非接触式扫描测量；对离散点的测量采用扫描式；对易变性、精度要求不高、要求获得大量测量数据的零件进行测量时采用非接触式测量方法。

3.2数据获取是逆向工程的关键技术，数据的获取通常是利用测量设备对所测工程进行数据采样，得到的是采样数据点的坐标。目前常用的接触式测量系统是三坐标测量机（CMM）。CMM的优点是精度高，对被测工程无特殊要求，对不具有复杂内部型腔，特征几何尺寸繁多，只有少量特征曲面的被测工程，CMM是一种非常有效可靠的三维数字化手段。

3.3随着三维数据采集技术的长足进步和图形工业对任意拓扑结构光滑曲面造型的迫切需求，适用于任意拓扑网格的细分曲面（SubpisionSurface）已成为计算机辅助几何设计和计算机图形学领域内的一个研究热点。离散细分曲面的研究主要分布在三个方向：各种细分规则的构造；基于细分的实用有效的算法研究和细分曲面连续性的数学分析。这种曲面造型方法在生动逼真的特征动画和雕塑曲面的设计加工中如鱼得水，得到了高度的运用。

3.4综合接触式工程测量技术和非接触式工程测量技术的实物数据获取方法，是目前众多逆向工程测量技术中针对大型的、结构复杂的测量对象最具有高效性的一种工程测量方式。这种方法由接触式工程测量技术获取散布在被测物体上或周围的人工标记点群的三维坐标，再以这些坐标数据作为非接触式工程测量数据拼接的依据，从而获取得到整体测量数据。这种综合方法既具有以往工程测量技术的高效性，又消除了数据拼接时的累积误差。

4结束语

近几十年来，随着传感技术、控制技术、图像处理和计算机视觉等相关技术的发展，出现了种类繁多的样件表面数据获取方法，但同时逆向工程设计过程中系统集成化程度比较低，人工干预的比重大，将来有望形成集成化逆向工程系统，以软件的智能化来代替人工干预的不足。

参考文献：

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[2]张剑清；逆向工程测量技术在数字摄影测量的应用分析[M]；武汉；武汉测绘科技大学出版社；2011：34-35.

[3]沈学标；工程测量中逆向工程测量技术的发展[J]；地矿测绘；2012.23－56