CN108469230A - 一种基于三维激光扫描的木材单板变形测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于三维激光扫描的木材单板变形测量方法，包括以下步骤：(1)在变形的木材单板背面布置定位标点，使用非接触式三维激光扫描仪对变形的木材单板进行扫描；(2)利用配套扫描软件对得到的三维网格进行点云噪声处理、去除孤岛、修剪等编辑操作，得到可视化的变形木材单板模型；(3)利用扫描软件记录定位标点的三维坐标；(4)利用三维图形几何变换矩阵对定位标点的三维坐标进行处理；(5)利用散乱数据点三角剖分方法构造曲面；(6)利用修正的定位标点坐标对构造曲面进行边界限制，建立变形单板等高线图；(7)根据木材单板变形评价指标获得所测单板的变形数据。本发明实现了测算木材单板变形的可视化、快速化和精确化。

Description

一种基于三维激光扫描的木材单板变形测量方法

技术领域

本发明涉及一种基于三维激光扫描的木材单板变形测量方法，属于木材检测科学与技术领域。

背景技术

木材旋切单板变形的大小，对木材旋切单板的干燥工艺和加工工艺有着较大的影响，传统的木材单板变形程度测量是借鉴板材扭曲程度的测试方法，测量单板表面与平面的最大偏离高度与被测单板的宽度之比，由于单板的变形并不是均匀的，其变形的大小在单板的各个位置存在差异性，这种测试方法只能对单板边缘部分进行测量，无法测量单板整体的变形，且在测量时使用钢尺作为测量工具直接与被测单板接触，有外力的干扰。故测量得出的变形数据并不能完全反应单板整体变形。

发明内容

针对传统的木材单板变形程度测量所存才的缺陷，本发明提供了一种基于三维激光扫描的木材单板变形测量方法。

为实现上述目的，是通过以下技术方案实现的：一种基于三维激光扫描的木材单板变形测量方法，包括以下步骤：

(1)扫描：在变形的木材单板背面布置定位标点，使用非接触式三维激光扫描仪对变形的木材单板进行扫描；

(2)得到变形木材单板模型：利用配套扫描软件对得到的三维网格进行点云噪声处理、去除孤岛、修剪等编辑操作，得到可视化的变形木材单板模型；

(3)获取定位标点坐标：利用扫描软件记录定位标点的三维坐标；

(4)坐标数据处理：利用三维图形几何变换矩阵对定位标点的三维坐标进行处理；

(5)构造曲面：利用Cline and Renka散乱数据点三角剖分方法构造曲面；

(6)建立变形单板等高线图：利用修正的定位标点坐标对构造曲面进行边界限制，建立变形单板等高线图；

(7)获得变形数据：根据木材单板变形评价指标获得所测单板的变形数据。

所述的木材单板为中山杉、杨木、桉木、马尾松、辐射松中任意一种速生木材单板。

所述的定位标点均布置在单板背面。

所述坐标数据处理的具体步骤为：

设记录的定位标点有n个，其中单板四角上的定位标点中的一点的为M，将点M平移至坐标原点，其余坐标点对应平移，将点M单板横纹方向角上定位标点以z轴正向旋转至xz面，其余坐标点对应旋转，将点M对角上定位标点以x轴正向旋转至xy面，其余坐标点对应旋转。

所述的构造曲面是以与x坐标系最小点的距离的平方递增的顺序排列各点，具体实现方法是：

1)预排序；2)构造初始Thiessen三角化；3)每加入一个新点k，找寻边界上的点N₁、N₂使得按逆时针方向从N₁到N₂所经历的边界都是从k处可见的；4)将k与按逆时针方向从N₁到N₂所经历的边界相连，优化所得到的三角化T_k，最终建立精确的变形单板曲面。

所述的建立变形单板等高线图是利用修正的定位标点坐标对构造曲面进行边界限制，去除通过Cline and Renka散乱数据点三角剖分方法构造的曲面中超出检测单板范围的部分。

所述的木材单板变形评价指标，是通过计算被测单板变形最大高度与被测单板最小对角线长度的比值得到，计算公式为：

式中：D(％)变形程度；h单板变形最大高度；L单板最小对角线长度。

本发明基于三维激光扫描测量木材单板变形，可快速得到可视化的变形木材单板模型，可精确测量整张木材单板变形的大小，实现了测算木材单板变形的可视化、快速化和精确化。

有益效果：

1.本发明使用非接触式三维激光扫描仪，不对木材单板施加任何外力，保证变形数据的准确性。

2.本发明利用三维图形几何变换对定位标点的三维坐标进行处理，并利用Clineand Renka散乱数据点三角剖分方法构造曲面，可以在同样条件下对单板变形大小进行比较。

3.本发明通过对变形单板进行三维激光扫描，并对数据进行处理，可以实现对木材单板变形检测的可视化、快速化和精确化，能为木材单板的性能评估提供强有力的技术支撑。

附图说明

图1为本发明方法的流程图。

图2为实施例扫描前木材单板图像。

图3为实施例布置完定位标点后单板图像。

图4为实施例扫描后得到的三维模型效果图。

图5为实施例原始定位坐标分布图。

图6为实施例修正后的定位坐标分布图。

图7为实施例数据处理后得到的变形等高线图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明。

一种基于三维激光扫描的木材单板变形测量方法，包括以下步骤：

(1)在变形的木材单板背面布置定位标点，使用非接触式三维激光扫描仪对变形的木材单板进行扫描；

(2)利用配套扫描软件对得到的三维网格进行点云噪声处理、去除孤岛、修剪等编辑操作，得到可视化的变形木材单板模型；

(3)利用配套扫描软件记录定位标点的三维坐标；

(4)利用三维图形几何变换矩阵对定位标点的三维坐标进行处理；

(5)利用Cline and Renka散乱数据点三角剖分方法构造曲面；

(6)利用修正的定位标点坐标对构造曲面进行边界限制，建立变形单板等高线图；

(7)木材单板变形评价指标为一定规格的单板变形最大高度与单板最小对角线长度的比值。

一种基于三维激光扫描测算木材单板变形的方法，所述的木材单板为中山杉、杨木、桉木、马尾松、辐射松等速生木材单板。

一种基于三维激光扫描测算木材单板变形的方法，所述的定位标点为反光标志点，直径10mm，反光直径6mm，为操作方便，定位标点在单板四角与四边每100mm均匀布置，成网格状，定位标点均布置在单板背面；非接触式三维激光扫描仪分辨率为0.05mm，精确度为0.03mm。

一种基于三维激光扫描测算木材单板变形的方法，所述利用配套扫描软件对得到的三维网格进行点云噪声处理、去除孤岛、修剪等编辑操作，得到可视化的变形木材单板模型变形木材单板模型为可视化模型，不能对单板变形进行精确测量。

一种基于三维激光扫描测算木材单板变形的方法，所述利用三维图形几何变换对定位标点的三维坐标进行处理，其具体处理步骤按下述方式变换：

设记录的定位标点有n个，其中单板四角上的定位标点中的一点为M，将点M平移至坐标原点，其余坐标点对应平移，将点M单板横纹方向角上定位标点以z轴正向旋转至xz面，其余坐标点对应旋转，将点M对角上定位标点以x轴正向旋转至xy面，其余坐标点对应旋转。

一种基于三维激光扫描测算木材单板变形的方法，利用Cline and Renka散乱数据点三角剖分方法构造曲面，其方法是以与x坐标系最小点的距离的平方递增的顺序排列各点，其具体实现方法式：1)预排序；2)构造初始Thiessen三角化；3)每加入一个新点k，找寻边界上的点N₁、N₂使得按逆时针方向从N₁到N₂所经历的边界都是从k处可见的；4)将k与按逆时针方向从N₁到N₂所经历的边界相连，优化所得到的三角化T_k。目的是建立精确的变形单板曲面。

一种基于三维激光扫描测算木材单板变形的方法，其特征在于，利用修正的定位标点坐标对构造曲面进行边界限制，去除通过Cline and Renka散乱数据点三角剖分方法构造的曲面中超出检测单板范围的部分。

一种基于三维激光扫描测算木材单板变形的评价指标，测算木材单板变形大小的具体方法是：计算一定规格的单板变形最大高度与被测单板最小对角线长度的比值，其计算公式为：

式中：D变形程度(％)；h单板变形最大高度(mm)；L单板最小对角线长度(mm)。

实施例

如图2所示，本实施例中使用中山杉旋切单板作为测试对象，将中山杉原木截成1.3m，剥皮，生材含水率约146％，在无卡轴旋切机上旋切成单板，其中单板名义厚度为2mm。在原木旋切过程中在直径300mm-280mm，150mm-130mm，80mm-50mm，分别随机抽取1270mm×870mm单板若干张，切割成400mm×400mm试件，从外到里分别标记为A类、B类、C类。在自然状态下干燥，自然状态下干燥变形，测试前测量单板含水率为18％。

如图3所示，在单板背面单板四角与四边每100mm均匀分布直径10mm，反光直径6mm专用反光标点，成网格状。使用非接触式三维激光扫描仪对变形单板进行扫描，非接触式三维激光扫描仪分辨率为0.05mm，精确度为0.03mm。

如图4所示，利用配套扫描软件对得到的三维网格进行点云噪声处理、去除孤岛、修剪等编辑操作。得到扫描后的变形单板模型。

在扫描完成后利用配套软件记录定位标点的三维坐标，如图5所示，记录的定位标点原始三维坐标分布不规则，所以利用三维图形几何变换对定位标点的三维坐标进行处理，其具体处理步骤按下述方式变换：

设记录的定位标点有25个，其中单板四角上的定位标点中的一点的为M，将点M平移至坐标原点，其余坐标点对应平移，将点M单板横纹方向角上定位标点以z轴正向旋转至xz面，其余坐标点对应旋转，将点M对角上定位标点以x轴正向旋转至xy面，其余坐标点对应旋转，得到如图6所示修正后的定位坐标点分布图。

利用Cline and Renka散乱数据点三角剖分方法构造曲面，其方法是以与x坐标系最小点的距离的平方递增的顺序排列各点，其具体实现方法式：1)预排序；2)构造初始Thiessen三角化；3)每加入一个新点k，找寻边界上的点N₁、N₂使得按逆时针方向从N₁到N₂所经历的边界都是从k处可见的；4)将k与按逆时针方向从N₁到N₂所经历的边界相连，优化所得到的三角化T_k。目的是建立精确的变形单板曲面。

利用修正的定位标点坐标对构造曲面进行边界限制，去除通过Cline and Renka散乱数据点三角剖分方法构造的曲面中超出检测单板范围的部分，建立如图7所示，变形单板等高线图。

本实施例中对处理后的图像进行分析，提取等高线图中的最大高度差与被测单板最小对角线长度的数据，表1为实施例中中山杉单板的变形程度结果，表2为传统方法中山杉单板变形程度结果，从结果对比来看，使用本方法测量的单板变形程度变异系数A类为3.43％，B类为4.08％，C类为2.05％，较传统方法测量的变形程度变异系数比较(A类8.58％，B类9.62％，C类14.60％)，变异系数小，说明本方法测量的单板变形程度精确性更高。

表1中山杉单板变形程度结果

表2传统方法中山杉单板变形程度结果

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此。本领域的技术人员在本发明所披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种基于三维激光扫描的木材单板变形测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)扫描：在变形的木材单板背面布置定位标点，使用非接触式三维激光扫描仪对变形的木材单板进行扫描；

(2)得到变形木材单板模型：利用配套扫描软件对得到的三维网格进行点云噪声处理、去除孤岛、修剪等编辑操作，得到可视化的变形木材单板模型；

(3)获取定位标点坐标：利用扫描软件记录定位标点的三维坐标；

(4)坐标数据处理：利用三维图形几何变换矩阵对定位标点的三维坐标进行处理；

(5)构造曲面：利用Cline and Renka散乱数据点三角剖分方法构造曲面；

(6)建立变形单板等高线图：利用修正的定位标点坐标对构造曲面进行边界限制，建立变形单板等高线图；

(7)获得变形数据：根据木材单板变形评价指标获得所测单板的变形数据。

2.如权利要求1所述的基于三维激光扫描的木材单板变形测量方法，其特征在于，所述的木材单板为中山杉、杨木、桉木、马尾松、辐射松中任意一种速生木材单板。

3.如权利要求1所述的基于三维激光扫描的木材单板变形测量方法，其特征在于，所述的定位标点均布置在单板背面。

4.如权利要求1所述的基于三维激光扫描的木材单板变形测量方法，其特征在于，所述坐标数据处理的具体步骤为：

设记录的定位标点有n个，其中单板四角上的定位标点中的一点的为M，将点M平移至坐标原点，其余坐标点对应平移，将点M单板横纹方向角上定位标点以z轴正向旋转至xz面，其余坐标点对应旋转，将点M对角上定位标点以x轴正向旋转至xy面，其余坐标点对应旋转。

5.如权利要求1所述的基于三维激光扫描的木材单板变形测量方法，其特征在于，所述的构造曲面是以与x坐标系最小点的距离的平方递增的顺序排列各点，具体实现方法是：

1)预排序；2)构造初始Thiessen三角化；3)每加入一个新点k，找寻边界上的点N₁、N₂使得按逆时针方向从N₁到N₂所经历的边界都是从k处可见的；4)将k与按逆时针方向从N₁到N₂所经历的边界相连，优化所得到的三角化T_k，最终建立精确的变形单板曲面。

6.如权利要求1所述的基于三维激光扫描的木材单板变形测量方法，其特征在于，所述的建立变形单板等高线图是利用修正的定位标点坐标对构造曲面进行边界限制，去除通过Cline and Renka散乱数据点三角剖分方法构造的曲面中超出检测单板范围的部分。

7.如权利要求1所述的基于三维激光扫描的木材单板变形测量方法，其特征在于，所述的木材单板变形评价指标，是通过计算被测单板变形最大高度与被测单板最小对角线长度的比值得到，计算公式为：

式中：D(％)变形程度；h单板变形最大高度；L单板最小对角线长度。