反求工程(Reverse Engineering)這一術語起源于60年代,但對它從工程的廣泛性去研究,從反求的科學性進行深化還是從90年代初剛剛開始.反求工程類似于反向推理,屬于逆向思維體系.它以社會方法學為指導,以現(xiàn)代設計理論,方法,技術為基礎,運用各種專業(yè)人員的工程設計經(jīng)驗,知識和創(chuàng)新思維,對已有的產(chǎn)品進行解剖,分析,重構和再創(chuàng)造,在工程設計領域,它具有獨特的內(nèi)涵,可以說它是對設計的設計.

反求工程技術是測量技術,數(shù)據(jù)處理技術,圖形處理技術和加工技術相結合的一門結合性技術.隨著計算機技術的飛速發(fā)展和上述單元技術是逐漸成熟,近年來在新產(chǎn)品設計開發(fā)中愈來愈多的被得到應用,因為在產(chǎn)品開發(fā)過程中需要以實物(樣件)作為設計依據(jù)參考模型或作為最終驗證依據(jù)時尤其需要應用該項技術,所以在汽車,摩托車的外形覆蓋件和內(nèi)裝飾件的設計,家電產(chǎn)品外形設計,藝術品復制中對反求工程技術的應用需求尤為迫切.

所謂反求工程是將數(shù)據(jù)采集設備獲取的實物樣件表面或表面及內(nèi)腔數(shù)據(jù),輸入專門的數(shù)據(jù)處理軟件或帶有數(shù)據(jù)處理能力的三維CAD軟件進行處理和三維重構,在計算機上復現(xiàn)實物樣件的幾何形狀,并在此基礎上進行原樣復制,修改或重設計,該方法主要用于對難以精確表達的曲面形狀或未知設計方法的構件形狀進行三維重構和再設計.

反求工程技術的研究對象多種多樣,所包含的內(nèi)容也比較多,主要可以分為以下三大類:

①實物類:主要是指先進產(chǎn)品設備的實物本身;

②軟件類:包括先進產(chǎn)品設備的圖樣,程序,技術文件等;

③影像類;包括先進產(chǎn)品設備的圖片,照片或以影像形式出現(xiàn)的資料.

反求工程包含對產(chǎn)品的研究與發(fā)展,生產(chǎn)制造過程,管理和市場組成的完整系統(tǒng)的分析和研究.主要包括以下幾個方面:

探索原產(chǎn)品設計的指導思想 掌握原產(chǎn)品設計的指導思想是分析了解整個產(chǎn)品設計的前提.如微型汽車的消費群體是普通百姓,其設計的指導思想是在滿足一般功能的前提下,盡可能降低成本,所以結構上通常是較簡化的.

探索原產(chǎn)品原理方案的設計各種產(chǎn)品都是按定的使用要求設計的,而滿足同樣要求的產(chǎn)品,可能有多種不同的形式,所以產(chǎn)品的功能目標是產(chǎn)品設計的核心問題.產(chǎn)品的功能概括而論是能量, 物料信號的轉換.例如,一般動力機構的功能通常是能量轉換,工作機通常是物料轉換,儀器儀表通常是信號轉換.不同的功能目標,可引出不同的原理方案.設計一個夾緊裝置時,把功能目標定在機械手段上,則可能設計出斜楔夾緊,螺旋夾緊,偏心夾緊,定心夾緊,聯(lián)動夾緊等原理方案;如把功能目標確定擴大,則可設計出液動,氣動,電磁夾緊等原理方案.探索原產(chǎn)品原理方案的設計,可以了解功能目標的確定原則,這對產(chǎn)品的改進設計有極大幫助.

研究產(chǎn)品的結構設計 產(chǎn)品中零部件的具體結構是實現(xiàn)產(chǎn)品功能目標是保證,對產(chǎn)品的性能,工作能力,經(jīng)濟性,壽命和可靠性有著密切關系.

確定產(chǎn)品的零部件形體尺寸分解產(chǎn)品實物,由外至內(nèi),由部件至零件,通過測繪與計算確定零部件形體尺寸,并用圖樣及技術文件方式表達出來.它是反求設計中工作量很大的一部分工作.為更好地進行形體尺寸的分析與測繪,應總結箱體類,軸類,盤套類,,齒輪,彈簧,曲線曲面及其它特殊形體的測量方法,并合理標注尺寸.

確定產(chǎn)品中零件的精度確定零件的精度(即公差設計),是反求設計中的難點之一.通過測量,只能得到零件的加工尺寸,而不能獲得幾何精度的分配.精度是衡量反求對象性能的重要指標,是評價反求設計產(chǎn)品質(zhì)量的主要技術參數(shù)之一.科學合理地進行精度分配,對提高產(chǎn)品的裝配精度和力學性能至關重要.

確定產(chǎn)品中零件的材料通過零件的外觀比較,重量測量,力學性能測定,化學分析,光譜分析,金相分析等試驗方法,對材料的物理性能,化學成分,熱處理等情況進行全面鑒定,在此基礎上,遵循立足國內(nèi)的方針,考慮資源及成本,選擇合用的國產(chǎn)材料,或參照同類產(chǎn)品的材料牌號,選擇滿足力學性能及化學性能的國有材料代用.

確定產(chǎn)品的工作性能 針對產(chǎn)品的工作特點機器主要性能進行試驗測定,反計算和深入地分析,了解產(chǎn)品的設計準則和設計規(guī)范,并提出改進措施.

確定產(chǎn)品的造型 對產(chǎn)品的外形構型,色彩設計等進行分析,從美學原則,顧客需求心里,商品價值等角度進行構型設計和色彩設計.

確定產(chǎn)品的維護與管理 分析產(chǎn)品的維護和管理方式,了解重要零部件及易損零部件,有助于維修及設計的改進和創(chuàng)新.

反求工程（逆向工程）是近年來發(fā)展起來的消化，吸收和提高先進技術的一系列分析方法和應用技術的組合，其主要目的是為了改善技術水平，提高生產(chǎn)率，增強經(jīng)濟競爭力。世界各國在經(jīng)濟技術發(fā)展中，應用反求工程消化吸收先進技術經(jīng)驗，給人們有益的啟示。據(jù)統(tǒng)計，各國百分之七十以上的技術源于國外，反求工程作為掌握技術的一種手段，可使產(chǎn)品研制周期縮短百分之四十以上，極大提高了生產(chǎn)率。因此研究反求工程技術，對我國國民經(jīng)濟的發(fā)展和科學技術水平的提高，具有重大的意義。

反求工程（逆向工程）的應用領域大致可分為以下幾種情況：

在沒有設計圖紙或者設計圖紙不完整以及沒有CAD模型的情況下，在對零件原形進行測量的基礎上形成零件的設計圖紙或CAD模型，并以此為依據(jù)利用快速成型技術復制出一個相同的零件原型。

當要設計需要通過實驗測試才能定型的工件模型時，通常采用反求工程的方法。比如航天航空領域，為了滿足產(chǎn)品對空氣動力學等要求，首先要求在初始設計模型的基礎上經(jīng)過各種性能測試（如風洞實驗等）建立符合要求的產(chǎn)品模型，這類零件一般具有復雜的自由曲面外型，最終的實驗模型將成為設計這類零件及反求其模具的依據(jù)。

在美學設計特別重要的領域，例如汽車外型設計廣泛采用真實比例的木制或泥塑模型來評估設計的美學效果，而不采用在計算機屏幕上縮小比例的物體投視圖的方法，此時需用反求工程的設計方法。

修復破損的藝術品或缺乏供應的損壞零件等，此時不需要對整個零件原型進行復制，而是借助反求工程技術抽取零件原形的設計思想，指導新的設計。這是由實物逆向推理出設計思想的一種漸近過程。

反求工程（逆向工程）具有與傳統(tǒng)設計制造過程截然不同的設計流程。在反求工程中，按照現(xiàn)有的零件原形進行設計生產(chǎn)，零件所具有幾何特征與技術要求都包含在原形中；在傳統(tǒng)的設計制造中，按照零件最終所要承擔的功能以及各方面的影響因素，進行從無到有的設計。此外，從概念設計出發(fā)到最終形成CAD模型的傳統(tǒng)設計是一個確定的明晰過程，而通過對現(xiàn)有零件原形數(shù)字化后在形成CAD模型的反求工程是一個推理，逼近的過程。

1) 反求工程（逆向工程）一般可分為四個階段：

第一步: 零件原形的數(shù)字化

通常采用三坐標測量機(CMM)或激光掃描儀等測量裝置來獲取零件原形表面點的三維坐標值。

第二部: 從測量數(shù)據(jù)中提取零件原形的幾何特征

按測量數(shù)據(jù)的幾何屬性對其進行分割，采用幾何特征匹配與識別的方法來獲取零件原形所具有的設計與加工特征。

第三部: 零件原形CAD模型的重建

將分割后的三維數(shù)據(jù)在CAD系統(tǒng)中分別做表面模型的擬合，并通過各表面片的求交與拼接獲取零件原形表面的CAD模型。

第四部: 重建CAD模型的檢驗與修正

采用根據(jù)獲得的CAD模型重新測量和加工出樣品的方法來檢驗重建的CAD模型是否滿足精度或其他試驗性能指標的要，對不滿足要求者重復以上過程，直至達到零件的逆向工程設計要求。

2) 反求工程（逆向工程）中常用的測量方法

反求工程中（逆向工程）的測量方法可分成兩類:接觸式與非接觸式。

(1) 接觸式測量方法

坐標測量機

坐標測量機是一種大型精密的三坐標標測量儀器，可以對具有復雜形狀的工件的空間尺寸進行逆向工程測量。坐標測量機一般采用觸發(fā)式接觸測量頭，一次采樣只能獲取一個點的三維坐標值。九十年代初，英國Renishaw公司研制出一種三維力一位移傳感的掃描測量頭，該測頭可以在工件上滑動測量，連續(xù)獲取表面的坐標信息，掃描速度可達8米/秒，數(shù)字化速度最高可達500點/秒，精度約為0.03mm。這種測頭價格昂貴，目前尚未在坐標測量機上廣泛采用。坐標測量機主要優(yōu)點是測量精度高，適應性強，但一般接觸式測頭測量效率低，而且對一些軟質(zhì)表面無法進行逆向工程測量。

層析法

層析法是近年來發(fā)展的一種反求工程逆向工程技術，將研究的零件原形填充后，采用逐層銑削和逐層光掃描相結合的方法獲取零件原形不同位置截面的內(nèi)外輪廓數(shù)據(jù)，并將其組合起來獲得零件的三維數(shù)據(jù)。層析法的優(yōu)點在于任意形狀，任意結構零件的內(nèi)外輪廓進行測量，但測量方式是破壞性的。

(2) 非接觸式逆向工程測量方法

非接觸式測量根據(jù)測量原理的不同，大致有光學測量、超聲波測量、電磁測量等方式。以下僅將在反求工程中最為常用與較為成熟的光學測量方法（含數(shù)字圖像處理方法）作一簡要說明。

基于光學三角型原理的逆向工程掃描法

這種測量方法根據(jù)光學三角型測量原理，以光作為光源，其結構模式可以分為光點、單線條、多光條等，將其投射到被測物體表面，并采用光電敏感元件在另一位置接收激光的反射能量，根據(jù)光點或光條在物體上成象的偏移，通過被測物體基平面、象點、象距等之間的關系計算物體的深度信息。

基于相位偏移測量原理的莫爾條紋法

這種測量方法將光柵條紋投射到被測物體表面，光柵條紋受物體表面形狀的調(diào)制，其條紋間的相位關系會發(fā)生變化，數(shù)字圖像處理的方法解析出光柵條紋圖像的相位變化量來獲取被測物體表面的三維信息。

基于工業(yè)CT斷層掃描圖像逆向工程法

這種測量方法對被測物體進行斷層截面掃描,以X射線的衰減系數(shù)為依據(jù)，經(jīng)處理重建斷層截面圖像，根據(jù)不同位置的斷層圖像可建立物體的三維信息。該方法可以對被測物體內(nèi)部的結構和形狀進行無損測量。該方法造價高，測量系統(tǒng)的空間分辨率低，獲取數(shù)據(jù)時間長，設備體積大。美國LLNL實驗室研制的高分辨率ICT系統(tǒng)測量精度為0.01mm。

立體視覺測量方法

立體視覺測量是根據(jù)同一個三維空間點在不同空間位置的兩個（多個）攝象機拍攝的圖像中的視差，以及攝象機之間位置的空間幾何關系來獲取該點的三維坐標值。立體視覺測量方法可以對處于兩個（多個）攝象機共同視野內(nèi)的目標特征點進行測量，而無須伺服機構等掃描裝置。立體視覺測量面臨的最大困難是空間特征點在多幅數(shù)字圖象中提取與匹配的精度與準確性等問題。近來出現(xiàn)了以將具有空間編碼的特征的結構光投射到被測物體表面制造測量特征的方法有效解決了測量特征提取和匹配的問題，但在測量精度與測量點的數(shù)量上仍需改進。