CN112308890B - 一种标准球辅助的工业ct测量坐标系可靠配准方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种标准球辅助的工业CT测量坐标系可靠配准方法,属于工业CT无损检测技术领域。该方法充分利用外形测量手段高精度、高可靠性的优势,利用辅助标准球建立的坐标系实现测量点云与设计模型的可靠配准,对零件装夹无基准定位要求,使用普通夹具即可,避免了不同零件CT成像质量差异对配准精度的影响,同时也避免了成批同型号零件制造差异对配准精度的影响,实施简便,可靠性高,一致性好,有利于在工业CT检测中实现测量与设计意图的统一。
Description
技术领域
本发明涉及一种标准球辅助的工业CT测量坐标系可靠配准方法,属于工业CT无损检测技术领域。
背景技术
计算机断层成像(Computed Tomography,CT)技术能在对检测物体无损伤条件下,以二维断层图像的形式,清晰、准确、直观地展示被检测物体的内部结构,被誉为当今最佳的无损检测与评估技术,被广泛应用于医学诊断和工业检测领域。
CT图像本身是灰度图像,无法直接进行准确的尺寸/偏差测量,缺陷参数的准确计算与定位也比较困难。因此,基于CT的尺寸/缺陷检测,一般情况下都需要先对CT图像进行分割,得到三维点云。
在基于点云的尺寸/缺陷检测与评定方面,首先需要将测量点云与设计模型的坐标系配准。配准过程一般可分为粗配准和精配准两个步骤,常用的粗配准算法主要有最小包围盒法、主成分分析法、遗传算法等,而常用的精配准方法主要有迭代最近点(IterativeClosest Point,ICP)算法、标准优化算法和基于特征的方法等。目前最常见也是应用最广泛的配准算法是ICP算法,包括基于ICP算法的各种改进算法。该类算法存在的主要问题有:
(1)算法复杂度高,对待匹配点云的初始状态要求高,当点云数量达到一定数量级后计算量巨大。
(2)对于成批同型号零件,由于被测零件必然存在各不相同的加工误差,因此其测量点云也各不相同,通过ICP算法进行配准时由于基准不统一,可能造成测量偏差与实际偏差的不一致。
另外,工业CT的成像质量受零件材质、尺寸、结构等因素的影响较大,相应分割得到的点云精度也存在较大差异,因此单纯根据点云实现与设计模型的配准,配准的系统误差就难以控制,配准的精度和一致性也无法保障。
发明内容
为了解决工业CT实现检测中测量点云与设计模型配准时的精度变化大、一致性差、基准不统一等问题,本发明提供一种标准球辅助的工业CT测量坐标系可靠配准方法,充分利用外形测量手段高精度、高可靠性的优势,利用辅助标准球建立的坐标系实现测量点云与设计模型的可靠配准。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤:
步骤1:将待测零件装夹到带有至少3个标准球的夹具上,标准球位置在高度上高于夹具,在圆周上围绕零件相对均匀布置,标准球密度不高于零件密度;
步骤2:利用外形测量手段,先测量各个标准球的球心坐标,再根据设计模型给出的测量基准或测量规范要求,测量得到零件上相应部位的点云,此步坐标系为外测坐标系;
步骤3:将设计模型与步骤2得到的零件点云配准,即将设计模型变换到外测坐标系;
步骤4:保持夹具及零件的夹持状态不变,对其进行工业CT扫描,扫描除包含零件感兴趣部位以外,还必须包含标准球,然后重建得到CT图像;
步骤5:分割所得的CT图像得到测量点云,对其中各个标准球的点云分别进行拟合得到相应的球心坐标,此步坐标系为CT坐标系;
步骤6:根据步骤2和步骤5中得到的标准球球心坐标,计算从CT坐标系变换到外测坐标系的变换矩阵;
步骤7:利用步骤6得到的变换矩阵,将CT测量点云变换到外测坐标系中,即完成CT测量点云与设计模型的配准。
在上述步骤6中,计算变换矩阵的具体方法为:根据步骤2和步骤5中得到的标准球球心坐标的一一对应关系,计算求解得到包括移动、旋转和缩放的变换矩阵。如果标准球的数量等于3,则计算得到的是变换矩阵的精确解;如果标准球的数量大于3,则可以计算得到最小二乘解。
本发明的有益效果是:本发明提供的一种标准球辅助的工业CT测量坐标系可靠配准方法,对零件装夹无基准定位要求,使用普通夹具即可,避免了不同零件CT成像质量差异对配准精度的影响,同时也避免了成批同型号零件制造差异对配准精度的影响,实施简便,可靠性高,一致性好,有利于在工业CT检测中实现测量与设计意图的统一。
附图说明
图1 为本发明实施流程图。
具体实施方式
以工业锥束CT测量坐标系配准,采用三坐标测量机作为外形测量手段为例,对一高温合金精铸零件,应用本发明提供的一种标准球辅助的工业CT测量坐标系可靠配准方法,执行以下步骤:
步骤1:将待测零件装夹到带有3个标准球的夹具上,标准球位置在高度上高于夹具,在圆周上围绕零件相对均匀布置,标准球材质为陶瓷,密度不高于零件密度。
步骤2:采用三坐标测量机作为外形测量手段,先测量各个标准球的球心坐标,再根据设计模型给出的测量基准,测量得到零件上相应部位的点云,此步坐标系为外测坐标系。
步骤3:将设计模型与步骤2得到的零件点云配准,即将设计模型变换到外测坐标系。由于步骤2得到的零件点云直接与设计模型中的测量基准对应,因此配准操作简单,这里直接采用ICP算法配准。
步骤4:保持夹具及零件的夹持状态不变,对其进行工业CT扫描,扫描除包含零件感兴趣部位以外,还必须包含标准球,然后重建得到CT图像。
步骤5:分割所得的CT图像得到测量点云,对其中各个标准球的点云分别进行拟合得到相应的球心坐标,此步坐标系为CT坐标系。
步骤6:根据步骤2和步骤5中得到的标准球球心坐标,计算从CT坐标系变换到外测坐标系的变换矩阵:
设(X,Y,Z)为变换前的坐标,(X′,Y′,Z′)为变换后的坐标,则矩阵变换模型为其中为平移变换矩阵,R(α,β,γ)为旋转变换矩阵,λ为缩放比例。利用CT坐标系和外测坐标系中标准球球心坐标的对应关系,可以求解出变换矩阵中的未知参数,理论上只需三个标准球即可计算出变换矩阵的精确解,但可以增加标准球的数量计算最小二乘解,减小标准球定位可能带来的误差。
步骤7:利用步骤6得到的变换矩阵,将CT测量点云变换到外测坐标系中,即完成CT测量点云与设计模型的配准。
Claims (2)
1.一种标准球辅助的工业CT测量坐标系可靠配准方法,其特征在于包括以下步骤:
步骤1:将待测零件装夹到带有至少3个标准球的夹具上,标准球位置在高度上高于夹具,在圆周上围绕零件相对均匀布置,标准球密度不高于零件密度;
步骤2:利用外形测量手段,先测量各个标准球的球心坐标,再根据设计模型给出的测量基准或测量规范要求,测量得到零件上相应部位的点云,此步坐标系为外测坐标系;
步骤3:将设计模型与步骤2得到的零件点云配准,即将设计模型变换到外测坐标系;
步骤4:保持夹具及零件的夹持状态不变,对其进行工业CT扫描,扫描除包含零件感兴趣部位以外,还必须包含标准球,然后重建得到CT图像;
步骤5:分割所得的CT图像得到测量点云,对其中各个标准球的点云分别进行拟合得到相应的球心坐标,此步坐标系为CT坐标系;
步骤6:根据步骤2和步骤5中得到的标准球球心坐标,计算从CT坐标系变换到外测坐标系的变换矩阵;
步骤7:利用步骤6得到的变换矩阵,将CT测量点云变换到外测坐标系中,即完成CT测量点云与设计模型的配准。
2.根据权利要求1所述的一种标准球辅助的工业CT测量坐标系可靠配准方法,其特征在于:在所述步骤6中,计算从CT坐标系变换到外测坐标系的变换矩阵时,利用了步骤2和步骤5中得到的标准球球心坐标的对应关系,计算求解的变换矩阵包括移动、旋转和缩放,并且当标准球的数量等于3时可计算得到变换矩阵的精确解,当标准球的数量大于3时可计算得到最小二乘解。
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