TW201349173A - 三次元編程產品類比系統及方法 - Google Patents

Abstract

一種三次元編程產品類比系統及方法，該方法包括：三角網格化處理產品的三維模型，輸出三角形佇列；歸一化佇列中各三角形的頂點，得到歸一化座標系中的產品三角網格化模型；根據歸一化座標系與產品的二維圖像座標系間的縮放比例，將歸一化座標系中的產品三角網格化模型投影到二維圖像座標系上，以剖分產品二維圖像，得到剖分後產品二維圖像的三角形佇列；遍曆剖分後產品二維圖像的三角形佇列，獲取各三角形的圖元集，並根據各三角形在二維圖像座標系中的座標和圖元集對上述三角網格化後的三維模型進行貼片；及顯示貼片後的三維模型。

Description

三次元編程產品類比系統及方法

本發明涉及一種三次元編程系統及方法，尤其涉及一種三次元編程過程中的產品類比系統及方法。

三維建模，作為現實世界中實體的仿真，能夠真實的反映物體在真實世界中的三維資訊，因此被廣泛應用於工業產品建模、醫學診斷、軍事、雕刻等各個領域。隨著三維建模應用的普及，對建模的逼真程度要求也越來越高，簡單的大小形狀的吻合已經不能夠滿足日益增長的需求。因此，如何真實的仿真物體的外觀材質，使其更加的逼近現實，已經成為三維量測領域一直不屑追求的目標。

在目前的三維量測編程系統中，諸如CAD編程、線上編程、路徑仿真等量測系統，建立的都僅僅只是一個虛擬的模型，並不能夠全面的反映物體表面的材質等真實資訊，特別是在影像編程中，由於物體材質的不同造成反光度的差異，使得量測結果與實際存在的差異較大，這也是目前量測編程平臺市場上產品存在的不足。

鑒於以上內容，有必要提供一種三次元編程產品類比系統及方法，使得類比出的產品模型更加逼真。

所述三次元編程產品類比系統運行於電子裝置中。該系統包括：三角網格化模組，用於根據產品的三維模型資訊對該產品的三維模型進行三角網格化處理，並輸出三角網格化後的三角形佇列；歸一化模組，用於歸一化該三角形佇列中各三角形的頂點，得到一個歸一化座標系中的產品三角網格化模型；剖分模組，用於根據該歸一化座標系與所述產品的二維圖像座標系間的縮放比例，將所述歸一化座標系中的產品三角網格化模型投影到該二維圖像座標系上，以剖分該二維圖像座標系中的產品二維圖像，並得到剖分後產品二維圖像的三角形佇列；貼片模組，用於遍曆該剖分後產品二維圖像的三角形佇列，獲取每個三角形的圖元集，並根據各三角形在二維圖像座標系中的座標和圖元集對所述三角網格化後的三維模型進行貼片；及輸出模組，用於輸出並顯示貼片後的三維模型。

所述三次元編程產品類比方法應用於電子裝置中。該方法包括：三角網格化步驟，根據產品的三維模型資訊對該產品的三維模型進行三角網格化處理，輸出三角網格化後的三角形佇列；歸一化步驟，歸一化該三角形佇列中各三角形的頂點，得到一個歸一化座標系中的產品三角網格化模型；剖分步驟，根據該歸一化座標系與所述產品的二維圖像座標系間的縮放比例，將所述歸一化座標系中的產品三角網格化模型投影到該二維圖像座標系上，以剖分該二維圖像座標系中的產品二維圖像，並得到剖分後產品二維圖像的三角形佇列；貼片步驟，遍曆該剖分後產品二維圖像的三角形佇列，獲取每個三角形的圖元集，並根據各三角形在二維圖像座標系中的座標和圖元集對所述三角網格化後的三維模型進行貼片；及輸出步驟，輸出並顯示貼片後的三維模型。

相較於習知技術，所述的三次元編程類比系統及方法，採用影像離線編程技術，結合曲面三角網格化建立產品的三維模型，透過對三角形貼片處理使得產品的三維模型與其表面的外觀材質等資訊完美的結合起來，從而使得建立的模型更加的逼真，且通用性強，例如，所採用的曲面參數空間三角網格化技術，可對任何形狀、任意類型的物體進行仿真，即便是複雜的曲面也能進行真實的逼近模擬。

如圖1所示，係本發明較佳實施例中的三次元編程產品類比系統的運行環境示意圖。該三次元編程產品類比系統10安裝並運行於一台電子裝置1中。該電子裝置1還可以與對產品進行影像測量的影像測量機台（圖中未示出）相連接。該電子裝置1還包括儲存設備12、至少一個處理器14及顯示設備16。該電子裝置1可以為電腦或其他任何具有資料處理功能的裝置。

儲存設備12用於儲存產品的三維模型資訊及三次元編程產品類比系統10的電腦化程式碼。儲存設備12可以為電子裝置1內置的記憶體，也可以為電子裝置1外接的記憶體。

處理器14可透過執行相關軟體對影像測量機台（圖中未示出）量測產品所得的點雲資料進行離線編程，並根據編程得到的程式控制三次元機台量測其他相同產品。在編程前，該處理器14執行三次元編程產品類比系統10的電腦化程式碼，利用所述點雲資料對產品進行類比。

顯示設備16用於顯示產品的三維模型及類比後的產品真實圖形。

在本實施例中，所述三次元編程產品類比系統10以軟體程式或指令的形式安裝在該儲存設備12中，並由處理器14執行。該三次元編程產品類比系統10包括三角網格化模組100、歸一化模組102、剖分模組104、貼片模組106及輸出模組108。本發明所稱的模組是完成一特定功能的電腦程式段，比程式更適合於描述軟體在電腦中的執行過程，因此在本發明以下對軟體描述都以模組描述。

所述三角網格化模組100用於根據產品的三維模型資訊對該產品的三維模型進行三角網格化處理，並輸出三角網格化後的三角形佇列。該三角網格化方法將在圖3和圖4中進行詳細描述。

所述歸一化模組102用於歸一化該三角形佇列中各三角形的頂點，得到一個歸一化座標系中的產品三角網格化模型。具體歸一化流程將在圖5中進行詳細描述。其中，所述歸一化座標系是根據產品的三維模型按一定縮放比例建立，該產品的三維模型反映的是產品的真實尺寸。

所述剖分模組104用於根據該歸一化座標系與所述產品的二維圖像座標系間的縮放比例，將所述歸一化座標系中的產品三角網格化模型投影到該二維圖像座標系上，以實現剖分該二維圖像座標系中的產品二維圖像，並得到剖分後產品二維圖像的三角形佇列。

本實施例中，所述二維圖像座標系指所述產品的圖像所在的二維座標系，其可根據產品的真實尺寸按一定的縮放比例建立而成。所述剖分產品二維圖像實質是根據歸一化座標系中的產品三角網格化模型，將該產品二維圖像剖分成很多個細小三角形，其中，該很多個細小三角形的數目等於所述產品三角網格化模型中三角形的數目。具體剖分方法詳如圖6所述。

所述貼片模組106用於遍曆該剖分後產品二維圖像的三角形佇列，獲取該三角形佇列中每個三角形的圖元集，並根據各三角形在二維圖像座標系中的座標和圖元集對所述三角網格化後的三維模型進行貼片，使得該三維模型與產品的真實形狀及材質逼近。

本實施例中，由於所述二維圖像為產品照片示意的圖像，因此，獲取每個三角形的圖元實則是獲取產品照片中每個細小三角形的顏色灰度值。

所述輸出模組108用於輸出並顯示貼片後的三維模型。

如圖2所示，係本發明較佳實施例中的三次元編程產品類比方法的作業流程圖。

步驟S1，三角網格化模組100根據產品的三維模型資訊對該產品的三維模型進行三角網格化處理，並輸出三角網格化後的三角形佇列。該三角網格化方法將在圖3和圖4中進行詳細描述。

步驟S3，歸一化模組102歸一化該三角形佇列中各三角形的頂點，得到一個歸一化座標系中的產品三角網格化模型。具體歸一化流程將在圖5中進行詳細描述。

步驟S5，剖分模組104根據該歸一化座標系與所述產品的二維圖像座標系間的縮放比例，將所述歸一化座標系中的產品三角網格化模型投影到該二維圖像座標系上，以實現剖分該二維圖像座標系中的產品二維圖像，並得到剖分後產品二維圖像的三角形佇列。

其中，所述剖分產品二維圖像實質是根據歸一化座標系中的產品三角網格化模型，將該產品二維圖像剖分成多個三角形，該多個三角形的數目等於所述產品三角網格化模型中三角形的數目。具體剖分方法詳如圖6所述。

步驟S7，所述貼片模組106遍曆該剖分後產品二維圖像的三角形佇列，獲取該三角形佇列中每個三角形的圖元集。在本實施例中，由於所述二維圖像為產品照片中示意的圖像，因此，獲取每個三角形的圖元實則是獲取產品照片中每個細小三角形的顏色灰度值。

步驟S9，根據各三角形在二維圖像座標系中的座標和圖元集對所述三角網格化後的三維模型進行貼片。

具體而言，所述貼片模組106根據二維圖像座標系中各三角形頂點的座標，從所述三角網格化後的三維模型中找到對應的頂點，並利用該二維圖像座標系中各三角形的圖元集，對所述三角網格化後的三維模型中相應三角形進行貼片處理，如將所述二維圖像座標系中的各三角形剪切下來，貼到所述三角網格化後的三維模型中。在貼片過程中，會考慮各三角形的頂點座標位置，即從所述二維圖像座標系中剪切下來的三角形，需按照合適的比例貼到所述三維模型的相應位置處，使得該產品的三維模型與產品的真實形狀及材質逼近。

步驟S11，輸出模組108輸出該貼片後的三維模型，並將該三維模型顯示在所述顯示設備16上。如圖7所示，貼片處理後的產品與其真實形狀更逼近，能夠顯示出該產品的顏色及產品上的紋路。

如圖3所示，係圖2步驟S1中對產品的三維模型進行三角形網格化處理的具體流程圖。

步驟S100，三角網格化模組100檢查所述產品的三維模型是否由三角面片組成。如果是由三角面片組成，則直接進入步驟S110。如果所述產品的三維模型不是由三角面片組成，則執行步驟S102。

步驟S102，轉換三維圖形為B樣條曲面，得到該B樣條曲面參數平面的邊界線，並用水平直線及垂直直線將該B樣條曲面參數平面做等距切分得到多個包圍盒。圖4以一個圓球為例表示所述產品，三角網格化模組100用多條水平直線和垂直直線作為切分線（以下簡稱為“等距切分線”），在U方向和V方向做等距切分，得到圖4所示的多個UV方格及等距切分線與邊界線相交所形成的三角形。

步驟S104，將與邊界線沒有交點的包圍盒(如圖4所示的UV方格)的四個頂點按照逆時針原則連接成兩個三角形。

步驟S106，將所述水平直線(U切分線)或垂直直線(V切分線)與邊界線的交點、邊界線上的邊界點及所有包圍盒(UV方格)的頂點加入一個2D佇列中。

步驟S108，在該2D佇列中查找與點P1最近的點P2及構成邊P1P2的最大邊對角的點P3，依據P1、P2、P3構成的三角形的外接圓內沒有點的原則，依次完成三角形的連接。

步驟S110，輸出所述產品的三維模型上所有三角形組成的三角形佇列T。

如圖5所示，係圖2步驟S3中歸一化三角形佇列中各三角形的頂點的具體流程圖。

步驟S300，所述歸一化模組102建立一個歸一化座標系，該歸一化座標系為一個二維座標系，由橫軸U和縱軸V構成。

步驟S302，該歸一化模組102將所述三角網格化後的三角形佇列中各三角形的頂點映射到該歸一化座標系中。

步驟S304，獲取該歸一化座標系中的產品三角網格化模型。

步驟S306，獲取該產品三角網格化模型中各三角形的頂點座標。

如圖6所示，是圖2步驟S5中將所述歸一化座標系中的產品三角網格化模型投影到該二維圖像座標系上，以剖分該二維圖像座標系中的產品二維圖像。

步驟S500，所述剖分模組104根據該歸一化座標系與所述產品的二維圖像座標系間的縮放比例，建立座標系轉換關係。

具體而言，由於所述二維圖像座標系是根據產品的真實尺寸按一定的縮放比例建立，所述歸一化座標系是根據產品的三維模型按一定縮放比例建立，且該產品的三維模型反映的是產品的真實尺寸，因此，該二維圖像座標系和歸一化座標系的縮放比例是已知的，根據該兩個座標系的縮放比例即可以得出所述二維圖像座標系與歸一化座標系之間的比例關係。

步驟S502，所述剖分模組104根據所述座標系轉換關係將所述歸一化座標系中產品三角網格化模型的各三角形頂點投影到所述二維圖像座標系中的產品二維圖像上。

步驟S504，所述剖分模組104利用投影後的各三角形頂點將該產品二維圖像劃分成多個三角形，該多個三角形的數目等於所述產品三角網格化模型中三角形的數目。

步驟S506，所述剖分模組104獲取該剖分後產品二維圖像的三角形佇列。

最後所應說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管參照以上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．．．電子裝置

10．．．三次元編程產品類比系統

12．．．儲存設備

14．．．處理器

16．．．顯示設備

100．．．三角網格化模組

102．．．歸一化模組

104．．．剖分模組

106．．．貼片模組

108．．．輸出模組

圖1係本發明較佳實施例中的三次元編程產品類比系統的運行環境示意圖。

圖2係本發明較佳實施例中的三次元編程產品類比方法的作業流程圖。

圖3係圖2步驟S1中對產品的三維模型進行三角形網格化處理的具體流程圖。

圖4係本發明三角網格化的示意圖。

圖5係圖2步驟S3中歸一化三角形佇列中各三角形的頂點的具體流程圖。

圖6係圖2步驟S5中將所述歸一化座標系中的產品三角網格化模型投影到該二維圖像座標系上，以剖分該二維圖像座標系中的產品二維圖像的具體流程圖。

圖7舉例說明產品貼片後的三維模型。

1．．．電子裝置

10．．．三次元編程產品類比系統

12．．．儲存設備

14．．．處理器

16．．．顯示設備

100．．．三角網格化模組

102．．．歸一化模組

104．．．剖分模組

106．．．貼片模組

108．．．輸出模組

Claims (10)

1. 一種三次元編程產品類比方法，應用於電子裝置中，該方法包括：
   三角網格化步驟，根據產品的三維模型資訊對該產品的三維模型進行三角網格化處理，輸出三角網格化後的三角形佇列；
   歸一化步驟，歸一化該三角形佇列中各三角形的頂點，得到一個歸一化座標系中的產品三角網格化模型；
   剖分步驟，根據該歸一化座標系與所述產品的二維圖像座標系間的縮放比例，將所述歸一化座標系中的產品三角網格化模型投影到該二維圖像座標系上，以剖分該二維圖像座標系中的產品二維圖像，並得到剖分後產品二維圖像的三角形佇列；
   貼片步驟，遍曆該剖分後產品二維圖像的三角形佇列，獲取每個三角形的圖元集，並根據各三角形在二維圖像座標系中的座標和圖元集對所述三角網格化後的三維模型進行貼片；及
   輸出步驟，輸出並顯示貼片後的三維模型。
2. 如申請專利範圍第1項所述之三次元編程產品類比方法，其中所述對產品的三維模型進行三角網格化處理包括：
   檢查所述產品的三維模型是否由三角面片組成，如果是由三角面片組成，則流程直接進入輸出三維模型上所有三角形組成的三角形佇列T的步驟；
   如果所述產品的三維模型不是由三角面片組成，則轉換三維圖形為B樣條曲面，得到該B樣條曲面參數平面的邊界線，並用水平直線及垂直直線將該B樣條曲面參數平面做等距切分得到多個包圍盒；
   將與邊界線沒有交點的包圍盒的四個頂點按照逆時針原則連接成兩個三角形；
   將所述水平直線或垂直直線與邊界線的交點、邊界線上的邊界點及所有包圍盒的頂點加入一個2D佇列中；
   在該2D佇列中查找與點P1最近的點P2及構成邊P1P2的最大邊對角的點P3，依據P1、P2、P3構成的三角形的外接圓內沒有點的原則，依次完成三角形的連接；及
   輸出所述產品的三維模型上所有三角形組成的三角形佇列T。
3. 如申請專利範圍第1項所述之三次元編程產品類比方法，其中所述歸一化步驟包括：
   建立一個二維座標系，該二維座標系即所述歸一化座標系；
   將所述三角網格化後的三角形佇列中各三角形的頂點映射到該歸一化座標系中；
   獲取該歸一化座標系中的產品三角網格化模型；及
   獲取該產品三角網格化模型中各三角形的頂點座標。
4. 如申請專利範圍第1項所述之三次元編程產品類比方法，其中所述剖分步驟包括：
   根據該歸一化座標系與所述產品的二維圖像座標系間的縮放比例，建立座標系轉換關係；
   根據該座標系轉換關係將所述歸一化座標系中產品三角網格化模型的各三角形頂點投影到所述二維圖像座標系中的產品二維圖像上；
   利用投影後的各三角形頂點將該產品二維圖像劃分成多個三角形，其中，該三角形的數目等於所述產品三角網格化模型中三角形的數目；及
   獲取該剖分後產品二維圖像的三角形佇列。
5. 如申請專利範圍第1項所述之三次元編程產品類比方法，其中所述根據各三角形在二維圖像座標系中的座標和圖元集對所述三角網格化後的三維模型進行貼片是指：
   根據二維圖像座標系中各三角形頂點的座標，從所述三角網格化後的三維模型中找到對應的頂點；
   利用該二維圖像座標系中各三角形的圖元集，對所述三角網格化後的三維模型中相應三角形進行貼片處理。
6. 一種三次元編程產品類比系統，運行於電子裝置中，該系統包括：
   三角網格化模組，用於根據產品的三維模型資訊對該產品的三維模型進行三角網格化處理，並輸出三角網格化後的三角形佇列；
   歸一化模組，用於歸一化該三角形佇列中各三角形的頂點，得到一個歸一化座標系中的產品三角網格化模型；
   剖分模組，用於根據該歸一化座標系與所述產品的二維圖像座標系間的縮放比例，將所述歸一化座標系中的產品三角網格化模型投影到該二維圖像座標系上，以剖分該二維圖像座標系中的產品二維圖像，並得到剖分後產品二維圖像的三角形佇列；
   貼片模組，用於遍曆該剖分後產品二維圖像的三角形佇列，獲取每個三角形的圖元集，並根據各三角形在二維圖像座標系中的座標和圖元集對所述三角網格化後的三維模型進行貼片；及
   輸出模組，用於輸出並顯示貼片後的三維模型。
7. 如申請專利範圍第6項所述之三次元編程產品類比系統，其中所述三角網格化模組對產品的三維模型進行三角網格化處理包括：
   檢查所述產品的三維模型是否由三角面片組成，如果是由三角面片組成，則流程直接進入輸出三維模型上所有三角形組成的三角形佇列T的步驟；
   如果所述產品的三維模型不是由三角面片組成，則轉換三維圖形為B樣條曲面，得到該B樣條曲面參數平面的邊界線，並用水平直線及垂直直線將該B樣條曲面參數平面做等距切分得到多個包圍盒；
   將與邊界線沒有交點的包圍盒的四個頂點按照逆時針原則連接成兩個三角形；
   將所述水平直線或垂直直線與邊界線的交點、邊界線上的邊界點及所有包圍盒的頂點加入一個2D佇列中；
   在該2D佇列中查找與點P1最近的點P2及構成邊P1P2的最大邊對角的點P3，依據P1、P2、P3構成的三角形的外接圓內沒有點的原則，依次完成三角形的連接；及
   輸出所述產品的三維模型上所有三角形組成的三角形佇列T。
8. 如申請專利範圍第6項所述之三次元編程產品類比系統，其中所述歸一化模組歸一化該三角形佇列中各三角形的頂點包括：
   建立一個二維座標系，該二維座標系即所述歸一化座標系；
   將所述三角網格化後的三角形佇列中各三角形的頂點映射到該歸一化座標系中；
   獲取該歸一化座標系中的產品三角網格化模型；及
   獲取該產品三角網格化模型中各三角形的頂點座標。
9. 如申請專利範圍第6項所述之三次元編程產品類比系統，其中所述剖分模組將所述歸一化座標系中的產品三角網格化模型投影到該二維圖像座標系上，以剖分該二維圖像座標系中的產品二維圖像包括：
   將所述歸一化座標系中產品三角網格化模型的各三角形頂點投影到所述二維圖像座標系中的產品二維圖像上；及
   利用投影後的各三角形頂點將該產品二維圖像劃分成多個三角形，其中，該三角形的數目等於所述產品三角網格化模型中三角形的數目。
10. 如申請專利範圍第6項所述之三次元編程產品類比系統，其中所述貼片模組根據各三角形在二維圖像座標系中的座標和圖元集對所述三角網格化後的三維模型進行貼片是指：
    根據二維圖像座標系中各三角形頂點的座標，從所述三角網格化後的三維模型中找到對應的頂點；
    利用該二維圖像座標系中各三角形的圖元集，對所述三角網格化後的三維模型中相應三角形進行貼片處理。