反求工程及其关键技术概述
逆向工程(Reverse Engineering)，又称反求工程或反求设计，是将已有产品模型或实物模型转化为工程设计模型和概念模型，在此基础上对已有产品进行解剖、深化和再创造，是对已有设计的设计。其目的是为了改善技术水平，缩短产品生产周期，提高生产率，增强经济竞争力。
在科学技术高速发展的今天，世界范围内新的科技成果层出不穷，它们为发展生产力、推动社会进步做出了杰出的贡献。中国在机械工程领域起步较晚，基础较为薄弱，因此充分地、合理地利用这些科技成果，更快的获得世界上较为先进的技术成果。反求工程的应用对于我国科技进步，推动经济建设和发展有着重要的现实意义。
在我国最早提出“反求工程”概念并倡导推广的学者是著名的科学学专家夏禹龙、刘吉、冯之浚、张念椿等。早在1983 年第三次全国科学学和科技政策学术讨论会上他们就提出了“反求工程”的概念。近20 多年来，随着数字技术的快速发展和应用，给反求工程提供了前所未有的技术手段，直接导致反求工程的实践水平越来越高，反求工程的研究成果也越来越多，与之相配套的各种技术手段也趋于成熟。
反求工程的关键技术包括数据采集、数据处理，模型重建、模型精度分析等。为了更加全面的了解当今我国学者在各个领域所取得的进展，我选读了2010年至2011年所发表的部分论文，并将读后收获记录如下。
一、数据采集方面
数据采集即获取实体模型的几何参数，是反求工程CAD建模的首要环节。对自由曲面零件的测量是实现数据采集的有效手段。根据被测物的CAD模型是否已知，可将自由曲面的测量分为CAD模型已知的测量和CAD模型未知的测量。这两种测量的目的不同，测量的策略也有所不同：前者主要是为了检验和保证产品的精度要求；而后者主要是根据测量所获得的零件表面的测点数据实现曲面重建，以便利用CAD/CAM技术进行模型修改、零件设计、数控加工指令的生成及误差分析等处理。
对于CAD模型已知的自由曲面的测量，其关键问题是如何高效、可靠、安全地获取待测曲面的几何形状信息。对自由曲面进行测量时，采用等间距测量是最简单易行的测量方法，但为了保证测量准确度就必须缩小测量间距，这使得测量效率显著降低，并增加了后续的误差评定等工作的难度。一种理想的方法就是使测点分布的疏密随曲面曲率变化而变化，曲率越大，测点应越密；反之则越疏，从而较好地反映待测曲面的几何形状信息，实现测点的自适应分布。而对于CAD 模型未知的自由曲面零件的测量，应主要考虑如何根据已测点的信息来对自由曲
面的测量作出预测和规划，解决测头对被测曲面的运动跟随问题，使测头运动能够密切跟随曲面形状的变化，使得测量实现起来可行、安全、高效，同时也要尽量使测点分布的疏密与曲面的弯曲程度保持一致，并使测点数据便于后续的曲面重构或其它处理。
根据测量方式的不同，数据采集方法可分为接触式测量和非接触式测量两大类。最早出现的是接触式探针测量方法。其典型代表是三坐标测量仪，它主要应用于由基本几何形体(如平面、圆柱面、圆锥面、球面等)构成的实体的数字化过程，适用于测量实体外部的几何形状。
在张文建等的《三坐标测量机在反求工程中的研究》一文中，作者以汽轮机叶片为基础，介绍了利用接触式三坐标测量机获取零件三维数据的步骤和方法。即通过装夹零件、标定测头、建立工件坐标系、测量打点、数据输出等步骤得到叶片的点云数据。该实验表明通过确定合理的测量路径、建立合适的零件坐标系、确定合适的测点个数、均匀的测力，可以提高所取得数据点的精度。但是，因测量机所在环境的影响以及测量机不可避免的存在测头的补偿误差，所以要得到精确的点云数据还应该充分的分析打点过程中产生测量误差的原因及其改善措施。
接触式探针测量方法有较高的精度，但易于损伤测头、划伤被测零件，测量过程需要人工干预，且成本高、测量速度慢，对使用环境也有一定要求。随着反求工程在各个领域的广泛应用，此种方法的局限性很快便暴露出来。
20世纪80年代以后出现了应用光栅、全息、二维图像等手段的光学非接触测量三维实体的方法。其中，投影光栅法适用于测量实体外部的几何形状，它的测量范围大，测量精度较低，测量速度快，成本低，但不能测量表面变化过陡的物体。激光三角形法测量速度快，精度较高，但被测物体的表面不能过于光滑，且成本较高。二维图像法的精度不高。测量数据处理的算法非常复杂。
虽然测量方法种类繁多，但是以上方法均存在一个共同的缺陷：即无法测量物体的内部轮廓，存在光学测量的盲点。目前，国际上有核磁共振成像和CT扫描方法能够测量物体的内部轮廓，但这两种方法的测量精度低，成本高，对可测零件的尺寸也有限制，特别是对被测实体的材料有限制，不能测量工程领域中常用的金属材料。另一种能对物体内部轮廓进行测量的方法是美国的一项专有技术——自动断层扫描。该方法虽然测量精度高，但它的测量速度慢、成本高、测量时间长，且测量时要破坏被测零件，使该方法的应用受到了很大的限制。
在这个研究方向上，同济大学的甘勇与桂林电子科技大学的孙宁、孔庆华在《面向均质实体的产品轮廓反求工程》一文中提出了一个新型的产品无损测量轮廓反求逆向工程系统。该系统以液体作为测量介质，应用轮廓数字化单元体素分层测量方法，运用阿基米德定律、杠杆原理和重力矩理论，并利用光学系统采集图像，通过计算机图像处理技术获取边缘轮廓，结合重力矩方程、重心方程进行
推算，求出空间各单元体素体的空间坐标，利用相应的CAD软件处理系统进行三维模型的重建。
该测量方法假设被测实体均质且由一个个很小的正方体单元实体(定义为单元体素体)组成。利用连通器原理，初始状态被测物完全浸入密度已知的液体中，连通器小管道在精密运动平台驱动下向下运动，液面逐层等距下降，被测实体逐层等距露出液面。在此情况下，每层排出的液体体积应与被测物本层的体积相等。此外通过精密测量系统测量并计算得到相应薄片层的浮力变化值。通过对X、Y、Z三个方向的测量，结合液体密度、力臂等参数，便可逐层计算出其质量、重心等信息，再经过数据处理，建立基于二进制图像原理的数据矩阵。同时，通过对被测物每层进行摄像，利用相应的图像处理软件进行二值化并计算出每层的大概轮廓，转化为空间单元体素体坐标信息。结合该方案重构算法推算出各层面上微小实体单元在三维坐标系中的位置，获取被测实体的三维信息，利用相应的CAD 三维图形处理软件重构出被测实体的轮廓，通过计算机逆向处理软件就可以获得产品的几何模型。该方法不仅可应用于一般的均质实体，而且对于含有一定内部轮廓的均质实体也能进行无损测量和重构。
数据采集工作可以说是反求工程的基础，其后所述的数据处理，模型重建、模型精度分析等都是建立在合理的数据采集基础上的。因此该方面的研究十分有必要，相信在未来几年随着科学技术手段和有关学者对该方面的研究更加深入，必将会有更加先进的测量技术问世。
二、数据处理方面
测量数据处理是反求工程CAD建模的关键环节，它的结果将直接影响后期重建模型的质量。此过程通常包括多视拼合、噪声处理与数据精简等多方面的工作。
在数据获取阶段，为获得完整的实体几何参数往往需要对被测工件进行多次装卡。例如汽车发动机进排气管道的反求等。多视拼合即多视点云数据的对齐的任务就是将多次装夹获得的测量数据融合到统一坐标系中，亦可称为坐标归一或坐标统一。早在1986年Faugeras和Hebert就曾提出利用四元组算法来求解，以处理物体移动后的对齐问题；K.S.Arun等人在1988年通过SVD分解来求两个对应点集的交换问题；Besl和Mckay在1992年提出了著名的ICP算法对齐方法，即首先从一个点集、一条曲线或一个曲面找到与一点对应的最近点，再用这个结果去找两个对应的点集，最后采用单位四元素法来找出两个点集的变换矩阵。在目前，多视拼合主要有点位法、固定球法以及平面法。
此外由于实际测量过程中受到各种人为和随机因素的影响，使得测量得到的点云中包含有一定量的噪声点，为了降低或消除噪声对后续建模质量的影响常要对所得数据进行去噪处理。目前常用的去噪方法是将点云显示在图形终端上，或
者生成曲线采用半交互半自动的方法对电云数据进行调整。
在一某些场合下还有必要对测量点云进行平滑处理。数据平滑通常采用高斯、平均或中值滤波算法。以高斯滤波器为例：该滤波器在指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的保持原数据形貌特征。的对于高密度“点云”，由于存在大量的冗余数据，有时需要按一定要求减少测量点的数量。不同类型的点云可采用不同的精简方式：对于散乱点云可采用随机采样的方法来精简；对于扫描线“点云”和多边形点云可采用等间距缩减、倍率缩减、等量缩减、弦偏差等方法；对于网格化“点云”可采用等分布密度和最小包围区域法进行数据缩减。
在数据处理方面除上述提到的多种处理手段外，今年来很多学者都着眼于对于复杂曲面点云数据的区域分割技术。Arady.T在Reverse engineering of geometric modelsan introduction中将反求工程分为如下几个步骤：数据获取、数据预处理、区域分割、曲面拟合、cad模型重建。其中，区域分割既是是指将点云数据划分为特征单一、互不重叠的区域，是反求工程CAD建模的关键。本文将其一并纳入数据处理方面。点云数据的区域分割技术可以分为基于区域和基于边界两大类。而自动提取方法主要有基于三角网格的边界特征提取和基于点云的边界特征提取。
西南交通大学的雷华堂、熊鹰等在《反求工程中ICT 图像对称轮廓自动识别》一文中针对机械产品中轮廓存在很多对称约束特征的特点提出了以ICT( Industrial Computed Tomography)成像与图像处理和CAD等综合技术为基础的二维图像对称轮廓自动识别方法。该方法基于轮廓点云数据分割和型值点方法提取特征点，研究轴对称和旋转对称图像特征点的不同分布规律，判别对称类型；采用转动惯量法和周期法求取对称轮廓特征描述参数作为轮廓整体约束优化求解参数。从而实现了系统对于机械产品中对称约束的自动识别。在文中作者比较详细的论述了对称轮廓分类、轮廓主轴及基准元素选取、对称轮廓特性、特征匹配判定以及特征参数确定等相关问题。并用实例论证了该理论方法能够准确地识别对称轮廓并判断对称类型，确定对称轮廓特征参数，使轮廓的整体约束优化重构待求解的参数数目大大减少，不仅提高了求解的效率，而且同时能够保证重构的几何模型严格的对称。但是由于匹配误差没有一个具体的标准，实际应用中靠手工操作获取主轴方法能够获得比较高的精度，因此本方法还有进一步优化的空间。
此外，兰州理工大学于今年提出了螺旋扫面件点云数据边界提取方法的理论。该理论是一种基于层析数据的螺旋扫描件边界特征线提取方法，分两步进行：首先将点云切片，对切片后的每一层数据点进行边界特征点提取和轮廓线拟合；第二步是将相邻层边界点拟合得到边界线。在文中作者通过该方法对螺旋喷头进行
了实际测量并成功拟合出CAD模型。证明了该方法可以方便快捷的进行螺旋扫描件的边界特征提取和模型重构。
本人认为此方法原理较为直观，方法也较为简单，是一种较为理想的边界特征提取方法。但是具体过程仍需手动完成，这不利于其在生产厂商中的应用，如果能够将该技术与现有的CADCAM软件进行整合则能大大提高其实际效益。三、模型重建方面
模型的重建在一定程度上既是所得点云数据所组成的曲面的重构过程，是利用产品表面的散乱点数据，通过插值或者拟合构建一个近似模型来逼近产品原型。根据拓扑形式的不同，目前逆向工程研究中，自由曲面建模手段分为以三角Bezier曲面为基础的曲面构建方法和以NURBS(非均匀有理B样条)曲面为基础的矩形域参数曲面拟合方法。
三角域Bezier曲面拟合具有构造灵活、边界适应性好等优点，对复杂形状曲面的拟合具有很大的灵活性，因而在散乱数据点的曲面拟合中被广泛应用。这种方法最适合表现无规则、复杂型面的物体，特别是人脸这类对象。但这种方法所构造的曲面模型不符合产品描述标准，与通用CAD/CAM系统数据交换困难，因此，利用这种方法生成的曲面必须转换为NURBS曲面。但是，在转换过程中，不可避免地会丢失一些信息，产生一定的误差；同时，这种方法还存在对曲面修改能力不足、可控性差等缺点，这些都限制了它在实践中的应用。
NURBS方法建立在B样条方法之上，较好地实现了解析几何与自由曲线曲面的统一，成为当今CAD/CAM软件中曲面数学表达的主流。这类曲面可以应用四边参数曲面片插值、拉伸、旋转、放样( Lofting )或蒙皮(Skinning )、扫掠( Sweeping )、混合(Blend)和四边界构造，并以此为基础，形成了一套完整的曲面延(求交、裁减、变换、拼接及光顺等算法。但该方法只有当测量点数据满足以张量积形式分布和数据变化不太剧烈的要求时，才能得到光顺的曲面，不适用于大规模散乱数据的曲面重建。在数据分割的基础上，首先辨明不同的点云数据类型，然后根据不同类型的点云模型，选择不同的曲面构建方法。
上述介绍的两种曲面重建方法都将模型重建分割为孤立的曲面片造型，忽略了产品模型的整体属性，因而无法清晰的表述零件的几何特征及特征之间的约束关系。然而基于产品几何特征及约束的模型重建的技术则很好地解决了这一问题，可通过如下方法实现：
1、基于截面形状特征的蒙皮截面重构：首先基于测量数据获取截面数据，并按照原始的截面曲线组成对截面数据进行分割，然后将截面曲线表达为特征曲线元和特征点的组合，并基于特征点的微分特性利用动态规划法建立不同截面曲线之间的初始对应关系，最后基于对应特征间连续性逼近蒙皮生成曲面模型。
2、基于截面形状特征的拉伸面、旋转面、扫成面特征重构：首先基于测量
数据获取截面数据并在几何约束下进行截面形状特征重构，最后由拉伸、旋转、扫成等方法生成基体或曲面特征。
3、简单二次曲面特征重构：工业产品设计中常见的平面、球面、柱面等可以利用特征提取与运算技术来实现曲面的重建。
4、自由曲面重构：从散乱数据直接构建复杂拓扑的工业级自由曲面比简单曲面参数提取的过程困难，一般通过满足边界条件的曲面拟合方法实现。
5、实体模型重构：基于提取的特征参数与重构曲面特征，建立完整的实体模型。
四、反求工程的实际应用方面
随着人们对于反求工程的认识不断深入以及相关的软硬件逐渐普及的日益完善，其快捷、简便、直观等特点日益凸显，应用领域也越来越广泛。
在新产品的外形设计中当设计师难以直接用计算机进行某些物体，如复杂的艺术造型、人体和其它动植物外形的三维几何设计时，常用勃土、木材或泡沫塑料进行初始外形设计，这就需要通过逆向工程将实物模型转化为三维CAD模型。在华南理工大学张明容，王丽的《基于细分曲面的反求工程CAD系统设计》一文中便列举了人脸模型的反求。此外，一些传统产业的产品往往无图纸可用，若要通过现代加工方法将其进行批量生产就需要采用逆向工程的方法来实现传统产品的数字化。
对于某些大型设备，如航空发动机、汽轮机组等等，在实际使用中大部分故障都是由于某一零部件的损坏而引起的。若很难重新加工一个新的零件更换，则需要通过反求工程的技术及再制造技术相结合来还原该部件。这样便可以快速生产这些零部件的替代件。
在医学模型制作方面，反求工程可以通过CT、MRT等临床检测手段获取人体扫描的分层截面图像，并将数据传送至RPM系统，制作出人体局部或内脏器官的模型。而借助于CT技术，逆向工程还可以快速发现、度量、定位物体的内部缺陷，从而成为工业产品无损探伤的重要手段。
此外，利用反求工程技术开发新产品必须具备两方面条件：检测装置和信息处理、建模技术，然而大部分中小企业很难同时具备以上条件，就导致了中小型企业很难将其能够更好的应用于实际生产中。一些学者基于此提出了构建基于web反求工程服务中心的想法。这是一个以第三方的反求工程服务中心为主体的平台，它能够将需要运用反求工程开发产品的企业与提供反求工程设备和技术的单位有机结合进行产品开发，有效降低了反求工程相关技术的使用门槛。
在河北理工大学的王春雨、张广文等的《基于Web的反求工程服务中心构建与实现》一文中，提出了将异地反求工程服务方的有关硬件、软件与反求工程需求方提出的反求要求、反馈信息进行有机集成，构建反求工程的中介及联盟组
织——基于web的反求工程服务中心的构想。反求工程需求方通过反求工程服务中心与服务提供方交流联系，从而避免了巨大的反求工程设备投入，降低了生产成本，产品开发周期也大大缩短，提高了企业对市场的快速响应能力，为企业带来巨大商机。其次服务方也避免了反求工程设备的长期闲置，从而创造了一定的经济效益。同时，也可以改变我国中小企业设计手段落后，产品手工开发、开发周期长的落后状况，提高了新产品开发的技术水平，具有广阔的推广应用前景。
五、总结及感想
近年来反求工程作为一种与传统生产加工方式有着显著差异的技术迅速发展，这对于我国先进技术的引进有着很大的推动作用。应用反求工程技术能够提高劳动生产率，节约成本，真正实现新产品的并行开发，使其能够更快地迎合不断变化的市场需求。此外，在尖端制造领域，反求工程的出现更是解决某些产品设计加工中的难题。
虽然我国在此方面的研究与应用起步较晚，整体实力与国外发达国家相比一定差距。但是近年来制造业中反求工程技术的研究已经引起了学者们的重视，其技术手段，软硬件设施都已有了很大的发展，相关领域的论文数量有了很大幅度的提高。
在本次查阅的资料中，国内的学者针对反求工程中的各个关键技术环节均有不同程度的研究，其中对于数据处理及相关算法的学术类文章占到很大一部分。经过国内学者的不懈努力，相信我国在反求工程领域定能取得长足的进步。
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逆向工程及其关键技术 院（系）材料科学与工程 专业材料加工工程 学生 学号 2010年5月15日
逆向工程及其关键技术 摘要：随着现代制造业的迅速发展,反求技术在制造领域中的作用日趋重要。它作为一种新的产品设计思想和方法,已越来越广泛地应用于制造领域[1]。通过自动测量机对零件的扫描测量,得到点云,使用逆向造型设计方法,对其进行处理,得到实体模型后,通过工艺分析,生成加工程序代码,对零件进行数控模拟加工[2]。本文对逆向工程中的点云数据获得及输入、点数据的预处理、曲面重构及曲面分析方法进行了详细阐述。 关键字：逆向工程；曲面重构；点云；曲面分析 1 引言 在计算机技术飞速发展的今天,三维几何造型技术已被制造业广泛应用于产品及模具的设计、方案评审、自动化加工制造及管理维护等各个方面。热点模具网在当今市场经济瞬息万变的环境下,能否快速地生产出合乎市场要求的产品已经成为企业成败的关键。而往往我们都会遇到这样的难题,在没有二维工程图纸或三维CAD数据的情况下,工程技术人员没法得到准确的尺寸,制造模具就更无从谈起。另外一方面,随着测量技术的不断发展和对产品检测要求的提高,测量机也广泛地用于企业的质量检测部门。逆向工程成为满足这一需求的利器[3]。 2 逆向工程的系统及其关键技术 2.1 逆向工程的概念 逆向工程[4] (Reverse Engineering)也称反求工程,是指用一定的测量手段对实物或模型进行数据采集,根据测量数据进行计算机三维模型重建过程的总称。相对于传统的产品设计流程即所谓的正向工程而提出的。正向工程是泛指按常规的从概念设计到具体模型,再到成品的生产制造过程。而反求工程是从现有的模型(产品样件、实物模型等)经过一定的手段转化为概念和工程设计模型,如利用三维坐标测量机的测量数据对产品进行数学模型重构,或者直接将这些离散
2012年第2期 Computer CD Software and Applications 信息技术应用研究 — 41 — 语义网主要应用技术与研究趋势 吴 玥 （苏州大学计算机科学与技术学院，江苏苏州 215006） 摘 要：我国企业多数已经实现了网络办公自动化，为企业的经营管理创造了优越的环境。但随着销售业务的增长，企业经营管理的范围逐渐扩大，其内部网络面临的运营难题更加明显，网络知识管理是当前企业存在的最大困难。语义网络技术的运用方便了知识管理系统的构建与操控，促进了企业知识管理效率的提升。针对这一点，本文主要分析了语义网应用的相关技术，对未来研究趋势进行总结。 关键词：语义网；应用技术；知识管理；趋势 中图分类号：TP391.1 文献标识码：A 文章编号：1007-9599（2012）02-0041-02 The Main Application Technology and Research Trends of Semantic Web Wu Yue (School of Computer Science&Technology,Soochow University,Suzhou 215006,China) Abstract:Our country enterprise majority already realize the network office automation,enterprise management to create a favorable environment.But as the sales growth,gradually expanding the scope of business management of enterprise,its internal network operator facing the problem is more apparent,network knowledge management is the current enterprise is the most difficult.Semantic network technology is convenient to use the knowledge management system's construction and operation,promote the enterprise to improve the efficiency of knowledge management.In view of this,this article mainly analyzes the semantic web technologies,the future research trends are summarized. Keywords:Semantic network;Application technology;Knowledge management;Trend 语义网是对未来计算机网络的一种假设，通过相匹配的网络 语言对文件信息详细描述，最终判断不同文档之间的内在关系。 简言之，语义网就是能参照语义完成判断的网络。企业在经营管 理中引进语义网有助于数据信息的挖掘，对数据库潜在的信息资 源充分利用，以创造更大的经济收益。 一、传统互联网知识管理的不足 互联网用于企业经营管理初期，加快了国内行业经济的改革进 步，促进了企业自动化操控模式的升级。然而，当企业经营范围不 断扩大之后，企业面临的网络管理问题也更加显著。如：业务增多、产品增多、客户增多等， 企业网络每天需要处理的文件信息不计其 数，基于传统互联网的知识管理系统也会遇到多种问题。 （一）检索问题。互联网检索是十分重要的功能，如图一。用 户在互联网上检索某一项资源时，常用的方法是通过关键词搜寻， 未能考虑到语义对资源搜索的重要性。这种检索模式下则会遇到许 多难题，如：对同义词检索会出现多余的无关资源，尽管用户在互 联网上可以查找到许多与关键词相关的信息，但多数是无用的。 图一 互联网信息检索 （二）集成问题。信息集成是网络系统按照统一的标准、编码、程序等，对整个系统存储的资源集成处理，然后实现信息资源的共享。企业互联网信息集成依旧采用人工处理，这是由于网络的自动代理软件不能处理文本代表的常识知识，信息集成问题将制约着互联网功能的持续发挥。 （三）维护问题。对于企业知识管理系统而言，其采用的文档大部分是半结构化数据，这种数据的维护管理难度较大。现有的互联网在文档维护方面缺乏先进的软件工具，对于文档信息的处理也会遇到不少错误。知识管理中的数据库资源错误会给企业经营造成误导，且带来巨大的经济损失。 二、语义网应用的相关技术 互联网研发对语义网应用研究的最终目标是“开发各种各样计算机可理解和处理的表达语义信息的语言和技术，让语义网络的功能得到最大发挥” 。因此，结合语义网络的功能特点、结构形式、信息储存等情况，用户需掌握各种语义网应用技术。就目前而言，语义网主要的应用技术包括： （一）编码技术。编码是计算机网络运行的重要元素，通过编码之后才能让程序信号及时传递。语义网编码技术就是通过编码处理将知识内容表达出来，这一过程能够把不同的知识编码为某个数据结构，从而方便了用户对数据的检索。编码技术要用到各种知识表达方法，如：一阶谓词逻辑表示法、产生式表示法、框表示法、语义网络表示法等等。 （二）框架技术。框架技术本质上就是对语义网进行层次划分，将网络结构分层不同的层面。语义网框架技术应用要借助语义 Web 模型，经过长期研究，我们把语义网体系结构分为7个层面，如图二。每个层面在语义网运行时都可发挥对应的功能，促进了语义网程序操控的稳定进行。层面框架的分析，可以掌握语义网体系中各层的功能强弱。 图二 语义网的体系结构
1.3 逆向工程中的关键技术 1.3.1 数据采集技术 目前，用来采集物体表面数据的测量设备和方法多种多样，其原理也各不相同。测量方法的选用是逆向工程中一个非常重要的问题。不同的测量方式，不但决定了测量本身的精度、速度和经济性，还造成测量数据类型及后续处理方式的不同。根据测量探头是否和零件表面接触，逆向工程中物体表面数字化三维数据的采集方法基本上可以分为接触式(Contact)和非接触式（Non-contact）两种。 接触式包括三坐标测量机（Coordinate Measuring Machining，CMM）和关节臂测量机；而非接触式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、磁学的方法等。这些方法都有各自的特点和应用范围，具体选用何种测量方法和数据处理技术应根据被测物体的形体特征和应用目的来决定。目前，还没有找到一种完全使用于工业设计逆向测量方法。各种数据采集方法分类如图1.3所示。 在接触式测量方法中，CMM是应用最为广泛的一种测量设备；CMM通常是基于力-变形原理，通过接触式探头沿样件表面移动并与表面接触时发生变形，检测出接触点的三维坐标，按采样方式又可分为单点触发式和连续扫描式两种。CMM 对被测物体的材质和色泽没有特殊要求，可达到很高的测量精度（±0.5μm），对物体边界和特征点的测量相对精确，对于没有复杂内部型腔、特征几何尺寸多、只有少量特征曲面的规则零件反求特别有效。主要缺点是效率低，测量过程过分依赖于测量者的经验，特别是对于几何模型未知的复杂产品，难以确定最优的采样策略与路径。
图1.3 逆向工程数据采集方法分类
【转载】自Tim Berners-Lee于1998年提出了语义网(the Semantic Web)的概念之后，就一直成为人们讨论与研究的热点。当前国际上关于语义网的研究刚刚处于起步阶段，而我国对语义网的研究不论是从标准规范、系统试验、研究深度，还是从规模层次、具体应用方面都相对落后。另人欣慰的是，我国学者已经认识到了语义网及其相关技术对未来互联网发展的影响，并开始着手研究语义网及其相关的关键技术与应用。本文将从以下四个方面对我国语义网研究作综合述评： (1)基本情况，对当前国内语义网的研究情况做一总体介绍；(2)体系结构，即对语义网体系结构研究的情况；(3)关键技术，讨论对 RDF(Resource Description Framework，即资源描述框架)和Ontology(本体或本体论)的研究情况；(4)试验与应用，即当前针对语义网或利用其中的关键技术所做的具体试验与应用。最后，在对以上四个方面的情况进行综合述评的基础上总结当前国内语义网研究的特点和存在的主要问题并指出今后主要的研究方向与重点。 1 基本概况 当前对语义网的概念还没有形成统一的定义，对语义网的理解表述不一。如语义网是“第三代Web，其目标是实现机器自动处理信息，它提供诸如信息代理、搜索代理、信息过滤等智能服务”[1]；语义网“不同于现存的万维网，其数据主要供人类使用，新一代WWW中将提供也能为计算机所处理的数据，这将使得大量的智能服务成为可能”[2]；语义网研究活动的目标是“开发一系列计算机可理解和处理的表达语义信息的语言和技术，以支持网络环境下广泛有效的自动推理”[3]。语义网的创始人Tim Berners-Lee对语义网的定义如下：“语义网是一个网，它包含了文档或文档的一部分，描述了事物间的明显关系，且包含语义信息，以利于机器的自动处理”［4］。尽管对语义网的理解与描述不同，但仍能从这些描述与理解中看出语义网的一些基本特征：(1)语义网不同于现在WWW，它是现有WWW的扩展与延伸；(2) 现有的WWW是面向文档而语义网则面向文档所表示的数据；(3) 语义网将更利于计算机“理解与处理”，并将具有一定的判断、推理能力。 语义网的实现依赖于三大关键技术：XML、RDF和Ontology。本文将在第3小节对它们进行讨论。 虽然语义网给我们展示了WWW的美好前景以及由此而带来的互联网的革命，但语义网的实现仍面临着巨大的挑战［2］： (1)内容的可获取性，即基于Ontology 而构建的语义网网页目前还很少；(2)本体的开发和演化，包括用于所有领域的核心本体的开发、开发过程中的方法及技术支持、本体的演化及标注和版本控制问题；(3)内容的可扩展性，即有了语义网的内容以后，如何以可扩展的方式来管理它，包括如何组织、存储和查找等；(4)多语种支持；(5)本体语言的标准化。虽然与国外相比我国对语义网的研究相对落后，但从1999年至2004年4月发表的论文来看， (1)论文数量逐年递增。2002年发表相关论文22篇，分别是2000年(6篇)和2001年(4篇)年论文数量的3.7倍和5.5倍，2003年发表论文38篇，是2002年的1.7倍，这说明随着时间的推移，对语义网的研究已经引起了我国学者的高度重视；(2)研究内容越来越广泛而深入，大致可分为三个层次：第一层次，即对语义网及其关键技术的描述与介绍，主要包括语义网的含义[2][5][6][7]、体系结构[8][9]、关键技术(RDF、Ontology) [10][11][12][13][14][15][16][17][18][19]、面临的挑战等[2]；
反求工程及其关键技术概述 逆向工程(Reverse Engineering)，又称反求工程或反求设计，是将已有产品模型或实物模型转化为工程设计模型和概念模型，在此基础上对已有产品进行解剖、深化和再创造，是对已有设计的设计。其目的是为了改善技术水平，缩短产品生产周期，提高生产率，增强经济竞争力。 在科学技术高速发展的今天，世界范围内新的科技成果层出不穷，它们为发展生产力、推动社会进步做出了杰出的贡献。中国在机械工程领域起步较晚，基础较为薄弱，因此充分地、合理地利用这些科技成果，更快的获得世界上较为先进的技术成果。反求工程的应用对于我国科技进步，推动经济建设和发展有着重要的现实意义。 在我国最早提出“反求工程”概念并倡导推广的学者是著名的科学学专家夏禹龙、刘吉、冯之浚、张念椿等。早在1983 年第三次全国科学学和科技政策学术讨论会上他们就提出了“反求工程”的概念。近20 多年来，随着数字技术的快速发展和应用，给反求工程提供了前所未有的技术手段，直接导致反求工程的实践水平越来越高，反求工程的研究成果也越来越多，与之相配套的各种技术手段也趋于成熟。 反求工程的关键技术包括数据采集、数据处理，模型重建、模型精度分析等。为了更加全面的了解当今我国学者在各个领域所取得的进展，我选读了2010年至2011年所发表的部分论文，并将读后收获记录如下。 一、数据采集方面 数据采集即获取实体模型的几何参数，是反求工程CAD建模的首要环节。对自由曲面零件的测量是实现数据采集的有效手段。根据被测物的CAD模型是否已知，可将自由曲面的测量分为CAD模型已知的测量和CAD模型未知的测量。这两种测量的目的不同，测量的策略也有所不同：前者主要是为了检验和保证产品的精度要求；而后者主要是根据测量所获得的零件表面的测点数据实现曲面重建，以便利用CAD/CAM技术进行模型修改、零件设计、数控加工指令的生成及误差分析等处理。 对于CAD模型已知的自由曲面的测量，其关键问题是如何高效、可靠、安全地获取待测曲面的几何形状信息。对自由曲面进行测量时，采用等间距测量是最简单易行的测量方法，但为了保证测量准确度就必须缩小测量间距，这使得测量效率显著降低，并增加了后续的误差评定等工作的难度。一种理想的方法就是使测点分布的疏密随曲面曲率变化而变化，曲率越大，测点应越密；反之则越疏，从而较好地反映待测曲面的几何形状信息，实现测点的自适应分布。而对于CAD 模型未知的自由曲面零件的测量，应主要考虑如何根据已测点的信息来对自由曲
反求工程 摘要：本文详细介绍了反求工程的含义、方法、发展等情况，对于反求工程的应用以及涉及到知识产权的问题也一并作了概述。从一个较高的层面全面的介绍反求工程，注重对概念及思想、理论的探索，而不是直接的方法论。从某种意义上讲，这应该是一篇介绍反求工程的文章，不论是对其意义还是对其方法都作了概述，指引读者向着更深的层次前进。 关键词：反求工程技术创新 Abstract: This paper introduces the meaning of reverse engineering, the method, the development and so on, for reverse engineering application and related to intellectual property is also a and summarized. From a higher level comprehensive introduction reverse engineering, pays great attention to the concept and idea, theoretical exploration, not directly methodology. In a sense, this should be an introduction reverse engineering of the article, whether for its meaning or the methods were reviewed, directs readers to deeper levels of forward. Keywords: Reverse Engineering Technology Innovation 1.序言 反求工程（Reverse Engineering，RE），也称逆向工程、反向工程，是指用一定的测量手段对实物或模型进行测量，根据测量数据通过三维几何建模方法重构实物的CAD模型的过程，是一个从样品生成产品数字化信息模型，并在此基础上进行产品设计开发及生产的全过程。 2基本介绍 反求工程（Reverse Engineering）这一术语起源于20世纪60年代，但对它从工程的广泛性去研究，从反求的科学性进行深化还是从20世纪90年代初刚刚开始。反求工程类似于反向推理，属于逆向思维体系。它以社会方法学为指导，以现代设计理论，方法，技术为基础，运用各种专业人员的工程设计经验，知识和创新思维，对已有的产品进行解剖，分析，重构和再创造，在工程设计领域，它具有独特的内涵，可以说它是对设计的设计。
引言 为适应现代先进制造技术的发展。需将实物样件或手工模型转化为CAD数据，以便利用快速成形系统、计算机辅助系统等对其进行处理。并进行修改和优化设计。逆向工程专门为制造业提供了一个全新、高效的重构手段，实现从实际物体到几何建模的直接转换。逆向工程技术涉及计算机图形学、计算机图像处理、微分几何、概率统计等学科。是CAD领域最活跃的分支之一。 1 逆向工程技术定义 逆向工程技术与传统的产品正向设计方法不同。它是根据已存在的产品或零件原型构造产品或零件的工程设计模型，在此基础上对已有产品进行剖析、理解和改进，是对已有设计的再设计。其主要任务是将原始物理模型转化为工程设计概念或产品数字化模型：一方面为提高工程设计、加工分析的质量和效率提供充足的信息，另一方面为充分利用CAD／CAE／CAM 技术对已有的产品进行设计服务。 2 逆向工程分类 从广义讲，逆向工程可分以下三类。 (1)实物逆向：顾名思义，它是在已有实物条件下，通过试验、测绘和分折。提出再创造的关键；其中包括功能逆向、性能逆向、方案、结构、材质、精度、使用规范等多方面的逆向。实物逆向对象可以是整机、部件、组件和零件。 (2)软件逆向：产品样本、技术文件、设计书、使用说明书、图纸、有关规范和标准、管理规范和质量保证手册等均称为技术软件。软件逆向中有三类情况：1)既有实物，又有全套技术软件；2)有实物而无技术软件；3)无实物，仅有全套或部分技术软件。(3)影像逆向：无实物，无技术软件，仅有产品相片、图片、广告介绍、参观印象和影视画面等，要从其中去构思、想象来逆向，称为影像逆向，这是逆向对象中难度最大的。影像逆向本身就是创新过程。目前还未形成成熟的技术。一般要利用透视变换和透视投影．形成不同透视图，从外形、尺寸、比例和专业知识，去琢磨其功能和性能，进而分析其内部可能的结构。 3 逆向工程测量系统 根据测量探头是否和零件表面接触．其测量方式可分两类。 (1)接触式测量：根据测头的不同。可分为触发式和连续式。应用最为广泛的三座标测量机是20世纪6o年代发展起来的新型高效精密测量仪器，是有很强柔性的大型测量设备。 (2)非接触式测量：根据原理的不同，可分为三角形法、结构光法、计算机视觉法、激光干涉法、激光衍射法、CT测量法、MRI测量法、超声波法和层析法等。 4 逆向工程技术流程
摘要 与CAD/CAM系统在我国几十年的应用时间相比，逆向工程技术为企业所接受只有十几年甚至几年的时间。时间虽短，但是逆向工程技术广阔的应用前景和对企业竞争力的巨大推动作用，已经引起了很多企业的关注。 逆向工程实现了从实际物体到几何建模的直接转换。逆向工程技术涉与计算机图形学、计算机图像处理、微分几何、概率统计等学科。本文介绍了逆向工程的基本概念，重点分析的逆向工程技术过程，阐述了现代制造业中逆向工程的的发展前景以与逆向工程技术的重要应用领域。本文对于我们正确认识逆向工程技术有一定的意义。 【关键词】逆向工程CAD/CAM solidworks surfacer 反向工程、建模
目录 1 逆向工程简介 (1) 1.1逆向工程介绍............................. 错误!未定义书签。 1.2 逆向工程的应用 (3) 2 逆向工程应用实例 (6) 3 逆向工程的其他应用领域 (7) 参考文献 (8)
1 逆向工程介绍 1. 逆向工程的概念 逆向工程（Reverse Engineering，RE）是对产品设计过程的一种描述。在工程技术人员的一般概念中，产品设计过程是一个从无到有的过程：设计人员首先构思产品的外形、性能和大致的技术参数等，然后利用CAD技术建立产品的三维数字化模型，最终将这个模型转入制造流程，完成产品的整个设计制造周期。这样的产品设计过程我们可以称之为“正向设计”。逆向工程则是一个“从有到无”的过程。简单地说，逆向工程就是根据已经存在的产品模型，反向推出产品的设计数据（包括设计图纸或数字模型）的过程。 随着计算机技术在制造领域的广泛应用，特别是数字化测量技术的迅猛发展，基于测量数据的产品造型技术成为逆向工程技术关注的主要对象。通过数字化测量设备（如坐标测量机、激光测量设备等）获取的物体表面的空间数据，需要经过逆向工程技术的处理才能获得产品的数字模型，进而输送到CAM系统完成产品的制造。因此，逆向工程技术可以认为是“将产品样件转化为CAD模型的相关数字化技术和几何模型重建技术”的总称。 逆向工程软件部分品牌包括Surfacer(Imageware)、ICEM、CopyCAD、Rapid Form等。逆向软件的演进约略可区分为三个阶段。十一年前在逆向工程上，只能运用CATIA等CAD/CAM高阶曲面系统。市场后来发展出两套主流产品约在七、八年前技术成熟，广为业界引用。到最近四年来，发展
2010年天津市应用基础与前沿技术研究计划一般项目指南
2010年天津市应用基础与前沿技术研究计划 一般项目指南 应用基础与前沿技术研究是高新技术的源头，创新人才的摇篮，可持续发展的保障。应用基础与前沿技术研究计划（自然科学基金）项目以提高原始创新能力、促进学科建设和培养优秀创新人才为目标，以获取新知识、新原理、新技术和新方法为基本使命，以发表高水平论文，获得发明专利、样机、样品为主要成果形式，着力原始创新，为科技支撑计划提供技术基础，为我市科技、经济和社会发展提供源源不断的成果和人才储备。应用基础与前沿技术研究计划一般项目的承担单位主要是高校和科研院所。项目资金补助档次一般为10万元。 一、信息科学（A、B、C、D、E） 1．计算机科学（A） Ａ01 计算机系统结构 Ａ0101 并行/分布计算机体系结构及集群系统的关键技术 Ａ0102 可重构计算系统理论与方法 Ａ0103 嵌入式系统关键技术 Ａ02 计算机网络 Ａ0201 Internet新技术 Ａ0202 无线网络与移动计算关键技术 Ａ0203 网格与对等计算关键技术 Ａ0204 新一代网络管理理论与关键技术 Ａ0205 片上网络技术
Ａ0206 语义网关键技术 Ａ03 计算机软件技术 Ａ0301 普适计算技术 Ａ0302 和谐人机交互 Ａ0303 大型并行计算模型与算法 Ａ0304 分布式存储理论与方法 Ａ0305 智能计算技术 Ａ04 多媒体技术 Ａ0401 虚拟现实技术 Ａ0402 多媒体内容分析与检索技术 Ａ0403 多媒体信息表示和存储的理论与方法Ａ05 信息安全技术 Ａ0501 新型密码理论与方法 Ａ0502 网络安全关键技术 Ａ0503 网络内容分析与监控关键技术 Ａ0504 计算机病毒防治理论与方法 Ａ0505 信息隐藏及检测理论与方法 2．信息与通信技术（Ｂ） Ｂ01 通信系统与技术 Ｂ0101 先进网络与交换技术 Ｂ0102 信道复用新技术 Ｂ0103 新型接入网技术 Ｂ0104 无线通信新技术 Ｂ0105 多媒体通信技术 Ｂ0106 信道编解码技术
逆向工程关键技术及应用实例 介绍了逆向工程技术的定义及其工作流程，整个流程分为数据采集、数据处理和曲面重构三个部分。根据理论学习和自身实践经验对逆向工程的关键技术做了一些探讨。并以摩托车装饰板模型的曲面重建为例，用激光扫描仪获取三维点云数据，在CATIA中对点云进行数据处理，实现曲面重构，说明了逆向工程的整个设计应用流程。 1 引言 逆向工程技术是一门新兴的技术，它是在获得实物模型信息的基础上，通过一些软件如CATIA, Surfacer, Pro/E等，在消化、吸收实物原型的前提下，对实物模型进行修改和再设计，从而创造新产品。因此它是一项开拓性、实用性和综合性很强的技术，目前已经得到了广泛的应用，如飞机、汽车等行业。 逆向工程一般包括以下几个阶段:数据采集、数据处理、曲面重构。其一般流程如图1所示。其中数据采集是前提，数据处理和曲面重构是逆向工程的关键，曲面重构尤为重要。 图1基于实物模型重建的逆向工程技术流程图 2 数据采集 数据采集又称模型数字化，即指通过坐标测量机(Coordinate Measuring Machine，简称CMM)或激光扫描仪等测量装置获取实物表面特征点三维坐标值的过程。数据采集是逆向工程的第一环节，也是非常重要的一个环节，数据采集的质量和效率直接影响着后期的模型重建的进程，关系着整个逆向工程的成败。数据采集的流程如图2所示。 图2 数据采集流程图 随着科学技术的不断进步，数据采集出现了多种方法，如图3所示。
3 数据处理 三维测量系统可采集到复杂曲面上大量密集的原始测量数据，这些数据是物体表面各点坐标，这些数据之间通常没有相应的显式拓扑关系，其中还包含大量无用的数据，同时由于环境的影响如噪声、振动等会出现一些误差数据，因此在进行曲面重构前必须进行数据处理。 图3 数据采集方法分类 数据处理一般包括以下几个方面:数据重定位、噪声去除、数据精简、数据插补、数据分割。 有时由于被测对象无法一次测全数据，可能需要分几次测量，每次测量都是在不同的坐标系下进行。数据重定位就是将在不同定位状态(即不同的坐标系)下测得的数据整合到一个坐标系下。 由于受测量设备精度、扫描速度、操作者的经验和被测零件表面质量等诸多因素的影响，会产生测量误差数据点，习惯上称为噪声点。在进行曲面构造之前必须去除噪声点，否则最后构建出来的实体形状将由于噪声点的存在而与原实体大相径庭。最简单的噪声去除方法是人机交互，通过图形显示，判别明显坏点，在数据序列中将这些点删除。此种方法简单，但是对于数量比较大的点云就不适宜了。国内出现了很多关于去除噪声点的算法，主要有高斯滤波、均值滤波和中值滤波等方法。 数字化实物模型得到的是大量离散数据的集合，数据量非常巨大，并且存在大量的冗余数据。对于曲面重构来说，没有必要需要这么多的数据，而且如此庞大的测量点集，有时候会严重影响曲面重建的效率和质量，因此非常有必要进行数据精简。对于不同类型的点云可采用不同的精简方式。散乱点云可以通过随机采样的方法来精简;对于扫描线点云和多边形点云可采用等间距缩减、倍率缩减、等量缩减、弦高差等方法;网格化点云可用等分布密度和最小包围区域法进行数据缩减。 数据插补就是利用周围点的信息插值出缺损处的坐标最大限度获得样件模型的数据信息，希望数据点间有一定的拓扑关系。逆向工程的数据插补方法主要有实物填充法、造型设计法以及曲线、曲面插值补充法。 数据分割(Point Data Segmentation)是根据组成实物外形曲面的子曲面的类型，将属
逆向工程论文 姓名 :*** 学院:机械工程 学号 :********
摘要 为适应先进制造技术的发展，越来越多的产品需要一体化的解决方案，即从样品一数据一产品，逆向工程技术的运用使得产品的异形曲面快速完成数字建模，加快了新产品问世的步伐，提高了产品的外观新颖性、复杂性及制造精度，并大大降低了产品研制开发的成本。逆向工程是专门为制造业提供了一个全新、高效的重构手段，实现从实际物体到几何模型的转换，成为现代企业开发新产品的重要设计手段。 关键词：逆向工程数字建模加快步伐降低成本 Abstract Adapting to the development of advanced manufacturing technology, more and more products need integration solution, that is, from sample and data to products. The use of reverse engineering technology to make products of special-shaped surface quickly complete digital modeling, speed up new products, improve the appearance of novelty, complexity and manufacturing precision of the products, and greatly reduce the cost of the product research and development. Reverse engineering is dedicated to providing a new and efficient means of refactoring for manufacturing, implementing transformation from real objects to geometric model,and have become the important means of design to develop new products of modern enterprises. Key words:The reverse engineering Digital modeling Speed up Reduce the cost
逆向工程与快速原型技术 （综合技能训练及评价） 题 目 逆向工程三维建模关键技术 综合创新训练 姓 名 ******* 学 号 *********** 专业班级 机制**** 授课教师 ****** 分 院 机电与能源工程分院 完成日期 **** 年 **月 *日 宁波理工学院
绪论 (1) 0.1什么是逆向工程 (1) 1.2逆向工程的基本操作步骤 (1) 第一章点云摆正综合练习 (2) 1.1目的和意义 (2) 1.2 点云数据摆正的原理及实现流程 (2) 1.3 点云数据摆正综合练习及具体实现步骤 (2) 第二章逆向建模特征线构建技术 (13) 2.1 目的和意义 (13) 2.2 曲面对齐与拼接的原理及实现流程 (13) 2.3曲面对齐与拼接综合练习及具体实现步骤 (13) 3.1 目的和意义 (30) 3.2 曲线构建的原理及实现流程 (30) 3.3 曲线构建及具体实现步骤 (30) 4.1 目的和意义 (34) 4.2 曲面重构的原理及实现流程 (34) 4.3点云拼接综合练习及具体实现步骤 (34) 第五章：点云数据修补综合练习 (39) 5.1 目的和意义 (39) 5.2 曲面重构的原理及实现流程 (39) 5.3点云拼接综合练习及具体实现步骤 (39) 第六章总结与反思 (47)
绪论 0.1什么是逆向工程 逆向工程技术与传统的产品正向设计方法不同,逆向工程是对已有的产品零件或原型进行CAD模型重建，即对已有的零件或实物原型，利用三维数字化测量设备准确的、快速的测量出实物表面的三维坐标点，并根据这些坐标点通过三维几何建模方法重建实物CAD模型的过程，它属于产品导向（product oriented）。逆向工程不是简单的再现产品原型，而是技术消化、吸收，进一步改进、提高产品原型的重要技术手段；是产品快速创新开发的重要途径。通过逆向工程掌握产品的设计思想属于功能向导。 1.2逆向工程的基本操作步骤
逆向工程技术的应用 仿制、仿造已经成为了我国一部分企业的固定生产方式，针对市场热门产品的仿造品屡见不鲜，逆向工程的广泛应用在其中起到了不可忽视的作用。于是，经常有人将逆向工程和非法仿制联系在一起，甚至提出了知识产权保护等法律层面的问题。实际上，逆向工程代表了一种非常高效的产品设计思路和方法。本文从逆向工程设计的概念出发，阐述了现代制造业中逆向工程的概念以及逆向工程在模具制造等行业中的作用。本文对于我们正确认识逆向工程技术有一定的意义。 一、引言 在国外，逆向工程已经作为一种先进的设计方法被引入到新产品的设计开发工作中。我国也有许多企业应
用逆向工程技术，对竞争对手的产品进行改进，以避开艰苦的原型设计阶段，这是一种产品的再设计过程。所谓产品再设计，就是通过观察和测试某一种产品，对其进行初始化，然后拆开产品，逐一分析单个零件的组成、功能、装配公差和制造过程。这些工作的目的就是要充分理解产品的制造过程，并以此为基础在子系统和零件层面上，优化设计出一种更好的产品。美国的许多工程学院开设了逆向工程课程，教授学生用再设计代替原型设计，作为解决设计问题的一种方法。近年来，在汽车、电子产品等领域人们越来越多地采用逆向工程技术，来部分替代使用多年的原型设计方法。 二、逆向工程的概念 逆向工程（Reverse Engineering，RE）是对产品设计过程的一种描述。在工程技术人员的一般概念中，产品设计过程是一个从无到有的过程：设计人员首先构思产品的外形、性能和大致的技术参数等，然后利用CAD技术建立产品的三维数字化模型，最终将这个模型转入制造流程，完成产品的整个设计制造周期。这样的产品设计过程我们可以称之为“正向设计”。
逆向工程数 据 机关节臂测量 程中的关键技术 目前，用来采集物体表面数据的测量设备和方法多种多样，其原理也各不相同。测量方法的选用是逆向工程中一个非常重要的问题。不同的测量方式，不但决定了测量本身的精度、 速度和经济性，还造成测量数据类型及后续处理方式的不同。根据测量探头是否和零件表面接触，逆向工程中物体表面数字化三维数据的采集方法基本上可以分为接触式 （Contact ） 和非接触式（Non-contact ）两种。 接触式包括三坐标测量机（CoordinateMeasuringMachining ，CMM和关节臂测量机；而非接触式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、磁学的方法等。这些方法都有各自的特点和应用范围，具体选用何种测量方法和数据处理技术应根据被测物体的形体特征和应用目的来决定。目前，还没有找到一种完全使用于工业设计逆向测量方法。各种数据采集方法分类如图1.3所示。 在接触式测量方法中，CMMI应用最为广泛的一种测量设备；CMMS常是基于力-变形原理, 通过接触式探头沿样件表面移动并与表面接触时发生变形，检测出接触点的三维坐标，按采样方式又可分为单点触发式和连续扫描式两种。CMM对被测物体的材质和色泽没有特殊 要求，可达到很高的测量精度（土0.5卩m，对物体边界和特征点的测量相对精确，对于没有复杂内部型腔、特征几何尺寸多、只有少量特征曲面的规则零件反求特别有效。主要缺点是效率低，测量过程过分依赖于测量者的经验，特别是对于几何模型未知的复杂产品，难以确定最优的采样策略与路径。
随着电子技术、计算机技术的发展，CMM也由以前的机械式发展为目前的计算机数字控制（CNC型的高级阶段。目前，智能化是CMh发展的方向。智能测量机的研究是利用计算机内的知识库与决策库确定测量策略，其关键技术包括零件位置的自动识别技术、测量决策智能化和测量路径规划、CAD/CAM集成技术等。 随着快速测量的需求及光电技术的发展，以计算机图像处理为主要手段的非接触式测量技术得到飞速发展，该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。一般常用的非接触式测量方法分为被动视觉和主动视觉两大类。被动式方法中无特殊光源，只能接收物体表面的反射信息，因而设备简单，操作方便，成本低，可用于户外和远距离观察中，特别适用于由于环境限制不能使用特殊照明装置的应用场合，但算法较复杂；主动方法使用一个专门的光源装置来提供目标周围的照明，通过发光装置的控制，使系统获得更多的有用信息，降低问题难度。 被动式非接触测量的理论基础是计算机视觉中的三维视觉重建。根据可利用的视觉信 息，被动视觉方法包括由明暗恢复形状（ShapeFromShading SFS、由纹理恢复形状、光度立体法、立体视觉和由遮挡轮廓恢复形状等，其中在工程中应用较多的是后两种方法。 立体视觉又称为双目视觉或机器视觉，其基本原理是从两个（或多个）视点观察同一景物，以获取不同视角下的感知图像，通过三角测量原理计算图像像素间的位置偏差（即视差）来获取景物的三维信息，这一过程与人类视觉的立体感知过程是类似的。 双目立体视觉的原理如图1.4所示，其中P是空间中任意一点，G、C2是两个摄像机的焦点，类似于人的双眼，R、P2是P点在两个成像面上的像点。空间点P、C、C2形成一个三角形，且连线GP与像平面交于P1点，连线CP与像平面交于R点。因此，若已知像点P1、P2,贝U连线CR和C2R必交于空间点P,这种确定空间点坐标的方法称为三角测量原理。 图1.4 立体视觉原理图 一个完整的立体视觉系统通常由图像获取、摄像机标定、特征提取、立体匹配、深度确定和内插6 部分组成。由于它直接模拟了人类视觉的功能，可以在多种条件下灵活地测量物体的立体信息；而且通过采用高精度的边缘提取技术，可以获得较高的空间地位精度（相对误差为1%~2%，因此在计算机被动测距中得到广泛应用。但立体匹配始终是立体视觉中最重要的也是最困难的问题，其有效性有赖于三个问题的解决，即选择正确的匹配特征，特征间的本质属性及建立能正确匹配所选特征的稳定算法。虽然已提出了大量各具特色的匹配算法，但场景中光照、物体的几何形状与物理性质、摄像机特性、噪声干扰和畸变等诸多因素影响，至今仍未有很好地解决。 利用图像平面上将物体与背影分割开来的遮挡轮廓信息来重构表面，称为遮挡轮廓恢复形状，其原理如图1.5 中所示。将视点与物体的遮挡轮廓线相连，即可构成一个视锥体。当从不同的视点观察时，就会形成多个视锥体，物体一定位于这些视锥体的共同交集内。因此，通过体相交法，将各个视锥体相交便得到了物体的三维模型。
互联网技术——浅谈语义web World Wide Web（www）的诞生只不过是十几年前的事情，但是Web技术的成长和对社会的作用却是惊人的，Web已经成为人们日常生活、电子政务和电子商务等领域不可或缺的部分。随着Web技术的不断发展，互联网上的信息飞速增长，但信息格式的异构性、信息语义的多重性以及信息之间关系的匮乏和非统一，给人们在信息搜索、抽取、表示、解释和维护造成极大的不便。Web2.0的出现使Web摆脱了主要供人进行阅读的局限，更深层次的应用开始涌现，电子商务、电子政务的智能化服务也得到了一定发展。然而，这仅仅是真正智能化Web的初级阶段。万维网之父Tim Berners Lee 等人于2001年在《科学美国人》杂志上提出了“语义Web”的概念，预见了未来智能化Web时代的到来。 一、语义Web概念解析 什么是语义Web并没有一个严格的定义，Tim.Berners-Lee对语义Web做了如下的描述：语义Web并不是一个孤立的Web，而是对当前Web的扩展，语义Web 上的信息具有定义良好的含义，使得计算机之间以及人类能够更好地彼此合作。根据上面的描述，人们可以给语义Web做出这样的定义：机器可以理解数据含义的下一代Web，称之为语义Web，语义Web中的语义表示计算机对某一个概念、术语或者符号可以理解的“含义”。 1）元数据角度: 我们对MIS比较熟悉, 所以可以考虑用MIS系统的例子图书管理系统做比较，从元数据的角度出发。图书管理系统可以按作者，书名，出版社查询，是因为有元数据，即在数据库中，每个数据都有所属的字段名和表名。而Web上只能按关键词查询，是因为网页上的内容没有元数据，例如，网页上一个数字“15”，程序没法知道这个数字是年龄呢，还是个数呢，等等，当然人能够根据上下文判断出来。语义Web的基本思想就是让网页上的数据都有元数据描述它，说明它的含义，这样计算机程序能够理解网页上的数据，也能更好地为大家服务。如提供类似MIS的那种查询界面，而不是关键词查询。语义Web提供了一种统一的元数据描述语言，和其所用的词汇定义语言。 2)数据交换角度：
逆向工程的现状及发展前景 逆向工程也称反求工程或反向工程，是根据已存在的产品或零件原型构造产品或零件的工程设计模型，并在此基础上对已有的产品进行剖析、理解和改进，是对已有设计的再设计。 逆向工程设计实施步骤如下: (1)设计前的准备工作。设计之前应确定设计的整体思路，对实物模型进行系统的分析，划分出模型的特征区，确定模型的基本构成形状的曲面类型，这些关系到相关软件的选择和软件模块的确定。 (2)零件原形的数字化。根据测量对象的特点确定扫描方法以及扫描设备，利用3D扫描测量设备来获取零件实物表面点的三维坐标值。 (3)提取零件的几何特征。按测量数据的几何属性对其进行分割，分割方法一般可分为两类，一类是基于边界分割法，一类是基于区域分割法。区域分割法将相似几何特征的点划为同一区域，具有明确的几何意义，是较为常用的分割方法。
(4)零件CAD模型的重建。将分割后的三维数据在CAD系统 中分别做表面模型的拟合，并通过表面片的拼接获取零件实物表面的 CAD模型。 (5)重建CAD模型的检验与修正。由于测量得到的数据点往往 存在一些数字误差，所以需要对曲面或曲线进行光顺处理，提高曲面 质量。另外还要检验重建的CAD模型是否满足精度或其他试验性能 指标的要求，对不满足要求的应进行适当的调整修改，直至达到零件 的标准 坐标测量机 接触式非接触式 机械手坐标测量机光学测量机声学测量机磁学测量机结构光法激光三角形法激光测距法干涉测量法图像分析法 1．1接触式测量系统 接触式三坐标测量机(Coordinate Measure Machine，CMM)可谓 接触式测量的代表。接触式三坐标测量机通常是基于受力变形的原 理，通过探头测取三维几何坐标数据。操作者事先设计规划好测量途 径与方式，三坐标测量机便会按照所指定的路径测取三维几何坐标数 据。一般来说，接触式三坐标测量机测量较稳定，易于定位，测量精