1、逆向工程逆向工程引言引言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
2、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。逆向工程，有的人也叫反求工程、反向工程(ReverseEngineering,RE)，是20世纪80年代末期发展起来的一项先进制造技术，是以产品及设备的实物、软件（图样、程序及技术文件等）或影像（图片、照片等）为研究对象，反求出初始的设计意图。简单地说，就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。在软件工程领域，迄今为止没有统一的逆向工程定义。在软
3、件工程领域，迄今为止没有统一的逆向工程定义。较为通用的是ElliotChikafsky和Cross在文献中定义的逆向工程的相关术语。正向工程正向工程:从高层抽象和独立于实现的逻辑设计到一个系统的物理实现的传统开发过程。逆向工程逆向工程:分析目标系统，认定系统的构件及其交互关系，并且通过高层抽象或其它形式来展现目标系统的过程。c)再文档再文档:主要是在同一抽象层次做语义等价描述，实际上是逆向工程的一种简单形式;d)设计再现设计再现:利用领域知识和外部信息在较高抽象层次产生系统的等价描述，这样要使用除了源代码外的很多信息;e)重构重构:在同一抽象层次把系统从一种表示方式转换到另一种表示方式，一个重
4、要方面是新系统和原始系统的语义行为应该一样，而且功能也不能变;f)再工程再工程:目的是研究系统，产生较高抽象层次描述，增加新功能到这个描述，使用正向工程技术在原始系统的基础上开发一个新系统。g)体系结构再现体系结构再现:用于从源码、性能分析信息、设计文档及专家知识等现有信息中抽象出一个更高层次表示的技术和过程。它们之间的关系如图所示：逆向工程流程图逆向工程流程图逆向工程应用流程图逆向工程应用流程图逆向工程技术流程逆向工程技术流程(1)逆向工程是以一个物理零件或模型作为开始，进而决定下游工程。(2)点处理过程：主要包括多视点云的拼合、点云过滤、数据精简和点云分块等。(3)曲线处理过程：决定所要创
5、建的曲线类型。曲线可以设计得与点的片段相同，或让曲线更光滑些；由已存在的点创建出曲面；检查修改曲线，检查曲线与点或其它曲线的精确度、平滑度与连续的相关性。(4)曲面处理过程：决定所要创建的曲面类型，可以选择创建的曲面以精确为主或以光滑为主，或两者居中；由点云或曲线创建曲面；检查修改曲面，检查曲丽与点或其它曲面或特征的精确度、平滑度与连续的相关性。(5)误差分析：应该考虑被测物对机构引起的综合轨迹误差、逆向工程设计所依据的数据值存在的测量误差、设计中的被测物存在的加工误差、设计中的曲线拟合存在的拟合误差等方面。逆向工程研究方法逆向工程研究方法现有的逆向工程分析方法主要有以下4种。(1)词法分析和
6、语法分析该方法主要是对程序源码进行分析，已经发展得比较成熟。通过词法分析可以得到程序信息的多种有用表示，其中最常用的是交叉引用列表。通过语法分析可以得到两类表示:分析树(parsetree)、抽象语法树AST(abstractsyntaxtree)，其中AST是更复杂的程序分析工具基础，包含了和程序的实际内容相关的细节。(2)图形化方法图形化方法包括控制流分析、数据流分析以及程序依赖图。控制流分析是在确定程序语法结构之后进行。控制流分析有两种形式:过程内(intraprocedural)分析、过程间(in-terprocedural)分析。过程内分析能确定子程序内语句的执行顺序，通过构建控制流
7、图CFG(controlflowgraph)进行。过程间分析确定程序单元之间的调用关系，用调用图(cangraph)表示。数据流分析关注于解决程序中从定义到使用的过程的相关问题，比控制流分析要复杂得多。程序依赖图是数据流分析的进一步改进，比数据流分析更复杂。在程序依赖图中，控制流和数据流依赖被放在一起处理。如果同时需要控制流图和数据流图，使用程序依赖图就很方便。程序依赖图还具有这样的结构特性:一个程序依赖图描述了一个控制依赖的区域。(3)程序切片切片技术来源于数据流分析方法，己经成为很多程序理解工具的基础。一个程序切片是由程序中的一些语句和判定表达式组成的集合。这些语句和判定表达式可能会影响在
8、程序的某个位置(常用行号标识)上所定义或使用的变量的值。利用切片技术可以将关注点确定在一个较小范围而不是关注整个程序。(4)动态分析静态分析是对程序源码进行分析。动态分析则是在程序运行时进行分析，基本方法是对程序进行植入。程序植入是一种在全局范围内更改源代码以添加额外操作的过程。这种方法的主要原理是:利用代码的结构信息，依据固定的规则，将软件触发器添加到代码中。所谓软件触发器，是指在源程序的相应位置添加的一些代码，运行时由这些代码按特定协议将指定的动态信息传递到指定位置或传递给动态信息收集机制。对于使用动态绑定和多态的面向对象系统，动态分析是必需的。逆向工程分类逆向工程分类从广义讲，逆向工程可
9、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
10、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。逆向工程测量系统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。逆向工程的硬件逆向工程的硬件逆向工程
11、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。逆向工程软件演进逆向工程软件演进 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。逆向工程技术的常用软件逆向工程技术的常用软件目前，比较著名的逆向工程软件如下：(1)Geomagic(美国RainDrop公司的)逆向工程软件，具有丰
12、富的数据处理手段，可以根据测量数据快速构造出多张连续的曲面模型。(2)Imageware作为UGNX中提供的逆向工程造型软件。具有强大的测量数据处理、曲面造型、误差检测功能。可以处理几万至几百万的点云数据。根据这些点云数据构造的A级曲面(CLASSA)具有良好的品质和曲面连续性。Imageware的模型检测功能可以方便、直观地显示所构造的曲面模型与实际测量数据之间的误差以及平面度、真圆度等几何公差。(3)CopyCAD(英国DELCAM公司系列产品)，主要处理测量数据的曲面造型。DELCAM的产品涵盖了从设计到制造、检测的全过程；包括PowerSHAPE、Power-MILL、PowerINS
13、PECT、ArtCAM、CopyCAD、PS-TEAM等诸多软件产品。CopyCADM系列中的其它软件可以很好地集成。(4)RapidForm(韩国INUS公司开发)逆向工程软件，主要用于处理测量、扫描数据的曲面建模以及基于CT数据的医疗图像建模还可完成艺术品的测景建模以及高级图形生成。RapidForm提供一整套模型分割、曲面生成、曲面检测的工具用户可以方便地利用以前构造的曲线网格经过缩放处理后应用到新的模型重构过程中。Geomagic Studio 由美国Raindrop(雨滴)公司出品的逆向工程和三维检测软件GeomagicStudio可轻易地从扫描所得的点云数据创建出完美的多边形模型和
14、网格，并可自动转换为NURBS曲面。该软件也是除了Imageware以外应用最为广泛的逆向工程软件。GeomagicStudio主要包括Qualify、Shape、Wrap、Decimate、Capture五个模块。主要功能包括：自动将点云数据转换为多边形(Polygons)快速减少多边形数目(Decimate)把多边形转换为NURBS曲面曲面分析(公差分析等)Imageware Imageware由美国EDS公司出品，是最著名的逆向工程软件，正被广泛应用于汽车、航空、航天、消费家电、模具、计算机零部件等设计与制造领域。该软件拥有广大的用户群，国外有BMW、Boeing、GM、Chrysler
15、、Ford、raytheon、Toyota等著名国际大公司，国内则有上海大众、上海交大、上海DELPHI、成都飞机制造公司等大企业。Imageware 逆向工程软件的主要产品有：逆向工程软件的主要产品有： Surfacer逆向工程工具和class1曲面生成工具Verdict对测量数据和CAD数据进行对比评估Buildit提供实时测量能力，验证产品的制造性RPM生成快速成型数据View功能与Verdict相似，主要用于提供三维报告Surfacer是Imageware的主要产品，主要用来做逆向工程，它处理数据的流程遵循点曲线曲面原则，流程简单清晰，软件易于使用。Imageware采用NURB技术，
16、软件功能强大，易于应用。Imageware对硬件要求不高，可运行于各种平台：UNIX工作站、PC机均可，操作系统可以是UNIX、NT、Windows95及其它平台。 CopyCAD CopyCAD是由英国DELCAM公司出品的功能强大的逆向工程系统软件，它能允许从已存在的零件或实体模型中产生三维CAD模型。该软件为来自数字化数据的CAD曲面的产生提供了复杂的工具。CopyCAD能够接受来自坐标测量机床的数据，同时跟踪机床和激光扫描器。CopyCAD简单的用户界面允许用户在尽可能短的时间内进行生产，并且能够快速掌握其功能，即使对于初次使用者也能做到这点。使用CopyCAD的用户将能够快速编辑数字
17、化数据，产生具有高质量的复杂曲面。该软件系统可以完全控制曲面边界的选取，然后根据设定的公差能够自动产生光滑的多块曲面，同时，CopyCAD还能够确保在连接曲面之间的正切的连续性。该软件的主要功能如下：数字化点数据输入DUCT图形和三角模型文件CNC坐标测量机床分隔的ASCII码和NC文件激光扫描器、三维扫描器和SCANTRONPCArtCAMRenishawMOD文件RapidForm RapidForm是韩国INUS公司出品的全球四大逆向工程软件之一，RapidForm提供了新一代运算模式，可实时将点云数据运算出无接缝的多边形曲面，使它成为3DScan后处理之最佳化的接口。RapidForm
18、也将使您的工作效率提升，使3D扫描设备的运用范围扩大，改善扫描品质。逆向工程的研究现状逆向工程的研究现状国外的发展国外的发展从已经搜集到的文献中看，国外应用于逆向工程软件工具很多，它们主要提供三种类型的能力:一是常规的静态模型逆向产生能力，从某种特定语言的源码或编译后的目标码转换出静态模型(如类图、活动图、控制流图等);二是动态模型逆向产生能力，将程序运行过程中的标志性信息进行搜集、存储和整理，再转换成相应的动态模型(如序列图、状态图、协同图等);三是扩展的静态模型逆向产生能力，将常规的静态模型逆向产生能力加以扩展，以体现静态模型的领域特征、提高静态模型的抽象层次或者表现形式，以利于理解和使用
19、。国内的发展国内的发展国内开发的用于逆向工程软件工具很少，现在主要是青鸟程序理解系统JBPAS(JadeBirdProgramAnalysisSystem)，它是一个针对C+语言的程序理解系统，由一个C+分析器前端和一组分析工具组成。该系统是北大青鸟基于异构平台、具有多信息源接口的应用系统集成(组装)环境有导鸟III型(JB3)系统拍勺组成部分。该系统针对C+语言，采用增量分析技术对程序源代码进行静态分析;用EER(EnhancedEntity-Relationship)为C+程序建立概念模型并抽取程序信息，将信息保存在数据库中;按照不同的用户需求组织程序信息，辅助用户理解C+程序;逆向生成源
20、程序的OOD(Object-OrientedDesign)文档和Rose文档(但实际所需的时间很长，对于10万行源代码的程序，大约需要6小时)。逆向工程技术的应用领域逆向工程技术的应用领域逆向工程应用领域相当广泛，有模具制造业、玩具业、游戏业、电子业、鞋业、高尔夫球业、艺术业、医学工程及产品造型设计等方面。逆向工程已成为联系新产品开发过程中各种先进技术的纽带，并成为消化、吸收先进技术。实现新产品快速开发的重要技术手段。其主要应用领域如下：(1)对产品外形美学有特别要求的领域，由于设计师习惯于依赖3D实物模型对产品设计进行评估，因此产品几何外形通常不是应用CAD软件直接设计的，而是首先制作全尺寸
21、的木质或粘土模型或比例模型，然后利用逆向工程技术重建产品数字化模型。(2)当设计需经实验才能定型的工件模型时，通常采用逆向工程的方法。例如航天航空、汽车等领域，为了满足产品对空气动力学等的要求，需进行风洞等实验建立符合要求的产品模型。此类产品通常是由复杂的自由曲面拼接而成的最终借助逆向工程，转换为产品的三维CAD模型及其模具。(3)在模具行业，常需通过反复修改原始设计的模具型面。这将实物通过数据测量与处理产生与实际相符的产品数字化模型，对模型修改后再进行加工，将显著提高生产效率。因此逆向工程在改型设计方面可发挥正向设计不可替代的作用。(4)逆向工程也广泛用于修复破损的文物、艺术品、或缺乏供应的
22、损坏零件等。(5)借助于工业CT技术，逆向工程不仅可以产生物体的外部形状而且可以快速发现、定位物体的内部缺陷。逆向工程在逆向工程在CAD/CAM体系中的应用体系中的应用从理论角度分析，逆向工程技术能按照产品的测量数据建立与现有CAD/CAM系统完全兼容的数字模型，这是逆向工程技术的最终目标。但凭借目前人们所掌握的技术，包括工程上的和理论上的（如曲面建模理论），尚无法满足这种要求。特别是针对目前比较流行的大规模“点云”数据建模，更是远没有达到直接在CAD系统中应用的程度。“点云”数据的采集有两种方法：一种是使用三坐标测量机对零件表面进行探测，另一种是使用激光扫描仪对零件表面进行扫描。图所示为使用激光扫描仪测量的摩托车发动机砂型排气道点云图。图为用Surfacer软件生成的摩托车发动机砂型排气道曲面几何形状。图所示为用Solidworks三维软件生成的摩托车发动机砂型进排气道实体。图所示为日本某品牌汽车的泵体图为泵体模具图例如：福田重卡前围外表面拼合扫描点云以点云产生初步的表面进行表面光顺、分块车身外表面表面光顺的质量检查水平斑马线检查福田重卡逆向工程车身的外表面树脂模型
