CN104463845B - 一种水火弯板特征配准点的选取方法及系统 - Google Patents

一种水火弯板特征配准点的选取方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种水火弯板特征配准点的选取方法及系统，是从获取到的点云数据中选取出水火弯板特征的配准点，对点云数据采用自由曲面重构法进行曲面重构，计算目标板与检测板的特征点法相矢量，分别对目标板和检测板特征点法相矢量一一对照，通过近似法矢局部配准，找到相似法矢特征点，将此相似法矢特征点的坐标转换至两直角坐标系统一，按照船舶制造工艺给定的阈值，用空间几何算法得出检测板特征点与目标板特征点高度差；求取相似法矢特征点的单位向量，用肋骨线上单位向量相似特征点配准，偏差包络线以给定阈值画出，所围面积最大者为该水火弯检测板特征的配准点。本发明降低了水火弯板的加工成本，避免了主观上的形变认识而产生的废品率。

Description

一种水火弯板特征配准点的选取方法及系统
技术领域
本发明涉及材料力学性能测量和无损检测领域，更具体地，涉及一种水火弯板特征配准点的选取方法及系统。
背景技术
船舶工业制造自动化水平地不断提高，传统的水火弯板加工方式的自动化改造迫在眉睫。由于各种原因如板材厚度、火枪温度、移动速度、焰道轨迹等因素，水火弯板自动化加工受到以上不同程度的制约。所以对检测板与目标板的配准数据分析和测量十分必要。水火弯板的配准过程是解决弯板质量评价的前提，如何高效准确地找到一个配准点，是水火弯板配准问题的关键。
发明内容
为了解决上述问题，本发明首先提出一种水火弯板特征配准点的选取方法，使用本方法能够在庞大的点云数据中快速高效找到配准点，使得配准后的水火弯板较符合水火弯板现场变形的实际情况，从而降低了水火弯板的加工成本，避免了主观上的形变认识而产生的废品率。
本发明的又一目的是提出水火弯板特征配准点的选取系统。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种水火弯板特征配准点的选取方法，是从获取到的点云数据中选取出水火弯板特征的配准点，对点云数据采用自由曲面重构法进行曲面重构，计算目标板与检测板的特征点法向矢量，分别对目标板和检测板特征点法向矢量一一对照，通过近似法矢局部配准，找到相似法矢特征点，将此相似法矢特征点的坐标转换至两直角坐标系统一，按照船舶制造工艺给定的阈值，用空间几何算法得出检测板特征点与目标板特征点高度差d；
求取相似法矢特征点的单位向量，用肋骨线上单位向量相似特征点配准，偏差包络线以给定阈值画出，所围面积最大者为该水火弯板特征的配准点。
在本选取方法中，检测板与目标板曲面的三维坐标进行坐标系统一，通过近似法矢局部配准，找到最佳配准姿态后求出偏差，利用偏差云图呈献给用户，为下一步评价和布置焰道做准备。
更进一步的，所述使用自由曲面重构法进行曲面重构，计算目标板与检测板的特征点法向矢量的步骤包括：
S1.三角重构原则，用于保证重建的三角网格的表面在形态上布局最佳；对于扫描的点云数据，扫描线依照相同的方向作顺序性的排列，能够利用扫描线之间的排列特性将数据三角网格化；
S2.对于一个三角网格的三个顶点P1、P2、P3，单位法向矢量分别为 设分割边上添加顶点为q，q投影到三角平面上的点为p，新顶点q的坐标是三角网格的三个顶点混合而成；
S3.采用OpenGL的方式添加法向矢量，其实现方式包括两种，分别是：为三角网格围成的面添加法向矢量和为逐个顶点添加法向矢量；
三角网格的法向矢量的计算：三个顶点组成的两个矢量叉乘的归一化结果即为法向矢量的大小；
顶点的法向矢量计算：首先确定顶点连接的所有三角面，计算每个面的法向矢量，然后对这些矢量进行叠加和归一化处理，则得到顶点的法向矢量。
更进一步的，采用三维激光扫描仪扫描水火弯板成形质量的三维模拟数据，获取点云数据。
其中三维激光扫描模块包括测距模块、扫描模块、控制模块、校正模块和CCD相机等；所述激光测距模块、激光扫描模块、校正模块和CCD相机分别与控制模块连接。
更进一步的，对点云数据采用自由曲面重构法进行曲面重构前还包括对点云数据进行针对检测板的边界提取、平滑去噪；其中检测板的边界提取是在采用三维激光扫描仪扫描过程中，根据检测板型的灰度阈值，直接提取出检测板的边界。
一种水火弯板特征配准点的选取系统，包括顺次连接的扫描装置、测量装置和检测装置；
所述扫描装置，用于扫描水火弯板成形质量的三维模拟数据；扫描装置包括三维激光扫描仪、控制模块和供电模块，三维激光扫描仪的输出端接控制模块，供电模块向三维激光扫描仪和控制模块供电；
所述测量装置，用于将三维模拟数据处理得到点云数据，对点云数据采用自由曲面重构法进行曲面重构，得到检测板曲面数据；
所述检测装置，用于对目标板和检测板特征点法向矢量一一对照，通过近似法矢局部配准，找到相似法矢特征点，将此相似法矢特征点的坐标转换至两直角坐标系统一，按照船舶制造工艺给定的阈值，用空间几何算法得出检测板特征点与目标板特征点高度差d；求取相似法矢特征点的单位向量，用肋骨线上单位向量相似特征点配准，偏差包络线以给定阈值画出，所围面积最大者为该水火弯板特征的配准点。
所述三维激光扫描仪包括激光测距模块、激光扫描模块、控制模块、校正模块和CCD相机，所述激光测距模块、激光扫描模块、校正模块和CCD相机分别与控制模块连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：采用本发明的方法选取的水火弯板特征的配准点，在配准姿态符合实际生产，利用法矢相似、重心统一的原理，测量水火弯板中目标板与检测板人工无法准确测量的偏差及曲率，是水火弯板的成型测量和无损检测的一种新方法。使用本方法能够在庞大的点云数据中快速高效找到配准点，使得配准后的水火弯板较符合水火弯板现场变形的实际情况，从而降低了水火弯板的加工成本，避免了主观上的形变认识而产生的废品率。
本发明主要应用于测量水火弯板成型检测中，特别是测量加工前后检测板与目标板的偏差变化分布，属于材料力学性能测量和无损检测领域，水火弯板曲面配准测量系统在船舶制造业中有广泛的发展前途。
附图说明
图1为本发明水火弯板特征配准点的选取系统的功能模块图。
图2为本发明水火弯板特征配准点的选取系统的简图。
图3为三角网格重构示意图。
图4为新网格顶点与边界点关系图。
图5为点法向矢量。
图6为帆形板的肋骨线上法向矢量相似的点。
图7为帆形板匹配示意图。
图8为鞍形板匹配示意图。
图9为扭曲板匹配示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述，但本发明的实施方式并不限于此。
本系统的功能结构如图1所示，按系统的各个部件功能分为三个装置：扫描装置、测量装置和检测装置。
扫描装置，用于扫描水火弯板成形质量的三维模拟数据；扫描装置包括三维激光扫描仪、控制模块和供电模块，三维激光扫描仪的输出端接控制模块，供电模块向三维激光扫描仪和控制模块供电；
所述测量装置，用于将三维模拟数据处理得到点云数据，对点云数据采用自由曲面重构法进行曲面重构，得到检测板曲面数据；测量装置实现包括系统设定，接口配置等功能；
所述检测装置，用于对目标板和检测板特征点法向矢量一一对照，通过近似法矢局部配准，找到相似法矢特征点，将此相似法矢特征点的坐标转换至两直角坐标系统一，按照船舶制造工艺给定的阈值，用空间几何算法得出检测板特征点与目标板特征点高度差d；求取相似法矢特征点的单位向量，用肋骨线上单位向量相似特征点配准，偏差包络线以给定阈值画出，所围面积最大者为该水火弯板特征的配准点。此配准点选定后，坐标转换，得出水火弯板最佳配准姿态，检测装置实现包括坐标转换，粗配准，云图显示等功能。
本发明的系统的工作流程是：利用三维激光扫描仪扫描水火弯板成形质量的三维模拟数据，是生产过程中的一个重要环节。三维激光扫描仪包括激光测距模块、激光扫描模块、控制模块、校正模块和CCD相机，所述激光测距模块、激光扫描模块、校正模块和CCD相机分别与控制模块连接。
扫描装置所采集的数据由数据接口传送至测量装置，进行点云数据处理，点云数据处理包括对点云数据进行针对检测板的边界提取、平滑去噪，曲面重构，得到的检测板曲面数据传输给检测装置。在检测装置中，与目标板曲面的三维坐标进行坐标系统一，通过近似法矢局部配准，找到最佳配准姿态后求出偏差，利用点、线、面评价体系和偏差云图呈献给用户，进行下一步解析。
检测船舶工业中水火弯板配准问题的具体方式为：
1)、如图2所示，将检测板放在平台上，预紧和固定三维激光扫描仪。
2)、通过控制模块(计算机)控制扫描仪开始扫描，在扫描过程中，控制模块(计算机)可根据板型灰度阈值，直接截取检测板边界。
3)、采集完一组点云数据后，使用自由曲面重构法进行曲面重构，接着计算目标板与检测板的特征点法向矢量，具体步骤如下：
①根据三角重构原则，以保证重建的三角网格的表面在形态上布局最佳。对于扫描的点云数据，扫描线依照相同的方向作顺序性的排列，因此可以利用扫描线之间的排列特性将数据三角网格化，如图3。
②对于一个三角网格的三个顶点P1、P2、P3，单位法向矢量分别为 假设分割边添加顶点为q，如图4所示。q投影到三角平面上的点p，值为q＝(p1+P2)/2，新顶点q的坐标是三角网格的三个顶点混合而成。单位法向矢量表达式：
③OpenGL提供了添加法向矢量的两种方式：为三角网格围成的面添加法向矢量和为逐个顶点添加法向矢量。后者会展示出更加细腻的模型特征。三角网格的法向矢量的计算，三个顶点组成的两个矢量叉乘的归一化结果就是法向矢量的大小；而对于顶点的法向矢量计算，就要首先确定顶点连接的所有三角面，然后计算每个面的法向矢量，然后对这些矢量进行叠加和归一化处理，就得到顶点的法向矢量，如图5所示，计算公式：
4)、分别对目标板和检测板特征点法向矢量一一对照，找到相似法矢特征点，以此点坐标转换至两直角坐标系统一，按照船舶制造工艺给定的阈值，用空间几何算法得出数据，检测板特征点与目标板特征点高度差d，根据d得出偏差云图，如图6。
利用求出的特征点单位向量，用肋骨线上单位向量相似特征点配准，偏差包络线以一个给定阈值画出，所围面积最大者为配准点。此点选定后，坐标转换，得出水火弯板最佳配准姿态。下面以各种板型为例：
帆形板如图7所示，虚线为检测板与其肋骨线，实线为目标板与其肋骨线，其中两种板的肋骨线形成的面应交于法向矢量相似点处的法向量，如n1/n1’。找到目标板法向量与检测板法向量最贴合的那条肋骨线，进行目标板与检测板的坐标匹配，得以得出准确地焰道方案。
如图6所示，蓝色区域较大处表示为等高线围住最相似的区域，可以看作是已成型区域，容易看出以n2-4点为中心区域法向矢量非常相似，可以以此点为坐标原点，分别对目标板和检测板进行坐标数据匹配，这样就可以根据这些区域更科学的布置焰道。图8、9分别为鞍形板，扭曲板配准示意图，与帆形板配准方法一致。
以上所述的本发明的实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神原则之内所作出的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (5)

1.一种水火弯板特征配准点的选取方法，其特征在于，是从获取到的点云数据中选取出水火弯板特征的配准点，对点云数据采用自由曲面重构法进行曲面重构，计算目标板与检测板的特征点法向矢量，分别对目标板和检测板特征点法向矢量一一对照，通过近似法向矢量局部配准，找到相似法向矢量特征点，将此相似法向矢量特征点的坐标转换至两直角坐标系统一，按照船舶制造工艺给定的阈值，用空间几何算法得出检测板特征点与目标板特征点高度差d；
其中点云数据是通过扫描得到的水火弯板成形质量的三维模拟数据处理得到的；
根据d得出偏差云图，求取相似法向矢量特征点的单位向量，用肋骨线上单位向量相似特征点配准，偏差包络线以给定阈值画出，所围面积最大者为该水火弯板特征的配准点。
2.根据权利要求1所述的水火弯板特征配准点的选取方法，其特征在于，所述使用自由曲面重构法进行曲面重构，计算目标板与检测板的特征点法向矢量的步骤包括：
S1.三角重构原则，用于保证重建的三角网格的表面在形态上布局最佳；对于扫描的点云数据，扫描线依照相同的方向作顺序性的排列，能够利用扫描线之间的排列特性将数据三角网格化；
S2.对于一个三角网格的三个顶点P1、P2、P3，单位法向矢量分别为 设分割边上添加顶点为q，q投影到三角平面上的点为p，新顶点q的坐标是三角网格的三个顶点混合而成；
S3.采用OpenGL的方式添加法向矢量，其实现方式包括两种，分别是：为三角网格围成的面添加法向矢量和为逐个顶点添加法向矢量；
三角网格的法向矢量的计算：三个顶点组成的两个矢量叉乘的归一化结果即为法向矢量的大小；
顶点的法向矢量计算：首先确定顶点连接的所有三角面，计算每个面的法向矢量，然后对这些矢量进行叠加和归一化处理，则得到顶点的法向矢量。
3.根据权利要求1或2所述的水火弯板特征配准点的选取方法，其特征在于，采用三维激光扫描仪扫描水火弯板成形质量的三维模拟数据，获取点云数据。
4.根据权利要求3所述的水火弯板特征配准点的选取方法，其特征在于，对点云数据采用自由曲面重构法进行曲面重构前还包括对点云数据进行针对检测板的边界提取、平滑去噪；其中检测板的边界提取是在采用三维激光扫描仪扫描过程中，根据检测板型的灰度阈值，直接提取出检测板的边界。
5.一种水火弯板特征配准点的选取系统，其特征在于，包括顺次连接的扫描装置、测量装置和检测装置；
所述扫描装置，用于扫描水火弯板成形质量的三维模拟数据；扫描装置包括三维激光扫描仪、控制模块和供电模块，三维激光扫描仪的输出端接控制模块，供电模块向三维激光扫描仪和控制模块供电；
所述测量装置，用于将三维模拟数据处理得到点云数据，对点云数据采用自由曲面重构法进行曲面重构，得到检测板曲面数据；
所述检测装置，用于对目标板和检测板特征点法向矢量一一对照，通过近似法向矢量局部配准，找到相似法向矢量特征点，将此相似法向矢量特征点的坐标转换至两直角坐标系统一，按照船舶制造工艺给定的阈值，用空间几何算法得出检测板特征点与目标板特征点高度差d；根据d得出偏差云图，求取相似法向矢量特征点的单位向量，用肋骨线上单位向量相似特征点配准，偏差包络线以给定阈值画出，所围面积最大者为该水火弯板特征的配准点。
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