CN103294840A - 用于工业测量设计对比分析的乱序点集自动匹配方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于工业测量设计对比分析的乱序点集自动匹配方法，包括以下401)服务器分别接收来自设计点集数据库中的设计点集数据和测量点集数据库中的测量点集数据；402)服务器分别计算两点集内各点间相对距离，得两点集相对距离序列；403)服务器对两点集相对距离序列按快速排序法分别进行降序排列；404)服务器进行边长匹配，即从两点集相对距离序列中分别取距离最长的边，按照边长匹配策略进行匹配，若匹配失败，则结束；若匹配成功，则获取一对匹配边；405)服务器分别计算两点集中各点到步骤404)获得的各自匹配边的距离，得两个点线距离序列等步骤。与现有技术相比，本发明具有操作方便、作业效率高、适用性强等优点。

Description

用于工业测量设计对比分析的乱序点集自动匹配方法

技术领域

本发明涉及一种匹配方法，尤其是涉及一种用于工业测量设计对比分析的乱序点集自动匹配方法。

背景技术

工业测量中，测量数据和设计数据的对比分析十分重要，一般用来检测、评价工业构件的制造误差或变形量，其主要包括三种应用类型：一是对规则几何体(如平面、球面等)的检测，通过对几何体测量数据拟合计算得到其几何参数，再与设计参数进行对比；二是对工业构件自由曲面的检测，一般通过测量的点云数据与工件三维设计模型的特征匹配或曲面描述匹配实现；三是已知空间离散点的设计坐标，用之与这些点的测量数据进行对比分析。

测量数据与设计数据的匹配是对比分析应用中最关键的一步，目前的匹配方法主要有：测量设备的绝对定位、公共点转换、曲面匹配算法。前两种都需要根据测量对象的特点进行人工干预，而曲面匹配算法则可以根据迭代匹配、特征匹配、曲面描述匹配等方法实现自动解算。对于空间离散点集的设计对比匹配，目前多采用人工指定公共点进行转换的方式，而且公共点至少指定3对，自动匹配方面的研究鲜有见到。这种人工干预的计算分析方法不仅增加了操作工作量，而且不利于获取最优转换参数并剔除含有较大误差的测点。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种操作方便、作业效率高、适用性强的用于工业测量设计对比分析的乱序点集自动匹配方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种用于工业测量设计对比分析的乱序点集自动匹配方法，包括以下步骤：

401)服务器输入分别来自设计点集数据库中的设计点集数据和测量点集数据库中的测量点集数据；

402)服务器分别计算两点集内各点间相对距离，得两点集相对距离序列；

403)服务器对两点集相对距离序列按快速排序法分别进行降序排列；

404)服务器进行边长匹配，即从两点集相对距离序列中分别取距离最长的边，按照边长匹配策略进行匹配，若匹配失败，则结束；若匹配成功，则获取一对匹配边；

405)服务器分别计算两点集中各点到步骤404)获得的各自匹配边的距离，得两个点线距离序列；

406)服务器将两个点线距离序列分别降序排列；

407)服务器进行垂距匹配，即以最大点线距作为匹配对象，按垂距匹配策略进行匹配，若匹配失败，则以次大点线距进行匹配，直至匹配成功或遍历完所有点线距，若最终失败，则执行步骤408)；若匹配成功则获取第1组点对，即最大点线距点，然后执行步骤409)；

408)服务器获取次长边，然后转到步骤404)进行边长匹配；

409)服务器进行端点匹配，即确定匹配边两端点的对应关系，用步骤407)匹配得到的点对和步骤404)匹配得到的对应边，通过端点匹配策略来确定该边两端点在测量点集和设计点集中的对应关系，若确定失败，则执行步骤410)；若确定成功，则获取了第2组和第3组点对，然后执行步骤411)；

410)服务器获取次长垂距，转到步骤407)进行垂距匹配；

411)服务器通过得到的3对公共点，依据最小二乘原理，按照转换公式来计算测量点坐标系到设计点坐标系的转换参数；

412)依据步骤411)中计算得到的坐标转换参数，服务器进行坐标系统一转换计算；

413)在服务器中，统一坐标系后的设计点集和测量点集通过点间距离偏差来确定所有点对关系，同时得到所有点对差值；

414)服务器用所有差值不超限的点对参与坐标转换参数计算，以获取整体精度最优的转换参数；

415)服务器重新计算设计偏差，若精度不满足要求，则执行步骤416)；若精度满足要求，则执行步骤417)；

416)服务器将设计偏差大于阈值的点对剔除，然后执行步骤414)；

417)服务器输出设计对比分析结果，包括剔除的误差较大的测点，然后结束。

所述的边长匹配策略为：

以设计点集为基准，通过选择测量点集中的边来执行匹配，记设计点集与测量点集中参与匹配的边分别为L_AB和L_XY，其中，A、B为L_AB的两端点，X、Y为L_XY的两端点，并记匹配模糊度ΔE为3σ，其中σ为测量中误差与建造或焊接中误差的模和，根据经验和测量仪器标定取值；

若两边长度满足式

L_XY-2ΔE≤L_AB≤L_XY+2ΔE，

则匹配成功，否则，X和Y不全部属于共同点集P或测量误差过大；

若匹配成功，则获取一对匹配边，否则，以次长边匹配，直至匹配成功或遍历完所有边。

所述的垂距匹配策略为：

记点C到L_AB的垂距为d₁，点Z到L_XY的垂距为d₂，若d₁、d₂满足式

d₂-2ΔE≤d₁≤d₂+2ΔE，

则匹配成功，由此可得一组对应点；

否则，点Z在设计点集中不存在对应点或测量误差过大。

所述的端点匹配策略为：

当通过垂距匹配确定点C与点Z对应，又已知L_AB和L_XY对应，计算可得点C到点A、B的距离，记为D_CA和D_CB，点Z到点X、Y的距离，分别记为D_ZX和D_ZY，对于式

            D_ZX-2ΔE≤D_CA≤D_ZX+2ΔE

与式        D_ZY-2ΔE≤D_CA≤D_ZY+2ΔE

只满足其中一个，匹配成功，得点对A与X、B与Y，或A与Y、B与X；否则匹配失败，认为点C、Z处于对应边L_AB、L_XY的垂直平分面上。

所述的步骤411)中的转换公式为：

$\left(\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{x}_0\\ y_0\\ z_0\end{array}\right)+(1+\mathrm{\μ})R_x\left(\mathrm{\α}\right)R_y\left(\mathrm{\β}\right)R_z\left(\mathrm{\γ}\right)\left(\begin{array}{c}{x}^{\′}\\ y^{\′}\\ z^{\′}\end{array}\right)$

式中，(x₀ y₀ z₀)^T为两坐标系间的平移量，R_x(α)R_y(β)R_z(γ)为三个旋转矩阵的乘积，分别绕X轴旋转α，绕Y轴旋转β，绕Z轴旋转γ，μ为尺度参数。

所述的步骤413)中的点间距离偏差小于ΔE。

所述的步骤416)中的阈值为3σ。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)可根据点位空间拓扑关系自动匹配点对，并计算最优转换参数和识别含较大误差的测点，可较好地解决工业测量点集设计对比分析应用中自动化数据处理问题，提高作业效率；

2)具有良好的扩展性和整体性，可作为计算模块为相关应用软件提供自动匹配分析操作；

3)以最长边和最大垂距作为优先匹配对象，使得最初得到的3组公共点尽可能构成最佳拓扑分布，以减少初次匹配误差；

4)在两点集的交集构成的空间形状不具有对称性时情况下，无需人工干预可自动实现匹配计算；在存在二义性的空间分布点集中，只需人工提供的一组不在对称轴或对称面上的点对，即可实现后续的自动计算。

附图说明

图1为测量点集与设计点集匹配示意图；

图2为本发明的实施流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1所示，现有包含m个点的设计点集Degn(P_D1，P_D2，...，P_Dm)，和包含n个点的测量点集Surv(P_S1，P_S2，...，P_Sn)，m不一定等于n，且两点集为乱序，两点集共同点集合记为P＝Degn∩Surv。

边长匹配策略为：

以设计点集为基准，通过选择测量点集中的边来执行匹配，记设计点集与测量点集中参与匹配的边分别为L_AB和L_XY，其中，A、B为L_AB的两端点，X、Y为L_XY的两端点，并记匹配模糊度ΔE为3σ，其中σ为测量中误差与建造或焊接中误差的模和，根据经验和测量仪器标定取值；

若两边长度满足式

L_XY-2ΔE≤L_AB≤L_XY+2ΔE，

则匹配成功，否则，X和Y不全部属于共同点集P或测量误差过大；

若匹配成功，则获取一对匹配边，否则，以次长边匹配，直至匹配成功或遍历完所有边。

垂距匹配策略为：

记点C到L_AB的垂距为d₁，点Z到L_XY的垂距为d₂，若d₁、d₂满足式

d₂-2ΔE≤d₁≤d₂+2ΔE，

则匹配成功，由此可得一组对应点；

否则，点Z在设计点集中不存在对应点或测量误差过大。

端点匹配策略为：

当通过垂距匹配确定点C与点Z对应，又已知L_AB和L_XY对应，计算可得点C到点A、B的距离，记为D_CA和D_CB，点Z到点X、Y的距离，分别记为D_ZX和D_ZY，对于式

            D_ZX-2ΔE≤D_CA≤D_ZX+2ΔE

与式        D_ZY-2ΔE≤D_CA≤D_ZY+2ΔE

只满足其中一个，匹配成功，得点对A与X、B与Y，或A与Y、B与X；否则匹配失败，认为点C、Z处于对应边L_AB、L_XY的垂直平分面上，具有二义性。

边长匹配和点线垂距匹配前需检验距离序列中有无多个满足匹配条件的边或点线距，此检验用于探测基于长度的拓扑分析中是否存在二义性。

二义性的检验方法为：长度序列内部进行筛选，若存在两条边长度差小于2ΔE，则在长度序列中剔除这两条边，若所有边被剔除，则认为该点集的空间分布具有对称性，需人工指定一组非对称轴或对称面上的点对才能进行后续的自动匹配计算。

如图2所示，一种用于工业测量设计对比分析的乱序点集自动匹配方法，包括以下步骤：

401)服务器输入分别来自设计点集数据库中的设计点集数据和测量点集数据库中的测量点集数据；

402)服务器分别计算两点集内各点间相对距离，得两点集相对距离序列；

Dist_Degn＝{D₁₂，...，D_1m，D₂₃，...，D_2m，...，...，D_(m-1)m}

Dist_Surv＝{D₁₂，...，D_1n，D₂₃，...，D_2n，...，...，D_(n-1)n}

式中D_ij表示点i与点j的距离；

403)服务器对两点集相对距离序列按快速排序法分别进行降序排列；

404)服务器进行边长匹配，即从两点集相对距离序列中分别取距离最长的边，按照边长匹配策略进行匹配，若匹配失败，则结束；若匹配成功，则获取一对匹配边；

405)服务器分别计算两点集中各点到步骤404)获得的各自匹配边的距离，得两个点线距离序列；

DPtoL_Degn＝{D_L1，D_L2，...，D_Lm}

DPtoL_Surv＝{D_L1，D_L2，...，D_Ln}

式中D_Lk表示点k与匹配边L的垂距。

406)服务器将两个点线距离序列分别降序排列；

407)服务器进行垂距匹配，即以最大点线距作为匹配对象，按垂距匹配策略进行匹配，若匹配失败，则以次大点线距进行匹配，直至匹配成功或遍历完所有点线距，若最终失败，则执行步骤408)；若匹配成功则获取第1组点对，即最大点线距点，记为PntPair₁(P_Di，P_Sj(i＝1，2，...，m；j＝1，2，...，n；)，然后执行步骤409)；

408)服务器获取次长边，然后转到步骤404)进行边长匹配；

409)服务器进行端点匹配，即确定匹配边两端点的对应关系，用步骤407)匹配得到的点对和步骤404)匹配得到的对应边，通过端点匹配策略来确定该边两端点在测量点集和设计点集中的对应关系，若确定失败，则执行步骤410)；若确定成功，则获取了第2组和第3组点对，记为PntPair₂(P_Di，P_Sj)、PntPair₃(P_Di，P_Sj)(i＝1，2，...，m；j＝1，2，...，n；)，然后执行步骤411)；

410)服务器获取次长垂距，转到步骤407)进行垂距匹配；

411)服务器通过得到的3对公共点，依据最小二乘原理，按照转换公式来计算测量点坐标系到设计点坐标系的转换参数；

转换公式为：

$\left(\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{x}_0\\ y_0\\ z_0\end{array}\right)+(1+\mathrm{\μ})R_x\left(\mathrm{\α}\right)R_y\left(\mathrm{\β}\right)R_z\left(\mathrm{\γ}\right)\left(\begin{array}{c}{x}^{\′}\\ y^{\′}\\ z^{\′}\end{array}\right)$

式中，(x₀ y₀ z₀)^T为两坐标系间的平移量，R_x(α)R_y(β)R_z(γ)为三个旋转矩阵的乘积，分别绕X轴旋转α，绕Y轴旋转β，绕Z轴旋转γ，μ为尺度参数。

最小二乘求解转换参数的间接平差公式为：

X＝(δx δy δz δμ δα δβ δγ)^T＝(A^TPA)^-1·(A^TPl)

412)依据步骤411)中计算得到的坐标转换参数，服务器进行坐标系统一转换计算；

413)在服务器中，统一坐标系后的设计点集和测量点集通过点间距离偏差(小于ΔE)来确定所有点对关系，同时得到所有点对差值；

414)服务器用所有差值不超限的点对参与坐标转换参数计算，以获取整体精度最优的转换参数；

415)服务器重新计算设计偏差，若精度不满足要求，则执行步骤416)；若精度满足要求，则执行步骤417)；

416)服务器将设计偏差大于阈值(3σ)的点对剔除，然后执行步骤414)；

417)服务器输出设计对比分析结果，包括剔除的误差较大的测点，然后结束。

Claims (7)

1.一种用于工业测量设计对比分析的乱序点集自动匹配方法，其特征在于，包括以下步骤：

401)服务器分别接收来自设计点集数据库中的设计点集数据和测量点集数据库中的测量点集数据；

402)服务器分别计算两点集内各点间相对距离，得两点集相对距离序列；

403)服务器对两点集相对距离序列按快速排序法分别进行降序排列；

404)服务器进行边长匹配，即从两点集相对距离序列中分别取距离最长的边，按照边长匹配策略进行匹配，若匹配失败，则结束；若匹配成功，则获取一对匹配边；

405)服务器分别计算两点集中各点到步骤404)获得的各自匹配边的距离，得两个点线距离序列；

406)服务器将两个点线距离序列分别降序排列；

407)服务器进行垂距匹配，即以最大点线距作为匹配对象，按垂距匹配策略进行匹配，若匹配失败，则以次大点线距进行匹配，直至匹配成功或遍历完所有点线距，若最终失败，则执行步骤408)；若匹配成功则获取第1组点对，即最大点线距点，然后执行步骤409)；

408)服务器获取次长边，然后转到步骤404)进行边长匹配；

409)服务器进行端点匹配，即确定匹配边两端点的对应关系，用步骤407)匹配得到的点对和步骤404)匹配得到的对应边，通过端点匹配策略来确定该边两端点在测量点集和设计点集中的对应关系，若确定失败，则执行步骤410)；若确定成功，则获取了第2组和第3组点对，然后执行步骤411)；

410)服务器获取次长垂距，转到步骤407)进行垂距匹配；

411)服务器通过得到的3对公共点，依据最小二乘原理，按照转换公式来计算测量点坐标系到设计点坐标系的转换参数；

412)依据步骤411)中计算得到的坐标转换参数，服务器进行坐标系统一转换计算；

413)服务器通过统一坐标系后的设计点集和测量点集通过点间距离偏差来确定所有点对关系，同时得到所有点对差值；

414)服务器用所有差值不超限的点对参与坐标转换参数计算，以获取整体精度最优的转换参数；

415)服务器重新计算设计偏差，若精度不满足设定值，则执行步骤416)；若精度满足设定值，则执行步骤417)；

416)服务器将设计偏差大于阈值的点对剔除，然后执行步骤414)；

417)服务器输出设计对比分析结果，包括剔除的误差较大的测点，然后结束。

2.根据权利要求1所述的一种用于工业测量设计对比分析的乱序点集自动匹配方法，其特征在于，所述的边长匹配策略为：

以设计点集为基准，通过选择测量点集中的边来执行匹配，记设计点集与测量点集中参与匹配的边分别为L_AB和L_XY，其中，A、B为L_AB的两端点，X、Y为L_XY的两端点，并记匹配模糊度ΔE为3σ，其中σ为测量中误差与建造或焊接中误差的模和；

若两边长度满足下式

L_XY-2ΔE≤L_AB≤L_XY+2ΔE，

则匹配成功，否则，X和Y不全部属于共同点集P或测量误差过大；

若匹配成功，则获取一对匹配边，否则，以次长边匹配，直至匹配成功或遍历完所有边。

3.根据权利要求2所述的一种用于工业测量设计对比分析的乱序点集自动匹配方法，其特征在于，所述的垂距匹配策略为：

记点C到L_AB的垂距为d₁，点Z到L_XY的垂距为d₂，若d₁、d₂满足下式

d₂-2ΔE≤d₁≤d₂+2ΔE，

则匹配成功，由此可得一组对应点；

否则，点Z在设计点集中不存在对应点或测量误差过大。

4.根据权利要求3所述的一种用于工业测量设计对比分析的乱序点集自动匹配方法，其特征在于，所述的端点匹配策略为：

当通过垂距匹配确定点C与点Z对应，又已知L_AB和L_XY对应，计算可得点C到点A、B的距离，记为D_CA和D_CB，点Z到点X、Y的距离，分别记为D_ZX和D_ZY，对于式

D_ZX-2ΔE≤D_CA≤D_ZX+2ΔE

与式    D_ZY-2ΔE≤D_CA≤D_ZY+2ΔE

只满足其中一个，匹配成功，得点对A与X、B与Y，或A与Y、B与X；否则匹配失败，认为点C、Z处于对应边L_AB、L_XY的垂直平分面上。

5.根据权利要求4所述的一种用于工业测量设计对比分析的乱序点集自动匹配方法，其特征在于，所述的步骤411)中的转换公式为：

$\left(\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{x}_0\\ y_0\\ z_0\end{array}\right)+(1+\mathrm{\μ})R_x\left(\mathrm{\α}\right)R_y\left(\mathrm{\β}\right)R_z\left(\mathrm{\γ}\right)\left(\begin{array}{c}{x}^{\′}\\ y^{\′}\\ z^{\′}\end{array}\right)$

式中，(x₀ y₀ z₀)^T为两坐标系间的平移量，R_x(α)R_y(β)R_z(γ)为三个旋转矩阵的乘积，分别绕X轴旋转α，绕Y轴旋转β，绕Z轴旋转γ，μ为尺度参数。

6.根据权利要求2所述的一种用于工业测量设计对比分析的乱序点集自动匹配方法，其特征在于，所述的步骤413)中的点间距离偏差小于ΔE。

7.根据权利要求2所述的一种用于工业测量设计对比分析的乱序点集自动匹配方法，其特征在于，所述的步骤416)中的阈值为3σ。

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