一、逆向工程简介
逆向工程，有的人也叫反求工程，英文是reverse engineering。大意是根据已有的东西和结果，通过分析来推导出具体的实现方法。比如你看到别人写的某个exe程序能够做出某种漂亮的动画效果，你通过反汇编、反编译和动态跟踪等方法，分析出其动画效果的实现过程，这种行为就是逆向工程；不仅仅是反编译，而且还要推倒出设计，并且文档化，逆向软件工程的目的是使软件得以维护。
目前，大多数有关逆向工程技术的研究和应用都集中在几何形状，即重构产品CAD模型和最终产品制造方面，称为实物逆向工程。基于此，可以把逆向工程定义为：逆向工程是和将实物转变为CAD模型相关的数字化技术、几何模型重建技术以及产品制造技术的总称。
逆向工程的硬件最早是运用仿制加工设备，制作出来的成品品质粗糙。后来有接触式扫瞄设备，运用探针接触工件取得产品外型。再来进一步开发非接触式设备，运用照相或激光技术，计算光线反射回来的时间取得距离。
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，发展出不同以往的逆向工程数学逻辑运算，速度快。
软件的逆向工程是分析程序，力图在比源代码更高抽象层次上建立程序的表示过程，逆向工程是设计的恢复过程。逆向工程工具可以从已存在的程序中抽取数据结构、体系结构和程序设计信息。
就目前的逆向工程而言，可以分为两个阶段，第一个阶段是产品的仿制过程，第二个是对产品的消化、吸收和创新。
二、逆向工程关键技术研究
在逆向工程中，有以下几个比较关键的技术，也是在进行逆向研究时所必须有的几个步骤。即实物原型的数字化技术、数据点云的预处理技术、三维重构的基本方法、曲线曲面光顺技术以及逆向工程的误差分析与品质分析。
1、实物原型数字化技术
实物样件的数字化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的过程。随着传感技术、控制技术、制造技术等相关技术的发展，出现了各种各样的数字化技术，如接触式数据采集方法、非接触式数据采集方法及层析法等。接触式数据采集法中又可分为触发式、连续式、磁场法等不同方法。非接触式方法有光学法、声波法、电磁法等等。而这其中，光学测量应用得最为广泛。单就光学法而言，这里可列举几个常用的方法：
激光三角测距法
激光三角测距法是利用光源和光敏设备之间的位置和角度关系来推断表面点的具体位置。三角测距法可高速地采集数据，其精度由光敏设备的分辨率和表面与扫描仪问的距离共同决定。
距离法
距离法是利用光束的飞行时问来测量被测点与参考平面的距离，主要有脉冲波、调幅连续波、调频连续波等工作方式。由于激光的单向性好，多采用激光为能量源，这种方法的精度也较高。
干涉测量法
干涉测量法通过分析指定投影光的波长，与形成的干涉曲线间的特定关系来确定距离。
结构光法
结构光法是将一定模式的光照射到被测样件的表面，然后摄得反射光的图像，通过对比不同模式之间的差别来获取样件表面点的位置。典型的是“Shad—OWMoire”干涉条纹法。它的特点是不需要坐标测量机等精密设备，造价比较低，但精度较低，操作复杂。
图像分析法
图像分析法与结构光法中图像确定坐标数据的做法有些类似。但这种方法分析的不是投影结构，而是一般的立体照片，它能提供足够的信息来确定样件的高度和坐标。
2、数据点云的预处理技术
通过上述方法测得的原始数据一般不能直接用于曲面重构，因为对于接触式测量，受测头半径的影响，必须对数据点云进行半径补偿；另外，在测量的过程中，不可避免会带进噪声、误差等，必须去除这些点；对于海量点云数据，对其进行精简也是必要的。
3、三维重构方法
复杂曲面的CAD重构是逆向丁程研究的重点。而对于复杂曲面产品来说，其实体模型可由曲面模型经过一定的计算演变而来，因此曲面重构是复杂产品逆向工程的关键。
三边Bezier曲面法
与前几种方法不同，该方法是严格定义在三角形域上的。三边曲面片可适应不规则与散乱数据点的几何造型。它具有构造灵活、适应性好等特点，在散乱数据点曲面拟合中能有效应用。
BP神经网络法
该方法是利用BP(BackPropagation)算法的训练和学习建立一个神经网络模型来解决曲面反求问题。BP算法是神经网络学习中一种被广泛采用的学习算法，具有简单、有效和易于实现等优点，并且算法的收敛速度较快。但由于算法本身的特点，对算法参数的选择有很大的盲目性和难度，可能会导致拟合结果达不到最优。
除了上面提到的两种方法外，还有多项式插值法、双三次Bspline法、NURBS法、Coons法等，这些方法各有各的特点，在实际设计过程当中，可以根据需要灵活运用。
4、曲线曲面光顺技术
在基于实物数字化的逆向工程中，由于缺乏必要的特征信息，以及存在数字化误差，光顺操作在产品外形设计中尤为重要。根据每次调整的型值点的数值不同，曲线/曲面的光顺方法和手段主要分为整体修改和局部修改。光顺效果取决于所使用方法的原理准则。常用的光须方法有最小二乘法、能量法、回弹法以及基于小波的光顺技术。
5、逆向工程的误差分析与品质分析
误差分析
在谈逆向工程的误差分析前，我们先来了解逆向工程中所特有的三个参数概念：：重构参数、实物原型参数和原始设计参数。
重构参数是逆向工程得到的参数，是可知的；而逆向工程并不直接测量实物原型参数，故实物原型参数是未知的；原始设计参数自然也是未知的。目前的逆向工程均用已知的重构后的模型参数作为制造产品的原始参数，亦即用重构参数去制造产品。先来比较一下重构参数与原始设计参数之间的误差，设该误差为重构误差△构；在重构过程中，不可避免地会产生误差，记其为计算误差△计；在对零件或原型测量时，会产生测量误差△测；零件或原型本身也带有误差，一种是制造原型时会产生制造误差A制；另一种是原型在使用中的磨损和破损误差△榭。重构误差由这四种误差所组成，一般取各项误差的均方根作为重构误差，则有：
。单从仿制原型这一方面出发，反求工程制造的产品，是被置于原型的t作环境下，代替原型工作。原型是用原始设计参数制造的，产品是用重构参数制造的。由以上分析可知，这两个参数之间存在重构误差△构。因此，用重构参数作为原始参数去制造产品并将其置于原型的环境下工作，在某些情况下会达不到要求，这就是说，由于重构误差的存在，产品会出现废品。为了提高精度，目前的反求丁程技术采取了许多措施，如提高测量精度，提高拟合计算精度，但这些措施只是使重构参数尽可能接近原型参数，仍无法得到原始设计参数。提高逆向精度仍然是一个待完善的课题。
品质分析
品质分析主要是分析曲面的光顺性。尽管可以通过曲面的曲率变化来评价光顺效果，但并无具体的曲率值作依据，多数场合还是以人的眼光来进行判断，没有量化的指标，因此品质分析属于非量化评价。目前，商品化的CAD/CAM集成系统都具有曲面品质分析功能和多种分析方法，常用的如高斯曲率、截面曲率、切矢、双向曲率和法矢量等。利用这些分析方法，通过着色渲染来观察曲面/曲率的变化、来评估曲面的质量。除上述常用方法外，还有如反射线法、高光线法、等照度法和焦点曲面法等，这些作为品质评价常用方法的补充，已经在实际中得到了应用。
三、逆向工程的应用
汽车工业是全球制造业的支柱产业之一，随着巿场需求的改变，汽车的更新换代速度日趋加快，其设计、制造速度的快慢直接制约着汽车业的发展。现代化设计理念的形成将给汽车发展带来巨大的变革，由此而提出的逆向工程在汽车制造领域的应用将大大的改进汽车制造业的现状。下面以汽车车身造型设计为例，来具体介绍一下逆向工程的应用。
车身结构的特点在于组成车身外形的各个零件多为尺寸大而形状复杂的空间曲面，这些大型覆盖件不能用一般的机械制图方法将它们完整、清晰地表达出来，不得不依靠三维立体模型作为设计的依据。传统的车身设计方法在其每个设计阶段都要反复进行平面图形和立体模型的制作过程，以致新产品的开发设计周期长、工作量大。
此次设计开发的基于逆向工程的车身流程如图1所示。车身逆向工程中的关键技术在于两个方面：一方面是实物模型表面数据获取技术以及处理技术，即数字化扫描测量技术和测量数据的处理技术；另一方面是车身零部件的曲面重建技术。
车身三维数据的获取及处理
在产品的逆向开发中，样件的三维数据主要通过三坐标测量机获取，获取的点云中不可避免地会带人噪声点等影响因素，因而必须对其进行数据处理。将测得的IGES数据格式的文件，输人到Imageware系统中，再利用系统中提供的曲面构建命令进行处理。下图是通过“辅助面”的方法处理前后的前翼子板效果图。
NURBS曲面重构
自由曲面一般用参数曲面表示，常用的方法有Bezier, B-Spline和NURBS等表示方式。NURBS曲面是标准解析形状和自由曲面，非有理B样条、Bezier曲面都是NURBS的特例表示。其由下式定义,
式中Vij为控制顶点；Wij为权因子;Bik（u）和Bjl（w）分别为沿u向的k次和沿w向的l次B样条基函数。
u向和w向的节点矢量为：
NURBS曲面可通过控制点和权值方便灵活地控制曲面形状，能有效进行插人节点、修改、分割和几何插值等处理，并具有透视变换和放射变换的不变性等优点。NURBS曲面重构框图如图4所示。通过Imageware软件中的重构曲面命令进行曲面重构，经过处理后的车身前罩、车身框架和车门部分零部件的重构曲面如图5、图6所示。
客服1 