長久以來，工業(yè)產(chǎn)品的傳統(tǒng)開發(fā)方式均是遵循嚴謹?shù)难邪l(fā)流程，從產(chǎn)品需求的構(gòu)思、功能與規(guī)格預(yù)期指標的確定，進而到各個組件的設(shè)計、制造、組裝、性能測試等。每個組件都保留有原始的設(shè)計圖，此設(shè)計圖目前通常通過 CAD 文件來保存。這種開發(fā)模式被稱為“預(yù)定模式”(Pre-scriptive Model)，此類開發(fā)工程亦通稱為“正向工程”(Forward Engineering)。 
    然而，隨著工業(yè)技術(shù)水平的提升以及生活水準的提高，任何通用性產(chǎn)品在消費者對于高品質(zhì)的要求下，功能上的需求已不再是贏得市場競爭力的唯一條件。產(chǎn)品不單單是功能要先進，近年來在 3D CAD 軟件的帶動下，工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域已日益受到重視。 
    工業(yè)設(shè)計多著重于產(chǎn)品的外觀造型，在正向工程的研發(fā)流程中已不是傳統(tǒng)的機械工程師們所能勝任的了，取而代之的就是所謂的“逆向工程”(Reverse Engineering)。設(shè)計師們先通過手工方式塑造出模型，例如：蠟?zāi)！⒛灸?、石膏模、粘土模、工程塑料模等等，然后再以三維尺寸測量的方式生成自由曲面的 CAD 文件。 
    由下圖可了解正向工程與逆向工程的整個產(chǎn)品開發(fā)流程。
    逆向工程的應(yīng)用范圍包括： 
    模具樣品開發(fā)：汽機車類、家電制品、運動器材、玩具、陶瓷等。 
    快速原型制作：古董、人像、藝術(shù)品、卡通人物、玩具等。 
    人體形狀測量：人體外形測量、醫(yī)療器材制作等。 
    造型設(shè)計：立體動畫、多媒體虛擬實景、廣告動畫等。 
    逆向工程以往通常是指對某一產(chǎn)品進行仿制工作。這種需求的產(chǎn)生可能是由于原始設(shè)計文件遺失、部分零件重新設(shè)計，或是委托方交付一件樣品或產(chǎn)品(例如：木鞋模、高爾夫球頭等)，請制造廠商復制出來。 
    傳統(tǒng)的復制方法是利用立體雕刻機或是仿型銑床制作出成比例的模具，然后再進行量產(chǎn)。這種方法被稱之為“類比式(Analog Type)復制”，缺點是無法建立工件尺寸的文件，也無法做任何的外形修改，現(xiàn)已逐漸被數(shù)字化的逆向工程系統(tǒng)所取代。 
    目前所謂的逆向工程是指針對現(xiàn)有工件，利用 3D 數(shù)字化測量儀準確、快速地取得點云圖像，隨后經(jīng)過曲面構(gòu)建、編輯、修改之后，置入一般的 CAD/CAM 系統(tǒng)，再由 CAD/CAM 計算出 NC 加工路徑，最后通過 CNC 加工設(shè)備制作模具。另一種量產(chǎn)方式則是先以快速原型機(Rapid Prototyping System)將樣品模型制作出來，然后再以快速模具(Rapid Tooling)進行產(chǎn)品量產(chǎn)。具體流程如下圖所示。 
    四大逆向工程軟件簡介 
    Imageware 
    Imageware 由美國 EDS 公司出品，是最著名的逆向工程軟件，正被廣泛應(yīng)用于汽車、航空、航天、消費家電、模具、計算機零部件等設(shè)計與制造領(lǐng)域。該軟件擁有廣大的用戶群，國外有 BMW、Boeing、GM、Chrysler、Ford、raytheon、Toyota 等著名國際大公司，國內(nèi)則有上海大眾、上海交大、上海 DELPHI、成都飛機制造公司等大企業(yè)。 
    以前該軟件主要被應(yīng)用于航空航天和汽車工業(yè)，因為這兩個領(lǐng)域?qū)諝鈩恿W性能要求很高，在產(chǎn)品開發(fā)的開始階段就要認真考慮空氣動力性。常規(guī)的設(shè)計流程首先根據(jù)工業(yè)造型需要設(shè)計出結(jié)構(gòu)，制作出油泥模型之后將其送到風洞實驗室去測量空氣動力學性能，然后再根據(jù)實驗結(jié)果對模型進行反復修改直到獲得滿意結(jié)果為止，如此所得到的最終油泥模型才是符合需要的模型。如何將油泥模型的外形精確地輸入計算機成為電子模型，這就需要采用逆向工程軟件。首先利用三坐標測量儀器測出模型表面點陣數(shù)據(jù)，然后利用逆向工程軟件(例如：Imageware surfacer)進行處理即可獲得 class 1 曲面。 
    隨著科學技術(shù)的進步和消費水平的不斷提高，其它許多行業(yè)也開始紛紛采用逆向工程軟件進行產(chǎn)品設(shè)計。以微軟公司生產(chǎn)的鼠標器為例，就其功能而言，只需要有三個按鍵就可以滿足使用需要，但是，怎樣才能讓鼠標器的手感最好，而且經(jīng)過長時間使用也不易產(chǎn)生疲勞感卻是生產(chǎn)廠商需要認真考慮的問題。因此微軟公司首先根據(jù)人體工程學制作了幾個模型并交給使用者評估，然后根據(jù)評估意見對模型直接進行修改，直至修改到大家都滿意為止，最后再將模型數(shù)據(jù)利用逆向工程軟件 Imageware 生成 CAD 數(shù)據(jù)。當產(chǎn)品推向市場后，由于外觀新穎、曲線流暢，再加上手感也很好，符合人體工程學原理，因而迅速獲得用戶的廣泛認可，產(chǎn)品的市場占有率大幅度上升。 
    Imageware 逆向工程軟件的主要產(chǎn)品有： 
    Surfacer——逆向工程工具和 class 1 曲面生成工具 
    Verdict——對測量數(shù)據(jù)和CAD數(shù)據(jù)進行對比評估 
    Build it——提供實時測量能力，驗證產(chǎn)品的制造性 
    RPM——生成快速成型數(shù)據(jù) 
    View——功能與 Verdict 相似，主要用于提供三維報告 
    Imageware 采用 NURB 技術(shù)，軟件功能強大，易于應(yīng)用。Imageware 對硬件要求不高，可運行于各種平臺：UNIX 工作站、PC 機均可，操作系統(tǒng)可以是 UNIX、NT、Windows95 及其它平臺。 
    Imageware 由于在逆向工程方面具有技術(shù)先進性，產(chǎn)品一經(jīng)推出就占領(lǐng)了很大市場分額，軟件收益正以 47% 的年速率快速增長。 
    Surfacer 是 Imageware 的主要產(chǎn)品，主要用來做逆向工程，它處理數(shù)據(jù)的流程遵循點——曲線——曲面原則，流程簡單清晰，軟件易于使用。其流程如下： 
    一、點過程 
    讀入點陣數(shù)據(jù)。 
    Surfacer 可以接收幾乎所有的三坐標測量數(shù)據(jù)，此外還可以接收其它格式，例如：STL、VDA 等。 
    將分離的點陣對齊在一起(如果需要)。 
    有時候由于零件形狀復雜，一次掃描無法獲得全部的數(shù)據(jù)，或是零件較大無法一次掃描完成，這就需要移動或旋轉(zhuǎn)零件，這樣會得到很多單獨的點陣。Surfacer　可以利用諸如圓柱面、球面、平面等特殊的點信息將點陣準確對齊。 
    對點陣進行判斷，去除噪音點(即測量誤差點)。 
    由于受到測量工具及測量方式的限制，有時會出現(xiàn)一些噪音點，Surfacer 有很多工具來對點陣進行判斷并去掉噪音點，以保證結(jié)果的準確性。 
    通過可視化點陣觀察和判斷，規(guī)劃如何創(chuàng)建曲面。 
    一個零件，是由很多單獨的曲面構(gòu)成，對于每一個曲面，可根據(jù)特性判斷用用什么方式來構(gòu)成。例如，如果曲面可以直接由點的網(wǎng)格生成，就可以考慮直接采用這一片點陣；如果曲面需要采用多段曲線蒙皮，就可以考慮截取點的分段。提前作出規(guī)劃可以避免以后走彎路。 
    根據(jù)需要創(chuàng)建點的網(wǎng)格或點的分段。 
    Surfacer 能提供很多種生成點的網(wǎng)格和點的分段工具，這些工具使用起來靈活方便，還可以一次生成多個點的分段。 
    二、曲線創(chuàng)建過程 
    判斷和決定生成哪種類型的曲線。 
    曲線可以是精確通過點陣的、也可以是很光順的(捕捉點陣代表的曲線主要形狀)，或介于兩者之間。 
    創(chuàng)建曲線。 
    根據(jù)需要創(chuàng)建曲線，可以改變控制點的數(shù)目來調(diào)整曲線?？刂泣c增多則形狀吻合度好，控制點減少則曲線較為光順。 
    診斷和修改曲線。 
    可以通過曲線的曲率來判斷曲線的光順性，可以檢查曲線與點陣的吻合性，還可以改變曲線與其它曲線的連續(xù)性(連接、相切、曲率連續(xù))。Surfacer 提供很多工具來調(diào)整和修改曲線。 
    三、曲面創(chuàng)建過程 
    決定生成那種曲面。 
    同曲線一樣，可以考慮生成更準確的曲面、更光順的曲面(例如 class 1 曲面)，或兩者兼顧，可根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計需要來決定。 
    創(chuàng)建曲面。 
    創(chuàng)建曲面的方法很多，可以用點陣直接生成曲面(Fit free form)，可以用曲線通過蒙皮、掃掠、四個邊界線等方法生成曲面，也可以結(jié)合點陣和曲線的信息來創(chuàng)建曲面。還可以通過其它例如園角、過橋面等生成曲面。 
    診斷和修改曲面。 
    比較曲面與點陣的吻合程度，檢查曲面的光順性及與其它曲面的連續(xù)性，同時可以進行修改，例如可以讓曲面與點陣對齊，可以調(diào)整曲面的控制點讓曲面更光順，或?qū)η孢M行重構(gòu)等處理。 
    英國 Triumph Motorcycles 有限公司的設(shè)計工程師 Chris Chatburn 說：“利用 Surfacer 我們可以在更短的時間內(nèi)完成更多的設(shè)計循環(huán)次數(shù)，這樣可以讓我們減少 50% 的設(shè)計時間?！?nbsp;
    最新發(fā)布的 Surfacer 10.6 軟件將以下工作流程的高性能工具完整的集成到一起： 
    [彈性的曲面創(chuàng)建工具]：可以在一個彈性的設(shè)計環(huán)境里非常方便的直接從曲線、曲面、或測量數(shù)據(jù)創(chuàng)建曲面，支持貝茨爾(Bezier)和非均勻有理 B 樣條(NURBS)曲面兩種方法。用戶可以選擇適合的曲面方法，通過結(jié)合兩種方法的優(yōu)點來獲益。 
    [動態(tài)的曲面修改工具]：允許用戶在交互的方式下試探設(shè)計主題，立刻就可以看到是否美觀和思路是否符合工程觀念。設(shè)計、工程分析、制造的標準都通過精心的構(gòu)造過程考慮進去，所以當每次修改曲面時不需要再重新校核標準。 
    [實時的曲面診斷工具]：可以提供諸如任意截面的連續(xù)性、曲面反射線情況、高亮度線、光譜圖、曲率云圖和園柱型光源照射下的反光圖等多種方法，在設(shè)計的任何時候都可以查出曲面缺陷。 
    [有效的曲面連續(xù)性管理工具]：在復雜的曲面縫補等情況下，即使曲面進行了移動修改等操作，也能保證曲面同與之相連的曲面間的曲率連續(xù)，避免了乏味的手工再調(diào)整過程。 
    [強大的處理掃描數(shù)據(jù)能力]：根據(jù) Rainbow 圖法(相當于假設(shè)雨水從上面落下，由于形狀差異導致雨水流速差異)、曲率大小變化云圖法(對于一個完全光順的 class 1 曲面，相當于曲率大小變化為零，對于兩個不同曲面，此值會不同)將掃描數(shù)據(jù)分開，這樣可以很快地捕捉產(chǎn)品的主要特征，并迅速建立各個相應(yīng)曲面，避免了費事的分析和處理。
    正是由于 Imageware 在計算機輔助曲面檢查、曲面造型及快速樣件等方面具有其它軟件無可匹敵的強大功能，使它當之無愧的成為逆向工程領(lǐng)域的領(lǐng)導者。 
    Geomagic Studio 
    由美國 Raindrop (雨滴)公司出品的逆向工程和三維檢測軟件 Geomagic Studio 可輕易地從掃描所得的點云數(shù)據(jù)創(chuàng)建出完美的多邊形模型和網(wǎng)格，并可自動轉(zhuǎn)換為 NURBS 曲面。該軟件也是除了 Imageware 以外應(yīng)用最為廣泛的逆向工程軟件。 
    Geomagic Studio 主要包括 Qualify、Shape、Wrap、Decimate、Capture 五個模塊。主要功能包括： 
    自動將點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為多邊形(Polygons) 
    快速減少多邊形數(shù)目(Decimate) 
    把多邊形轉(zhuǎn)換為 NURBS 曲面 
    曲面分析(公差分析等) 
    輸出與 CAD/CAM/CAE 匹配的文件格式(IGS、STL、DXF等) 

    1.從CAD數(shù)模得到的產(chǎn)品模型 

    2.將CAD模型讀入 Geomagic Studio 

    3.CAD 設(shè)計模型與從實際模型掃描所得的點云數(shù)據(jù)(不同坐標系) 

    4.掃描數(shù)據(jù)與CAD模型的自動對合 

    5.掃描數(shù)據(jù)與CAD模型的自動對齊 

    6.誤差以彩色圖形直觀顯示 

    7.用戶可標出任意點誤差 8. Qualify 的結(jié)果可以輸出為 HTML 格式 　 
    CopyCAD 
    CopyCAD 是由英國 DELCAM 公司出品的功能強大的逆向工程系統(tǒng)軟件，它能允許從已存在的零件或?qū)嶓w模型中產(chǎn)生三維CAD模型。該軟件為來自數(shù)字化數(shù)據(jù)的 CAD 曲面的產(chǎn)生提供了復雜的工具。CopyCAD 能夠接受來自坐標測量機床的數(shù)據(jù)，同時跟蹤機床和激光掃描器。 
    CopyCAD 簡單的用戶界面允許用戶在盡可能短的時間內(nèi)進行生產(chǎn)，并且能夠快速掌握其功能，既使對于初次使用者也能做到這點。使用 CopyCAD 的用戶將能夠快速編輯數(shù)字化數(shù)據(jù)，產(chǎn)生具有高質(zhì)量的復雜曲面。該軟件系統(tǒng)可以完全控制曲面邊界的選取，然后根據(jù)設(shè)定的公差能夠自動產(chǎn)生光滑的多塊曲面 ，同時，CopyCAD 還能夠確保在連接曲面之間的正切的連續(xù)性。 
    該軟件的主要功能如下： 
    數(shù)字化點數(shù)據(jù)輸入 
    DUCT 圖形和三角模型文件 
    CNC 坐標測量機床 
    分隔的 ASCII 碼和 NC 文件 
    激光掃描器、三維掃描器和 SCANTRON 
    PC ArtCAM 
    Renishaw MOD 文件 
    點操作 
    能夠進行相加、相減、刪除、移動以及點的隱藏和標記等點編輯 
    能夠為測量探針大小對模型的三維偏置進行補償 
    能夠進行模型的轉(zhuǎn)換、縮放、旋轉(zhuǎn)和鏡像等模型轉(zhuǎn)換 
    能夠?qū)ζ矫?、多邊形或其它模型進行模型裁剪 
    三角測量 
    在用戶定義的公差和選項內(nèi)的數(shù)字化模型的三角測量，包括： 
    ① 原始的——法線設(shè)置 
    ② 尖銳——尖銳特征強化 
    ③ 特征匹配——來自點法線數(shù)據(jù)的特征 
    ④ 關(guān)閉三角測量——為了快速繪圖可以關(guān)閉模型 
    特征線的產(chǎn)生 
    邊界——轉(zhuǎn)換模型外邊緣為特征線 
    間斷——為找到簡單的特征(如凸出和凹下)而探測數(shù)據(jù)里的尖銳邊緣 
    能夠轉(zhuǎn)換數(shù)字化掃描線為特征線 
    輸入的數(shù)據(jù)——能夠從點文件中摘錄多線條和樣條曲線 
    曲面構(gòu)造 
    通過在三角測量模型上跟蹤直線產(chǎn)生多樣化曲面 
    在連接的曲面之間，用已存在的曲面定義帶有選項的正切連續(xù)性的邊界 
    使用特征線指導和加快曲面定義 
    曲面錯誤檢查 
    比較曲面與數(shù)字化點數(shù)據(jù) 
    報告最大限、中間值和標準值的錯誤背離 
    錯誤圖形形象地顯示變化 
    輸出 
    IGES、CADDS4X 
    STL ASCII 碼和二進制 
    DUCT 圖形、三角模型和曲面 
    分隔的 ASCII 碼 
    RapidForm
    RapidForm 是韓國 INUS 公司出品的全球四大逆向工程軟件之一，RapidForm 提供了新一代運算模式，可實時將點云數(shù)據(jù)運算出無接縫的多邊形曲面，使它成為 3D Scan 后處理之最佳化的接口。RapidForm 也將使您的工作效率提升，使 3D 掃描設(shè)備的運用范圍擴大，改善掃描品質(zhì)。 
    多點云數(shù)據(jù)管理介面 
高級光學 3D 掃描儀會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)(可達 100,000 ～ 200,000點)，由于數(shù)據(jù)非常龐大，因此需要昂貴的電腦硬件才可以運算，現(xiàn)在 RapidForm 提供記憶管理技術(shù)(使用更少的系統(tǒng)資源)可縮短您處理數(shù)據(jù)的時間。 
    多點云處理技術(shù) 
可以迅速處理龐大的點云數(shù)據(jù)，不論是稀疏的點云還是跳點都可以輕易地轉(zhuǎn)換成非常好的點云， RapidForm 提供過濾點云工具以及分析表面偏差的技術(shù)來消除 3D 掃描儀所產(chǎn)生的不良點云。 
    快速點云轉(zhuǎn)換成多邊形曲面的計算法 
    在所有逆向工程軟件中，RapidForm 提供一個特別的計算技術(shù)，針對 3D 及 2D 處理是同類型計算，軟件提供了一個最快最可靠的計算方法，可以將點云快速計算出多邊形曲面。RapidForm 能處理無順序排列的點數(shù)據(jù)以及有順序排列的點數(shù)據(jù)。 
    彩色點云數(shù)據(jù)處理 
    RapidForm 支持彩色 3D 掃描儀，可以生成最佳化的多邊形，并將顏色信息映像在多邊形模型中。在曲面設(shè)計過程中，顏色信息將完整保存，也可以運用 RP 成型機制作出有顏色信息的模型。RapidForm 也提供上色功能，通過實時上色編輯工具，使用者可以直接對模型編輯自己喜歡的顏色。 
    點云合并功能 
    多個點掃描數(shù)據(jù)有可能經(jīng)手動方式將特殊的點云加以合并，當然，RapidForm 也提供一技術(shù)，使用者可以方便地對點云數(shù)據(jù)進行各種各樣的合并。 
    注：Roland 模具加工機隨機所附的 PixForm 軟件為 RapidForm 的 OEM 軟件。