逆向工程（Reverse Engineering，RE），也称反向工程，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CAD模型过程，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。该方法主要用于对难以精确表达的曲面形状或未知设计方法的构件形状进行三维重构和再设计。

逆向工程这一术语起源于20世纪60年代，但从工程的广泛性去研究，从逆向的科学性进行深化还是从20世纪90年代初刚刚开始。逆向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，方法和技术为基础，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。

逆向工程技术是测量技术，数据处理技术，图形处理技术和加工技术相结合的一门结合性技术。随着计算机技术的飞速发展和上述单元技术是逐渐成熟，近年来在新产品设计开发中愈来愈多的被得到应用，因为在产品开发过程中需要以实物（样件）作为设计依据参考模型或作为最终验证依据时尤其需要应用该项技术，所以在汽车，摩托车的外形覆盖件和内装饰件的设计，家电产品外形设计，艺术品复制对逆向工程技术的应用需求尤为迫切。

一、逆向工程技术简介

1．正向设计

传统的产品设计（正向设计）通常是从概念设计到图纸、再制造出产品的过程。通过工程师的创造性劳动，将一个事先并不知道的事物变为人类需求的产品。为此，工程师首先要根据市场需求，提出目标和技术要求，再进行功能设计，创造新方案，在经过一系列的设计活动之后，得到预期的新产品。概括地说，传统设计是由未知到已知、由想象到现实的过程，回答的是“怎么做？”的问题。

2．逆向工程

逆向工程（Reverse Engineering，RE），也称反求工程，其思想最初来自从油泥模型到产品实物的设计过程。将已有产品模型（实物模型）转化为工程设计模型和概念模型，并在此基础上进行工程分析和再创新设计的一种方法和应用技术。它改变了CAD系统从图纸到实物的传统设计模式，为产品的快速开发设计提供了一条新途径。从已知事物的有关信息（包括实物、技术资料文件、照片、广告、情报等）出发，寻求这些信息的科学性、技术性、先进性、经济性、合理性等，并充分消化和吸收，在此基础上进行改进和再创造，回答的是“为什么要这样做？”的问题。

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正向设计和逆向设计

实物的逆向工程是从实物样件获取产品数据模型并制造得到新产品，即“从有到新” 的过程。在这个意义下，“实物逆向工程”（简称逆向工程）是将实物转变为CAD模型的数字化技术、几何模型重构技术和产品制造技术的总称，是将已有产品 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、深化和再创造的过程。当前，国内外对逆向工程关键技术的研究主要集中在实物转变为CAD模型的数据采集技术及几何模型重构技术方面。

实物逆向工程技术产生的背景主要有两个方面：其一，作为研究对象，产品实物是面向消费市场最广、数量最多的一类设计成果，也是最容易获得的研究对象；其二，在产品开发和制造过程中，虽已广泛使用了计算机几何造型技术，但是仍有许多产品，由于种种原因，最初无法用计算机辅助设计模型描述，设计和制造者面对的是实物模型。例如，在汽车、航天等工业领域中复杂外形的设计，目前CAD软件还很难满足形状设计的要求，仍然需要根据由黏土、木头或石膏等制成的手工模型，对模型进行评估，评估通过后再采用逆向工程的手段将实物模型转化为CAD模型，实现对象数字化，从而建立起产品的数字化模型。

二、逆向工程的流程

逆向工程的工作流程，一般包括实物的数据扫描、数据处理与逆向建模，经过逆向建模后的数据可以按照正向流程进行创新设计生产新产品。

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逆向工程流程

1．数据采集

数据采集是指通过特定的测量方法和设备，将物体表面形状转化成几何空间坐标点，从而得到逆向建模以及尺寸评价所需数据的过程，这是逆向工程的第一步，是非常重要的阶段，也是后续工作的基础。数据采集设备的方便、快捷、操作的简易程度、数据的准确性及完整性是衡量测量设备的重要指标，也是保证后续工作高质量完成的重要前提。目前产品三维数据的获取主要通过三维测量技术来实现，通常除了我们上面说的扫描设备，还可以采用三坐标测量机 、三维激光扫描仪 等来获取样件的三维表面坐标值。数据采集的精度除了与扫描设备的精度有关外，还与扫描软件的精度有关。通过三维扫描仪提取出来的数据结果一般为.asc或者.txt格式，然后进行下一个流程。

2．点云数据处理

经过上一步提取到的数据，需要进行处理才可以应用。数据处理的关键技术包括杂点的删除、多视角数据拼合、数据简化、数据填充和数据平滑等，可为曲面重构提供有用的三角面片模型或者特征点、线、面。 最终处理成建模所需要的数据格式，一般为.stl格式。点云处理一般包含以下几个方面：

（1）杂点的去除。

由于在测量过程中常需要一定的支撑或夹具，在非接触光学测量时，会把支撑或夹具扫描进去，这些都是体外的杂点，需要删除，然后保留主体产品的数据。

（2）多视角数据拼合。

无论是接触式或非接触式的测量方法，要获得样件表面所有的数据，需要进行多方位扫描，得到不同坐标下的多视角点云。多视角数据拼合就是把不同视角的测量数据对齐到同一坐标下，从而实现多视角数据的合并。数据对齐方式一般有扫描过程自动对齐和扫描后通过手动注册对齐，如果是扫描过程中自动对齐，一般必须在扫描件表面贴上专用的拼合标记点。数据扫描设备自带的扫描软件一般有多视角数据拼合的功能。 后续项目中扫描视频采用这种方式进行扫描。

（3）数据简化。

当测量数据的密度很高时，光学扫描设备常会采集到几十万、几百万甚至更多的数据点，存在大量的冗余数据，严重影响后续算法的效率，因此，需要按一定要求减少数据量，这种减少数据的过程就是数据简化。

（4）数据填充。

由于被测实物本身的几何拓扑原因或者在扫描过程中受到其他物体的阻挡，会存在部分表面无法测量，所采集的数字化模型存在数据缺损的现象，因而需要对数据进行填充补缺。例如，某些深孔类零件可能无法测全；另外，在测量过程中常需要一定的支撑或夹具 ，模型与夹具接触的部分无法获得真实坐标数据。

（5）数据的平滑。

由于实物表面粗糙，或扫描过程中发生轻微震动等原因，扫描的数据中包含一些噪音点。这些噪音点将影响曲面重构的质量。通过数据的平滑处理，可提高数据的光滑程度，改善曲面重构质量。

3．逆向建模

4．三维数据检测

三维检测是集光、机、电和计算机技术于一体的高新技术，主要用于对物体空间外形和结构进行扫描，以获得物体表面的空间坐标，将实物的立体信息转换为计算机能直接处理的数字信号，为三维数字模型与实物的对比提供了相当方便快捷的手段。虽然一时还不能完全取代传统方法的检测，但检测工作的数字化、灵活化和智能化是未来发展的趋势。 三维检测技术是近十年来蓬勃发展起来的新兴研究领域，针对市场上常见的三维物体形状检测方法可以分为接触式和非接触式两大类，而检测系统与物体的作用不外乎光、声 、机、电等方式。

三、逆向工程的应用与发展

1．逆向工程的应用领域

逆向工程是近年来发展起来的消化、吸收和提高先进技术的一系列分析方法以及应用技术的组合，其主要目的是改善技术水平，提高生产率，增强经济竞争力。世界各国在经济技术发展中，应用逆向工程消化吸收先进技术经验，给人们有益的启示。据统计，各国百分之七十以上的技术源于国外，逆向工程作为掌握技术的一种手段，可使产品研制周期缩短百分之四十以上，极大提高了生产率。因此研究逆向工程技术，对我国国民经济的发展和科学技术水平的提高，具有重大的意义。

逆向工程的应用领域大致可分为以下几种情况：

（1）在产品仿制中的应用。

当拟合制作的产品没有原始的设计图档，而是由委托单位交付样品或型，请制作单位复制。传统的复制方法是用立体雕刻机或三轴仿形铣床以1:1的比例制作模具，再生产产品。这种方法属于模拟型复制，其缺点是无法建立工件尺寸图档，因而也无法用现有的CAD软件对其进行修改，故已渐为新型的数字化逆向工程系统所取代。在这种情况下，在对零件原形进行三维逆向的基础上形成零件的设计图纸或CAD模型，并以此为依据生成数控加工的NC代码，加工复制出一个相同的零件。

（2）在新产品设计中的应用。

随着工业技术的发展以及经济的发展，消费者对产品的要求越来越高。为赢得市场竞争，不仅要求产品的功能先进，而且要求外形美观。而在造型中针对产品外形的美学设计，己不是传统训练下的机械工程师所能胜任的。一些具有美工背景的设计师们可利用技术构想创新的美观外形，再以手工方式塑造出模型，如木模、石膏模、粘土模、胶模、工程塑胶模、玻璃纤维模等，然后再以三维测量的方式建立曲面模型。在美学设计特别重要的领域，例如汽车外形设计广泛采用真实比例的木制或泥塑模型来评估设计的美学效果，而不采用在计算机屏幕上缩小比例的物体投视图的方法，此时需用逆向工程的设计方法。

（3）在旧产品改进中的应用。

在对旧产品改进时，有时并没有零件的CAD模型，因此需要利用逆向工程技术建立产品的几何模型，然后再利用传统的CAD软件对原设计进行改进。当要设计需要通过实验测试才能定型的工件模型时，通常采用逆向工程的方法。比如航天航空领域，为了满足产品对空气动力学等要求，首先要求在初始设计模型的基础上经过各种性能测试如风洞实验等建立符合要求的产品模型，这类零件一般具有复杂的自由曲面外形，最终的实验模型将成为设计这类零件及逆向其模具的依据。

（4）在RPM（快速原型制造）中的应用。

快速原型制造又称RP技术，是年代后期兴起的一种基于材料累加法的高新制造技术，被认为是近年来制造领域的一次重大突破。RPM综合了机械、CAD、数控、激光以及材料科学等各种技术，可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件，用以对产品设计进行快速评估、修改及功能试验，大大缩短了产品的研制周期。而以RP系统为基础的快速工装模具制造和快速精铸技术等则可实现零件的快速制造。

为应用该项技术，首先应该有产品的三维几何模型。尽管已经出现了许多成功的CAD三维软件，但运用这些软件建立一个复杂的零件模型，仍相当费时。有时工程界提供的是实物，需要由实物制造模具或作设计上的改进，因此在中经常利用逆向工程技术来建立产品的几何模型。

此外，在计算机图形和动画、工艺美术和医疗康复工程等领域，也经常需要根据实物快速建立物体的三维几何模型。另一个重要的应用如修复破损的艺术品或缺乏供应的损坏零件等，此时不需要对整个零件原型进行复制，而是借助逆向工程技术抽取零件原形的设计思想，指导新的设计这是由实物逆向推理出设计思想的一种渐近过程。因此，逆向工程技术在这些领域中也具有重要的应用价值。

（5）在医疗中的应用。

逆向工程在医学领域的是指相对广义而言的，突破了制造领域的定义而取其原理，同时也结合了快速成型技术、数控加工技术的概念。目前在医学上主要是骨相关的三维建模，具体步骤一般如下：①给病人做CT或MRI等影像检查扫描，获得所需解剖部位的影像断层数据；②对每层医学图像做轮廓化处理，生成边缘轮廓。这一过程可以根据灰度值自动进行，也可人为干预；③将处理好的断层轮廓图像按应有间距堆栈，得到所需观察骨骼的三维线框图，假体设计可以依据该线框图进行；④将该线框图转化成STL文件，即可输入快速成型设备，制作出骨的实体模型。医生和工程师们可以直接利用该模型做出假体设计及其他应用，也可输入CAD软件供修改研究。

目前逆向工程的医学应用的几个方向主要在以下几个方面：

1）设计和制作可植入假体其制作过程为：①来源于CT的数据转换成STL数据；②利用RP技术制作缺损部位原型;③采用硬质石膏、硅橡胶等材料和相关方法翻模；④制作熔模并进行熔模铸造制作假体；

2）外科手术规划及复杂外科手术教学往往需要在三维模型上进行演练以确保手术的成功。由于有了解剖模型，医生可以有效地与病人沟通，此外，医生在手术之前可利用模型进行手术规划，这在很多复杂手术中显得非常重要。同时利用三维模型进行演练教学也是一个重要的发展方向。

3）人体的力学分析研究利用人体骨的三维模型进行力学分析研究也是当前的一个方向，目的是建立人体的运动力学模型，这对人体仿生、运动功能修复等都有深远意义。

以上应用中以设计和制作可植入假体的应用最为广泛，在关节外科、颌面外科、口腔科、整形外科等都有不同程度的应用；主要满足三类病人的手术需求：骨外伤缺损者、骨手术切除者和先天的畸形。当前的应用有：骨盆骨折；髋关节发育异常、无菌坏死；脊柱损伤及先天性和退行性脊柱疾病；头颅整形；颅骨骨结合；颅骨和颌面部肿瘤；鼻修复；先天性和后天性远端尺桡骨端畸形；足畸形等。其中口腔医学的逆向工程应用较成熟，一般结合快速成型技术为口腔医学服务。如术前得到患者颅骨实物。主要技术步骤是患者CT三维数据，计算机三维重建，数据处理后转换为快速成型设备可接受的数据，然后加工。也可用于赝复体的制造。

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中国的逆向工程技术有多强