CN101673312A - 特征元素对齐方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种特征元素对齐方法。该方法包括：(a)创建参考对象的多个特征元素；(b)通过该参考对象的多个特征元素创建一个参考坐标系；(c)创建移动对象的多个特征元素；(d)通过该移动对象的多个特征元素创建一个移动坐标系；(e)根据上述的参考坐标系及移动坐标系构造一个相对坐标系，并通过该相对坐标系计算一个操作矩阵；及(f)通过该操作矩阵使移动对象与参考对象对齐。利用本发明可以快速方便地利用对象的特征元素实现两个对象的某一特定位置或者整体的对齐。

Description

特征元素对齐方法
技术领域
本发明涉及一种对齐方法，尤其是一种特征元素对齐方法。
背景技术
质量是一个企业保持长久发展能力的重要因素之一，如何提高和保证产品质量，是企业活动中的重要内容。为了提高和保证产品质量，对产品零件实施验证是必不可少的。同时，日渐增多且急迫的验证需求要求制造企业能够快速、准确地实施零件验证。
随着计算机硬件性能的提高及价格的降低，计算机在对象验证活动中的引入，大大提高了验证的速度和准确性。CAV(Computer-Aded Verification，计算机辅助验证)技术是使用激光等扫描系统采集待受测对象的3D资料，运用工程设计分析软件加以建模及分析，对比3D CAD(Computer-Aded Design)模型与点云这两个对象之间的偏差，并将所测偏差图形化显示。
目前，在利用CAV技术进行对象验证时，其应用的对齐方法主要是最佳对齐方法。所述最佳对齐是指通过移动、旋转等操作，使上述两个对象特征相似的地方尽量贴近。
然而，上述的最佳对齐方法只能进行整体对象的对齐，如果用户只需要对齐对象的某一特定位置或者基于某一特征元素进行对象的整体对齐，该最佳对齐方法是做不到的。
发明内容
鉴于以上内容，因此有必要提供一种特征元素对齐方法，其可以对齐对象的某一特定位置或者基于某一特征元素进行对象的整体对齐。
一种特征元素对齐方法，该方法包括：(a)创建参考对象的多个特征元素；(b)通过该参考对象的多个特征元素创建一个参考坐标系；(c)创建移动对象的多个特征元素；(d)通过该移动对象的多个特征元素创建一个移动坐标系；(e)根据上述的参考坐标系及移动坐标系构造一个相对坐标系，并通过该相对坐标系计算一个操作矩阵；及(f)通过该操作矩阵使移动对象与参考对象对齐。
利用本发明，可以快速方便地利用对象的特征元素实现两个对象的某一特定位置或者整体的对齐。
附图说明
图1是本发明特征元素对齐方法较佳实施例的作业流程图。
图2是图1中步骤S03或者S05建立参考坐标系或者移动坐标系的具体流程图。
图3是图2中步骤S11获得坐标系的Z轴向量的具体流程图。
图4是图2中步骤S12获得坐标系的X轴向量的具体流程图。
图5是图2中步骤S13获得坐标系的坐标原点的具体流程图。
图6是图1中步骤S06根据参考坐标系及移动坐标系构造相对坐标系，并通过该相对坐标系计算一个操作矩阵的具体流程图。
图7是本发明较佳实施例中相对坐标系的示意图。
具体实施方式
参阅图1所示，是本发明特征元素对齐方法较佳实施例的作业流程图。
步骤S01，从一个数据库或者其他存储单元中接收两个需要进行对齐操作的对象，该两个对象可以分别称为参考对象及移动对象。其中，所述对象可以是点云，标准图档、曲面及聚合面等三维图档。
步骤S02，创建参考对象的多个特征元素。其中，该特征元素可以为线、面、圆及球等；所述创建特征元素是指在一个点云或者标准图档等对象中创建线、面等元素。
步骤S03，通过该参考对象的多个特征元素创建一个参考坐标系(具体步骤将在图2中详细描述)。
步骤S04，创建移动对象的多个特征元素。如上所述，该特征元素可以为线、面、圆及球等；所述创建特征元素是指在一个点云或者标准图档等对象中创建线、面等元素。
步骤S05，通过该移动对象的多个特征元素创建一个移动坐标系(具体步骤将在图2中详细描述)。
步骤S06，根据上述的参考坐标系及移动坐标系构造一个相对坐标系，并通过该相对坐标系计算一个操作矩阵(具体步骤将在图6中详细描述)。
步骤S07，通过该操作矩阵使移动对象与参考对象对齐，即将移动对象在该相对坐标系下的每个点的坐标值乘以该操作矩阵，得到该移动对象在该相对坐标系下的新的坐标值，完成移动对象与参考对象的对齐操作。
参阅图2所示，是图1中步骤S03或者S05建立参考坐标系或者移动坐标系的具体流程图。
步骤S11，获得参考坐标系或者移动坐标系的Z轴向量(具体步骤将在图3中详细描述)。
步骤S12，获得参考坐标系或者移动坐标系的X轴向量(具体步骤将在图4中详细描述)
步骤S13，获得参考坐标系或者移动坐标系的坐标原点(具体步骤将在图5中详细描述)。
步骤S14，根据上述的Z轴向量、X轴向量及坐标原点创建参考坐标系或者移动坐标系。其中，Z轴向量的方向即为坐标系的Z轴方向；X轴向量的方向即为坐标系的X轴方向；Z轴与X轴所确定平面的向量方向为坐标系的Y轴方向。
这里需要说明的是，上述流程中所述的先获得坐标系的Z轴向量，再获得坐标系的X轴向量及最后获得坐标系的坐标原点，只是本发明的一个较佳实施例。根据实际需要也可以先获得坐标系的Z轴向量，再获得坐标系的Y轴向量及最后获得坐标系的坐标原点，或者先获得坐标系的X轴向量，再获得坐标系的Z轴向量及最后获得坐标系的坐标原点等，而不应该完全局限于上述的实施例。
参阅图3所示，是图2中步骤S11获得坐标系的Z轴向量的具体流程图。
步骤S21，选择一个第一特征元素。
步骤S22，判断该第一特征元素是否为面元素。若该第一特征元素不是面元素，则返回步骤S21，重新选择第一特征元素。
若该第一特征元素是面元素，则步骤S23，得到该面元素的向量。
步骤S24，根据需要判断该向量的方向是否需要取反。向量的方向可以包括向里或者向外。当该面元素的向量方向为向里时，为了使该向量能够显示在显示界面(如计算机的显示屏幕)上，可以将该向量的方向取反，使其方向为向外。
当不需要取反时，直接进入步骤S26。
当需要将向量的方向取反时，则在步骤S25中，将该向量的方向取反。
步骤S26，得到坐标系(参考坐标系或者移动坐标系)的Z轴向量。其中，所述坐标系的Z轴向量即上述的面元素的向量。
参阅图4所示，是图2中步骤S12获得坐标系的X轴向量的具体流程图。
步骤S31，选择一个第二特征元素。
步骤S32，判断该第二特征元素是否为面元素。若该第二特征元素是面元素，则进入步骤S34。
若该第二特征元素不是面元素，则步骤S33，判断该第二特征元素是否为线元素。若该第二特征元素是线元素，则进入步骤S34。
若第二特征元素也不是线元素，则返回步骤S31，重新选择第二特征元素。
若该第二特征元素是面元素或者线元素，则步骤S34，得到该特征元素(面元素或者线元素)的向量。
步骤S35，判断该向量是否与上述在图3中得到的坐标系的Z轴向量平行。当该向量与坐标系的Z轴向量平行时，返回步骤S31，重新选择第二特征元素。
当该向量与坐标系的Z轴向量不平行时，步骤S36，将该向量投影到与坐标系Z轴向量垂直的任意一平面上，得到一个投影向量。
步骤S37，判断该投影向量的方向是否取反。当不需要将该投影向量的方向取反时，进入步骤S39。
若需要将该投影向量的方向取反，则步骤S38，将该投影向量的方向取反。
步骤S39，得到坐标系(参考坐标系或者移动坐标系)的X轴向量。其中，所述坐标系的X轴向量即上述的投影向量。
参阅图5所示，是图2中步骤S13获得坐标系的坐标原点的具体流程图。
步骤S40，选择一个第三特征元素。
步骤S41，判断该第三特征元素是否为面元素。若该第三特征不是面元素，则进入步骤S47。
若该第三特征元素是面元素，则步骤S42，判断图4中的第二特征元素是否为面元素。若所述的第二特征元素不是面元素，则返回步骤S40，重新选择第三特征元素。
若所述的第二特征元素是面元素，则步骤S43，求出第一特征元素与第二特征元素的交线。如图3中所示，第一特征元素一定为面元素，因此，该第一特征元素与第二特征元素的交线为两个面元素的交线。
步骤S44，判断该第三特征元素是否与上述交线相交。若不相交，则返回步骤S40，重新选择第三特征元素。
若该第三特征元素与上述交线相交，则步骤S45，得到该第三特征元素与交线的交点。
步骤S46，得到坐标系(参考坐标系或者移动坐标系)的坐标原点。此时，上述的交点即为坐标系的坐标原点。
在步骤S41中，若判断该第三特征元素不是面元素，则步骤S47，判断该第三特征元素是否为线元素。若该第三特征元素不是线元素，则进入步骤S49。
若该第三特征元素是线元素，则步骤S48，得到该线元素的特征点，即该线元素的中点。
步骤S46，得到坐标系(参考坐标系或者移动坐标系)的坐标原点。此时，上述的线元素的中点即为坐标系的坐标原点。
在步骤S47中，若判断该第三特征元素不是线元素，则步骤S49，判断该第三特征元素是否为球元素。若该第三特征元素不是球元素，则进入步骤S51。
若该第三特征元素是球元素，则步骤S50，得到该球元素的特征点，即该球元素的球心
步骤S46，得到坐标系(参考坐标系或者移动坐标系)的坐标原点。此时，上述的球元素的球心即为坐标系的坐标原点。
在步骤S49中，若判断该第三特征元素不是球元素，则步骤S51，判断该第三特征元素是否为圆元素。若该第三特征元素不是圆元素，则返回步骤S40，重新选择第三特征元素。
若该第三特征元素是圆元素，则步骤S52，得到该圆元素的特征点，即该圆元素的圆心
步骤S46，得到坐标系(参考坐标系或者移动坐标系)的坐标原点。此时，上述的圆元素的圆心即为坐标系的坐标原点。
这里需要说明的是，上述流程中各步骤的顺序只是本发明的一个较佳实施例。例如，根据实际需要可以先判断第三特征元素是不是圆元素，在该第三特征元素不是圆元素的情况下判断该第三特征元素是不是球元素，在该第三特征元素也不是球元素的情况下再判断该第三特征元素是不是线元素，及在该第三特征元素也不是线元素的情况下再判断该第三特征元素是不是面元素。因此，上述流程中各步骤的顺序不应该完全局限于上述的实施例。
参阅图6所示，是图1中步骤S06根据参考坐标系及移动坐标系构造相对坐标系，并通过该相对坐标系计算一个操作矩阵的具体流程图。
步骤S60，构建所述的相对坐标系。所述相对坐标系是指一个可以使参考坐标系及移动坐标系之间建立起关联的坐标系。以下以一个实施例对构建相对坐标系进行说明。
参阅图7所示，假设参考坐标系为a，移动坐标系为b，则构建的相对坐标系为c。其中，相对坐标系c的坐标原点Oc位于参考坐标系a的X轴及移动坐标系b的Y轴上。假设相对坐标系c的坐标原点Oc距离参考坐标系a的坐标原点Oref的距离为d1，相对坐标系c的坐标原点Oc距离移动坐标系b的坐标原点Omov的距离为d2，则参考坐标系a上的点的坐标(A，B，C)在相对坐标系c上为(A-d1，B，C)，移动坐标系b上的点的坐标(A`，B`，C`)在相对坐标系c上为(A`，B`-d2，C`)。
步骤S61，得到参考坐标系a的坐标原点Oref(0，0，0)相对于上述相对坐标系c的坐标值(Oxref，Oyref，Ozref)。
步骤S62，得到参考坐标系a的X轴上的点Xref(1，0，0)相对于上述相对坐标系c的坐标值(Xxref，Xyref，Xzref)。
步骤S63，得到参考坐标系a的Y轴上的点Yref(0，1，0)相对于上述相对坐标系c的坐标值(Yxref，Yyref，Yzref)。
步骤S64，得到参考坐标系a的Z轴上的点Zref(0，0，1)相对于上述相对坐标系c的坐标值(Zxref，Zyref，Zzref)。
步骤S65，根据上述参考坐标系a中的四个点相对于相对坐标系c的四个坐标值得到一个参考矩阵：
MatRef = Oxref Xxref Yxref Zxref Oyref Xyref Yyref Zyref Ozref Xzref Yzref Zzref 1 1 1 1 .
步骤S66，得到移动坐标系b的坐标原点Omov(0，0，0)相对于上述相对坐标系c的坐标值(Oxmov，Oymov，Ozmov)。
步骤S67，得到移动坐标系b的X轴上的点Xmov(1，0，0)相对于上述相对坐标系c的坐标值(Xxmov，Xymov，Xzmov)。
步骤S68，得到移动坐标系b的Y轴上的点Ymov(0，1，0)相对于上述相对坐标系c的坐标值(Yxmov，Yymov，Yzmov)。
步骤S69，得到移动坐标系b的Z轴上的点Zmov(0，0，1)相对于上述相对坐标系c的坐标值(Zxmov，Zymov，Zzmov)。
步骤S70，根据上述移动坐标系b中的四个点相对于相对坐标系c的四个坐标值得到一个移动矩阵：
MatMov = Oxmov Xxmovo Yxmov Zxmov Oymov Xymov Yymov Zymov Ozmov Xzmov Yzmov Zzmov 1 1 1 1 .
步骤S71，将上述的参考矩阵及移动矩阵相乘得到所述的操作矩阵。
本发明所提供的特征元素对齐方法，不仅可以实现点云和点云对齐，还可以实现点云和标准图档、点云和曲面、点云和聚合面及聚合面与聚合面等通过空间上的三维特征进行对齐，同时本发明可以快速方便地利用对象的特征元素实现两个对象的某一特定位置或者整体的对齐。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种特征元素对齐方法，其特征在于，该方法包括：
(a)从数据库接收两个对象，该两个对象分别称为参考对象及移动对象；
(b)创建参考对象的多个特征元素；
(c)通过该参考对象的多个特征元素创建一个参考坐标系；
(d)创建移动对象的多个特征元素；
(e)通过该移动对象的多个特征元素创建一个移动坐标系；
(f)根据上述的参考坐标系及移动坐标系构造一个相对坐标系，并通过该相对坐标系计算一个操作矩阵；及
(g)通过该操作矩阵使移动对象与参考对象对齐。
2.如权利要求1所述的特征元素对齐方法，其特征在于，所述的对象为点云及三维图档。
3.如权利要求1所述的特征元素对齐方法，其特征在于，所述的特征元素为线、面、圆或者球中的一种或者几种。
4.如权利要求1所述的特征元素对齐方法，其特征在于，所述步骤(c)及步骤(e)分别包括：
(h1)获得坐标系的第一个轴的向量；
(h2)获得坐标系的另一个轴的向量；
(h3)获得坐标系的坐标原点；及
(h4)根据上述的两个轴的向量及坐标原点创建该坐标系。
5.如权利要求4所述的特征元素对齐方法，其特征在于，所述的两个轴的向量为Z轴向量与X轴向量、Z轴向量与Y轴向量、或者X轴向量与Y轴向量。
6.如权利要求4所述的特征元素对齐方法，其特征在于，所述步骤(h1)包括：
(h11)选择一个第一特征元素；
(h12)判断该第一特征元素是否为面元素；
(h13)若该第一特征元素不是面元素，则返回步骤(h11)；
(h14)若该第一特征元素是面元素，则得到该面元素的向量；
(h15)根据实际情况将该向量的方向取反；及
(h16)根据该面元素的向量获得坐标系的第一个轴的向量。
7.如权利要求6所述的特征元素对齐方法，其特征在于，所述步骤(h2)包括：
(h21)选择一个第二特征元素；
(h22)判断该第二特征元素是否为面元素；
(h23)若该第二特征元素是面元素，则直接进入步骤(h27)；
(h24)若该第二特征元素不是面元素，则判断该第二特征元素是否为线元素；
(h25)若该第二特征元素是线元素，则直接进入步骤(h27)；
(h26)若第二特征元素不是面元素也不是线元素，则返回步骤(h21)；
(h27)若该第二特征元素是面元素或者线元素，则得到该第二特征元素的向量；
(h28)判断该向量是否与上述的第一个轴的向量平行；
(h29)当该向量与坐标系的第一个轴的向量平行时，返回步骤(h21)；
(h30)当该向量与坐标系的第一个轴的向量不平行时，将该向量投影到与坐标系第一个轴的向量垂直的任意一平面上，得到一个投影向量；
(h30)根据实际情况将该投影向量的方向取反；及
(h31)根据该投影向量得到坐标系的另一个轴的向量。
8.如权利要求7所述的特征元素对齐方法，其特征在于，所述步骤(h3)包括：
(h32)选择一个第三特征元素；
(h33)判断该第三特征元素是否为面元素；
(h34)若该第三特征元素是面元素，则判断上述的第二特征元素是否为面元素；
(h35)若所述的第二特征元素不是面元素，则返回步骤(h32)；
(h36)若所述的第二特征元素是面元素，则求出第一特征元素与第二特征元素的交线；
(h37)判断该第三特征元素是否与上述交线相交，若不相交，则返回步骤(h32)；
(h38)若该第三特征元素与上述交线相交，则得到该第三特征元素与交线的交点；
(h39)得到坐标系的坐标原点，其中上述的交点即为该坐标系的坐标原点；
(h40)若步骤(h33)判断的结果为第三特征元素不是面元素，则得到该第三特征元素的特征点；及
(h41)得到坐标系的坐标原点，其中上述的特征点即为坐标系的坐标原点。
9.如权利要求8所述的特征元素对齐方法，其特征在于，若所述的第三特征元素为线元素，则所述的特征点为该线元素的中点；若所述的第三特征元素为球元素，则所述的特征点为该球元素的球心；若所述的第三特征元素为圆元素，则所述的特征点为该圆元素的圆心。
10.如权利要求1所述的特征元素对齐方法，其特征在于，所述步骤(f)包括：
构建所述的相对坐标系；
得到参考坐标系的坐标原点Oref(0，0，0)相对于上述相对坐标系的坐标值(Oxref，Oyref，Ozref)；
得到参考坐标系的X轴上的点Xref(1，0，0)相对于上述相对坐标系的坐标值(Xxref，Xyref，Xzref)；
得到参考坐标系的Y轴上的点Yref(0，1，0)相对于上述相对坐标系的坐标值(Yxref，Yyref，Yzref)；
得到参考坐标系的Z轴上的点Zref(0，0，1)相对于上述相对坐标系的坐标值(Zxref，Zyref，Zzref)；
根据上述参考坐标系中的四个点相对于相对坐标系的四个坐标值得到一个参考矩阵；
得到移动坐标系的坐标原点Omov(0，0，0)相对于上述相对坐标系的坐标值(Oxmov，Oymov，Ozmov)；
得到移动坐标系的X轴上的点Xmov(1，0，0)相对于上述相对坐标系的坐标值(Xxmov，Xymov，Xzmov)；
得到移动坐标系的Y轴上的点Ymov(0，1，0)相对于上述相对坐标系的坐标值(Yxmov，Yymov，Yzmov)；
得到移动坐标系的Z轴上的点Zmov(0，0，1)相对于上述相对坐标系的坐标值(Zxmov，Zymov，Zzmov)；
根据上述移动坐标系中的四个点相对于相对坐标系的四个坐标值得到一个移动矩阵；及
将上述的参考矩阵及移动矩阵相乘得到所述的操作矩阵。
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