随着计算机图形学、计算机辅助几何设计和高性能计算等相关技术的发展，3维CAD技术已在制造业中被广泛使用，产品的3维CAD模型已成为现代产品开发、制造、改型和使用维护的基础和平台。因此，获取产品的3维CAD模型有着非常重要的意义。在没有产品CAD模型和没有设计图纸或者设计图纸不完整的情况下，按照现有产品样件，利用各种数字化技术及CAD技术重构其CAD模型的过程，被称为实物反求工程。本文围绕实物反求工程，研究和讨论基于ATOS测量系统重构常规工程零件CAD模型的理论和方法。结构光的测量技术在商品化的光学测量系统中最为流行,ATOS测量系统是其中非常由有代表性的一种，并在工业实践中被广泛使用。本文分析讨论ATOS系统的基本工作原理，研究ATOS系统理论基础中的几个关键技术－光学三角原理、条纹投影和相移。研究使用ATOS系统测量实物样件的流程、总结测量过程中的参考点布置问题。ATOS获取的点云属于高密度散乱点云，具有大量的冗余点和噪音点，因此，在拟合曲面前必须对点云进行预处理，去除掉点云中的冗余点和噪音点。本文研究和讨论了点云预处理的基本流程和主要步骤，研究点云光顺的高斯滤波，中值滤波和平均滤波方法、点云精简的弦高差算法和多视点云特征对齐的方法。常规工程零件的外表面中包含了大量的特征曲面，如简单解析曲面和四边直纹面，因此，本文提出基于特征曲面的的点云分割方法，研究几种识别简单解析曲面的算法；研究由点云拟合B－Spline和Bézier曲线的理论基础，总结曲面拟合的几种方法，提出一种反求定半径滚球圆角的方法。重构模型应当达到尺寸误差在规定范围内和曲面足够光顺，能够用于后续的加工和分析。本文使用轮廓度作为模型的尺寸精度量化指标，给出轮廓度的计算方法。研究和讨论了曲面光顺程度的分析方法,如等曲率线法、反射线法、高亮度线法和等照度线法等。最后，将上述理论和方法成功的应用于“某型轿车主地板总成及后地板总成三维数模设计”的实践，成功的重构出后地板的3维CAD模型。