TW201349171A - 曲面座標系建立系統及方法 - Google Patents

Abstract

一種曲面座標系建立系統及方法，包括：得到待測產品某一曲面的三角網格化的CAD三維曲面模型；在上述三角網格化的CAD三維曲面模型上獲取若干圖形點；在待測產品的所述曲面上獲取與上述圖形點相對應的若干實際點；將所述實際點與圖形點執行對齊操作，得到能夠使兩者對齊的旋轉矩陣；及根據上述旋轉矩陣在待量測產品的所述曲面上建立座標系。

Description

曲面座標系建立系統及方法

本發明涉及一種影像量測系統及方法，尤其涉及一種在產品的曲面上建立座標系的系統及方法。

座標系是三次元量測中一個常用的基準，座標系的建立和準確性對三次元量測的資料有著重要的影響。在傳統的三次元量測中，採用待測產品上的一個點、一條線和一個平面來建立座標系。

然而，某些產品，如球狀產品等，的表面都是曲面構成，因此，無法在該產品上找到合適的點、線、面來建立座標系。以往，在對這些產品進行量測時，需要製造一個測試制具。球狀產品等放置在該測試制具上，並在該測試制具的平面上建立座標系，以對球狀等產品進行量測。

製造額外的測試制具不但浪費金錢，而且費時、費力。此外，由於座標系不是建立在待測產品上，可能會造成測試結果不準確。

鑒於以上內容，有必要提供一種曲面座標系建立方法及系統，能夠在產品的曲面上建立座標系，從而使得對該產品的量測更加準確。

一種曲面座標系建立方法，運行於計算設備中，該方法包括：（a）得到待測產品某一曲面的三角網格化的CAD三維曲面模型；（b）在上述三角網格化的CAD三維曲面模型上獲取若干圖形點；（c）在待測產品所述曲面上獲取與上述圖形點相對應的若干實際點；（d）將所述圖形點與實際點執行對齊操作，得到能夠使兩者對齊的旋轉矩陣；及（e）根據上述旋轉矩陣在待量測產品所述曲面上建立座標系。

一種曲面座標系建立系統，運行於計算設備中，該系統包括：模型構建模組：用於得到待測產品某一曲面的三角網格化的CAD三維曲面模型；第一取點模組：用於在上述三角網格化的CAD三維曲面模型上獲取若干圖形點；第二取點模組：用於在待測產品所述曲面上獲取與上述圖形點相對應的若干實際點；對齊模組：用於將所述圖形點與實際點執行對齊操作，得到能夠使兩者對齊的旋轉矩陣；及座標系建立模組：用於根據上述旋轉矩陣在待量測產品所述曲面上建立座標系。

相較於習知技術，本發明所述的曲面座標系建立系統及方法能夠在產品的曲面上建立座標系，從而使得對該產品的量測更加準確。

參閱圖1所示，係本發明曲面座標系建立系統較佳實施例的運行環境示意圖。所述的曲面座標系建立系統10運行於計算設備1上。所述計算設備1可以是電腦等具有資料處理功能的電子設備。所述的計算設備1還包括儲存設備11、處理器12，及顯示設備13。

所述的曲面座標系建立系統10包括多個由程式段所組成的功能模組（詳見圖2），用於在一個待量測產品3的某一個曲面上建立座標系。

所述儲存設備11用於儲存所述曲面座標系建立系統10中各個程式段的程式碼。該儲存設備11可以為智慧媒體卡（smart media card）、安全數位卡（secure digital card）、快閃記憶體卡（flash card）等儲存設備。該儲存設備11還用於儲存曲面座標系建立系統10所需的各種量測資料，如待量測產品3各個曲面的CAD檔等。所述CAD檔中包括曲面的控制點、權重、節點等參數。

所述處理器12用於執行所述曲面座標系建立系統10中各個程式段的程式碼，以實現曲面座標系建立系統10的中各功能模組的功能（詳見圖3中描述）。

所述顯示設備13用於顯示計算設備1的視覺化資料，例如，待量測產品3的CAD曲面模型等。

如圖2所示，係本發明曲面座標系建立系統較佳實施例的功能模組圖。所述的曲面座標系建立系統10包括模型構建模組100、第一取點模組101、第二取點模組102、對齊模組103及座標系建立模組104。

如上所述，以上各模組均以程式碼或指令的形式儲存在計算設備1的儲存設備11中或固化於該計算設備1的作業系統中，並由該計算設備1的處理器12所執行。以下結合圖3A至圖3D對曲面座標系建立系統10中的各功能模組進行詳細說明。

參閱圖3A至3D所示，係本發明曲面座標系建立方法較佳實施例的流程圖。

步驟S1，模型構建模組100從儲存設備11中匯入待量測產品3某一曲面的CAD檔，並根據該CAD檔繪製CAD三維曲面模型。如上所述，CAD檔包括曲面的控制點、權重、節點等參數。這些參數可以控制曲面的形狀、邊界線等。

步驟S2，模型構建模組100將上述CAD三維曲面模型轉換為二維UV平面。應該瞭解，每個三維空間的圖形都可以映射到二維空間而轉換成二維圖形，例如，三維的球形可以轉換為二維的圓形等。參閱圖4所示，是一個二維UV平面的示意圖。

步驟S3，模型構建模組100計算上述二維UV平面的邊界線與U、V方向等距分割線的交點。如圖4中的二維UV平面被U、V方向的等距分割線分割。

步驟S4，模型構建模組100獲取一個如圖4所示的由U、V方向等距分割線所形成的UV方格。

步驟S5，模型構建模組100判斷該UV方格內是否包括至少一個所述交點。若不包括所述交點，則執行下述的步驟S6。否則，若包括至少一個交點，則進入圖3B所示流程。

在步驟S6中，模型構建模組100將該UV方格劃分成兩個三角形。如圖4所示，本實施例中，所述模型構建模組100將UV方格中處於對角位置的逆時針方向的方格點相連接，從而將UV方格劃分成兩個三角形。

步驟S7，模型構建模組100將該兩個三角形加入到一個三角形陣列中。步驟S7之後執行下述的步驟S17。

在圖3B的步驟S8中，模型構建模組100獲取該UV方格的四個方格點、二維UV平面的邊界線與該UV方格的交點，以及包含在該UV方格內的邊界線上的邊界點。

步驟S9，模型構建模組100剔除位於二維UV平面的邊界線以外的方格點。

步驟S10，模型構建模組100將剩餘的方格點、以及所述邊界線與該UV方格的交點、包含在該UV方格內的邊界線上的邊界點加入到一個第一點陣列中。

步驟S11，模型構建模組100依次從上述第一點陣列中選擇一個點作為第一點。

步驟S12，模型構建模組100從上述第一點陣列中查找與第一點距離最近的點作為第二點。

步驟S13，模型構建模組100從上述第一點陣列中選擇一個點作為第三點，並根據該第一點、第二點及第三點構建一個三角形。所述第三點可以是第一點陣列中除上述第一點、第二點之外的任意一點。

步驟S14，模型構建模組100判斷上述構建的三角形的外接圓內是否包含第一點陣列中的任意一點。若包含，則返回步驟S13，在第一點陣列中重新選擇一個點作為第三點。若外接圓內不包含第一點陣列中的點，則進入步驟S15。

在步驟S15中，模型構建模組100將該構建的三角形加入到所述三角形陣列中。

步驟S16，模型構建模組100判斷所述第一點陣列中是否還有點沒有被選擇作為第一點。如果有這樣的點，則返回步驟S12。否則，若沒有這樣的點，則執行圖3A中的步驟S17。

在步驟S17中，模型構建模組100判斷是否還有沒有被選擇過的UV方格。若有，則返回上述的步驟S4。若沒有，則執行步驟S18。

在步驟S18中，模型構建模組100根據二維UV平面與CAD三維曲面模型的轉換關係，利用上述三角形陣列得到三角網格化的CAD三維曲面模型。如前所述，每個三維空間的圖形都可以映射到二維空間而轉換成二維圖形。相反地，二維空間的圖形也可以映射的三維空間而轉換成三維圖形。由於該二維UV平面是由CAD三維曲面模型轉換而來，因此，根據對該二維UV平面劃分得到的三角形陣列就可以得到三角網格化的CAD三維曲面模型。步驟S18之後，進入圖3C所示流程。

在圖3C的步驟S19中，第一取點模組101在三角網格化的CAD三維曲面模型上選擇一點，得到其所在三角形的向量，並將所選擇的點及其所在三角形的向量加入到一個第二點陣列中。其中，該第二點陣列中的點可以稱為圖形點。

步驟S20，第一取點模組101以所選擇的點為中心，以N*N個單位為邊長構建立方體區域。本實施例中，所述N為3個單位，其中，每個單位的長度與UV方格的邊長相同。

步驟S21，第一取點模組101在所述立方體區域內的三角形中尋找一個中心點與所選擇的點的距離大於預設距離值，及向量與所選擇的點所在三角形的向量形成的夾角小於預設角度的三角形。

步驟S22，第一取點模組101判斷在所述立方體區域中是否存在這樣的三角形。若不存在這樣的三角形，則步驟S23中，以N+1取代N，並返回步驟S20中重新構建立方體區域。其中，若N為3個單位，則N+1為4個單位。否則，若存在這樣的三角形，則從中選擇其中一個三角形，並執行步驟S24。

步驟S24，第一取點模組101計算該三角形的中心點與所選擇的點之間的線段與CAD三維曲面之間的最短距離。

步驟S25，第一取點模組101判斷所述最短距離是否小於預設的公差值。若所述最短距離小於預設的公差值，則表示量測機台2在待量測產品3上取點時可能發生碰撞，因此，該三角形的中心點不符合要求，流程返回步驟S23及S24，以N+1取代N重新構建立方體區域。若所述最短距離大於或者等於預設的公差值，則執行步驟S26。

在步驟S26中，第一取點模組101將該三角形的中心點及向量加入到所述第二點陣列中。

步驟S27，第一取點模組101判斷所述第二點陣列中包括的點的個數是否達到一個預設的值。若沒有達到，則步驟S28中，用該三角形的中心點取代上述所選擇的點，並返回上述的步驟S20。若已經達到預設的值，則進入圖3D所示流程。

在圖3D的步驟S29中，第二取點模組102根據第二點陣列中的點、CAD三維曲面模型的邊界線及一個預設的安全面，生成一個I++程式。所述安全面是指量測機台2的探針在待量測產品3上取一個點之後需要返回的位置。所述I++程式能夠使量測機台2在待量測產品3上取點時的運動圓滑，移動距離最短。圖5演示了一個I++程式的示例。在該I++程式中，欄位PtMeas後面的資料代表第二點陣列中的點的座標及其對應的三角形向量，欄位GoTo後面的資料是根據所述CAD三維曲面模型的邊界線及預設的安全面加入的接近點、回彈點、空點等的座標。

步驟S30，第二取點模組102利用所述I++程式控制量測機台2在待量測產品3所述曲面上取點，以得到與位於CAD三維曲面模型上的第二點陣列中各個點，即圖形點相對應的實際點。

步驟S31，對齊模組103將所述實際點與圖形點執行對齊操作，得到能夠使兩者對齊的旋轉矩陣。

步驟S32，座標系建立模組104根據上述旋轉矩陣在待量測產品3所述曲面上建立座標系。應該瞭解，座標系用數學公式的方式表示時就是一個矩陣，因此，根據該旋轉矩陣就可以建立曲面座標系。

最後應說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或等同替換，而不脫離本發明技術方案的精神和範圍。

1．．．計算設備

2．．．量測機台

3．．．待量測產品

10．．．曲面座標系建立系統

11．．．儲存設備

12．．．處理器

13．．．顯示設備

100．．．模型構建模組

101．．．第一取點模組

102．．．第二取點模組

103．．．對齊模組

104．．．座標系建立模組

圖1係本發明曲面座標系建立系統較佳實施例的運行環境示意圖。

圖2係圖1中曲面座標系建立系統較佳實施例的功能模組圖。

圖3A至3D係本發明曲面座標系建立方法較佳實施例的流程圖。

圖4演示了一個二維UV平面。

圖5演示了一個I++程式。

10．．．曲面座標系建立系統

100．．．模型構建模組

101．．．第一取點模組

102．．．第二取點模組

103．．．對齊模組

104．．．座標系建立模組

Claims (10)

1. 一種曲面座標系建立方法，運行於計算設備中，包括：
   （a）得到待測產品某一曲面的三角網格化的CAD三維曲面模型；
   （b）在上述三角網格化的CAD三維曲面模型上獲取若干圖形點；
   （c）在待測產品所述曲面上獲取與上述圖形點相對應的若干實際點；
   （d）將所述圖形點與實際點執行對齊操作，得到能夠使兩者對齊的旋轉矩陣；及
   （e）根據上述旋轉矩陣在待量測產品所述曲面上建立座標系。
2. 如申請專利範圍第1項所述之曲面座標系建立方法，其中，所述步驟（a）包括：
   （a1）將待測產品所述曲面的CAD三維曲面模型轉換為二維UV平面；
   （a2）計算上述二維UV平面的邊界線與U、V方向等距分割線的交點；
   (a3) 依次獲取由U、V方向等距分割線所形成的UV方格；
   (a4) 當所獲取的UV方格內不包含任何一個所述交點時，將該UV方格劃分成兩個三角形；及
   (a5) 將該兩個三角形加入到一個三角形陣列中，根據該三角形陣列得到所述三角網格化的CAD三維曲面模型。
3. 如申請專利範圍第2項所述之曲面座標系建立方法，其中，所述步驟（a）還包括：
   (a6) 當所獲取的UV方格內包含至少一個所述交點時，獲取該UV方格的四個方格點、二維UV平面的邊界線與該UV方格的交點，以及包含在該UV方格內的邊界線上的邊界點；
   (a7) 剔除位於二維UV平面的邊界線以外的方格點，並將剩餘的方格點、所述邊界線與該UV方格的交點、包含在該UV方格內的邊界線上的邊界點加入到一個第一點陣列中；
   (a8) 依次從上述第一點陣列中選擇一個點作為第一點；
   (a9) 從上述第一點陣列中查找與第一點距離最近的點作為第二點；
   (a10) 從上述第一點陣列中選擇一個點作為第三點，並根據該第一點、第二點及第三點構建一個三角形；
   (a11) 當上述構建的三角形的外接圓內包含第一點陣列中的任意一點時，返回步驟（a10）；
   (a12) 及當外接圓內不包含第一點陣列中的點時，將該構建的三角形加入到所述三角形陣列中；
   (a13)返回步驟（a8）直至所述第一點陣列中所有點都已經被選擇作為第一點。
4. 如申請專利範圍第2項所述之曲面座標系建立方法，其中，步驟（a1）之前該方法還包括：
   從一個儲存設備中匯入待量測產品所述曲面的CAD檔，並根據該CAD檔繪製所述CAD三維曲面模型，其中，所述CAD檔包括所述曲面的控制點、權重及節點。
5. 如申請專利範圍第1項所述之曲面座標系建立方法，其中，步驟（b）包括：
   （b1）在三角網格化的CAD三維曲面模型上選擇一點，得到其所在三角形的向量，並將所選擇的點及其所在三角形的向量加入到一個第二點陣列中，其中，該第二點陣列中的點即為所述圖形點；
   （b2）以所選擇的點為中心，以N*N個單位為邊長構建立方體區域;
   （b3）在所述立方體區域內的三角形中尋找一個中心點與所選擇的點的距離大於預設距離值，及向量與所選擇的點所在三角形的向量形成的夾角小於預設角度的三角形;
   （b4）當存在步驟（b3）所述三角形時，計算該三角形的中心點與所選擇的點之間的線段與CAD三維曲面之間的最短距離；
   （b5）當不存在步驟（b3）所述三角形或者即使存在步驟（b3）所述三角形但所述最短距離小於一個預設的公差值時，以N+1取代N，並返回步驟（b2）;
   （b6）當所述最短距離大於或者等於所述預設的公差值時，將該三角形的中心點及向量加入到所述第二點陣列中；及
   （b7）利用該三角形的中心點取代上述所選擇的點，並返回步驟（b2），直至所述第二點陣列中點的個數達到一個預設的值。
6. 如申請專利範圍第5項所述之曲面座標系建立方法，其中，步驟（c）包括：
   根據上述第二點陣列中的點、CAD三維曲面模型的邊界線及一個預設的安全面，生成一個I++程式，該I++程式中包括上述第二點陣列中的點的座標及其對應的三角形向量，以及根據所述CAD三維曲面模型的邊界線及預設的安全面加入的接近點、回彈點、空點的座標；及
   利用所述I++程式控制量測機台在待量測產品所述曲面上獲取所述實際點。
7. 一種曲面座標系建立系統，運行於計算設備中，包括：
   模型構建模組：用於得到待測產品某一曲面的三角網格化的CAD三維曲面模型；
   第一取點模組：用於在上述三角網格化的CAD三維曲面模型上獲取若干圖形點；
   第二取點模組：用於在待測產品所述曲面上獲取與上述圖形點相對應的若干實際點；
   對齊模組：用於將所述圖形點與實際點執行對齊操作，得到能夠使兩者對齊的旋轉矩陣；及
   座標系建立模組：用於根據上述旋轉矩陣在待量測產品所述曲面上建立座標系。
8. 如申請專利範圍第7項所述之曲面座標系建立系統，其中，所述模型構建模組透過如下方法得到待測產品某一曲面的三角網格化的CAD三維曲面模型：
   （a1）將待測產品所述曲面的CAD三維曲面模型轉換為二維UV平面；
   （a2）計算上述二維UV平面的邊界線與U、V方向等距分割線的交點；
   (a3) 依次獲取由U、V方向等距分割線所形成的UV方格；
   (a4) 當所獲取的UV方格內不包含任何一個所述交點時，將該UV方格劃分成兩個三角形；
   (a5) 將該兩個三角形加入到一個三角形陣列中，根據該三角形陣列得到所述三角網格化的CAD三維曲面模型；
   (a6) 當所獲取的UV方格內包含至少一個所述交點時，獲取該UV方格的四個方格點、二維UV平面的邊界線與該UV方格的交點，以及包含在該UV方格內的邊界線上的邊界點；
   (a7) 剔除位於二維UV平面的邊界線以外的方格點，並將剩餘的方格點、以及所述邊界線與該UV方格的交點、包含在該UV方格內的邊界線上的邊界點加入到一個第一點陣列中；
   (a8) 依次從上述第一點陣列中選擇一個點作為第一點；
   (a9) 從上述第一點陣列中查找與第一點距離最近的點作為第二點；
   (a10) 從上述第一點陣列中選擇一個點作為第三點，並根據該第一點、第二點及第三點構建一個三角形；
   (a11) 當上述構建的三角形的外接圓內包含第一點陣列中的任意一點時，返回步驟（a10）；
   (a12) 及當外接圓內不包含第一點陣列中的點時，將該構建的三角形加入到所述三角形陣列中；
   (a13)返回步驟（a8）直至所述第一點陣列中所有點都已經被選擇作為第一點。
9. 如申請專利範圍第7項所述之曲面座標系建立系統，其中，所述第一取點模組透過如下方法獲取若干第一點：
   （b1）在三角網格化的CAD三維曲面模型上選擇一點，得到其所在三角形的向量，並將所選擇的點及其所在三角形的向量加入到一個第二點陣列中，其中，該第二點陣列中的點即為所述圖形點；
   （b2）以所選擇的點為中心，以N*N個單位為邊長構建立方體區域;
   （b3）在所述立方體區域內的三角形中尋找一個中心點與所選擇的點的距離大於預設距離值，及向量與所選擇的點所在三角形的向量形成的夾角小於預設角度的三角形;
   （b4）當存在步驟（b3）所述三角形時，計算該三角形的中心點與所選擇的點之間的線段與CAD三維曲面之間的最短距離；
   （b5）當不存在步驟（b3）所述三角形或者即使存在步驟（b3）所述三角形但所述最短距離小於一個預設的公差值時，以N+1取代N，並返回步驟（b2）;
   （b6）當所述最短距離大於或者等於所述預設的公差值時，將該三角形的中心點及向量加入到所述第二點陣列中；及
   （b7）利用該三角形的中心點取代上述所選擇的點，並返回步驟（b2），直至所述第二點陣列中點的個數達到一個預設的值。
10. 如申請專利範圍第9項所述之曲面座標系建立系統，其中，所述第二取點模組透過如下方法獲取所述若干第二點：
    根據上述第二點陣列中的點、CAD三維曲面模型的邊界線及一個預設的安全面，生成一個I++程式，該I++程式中包括上述第二點陣列中的點的座標及其對應的三角形向量，以及根據所述CAD三維曲面模型的邊界線及預設的安全面加入的接近點、回彈點、空點的座標；及
    利用所述I++程式控制量測機台在待量測產品所述曲面上獲取所述實際點。