CN102880731A - 自动提取扫掠、拉伸和旋转特征形状的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种从非典型数字数据中自动提取扫掠/拉伸/旋转特征形状的装置和方法。该装置包括：扫描仪，其扫描3D对象，以便提供表示该3D对象的形状的3D扫描数据；计算装置，其从该扫描仪采集的3D扫描数据集中提取形状特征。其中，该计算装置包括：提取模块，其用于从该3D扫描数据集中提取多个点并根据所提取的多个点产生初始截面；对齐模块，其用于对齐初始截面，以便使初始截面的形状彼此一致；补偿模块，其用于形成初始路径，产生初始轮廓，然后补偿初始路径；以及建模模块，其利用经补偿的初始路径和初始轮廓执行建模功能。该装置和方法能够快速且精确地提取具有高自由度的特征形状，从而节省了时间和精力。

Description

自动提取扫掠、拉伸和旋转特征形状的装置及方法

相关申请

本申请要求2011年7月13日提交的第10-2011-0069305号韩国专利申请的优先权，该申请通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及从非典型数字数据中自动提取扫掠/拉伸/旋转特征形状的装置和方法，具体涉及从非典型数字数据中自动提取扫掠/拉伸/旋转特征形状的如下装置和方法：其中，将根据特定标准提取的路径及轮廓反复更新到对齐截面的平均形状中，并且使平均形状沿该路径移动以产生最终形状，从而优化所提取的路径及轮廓。因此，能够在不使用现有手工作业或测量操作的情况下由三维(3D)扫描数据快速且准确地产生逆向模型。

背景技术

通常在利用CAD/CAM/CAE来操作数字产生系统时，不可避免地需要部件的数字模型，例如3D CAD模型。具体地，在以手工制造的原型、旧制品、竞争对手的产品、人体等等为代表的利用逆向工程进行复制工作的领域中，通常采用与之有关的形状测量。

逆向工程是一种从作为原始数据的3D扫描数据中提取特征形状(可以将该特征形状定义为用数学方法限定的表面形状或者参数变化)并且使所提取的特征形状再有效地用于其它CAD或生产场所的过程。

在逆向工程中，当通过3D扫描仪获取的3D扫描数据加载到屏幕上时，原始数据由多条称作造型外观(shape appearance)或者边界表示(boundary representation)的信息构成。然而，由于原始数据不是具有含义的特征形状，所以需要利用用户的识别能力和估计，以便从原始数据中形成用于其它应用的数据。

在这种情况下需要花费大量的时间和精力。而且，由于3D扫描的测量未准确地反映在结果中，所以可能出现其它问题。

对于通过对从3D扫描中获取的原始数据进行数据拟合而在数学上限定形状(例如圆柱形、球形)的解决办法是广为熟知的并且用于各种工业领域。

如果将截平面的迹线形成为直线形或弧形，或者该截平面具有简单的形状，那么可以进行数据拟合。然而，如果是由非典型截面表示的数学形状的拉伸和旋转形状，或者如果任意形态的曲线是扫掠形状，那么用户通常选择合适的截面并且执行CAD特征的建模来手动控制各个参数，因此会经历多次试验和误差。从而，虽然可以得到理想的形状，但这些试验和误差花费很长时间。此外，难以在误差容限内从所获取的形状中找到解析形状。

发明内容

本发明的实施例用来提供用于从非典型数字数据中自动提取扫掠/拉伸/旋转特征形状的装置和方法，该装置和方法能够快速且精确地提取具有高自由度的特征形状，从而节省了时间和精力。

为实现本发明的目的，本发明提供一种用于从非典型数字数据中自动提取扫掠/拉伸/旋转特征形状的方法，该方法包括：通过扫描3D对象提供指示该3D对象形状的3D扫描数据集；从该3D扫描数据集中提取多个点并且根据所提取的多个点产生初始截面；对齐初始截面以使初始截面彼此一致；形成初始路径和初始轮廓，然后补偿初始路径；以及利用经补偿的初始路径和初始轮廓执行建模处理。

优选地，在形成初始路径和初始轮廓以及对初始路径进行补偿的过程中，从所对齐的截面中提取局部坐标并且通过连接局部坐标形成初始路径。

优选地，在形成初始路径和初始轮廓以及对初始路径进行补偿的过程中，从初始路径中获取以规则间隔隔开的点，从这些点中重新提取初始截面，然后提取初始截面的平均形状以便产生初始轮廓。

优选地，在形成初始路径和初始轮廓以及对初始路径进行补偿的过程中，再次对齐所重新提取的初始截面，并且获取相同的局部坐标以便补偿初始路径。

优选地，该方法进一步包括重复执行从所述3D扫描数据集中提取多个点、根据所提取的多个点产生初始截面、对齐初始截面以使初始截面彼此一致、形成初始路径和初始轮廓以及补偿初始路径的步骤，以便连续更新初始轮廓和初始路径，直到初始轮廓和初始路径的结果达到预设条件为止。优选地，在重复执行从3D扫描数据集中提取多个点、根据所提取的多个点产生初始截面、对齐初始截面以使初始截面彼此一致、形成初始路径和初始轮廓以及补偿初始路径的过程中，从第二次迭代处理起，将已更新的路径和轮廓作为输入值予以反馈。

优选地，建模处理是扫掠、拉伸和旋转中的至少一个。

优选地，在从该3D扫描数据集中提取多个点以及根据所提取的多个点产生初始截面的过程中，根据能够包括具有显著曲率的部分的特定标准，对输入形状上的点执行抽样，然后提取基本上垂直穿过所抽样的点的外围形状的截平面。

优选地，在形成初始路径和初始轮廓以及对初始路径进行补偿的过程中，将所述初始轮廓更新到根据所对齐的截面计算的平均形状中，并且通过提取所对齐的截面的相同局部坐标更新初始路径。

此外，本发明提供用于一种从非典型数字数据中自动提取扫掠/拉伸/旋转特征形状的装置，其包括：扫描仪，其扫描3D对象，以便提供表示该3D对象的形状的3D扫描数据；计算装置，其从由该扫描仪采集的3D扫描数据集中提取形状特征。其中，该计算装置包括：提取模块，其用于从该3D扫描数据集中提取多个点并且根据所提取的多个点产生初始截面；对齐模块，其用于对齐初始截面，以便使初始截面的形状彼此一致；补偿模块，其用于形成初始路径，产生初始轮廓，然后补偿初始路径；以及建模模块，其利用经补偿的初始路径和初始轮廓执行建模功能。

优选地，补偿模块从所对齐的初始截面中提取局部坐标，并且形成连接该局部坐标的初始路径。

优选地，补偿模块从初始路径中获得以规则间隔隔开的点，从这些点中再次重新提取初始截面，然后获取初始截面的平均形状，以便产生初始轮廓。

优选地，补偿模块再次对齐所重新提取的初始截面以便获取相同的局部坐标，然后补偿初始路径。

优选地，计算装置进一步包括迭代模块，该迭代模块用于重复执行提取模块、对齐模块和补偿模块的功能，直到迭代的结果达到预设的条件为止。优选地，迭代模块从第二次迭代处理起将已更新的路径作为输入值予以反馈。

优选地，建模模块执行扫掠功能、拉伸功能以及旋转功能中的至少一个。

优选地，提取模块根据能够包括具有显著曲率的部分的特定标准对输入形状上的点执行抽样，并且提取基本上垂直穿过所抽样点的外围形状的截面。

优选地，补偿模块将初始轮廓更新到由所对齐的截面计算的平均形状中，并且提取所对齐的截面的相同坐标，以更新初始路径。

附图说明

图1为示出根据本发明的用于从非典型数字数据中自动提取扫掠/拉伸/旋转特征形状的装置的构造的示意框图；

图2为示出根据本发明的从非典型数字数据中自动提取扫掠/拉伸/旋转特征形状的方法的示意流程图；

图3为示出根据本发明实施例的从非典型数字数据中自动提取扫掠/拉伸/旋转特征形状的方法的流程图，其中执行了扫掠向导；

图4为示出根据本发明实施例的从非典型数字数据中自动提取扫掠/拉伸/旋转特征形状的方法的流程图，其中执行了拉伸向导；

图5为示出根据本发明实施例的从非典型数字数据中自动提取扫掠/拉伸/旋转特征形状的方法的流程图，其中执行了旋转向导；

图6a-6c为用于解释扫掠向导的图。

主要部件的附图标记

100：计算装置    110：提取模块

120：对齐模块    130：补偿模块

140：建模模块    200：3D扫描仪

300：显示器

具体实施方式

下面参照附图对具体实施方式进行说明，从中将直观地了解本发明的上述优点、特征和方面。

图1为示出根据本发明用于从非典型数字数据中自动提取扫掠/拉伸/旋转特征形状的设备的构造的示意性框图；图2为示出根据本发明从非典型数字数据中自动提取扫掠/拉伸/旋转特征形状的方法的示意性流程图。如图所示，根据本发明用于从非典型数字数据中自动提取扫掠/拉伸/旋转特征形状的设备包括计算装置100和3D扫描仪200，计算装置100具有提取模块110、对齐模块120、补偿模块130以及建模模块140。该设备通过上述模块或者计算装置执行图2所示的过程。

3D扫描仪200与计算装置100通信，用于扫描3D对象以产生表示该3D对象形状的3D扫描数据，并向计算装置100提供3D扫描数据集(步骤S100)。

这里，3D扫描数据是从与计算装置100通信的3D扫描仪或者先前储存的扫描数据集中采集的。通过3D扫描仪200采集的作为原始数据的3D扫描数据可以是点群(point group)、三角网格、矩形网格、四面体网格或者六面体网格。

计算装置100用作提取模块110、对齐模块120、补偿模块130以及建模模块140的主机。而且，计算装置100可以是工作站、服务器、膝上型电脑、大型机、PDA、相互协作的装置的集群(cluster)、虚拟设备或者其它计算装置。

提取模块110从通过3D扫描仪200或者输入形状采集的3D扫描数据集中提取多个点，然后根据所提取的多个点产生两个以上初始截平面。

这里，提取模块110根据特定标准(该标准允许3D扫描数据集或输入形状中具有显著曲率的部分被包含在内)对输入形状上的点进行抽样，然后提取基本上垂直穿过被抽样的点的外围形状的截面。

同时，计算装置100判断用户输入的信息中是否存在路径。如果判定没有路径，则根据3D扫描数据的形状信息计算3D对象的曲率信息，并且从曲率超过期望基准的点中提取垂直于该3D对象形状的截平面，然后使用该截平面作为数据拟合处理中的输入信息。这种计算处理对应于通过路径抽样提取该截面的处理。

对齐模块120用于使从提取模块110中提取的两个以上截面对齐(步骤S120)。

如果所提取的截面对齐，则根据某些点生成截面形状的差异。截面形状的差异由补偿模块130补偿。

补偿模块130形成初始路径并且在生成初始轮廓后补偿该初始路径(步骤S130)。更详细地，补偿模块130从通过对齐模块120对齐的截面中提取局部坐标，然后形成连接局部坐标的初始路径。

进一步地，补偿模块130从初始路径中获取以规则间隔隔开的多个点，再从这些点中重新提取两个以上截面，然后获取这些截面的平均形状以生成初始轮廓。补偿模块130再次对所重新提取的截面进行对齐，以获取相同的局部坐标，然后再次对初始路径进行补偿。

也就是说，补偿模块130计算所对齐的截面的平均形状，然后利用所计算的截面的平均形状补偿通过提取模块110提取的截面形状。

这里，轮廓补偿是将所对齐的截面的平均截面更新到轮廓中，路径补偿是提取所对齐的截面的中心点并且更新路径。也就是说，在路径补偿中，通过将每个截面的中心点与所对齐的多个截面的中心点比较来提取新的中心点，从而更新路径。

同时，计算装置100进一步包括用于使提取模块110、对齐模块120和补偿模块130适于对轮廓和路径的提取、对齐和补偿进行迭代的迭代模块150，从而逐步优化所提取的路径和轮廓。也就是，迭代模块150使用前一迭代处理中的轮廓和路径作为下一迭代处理中的输入值，从而生成优化的路径和轮廓。换句话说，迭代模块150使提取模块110、对齐模块120和补偿模块130适于重复执行它们各自的功能，直到它们的结果达到理想状态为止。这里，所更新的路径和轮廓从第二迭代处理起用作输入值，即反馈。

建模模块140使用通过补偿模块130补偿或更新的路径和轮廓来执行建模处理(步骤S140)。这里，建模模块140中执行的建模功能是扫掠、拉伸和旋转中的至少一个。

进一步地，在建模模块140中，建模处理可以通过分解具有自由形态曲线的产品来执行，上述分解过程是在适当的误差容限内以解析形状的形式获得的。换句话说，建模处理可以通过将自由形态曲线或者自由形态曲线的一部分转换成直线与弧线的组合来执行。

同时，由建模模块140生成的逆向工程模型可以通过显示器300显示。

如上所述，在根据本发明的用于从非典型数字数据中自动提取特征形状的装置中，当提取具有高自由度的对象的特征形状时，由于在将所提取的路径和轮廓更新到对齐截面的平均形状中的状态下执行建模处理，所以能够在不进行现有手工作业或者测量操作的情况下根据上述3D扫描数据快速且精确地产生逆向工程模型。

图3至图5为示意地示出根据本发明的从非典型数字数据中自动提取特征形状的方法的流程图。

图3为示出根据本发明实施例的从非典型数字数据中自动提取扫掠/拉伸/旋转特征形状的方法的流程图，其中执行了扫掠向导。

这里，扫掠向导是设计程序中使用的设计功能之一，并且将参照图6a-6c对其进行描述。

如果所扫描的形状或者输入形状具有如图6a所示的高自由度，则如图6b所示，设置路径P，并且提取形成截平面的点以生成截平面A，然后沿所设置的路径P移动截平面A，从而得到图6c所示的建模形状。

也就是说，扫掠向导用于沿路径产生形状特征。

如果运行扫掠向导，则向计算装置100提供通过3D扫描仪200采集的3D数据集(步骤S210)，并将上述数据形成到三角网格内。然后，提取模块110判断在该3D数据集内是否存在扫掠路径(步骤S220)。结果，如果存在扫掠路径，那么提取装置110对扫掠路径进行抽样并且计算截平面(步骤S231)。然而，如果扫掠路径不存在，那么提取模块110通过使用所提供的3D扫描数据的形状信息计算3D对象的曲率信息，然后计算垂直于3D对象的截平面(步骤S232)。

并且提取模块110从所计算的截平面中提取每个截面(步骤S240)。然后，对齐模块120以局部坐标为基础对齐所提取的截面，以使所提取的截面彼此一致(步骤S250)。

在所提取的截面完全对齐之后，补偿模块130根据所对齐的截面计算平均截面，并且通过使用所计算的平均截面更新扫掠轮廓(步骤S260)。进一步地，补偿模块130提取同轴中心，即所对齐的截面的中心点，并且更新扫掠路径(步骤S270)。也就是说，在扫掠路径的补偿中，将每个截面的中心点与所对齐的截面的中心点相比较，以提取新的中心点，从而更新扫掠路径。通过迭代模块150重复执行更新处理，直到根据特定标准最优化扫掠路径为止。

然后，计算装置100判断每个处理是否符合其自身的标准(步骤S280)。也就是说，判断所更新的路径与输入形状之间的差异以及迭代处理的变化率下降是否符合特定标准。

如果它们符合特定标准，那么建模模块140利用所更新的轮廓和路径运行扫掠向导(步骤S290)。

因此，即便执行了具有高自由度的扫掠向导，也可以在将轮廓和路径补偿为接近实际对象形状的状态下执行建模，因此能够在无需手动控制各种参数并历经试验和误差的情况下精确地执行建模。

图4为示出根据本发明实施例的从非典型数字数据中自动提取扫掠/拉伸/旋转特征形状的方法的流程图，其中执行了拉伸向导。

如果执行拉伸向导，则向计算装置提供3D数据集(步骤S310)，并且将3D扫描数据形成到三角网格内。然后，提取模块110基于从提供给计算装置100的该3D数据集中获得的形状信息计算3D对象的拉伸方向和拔模角(步骤S320)，并且在该形状范围内计算垂直于拉伸方向的截平面(步骤S330)，然后从所计算的截平面中提取截面(步骤S340)。

然后，对齐模块120基于局部坐标对齐所提取的截面，以便所提取的截面彼此一致(步骤S350)。这里，如果存在使形状一致的拔模角，那么对齐模块120使其截面尺寸比例根据梯度率得到补偿的形状对齐。

如果完成所提取的截面的对齐工作，那么补偿模块130根据所对齐的截面计算平均截面，然后利用该平均截面更新拉伸轮廓(步骤S360)。

接下来，建模模块140利用所更新的轮廓及方向运行拉伸向导，并且对3D对象建模(步骤S370)。

因此，即便执行了具有高自由度的拉伸向导，也可以在将轮廓和方向补偿为接近实际对象形状的状态下运行建模，因此能够在无需手动控制各种参数并历经试验和误差的情况下精确地执行建模。

图5为示出根据本发明实施例的从非典型数字数据中自动提取扫掠/拉伸/旋转特征形状的方法的流程图，其中执行了旋转向导。

如果执行旋转向导，则向计算装置100提供3D数据集(步骤S410)，并且将3D扫描数据形成到三角网格内。然后，提取模块110基于从提供给计算装置100的该3D数据集中获得的形状信息计算3D对象的旋转轴线和旋转角度(步骤S420)，并且在该形状范围内计算垂直于旋转轴线的截平面(步骤S430)，然后从所计算的截平面中提取截面(步骤S440)。

然后，对齐模块120基于局部坐标对齐所提取的截面(步骤S450)。

如果完成所提取的截面的对齐工作，那么补偿模块130根据所对齐的截面计算平均截面，然后利用该平均截面更新旋转轮廓(步骤S460)。

此后，建模模块140利用所更新的轮廓以及旋转运行旋转向导，并且对3D对象建模(步骤S470)。

因此，即便执行了具有高自由度的旋转向导，也可以在将轮廓、旋转轴线和旋转角度补偿为接近实际对象形状的状态下运行建模，因此能够在无需手动控制各种参数并历经试验和误差的情况下精确地执行建模。

根据本发明，由于将所提取的路径和轮廓更新到所对齐的截面的平均形状中，所以能够在不使用现有手工作业或者测量操作的情况下由3D扫描数据快速且准确地产生逆向工程模型。

虽然已经结合具体实施例对本发明进行了描述，本领域的技术人员将明白，能够在不背离所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下进行各种变化和修改。

Claims (18)

1.一种从非典型数字数据中自动提取扫掠/拉伸/旋转特征形状的方法，其包括：

通过扫描3D对象提供表示所述3D对象形状的3D扫描数据集；

从所述3D扫描数据集中提取多个点，并且根据所提取的多个点生成初始截面；

对齐所述初始截面，以使所述初始截面彼此一致；

形成初始路径和初始轮廓，然后补偿所述初始路径；以及

利用经补偿的初始路径和初始轮廓执行建模处理。

2.如权利要求1所述的方法，其中，在形成所述初始路径和所述初始轮廓以及对所述初始路径进行补偿的过程中，从所对齐的截面中提取局部坐标，并且通过连接所述局部坐标形成所述初始路径。

3.如权利要求2所述的方法，其中，在形成所述初始路径和所述初始轮廓以及对所述初始路径进行补偿的过程中，从所述初始路径中获取以规则间隔隔开的点，并且从所隔开的点中重新提取所述初始截面，然后提取所述初始截面的平均形状，以便生成初始轮廓。

4.如权利要求3所述的方法，其中，在形成所述初始路径和所述初始轮廓以及对所述初始路径进行补偿的过程中，再次对齐所重新提取的初始截面，并且再次获取相同的局部坐标以补偿所述初始路径。

5.如权利要求4所述的方法，进一步包括：

重复执行以下步骤以便连续更新所述初始轮廓和所述初始路径，直到所述初始轮廓和所述路径的结果达到预设条件为止：从所述3D扫描数据集中提取多个点、根据所提取的多个点产生初始截面、对齐所述初始截面以使所述初始截面彼此一致、形成初始路径和初始轮廓以及补偿所述初始路径。

6.如权利要求5所述的方法，其中，在重复执行从所述3D扫描数据集中提取所述多个点、根据所提取的多个点产生所述初始截面、对齐所述初始截面以使所述初始截面彼此一致、形成所述初始路径和所述初始轮廓以及补偿所述初始路径的过程中，从第二次迭代处理起，将已更新的路径和轮廓作为输入值予以反馈。

7.如权利要求1所述的方法，其中，所述建模处理是扫掠、拉伸和旋转中的至少一个。

8.如权利要求1所述的方法，其中，在从所述3D扫描数据集中提取所述多个点以及根据所提取的多个点产生所述初始截面的过程中，根据能够包括具有显著曲率的部分的特定标准，对输入形状上的点执行抽样，然后提取基本上垂直穿过所抽样的点的外围形状的截平面。

9.如权利要求1所述的方法，其中，在形成所述初始路径和所述初始轮廓以及对所述初始路径进行补偿的过程中，将所述初始轮廓更新到根据所对齐的截面计算的平均形状中，并且通过提取所对齐的截面的相同局部坐标更新所述初始路径。

10.一种用于从非典型数字数据中自动提取扫掠/拉伸/旋转特征形状的装置，其包括：

扫描仪，其扫描3D对象，以便提供表示所述3D对象的形状的3D扫描数据；和

计算装置，其从由所述扫描仪采集的3D扫描数据集中提取形状特征；

其中，所述计算装置包括：

提取模块，其用于从所述3D扫描数据集中提取多个点并且根据所提取的多个点产生初始截面；

对齐模块，其用于对齐所述初始截面，以便使所述初始截面的形状彼此一致；

补偿模块，其用于形成初始路径，产生初始轮廓，然后补偿所述初始路径；和

建模模块，其利用经补偿的初始路径和所述初始轮廓执行建模功能。

11.如权利要求10所述的装置，其中，所述补偿模块从所对齐的初始截面中提取局部坐标，并且形成连接所述局部坐标的初始路径。

12.如权利要求11所述的装置，其中，所述补偿模块从所述初始路径中获得以规则间隔隔开的点，从所隔开的点中再次重新提取所述初始截面，然后获取所述初始截面的平均形状，以便产生初始轮廓。

13.如权利要求12所述的装置，其中，所述补偿模块再次对齐所重新提取的初始截面以便获取相同的局部坐标，然后补偿所述初始路径。

14.如权利要求13所述的装置，其中，所述计算装置进一步包括迭代模块，所述迭代模块用于重复执行所述提取模块、所述对齐模块和所述补偿模块的功能，直到所述迭代模块的结果达到期望的条件为止。

15.如权利要求14所述的装置，其中，所述迭代模块从第二次迭代处理起将已更新的路径作为输入值予以反馈。

16.如权利要求10所述的装置，其中，所述建模模块执行扫掠功能、拉伸功能以及旋转功能中的至少一个。

17.如权利要求10所述的装置，其中，所述提取模块根据能够包括具有显著曲率的部分的特定标准对输入形状上的点执行抽样，并且提取基本上垂直穿过所抽样的点的外围形状的截面。

18.如权利要求10所述的装置，其中，所述补偿模块将所述初始轮廓更新到根据所对齐的截面计算的所述平均形状中，并且提取所对齐的截面的相同坐标，以更新所述初始路径。

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