CN1143781A - 点群数据的曲面变换方法 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示一种点群数据的曲面变换方法，该方法从三维测量仪计量到的被测量物(10)的曲面三维坐标的实测点群数据(P)，得到曲面数据(S)，其特征在于，对三维坐标系统，在(P)的分布面(10a)的邻近处或边界位置设定具有规定图形形状的基本形状面(5a)后，在(5a)上确定多个基准点(Q)，在(Q)上向(10a)设定标明方向的有向向量(6a)，再对各基准点(Q)求出(6a)在所示方向的延长线与(10a)交叉的处理点群数据(D)，并根据(D)求得(S)。

Description

点群数据的曲面变换方法
本发明涉及从三维测量仪计量到的被测量物的曲面三维坐标的实测点群数据，求得曲面数据的曲面变换方法。
以往，已知的方法有样条法和NURBS法等，用来根据从三维测量仪计量到的被测量物的曲面三维坐标(x，y，z)数据(下面称为实测点群数据)，求得该被测定物曲面的曲面数据。
如图14所示的三维测量仪，用图中A所示方向射来的激光12，从被测定物10的曲面10a的反射光、得到各光点的点坐标P1(x1，y1，z1)，P2(x2，y2，z2)，…，Pi(xi，yi，zi)。这些P1(x1，y1，z1)-Pi(xi，yi，zi)成为图中10a所示面的实测点群数据Pa(x，y，z)。然后，使被测量物10或者激光扫描器11中的任何一方旋转90°，从图中B所示的方向用图中虚线所示的激光12，对曲面10b的实测点群数据Pb(x，y，z)进行采样，并顺次从图中C、D所示的方向，也对实测点群数据Pc(x，y，z)、PD(x，y，z)进行采样。前述那样对被测量物10的全部表面进行采样后，得到三维的实测点群数据P(x，y，z)。
这样，得到的三维实测点群数据为多个点的集合。根据这些点的集合，在从各方向(例如A方向和B方向)采样到的数据中，操作者对边界线的重复数据和无用数据进行整理，并进行选择，且仅对已排序的处理点群数据，用鼠标器等在计算机显示器上，进行三维绘图。
这里，计算机利用NURBS等方法，根据在显示器上所绘的处理点群数据，求得曲面数据。
这种曲面数据，能用于例如三维造型加工机等的三维形状物加工中。
在前述以往的得到曲面数据的方法中，从三维测量仪采样到的三维实测点群数据为多个点的集合，必须将各方向得到的点加工成能处理的处理点群数据，存在需要人工操作进行整理和选择的问题。
也就是说，从各方向得到的点，在其边界部分等处数据未必一致，为了显示三维点群，必需整理重复数据和无用数据。为此，需要计算机的输入操作和绘图操作，因而要用大量的操作工时。与此同时，因处理点群数据会产生输入差错和选择差错或者绘图误差和有用数据的缺损等，所以有曲面数据依赖于操作者的问题。
因此，期望能不通过人工而方便地从用三维测量仪得到的未整理的实测点群数据求得曲面的方法。
为解决前述以往技术例中的问题，本发明的曲面变换方法从三维测量仪计量到的被测量物的曲面三维坐标的实测点群数据，求得曲面数据，其特征在于，对三维坐标系统，在实测点群数据的分布面的邻近处或边界位置设定具有规定图形形状的基本形状面后，在基本形状面上确定多个基准点，在各基准点上向实测点群数据的分布面设定标明方向的有向向量，再对基本形状面的各基准点求出所述有向向量在所示方向的延长线与实测点群数据的分布面交叉的处理点群数据，并根据该处理点群数据求得到曲面数据。
此外，将与用往有向向量所示方向处伸后的邻近处实测点群数据作成的微小面交叉的点作为处理点群数据是较佳的。
本发明由前述结构，能得到下述的作用。也就是说采用本发明，对具有设定在三维坐标上的规定图形形状的基本形状面上的多个基准点，可利用往实测点群数据分布面标明方向的有向向量所示方向的延长线与实测点群数据分布面交叉，求得处理点群数据。具体地说，预先准备多个各种图形的基本形状面，并对应于对象物曲面选择其中一个，且在该基本形状面上设定多个基准点，使这些基准点移动到与有向向量所示的实测点群数据分布面交叉的点，不管实测处理点群数据中重复和不一致等，能从基本形状面上的基本点群，求得采用NURBS法时所需的有序点群数据(处理点群数据)，并能容易地算出三维表面的曲面。
此外，如果将与用往有向向量所示方向延伸后的邻近处实测点群数据作成的微小面交叉的点作为处理点群数据，则用在有向向量所示邻近位置的实测点群数据作成的微小面，能在有向向量所示的分布面上设定假设的点，即使对因不完全而有误差和缺损的未整理的实测点群数据，也能得到确实能处理的处理点群数据。
采用本发明，可提供能削减以往必需的从实测点群数据人工选择曲面变换中所需数据的操作，在非常短的时间内从实测点群数据求得曲面数据的方法。
图1表示本发明第1实施例的方框图。
图2表示该方法的流程图。
图3表示测量对象物的斜视图。
图4表示基本形状面的说明图。
图5表示有向向量的说明图。
图6表示点的移动的说明图。
图7表示上曲面的斜视图。
图8表示其它面的求法的斜视图。
图9表示本发明第2实施例的结构图。
图10表示其微小面的说明图。
图11表示该方法的流程图。
图12表示其它适用例的斜视图。
图13表示其输出例的斜视图。
图14表示作为以往技术例的实测点群数据的采样方法的说明图。
下面，参照附图对本发明的实施例详细地进行说明。
实施例1
图1-图8表示本发明的第1实施例。
图1所示的运算装置1包括：输入用三维测量仪7计量到的自由曲面测量对象物10的实测点群数据P各坐标(x，y，z)的实测点群数据输入单元2，包含具备预先登记好的矩形平面、圆柱面、球面、长方柱面和方柱面等规定图形形状的基本形状面5a和表示其方向的有向向量6a的存储器数据9，由实测点群数据输入单元2的实测点群数据P和存储器数据9将实测点群数据P变换成曲面数据S的运算处理单元和存放运算所得曲面数据S并输出到三维造型加工机8的曲面数据输出单元4。
图2表示其处理流程，在步骤1中，将用三维测量仪7计量到的实测点群数据P装入实测点群数据输入单元2。图3中所示的P1-P33表示作为测量对象物的电话听筒10的上表面部分10a的实测点群数据P的位置。此外，在图3中，虽然图纸上表示了33个实测点群数据，但实际上实测点群数据P也可采取几万个数据。
这里，操作者从存储器数据9中选择适合电话听筒10的上表面部分10a形状的基本形状面5a，并向实测点群数据P的邻近三维空间设定图4中5a所示的矩形平面(步骤2)。
步骤3中，在矩形平面5a上的每个基准点群数据Q，设定有向向量6a，使其与实测点群数据P的分布面方向正交。
如前所述，将设定了矩形平面5a和有向向量6a的存储器数据9，与实测点群数据输入单元2的实测点数据P一起，输入到运算处理单元3。
在运算处理单元3，往有向向量6a所指的方向移动矩形平面5a中各基准点群数据Q，并在分布面10a上运算与实测点群数据P交叉的处理点群数据D。
在第1实施例中，不管实测点群数据P的重复和不一致等，只根据图6所示的矩形平面5a中基准点Q1-Q33，分别在分布面10a上所具有的多个实测点群数据P中求出变换成图中P1-P33所示曲面时需要的实测点群数据P。
也就是说，在水平方向将图6中的矩形平面5a分割成11份并在垂直方向分割成2份后各位置上的各基准点Q1-Q33，按有向向量6a，四角各顶点Q1、Q3、Q31、Q33分别与分布面10a中顶点P1、P3、P31、P33交叉。边上的点Q2和Q32对P2和P32交叉，Q6、Q9…Q30对P6、P9…P30交叉，Q4、Q7…Q28对P4、P7…P28交叉。然后，内部的点Q5、Q8…Q29与P5、P8…P29交叉。
如前述那样，只将所运算的交叉位置，作为可对曲面进行处理的处理点群数据Di求出，矩形平面5a中前述各基准点Q再向分布面10a中处理点群数据Di位置移动，从而生成图7所示的曲面Sa(步骤5)。也就是说，运算处理单元3用NURBS法，根据前述处理点群数据Di得到分布面10a的三维表面数据(即曲面数据)。
图7所示的分布面10a施行前述运算处理后，将实测点群数据P变换成曲面数据Sa。
如前文所述那样，将表示电话听筒10的上表面的曲面数据Sa，暂时存放到曲面数据输出单元4中。
接着，对图8所示的电话听筒10的底面10b，采用矩形平面5b作为基本形状面，而有向向量采用与分布面10b正交的方向6b。与前述上表面10a相同，只对与矩形平面5b上的各基准点群数据Q交叉的所需实测数据P求处理点群数据D，并由处理点群数据D运算曲面数据Sb。
进而，在电话听筒10的两端面10c、10d分别采用各有部分缺损的圆筒面5c、5d和图8中6c、6d所示指向轴心的有向向量，从所需各实测点数据P求得各部分的曲面数据Sd、Sc和Sd，并依次存放到曲面输出单元4中。当重复前述过程，对全部平面求得曲面数据时，曲面数据输出单元4将曲面数据S输出到三维造型加工机8中。
如前文所述那样，采用所述实施例1，对于用三维测量仪7计量到的测量对象物10的实测点群数据P，仅提供基本形状面5a和其有向向量6a，求得需要的处理点群数据D，并使各基准点Q移动，借此能求得测量对象物10的曲面数据S。
实施例2
下面参照图9-图13对本发明的实施例2进行说明。
实施例2对实施例1中基准点Q与所需实测点群数据P交差的点的求法，其特点是在实测与群数据P的分布面上设定假设的微小面B，并求与微小面B交叉的点。也就是说，做成未必使图6所示的基准点Qi与实测点群数据Pi一致，也可在图9所示的实测点群数据P(含重复和缺损以及误差的场合)中，以邻近交叉的点群所作的微小面B取得交差位置。
因此，实施例2的其它结构因与实施例1中部分相同，所以图9-图13中，在相同部分附以相同符号并省略其详细说明。
图11所示的流程，在步骤1-步骤3与实施例1相同，对实测点群数据P设定基本形状面5a和其有向向量6a。
下面，对实施例2中图9所示矩形平面5a的基准点Qi与各分布面10a上的Pi未必对应的场合的处理方法进行说明。
图11所示的步骤4a-步骤4b，是关于微小面B的形成的部分。这里，图9所示的Qi点，不存在有向向量6a的方向上与实测点群数据P交叉的交点Pi。于是，取从基准点Qi向有向向量6a的方向延伸并与分布10a交叉的位置附近的点(图10中P1、P2点)，并运算根据该点假设的微小面B，得到能处理的点Di(处理点群数据D)。
然后，在步骤5a，使不清楚移动到何处的基本形状面5a的顶点和边上的点以及内部点，分别移动到交叉的微小面B的位置，并生成曲面。
图10所示的Di点，表示Qi点移动到P1和P2点所成的微小面B上的样子。
如前述那样，采用前述实施例2，即使在移动到何处不清楚的场合，也能从周围的点确实地确定移动到达处，并能借助于NURBS等方法得到曲面数据S。也就是说，在实测点群数据P是多点的集合中，即使含有重复和无用数据或者缺损等没有进行整理的数据群，也能从邻近的数据作出微小面B来适应，从而准确求得成为可处理移动到达处的处理点群数据D，并得到曲面S。
图12是将本发明用于人的耳孔模型的情况，从耳朵的不能自由动作的一方用硅材料做成耳孔模型，对用三维测量仪在孔轴方向反复45°扫描测量的实测点群数据P，采用圆柱面形状的基本形状面5a，并将圆柱面分割成格子状、对各基准点Qi往中心轴的方向设定有向向量6a。这种场合，以总数约5万个点表示实测点群数据，用以往通过人工的手动操作求得能处理的数据，并生成曲面时，需要3小时以上。如果采用本发明的实测点群数据的曲面变换方法，因从周围的点作成微小面B求得交点，所以基本上不依赖于实测点群数据P的个数和分布形状、且与缺损和误差或者重复无关，能用约一分钟时间将约5万个点的实测点群数据P变换成图13所示的曲面数据S。利用这种耳孔的曲面数据S，在以定制的方式制作助听器的场合，可作为三维造型加工机的加工数据。
此外，在前述实施例中，微小面B不限于矩形平面，也可以是三角形平面、圆形平面和任意曲面。又，微小面B也可以是用对一部分邻近坐标点取平均后求得的坐标点群作成的面。微小面B的大小可以是固定的，也可以按实测点群数据变动求得。再者，运算处理单元3虽然示出用NURBS法得到曲面的方法，但不限于NURBS法，也可以用样条法等其它方法求得。也就是说，本发明不限于前述实施例，只要是基于本发明真正的精神，可以是种种的变形，并且包含在全部专利要求的范围之中。

Claims (2)

1.一种点群数据的曲面变换方法，这种曲面变换方法从三维测量仪计量到的被测量物的曲面三维坐标的实测点群数据，求得曲面数据，其特征在于，对三维坐标系统，在实测点群数据的分布面的近旁或边界位置设定具有规定图形形状的基本形状面后，在基本形状面上确定多个基准点，在各基准点上向实测点群数据的分布面设定标明方向的有向向量，再对基本形状面的各基准点求出所述有向向量在所示方向的延长线与实测点群数据的分布面交叉的处理点群数据，并根据该处理点群数据求得曲面数据。
2.如权利要求1所述的点群数据的曲面变换方法，其特征在于，将与用往有向向量所示方向延伸后的邻近处实测点群数据作成的微小面交叉的点，作为处理点群数据。
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