CN104567784A - 三维量测模拟系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种三维量测模拟系统及方法，应用于计算机上，所述系统包括构建测针模型与虚拟操纵按钮的构建模块；获取待测产品的三维点云的获取模块；对三维点云进行三角网格化处理得到网格化后的点云的网格化模块；导入测针模型、虚拟操纵按钮以及网格化点云于显示装置上显示的导入模块；根据虚拟操纵按钮所触发的移动指令控制测针模型进行相应方向的移动，并移动到网格化点云上的控制模块；计算测头在网格化点云上的初始取点坐标的计算模块；所述的控制模块，还用于在测针模型重新移动到的任意一点的坐标与所述初始取点坐标构建一条量测路径，控制测针模型在该量测路径进行模拟运动。本发明可以准确快速地对待测产品的三维量测进行模拟。

Description

三维量测模拟系统及方法

技术领域

本发明涉及一种量测系统及方法，尤其涉及一种三维量测模拟系统及方法。

背景技术

三维量测机在执行自动量测时，需要编写其量测路径及程序以对待测产品进行量测。传统方法一般通过计算机辅助设计（computer AidedDesign，CAD）编程，在CAD图档上用鼠标取点，上述操作方式与CAD图档仅是理论档案，其与实际产品还是有差异的。另外，在CAD上用鼠标取点可能取到背面的点而产生计算错误。因此，利用该传统方法得到的初始取点坐标对待测产品进行量测容易导致量测结果不够准确，也无法有效地避免在实际测量过程中由于数据的不准确性而存在的安全隐患，例如测针碰撞到产品而引起的安全隐患。

发明内容

鉴于以上内容，有必要提出一种三维量测模拟系统及方法，其利用虚拟操纵按钮与测针模型对待测产品的点云进行精确快速地模拟取点，并控制测针模型进行模拟运动且自动输出碰撞点程序，避免安全隐患。

所述三维量测模拟系统运行于计算机中。该系统包括：构建模块，用于构建一个测针模型与操控该测针模型的虚拟操纵按钮；获取模块，用于从计算机的存储装置中获取一个待测产品的三维点云；网格化模块，用于根据预设的网格化方法对所述三维点云进行三角网格化处理，得到网格化后的点云；导入模块，用于导入所构建的测针模型、虚拟操纵按钮以及网格化后的点云并显示于计算机的显示装置上；控制模块，用于接收点击虚拟操纵按钮所触发的移动指令，并控制测针模型在显示装置上进行相应方向的移动，使得测针模型的测头移动到网格化后的点云上；计算模块，用于计算当测针模型的测头移动到网格化点云上时，计算测头在网格化点云上的初始取点坐标；所述的控制模块，还用于根据所接收的移动指令控制测针模型重新移动到显示装置上任意一点，并在该点的坐标与所述初始取点坐标之间构建一条量测路径，控制测针模型在该量测路径进行模拟运动。

所述三维量测模拟方法应用于计算机上。该方法包括：构建步骤：构建一个测针模型与操控该测针模型的虚拟操纵按钮；获取步骤：从计算机的存储装置中获取一个待测产品的三维点云；网格化步骤：根据预设的网格化方法对所述三维点云进行三角网格化处理，得到网格化后的点云；导入步骤：导入所构建的测针模型、虚拟操纵按钮以及网格化后的点云并显示于计算机的显示装置上；控制步骤一：接收点击虚拟操纵按钮所触发的移动指令，并控制测针模型在显示装置上进行相应方向的移动，使得测针模型的测头移动到网格化后的点云上；计算步骤：计算当测针模型的测头移动到网格化点云上时，计算测头在网格化点云上的初始取点坐标；控制步骤二：根据所接收的移动指令控制测针模型重新移动到显示装置上任意一点，并在该点的坐标与所述初始取点坐标之间构建一条量测路径，控制测针模型在该量测路径进行模拟运动。

本发明所提供的三维量测模拟系统及方法，通过将待测产品的点云进行网格化处理，使用户在利用虚拟操纵按钮控制测针模型在网格化后的点云上更加方便直观地取点，通过高精度的计算方法计算实际初始取点坐标，避免计算到产品背面的点。并通过控制测针模型进行运动模拟，自动输出测针模型的测头与点云有碰撞点的程序，自动判断出在实际量测时可能存在碰点的安全隐患，使得实际三维量测时更加准确及安全。

附图说明

图1是本发明三维量测模拟系统较佳实施例的系统架构图。

图2是本发明三维量测模拟方法较佳实施例的流程图。

图3是本发明虚拟操纵按钮控与测针模型的示意图。

主要元件符号说明

计算机	1
		三维量测模拟系统	10
处理器	11
		存储装置	12
显示装置	13
		构建模块	100
获取模块	101
		网格化模块	102
导入模块	103
		控制模块	104
计算模块	105
		输出模块	106

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，是本发明三维量测模拟系统10较佳实施例的系统架构图。该三维量测模拟系统10安装于一台计算机1中。所述计算机1包括处理器11、存储装置12以及显示装置13。所述处理器11用于执行三维量测模拟系统10中的各功能模块。所述的存储装置12用于存储计算机1的各类数据，例如待测产品的点云。所述的显示装置13用于显示计算机1的可视化数据。

所述三维量测模拟系统10包括构建模块100、获取模块101、网格化模块102、导入模块103、控制模块104、计算模块105以及输出模块106。上述各功能模块100～106是完成特定功能的各个程序段，比软件程序本身更适合于描述软件在计算机设备，如计算机1中的执行过程，因此本发明对软件程序的描述都以模块描述。关于各功能模块100-106将在图2的流程图中作具体描述。

图2所示，是本发明三维量测模拟方法较佳实施例的流程图。应该了解，本发明所述三维量测模拟方法并不限于图2所示流程图中的步骤及顺序。根据不同的实施例，图2所示流程图中的步骤可以增加、移除、或者改变顺序。

步骤S111，构建模块100构建一个测针模型与操控该测针模型的虚拟操纵按钮。所述的测针模型是根据实际测针的形状构建的三维模型。所述的虚拟操纵按钮与所述的测针模型关联，用于控制测针模型进行相应的移动。当点击虚拟操纵按钮上的相应图标时，可以触发对应的移动指令以控制测针模型进行相应方向地移动。

如图3所示，图3（a）是所述构建的测针模型，所述的测针模型包括测头，用于进行模拟取点。图3（b）是所述构建的虚拟操纵按钮，该虚拟操作按钮包括四个方向（上、下、左、右）的速度控制图标，该速度控制图标包括快速控制图标与慢速控制图标。在其它实施例中也可以任意多个方向。所述的快速控制图标可以控制测针模型进行快速移动，所述的慢速控制图标可以控制测针模型进行精确慢速地移动。所述虚拟操纵按钮还包括移动示意图标。若未利用所述的速度控制图标控制测针模型进行移动时，该移动示意图标以初始颜色显示。若利用所述速度控制图标控制测针模型进行移动时，该移动示意图标以其它颜色显示。实际应用中并不局限上如图3所示的测针模型与虚拟操纵按钮。

步骤S112，获取模块101获取待测产品的三维点云，以及所述的网格化模块102对所述三维点云进行快速高精度的三角网格化处理，得到网格化点云。所述待测产品的三维点云可以从存储装置12中获取，也可以从其它可以扫描得到待测产品的三维点云的装置中获取。

在本较佳实施例中，所述的网格化模块102采用点云网格化后的三角形外接圆内没有点与曲面局部曲率一致的原则，并通过包围盒切割点云快速找临近点的方法，对三维点云进行三角网格化。具体而言，所述三维点云中的任意三个点进行连线组成三角形，所组成的三角形满足两个条件，条件一，该三角形的外接圆内不能包含其它点；条件二，该三角形的向量与临近三角形的向量的夹角不能超过预设的曲率阀值（例如，90度）。组成三角形的方式如下：取三维点云中任意一点为基准，找与该基准点距离最近的第二点，距离要小于预设的距离阀值，之后第一点与第二点连成线，找连线临近的第三点，该三点连成的三角形外接圆中不包含点云中的其它点（即除了组成三角形的三点之外的其它点）。当确定该三角形后，计算该三角形的向量与所有该三角形相邻的三角形的向量的夹角，若所计算的夹角中有一个夹角大于预设的曲率阀值（例如，90度），则该三角形不合格，舍弃该三角形，然后重新寻找该三角形临近的第三点，以此为逻辑，直到找到合适的第三点所组成的三角形。

需要说明的是，在其它较佳实施例中，由于三维点云在进行三角网格化后有大量的三角形，为了简化计算，可以精简一些三角形，即将一些三角形去除，以简化计算，提高运算效率。精简的原则是，曲率大的三角形保留的多（例如，曲率为70度到90度的三角形，全部保留），曲率小的三角形保留的少（例如，曲率为0度到10度的三角形，随机选择保留百分之三十的三角形）。

步骤S113，导入模块103导入所构建的测针模型、虚拟操纵按钮以及网格化点云并显示于显示装置13上。

步骤S114，控制模块104接收虚拟操纵按钮上的移动指令，并控制测针模型在显示装置13上进行相应方向的移动，使得测针模型的测头移动到网格化点云上。在其它较佳实施例中，所述的控制模块104也可以根据用户输入的坐标，控制测针模型的测头根据该输入的坐标进行相应的移动。

步骤S115，在测针模型的测头移动到网格化点云上后，计算模块105计算所述测头当前在网格化点云上的初始取点坐标。在本较佳实施例中，所述初始取点坐标的计算方法为：以该测针模型的测头相对于显示装置13上的法线作为射线；采用空间包围盒算法在该射线周围找出与射线临近的所有三角形，得到上述三角形中与所述射线的相交的所有交点，并根据法线方向最顶点仅有一个交点的原则，得到测头在网格化点云上的初始取点坐标。所述的空间包围盒算法将射线临近的网格化点云切分成多个小包围盒，在任意一个小包围盒通过标号方法找到与所述射线临近的所有三角形。

在本实施例中，由于法线有正方向和反方向，因此，射线与网格化点云相交时有很多交点，依据待测产品最表面的点向外做射线找不到交点的原则，从所有交点筛选出网格化点云最表面的顶点坐标，即为该测头在网格化点云上的初始取点坐标。

步骤S116，所述的控制模块104根据所接收的移动指令控制测针模型重新移动到显示装置13上任意一点，并在该点的坐标与所述初始取点坐标之间构建一条量测路径，控制测针模型在该量测路径进行模拟运动，并检测所述测针模型在模拟运动时与网格化点云是否有交点。所述构建的量测路径可以通过直线连接所述当前坐标与所述初始取点坐标形成的。

在本较佳实施例中，所述测针模型的测头在依所述构建的量测路径上进行模拟运动时，所述的控制模块104根据预设的接近阀值（例如，2mm）与返回阀值，在量测路径上的点（简称量测点）进行接近点模拟与返回点模拟，所述的接近点的坐标等于所述量测点的坐标与坐标（0，0，接近阀值）的和，所述返回点的坐标等于所述量测点的坐标与坐标（0，0，返回阀值）的差。通过量测路径上各点对应的接近点与返回点可以形成三条路径，所述的控制模块104通过判断上述三条路径是否与网格化点云有交点来判断测针模型在模拟运动时是否与网格化点云有交点。当上述三条路径中的任意一条路径与网格化点云有交点，则判断测针模型在模拟运动时与网格化点云有交点。当上述三条路径与网格化点云均没有交点，则判断测针模型在模拟运动时与网格化点云没有有交点。

步骤S117，当检测到所述测针模型在量测路径上的模拟运动与网格化点云有交点时，输出模块106停止测针模型的运动，并输出预设格式的碰撞点程序。所述预设格式的碰撞点程序包括上述量测路径的起点坐标与终点坐标，以及在该交点之前测针模型的测头所经过的量测路径上的点的坐标，法向量。应说明的是，若所述测针模型在量测路径上的模拟运动与网格化点云没有交点时，所述的控制模块104根据用户的操作可以继续下一个初始取点坐标进行不同量测路径的量测。

以上实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式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都不应脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种三维量测模拟系统，运行于计算机中，其特征在于，该系统包括：

构建模块，用于构建一个测针模型与操控该测针模型的虚拟操纵按钮；

获取模块，用于从计算机的存储装置中获取一个待测产品的三维点云；

网格化模块，用于根据预设的网格化方法对所述三维点云进行三角网格化处理，得到网格化点云；

导入模块，用于导入所构建的测针模型、虚拟操纵按钮以及网格化点云并显示于计算机的显示装置上；

控制模块，用于接收点击虚拟操纵按钮所触发的移动指令，并控制测针模型在显示装置上进行相应方向的移动，使得测针模型的测头移动到网格化点云上；

计算模块，用于计算当测针模型的测头移动到网格化点云上时，计算测头在网格化点云上的初始取点坐标；及

所述的控制模块，还用于根据所接收的移动指令控制测针模型重新移动到显示装置上任意一点，并在该点的坐标与所述初始取点坐标之间构建一条量测路径，控制测针模型在该量测路径进行模拟运动。

2.如权利要求1所述的三维量测模拟系统，其特征在于，所述构建的虚拟操纵按钮包括多个方向的速度控制图标与移动示意图标，所述多个方向的速度控制图标用于控制测针模型根据相应方向与速度进行移动，该速度控制图标包括快速控制图标与慢速控制图标，所述的移动示意图标在未利用所述的速度控制图标控制测针模型进行移动时，以初始颜色显示，在利用所述速度控制图标控制测针模型进行移动时，以其它预设的颜色显示。

3.如权利要求1所述的三维量测模拟系统，其特征在于，该系统还包括：

输出模块，用于当所述测针模型在量测路径上的模拟运动与网格化点云有交点时，停止测针模型的模拟运动，并输出预设格式的碰撞点程序，该碰撞点程序包括上述量测路径的起点坐标与终点坐标、以及在该交点之前测针模型的测头所经过的量测路径上的点的坐标与法向量。

4.如权利要求1所述的三维量测模拟系统，其特征在于，所述测针模型的测头在依所述构建的量测路径上进行模拟运动时，所述控制模块根据预设的接近阀值与返回阀值，得到量测路径上各点对应的接近点与返回点，并控制测针模型在量测路径上的点进行接近点模拟与返回点模拟，使得测针模型在量测路径以及量测路径上的点对应的接近点与返回点形成的三条路径上进行模拟运动。

5.如权利要求1所述的三维量测模拟系统，其特征在于，所述计算初始取点坐标的方法包括步骤：

以该测针模型的测头相对于计算机的显示装置上的法线作为射线；

采用空间包围盒算法在该射线周围找出与射线临近的所有三角形，所述的空间包围盒算法将射线临近的网格化点云切分成多个小包围盒，在任意一个小包围盒通过标号方法找到与所述射线临近的所有三角形；及

得到上述三角形中与所述射线的相交的所有交点，并根据法线方向最顶点仅有一个交点的原则得到测头在网格化点云上的初始取点坐标。

6.一种三维量测模拟方法，应用于计算机中，其特征在于，该方法包括步骤：

构建步骤：构建一个测针模型与操控该测针模型的虚拟操纵按钮；

获取步骤：从计算机的存储装置中获取一个待测产品的三维点云；

网格化步骤：根据预设的网格化方法对所述三维点云进行三角网格化处理，得到网格化点云；

导入步骤：导入所构建的测针模型、虚拟操纵按钮以及网格化点云并显示于计算机的显示装置上；

控制步骤一：接收点击虚拟操纵按钮所触发的移动指令，并控制测针模型在显示装置上进行相应方向的移动，使得测针模型的测头移动到网格化点云上；

计算步骤：计算当测针模型的测头移动到网格化点云上时，计算测头在网格化点云上的初始取点坐标；及

控制步骤二：根据所接收的移动指令控制测针模型重新移动到显示装置上任意一点，并在该点的坐标与所述初始取点坐标之间构建一条量测路径，控制测针模型在该量测路径进行模拟运动。

7.如权利要求6所述的三维量测模拟方法，其特征在于，所述构建的虚拟操纵按钮包括多个方向的速度控制图标与移动示意图标，所述多个方向的速度控制图标用于控制测针模型根据相应方向与速度进行移动，该速度控制图标包括快速控制图标与慢速控制图标，所述的移动示意图标在未利用所述的速度控制图标控制测针模型进行移动时，以初始颜色显示，在利用所述速度控制图标控制测针模型进行移动时，以其它预设颜色显示。

8.如权利要求6所述的三维量测模拟方法，其特征在于，该方法还包括步骤：

输出步骤：当所述测针模型在量测路径上的模拟运动与网格化点云有交点时，停止测针模型的模拟运动，并输出预设格式的碰撞点程序，该碰撞点程序包括上述量测路径的起点坐标与终点坐标、以及在该交点之前测针模型的测头所经过的量测路径上的点的坐标与法向量。

9.如权利要求6所述的三维量测模拟方法，其特征在于，该方法还包括步骤：

当测针模型的测头在依所述构建的量测路径上进行模拟运动时，根据预设的接近阀值与返回阀值，得到量测路径上各点对应的接近点与返回点，并控制测针模型在量测路径上的点进行接近点模拟与返回点模拟，使得测针模型在量测路径以及量测路径上的点对应的接近点与返回点形成的三条路径上进行模拟运动。

10.如权利要求6所述的三维量测模拟方法，其特征在于，所述的计算步骤通过以下方法计算初始取点坐标：

以该测针模型的测头相对于计算机的显示装置上的法线作为射线；

采用空间包围盒算法在该射线周围找出与射线临近的所有三角形，所述的空间包围盒算法将射线临近的网格化点云切分成多个小包围盒，在任意一个小包围盒通过标号方法找到与所述射线临近的所有三角形；

得到上述三角形中与所述射线的相交的所有交点，并根据法线方向最顶点仅有一个交点的原则得到测头在网格化点云上的初始取点坐标。