三維量測模擬取點系統(tǒng)及方法
【專利摘要】一種三維量測模擬取點系統(tǒng)及方法，應用于計算機中，該計算機連接有光學點云三維掃描儀。該方法包括步驟：利用光學點云三維掃描儀針對待測產(chǎn)品的整個形面進行激光掃描得到產(chǎn)品三維點云；將產(chǎn)品三維點云進行三角形網(wǎng)格化得到網(wǎng)格化點云；在網(wǎng)格化點云上任意選取一量測點，并快速計算出量測點在待測產(chǎn)品表面上對應的初步坐標；以量測點的初步坐標為中心，在量測點周圍找出與量測點臨近的所有三角形；將所有三角形的中心點進行平面擬合計算出量測點的實際坐標與法向量；并通過模擬測針的量測運動路徑來驗證所選取量測點的準確性。實施本發(fā)明，能夠快速準確地在待測產(chǎn)品表面自動地進行選取量測點，且避免人為操作帶來的安全隱患。
【專利說明】三維量測模擬取點系統(tǒng)及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種三維坐標量測系統(tǒng)及方法，特別是關(guān)于一種三維量測模擬取點系 統(tǒng)及方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 三維坐標量測機臺主要是通過量測機臺上的測針對待測物體的量測點進行量測 或編程。在對量測點進行取點量測時，需要通過操縱桿控制量測機臺移動到指定位置，再通 過測針接觸待測產(chǎn)品表面進行取點。由于量測機臺硬件本身移動速度的限制，其取點的速 度非常慢，且人為操作取點和退點也不會向法線方向運動，從而造成取點精度不準確的問 題。另外，人為操作容易發(fā)生安全事故造成測針的損害等問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 鑒于以上內(nèi)容，有必要提供一種三維量測模擬取點系統(tǒng)及方法，能夠快速準確地 在待測產(chǎn)品表面自動地進行選取量測點進行量測，且避免人為操作帶來的安全隱患。
[0004] 所述的三維量測模擬取點系統(tǒng)運行于計算機中，該計算機連接有光學點云三維掃 描儀。該三維量測模擬取點系統(tǒng)包括：點云掃描模塊，用于利用光學點云三維掃描儀針對待 測產(chǎn)品的整個形面進行激光掃描得到待測產(chǎn)品的三維點云；點云網(wǎng)格化模塊，用于將所述 三維點云進行三角形網(wǎng)格化得到網(wǎng)格化點云；頂點計算模塊，用于在網(wǎng)格化點云上任意選 取一量測點，以該量測點相對于顯示設(shè)備的屏幕法線作為射線，并找出該射線與網(wǎng)格化點 云的相交線，以及根據(jù)所述法線方向最頂點僅有一個交點的原則在相交線上計算出量測點 在待測產(chǎn)品表面上對應的初步坐標；量測點計算模塊，用于以量測點的初步坐標為中心，采 用空間包圍盒算法在量測點周圍找出與量測點臨近的所有三角形，將所有三角形的中心點 進行平面擬合得到擬合平面的中心點及法向，并將擬合平面的中心點及法向量作為量測點 的實際坐標與法向量。以及碰撞檢測模塊，用于從測針三維模型中獲取測針的當前坐標，根 據(jù)該測針的當前坐標與所量測點的實際坐標構(gòu)建該測針的量測運動路徑；判斷測針的量測 運動路徑與待測產(chǎn)品的網(wǎng)格化點云是否有交點；若測針的量測運動路徑與所述網(wǎng)格化點云 有交點，則說明測針待測產(chǎn)品表面發(fā)生碰撞，需重新在網(wǎng)格化點云上選取量測點；若測針的 量測運動路徑與所述網(wǎng)格化點云沒有交點，則將所述量測點的實際坐標與法向量、以及測 針的量測運動路徑顯示在顯示設(shè)備上。
[0005] 所述的三維量測模擬取點方法應用于計算機中，該計算機連接有光學點云三維掃 描儀。該方法包括步驟：利用光學點云三維掃描儀針對待測產(chǎn)品的整個形面進行激光掃描 得到待測產(chǎn)品的三維點云；將所述三維點云進行三角形網(wǎng)格化得到網(wǎng)格化點云；在網(wǎng)格化 點云上任意選取一量測點，并以該量測點相對于顯示設(shè)備的屏幕法線作為射線；找出該射 線與網(wǎng)格化點云的相交線，并根據(jù)所述法線方向最頂點僅有一個交點的原則在相交線上計 算出量測點在待測產(chǎn)品表面上對應的初步坐標；以量測點的初步坐標為中心，采用空間包 圍盒算法在量測點周圍找出與量測點臨近的所有三角形；將所有三角形的中心點進行平面 擬合得到擬合平面的中心點及法向，并將擬合平面的中心點及法向量作為量測點的實際坐 標與法向量；從測針三維模型中獲取測針的當前坐標，根據(jù)該測針的當前坐標與所量測點 的實際坐標構(gòu)建該測針的量測運動路徑；判斷測針的量測運動路徑與待測產(chǎn)品的網(wǎng)格化點 云是否有交點；若測針的量測運動路徑與所述網(wǎng)格化點云有交點，則說明測針待測產(chǎn)品表 面發(fā)生碰撞，需重新在網(wǎng)格化點云上選取量測點；若測針的量測運動路徑與所述網(wǎng)格化點 云沒有交點，則將所述量測點的實際坐標與法向量、以及測針的量測運動路徑顯示在顯示 設(shè)備上。
[0006] 相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明所述的三維量測模擬取點系統(tǒng)及方法，能夠利用光學點 云三維掃描儀掃描待測產(chǎn)品得到產(chǎn)品三維點云，計算出三維量測機臺的測針所需量測點的 坐標及法向量，并模擬三維量測機臺的測針的量測運動路徑來驗證測針在待測物體表面所 取的量測點的準確性，提高取點的速度以及精確度，并避免人為操作帶來的安全隱患。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0007] 圖1是本發(fā)明三維量測模擬取點系統(tǒng)較佳實施例的運行環(huán)境示意圖。
[0008] 圖2是本發(fā)明三維量測模擬取點方法較佳實施例的流程圖。
[0009] 圖3是對掃描的三維點云進行三角形網(wǎng)格化的示意圖。
[0010] 圖4是將待檢測三維點云進行三角網(wǎng)格化后的三維點云示意圖。
[0011] 主要元件符號說明
[0012] 計算機 1
[0013] 三維量測模擬取點系統(tǒng) 10
[0014] 點云掃描模塊 101
[0015] 點云網(wǎng)格化模塊 102
[0016] 頂點計算模塊 103
[0017] 量測點計算模塊 104
[0018] 碰撞檢測模塊 105
[0019] 顯示設(shè)備 11
[0020] 存儲設(shè)備 12
[0021] 處理器 13
[0022] 光學點云三維掃描儀 2
[0023] 測針 3

【具體實施方式】
[0024] 參閱圖1所示，是本發(fā)明三維量測模擬取點系統(tǒng)10較佳實施例的運行環(huán)境示 意圖。在本實施例中，所述的三維量測模擬取點系統(tǒng)10安裝并運行于計算機1中，該計 算機1還包括，但不僅限于，顯示設(shè)備11、存儲設(shè)備12以及處理器13。該計算機1連接 有光學點云三維掃描儀2,該光學點云三維掃描儀2是一種雙目光學點云三維檢測設(shè)備 (charge-coupled device，CCD)，用于對待測產(chǎn)品的整個型面進行掃描來獲取該待測產(chǎn)品 的三維點云。
[0025] 在本實施例中，所述的三維量測模擬取點系統(tǒng)10包括點云掃描模塊101、點云網(wǎng) 格化模塊102、頂點計算模塊103、量測點計算模塊104以及碰撞檢測模塊105。本發(fā)明所稱 的功能模塊是指一種能夠被計算機1的處理器13所執(zhí)行并且能夠完成固定功能的一系列 程序指令段，其存儲在計算機1的存儲設(shè)備12中。關(guān)于各功能模塊101-105將在圖2的流 程圖中作具體描述。
[0026] 參閱圖2所示，是本發(fā)明三維量測模擬取點方法較佳實施例的流程圖。在本實施 例中，該方法應用在計算機1中，能夠利用光學點云三維掃描儀2掃描得到的產(chǎn)品三維點云 計算出三維量測機臺的測針3 (如圖4所示)所需量測點Ptl的坐標及法向量，并模擬出測針 3的量測運動路徑PtlP 1來驗證測針3在待測產(chǎn)品表面所取的量測點的準確性。
[0027] 步驟S21，點云掃描模塊101利用光學點云三維掃描儀2針對待測產(chǎn)品的整個形面 進行激光掃描得到待測產(chǎn)品的三維點云。在本實施例中，所述的三維點云是指通過光學點 云三維掃描儀2對待測產(chǎn)品的每一個形面進行掃描后得到的點集合，其能夠反映待測產(chǎn)品 的整體形狀。
[0028] 步驟S22,點云網(wǎng)格化模塊102根據(jù)點云三角形化后的三角形外接圓內(nèi)沒有點原 則和曲面局部曲率一致原則，再通過包圍盒切割點云快速找臨近點方法，對掃描的三維點 云進行三角形網(wǎng)格化得到網(wǎng)格化點云。在本實施例中，所述三角形外接圓內(nèi)沒有點原則是 指其中任意一個三角形的外接圓中均不包含點集中的其它點。所述曲面局部曲率一致原則 是指通過三角形外接圓內(nèi)沒有點的原則連接的三角形計算三角形向量，與臨近已連接好的 三角形向量求角度，如角度太大，那該三角形連接錯誤，再重新找第三點，以此為邏輯，知道 找到合適的臨近點。參考圖3所示，點云網(wǎng)格化模塊102選取任意一點為基準(例如qc!點)， 找距離最近的第二點(例如1點)，距離要小于用戶給定的閥值(例如2cm)，將第一點與第二 點連成線，找臨近第三點(例如q 2點)，三點（Qc^q1及q2點)連成的三角形外接圓中均不包含 點集中的其它點。
[0029] 步驟S23,頂點計算模塊103在網(wǎng)格化點云上任意選取一量測點，并以該量測點相 對于顯示設(shè)備11上的屏幕法線作為射線。如圖4所示，頂點計算模塊103在網(wǎng)格化點云B 上選取任意一量測點P〇,該量測點Ptl對應的屏幕法線為射線P〇P2。
[0030] 步驟S24,頂點計算模塊103找出所述射線與網(wǎng)格化點云的相交線，并根據(jù)所述 法線方向最頂點僅有一個交點的原則在相交線上計算出該量測點在待測產(chǎn)品表面上對應 的初步坐標。在本實施例中，由于三維點云分別與屏幕法線的正方向和反方向相交可以得 到很多交點，頂點計算模塊103依據(jù)待測產(chǎn)品最表面的點向外做射線找不到交點的原則， 從所有交點篩選出待測產(chǎn)品最表面的頂點坐標，即為該量測點在待測產(chǎn)品上對應的初步坐 標。
[0031] 步驟S25,量測點計算模塊104以所述量測點的初步坐標為中心,采用空間包圍盒 算法在在該量測點周圍找出與量測點臨近的所有三角形。在本實施例中，所述的空間包圍 盒算法能夠?qū)⒘繙y點臨近的產(chǎn)品點云切分成多個小包圍盒，在任意一個小包圍盒可以通過 標號方法很快的找到與量測點臨近的所有三角形。如圖4所示，以量測點P tl為中心的所有 與量測點臨近的三角形均在包圍圈A內(nèi)。
[0032] 步驟S26,量測點計算模塊104通過最小二乘法及擬牛頓迭代算法將所有三角形 的中心點進行平面擬合得到所述量測點的擬合平面，并將該擬合平面的中心點及法向量作 為該量測點的實際坐標與法向量。在本實施例中，量測點計算模塊104根據(jù)最小二乘法計 算出所有三角形的中心點相對于擬合平面的最佳位置，并采用擬牛頓迭代算法計算出所有 點到擬合平面的距離平方和的平均最小值作為擬合平面的中心點坐標。該擬牛頓迭代算法 函數(shù)為

【權(quán)利要求】
1. 一種三維量測模擬取點系統(tǒng)，運行于計算機中，該計算機連接有光學點云三維掃描 儀，其特征在于，該三維量測模擬取點系統(tǒng)包括： 點云掃描模塊，用于利用光學點云三維掃描儀針對待測產(chǎn)品的整個形面進行激光掃描 得到待測產(chǎn)品的三維點云； 點云網(wǎng)格化模塊，用于根據(jù)三角形網(wǎng)格化方法將所述三維點云進行三角形網(wǎng)格化得到 網(wǎng)格化點云； 頂點計算模塊，用于在網(wǎng)格化點云上任意選取一量測點，以該量測點相對于顯示設(shè)備 的屏幕法線作為射線，并找出該射線與網(wǎng)格化點云的相交線，以及根據(jù)所述法線方向最頂 點僅有一個交點的原則在相交線上計算出量測點在待測產(chǎn)品表面上對應的初步坐標；以及 量測點計算模塊，用于以量測點的初步坐標為中心，采用空間包圍盒算法在量測點周 圍找出與量測點臨近的所有三角形，將所有三角形的中心點進行平面擬合得到擬合平面的 中心點及法向，并將擬合平面的中心點及法向量作為量測點的實際坐標與法向量。
2. 如權(quán)利要求1所述的三維量測模擬取點系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)還包括碰撞檢測 模塊，該碰撞檢測模塊用于： 從測針三維模型中獲取測針的當前坐標，根據(jù)該測針的當前坐標與所量測點的實際坐 標構(gòu)建該測針的量測運動路徑； 判斷測針的量測運動路徑與待測產(chǎn)品的網(wǎng)格化點云是否有交點； 若測針的量測運動路徑與所述網(wǎng)格化點云有交點，則說明測針待測產(chǎn)品表面發(fā)生碰 撞，需重新在網(wǎng)格化點云上選取量測點； 若測針的量測運動路徑與所述網(wǎng)格化點云沒有交點，則將所述量測點的實際坐標與法 向量、以及測針的量測運動路徑顯示在顯示設(shè)備上。
3. 如權(quán)利要求1所述的三維量測模擬取點系統(tǒng)，其特征在于，所述的三角形網(wǎng)格化方 法包括將點云三角形化后的三角形外接圓內(nèi)沒有點原則、曲面局部曲率一致原則以及包圍 盒切割點云找臨近點方法。
4. 如權(quán)利要求1所述的三維量測模擬取點系統(tǒng)，其特征在于，所述的量測點計算模塊 通過最小二乘法計算出所有三角形的中心點相對于擬合平面的最佳位置，并采用擬牛頓迭 代算法計算出所有點到擬合平面的距離平方和的平均最小值得到所述擬合平面的中心點 及法向。
5. 如權(quán)利要求1所述的三維量測模擬取點系統(tǒng)，其特征在于，所述的空間包圍盒算法 將量測點臨近的產(chǎn)品點云切分成多個小包圍盒，在任意一個小包圍盒通過標號方法找到與 所述量測點臨近的所有三角形。
6. -種三維量測模擬取點方法，應用于計算機中，該計算機連接有光學點云三維掃描 儀，其特征在于，該方法包括步驟： 利用光學點云三維掃描儀針對待測產(chǎn)品的整個形面進行激光掃描得到待測產(chǎn)品的三 維點云； 根據(jù)三角形網(wǎng)格化方法將所述三維點云進行三角形網(wǎng)格化得到網(wǎng)格化點云； 在網(wǎng)格化點云上任意選取一量測點，并以該量測點相對于顯示設(shè)備的屏幕法線作為射 線. 找出該射線與網(wǎng)格化點云的相交線，并根據(jù)所述法線方向最頂點僅有一個交點的原則 在相交線上計算出量測點在待測產(chǎn)品表面上對應的初步坐標； 以量測點的初步坐標為中心，采用空間包圍盒算法在量測點周圍找出與量測點臨近的 所有三角形；以及 將所有三角形的中心點進行平面擬合得到擬合平面的中心點及法向，并將擬合平面的 中心點及法向量作為量測點的實際坐標與法向量。
7. 如權(quán)利要求6所述的三維量測模擬取點方法，其特征在于，該方法還包括步驟： 從測針三維模型中獲取測針的當前坐標，根據(jù)該測針的當前坐標與所量測點的實際坐 標構(gòu)建該測針的量測運動路徑； 判斷測針的量測運動路徑與待測產(chǎn)品的網(wǎng)格化點云是否有交點； 若測針的量測運動路徑與所述網(wǎng)格化點云有交點，則說明測針待測產(chǎn)品表面發(fā)生碰 撞，需重新在網(wǎng)格化點云上選取量測點； 若測針的量測運動路徑與所述網(wǎng)格化點云沒有交點，則將所述量測點的實際坐標與法 向量、以及測針的量測運動路徑顯示在顯示設(shè)備上。
8. 如權(quán)利要求6所述的三維量測模擬取點方法，其特征在于，所述的三角形網(wǎng)格化方 法包括將點云三角形化后的三角形外接圓內(nèi)沒有點原則、曲面局部曲率一致原則以及包圍 盒切割點云找臨近點方法。
9. 如權(quán)利要求6所述的三維量測模擬取點方法，其特征在于，所述的將所有三角形的 中心點進行平面擬合得到擬合平面的中心點及法向的步驟包括： 通過最小二乘法計算出所有三角形的中心點相對于擬合平面的最佳位置；以及 采用擬牛頓迭代算法計算出所有點到擬合平面的距離平方和的平均最小值得到所述 擬合平面的中心點及法向量。
10. 如權(quán)利要求6所述的三維量測模擬取點方法，其特征在于，所述的空間包圍盒算法 將量測點臨近的產(chǎn)品點云切分成多個小包圍盒，在任意一個小包圍盒通過標號方法找到與 所述量測點臨近的所有三角形。
【文檔編號】G06T17/05GK104517318SQ201310452029
【公開日】2015年4月15日 申請日期:2013年9月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月27日
【發(fā)明者】張旨光, 吳新元, 張恒 申請人:鴻富錦精密工業(yè)（深圳）有限公司, 鴻海精密工業(yè)股份有限公司