CN113269887B - 一种高精度曲面修复扫描方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高精度曲面修复扫描方法，利用相关算法对目标管材的中轴线进行检测，得到目标管材的中轴线曲线数据，根据中轴线曲线数据控制扫描仪对目标管材进行二次扫描，从而提高了扫描仪的工作精度，得到了更为精细的扫描模型。本发明通过法向量来计算推导目标管材的中轴线相关坐标，推算过程在测试过程中不需要很长时间就可以完成相关标定。从而缩小扫描范围，得到最终所需要高精度的管材三维模型。针对目前用来扫描管材的三维立体模型的高精度三维扫描仪的价格昂贵，而低精度扫描仪的扫描能力不足的缺陷，采用本发明提供的方法能够使用低成本的德特克扫描仪得到高精度的管材三维模型扫描结果。

Description

一种高精度曲面修复扫描方法及装置

技术领域

本发明涉及三维扫描重建领域，尤其涉及一种高精度曲面修复扫描方法及装置。

背景技术

三维扫描仪(3D scanner)是一种科学仪器，用来侦测并分析现实世界中物体或环境的形状(几何构造)与外观数据(如颜色、表面反照率等性质)。该仪器包括但不仅限于便携式扫描仪和大型高精度扫描仪。使用该仪器搜集到的数据常被用来进行三维重建计算，在虚拟世界中创建实际物体的数字模型。这些模型具有相当广泛的用途，如工业设计、瑕疵检测、逆向工程、机器人导引、地貌测量、电影制片、游戏创作素材等。

当前五金行业存在大量的管材加工切割程序，以满足不同长度管材的使用需求，或者厂家或企业需要用到所拥有管材的三维立体模型，来进行管材相关数值测定，设计线路铺设方案。实现这些就必须要对管材进行精确扫描构成3D模型，再通过扫描出来的3D模型进行所需的加工处理。

现有专利CN201521038544.3的扫描过程是打开扫描仪开关，打开扫描仪机盖，扫描仪发光源发出光，将原稿放进扫描仪稿台，扫描仪发出的光照射到原稿上并通过扫描仪反光镜反射到扫描仪镜头，再将扫描信息传送到扫描仪元件上，扫描仪感光原件将光信号转变为电信号，之后再转变为数字信号传给计算机，随着扫描仪步进发动机带动扫描仪齿轮转动，扫描仪齿轮转动带动扫描仪齿条直线往复运动，如此使得整片原稿全部扫描完成，是从扫描仪的结构上进行改进，从而达到高精度要求。

现有专利CN201310619351.6，计算机控制所述扫描仪和摄像机降低至与扫描对象底部平齐的高度，旋转台旋转一周，同时所述扫描仪和摄像机对旋转台上的扫描对象底部进行扫描和拍照，并将扫描对象的图像信息传输到计算机中，从而完成扫描。

通常完成高精度扫描的三维扫描仪价格昂贵，例如MICIOE，其价格就在78.5万元，而STONEX X300，价格更是达到了260万元。一般加工行业无法承担相应的成本以及维修费用，从而选择低精度的扫描仪。通常采用的3D的扫描仪精度不高，对于要求细节的厂家来说，扫描能力就会显得不足，因为低精度的扫描仪扫描出的管材模型表面常常有很多不规则的地方，从而导致模型的使用价值降低，难以满足需求。

发明内容

本发明实施例提供一种高精度曲面修复扫描方法及装置，用以解决目前用来扫描管材的三维立体模型的高精度三维扫描仪的价格昂贵，而低精度扫描仪的扫描能力不足的缺陷。

第一方面，本发明实施例提供一种高精度曲面修复扫描方法，包括：

101，导入目标管材的STL模型；其中，所述STL模型是扫描仪第一次扫描目标管材得到的；

102，基于目标管材的STL模型进行解算，获得目标管材的中轴线曲线数据；

103，基于目标管材的中轴线曲线数据，控制所述扫描仪沿所述中轴线在目标管材上二次扫描，获得目标模型。

优选的，所述基于目标管材的STL模型进行解算，获得目标管材的中轴线曲线数据，具体包括：

将STL模型进行坐标化处理；

对STL模型的三角面片数据进行处理，并使用水平面截取STL模型；

通过切片算法获得STL模型在水平面上的切片轮廓；

设置直径范围以及精度系数；

将所述切片轮廓的圆心复原至原始坐标系，进而获得中轴线曲线数据。

优选的，所述将STL模型进行坐标化处理，包括：

基于STL模型建立空间坐标系，计算出STL模型中各三角面片的端点坐标以及法向量。

优选的，所述对STL模型的三角面片数据进行处理，并使用水平面截取STL模型，包括：

通过三角面片的法向量和三角面片的三条边分别组成三个截面，并分别记录由水平面变化至三个截面所需要的对应x轴旋转角度、y轴旋转角度以及z轴移动距离，存储至数据容器中；

根据水平面变化至三个截面所需要的对应x轴旋转角度、y轴旋转角度以及z轴移动距离，使用水平面截取STL模型。

优选的，所述通过切片算法获得STL模型在水平面上的切片轮廓，包括：

判断STL模型各个三角面片与水平面是否为相交关系，若是相交关系，则计算出三角面片与水平面的交点，进而获得STL模型在水平面上的切片轮廓。

优选的，将所述切片轮廓的圆心复原至原始坐标系，具体包括：

判断切片轮廓是否为圆，若是，则根据记录的水平面变化至三个截面所需要的对应x轴旋转角度、y轴旋转角度以及z轴移动距离，将所述切片轮廓的圆心复原至原始坐标系。

第二方面，本发明实施例还提供一种高精度曲面修复扫描装置，包括：

导入单元，用于导入目标管材的STL模型；其中，所述STL模型是扫描仪第一次扫描目标管材得到的；

解算单元，用于基于目标管材的STL模型进行解算，获得目标管材的中轴线曲线数据；

控制单元，用于基于目标管材的中轴线曲线数据，控制所述扫描仪沿所述中轴线在目标管材上二次扫描，获得目标模型。

第三方面，本发明实施例提供了一种电子设备，包括处理器、存储器、通信接口和总线；其中，所述处理器、存储器、通信接口通过所述总线完成相互间的通信；所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行第一方面实施例提供的高精度曲面修复扫描方法。

第四方面，本发明实施例提供了一种计算机程序产品，包括计算机程序指令，当所述指令由处理器执行时，用于实现第一方面实施例提供的高精度曲面修复扫描方法。

第五方面，本发明实施例提供了一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行第一方面实施例提供的高精度曲面修复扫描方法。

本发明实施例提供的高精度曲面修复扫描方法及装置，利用相关算法对目标管材的中轴线进行检测，得到目标管材的中轴线曲线数据，根据中轴线曲线数据控制扫描仪对目标管材进行二次扫描，从而提高了扫描仪的工作精度，得到了更为精细的扫描模型。本发明能够使用低成本的德特克扫描仪得到高精度的管材三维模型扫描结果。本发明通过法向量来计算推导目标管材的中轴线相关坐标，推算过程在测试过程中不需要很长时间就可以完成相关标定。从而缩小扫描范围，得到最终所需要高精度的管材三维模型。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的高精度曲面修复扫描方法流程示意图；

图2为本发明实施例提供的导入目标管材的STL模型后的软件应用层界面；

图3为本发明实施例提供的本软件STL模型解算后得到的中轴线坐标；

图4为本发明实施例提供的将中轴线坐标用点描绘在三位空间中的效果图；

图5为本发明实施例提供的机械手的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的软件界面示意图；

图7为本发明实施例提供的高精度曲面修复扫描装置结构框图；

图8为本发明实施例提供的电子设备的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

目前，完成高精度扫描的三维扫描仪通常价格昂贵，例如MICIOE，其价格就在78.5万元，而STONEX X300，价格更是达到了260万元。一般加工行业无法承担相应的成本以及维修费用，从而选择低精度的扫描仪。通常采用的3D的扫描仪精度不高，对于要求细节的厂家来说，扫描能力就会显得不足，因为低精度的扫描仪扫描出的管材模型表面常常有很多不规则的地方，从而导致模型的使用价值降低，难以满足需求。

针对现有技术的上述问题，本发明实施例提供了一种高精度曲面修复扫描方法，利用相关算法对目标管材的中轴线进行检测，得到目标管材的中轴线曲线数据，根据中轴线曲线数据控制扫描仪对目标管材进行二次扫描，从而提高了扫描仪的工作精度，得到了更为精细的扫描模型。本发明能够使用低成本的德特克扫描仪得到高精度的管材三维模型扫描结果。以下将结合附图通过多个实施例进行展开说明和介绍。

图1为本发明实施例提供的高精度曲面修复扫描方法流程示意图，如图1所示，本发明实施例提供的高精度曲面修复扫描方法包括但不限于以下步骤：

101，导入目标管材的STL模型；其中，所述STL模型是扫描仪第一次扫描目标管材得到的；

102，基于目标管材的STL模型进行解算，获得目标管材的中轴线曲线数据；

103，基于目标管材的中轴线曲线数据，控制所述扫描仪沿所述中轴线在目标管材上二次扫描，获得目标模型。

具体的，在执行步骤101之前，首先用扫描仪对目标管材进行第一次扫描，得到目标管材的STL(STereoLithography，立体光刻)模型，经过第一次扫描的管体表面并不圆，有很多粗糙的地方，需要对扫描仪的扫描结果做出进一步修复提升。因此，在扫描仪第一次扫描目标管材后，执行本发明实施例提供的高精度曲面修复扫描方法，在步骤101中，将目标管材的STL模型导入到软件，图2为本发明实施例提供的导入目标管材的STL模型后的软件应用层界面，此处的软件即是图2所示的中轴线解算系统。

接着，步骤102中，运行中轴线解算系统的计算机程序，基于目标管材的STL模型进行解算，图3为本发明实施例提供的本软件STL模型解算后得到的中轴线坐标，解算得到图3所示的txt文件，txt文件中记录目标管材中轴线曲线的三维坐标点，以(x，y，z)的形式，一个坐标一行的形式呈现。然后，可以通过如origin等绘图软件，将上述txt文件导入，获得目标管材的中轴线曲线数据，与STL模型对照，判断本次解算是否成功。图4为本发明实施例提供的将中轴线坐标用点描绘在三位空间中的效果图。

进一步的，本发明实施例提供一种高精度曲面修复扫描系统，该系统包括机械手及其连接的扫描仪，图5为本发明实施例提供的机械手的结构示意图，参照图5，机械手4上装配有第一转动马达1、第二转动马达2和第三转动马达3，第一转动马达1用于控制扫描仪在x-y平面运动，第二转动马达2用于控制扫描仪在y-z平面运动，第三转动马达3用于控制机械手的松开和抓紧。

本实施例中，在步骤102获得目标管材的中轴线曲线数据之后，根据目标管材的中轴线曲线数据得到了扫描仪的扫描路径，通过机械手控制扫描仪沿扫描路径在目标管材上二次扫描，获得目标模型，目标模型即是高精度的管材三维模型。

本发明实施例提供的高精度曲面修复扫描方法，利用相关算法对目标管材的中轴线进行检测，得到目标管材的中轴线曲线数据，根据中轴线曲线数据控制扫描仪对目标管材进行二次扫描，从而提高了扫描仪的工作精度，得到了更为精细的扫描模型。本发明能够使用低成本的德特克扫描仪得到高精度的管材三维模型扫描结果。本发明通过法向量来计算推导目标管材的中轴线相关坐标，推算过程在测试过程中不需要很长时间就可以完成相关标定。从而缩小扫描范围，得到最终所需要高精度的管材三维模型。

基于上述实施例的内容，步骤102中，基于目标管材的STL模型进行解算，获得目标管材的中轴线曲线数据，具体包括：

201，将STL模型进行坐标化处理；

具体地，读取STL模型后，基于STL模型建立空间坐标系，计算出STL模型中各三角面片的端点坐标以及法向量。

202，对STL模型的三角面片数据进行处理，并使用水平面截取STL模型。

具体地，对STL模型的三角面片数据进行处理是指通过三角面片的法向量和三角面片的三条边分别组成三个截面，并分别记录由水平面变化至三个截面所需要的对应x轴旋转角度、y轴旋转角度以及z轴移动距离，存储至数据容器中。

进一步地，根据水平面变化至三个截面所需要的对应x轴旋转角度、y轴旋转角度以及z轴移动距离，使用水平面截取STL模型。

203，通过切片算法获得STL模型在水平面上的切片轮廓。

判断STL模型各个三角面片与水平面是否为相交关系，若是相交关系，则计算出三角面片与水平面的交点，进而获得STL模型在水平面上的切片轮廓。

204，设置直径范围以及精度系数；

本实施例中，通过软件设置直径上限和下限，并设置精度系数，其中直径上限及下限是用于简化筛选。设置精度系数则是由于扫描仪第一次扫描目标管材得到的STL模型存在较大误差，其过中轴线截面也不一定是完美的圆形，因此允许一定的形变。

205，将所述切片轮廓的圆心复原至原始坐标系，进而获得中轴线曲线数据。

本实施例中，判断切片轮廓是否为圆，若是，则根据步骤202数据容器中记录的水平面变化至三个截面所需要的对应x轴旋转角度、y轴旋转角度以及z轴移动距离，将所述切片轮廓的圆心复原至原始坐标系。

具体地，通过对切片轮廓上任意三点的中垂线交点计算后，得到切片轮廓的圆心与半径，依次判断其半径是否在设定范围内，同时切片轮廓上其他点与该圆心距离是否与半径误差是否在精度系数允许范围内，若都满足，则认为该切片轮廓为圆，此时水平面刚好垂直于中轴线对STL模型截取，该圆心处于中轴线上。对前述步骤202的变化顺序反向计算，分别反向移动z轴距离，反向旋转y轴角度，反向旋转x轴角度，对该圆心坐标进行复原，得到原始坐标系下该点坐标，原始坐标系即是步骤201中基于STL模型建立的空间坐标系。

图6为本发明实施例提供的软件界面示意图，本实施例中，运行中轴线解算系统程序，通过点击上下按钮或者手动输入，设置直径上限25，直径下限20，精度系数0.10。所有数值精度均为0.01。点击“开始解算”按钮并等待，本软件将按照技术方案的描述中所述进行解算，直至进度条到达最右端，即代表本次STL模型的解算完成。

在一个实施例中，本发明实施例还提供一种高精度曲面修复扫描装置，图7为本发明实施例提供的高精度曲面修复扫描装置的结构框图，参照图7，该装置包括：

导入单元701，用于导入目标管材的STL模型；其中，所述STL模型是扫描仪第一次扫描目标管材得到的；

解算单元702，用于基于目标管材的STL模型进行解算，获得目标管材的中轴线曲线数据；

控制单元703，用于基于目标管材的中轴线曲线数据，控制所述扫描仪沿所述中轴线在目标管材上二次扫描，获得目标模型。

具体的如何利用导入单元701、解算单元702和控制单元703进行高精度曲面修复扫描，可以参照前述的方法实施例，本实施例在此不再赘述。

在一个实施例中，本发明实施例提供了本发明实施例提供了一种电子设备，如图8所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)801、通信接口(CommunicationsInterface)802、存储器(memory)803和通信总线804，其中，处理器801，通信接口802，存储器803通过通信总线804完成相互间的通信。处理器801可以调用存储器803中的逻辑指令，以执行上述各实施例提供的高精度曲面修复扫描方法的步骤，例如包括：101，导入目标管材的STL模型；其中，所述STL模型是扫描仪第一次扫描目标管材得到的；102，基于目标管材的STL模型进行解算，获得目标管材的中轴线曲线数据；103，基于目标管材的中轴线曲线数据，控制所述扫描仪沿所述中轴线在目标管材上二次扫描，获得目标模型。

在一个实施例中，本发明还提供了一种计算机程序产品，包括计算机程序指令，当指令由处理器执行时，用于实现以执行上述各实施例提供的高精度曲面修复扫描方法的步骤，例如包括：101，导入目标管材的STL模型；其中，所述STL模型是扫描仪第一次扫描目标管材得到的；102，基于目标管材的STL模型进行解算，获得目标管材的中轴线曲线数据；103，基于目标管材的中轴线曲线数据，控制所述扫描仪沿所述中轴线在目标管材上二次扫描，获得目标模型。

在一个实施例中，本发明实施例还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各实施例提供的高精度曲面修复扫描方法的步骤，例如包括：101，导入目标管材的STL模型；其中，所述STL模型是扫描仪第一次扫描目标管材得到的；102，基于目标管材的STL模型进行解算，获得目标管材的中轴线曲线数据；103，基于目标管材的中轴线曲线数据，控制所述扫描仪沿所述中轴线在目标管材上二次扫描，获得目标模型。

综上所述，本发明实施例提供了一种高精度曲面修复扫描方法及装置，利用相关算法对目标管材的中轴线进行检测，得到目标管材的中轴线曲线数据，根据中轴线曲线数据控制扫描仪对目标管材进行二次扫描，从而提高了扫描仪的工作精度，得到了更为精细的扫描模型。本发明能够使用低成本的德特克扫描仪得到高精度的管材三维模型扫描结果。本发明通过法向量来计算推导目标管材的中轴线相关坐标，推算过程在测试过程中不需要很长时间就可以完成相关标定。从而缩小扫描范围，得到最终所需要高精度的管材三维模型。

本发明的各实施方式可以任意进行组合，以实现不同的技术效果。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种高精度曲面修复扫描方法，其特征在于，包括：

101，导入目标管材的STL模型；其中，所述STL模型是扫描仪第一次扫描目标管材得到的；

102，基于目标管材的STL模型进行解算，获得目标管材的中轴线曲线数据；

103，基于目标管材的中轴线曲线数据，控制所述扫描仪沿中轴线在目标管材上二次扫描，获得目标模型。

2.根据权利要求1所述的高精度曲面修复扫描方法，其特征在于，所述基于目标管材的STL模型进行解算，获得目标管材的中轴线曲线数据，具体包括：

将STL模型进行坐标化处理；

对STL模型的三角面片数据进行处理，并使用水平面截取STL模型；

通过切片算法获得STL模型在水平面上的切片轮廓；

设置直径范围以及精度系数；

将所述切片轮廓的圆心复原至原始坐标系，进而获得中轴线曲线数据。

3.根据权利要求2所述的高精度曲面修复扫描方法，其特征在于，所述将STL模型进行坐标化处理，包括：

基于STL模型建立空间坐标系，计算出STL模型中各三角面片的端点坐标以及法向量。

4.根据权利要求3所述的高精度曲面修复扫描方法，其特征在于，所述对STL模型的三角面片数据进行处理，并使用水平面截取STL模型，包括：

通过三角面片的法向量和三角面片的三条边分别组成三个截面，并分别记录由水平面变化至三个截面所需要的对应x轴旋转角度、y轴旋转角度以及z轴移动距离，存储至数据容器中；

根据水平面变化至三个截面所需要的对应x轴旋转角度、y轴旋转角度以及z轴移动距离，使用水平面截取STL模型。

5.根据权利要求4所述的高精度曲面修复扫描方法，其特征在于，所述通过切片算法获得STL模型在水平面上的切片轮廓，包括：

判断STL模型各个三角面片与水平面是否为相交关系，若是相交关系，则计算出三角面片与水平面的交点，进而获得STL模型在水平面上的切片轮廓。

6.根据权利要求5所述的高精度曲面修复扫描方法，其特征在于，将所述切片轮廓的圆心复原至原始坐标系，具体包括：

判断切片轮廓是否为圆，若是，则根据记录的水平面变化至三个截面所需要的对应x轴旋转角度、y轴旋转角度以及z轴移动距离，将所述切片轮廓的圆心复原至原始坐标系。

7.一种高精度曲面修复扫描装置，其特征在于，包括：

导入单元，用于导入目标管材的STL模型；其中，所述STL模型是扫描仪第一次扫描目标管材得到的；

解算单元，用于基于目标管材的STL模型进行解算，获得目标管材的中轴线曲线数据；

控制单元，用于基于目标管材的中轴线曲线数据，控制所述扫描仪沿所述中轴线在目标管材上二次扫描，获得目标模型。

8.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至6任一项所述高精度曲面修复扫描方法的步骤。

9.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至6任一项所述高精度曲面修复扫描方法的步骤。

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