CN104200010B - 一种目标几何外表面数据获取的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种目标几何外表面数据获取的方法及系统，通过高速白光三维扫描系统中的白光扫描头，对外表面设有磁性定位点的目标进行扫描，并将获取的目标原始数据传输至工作站，通过软件进行截面、点采样、关键点提取等处理，可以快速精确地建立复杂目标的几何模型，满足电磁散射计算所需目标面元网格模型数据的要求。

Description

一种目标几何外表面数据获取的方法及系统

技术领域

本发明涉及目标特性研究领域，尤其涉及一种目标几何外表面数据快速获取的方法及高速白光三维扫描系统。

背景技术

对于目标特性仿真研究来说，首先需要获取目标外形三维几何数据，但往往没有目标CAD图纸，只有目标实体模型。现有技术中，只能通过测绘方法，以三维激光扫描仪等对模型进行扫描作业和数据处理，从而建立对应的三维模型，但现有方法既费时又费力，且精度又不高，也难以提高可供计算电磁学所需的目标面元网格模型数据。

发明内容

本发明的目的在于提供一种目标几何外表面数据获取的方法及系统，利用高速白光三维扫描系统对目标外表面进行扫描，获取目标原始几何外形数据，对原始数据经过快速处理后获取格式化的面元网格模型，从而解决目标外表面的几何建模问题。

为了达到上述目的，本发明的一个技术方案是提供一种高速白光三维扫描系统，其包含：

磁性定位点，分布在待测的目标外表面；

白光扫描头，向设有磁性定位点的目标进行投影并拍摄投影图像以获取目标原始数据；

工作站，对所获取的目标原始数据进行处理，建立目标外表面的几何模型。

可选地，所述系统还包含在白光扫描头校准时设置的以下部件：通过数据连接线与工作站连接的校准伺服电机，以及位于所述校准伺服电机的导轨上的校准板；由所述校准伺服电机控制该校准板在导轨上的位置，来调整所述校准板相对白光扫描头的距离。

可选地，所述系统设置有支撑脚架来支撑所述白光扫描头；该支撑脚架上还安装有云台，以调整所述白光扫描头的方向。

可选地，所述系统设置有控制器及电源适配器，通过数据连接线与白光扫描头及工作站连接；通过所述控制器向工作站传递扫描头获取的目标原始数据，由所述电源适配器为白光扫描头提供稳定电源。

本发明的另一个技术方案是提供一种目标几何外表面数据获取的方法，在目标外表面分布设置磁性定位点；通过白光扫描头，对设有磁性定位点的目标外表面进行扫描，并将获取目标原始数据传输至工作站进行以下处理；

S1、对目标原始数据进行坐标调整及分块，并在分块上形成沿XYZ轴中任意方向的截面；

S2、对截面中的曲线进行点采样，并将获得的点数据以设定的同一个方向排序；

S3、对截面中的过密点剔除，而提取出关键形值点保存并输出，从而建立目标面源网格模型。

可选地，在扫描目标之前，对白光扫描头进行以下校准：

将白光扫描头置于支撑脚架上，以数据连接线将白光扫描头、控制器及电源适配器、工作站、校准伺服电机连接；将校准板安装到校准伺服电机的导轨上，通过控制校准板在导轨上的位置来调整校准板到白光扫描头的距离，并调整白光扫描头的投影镜头焦距，从而使扫描头在与之相对的校准板上形成清晰的投影。

可选地，实际扫描时，移开所述校准伺服电机及校准板，而将表面设有磁性定位点的目标放置在扫描头前方，使该目标和与之相对的扫描头之间的距离，与校准时校准板到白光扫描头的距离相匹配。

可选地，通过白光扫描头对目标进行多次扫描后进行数据合成以获取目标外表面的原始数据。

与现有技术相比，本发明提供的目标几何外表面数据获取的方法及系统，其优点在于：本发明创新性地提出用先进的高速白光三维扫描系统来获取目标外形几何数据，采用白光扫描头，只需要一根数据线连接工作站电脑，就可以方便地对任意目标进行扫描，得到目标外表面的原始数据，再使用专用数据软件处理后可以快速得到目标的外形几何数据。

本发明对于如4米长的飞行器目标实体模型，扫描目标约50分钟，数据处理约30分钟，总获取目标三维数据的时间约80分钟，有效缩减时间。本发明可以满足计算电磁学技术中对目标几何建模的需要，可推广适用于任意复杂目标外形几何数据快速以及极高精度（丝级精度）几何数据的获取。本发明的应用为快速及高精度获取目标几何数据提供了新途径，具有良好的应用前景。

附图说明

图1是本发明所述高速白光三维扫描系统进行系统校准时的示意图；

图2是本发明所述高速白光三维扫描系统进行实际扫描时的示意图；

图3是本发明中扫描获取的某飞行器目标几何模型示意图；

图4是本发明中原始数据分块的示意图；

图5是本发明中目标截面的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述：

本发明提出一种快速建立目标外表面几何模型的高速白光三维扫描系统，整个系统包含白光扫描头1、支撑脚架2、控制器及电源适配器3、数据连接线4、校准伺服电机5、自动化校准板6、工作站7及数据采集处理软件、磁性定位点8。

其中，所述白光扫描头1，是获取目标原始数据的输入设备，采用可见光（例如是白光波束）将特定的光栅条纹投影到目标表面，由两个高分辨率的CCD数码相机拍摄数字影像后进行处理。所述支撑脚架2，用来牢固支撑扫描头设备；在该支撑脚架2上方安装了云台，使得扫描头可以在任意角度方向灵活旋转。

通过所述控制器实现扫描头与采集处理软件的同步；所述电源适配器为扫描头提供稳定的直流电压输出。所述数据连接线4，将扫描头获取的原始数据正确地传输至控制器及工作站7中。

所述校准伺服电机5，用以控制校准板6使其处在该伺服电机导轨上的正确位置，使所述校准板进行自动校正，以保证后续数据采集的准确性；所述校准伺服电机5和工作站7的相应端口之间通过RS232接口连接。

所述工作站7是处理几何数据的硬件设备（例如是一测试用计算机），配置有数据采集处理软件用来采集及处理白光扫描头1获取的原始数据，并进行横截面的数据提取、存储等处理。

所述磁性定位点8，分布在待测目标的外表面，用来完成目标表面数据的空间位置关系的定位。

为了便于建立目标几何模型，本发明中需要扫描后生成有特殊要求的数据，如点云分布均匀，每个截面上的点数相同，截面间的距离相同，每个截面上起始点在一条直线上，每个界面上的点坐标按同一方向有序排布等。

本发明的实施方法，包含如下步骤：

A、系统连接及扫描头校准；

如图1所示，将白光扫描头置于支撑脚架上，以专用的数据连接线将白光扫描头、控制器及电源适配器、工作站、校准伺服电机连接，同时把校准板安装到校准伺服电机的导轨上面，进行扫描头校准，使扫描头能够在与之相对的校准板上形成清晰的投影。

开启工作站上的专用软件，在软件引导下一步一步完成校准：首先建立一个校准文件，选择对应的伺服电机的型号后，可自动调整校准板在导轨上的位置，以调整校准板到扫描头的距离；同时调整扫描头的投影镜头焦距，使得投影出来的线条达到清晰的最佳状态，完成整个校准过程。

B、在目标外表面粘贴磁性定位点；

根据目标（如某实体模型）的大小选择合适的磁性定位点（和/或磁性定位块），并确定其数量及布置位置；本例中将方形的编码磁性定位点粘贴在目标外表面。

C、采用扫描仪对目标外形进行扫描获取原始数据；

如图2所示，移开校准伺服电机及校准板，将表面贴有磁性定位点的待测试目标放置在扫描头前方，使测试目标与扫描头的距离与由前述校准过程确定的距离相匹配。

采用扫描头，对贴有磁性定位点的目标外表面进行快速扫描；如果目标的结构复杂，则可以扫描多次后进行数据合成（由软件自动处理），这样可以很快获取目标外表面的原始数据。图3所示是本例中扫描某飞行器获得的目标几何模型。

D、对原始数据进行坐标调整并形成截面；

在工作站中通过专用软件对扫描头获取的原始数据进行处理，对原始数据的坐标值进行调整并做分块处理，在对应的分块里切出多个曲面，形成目标的横纵截面。横纵截面的方向理论上可以沿X轴、Y轴、Z轴任意选取，一般可选取X轴。图4是原始数据分块后的示意图，图5是沿X轴的目标截面示意图。

E、对截面中的曲线进行点采样及排序；

本例中采用CATIA软件中的point&plane repetition（点面复制）命令，对截面中的曲线进行点采样；将获得的点数据输出到imageware（逆向工程）的软件中，应用造点功能将点按设定方向进行排序后，输出成ASCII格式。

F、稀疏数据并输出：

对每块截面作最后处理，即把不需要的过密点剔出（例如通过设置相应的阈值来判断是否过密点），提取出关键的形值点，保存为有用的形值点数据并输出。根据最后输出的形值点数据可以快速建立复杂目标的几何模型，符合电磁散射计算所需目标面元网格模型数据的要求。

通过与已知目标外形尺寸对比，本发明建立目标外形几何模型的速度相当快，精度高达0.01mm。如对4米长的飞行器目标模型，本发明建立几何模型的时间约80分钟，完全满足几何建模速度与精度的要求。如对于飞行器目标及其他复杂工件目标，通过本发明介绍的系统及方法，可以非常快速地获取目标的几何外形数据。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (4)

1.一种高速白光三维扫描系统，其特征在于，包含：

磁性定位点，分布在待测的目标外表面；

白光扫描头，向设有磁性定位点的目标进行投影并拍摄投影图像以获取目标原始数据；所述白光扫描头通过支撑脚架来支撑，并通过支撑脚架上安装的云台来调整方向；

工作站，对所获取的目标原始数据进行处理，建立目标外表面的几何模型；

所述系统还包含在白光扫描头校准时设置的以下部件：通过数据连接线与工作站连接的校准伺服电机，以及位于所述校准伺服电机的导轨上的校准板；由所述校准伺服电机控制该校准板在导轨上的位置，来调整所述校准板相对白光扫描头的距离，以使目标和扫描头之间的距离与所述校准板到白光扫描头的距离相匹配。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，

所述系统设置有控制器及电源适配器，通过数据连接线与白光扫描头及工作站连接；通过所述控制器向工作站传递扫描头获取的目标原始数据，由所述电源适配器为白光扫描头提供稳定电源。

3.一种目标几何外表面数据获取的方法，其特征在于，

在目标外表面分布设置磁性定位点；通过白光扫描头，对设有磁性定位点的目标外表面进行扫描，并将获取目标原始数据传输至工作站进行以下处理；

S1、对目标原始数据进行坐标调整及分块，并在分块上形成沿XYZ轴中任意方向的截面；

S2、对截面中的曲线进行点采样，并将获得的点数据以设定的同一个方向排序；

S3、对截面中的过密点剔除，而提取出关键形值点保存并输出，从而建立目标面源网格模型；

在扫描目标之前，对白光扫描头进行以下校准：

将白光扫描头置于支撑脚架上，以数据连接线将白光扫描头、控制器及电源适配器、工作站、校准伺服电机连接；将校准板安装到校准伺服电机的导轨上，通过控制校准板在导轨上的位置来调整校准板到白光扫描头的距离，并调整白光扫描头的投影镜头焦距，从而使扫描头在与之相对的校准板上形成清晰的投影；

实际扫描时，移开所述校准伺服电机及校准板，而将表面设有磁性定位点的目标放置在扫描头前方，使该目标和与之相对的扫描头之间的距离，与校准时校准板到白光扫描头的距离相匹配。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，

通过白光扫描头对目标进行多次扫描后进行数据合成以获取目标外表面的原始数据。