三维量测模拟取点系统及方法
【专利摘要】一种三维量测模拟取点系统及方法，应用于计算机中，该计算机连接有光学点云三维扫描仪。该方法包括步骤：利用光学点云三维扫描仪针对待测产品的整个形面进行激光扫描得到产品三维点云；将产品三维点云进行三角形网格化得到网格化点云；在网格化点云上任意选取一量测点，并快速计算出量测点在待测产品表面上对应的初步坐标；以量测点的初步坐标为中心，在量测点周围找出与量测点临近的所有三角形；将所有三角形的中心点进行平面拟合计算出量测点的实际坐标与法向量；并通过模拟测针的量测运动路径来验证所选取量测点的准确性。实施本发明，能够快速准确地在待测产品表面自动地进行选取量测点，且避免人为操作带来的安全隐患。
【专利说明】三维量测模拟取点系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种三维坐标量测系统及方法，特别是关于一种三维量测模拟取点系 统及方法。
【背景技术】
[0002] 三维坐标量测机台主要是通过量测机台上的测针对待测物体的量测点进行量测 或编程。在对量测点进行取点量测时，需要通过操纵杆控制量测机台移动到指定位置，再通 过测针接触待测产品表面进行取点。由于量测机台硬件本身移动速度的限制，其取点的速 度非常慢，且人为操作取点和退点也不会向法线方向运动，从而造成取点精度不准确的问 题。另外，人为操作容易发生安全事故造成测针的损害等问题。
【发明内容】
[0003] 鉴于以上内容，有必要提供一种三维量测模拟取点系统及方法，能够快速准确地 在待测产品表面自动地进行选取量测点进行量测，且避免人为操作带来的安全隐患。
[0004] 所述的三维量测模拟取点系统运行于计算机中，该计算机连接有光学点云三维扫 描仪。该三维量测模拟取点系统包括：点云扫描模块，用于利用光学点云三维扫描仪针对待 测产品的整个形面进行激光扫描得到待测产品的三维点云；点云网格化模块，用于将所述 三维点云进行三角形网格化得到网格化点云；顶点计算模块，用于在网格化点云上任意选 取一量测点，以该量测点相对于显示设备的屏幕法线作为射线，并找出该射线与网格化点 云的相交线，以及根据所述法线方向最顶点仅有一个交点的原则在相交线上计算出量测点 在待测产品表面上对应的初步坐标；量测点计算模块，用于以量测点的初步坐标为中心，采 用空间包围盒算法在量测点周围找出与量测点临近的所有三角形，将所有三角形的中心点 进行平面拟合得到拟合平面的中心点及法向，并将拟合平面的中心点及法向量作为量测点 的实际坐标与法向量。以及碰撞检测模块，用于从测针三维模型中获取测针的当前坐标，根 据该测针的当前坐标与所量测点的实际坐标构建该测针的量测运动路径；判断测针的量测 运动路径与待测产品的网格化点云是否有交点；若测针的量测运动路径与所述网格化点云 有交点，则说明测针待测产品表面发生碰撞，需重新在网格化点云上选取量测点；若测针的 量测运动路径与所述网格化点云没有交点，则将所述量测点的实际坐标与法向量、以及测 针的量测运动路径显示在显示设备上。
[0005] 所述的三维量测模拟取点方法应用于计算机中，该计算机连接有光学点云三维扫 描仪。该方法包括步骤：利用光学点云三维扫描仪针对待测产品的整个形面进行激光扫描 得到待测产品的三维点云；将所述三维点云进行三角形网格化得到网格化点云；在网格化 点云上任意选取一量测点，并以该量测点相对于显示设备的屏幕法线作为射线；找出该射 线与网格化点云的相交线，并根据所述法线方向最顶点仅有一个交点的原则在相交线上计 算出量测点在待测产品表面上对应的初步坐标；以量测点的初步坐标为中心，采用空间包 围盒算法在量测点周围找出与量测点临近的所有三角形；将所有三角形的中心点进行平面 拟合得到拟合平面的中心点及法向，并将拟合平面的中心点及法向量作为量测点的实际坐 标与法向量；从测针三维模型中获取测针的当前坐标，根据该测针的当前坐标与所量测点 的实际坐标构建该测针的量测运动路径；判断测针的量测运动路径与待测产品的网格化点 云是否有交点；若测针的量测运动路径与所述网格化点云有交点，则说明测针待测产品表 面发生碰撞，需重新在网格化点云上选取量测点；若测针的量测运动路径与所述网格化点 云没有交点，则将所述量测点的实际坐标与法向量、以及测针的量测运动路径显示在显示 设备上。
[0006] 相较于现有技术，本发明所述的三维量测模拟取点系统及方法，能够利用光学点 云三维扫描仪扫描待测产品得到产品三维点云，计算出三维量测机台的测针所需量测点的 坐标及法向量，并模拟三维量测机台的测针的量测运动路径来验证测针在待测物体表面所 取的量测点的准确性，提高取点的速度以及精确度，并避免人为操作带来的安全隐患。
【专利附图】
【附图说明】
[0007] 图1是本发明三维量测模拟取点系统较佳实施例的运行环境示意图。
[0008] 图2是本发明三维量测模拟取点方法较佳实施例的流程图。
[0009] 图3是对扫描的三维点云进行三角形网格化的示意图。
[0010] 图4是将待检测三维点云进行三角网格化后的三维点云示意图。
[0011] 主要元件符号说明
[0012] 计算机 1
[0013] 三维量测模拟取点系统 10
[0014] 点云扫描模块 101
[0015] 点云网格化模块 102
[0016] 顶点计算模块 103
[0017] 量测点计算模块 104
[0018] 碰撞检测模块 105
[0019] 显示设备 11
[0020] 存储设备 12
[0021] 处理器 13
[0022] 光学点云三维扫描仪 2
[0023] 测针 3
【具体实施方式】
[0024] 参阅图1所示，是本发明三维量测模拟取点系统10较佳实施例的运行环境示 意图。在本实施例中，所述的三维量测模拟取点系统10安装并运行于计算机1中，该计 算机1还包括，但不仅限于，显示设备11、存储设备12以及处理器13。该计算机1连接 有光学点云三维扫描仪2,该光学点云三维扫描仪2是一种双目光学点云三维检测设备 (charge-coupled device，CCD)，用于对待测产品的整个型面进行扫描来获取该待测产品 的三维点云。
[0025] 在本实施例中，所述的三维量测模拟取点系统10包括点云扫描模块101、点云网 格化模块102、顶点计算模块103、量测点计算模块104以及碰撞检测模块105。本发明所称 的功能模块是指一种能够被计算机1的处理器13所执行并且能够完成固定功能的一系列 程序指令段，其存储在计算机1的存储设备12中。关于各功能模块101-105将在图2的流 程图中作具体描述。
[0026] 参阅图2所示，是本发明三维量测模拟取点方法较佳实施例的流程图。在本实施 例中，该方法应用在计算机1中，能够利用光学点云三维扫描仪2扫描得到的产品三维点云 计算出三维量测机台的测针3 (如图4所示)所需量测点Ptl的坐标及法向量，并模拟出测针 3的量测运动路径PtlP 1来验证测针3在待测产品表面所取的量测点的准确性。
[0027] 步骤S21，点云扫描模块101利用光学点云三维扫描仪2针对待测产品的整个形面 进行激光扫描得到待测产品的三维点云。在本实施例中，所述的三维点云是指通过光学点 云三维扫描仪2对待测产品的每一个形面进行扫描后得到的点集合，其能够反映待测产品 的整体形状。
[0028] 步骤S22,点云网格化模块102根据点云三角形化后的三角形外接圆内没有点原 则和曲面局部曲率一致原则，再通过包围盒切割点云快速找临近点方法，对扫描的三维点 云进行三角形网格化得到网格化点云。在本实施例中，所述三角形外接圆内没有点原则是 指其中任意一个三角形的外接圆中均不包含点集中的其它点。所述曲面局部曲率一致原则 是指通过三角形外接圆内没有点的原则连接的三角形计算三角形向量，与临近已连接好的 三角形向量求角度，如角度太大，那该三角形连接错误，再重新找第三点，以此为逻辑，知道 找到合适的临近点。参考图3所示，点云网格化模块102选取任意一点为基准(例如qc!点)， 找距离最近的第二点(例如1点)，距离要小于用户给定的阀值(例如2cm)，将第一点与第二 点连成线，找临近第三点(例如q 2点)，三点（Qc^q1及q2点)连成的三角形外接圆中均不包含 点集中的其它点。
[0029] 步骤S23,顶点计算模块103在网格化点云上任意选取一量测点，并以该量测点相 对于显示设备11上的屏幕法线作为射线。如图4所示，顶点计算模块103在网格化点云B 上选取任意一量测点P〇,该量测点Ptl对应的屏幕法线为射线P〇P2。
[0030] 步骤S24,顶点计算模块103找出所述射线与网格化点云的相交线，并根据所述 法线方向最顶点仅有一个交点的原则在相交线上计算出该量测点在待测产品表面上对应 的初步坐标。在本实施例中，由于三维点云分别与屏幕法线的正方向和反方向相交可以得 到很多交点，顶点计算模块103依据待测产品最表面的点向外做射线找不到交点的原则， 从所有交点筛选出待测产品最表面的顶点坐标，即为该量测点在待测产品上对应的初步坐 标。
[0031] 步骤S25,量测点计算模块104以所述量测点的初步坐标为中心,采用空间包围盒 算法在在该量测点周围找出与量测点临近的所有三角形。在本实施例中，所述的空间包围 盒算法能够将量测点临近的产品点云切分成多个小包围盒，在任意一个小包围盒可以通过 标号方法很快的找到与量测点临近的所有三角形。如图4所示，以量测点P tl为中心的所有 与量测点临近的三角形均在包围圈A内。
[0032] 步骤S26,量测点计算模块104通过最小二乘法及拟牛顿迭代算法将所有三角形 的中心点进行平面拟合得到所述量测点的拟合平面，并将该拟合平面的中心点及法向量作 为该量测点的实际坐标与法向量。在本实施例中，量测点计算模块104根据最小二乘法计 算出所有三角形的中心点相对于拟合平面的最佳位置，并采用拟牛顿迭代算法计算出所有 点到拟合平面的距离平方和的平均最小值作为拟合平面的中心点坐标。该拟牛顿迭代算法 函数为
【权利要求】
1. 一种三维量测模拟取点系统，运行于计算机中，该计算机连接有光学点云三维扫描 仪，其特征在于，该三维量测模拟取点系统包括： 点云扫描模块，用于利用光学点云三维扫描仪针对待测产品的整个形面进行激光扫描 得到待测产品的三维点云； 点云网格化模块，用于根据三角形网格化方法将所述三维点云进行三角形网格化得到 网格化点云； 顶点计算模块，用于在网格化点云上任意选取一量测点，以该量测点相对于显示设备 的屏幕法线作为射线，并找出该射线与网格化点云的相交线，以及根据所述法线方向最顶 点仅有一个交点的原则在相交线上计算出量测点在待测产品表面上对应的初步坐标；以及 量测点计算模块，用于以量测点的初步坐标为中心，采用空间包围盒算法在量测点周 围找出与量测点临近的所有三角形，将所有三角形的中心点进行平面拟合得到拟合平面的 中心点及法向，并将拟合平面的中心点及法向量作为量测点的实际坐标与法向量。
2. 如权利要求1所述的三维量测模拟取点系统，其特征在于，该系统还包括碰撞检测 模块，该碰撞检测模块用于： 从测针三维模型中获取测针的当前坐标，根据该测针的当前坐标与所量测点的实际坐 标构建该测针的量测运动路径； 判断测针的量测运动路径与待测产品的网格化点云是否有交点； 若测针的量测运动路径与所述网格化点云有交点，则说明测针待测产品表面发生碰 撞，需重新在网格化点云上选取量测点； 若测针的量测运动路径与所述网格化点云没有交点，则将所述量测点的实际坐标与法 向量、以及测针的量测运动路径显示在显示设备上。
3. 如权利要求1所述的三维量测模拟取点系统，其特征在于，所述的三角形网格化方 法包括将点云三角形化后的三角形外接圆内没有点原则、曲面局部曲率一致原则以及包围 盒切割点云找临近点方法。
4. 如权利要求1所述的三维量测模拟取点系统，其特征在于，所述的量测点计算模块 通过最小二乘法计算出所有三角形的中心点相对于拟合平面的最佳位置，并采用拟牛顿迭 代算法计算出所有点到拟合平面的距离平方和的平均最小值得到所述拟合平面的中心点 及法向。
5. 如权利要求1所述的三维量测模拟取点系统，其特征在于，所述的空间包围盒算法 将量测点临近的产品点云切分成多个小包围盒，在任意一个小包围盒通过标号方法找到与 所述量测点临近的所有三角形。
6. -种三维量测模拟取点方法，应用于计算机中，该计算机连接有光学点云三维扫描 仪，其特征在于，该方法包括步骤： 利用光学点云三维扫描仪针对待测产品的整个形面进行激光扫描得到待测产品的三 维点云； 根据三角形网格化方法将所述三维点云进行三角形网格化得到网格化点云； 在网格化点云上任意选取一量测点，并以该量测点相对于显示设备的屏幕法线作为射 线. 找出该射线与网格化点云的相交线，并根据所述法线方向最顶点仅有一个交点的原则 在相交线上计算出量测点在待测产品表面上对应的初步坐标； 以量测点的初步坐标为中心，采用空间包围盒算法在量测点周围找出与量测点临近的 所有三角形；以及 将所有三角形的中心点进行平面拟合得到拟合平面的中心点及法向，并将拟合平面的 中心点及法向量作为量测点的实际坐标与法向量。
7. 如权利要求6所述的三维量测模拟取点方法，其特征在于，该方法还包括步骤： 从测针三维模型中获取测针的当前坐标，根据该测针的当前坐标与所量测点的实际坐 标构建该测针的量测运动路径； 判断测针的量测运动路径与待测产品的网格化点云是否有交点； 若测针的量测运动路径与所述网格化点云有交点，则说明测针待测产品表面发生碰 撞，需重新在网格化点云上选取量测点； 若测针的量测运动路径与所述网格化点云没有交点，则将所述量测点的实际坐标与法 向量、以及测针的量测运动路径显示在显示设备上。
8. 如权利要求6所述的三维量测模拟取点方法，其特征在于，所述的三角形网格化方 法包括将点云三角形化后的三角形外接圆内没有点原则、曲面局部曲率一致原则以及包围 盒切割点云找临近点方法。
9. 如权利要求6所述的三维量测模拟取点方法，其特征在于，所述的将所有三角形的 中心点进行平面拟合得到拟合平面的中心点及法向的步骤包括： 通过最小二乘法计算出所有三角形的中心点相对于拟合平面的最佳位置；以及 采用拟牛顿迭代算法计算出所有点到拟合平面的距离平方和的平均最小值得到所述 拟合平面的中心点及法向量。
10. 如权利要求6所述的三维量测模拟取点方法，其特征在于，所述的空间包围盒算法 将量测点临近的产品点云切分成多个小包围盒，在任意一个小包围盒通过标号方法找到与 所述量测点临近的所有三角形。
【文档编号】G06T17/05GK104517318SQ201310452029
【公开日】2015年4月15日 申请日期:2013年9月27日 优先权日:2013年9月27日
【发明者】张旨光, 吴新元, 张恒 申请人:鸿富锦精密工业（深圳）有限公司, 鸿海精密工业股份有限公司