針對激光掃描儀與三坐標(biāo)測量臂的點(diǎn)云數(shù)據(jù)自動(dòng)配準(zhǔn)方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種針對激光掃描儀與三坐標(biāo)測量臂的點(diǎn)云數(shù)據(jù)自動(dòng)配準(zhǔn)方法，該方法通過激光掃描儀與三坐標(biāo)測量臂分別對重建模型及多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)球表面數(shù)字化；激光掃描儀獲得是海量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，三坐標(biāo)測量臂獲得重建模型指定表面部位有限且離散的點(diǎn)云數(shù)據(jù)以及根據(jù)采集點(diǎn)擬合得到標(biāo)準(zhǔn)球曲面。由于激光掃描儀與三坐標(biāo)測量臂測量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)無法直接使用改進(jìn)的ICP算法實(shí)現(xiàn)對齊，所以對三坐標(biāo)測量臂測量擬合的標(biāo)準(zhǔn)球曲面反向求出點(diǎn)云數(shù)據(jù)并且密化點(diǎn)云數(shù)量，再使用改進(jìn)ICP算法針對兩類設(shè)備各自獲得的標(biāo)準(zhǔn)球點(diǎn)云數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對齊。實(shí)驗(yàn)證明該方法不僅對齊效率高，實(shí)時(shí)性好，而且易于實(shí)現(xiàn)，容易操作，使用效果好。
【專利說明】針對激光掃描儀與三坐標(biāo)測量臂的點(diǎn)云數(shù)據(jù)自動(dòng)配準(zhǔn)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及三維曲面測量【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是一種利用激光掃描儀與三坐標(biāo)測量臂 混合式測量點(diǎn)云數(shù)據(jù)且實(shí)現(xiàn)自動(dòng)配準(zhǔn)方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 重建模型的三維數(shù)字化數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理是逆向工程技術(shù)的第一步也是最關(guān) 鍵的一步，需要通過特定的測量設(shè)備和測量方法獲取被測件表面離散點(diǎn)的幾何坐標(biāo)數(shù)據(jù)， 采集數(shù)據(jù)的精度、完整性、效率等直接影響著整個(gè)逆向工程的質(zhì)量和效率。
[0003] 目前廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集的方法主要有兩種：接觸式測量和非接觸式測量。
[0004] 1、接觸式測量：接觸式測量主要是使用一些機(jī)械式的手工測量儀器或由接觸式傳 感器組成的電子測量儀器，其中以手工測量為主。手工測量的工具主要包括：布帶尺、鋼卷 尺、劃筆、量高儀、踏腳印器和量腳卡尺。手工測量從測量方法上又分為直接法和間接法。直 接法比較簡單。首先用筆在腳的特征部位上標(biāo)出有關(guān)測量點(diǎn)，利用布帶尺、量高儀等工具可 以直接測量出腳的各個(gè)有關(guān)數(shù)據(jù)。間接法利用腳印器踏出腳印并繪制出腳的輪廓線，然后 再進(jìn)行測量分析。接觸式腳型測量的優(yōu)點(diǎn)是投資少、操作步驟簡單、靈活性強(qiáng)、方便攜帶、便 于短時(shí)間內(nèi)在不同的測量地點(diǎn)進(jìn)行測量。缺點(diǎn)是接觸式測量方式會(huì)對腳部產(chǎn)生壓力，引起 腳部形變，造成測量誤差，測量時(shí)間長，而且測量的腳部參數(shù)有限，有些較復(fù)雜的參數(shù)或曲 線無法測量，工作效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、重復(fù)再現(xiàn)性差、測量者之間的誤差大，同時(shí)，這種測 量方式難以獲得腳部整體的數(shù)據(jù)信息。也不能對腳的截面形態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。無法進(jìn)行更 深層次的研究。
[0005] 2、非接觸式測量：在計(jì)算機(jī)、光學(xué)等學(xué)科發(fā)展的帶動(dòng)下。光學(xué)非接觸式測量作為近 年來興起的一門測量技術(shù)受到越來越多的重視。目前，光學(xué)非接觸式測量方法主要有構(gòu)光 測量、立體視覺測量、激光測量等。
[0006] (1)結(jié)構(gòu)光測量：結(jié)構(gòu)光三維視覺基于光學(xué)三角法原理，其基本原理是由結(jié)構(gòu)光投 射器向被測物體表面投射可控制的光點(diǎn)、光條或光面結(jié)構(gòu)，并由圖像傳感器(如攝像機(jī)）獲 得圖像，通過系統(tǒng)幾何關(guān)系，利用三角原理計(jì)算得到物體的三維坐標(biāo)。結(jié)構(gòu)光測量方法具有 計(jì)算簡單、體積小、價(jià)格低、便于安裝和維護(hù)的特點(diǎn)，在實(shí)際三維輪廓測量中被廣泛使用。但 是測量精度受物理光學(xué)的限制，存在遮擋問題，測量精度與速度相互矛盾，難以同時(shí)得到提 商。
[0007] (2)立體視覺測量：在計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)中，利用兩臺(tái)位置相對固定的攝像機(jī)或一個(gè) 攝像機(jī)在兩個(gè)不同的位置，從不同角度同時(shí)獲取同一景物的兩幅圖像，通過計(jì)算空間點(diǎn)在 兩幅圖像中的視差來獲得其三維坐標(biāo)值。立體視覺方法最大的特點(diǎn)是拍攝速度快，可以在 不到一秒時(shí)間內(nèi)完成拍攝任務(wù)，適合于需要快速測量場合。但立體視覺方法數(shù)據(jù)處理量大， 處理時(shí)間長，而且需要進(jìn)行兩幅圖像的匹配，在物體表面灰度和面形變化不大時(shí)，會(huì)影響匹 配和測量精度。
[0008] (3)激光測量：由一個(gè)多邊形鏡頭定位的一根直線可視激光束，通過高頻掃描來對 物體表面進(jìn)行掃描測量；應(yīng)用三角定律，激光束在物體表面經(jīng)反射后由激光接受器接收，然 后經(jīng)計(jì)算獲得物體表面的坐標(biāo)。激光掃描可以可以精確地提供三維環(huán)境信息，數(shù)據(jù)處理簡 單，受環(huán)境影響小。但成本高，精度、測距與掃描速率存在矛盾關(guān)系。
[0009] 接觸式測量方式獲取數(shù)據(jù)的特點(diǎn)是：稀疏、精度高，但是對于一些未知的復(fù)雜零件 的數(shù)據(jù)采集效率較低。非接觸式測量由于無需逐點(diǎn)測量，能快速獲取海量數(shù)據(jù)點(diǎn)，數(shù)據(jù)密度 大，可以辨識(shí)模型的細(xì)節(jié)，在逆向工程中應(yīng)用日益廣泛，但是精度比接觸式測量低很多，特 別是作為一種光學(xué)測量傳感器，只能測得可見表面的數(shù)據(jù)，對于曲率變化大的凹陷表面及 深孔、洞等幾何特征無法獲取測量數(shù)據(jù)，這些都影響了其在實(shí)際工程中的應(yīng)用。
[0010] 接觸式和非接觸式測量方法自身的局限性限制了它們在逆向工程中的應(yīng)用，于是 采用接觸式與非接觸式測量方法對重建模型進(jìn)行混合式測量，實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)融合，提高測 量精度。這也為逆向工程中的模型測量方法提出了新要求和新思路。
[0011] 因此亟需提出一種測量效率高，實(shí)時(shí)性好，而且易于實(shí)現(xiàn)，測量成本低，容易操作， 使用效果好的三維數(shù)字化數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理方法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 本發(fā)明的目的是提供一種針對激光掃描儀與三坐標(biāo)測量臂的點(diǎn)云數(shù)據(jù)自動(dòng)配準(zhǔn) 方法，該方法不僅測量效率高，實(shí)時(shí)性好，而且易于實(shí)現(xiàn)，測量成本低，容易操作，使用效果 好。
[0013] 本發(fā)明采用以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：針對激光掃描儀與三坐標(biāo)測量臂的點(diǎn)云數(shù)據(jù)自動(dòng) 配準(zhǔn)方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟S01 :提供激光掃描儀及三坐標(biāo)測量臂，在重建 模型周圍布置N個(gè)大小不一的標(biāo)準(zhǔn)球，其中N為大于3的自然數(shù)，利用所述激光掃描儀對重 建模型及N個(gè)標(biāo)準(zhǔn)球進(jìn)行表面數(shù)字化得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理從而獲得 三維模型；步驟S02 :通過所述三坐標(biāo)測量臂對重建模型及標(biāo)準(zhǔn)球進(jìn)行數(shù)據(jù)補(bǔ)測，首先測量 擬合出標(biāo)準(zhǔn)球球面，再測量重建模型激光掃描儀無法掃到或者精度要求超出激光掃描儀所 能達(dá)到的特征，從而提高在后期對模型重建的精度；步驟S03 :通過算法將三坐標(biāo)測量臂測 量擬合的標(biāo)準(zhǔn)球球面反向求出點(diǎn)云，并且密化由曲面反向得到的點(diǎn)云數(shù)量，再采用改進(jìn)的 ICP算法實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)精配準(zhǔn)。
[0014] 在本發(fā)明一實(shí)施例中，所述步驟S01中對激光掃描儀獲取的點(diǎn)云處理包括以下步 驟：步驟soil:通過平滑算法優(yōu)化激光掃描儀測量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再將其可視化；步驟S012: 對所述的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪聲處理。
[0015] 在本發(fā)明一實(shí)施例中，步驟S02由曲面反求點(diǎn)云包括以下步驟：步驟S021 :按照 "曲面-曲線"的分解次序，將復(fù)雜曲面離散為多組相互平行的截交線；步驟S022 :根據(jù)步驟 S021提取的截交線離散得到數(shù)據(jù)點(diǎn)，應(yīng)用三次均勻B樣條插值算法，確定各截交線的數(shù)學(xué) 表達(dá)式；三次B樣條曲線的矩陣表示：

【權(quán)利要求】
1. 針對激光掃描儀與三坐標(biāo)測量臂的點(diǎn)云數(shù)據(jù)自動(dòng)配準(zhǔn)方法，其特征在于，包括以下 步驟： 步驟SOl :提供激光掃描儀及三坐標(biāo)測量臂，在重建模型周圍布置N個(gè)大小不一的標(biāo)準(zhǔn) 球，其中N為大于3的自然數(shù)，利用所述激光掃描儀對重建模型及N個(gè)標(biāo)準(zhǔn)球進(jìn)行表面數(shù)字 化得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理從而獲得三維模型； 步驟S02 :通過所述三坐標(biāo)測量臂對重建模型及標(biāo)準(zhǔn)球進(jìn)行數(shù)據(jù)補(bǔ)測，首先測量擬合 出標(biāo)準(zhǔn)球球面，再測量重建模型激光掃描儀無法掃到或者精度要求超出激光掃描儀所能達(dá) 到的特征，從而提高在后期對模型重建的精度； 步驟S03 :通過算法將三坐標(biāo)測量臂測量擬合的標(biāo)準(zhǔn)球球面反向求出點(diǎn)云，并且密化 由曲面反向得到的點(diǎn)云數(shù)量，再采用改進(jìn)的ICP算法實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)精配準(zhǔn)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的針對激光掃描儀與三坐標(biāo)測量臂的點(diǎn)云數(shù)據(jù)自動(dòng)配準(zhǔn)方法， 其特征在于：所述步驟SOl中對激光掃描儀獲取的點(diǎn)云處理包括以下步驟： 步驟SOll :通過平滑算法優(yōu)化激光掃描儀測量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再將其可視化； 步驟S012 :對所述的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪聲處理。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的針對激光掃描儀與三坐標(biāo)測量臂的點(diǎn)云數(shù)據(jù)自動(dòng)配準(zhǔn)方法， 其特征在于：步驟S02由曲面反求點(diǎn)云包括以下步驟： 步驟S021 :按照"曲面-曲線"的分解次序，將復(fù)雜曲面離散為多組相互平行的截交 線. 步驟S022 :根據(jù)步驟S021提取的截交線離散得到數(shù)據(jù)點(diǎn)，應(yīng)用三次均勻B樣條插值算 法，確定各截交線的數(shù)學(xué)表達(dá)式；三次B樣條曲線的矩陣表示：
式中，F(xiàn)i^(j=〇, 1，2,3)為特征多邊形頂點(diǎn)；及及（j=0, 1，2,3)為三次樣條基函數(shù)； IXL·為基函數(shù)系數(shù)矩陣； 步驟S023 :給定的點(diǎn)列巧（j=l，2, · · · ·，η); 步驟S024 : B樣條首尾兩端點(diǎn)應(yīng)用四重節(jié)點(diǎn)，基函數(shù)系數(shù)矩陣i*L··?根據(jù)B樣條曲線的 段數(shù)和曲線序號來選?。? 步驟S025 : B樣條首尾兩端點(diǎn)選用自由端條件，添加方程組：
步驟S026 :構(gòu)造三次B樣條插值曲線方程組：
步驟S027 :求解三次B樣條插值曲線方程組，確定特征多邊形控制頂點(diǎn)匕 (j=l, 2, . . . , n+1, n+2)； 步驟S028 :由控制頂點(diǎn)^^ (j=〇, 2, 3)計(jì)算截交線B樣條的參數(shù)表達(dá)巧3(參J%?， i=l，2,…，n〇
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的針對激光掃描儀與三坐標(biāo)測量臂的點(diǎn)云數(shù)據(jù)自動(dòng)配準(zhǔn)方法， 其特征在于：步驟S03還包括以下步驟： 步驟S031 :對于點(diǎn)云中的一個(gè)點(diǎn)p其方向矢量等價(jià)于該點(diǎn)與其領(lǐng)域Nbhd (Pi)的最小 二乘擬合平面的法向量η(Λ)，則該點(diǎn)與擬合平面的誤差由點(diǎn)Λ和平面內(nèi)點(diǎn)的連線與點(diǎn)β 的點(diǎn)積求得； 步驟S032 :采用基于MLS面的曲率算法來計(jì)算曲率，在相當(dāng)噪聲水平下快速有效的計(jì) 算出散亂點(diǎn)云每一點(diǎn)的高斯曲率和平均曲率值； 步驟S033 :由步驟S031、S032計(jì)算點(diǎn)云中的每一個(gè)點(diǎn)的方向矢量和曲率，設(shè)置誤差閾 值，在模型點(diǎn)云中尋找一對方向矢量和曲率誤差在閾值之內(nèi)的點(diǎn)，通過這組對應(yīng)點(diǎn)使目標(biāo) 函數(shù)：
最小化，得到最優(yōu)的平移向量t和旋轉(zhuǎn)矩陣R，將平移向量t 和旋轉(zhuǎn)矩陣R作用到數(shù)據(jù)點(diǎn)云上，得到新的數(shù)據(jù)點(diǎn)云帶入下一次迭代過程，直至迭代收斂。
【文檔編號】G01B11/24GK104392488SQ201410754578
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年12月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月11日
【發(fā)明者】何炳蔚, 李海榕, 趙強(qiáng) 申請人:福州大學(xué)