CN108710341A - 一种基于海量扫描点云简化分割的快速配准方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于海量扫描点云简化分割的快速配准方法，主要包括以下步骤：1.将工件装夹在数控机床上，得到扫描点云；2.基于三点定位原理对扫描点云与CAD数模进行粗配准；3.标识CAD数模的配准面和非配准面；4.提取配准面特征点；5.搜索特征点对应的扫描点作为配准点；6.基于配准面与其对应的配准点进行精配准。此时若配准结果满足要求则结束；若配准结果不满足要求且配准点数量少于特征点数量则转到5；否则判定毛坯不合格无法满足要求。大大提高了配准算法效率。

Description

一种基于海量扫描点云简化分割的快速配准方法

技术领域

本发明涉及一种基于海量扫描点云简化分割的快速配准方法，更具体的说涉及一种基于CAD数模实现点云的自动分块与简化处理，建立扫描点云与数模面的一一对应关系，进而提高配准算法的效率，最终实现扫描点云与CAD数模快速配准的方法。

背景技术

国内航空工业中的复杂铸件毛坯要依靠传统人工划线方式定基准，无法量化评价毛料几何尺寸、均化加工余量，加工过程需要反复修基准、多次调整加工程序，导致加工周期长、加工质量不稳定等问题。为去除这种手工划线的工艺过程，一般采用数字化配准的方式，步骤如下：(1)利用扫描仪器扫描毛坯表面，得到扫描点云；(2)利用配准算法对齐毛坯点集和CAD数模，保证所有加工面都有足够的加工余量。

由于扫描点云数量巨大达到几百万甚至上千万，而且CAD模型数模面也较多，同时扫描点云与数模面之间没有关联，这就严重制约了配准算法的效率。

ICP算法是最为典型的表面配准算法。

发明内容

要解决的技术问题

针对背景技术提出的扫描点云数量巨大，CAD模型数模面多，同时扫描点云与数模面之间没有关联，从而严重制约了配准算法效率的问题。本发明提出了一种基于海量扫描点云简化分割的快速配准方法。

技术方案

一种基于海量扫描点云简化分割的快速配准方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：将工件毛坯以任意姿态装夹在数控机床工作台上，利用扫描仪得到毛坯表面的扫描点云Q；

步骤2：采用三点定位原理对毛坯表面扫描点云Q与CAD数模表面P进行粗配准，使二者相对位置接近，得到毛坯表面扫描点云Q到CAD数模表面P粗配准变换矩阵；

步骤3：采用颜色标记法对CAD数模面进行标识，以不同的颜色进行区分将CAD数模面划分成配准面和非配准面；

步骤4：采用参数化法对配准面进行参数点的提取：首先提取配准面的图样，并对其进行参数化，参数化的样条曲面用S表示，两参数方向用u，v表示，则有S＝f(u,v)，其中u∈[u_min,u_max],v∈[v_min,v_max]；提取参数化曲面上的参数点，剔除不在配准面上的参数点，剩下的参数点作为配准面的特征点；

步骤5：构造配准面的包围盒，对于该配准面上的特征点只需在包围盒内搜索对应扫描点；沿特征点法矢方向构造特征点的有向包围盒，在有向包围盒内选择法矢方向与特征点法矢方向相近，且距离配准面距离最小的扫描点作为配准点；

步骤6：基于配准面与其对应的配准点进行精配准，此时若配准结果满足要求则结束；若配准结果不满足要求且配准点数量少于特征点数量则转到步骤5；否则判定毛坯不合格无法满足要求。

当步骤4的图样为平面时，平面的参数化曲面为长方形张成的平面，Δu₁＝u_1max-u_1min表示u向长度，Δv₁＝v_1max-v_1min表示v向长度；对于平面取u向间隔其中取v向间隔其中提取平面的参数曲面上参数点f(u_1i,v_1i)，其中u_1i＝u_1min+i·du₁,(i＝0,1,2,...,n_p)，v_1i＝v_1min+j·dv₁,(j＝0,1,2,...,m_p)。

当步骤4的图样为圆柱面时，圆柱面的参数化曲面为圆柱面，Δu₂＝u_2max-u_2min＝2π表示圆柱面的参数化曲面的角向距离，Δv₂＝v_2max-v_2min表示圆柱面的参数化曲面的轴向长度，对于圆柱面取u向间隔其中(R为圆柱面的半径)，取v向间隔其中取圆柱面的参数曲面上参数点f(u_2i,v_2i)其中u_2i＝u_2min+i·du₂,(i＝0,1,2,...,n_c),v_2i＝v_2min+j·dv₂,(j＝0,1,2,...,m_c)。

有益效果

本发明提出的一种基于海量扫描点云简化分割的快速配准方法，有益效果如下：

(1)提取特征点的方法具有一定自适应性，在能够较好地表征配准面的条件下控制了特征点的数量，从而能够保证配准算法的效率。

(2)搜索配准点时构造了双重包围盒，提高了搜索配准点算法的效率。

(3)实现了扫描点云的简化分割处理，建立了配准点与配准面的一一对应关系，提高了配准算法的效率。

附图说明

图1为本发明面向配准过程的海量扫描点云简化分割方法的总流程图

图2为本发明所涉及的面的包围盒示意图

图3为本发明所涉及的特征点的有向包围盒示意图

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明的步骤为：

第一步：将工件毛坯以任意姿态装夹在数控机床工作台上，利用扫描仪得到毛坯表面的扫描点云Q。

第二步：采用三点定位原理对毛坯表面扫描点云Q与CAD数模表面P进行粗配准，使二者相对位置接近，得到毛坯表面扫描点云Q到CAD数模表面P粗配准变换矩阵。

第三步：采用颜色标记法对CAD数模面进行标识，以不同的颜色进行区分将CAD数模面划分成配准面和非配准面。

第四步：采用参数化法对配准面进行参数点的提取：首先提取配准面的图样，并对其进行参数化，参数化的样条曲面用S表示，两参数方向用u，v表示则有S＝f(u,v)，其中u∈[u_min,u_max],v∈[v_min,v_max]。提取参数化曲面上的参数点，为了减少特征点的数量而且特征点能够较好地表征配准面，曲面越大设置取点间隔越大。剔除不在配准面上的参数点，剩下的参数点作为配准面的特征点。

第五步：构造配准面的包围盒，对于该配准面上的特征点只需在包围盒内搜索对应扫描点。沿特征点法矢方向构造特征点的有向包围盒，在有向包围盒内选择法矢方向与特征点法矢方向相近，且距离配准面距离最小的扫描点作为配准点。

第六步：基于配准面与其对应的配准点进行精配准。此时若配准结果满足要求则结束；若配准结果不满足要求且配准点数量少于特征点数量则转到第五步；否则判定毛坯不合格无法满足要求。

本发明以齿箱壳体零件为例，配准算法采用ICP算法，来说明面向配准过程的海量点云简化分割方法的具体实施方式：

第一步：将工件毛坯以任意姿态装夹在数控机床工作台上，利用扫描仪得到毛坯表面的扫描点云Q。

第二步：采用三点定位原理对毛坯表面扫描点云Q与CAD数模表面P进行粗配准，使二者相对位置接近，得到毛坯表面扫描点云Q到CAD数模表面P粗配准变换矩阵。为了验证本发明的效果，本实例中将毛坯数模转化成三角网格，并将网格进行细分使网格数量达到百万级，得到毛坯的表面点集，将该点集数据作为毛坯表面扫描点云。将毛坯表面点集最优理论位置沿x方向、y方向和z方向各旋转3°平移4mm作为粗配准后的毛坯表面扫描点云位置。

第三步：采用颜色标记法对CAD数模面进行标识，以不同的颜色进行区分将CAD数模面划分成配准面和非配准面。

第四步：采用参数化法对配准面进行参数点的提取：首先提取配准面的图样，并对其进行参数化，参数化的样条曲面用S表示，两参数方向用u，v表示则有S＝f(u,v)，其中u∈[u_min,u_max],v∈[v_min,v_max]，提取参数化曲面上的参数点。由于平面和圆柱面的参数化曲面的参数几何性质不同，所以参数点提取的方法也不同。平面的参数化曲面为长方形张成的平面，Δu₁＝u_1max-u_1min表示u向长度，Δv₁＝v_1max-v_1min表示v向长度；圆柱面的参数化曲面为圆柱面，Δu₂＝u_2max-u_2min＝2π表示圆柱面的参数化曲面的角向距离，Δv₂＝v_2max-v_2min表示圆柱面的参数化曲面的轴向长度。为了减少特征点的数量而且特征点能够较好地表征配准面，曲面越大，设置取点间隔越大。对于平面取u向间隔其中取v向间隔其中提取平面的参数曲面上参数点f(u_1i,v_1i)，其中u_1i＝u_1min+i·du₁,(i＝0,1,2,...,n_p)，v_1i＝v_1min+j·dv₁,(j＝0,1,2,...,m_p)。对于圆柱面取u向间隔其中(R为圆柱面的半径)，取v向间隔其中取圆柱面的参数曲面上参数点f(u_2i,v_2i)其中u_2i＝u_2min+i·du₂,(i＝0,1,2,...,n_c),v_2i＝v_2min+j·dv₂,(j＝0,1,2,...,m_c)。剔除不在配准面上的参数点，剩下的参数点作为配准面的特征点。

第五步：提取配准面分别在x向、y向和z向的边界值，并分别向两端延展δx、δy和δz(本实例中取δx、δy、δz分别为5mm、5mm、7mm)从而生成配准面的包围盒，如图2所示。对于该配准面上的特征点只需在包围盒内搜索对应扫描点。沿特征点法矢方向构造一个半径为r法矢方向高度为h₁法矢反方向为h₂的有向包围盒(本实例中取r、h₁、h₂分别为4mm、6mm、6mm)如图3所示，在有向包围盒内选择法矢方向与特征点法矢方向相近，且距离配准面距离最小的扫描点作为配准点。

第六步：基于配准面与其对应的配准点进行精配准。此时若配准结果满足要求则结束；若配准结果不满足要求且配准点数量少于特征点数量则转到第五步；否则判定毛坯不合格无法满足要求。

本实例的实施效果如表1、表2、表3所示：

表1：仿真结果与理论值比较

表1数据表明本发明得到的配准仿真结果有较好的精度。

表2：平均寻找一个配准点所需时间对比

表2数据表明构造双重包围盒有效地提高了寻找配准点的效率，从而保证了本发明方法的效率。

表3：完成配准情况对比

表3数据表明在相同的配准精度下，本发明的配准效率更高。

Claims (3)

1.一种基于海量扫描点云简化分割的快速配准方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：将工件毛坯以任意姿态装夹在数控机床工作台上，利用扫描仪得到毛坯表面的扫描点云Q；

步骤2：采用三点定位原理对毛坯表面扫描点云Q与CAD数模表面P进行粗配准，使二者相对位置接近，得到毛坯表面扫描点云Q到CAD数模表面P粗配准变换矩阵；

步骤3：采用颜色标记法对CAD数模面进行标识，以不同的颜色进行区分将CAD数模面划分成配准面和非配准面；

步骤4：采用参数化法对配准面进行参数点的提取：首先提取配准面的图样，并对其进行参数化，参数化的样条曲面用S表示，两参数方向用u，v表示，则有S＝f(u,v)，其中u∈[u_min,u_max],v∈[v_min,v_max]；提取参数化曲面上的参数点，剔除不在配准面上的参数点，剩下的参数点作为配准面的特征点；

步骤5：构造配准面的包围盒，对于该配准面上的特征点只需在包围盒内搜索对应扫描点；沿特征点法矢方向构造特征点的有向包围盒，在有向包围盒内选择法矢方向与特征点法矢方向相近，且距离配准面距离最小的扫描点作为配准点；

步骤6：基于配准面与其对应的配准点进行精配准，此时若配准结果满足要求则结束；若配准结果不满足要求且配准点数量少于特征点数量则转到步骤5；否则判定毛坯不合格无法满足要求。

2.根据权利要求1所述的一种基于海量扫描点云简化分割的快速配准方法，其特征在于当步骤4的图样为平面时，平面的参数化曲面为长方形张成的平面，Δu₁＝u_1max-u_1min表示u向长度，Δv₁＝v_1max-v_1min表示v向长度；对于平面取u向间隔其中取v向间隔其中提取平面的参数曲面上参数点f(u_1i,v_1i)，其中u_1i＝u_1min+i·du₁,(i＝0,1,2,...,n_p)，v_1i＝v_1min+j·dv₁,(j＝0,1,2,...,m_p)。

3.根据权利要求1所述的一种基于海量扫描点云简化分割的快速配准方法，其特征在于当步骤4的图样为圆柱面时，圆柱面的参数化曲面为圆柱面，Δu₂＝u_2max-u_2min＝2π表示圆柱面的参数化曲面的角向距离，Δv₂＝v_2max-v_2min表示圆柱面的参数化曲面的轴向长度，对于圆柱面取u向间隔其中(R为圆柱面的半径)，取v向间隔其中取圆柱面的参数曲面上参数点f(u_2i,v_2i)其中u_2i＝u_2min+i·du₂,(i＝0,1,2,...,n_c),v_2i＝v_2min+j·dv₂,(j＝0,1,2,...,m_c)。