離散點雲整合系統及方法
2023-12-02 09:35:26 2
專利名稱：離散點雲整合系統及方法
技術領域：
本發明是關於一種點雲處理系統及方法，尤其是涉及一種對多次掃 描同 一物體所得到的離散點雲加以整合的系統及方法。
背景技術：
逆向工程是相對於正向工程而言，所謂正向工程是指已有產品的設 計圖紙，然後按圖紙加工出產品實物。而逆向工程是由高速三維雷射掃 描器對已有的實物(樣品或模型)進行準確、高速的掃描，獲取實物的點雲數據，根據所獲點雲數據構建三維數字模型，進而利用CAM系統 完成產品的製造。利用雷射掃描器對同一物體進行掃描， 一般不能一次性掃描完，要 獲取物體完整的點雲數據集合，通常需要從不同角度對物體進行掃描 (多視角數據採集)，再通過一些方法把這些多次掃描所獲取的離散點 雲通過對齊復位恢復其原有的相互之間空間位置關係，合併成一個的完 整的點雲，以獲取物體表面較完整的三維信息。目前產業界的此類方法存在著對採集過程的特殊要求，或著精密復 雜的位移裝置等方面的嚴格控制。如通過產品的特徵(產品上的點線面之 類)進行定位的方法在產品上預設標記點，根據掃描所得的每兩組不同 視角三維數據中共有的一定數目的標記點位置的關係，確定各視角之間 坐標轉換關係。但多次定位會產生較大的誤差。而精度高的操作又很麻 煩
發明內容
鑑於以上內容，有必要提供一種離散點雲整合系統，將多次掃描物 體所獲取的離散點雲通過對齊復位恢復其原有的相互之間空間位置關 系，合併成一個的完整的點雲，以獲取物體表面較完整的三維信息。此外，還有必要提供一種離散點雲整合方法，將多次掃描物體所獲 取的離散點雲通過對齊復位恢復其原有的相互之間空間位置關係，合併 成一個的完整的點雲，以獲取物體表面較完整的三維信息。一種離散點雲整合系統，該系統包括計算機、與該計算機相連的掃描器及放置掃描物體的治具，所述治具上有三個小球。所述計算機包括 點雲獲取4莫塊，用於獲取掃描器掃描物體每一面所得的物體的點雲以及 對應於該每一面的治具上三個小球的點雲；球擬合模塊，用於根據掃描 物體每一面所得的三個小球的點雲分別擬合出一組小球；計算模塊，用 於計算各組擬合小球中每個小球的位置，以及計算各組擬合小球中每兩個小球之間的距離；匹配模塊，用於以物體的某一面為基準面，以掃描 該面得到的擬合小球為基準小球，找到其它面中與該面各個小球相匹配 的小球；及對齊模塊，用於將掃描物體其它面所得到的各組擬合小球根 據匹配關係經過平移、旋轉變換對齊到作為基準的擬合小球所在的位 置，得到對齊過程中的變換矩陣，並以掃描物體基準面得到的物體的點 云為基準點雲，才艮據所得到的變換矩陣將掃描物體各面得到的點雲對齊 到該基準點雲所在的位置，得到物體完整的點雲。一種離散點雲整合方法，該方法包括以下步驟(A)將待掃描物 體固定於可翻轉且含有三個小球的治具上；(B)翻轉治具掃描該物體 的所有面，在掃描該物體每一面的同時，將治具上的三個小球掃描一次； (C)獲取掃描該物體各面得到的該物體的點雲，及掃描物體該面得到 的治具上三個小球的點雲；(D)根據掃描物體每一面所得的三個小球 的點雲分別擬合出一組小球；(E )計算每一組擬合小球中各小球的位 置，並計算各組擬合小球中每兩個小球之間的距離；(F)以物體的某
一面為基準面，以掃描物體該面得到的擬合小球為基準小球，找到其它面中與該面各小球相匹配的小球；(G)將掃描物體其它面所得到的各 組擬合小球才艮據匹配關係經過平移、旋轉變換對齊到作為基準的擬合小 球所在的位置，得到對齊過程中的變換矩陣；及(H)以掃描物體基準 面得到的物體的點云為基準點雲，根據所得到的變換矩陣將掃描物體各 面得到的點雲對齊到該基準點雲，得到物體完整的點雲。相較於現有技術，本發明提供的離散點雲整合系統及方法利用三個 小球將多次掃描物體所獲取的離散點雲對齊復位，恢復其原有的相互之 間空間位置關係，整合成物體的完整的點雲，操作簡單，精度高。
圖1是本發明離散點雲整合系統較佳實施例的硬體架構圖。圖2是圖1中計算機的功能模塊圖。圖3是本發明離散點雲整合方法較佳實施例的流程圖。圖4(A)、圖4(B)、圖4(C)是兩組擬合小球對齊過程不同階段的示意圖。
具體實施方式
如圖1所示，是本發明離散點雲整合系統較佳實施例的硬體架構圖。 該系統主要包括治具10、掃描器(本實施例為雷射掃描器20)和計算機 30。治具10用於放置待掃描的物體A,該治具10上有三個陶資小球， 如圖中所示，球a,球b和球c。其中，三個小球大小可相同，也可不 同，於本實施例中，三個小球大小相同，且三個小球所組成的三角形為 不等邊三角形。該治具可以360。翻轉，以便於對物體A的各個面進行 掃描。雷射掃描器20用於掃描放置於治具IO上的物件A,獲取多次掃描
所得的物件A的離散點雲，在掃描物件A每一面的同時，雷射掃描器 20將三個小球掃描一次，獲取三個小球的點雲。計算機30用於接受雷射掃描器20掃描物體A每一面所得的物體A 的點雲以及三個小球的點雲，根據掃描物體A每一面的同時所得的小球 的點雲分別擬合(fit)出小球，如掃描物體A正面得到小球a， b， c 的點雲"scan0" ， "scanl" , "scan2，，，利用最小二乘法才艮據點雲"scanO"， "scanl" , "scan2，，擬合出一組小球Ql, Q2, Q3;翻轉治具10,掃 4苗4勿體A反面4尋到小J求a, b， c的,泉雲"scan3，， ， "scan4，， ， "scan5，，， 利用最小二乘法根據點雲"scan3" , "scan4，， ， "scan5"擬合出一組 小球Ml, M2， M3。之後，計算機30將擬合出的小球進行匹配，如擬 合出的小球M1對應於Ql, M2對應於Q2， M3對應於Q3。接下來，計算機30選定物體A某一面為基準面，以掃描該,得到 的擬合小球作為基準小球，將其它面的各組小球經過平移、旋轉等變換 與作為基準的小J求對齊(align)至各個相匹配的小球重合，得到變換矩 陣。進而，計算機30以掃描物體A基準面所得到的物體A的點云為基 準點雲，將掃描物體A其它面所得的點雲根據上述所得的變換矩陣與基 準點雲對齊，得到物體A完整的點雲。如圖2所示，是圖1中計算機30的功能模塊圖。該計算機30包括: 點雲獲取模塊310、球擬合模塊320、點雲修剪模塊330、計算模塊340、 匹配模塊350、對齊模塊360及點雲輸出模塊370。點雲獲取模塊310用於獲取雷射掃描器20掃描物體A每一面所得 的物體A的點雲以及對應於該每一面的治具上三個小球的點雲。球擬合模塊320用於根據掃描物體A每一面所得的三個小球的點雲 分別擬合出一組小球，如掃描物體A正面得到小球a, b, c的點雲 "scanO" ， "scanl" , "scan2"，利用最小二乘法才艮才居點雲"scanO"， "scanl" , "scan2"擬合出一組小球Q1， Q2， Q3;翻轉治具10,掃 描物體A反面得到小3求a, b, c的點雲"scan3，， ， "scan4，， ， "scan5，，， 利用最小二乘法根據點雲"scan3" , "scan4" ， "scan5，，擬合出一組 小球M1， M2， M3。點雲修剪模塊330用於進一步對每個擬合小球的雜亂點雲進行修 剪，並用於在得到物體A完整的點雲後刪除擬合小球及掃描物體各面所 得到的治具上三個小球的點雲。計算模塊340用於計算各組擬合小球中每個小球的位置，以及計算 各組擬合小球中每兩個小球之間的距離。匹配模塊350用於以物體A的某一面為基準面，以掃描該面得到的 擬合小球為基準小球，找到其它面中與該面各個小球相匹配的小球。假 設以掃描物體A正面得到的一組擬合小球Ql, Q2， Q3為基準小球， 因治具10上三個小球a, b, c兩兩之間的距離不等|—叫&| ，故 每組擬合小球中兩兩小球之間的距離也不等，及|002| - IG223J - |0301| ，|M1M2| # |M2M3| # |M3Ml| ,依據每組擬合小球中兩兩小J求之間的距離與 其它組擬合小球中兩兩小球之間的距離的對應關係，找到各組擬合小球 之間各小5求的3於應關係，lt。若|0102| = |M1M2| , |g203| = |M2M3| ， |Q301|=|M3M1|,則可得出Ml對應於Ql， M2對應於Q2， M3對應於 Q3。對齊模塊360用於將掃描物體A其它面所得到的各組擬合小球根據 匹配關係對齊到作為基準的擬合小球，如擬合小球M1， M2， M3分別 對應於擬合小球Ql, Q2， Q3，以擬合小球Q1， Q2， Q3為基準，將擬 合小J求Ml, M2， M3作為一個整體經過平移、旋轉變換直至擬合小球 Ml， M2， M3與擬合小球Q1， Q2, Q3分別對齊至重合，得到對齊過 程中的變換矩陣。接下來，對齊模塊360以掃描物體A基準面得到的物體A的點雲 為基準點雲，根據所得到的變換矩陣將掃描物體A各面得到的點雲對齊 到該基準點雲所在的位置，得到物體A完整的點雲。點雲輸出模塊370用於輸出對齊後所得到的物體A的完整的點雲，
並報告對齊精度。如圖3所示，是本發明離散點雲整合方法較佳實施例的流程圖。首先，將物體A固定在輔助掃描的治具10上，該治具IO上有三個 陶瓷小球a, b， c，且該治具10可以360。翻轉(步驟SIO)。接下來，翻轉治具IO，雷射掃描器20掃描該物體A的每一面，在 掃描該物體A每一面的同時，雷射掃描器20將治具上的三個小球掃描 一次(步驟S12)。點雲獲取漠塊310獲取掃描該物體A各面得到的該物體A的點雲， 及掃描物體A每個面時，對應於該面得到的治具IO上三個小球的點雲， 如掃描物體A正面得到三個小球的點云為"scanO" ， "scanl" ， "scan2"， 掃描物體A反面得到三個小球的點云為"scan3，， ， "scan4" , "scan5" (步驟S14)。球擬合模塊320應用數學法則，如最小二乘法，根據掃描物體A每 一面得到的三個小球的點雲分別擬合出對應於物體A該面的一組小球， 例如利用最小二乘法，才艮據點雲"scanO" , "scanl" , "scan2"擬 合出一組小3求Q1， Q2, Q3,才艮據點雲"scan3" , "scan4" , "scan5" 擬合出一組小球M1， M2， M3 (如圖4(A)所示)(步驟S16)。點雲修剪模塊330對擬合出來的各個小球的雜亂點雲進行修剪(步 驟S18)。計算模塊340計算各組擬合小球中每個小球的位置，以及計算各組 擬合小球中兩兩小球之間的距離，如計算|21^2|, |0223|， |030|，及計 算IM1M21 ， |M2M3| ， |M3Ml| (步驟S20 )。匹配模塊350以物體A的某一面為基準面，以掃描該面得到的擬合 小球為基準小球，找到其它面中與該面各個小球相匹配的小球。假設以 物體A的正面為基準面，以掃描物體A正面得到的一組擬合小球Ql, Q2, Q3為基準，因治具10上三個小球a, b, c兩兩之間的距離不等 |叫*—卜h| ,故每組擬合小球中兩兩小球之間的距離也不等，及 |002| - |02。3| # |g3gl| ， |M1M2| - |Af2AH|-|M3M1| ，依據每糹且擬合小J求中 兩兩小i求之間的距離與其它組擬合小球中兩兩小J求之間的距離的對應 關係，找到各組擬合小球之間各小球的對應關係，假設|002| = |Af 1M2| ， |22g3|=|M2M3|， |03Ql|=|M3Ml|，則可4尋出Ml對應於Ql, M2對應於 Q2, M3對應於Q3 (步驟S22 )。對齊模塊360用於將掃描物體A其它面所得到的各組擬合小球根據 匹配關係對齊到作為基準的擬合小球，如擬合小球Ml, M2， M3分別 對應於擬合小球Q1， Q2， Q3，則可以擬合小球Ql, Q2， Q3為基準， 將擬合小球Ml, M2, M3作為一個整體經過平移、旋轉變換直至擬合 小球Ml， M2, M3與擬合小球Q1， Q2, Q3分別對齊至重合，得到對 齊過程中的變換矩陣，具體方法如下(a)平移擬合小球Ml、 M2、 M3組成的空間三角形M1M2M3至頂點Ml與頂點Ql重合(如圖4(B) 所示)，得到第一個變換矩陣；(b)以頂點Ql為旋轉原點、平面Q1Q2M2 (或平面M1Q2M2，因頂點Ml與頂點Ql重合)的法向量為旋轉軸、 邊Q1Q2與邊Q1M2的內夾角為旋轉角度，將邊M1M2旋轉至與邊Q1Q2 重合，得到第二個變換矩陣；(c)以頂點Q1為旋轉原點、Q1Q2為旋 轉軸、邊Q1M2與邊Q1Q3的內夾角為旋轉角度，將邊M1M3旋轉至與 邊Q1Q3重合(如圖《C)所示)，得到第三個變換矩陣(步驟S24 )。對齊模塊360以掃描物體A基準面得到的物體A的點云為基準點 雲，根據所得到的變換矩陣將掃描物體A其它面得到的點雲對齊到該基 準點雲，得到物體A完整的點雲(S26)。點雲修剪模塊330進一步刪除擬合小球及掃描物體A各面時所得的 治具上三個小球的點雲(S28)。最後，點雲輸出模塊370輸出對齊後所得到的物體A的完整的點雲， 並報告對齊精度(步驟S30)。
權利要求
1.一種離散點雲整合系統，該系統包括計算機、與該計算機相連的掃描器及放置掃描物體的治具，所述治具上有三個小球，其特徵在於，所述計算機包括點雲獲取模塊，用於獲取掃描器掃描物體每一面所得的物體的點雲以及對應於該每一面的治具上三個小球的點雲；球擬合模塊，用於根據掃描物體每一面所得的三個小球的點雲分別擬合出一組小球；計算模塊，用於計算各組擬合小球中每個小球的位置，以及計算各組擬合小球中每兩個小球之間的距離；匹配模塊，用於以物體的某一面為基準面，以掃描該面得到的擬合小球為基準小球，找到其它面中與該面各個小球相匹配的小球；及對齊模塊，用於將掃描物體其它面所得到的各組擬合小球根據匹配關係經過平移、旋轉變換對齊到作為基準的擬合小球所在的位置，得到對齊過程中的變換矩陣，並以掃描物體基準面得到的物體的點云為基準點雲，根據所得到的變換矩陣將掃描物體各面得到的點雲對齊到該基準點雲所在的位置，得到物體完整的點雲。
2. 如權利要求1所述的離散點雲整合系統，其特徵在於，所述治具 上三個小球兩兩之間的距離不相等。
3. 如權利要求1所述的離散點雲整合系統，其特徵在於，所述計算 機還包括點雲修剪模塊，用於對擬合出的各小球的雜亂點雲進行修剪， 及用於在得到物體完整的點雲後刪除擬合小球及 掃描物體各面所得到 的治具上三個'j 、球的點雲。
4. 如權利要求1所述的離散點雲整合系統，其特徵在於，所述計算 機還包括點雲輸出模塊，用於輸出對齊後的物體完整的點雲，並報告對 齊精度。
5. —種離散點雲整合方法，其特徵在於，該方法包括以下步驟 將待掃描物體固定於可翻轉且含有三個小球的治具上； 翻轉治具掃描該物體的所有面，在掃描該物體每一面的同時，將治具上的三個小J求掃描一次；獲取掃描該物體各面得到的該物體的點雲，及掃描物體該面得到的 治具上三個小球的點雲；根據掃描物體每一面所得的三個小球的點雲分別擬合出一組小球；計算每一組擬合小球中各小球的位置，並計算各組擬合小球中每兩 個小球之間的距離；以物體的某一面為基準面,以掃描該面得到的擬合小球為基準小 球，找到其它面中與該面各小球相匹配的小球；將掃描物體其它面所得到的各組擬合小球根據匹配關係經過平移、 旋轉變換對齊到作為基準的擬合小球所在的位置，得到對齊過程中的變 換矩陣；及以掃描物體基準面得到的物體的點云為基準點雲，根據所得到的變 換矩陣將掃描物體各面得到的點雲對齊到該基準點雲，得到物體完整的 點雲。
6. 如權利要求5所述的離散點雲整合方法，其特徵在於，所述治具 上三個小球兩兩之間的距離不相等。
7. 如權利要求5所述的離散點雲整合方法，其特徵在於，該方法還 包括以下步驟對擬合出的各小球的雜亂點雲進行修剪。
8. 如權利要求5所述的離散點雲整合方法，其特徵在於，該方法還 包括以下步驟在得到物體完整的點雲後，刪除擬合小球及掃描物體各面所得到的 治具上三個小球的點雲。
9. 如權利要求5所述的離散點雲整合方法，其特徵在於，該方法還包括以下步驟輸出對齊後的物體完整的點雲，並報告對齊精度。
全文摘要
本發明提供一種離散點雲整合系統，該系統包括計算機、與該計算機相連的掃描器及放置掃描物體的治具，所述治具上有三個小球。所述計算機包括點雲獲取模塊、球擬合模塊、計算模塊、匹配模塊及對齊模塊。該系統利用三個小球將多次掃描物體所獲取的離散點雲對齊復位，恢復其原有的相互之間空間位置關係，整合成物體的完整的點雲，操作簡單，精度高。本發明同時提供一種離散點雲整合方法。
文檔編號G01B11/00GK101118158SQ20061006198
公開日2008年2月6日 申請日期2006年8月4日 優先權日2006年8月4日
發明者吳新元, 張旨光 申請人:鴻富錦精密工業(深圳)有限公司;鴻海精密工業股份有限公司