TW201514446A - 三維量測模擬取點系統及方法 - Google Patents

三維量測模擬取點系統及方法 Download PDF

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Heng Zhang
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Abstract

一種三維量測模擬取點系統及方法，應用於電腦中，該電腦連接有光學點雲三維掃描器。該方法包括步驟：利用光學點雲三維掃描器針對待測產品之整個形面進行鐳射掃描得到產品三維點雲；將產品三維點雲進行三角形網格化得到網格化點雲；在網格化點雲上任意選取一量測點，並快速計算出量測點在待測產品表面上對應之初步座標；以量測點之初步座標為中心，在量測點周圍找出與量測點臨近之所有三角形；將所有三角形之中心點進行平面擬合計算出量測點之實際座標與法向量；並藉由模擬測針之量測運動路徑來驗證所選取量測點之準確性。

Description

三維量測模擬取點系統及方法
本發明涉及一種三維（3D）座標量測系統及方法，尤其涉及一種三維量測模擬取點系統及方法。
三維座標量測機台主要是藉由量測機臺上之測針對待測物體之量測點進行量測或編程。在對量測點進行取點量測時，需要藉由操縱桿控制量測機台移動到指定位置，再藉由測針接觸待測產品表面進行取點。由於量測機台硬體本身移動速度之限制，其取點之速度非常慢，且人為操作取點和退點也不會向法線方向運動，進而造成取點精度不準確之問題。另外，人為操作容易發生安全事故造成測針之損害等問題。
鑒於以上內容，有必要提供一種三維量測模擬取點系統及方法，能夠快速準確地在待測產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之安全隱患。
所述之三維量測模擬取點系統運行於電腦中，該電腦連接有光學點雲三維掃描器。該三維量測模擬取點系統包括：點雲掃描模組，用於利用光學點雲三維掃描器針對待測產品之整個形面進行鐳射掃描得到待測產品之三維點雲；點雲網格化模組，用於將所述三維點雲進行三角形網格化得到網格化點雲；頂點計算模組，用於在網格化點雲上任意選取一量測點，以該量測點相對於顯示設備之螢幕法線作為射線，並找出該射線與網格化點雲之相交線，及根據所述法線方向最頂點僅有一個交點之原則在相交線上計算出量測點在待測產品表面上對應之初步座標；量測點計算模組，用於以量測點之初步座標為中心，採用空間包圍盒演算法在量測點周圍找出與量測點臨近之所有三角形，將所有三角形之中心點進行平面擬合得到擬合平面之中心點及法向，並將擬合平面之中心點及法向量作為量測點之實際座標與法向量。及碰撞檢測模組，用於從測針三維模型中獲取測針之當前座標，根據該測針之當前座標與所量測點之實際座標構建該測針之量測運動路徑；判斷測針之量測運動路徑與待測產品之網格化點雲是否有交點；若測針之量測運動路徑與所述網格化點雲有交點，則說明測針待測產品表面發生碰撞，需重新在網格化點雲上選取量測點；若測針之量測運動路徑與所述網格化點雲沒有交點，則將所述量測點之實際座標與法向量、及測針之量測運動路徑顯示在顯示設備上。
所述之三維量測模擬取點方法應用於電腦中，該電腦連接有光學點雲三維掃描器。該方法包括步驟：利用光學點雲三維掃描器針對待測產品之整個形面進行鐳射掃描得到待測產品之三維點雲；將所述三維點雲進行三角形網格化得到網格化點雲；在網格化點雲上任意選取一量測點，並以該量測點相對於顯示設備之螢幕法線作為射線；找出該射線與網格化點雲之相交線，並根據所述法線方向最頂點僅有一個交點之原則在相交線上計算出量測點在待測產品表面上對應之初步座標；以量測點之初步座標為中心，採用空間包圍盒演算法在量測點周圍找出與量測點臨近之所有三角形；將所有三角形之中心點進行平面擬合得到擬合平面之中心點及法向，並將擬合平面之中心點及法向量作為量測點之實際座標與法向量；從測針三維模型中獲取測針之當前座標，根據該測針之當前座標與所量測點之實際座標構建該測針之量測運動路徑；判斷測針之量測運動路徑與待測產品之網格化點雲是否有交點；若測針之量測運動路徑與所述網格化點雲有交點，則說明測針待測產品表面發生碰撞，需重新在網格化點雲上選取量測點；若測針之量測運動路徑與所述網格化點雲沒有交點，則將所述量測點之實際座標與法向量、及測針之量測運動路徑顯示在顯示設備上。
相較於習知技術，本發明所述之三維量測模擬取點系統及方法，能夠利用光學點雲三維掃描器掃描待測產品得到產品三維點雲，計算出三維量測機台之測針所需量測點之座標及法向量，並模擬三維量測機台之測針之量測運動路徑來驗證測針在待測物體表面所取之量測點之準確性，提高取點之速度及精確度，並避免人為操作帶來之安全隱患。
圖1是本發明三維量測模擬取點系統較佳實施例之運行環境示意圖。
圖2是本發明三維量測模擬取點方法較佳實施例之流程圖。
圖3是對掃描之三維點雲進行三角形網格化之示意圖。
圖4是將待檢測三維點雲進行三角網格化後之三維點雲示意圖。
參閱圖1所示，是本發明三維（3D）量測模擬取點系統10較佳實施例之運行環境示意圖。於本實施例中，所述之三維量測模擬取點系統10安裝並運行於電腦1中，該電腦1還包括，但不僅限於，顯示設備11、儲存設備12及處理器13。該電腦1連接有光學點雲三維掃描器2，該光學點雲三維掃描器2是一種雙目光學點雲三維檢測設備（charge-coupled device，CCD），用於對待測產品之整個型面進行掃描來獲取待測產品之三維點雲。
於本實施例中，所述之三維量測模擬取點系統10包括點雲掃描模組101、點雲網格化模組102、頂點計算模組103、量測點計算模組104及碰撞檢測模組105。本發明所稱之功能模組是指一種能夠被電腦1之處理器13所執行並且能夠完成固定功能之一系列程式指令段，其儲存在電腦1之儲存設備12中。關於各功能模組101-105將在圖2之流程圖中作具體描述。
參閱圖2所示，是本發明三維量測模擬取點方法較佳實施例之流程圖。於本實施例中，該方法應用在電腦1中，能夠利用光學點雲三維掃描器2掃描得到之產品三維點雲計算出三維量測機台之測針3（如圖4所示）所需量測點P0 之座標及法向量，並模擬出測針3之量測運動路徑P0 P1 來驗證測針3在待測產品表面所取之量測點之準確性。
步驟S21，點雲掃描模組101利用光學點雲三維掃描器2針對待測產品之整個形面進行鐳射掃描得到待測產品之三維點雲。於本實施例中，所述之三維點雲是指藉由光學點雲三維掃描器2對待測產品之每一個形面進行掃描後得到之點集合，其能夠反映待測產品之整體形狀。
步驟S22，點雲網格化模組102根據點雲三角形化後之三角形外接圓內沒有點原則和曲面局部曲率一致原則，再藉由包圍盒切割點雲快速找臨近點方法，對掃描之三維點雲進行三角形網格化得到網格化點雲。於本實施例中，所述三角形外接圓內沒有點原則是指其中任意一個三角形之外接圓中均不包含點集中之其他點。所述曲面局部曲率一致原則是指藉由三角形外接圓內沒有點之原則連接之三角形計算三角形向量，與臨近已連接好之三角形向量求角度，若角度太大，那該三角形連接錯誤，再重新找第三點，以此為邏輯，知道找到合適之臨近點。參考圖3所示，點雲網格化模組102選取任意一點為基準（例如q0 點），找距離最近之第二點（例如q1 點），距離要小於用戶給定之閥值（例如2cm），將第一點與第二點連成線，找臨近第三點（例如q2 點），三點（q0 、q1 及q2 點）連成之三角形外接圓中均不包含點集中之其他點。
步驟S23，頂點計算模組103在網格化點雲上任意選取一量測點，並以該量測點相對於顯示設備11上之螢幕法線作為射線。如圖4所示，頂點計算模組103在網格化點雲B上選取任意一量測點P0 ，該量測點P0 對應之螢幕法線為射線P0 P2 。
步驟S24，頂點計算模組103找出所述射線與網格化點雲之相交線，並根據所述法線方向最頂點僅有一個交點之原則在相交線上計算出該量測點在待測產品表面上對應之初步座標。於本實施例中，由於三維點雲分別與螢幕法線之正方向和反方向相交可以得到很多交點，頂點計算模組103依據待測產品最表面之點向外做射線找不到交點之原則，從所有交點篩選出待測產品最表面之頂點座標，即為該量測點在待測產品上對應之初步座標。
步驟S25，量測點計算模組104以所述量測點之初步座標為中心，採用空間包圍盒演算法在在該量測點周圍找出與量測點臨近之所有三角形。於本實施例中，所述之空間包圍盒演算法能夠將量測點臨近之產品點雲切分成多個小包圍盒，在任意一個小包圍盒可以藉由標號方法很快之找到與量測點臨近之所有三角形。如圖4所示，以量測點P0 為中心之所有與量測點臨近之三角形均在包圍圈A內。
步驟S26，量測點計算模組104藉由最小二乘法及擬牛頓迭代演算法將所有三角形之中心點進行平面擬合得到所述量測點之擬合平面，並將該擬合平面之中心點及法向量作為該量測點之實際座標與法向量。於本實施例中，量測點計算模組104根據最小二乘法計算出所有三角形之中心點相對於擬合平面之最佳位置，並採用擬牛頓迭代演算法計算出所有點到擬合平面之距離平方和之平均最小值作為擬合平面之中心點座標。該擬牛頓迭代演算法函數為f(x)=，其中，（x1, y1, z1）為三角形之每個中心點之三維座標，（x2, y2, z2）為擬合平面之中心座標，n為三角形之中心點個數。
步驟S27，碰撞檢測模組105從測針三維模型中獲取測針之當前座標，並根據該測針之當前座標與所量測點之實際座標構建該測針之量測運動路徑。如圖4所示，虛擬測針3之當前座標為P1 ，量測點之實際座標P0 ，碰撞檢測模組105根據測針3之當前座標P1 與量測點之實際座標P0 構建出測針3之量測運動路徑為P0 P1 。
步驟S28，碰撞檢測模組105判斷測針3之量測運動路徑與待測產品之網格化點雲是否有交點。即，碰撞檢測模組105檢查測針3沿量測運動路徑在待測產品表面取點過程時是否與待測產品表面發生碰撞。若測針3之量測運動路徑與待測產品之網格化點雲有交點，則說明測針3待測產品表面發生碰撞，流程轉向步驟S23重新選取量測點；若測針3之量測運動路徑與待測產品之網格化點雲沒有交點，則說明測針3待測產品表面沒有發生碰撞，流程執行步驟S29。
步驟S29，碰撞檢測模組105將所述量測點之實際座標與法向量、及測針3之量測運動路徑顯示在顯示設備11上，進而方便用戶即時觀察測針3在待測產品表面獲取量測點之準確性。
以上實施例僅用以說明本發明之技術方案而非限制，儘管參照以上較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域之普通技術人員應當理解，可以對本發明之技術方案進行修改或者等同替換都不應脫離本發明技術方案之精神和範圍。
1‧‧‧電腦
10‧‧‧三維量測模擬取點系統
101‧‧‧點雲掃描模組
102‧‧‧點雲網格化模組
103‧‧‧頂點計算模組
104‧‧‧量測點計算模組
105‧‧‧碰撞檢測模組
11‧‧‧顯示設備
12‧‧‧儲存設備
13‧‧‧處理器
2‧‧‧光學點雲三維掃描器
3‧‧‧測針
無
1‧‧‧電腦
10‧‧‧三維量測模擬取點系統
101‧‧‧點雲掃描模組
102‧‧‧點雲網格化模組
103‧‧‧頂點計算模組
104‧‧‧量測點計算模組
105‧‧‧碰撞檢測模組
11‧‧‧顯示設備
12‧‧‧儲存設備
13‧‧‧處理器
2‧‧‧光學點雲三維掃描器

Claims (10)

  1. 一種三維量測模擬取點系統，運行於電腦中，該電腦連接有光學點雲三維掃描器，該三維量測模擬取點系統包括：
    點雲掃描模組，用於利用光學點雲三維掃描器針對待測產品之整個形面進行鐳射掃描得到待測產品之三維點雲；
    點雲網格化模組，用於根據三角形網格化方法將所述三維點雲進行三角形網格化得到網格化點雲；
    頂點計算模組，用於在網格化點雲上任意選取一量測點，以該量測點相對於顯示設備之螢幕法線作為射線，並找出該射線與網格化點雲之相交線，及根據所述法線方向最頂點僅有一個交點之原則在相交線上計算出量測點在待測產品表面上對應之初步座標；及
    量測點計算模組，用於以量測點之初步座標為中心，採用空間包圍盒演算法在量測點周圍找出與量測點臨近之所有三角形，將所有三角形之中心點進行平面擬合得到擬合平面之中心點及法向，並將擬合平面之中心點及法向量作為量測點之實際座標與法向量。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之三維量測模擬取點系統，其中，該系統還包括碰撞檢測模組，該碰撞檢測模組用於：
    從測針三維模型中獲取測針之當前座標，根據該測針之當前座標與所量測點之實際座標構建該測針之量測運動路徑；
    判斷測針之量測運動路徑與待測產品之網格化點雲是否有交點；
    若測針之量測運動路徑與所述網格化點雲有交點，則說明測針待測產品表面發生碰撞，需重新在網格化點雲上選取量測點；
    若測針之量測運動路徑與所述網格化點雲沒有交點，則將所述量測點之實際座標與法向量、及測針之量測運動路徑顯示在顯示設備上。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之三維量測模擬取點系統，其中，所述之三角形網格化方法包括將點雲三角形化後之三角形外接圓內沒有點原則、曲面局部曲率一致原則及包圍盒切割點雲找臨近點方法。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之三維量測模擬取點系統，其中，所述之量測點計算模組藉由最小二乘法計算出所有三角形之中心點相對於擬合平面之最佳位置，並採用擬牛頓迭代演算法計算出所有點到擬合平面之距離平方和之平均最小值得到所述擬合平面之中心點及法向。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之三維量測模擬取點系統，其中，所述之空間包圍盒演算法將量測點臨近之產品點雲切分成多個小包圍盒，在任意一個小包圍盒藉由標號方法找到與所述量測點臨近之所有三角形。
  6. 一種三維量測模擬取點方法，應用於電腦中，該電腦連接有光學點雲三維掃描器，該方法包括步驟：
    利用光學點雲三維掃描器針對待測產品之整個形面進行鐳射掃描得到待測產品之三維點雲；
    根據三角形網格化方法將所述三維點雲進行三角形網格化得到網格化點雲；
    在網格化點雲上任意選取一量測點，並以該量測點相對於顯示設備之螢幕法線作為射線；
    找出該射線與網格化點雲之相交線，並根據所述法線方向最頂點僅有一個交點之原則在相交線上計算出量測點在待測產品表面上對應之初步座標；
    以量測點之初步座標為中心，採用空間包圍盒演算法在量測點周圍找出與量測點臨近之所有三角形；及
    將所有三角形之中心點進行平面擬合得到擬合平面之中心點及法向，並將擬合平面之中心點及法向量作為量測點之實際座標與法向量。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之三維量測模擬取點方法，該方法還包括步驟：
    從測針三維模型中獲取測針之當前座標，根據該測針之當前座標與所量測點之實際座標構建該測針之量測運動路徑；
    判斷測針之量測運動路徑與待測產品之網格化點雲是否有交點；
    若測針之量測運動路徑與所述網格化點雲有交點，則說明測針待測產品表面發生碰撞，需重新在網格化點雲上選取量測點；
    若測針之量測運動路徑與所述網格化點雲沒有交點，則將所述量測點之實際座標與法向量、及測針之量測運動路徑顯示在顯示設備上。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之三維量測模擬取點方法，其中，所述之三角形網格化方法包括將點雲三角形化後之三角形外接圓內沒有點原則、曲面局部曲率一致原則及包圍盒切割點雲找臨近點方法。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之三維量測模擬取點方法，其中，所述之將所有三角形之中心點進行平面擬合得到擬合平面之中心點及法向之步驟包括：
    藉由最小二乘法計算出所有三角形之中心點相對於擬合平面之最佳位置；及
    採用擬牛頓迭代演算法計算出所有點到擬合平面之距離平方和之平均最小值得到所述擬合平面之中心點及法向量。
  10. 如申請專利範圍第6項所述之三維量測模擬取點方法，其中，所述之空間包圍盒演算法將量測點臨近之產品點雲切分成多個小包圍盒，在任意一個小包圍盒藉由標號方法找到與所述量測點臨近之所有三角形。
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