CN103424070A - 曲面坐标系建立系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种曲面坐标系建立系统及方法，包括：得到待测产品某一曲面的三角网格化的CAD三维曲面模型；在上述三角网格化的CAD三维曲面模型上获取若干图形点；在待测产品的所述曲面上获取与上述图形点相对应的若干实际点；将所述实际点与图形点执行对齐操作，得到能够使两者对齐的旋转矩阵；及根据上述旋转矩阵在待量测产品的所述曲面上建立坐标系。本系统及方法能够在产品的曲面上建立坐标系，使得对产品的量测更加精准。

Description

曲面坐标系建立系统及方法

技术领域

本发明涉及一种影像量测系统及方法，尤其涉及一种在产品的曲面上建立坐标系的系统及方法。

背景技术

坐标系是三次元量测中一个常用的基准，坐标系的建立和准确性对三次元量测的数据有着重要的影响。在传统的三次元量测中，采用待测产品上的一个点、一条线和一个平面来建立坐标系。

然而，某些产品，如球状产品等，的表面都是曲面构成，因此，无法在该产品上找到合适的点、线、面来建立坐标系。以往，在对这些产品进行量测时，需要制造一个测试制具。球状产品等放置在该测试制具上，并在该测试制具的平面上建立坐标系，以对球状等产品进行量测。

制造额外的测试制具不但浪费金钱，而且费时、费力。此外，由于坐标系不是建立在待测产品上，可能会造成测试结果不准确。

发明内容

鉴于以上内容，有必要提供一种曲面坐标系建立方法及系统，能够在产品的曲面上建立坐标系，从而使得对该产品的量测更加准确。

一种曲面坐标系建立方法，运行于计算设备中，该方法包括：（a）得到待测产品某一曲面的三角网格化的CAD三维曲面模型；（b）在上述三角网格化的CAD三维曲面模型上获取若干图形点；（c）在待测产品所述曲面上获取与上述图形点相对应的若干实际点；（d）将所述图形点与实际点执行对齐操作，得到能够使两者对齐的旋转矩阵；及（e）根据上述旋转矩阵在待量测产品所述曲面上建立坐标系。

一种曲面坐标系建立系统，运行于计算设备中，该系统包括：模型构建模块：用于得到待测产品某一曲面的三角网格化的CAD三维曲面模型；第一取点模块：用于在上述三角网格化的CAD三维曲面模型上获取若干图形点；第二取点模块：用于在待测产品所述曲面上获取与上述图形点相对应的若干实际点；对齐模块：用于将所述图形点与实际点执行对齐操作，得到能够使两者对齐的旋转矩阵；及坐标系建立模块：用于根据上述旋转矩阵在待量测产品所述曲面上建立坐标系。

相较于现有技术，本发明所述的曲面坐标系建立系统及方法能够在产品的曲面上建立坐标系，从而使得对该产品的量测更加准确。

附图说明

图1是本发明曲面坐标系建立系统较佳实施例的运行环境示意图。

图2是图1中曲面坐标系建立系统较佳实施例的功能模块图。

图3A至3D是本发明曲面坐标系建立方法较佳实施例的流程图。

图4演示了一个二维UV平面。

图5演示了一个I++程序。

主要元件符号说明

计算设备	1
		量测机台	2
待量测产品	3
		曲面坐标系建立系统	10
存储设备	11
		处理器	12
显示设备	13

模型构建模块	100
		第一取点模块	101
第二取点模块	102
		对齐模块	103
坐标系建立模块	104

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

参阅图1所示，是本发明曲面坐标系建立系统较佳实施例的运行环境示意图。所述的曲面坐标系建立系统10运行于计算设备1上。所述计算设备1可以是计算机等具有数据处理功能的电子设备。所述的计算设备1还包括存储设备11、处理器12，及显示设备13。

所述的曲面坐标系建立系统10包括多个由程序段所组成的功能模块（详见图2），用于在一个待量测产品3的某一个曲面上建立坐标系。

所述存储设备11用于存储所述曲面坐标系建立系统10中各个程序段的程序代码。该存储设备11可以为智能媒体卡（smart media card）、安全数字卡（secure digital card）、快闪存储器卡（flash card）等储存设备。该存储设备11还用于存储曲面坐标系建立系统10所需的各种量测数据，如待量测产品3各个曲面的CAD文件等。所述CAD文件中包括曲面的控制点、权重、节点等参数。

所述处理器12用于执行所述曲面坐标系建立系统10中各个程序段的程序代码，以实现曲面坐标系建立系统10的中各功能模块的功能（详见图3中描述）。

所述的显示设备13用于显示计算设备1的可视化数据，例如，待量测产品3的CAD曲面模型等。

如图2所示，是本发明曲面坐标系建立系统较佳实施例的功能模块图。所述的曲面坐标系建立系统10包括模型构建模块100、第一取点模块101、第二取点模块102、对齐模块103及坐标系建立模块104。

如上所述，以上各模块均以程序代码或指令的形式存储在计算设备1的存储设备11中或固化于该计算设备1的操作系统中，并由该计算设备1的处理器12所执行。以下结合图3A至图3D对曲面坐标系建立系统10中的各功能模块进行详细说明。

参阅图3A至3D所示，是本发明曲面坐标系建立方法较佳实施例的流程图。

步骤S1，模型构建模块100从存储设备11中汇入待量测产品3某一曲面的CAD文件，并根据该CAD文件绘制CAD三维曲面模型。如上所述，CAD文件包括曲面的控制点、权重、节点等参数。这些参数可以控制曲面的形状、边界线等。

步骤S2，模型构建模块100将上述CAD三维曲面模型转换为二维UV平面。应该了解，每个三维空间的图形都可以映射到二维空间而转换成二维图形，例如，三维的球形可以转换为二维的圆形等。参阅图4所示，是一个二维UV平面的示意图。

步骤S3，模型构建模块100计算上述二维UV平面的边界线与U、V方向等距分割线的交点。如图4中的二维UV平面被U、V方向的等距分割线分割。

步骤S4，模型构建模块100获取一个如图4所示的由U、V方向等距分割线所形成的UV方格。

步骤S5，模型构建模块100判断该UV方格内是否包括至少一个所述交点。若不包括所述交点，则执行下述的步骤S6。否则，若包括至少一个交点，则进入图3B所示流程。

在步骤S6中，模型构建模块100将该UV方格划分成两个三角形。如图4所示，本实施例中，所述模型构建模块100将UV方格中处于对角位置的逆时针方向的方格点相连接，从而将UV方格划分成两个三角形。

步骤S7，模型构建模块100将该两个三角形加入到一个三角形阵列中。步骤S7之后执行下述的步骤S17。

在图3B的步骤S8中，模型构建模块100获取该UV方格的四个方格点、二维UV平面的边界线与该UV方格的交点，以及包含在该UV方格内的边界线上的边界点。

步骤S9，模型构建模块100剔除位于二维UV平面的边界线以外的方格点。

步骤S10，模型构建模块100将剩余的方格点、以及所述边界线与该UV方格的交点、包含在该UV方格内的边界线上的边界点加入到一个第一点队列中。

步骤S11，模型构建模块100依次从上述第一点队列中选择一个点作为第一点。

步骤S12，模型构建模块100从上述第一点队列中查找与第一点距离最近的点作为第二点。

步骤S13，模型构建模块100从上述第一点队列中选择一个点作为第三点，并根据该第一点、第二点及第三点构建一个三角形。所述第三点可以是第一点队列中除上述第一点、第二点之外的任意一点。

步骤S14，模型构建模块100判断上述构建的三角形的外接圆内是否包含第一点队列中的任意一点。若包含，则返回步骤S13，在第一点队列中重新选择一个点作为第三点。若外接圆内不包含第一点队列中的点，则进入步骤S15。

在步骤S15中，模型构建模块100将该构建的三角形加入到所述三角形阵列中。

步骤S16，模型构建模块100判断所述第一点队列中是否还有点没有被选择作为第一点。如果有这样的点，则返回步骤S12。否则，若没有这样的点，则执行图3A中的步骤S17。

在步骤S17中，模型构建模块100判断是否还有没有被选择过的UV方格。若有，则返回上述的步骤S4。若没有，则执行步骤S18。

在步骤S18中，模型构建模块100根据二维UV平面与CAD三维曲面模型的转换关系，利用上述三角形阵列得到三角网格化的CAD三维曲面模型。如前所述，每个三维空间的图形都可以映射到二维空间而转换成二维图形。相反地，二维空间的图形也可以映射的三维空间而转换成三维图形。由于该二维UV平面是由CAD三维曲面模型转换而来，因此，根据对该二维UV平面划分得到的三角形阵列就可以得到三角网格化的CAD三维曲面模型。步骤S18之后，进入图3C所示流程。

在图3C的步骤S19中，第一取点模块101在三角网格化的CAD三维曲面模型上选择一点，得到其所在三角形的向量，并将所选择的点及其所在三角形的向量加入到一个第二点队列中。其中，该第二点队列中的点可以称为图形点。

步骤S20，第一取点模块101以所选择的点为中心，以N*N个单位为边长构建立方体区域。本实施例中，所述N为3个单位，其中，每个单位的长度与UV方格的边长相同。

步骤S21，第一取点模块101在所述立方体区域内的三角形中寻找一个中心点与所选择的点的距离大于预设距离值，及向量与所选择的点所在三角形的向量形成的夹角小于预设角度的三角形。

步骤S22，第一取点模块101判断在所述立方体区域中是否存在这样的三角形。若不存在这样的三角形，则步骤S23中，以N+1取代N，并返回步骤S20中重新构建立方体区域。其中，若N为3个单位，则N+1为4个单位。否则，若存在这样的三角形，则从中选择其中一个三角形，并执行步骤S24。

步骤S24，第一取点模块101计算该三角形的中心点与所选择的点之间的线段与CAD三维曲面之间的最短距离。

步骤S25，第一取点模块101判断所述最短距离是否小于预设的公差值。若所述最短距离小于预设的公差值，则表示量测机台2在待量测产品3上取点时可能发生碰撞，因此，该三角形的中心点不符合要求，流程返回步骤S23及S24，以N+1取代N重新构建立方体区域。若所述最短距离大于或者等于预设的公差值，则执行步骤S26。

在步骤S26中，第一取点模块101将该三角形的中心点及向量加入到所述第二点队列中。

步骤S27，第一取点模块101判断所述第二点队列中包括的点的个数是否达到一个预设的值。若没有达到，则步骤S28中，用该三角形的中心点取代上述所选择的点，并返回上述的步骤S20。若已经达到预设的值，则进入图3D所示流程。

在图3D的步骤S29中，第二取点模块102根据第二点队列中的点、CAD三维曲面模型的边界线及一个预设的安全面，生成一个I++程序。所述安全面是指量测机台2的探针在待量测产品3上取一个点之后需要返回的位置。所述I++程序能够使量测机台2在待量测产品3上取点时的运动圆滑，移动距离最短。图5演示了一个I++程序的示例。在该I++程序中，字段PtMeas后面的数据代表第二点队列中的点的坐标及其对应的三角形向量，字段GoTo后面的数据是根据所述CAD三维曲面模型的边界线及预设的安全面加入的接近点、回弹点、空点等的坐标。

步骤S30，第二取点模块102利用所述I++程序控制量测机台2在待量测产品3所述曲面上取点，以得到与位于CAD三维曲面模型上的第二点队列中各个点，即图形点相对应的实际点。

步骤S31，对齐模块103将所述实际点与图形点执行对齐操作，得到能够使两者对齐的旋转矩阵。

步骤S32，坐标系建立模块104根据上述旋转矩阵在待量测产品3所述曲面上建立坐标系。应该了解，坐标系用数学公式的方式表示时就是一个矩阵，因此，根据该旋转矩阵就可以建立曲面坐标系。

最后应说明的是，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)

1.一种曲面坐标系建立方法，运行于计算设备中，其特征在于，该方法包括：

（a）得到待测产品某一曲面的三角网格化的CAD三维曲面模型；

（b）在上述三角网格化的CAD三维曲面模型上获取若干图形点；

（c）在待测产品所述曲面上获取与上述图形点相对应的若干实际点；

（d）将所述图形点与实际点执行对齐操作，得到能够使两者对齐的旋转矩阵；及

（e）根据上述旋转矩阵在待量测产品所述曲面上建立坐标系。

2.如权利要求1所述的曲面坐标系建立方法，其特征在于，所述步骤（a）包括：

（a1）将待测产品所述曲面的CAD三维曲面模型转换为二维UV平面；

（a2）计算上述二维UV平面的边界线与U、V方向等距分割线的交点；

(a3)依次获取由U、V方向等距分割线所形成的UV方格；

(a4)当所获取的UV方格内不包含任何一个所述交点时，将该UV方格划分成两个三角形；及

(a5)将该两个三角形加入到一个三角形阵列中，根据该三角形阵列得到所述三角网格化的CAD三维曲面模型。

3.如权利要求2所述的曲面坐标系建立方法，其特征在于，所述步骤（a）还包括：

(a6)当所获取的UV方格内包含至少一个所述交点时，获取该UV方格的四个方格点、二维UV平面的边界线与该UV方格的交点，以及包含在该UV方格内的边界线上的边界点；

(a7)剔除位于二维UV平面的边界线以外的方格点，并将剩余的方格点、所述边界线与该UV方格的交点、包含在该UV方格内的边界线上的边界点加入到一个第一点队列中；

(a8)依次从上述第一点队列中选择一个点作为第一点；

(a9)从上述第一点队列中查找与第一点距离最近的点作为第二点；

(a10)从上述第一点队列中选择一个点作为第三点，并根据该第一点、第二点及第三点构建一个三角形；

(a11)当上述构建的三角形的外接圆内包含第一点队列中的任意一点时，返回步骤（a10）；

(a12)及当外接圆内不包含第一点队列中的点时，将该构建的三角形加入到所述三角形阵列中；

(a13)返回步骤（a8）直至所述第一点队列中所有点都已经被选择作为第一点。

4.如权利要求2所述的曲面坐标系建立方法，其特征在于，步骤（a1）之前该方法还包括：

从一个存储设备中汇入待量测产品所述曲面的CAD文件，并根据该CAD文件绘制所述CAD三维曲面模型，其中，所述CAD文件包括所述曲面的控制点、权重及节点。

5.如权利要求1所述的曲面坐标系建立方法，其特征在于，步骤（b）包括：

（b1）在三角网格化的CAD三维曲面模型上选择一点，得到其所在三角形的向量，并将所选择的点及其所在三角形的向量加入到一个第二点队列中，其中，该第二点队列中的点即为所述图形点；

（b2）以所选择的点为中心，以N*N个单位为边长构建立方体区域;

（b3）在所述立方体区域内的三角形中寻找一个中心点与所选择的点的距离大于预设距离值，及向量与所选择的点所在三角形的向量形成的夹角小于预设角度的三角形;

（b4）当存在步骤（b3）所述三角形时，计算该三角形的中心点与所选择的点之间的线段与CAD三维曲面之间的最短距离；

（b5）当不存在步骤（b3）所述三角形或者即使存在步骤（b3）所述三角形但所述最短距离小于一个预设的公差值时，以N+1取代N，并返回步骤（b2）;

（b6）当所述最短距离大于或者等于所述预设的公差值时，将该三角形的中心点及向量加入到所述第二点队列中；及

（b7）利用该三角形的中心点取代上述所选择的点，并返回步骤（b2），直至所述第二点队列中点的个数达到一个预设的值。

6.如权利要求5所述的曲面坐标系建立方法，其特征在于，步骤（c）包括：

根据上述第二点队列中的点、CAD三维曲面模型的边界线及一个预设的安全面，生成一个I++程序，该I++程序中包括上述第二点队列中的点的坐标及其对应的三角形向量，以及根据所述CAD三维曲面模型的边界线及预设的安全面加入的接近点、回弹点、空点的坐标；及

利用所述I++程序控制量测机台在待量测产品所述曲面上获取所述实际点。

7.一种曲面坐标系建立系统，运行于计算设备中，其特征在于，该系统包括：

模型构建模块：用于得到待测产品某一曲面的三角网格化的CAD三维曲面模型；

第一取点模块：用于在上述三角网格化的CAD三维曲面模型上获取若干图形点；

第二取点模块：用于在待测产品所述曲面上获取与上述图形点相对应的若干实际点；

对齐模块：用于将所述图形点与实际点执行对齐操作，得到能够使两者对齐的旋转矩阵；及

坐标系建立模块：用于根据上述旋转矩阵在待量测产品所述曲面上建立坐标系。

8.如权利要求7所述的曲面坐标系建立系统，其特征在于，所述模型构建模块通过如下方法得到待测产品某一曲面的三角网格化的CAD三维曲面模型：

（a1）将待测产品所述曲面的CAD三维曲面模型转换为二维UV平面；

（a2）计算上述二维UV平面的边界线与U、V方向等距分割线的交点；

(a3)依次获取由U、V方向等距分割线所形成的UV方格；

(a4)当所获取的UV方格内不包含任何一个所述交点时，将该UV方格划分成两个三角形；

(a5)将该两个三角形加入到一个三角形阵列中，根据该三角形阵列得到所述三角网格化的CAD三维曲面模型；

(a6)当所获取的UV方格内包含至少一个所述交点时，获取该UV方格的四个方格点、二维UV平面的边界线与该UV方格的交点，以及包含在该UV方格内的边界线上的边界点；

(a7)剔除位于二维UV平面的边界线以外的方格点，并将剩余的方格点、以及所述边界线与该UV方格的交点、包含在该UV方格内的边界线上的边界点加入到一个第一点队列中；

(a8)依次从上述第一点队列中选择一个点作为第一点；

(a9)从上述第一点队列中查找与第一点距离最近的点作为第二点；

(a10)从上述第一点队列中选择一个点作为第三点，并根据该第一点、第二点及第三点构建一个三角形；

(a11)当上述构建的三角形的外接圆内包含第一点队列中的任意一点时，返回步骤（a10）；

(a12)及当外接圆内不包含第一点队列中的点时，将该构建的三角形加入到所述三角形阵列中；

(a13)返回步骤（a8）直至所述第一点队列中所有点都已经被选择作为第一点。

9.如权利要求7所述的曲面坐标系建立系统，其特征在于，所述第一取点模块通过如下方法获取若干第一点：

（b1）在三角网格化的CAD三维曲面模型上选择一点，得到其所在三角形的向量，并将所选择的点及其所在三角形的向量加入到一个第二点队列中，其中，该第二点队列中的点即为所述图形点；

（b2）以所选择的点为中心，以N*N个单位为边长构建立方体区域;

（b3）在所述立方体区域内的三角形中寻找一个中心点与所选择的点的距离大于预设距离值，及向量与所选择的点所在三角形的向量形成的夹角小于预设角度的三角形;

（b4）当存在步骤（b3）所述三角形时，计算该三角形的中心点与所选择的点之间的线段与CAD三维曲面之间的最短距离；

（b5）当不存在步骤（b3）所述三角形或者即使存在步骤（b3）所述三角形但所述最短距离小于一个预设的公差值时，以N+1取代N，并返回步骤（b2）;

（b6）当所述最短距离大于或者等于所述预设的公差值时，将该三角形的中心点及向量加入到所述第二点队列中；及

（b7）利用该三角形的中心点取代上述所选择的点，并返回步骤（b2），直至所述第二点队列中点的个数达到一个预设的值。

10.如权利要求9所述的曲面坐标系建立系统，其特征在于，所述第二取点模块通过如下方法获取所述若干第二点：

根据上述第二点队列中的点、CAD三维曲面模型的边界线及一个预设的安全面，生成一个I++程序，该I++程序中包括上述第二点队列中的点的坐标及其对应的三角形向量，以及根据所述CAD三维曲面模型的边界线及预设的安全面加入的接近点、回弹点、空点的坐标；及

利用所述I++程序控制量测机台在待量测产品所述曲面上获取所述实际点。

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