自然啟發算法在基于模闆的逆向工程方法中的作用是什麼？
前言
基于模闆的反向工程方法是CAD模型重建領域相對較少研究的政策之一。受最近的研究啟發，該方法通過利用物體的參數化描述（即CAD模闆）來檢索有意義的數字表示，提出了一種從3D網格資料開始重建CAD模型的新方法。
重建過程依靠CAD模闆完成，該模闆的特征樹和幾何限制根據實體對象的先驗資訊進行定義。CAD模闆被拟合到網格資料上，通過粒子群優化算法來優化其尺寸參數和位置/方向。
結果生成一個符合幾何關系的參數化CAD模型，同時提供了一個定義關聯模組化曆史的特征樹。該實作方案利用CAD軟體包（Siemens NX）和數值軟體環境（MATLAB）之間的協作。
針對工程應用，反向工程（RE）過程的主要目标是從擷取的原始資料中提取資訊，以重建一個盡可能接近原始對象設計的合适參數化CAD模型。所組成的CAD特征需要在尺寸、組合結構和現有關系（即幾何限制、對稱性、規律性）方面保持正确。
定義一個可解且友善的非沖突限制集合是一個非常困難的任務，極大地影響了方法的效率。此外在大多數受限制的配準公式中，限制隻被實作到一定的容差範圍内。盡管所涉及的重建誤差通常在實際目的上是可以忽略不計的，但這樣的不精确性在随後的模型編輯中可能會帶來不便。
在評估RE方法的性能時需要考慮其他重要方面，包括重建過程結束時生成的模型類型及其可用性。一般而言，反向工程師希望得到與至少一個主要的知名CAD/CAE軟體包相容的參數化表示結果；此外可能需要具有顯著的特征樹和特定的檔案格式，這些通常通過強烈的後處理階段獲得。
最有效的基于知識的方法之一是基于模闆的重建，在這類技術中，在RE過程開始時定義某種CAD模闆，其中包含已知的特征和幾何關系，并用于指導重建。
在一些情況下，使用模闆可以改善機械部件的反向工程過程。模闆是指包含已知特征和幾何關系的CAD模型，可以在反向工程過程中被用來指導重建過程。這種方法被稱為基于知識的方法，因為它利用了設計師對零件的深入了解，包括零件的設計目的、生産過程以及與其他部件的互動方式。
目前為止，即便是最先進的基于模闆的反向工程方法也無法同時保證以下兩個可用性要求：檢索到完全定義的特征樹，與完全可編輯的參數化CAD模型相對應；強制執行完美的幾何限制，尊重使用者意圖并保留模型的可編輯性。
利用預定義的CAD模闆來拟合3D掃描資料。這個過程是在一個成熟的CAD環境中完成的，使用一個名為TCRT的軟體工具。這個工具允許設計師在已知和熟悉的環境下進行模闆設計，同時實作一個完全可參數化和可編輯的模型，具有一個可編輯和有意義的關聯特征樹，可以用于下遊應用。
優化過程通過調整模闆的形狀、位置和方向來實作，同時更新整個CAD模闆的參數（是以隐式利用了預先确定的幾何限制），直接幹預CAD特征樹，并最小化全局拟合誤差。通過使用Siemens NX的内置工具評估CAD模型與原始網格之間的偏差資料，建構了指導優化的目标函數。
在CAD環境中使用基于固定特征樹的參數表示的主要優點是隐式采用了一套完整和有意義的幾何限制，在優化過程中和最終的CAD模闆中始終得到強制執行。模組化函數的實作以及限制的合規性對優化過程和使用者來說都是透明的，因為這完全是由CAD軟體來處理的。
介紹中所述所提出的RE方法是通過使用MATLAB和Siemens NX實作的，其中前者提供了一個易于開發的環境，并配備了全局優化工具箱和優化工具箱，可以快速可靠地通路多種成熟的優化例程。
後者是一個CAD軟體包，配備了語言中立的API，提供對CAD核心應用程式功能的完全通路；還有它還支援在網格資料和CAD特征之間的操作，例如計算網格表面和CAD表面之間的距離。
TCRT已經在一台配備有Microsoft作業系統（即Windows 7）、Siemens NX 10和MATLAB R2016b的計算機上實作和測試。在一個128 GB RAM的工作站上，使用了一個六核心Intel® Xeon® E5-2643 v3處理器，可同時管理最多12個線程，主頻為3.40 GHz。
這個方法的效率是其适用性的關鍵因素。與商業重建工具相比，測試工作站上目前所需的計算時間顯着較高。通過友善地調整優化算法和距離度量，可以實作效率的改進。然而目前計算成本的90％以上可歸因于兩個外部因素：内部NX處理，需要計算所需的距離，将距離值從NX傳遞到MATLAB。
結論
未來的測試将着重于重建由自由形面組成的模型，這些模型通常由于控制參數的數量較多而引入了額外的計算複雜性；在這方面使用遺傳算法或PSO本身（Gálvez＆Iglesias，2012）已獲得令人滿意的結果，證明了自然啟發式算法在處理RE中的資料拟合問題時的有效性。
