TW201518957A - 三維量測模擬系統及方法 - Google Patents

Abstract

一種三維量測模擬系統及方法，包括構建測針模型與虛擬操縱按鈕的構建模組；獲取三維點雲的獲取模組；對三維點雲進行三角網格化處理的網格化模組；導入測針模型、虛擬操縱按鈕以及網格化點雲的導入模組；根據虛擬操縱按鈕所觸發的移動指令控制測針模型進行相應移動到網格化點雲上的控制模組；計算測頭在網格化點雲上的初始取點座標的計算模組；所述的控制模組還用於在測針模型重新移動到的任意一點的座標與所述初始取點座標構建量測路徑，控制測針模型在該量測路徑進行模擬運動。本發明可以準確快速地對待測產品的三維量測進行模擬。

Description

三維量測模擬系統及方法

本發明涉及一種量測系統及方法，尤其涉及一種三維量測模擬系統及方法。

三維量測機在執行自動量測時，需要編寫其量測路徑及程式以對待測產品進行量測。傳統方法一般透過電腦輔助設計（computer Aided Design，CAD）編程，在CAD圖檔上用滑鼠取點，上述操作方式與CAD圖檔僅是理論檔案，其與實際產品還是有差異的。另外，在CAD上用滑鼠取點可能取到背面的點而產生計算錯誤。因此，利用該傳統方法得到的初始取點座標對待測產品進行量測容易導致量測結果不夠準確，也無法有效地避免在實際測量過程中由於資料的不準確性而存在的安全隱患，例如測針碰撞到產品而引起的安全隱患。

鑒於以上內容，有必要提出一種三維量測模擬系統及方法，其利用虛擬操縱按鈕與測針模型對待測產品的點雲進行精確快速地模擬取點，並控制測針模型進行模擬運動且自動輸出碰撞點程式，避免安全隱患。

所述三維量測模擬系統運行於電腦中。該系統包括：構建模組，用於構建一個測針模型與操控該測針模型的虛擬操縱按鈕；獲取模組，用於從電腦的儲存裝置中獲取一個待測產品的三維點雲；網格化模組，用於根據預設的網格化方法對所述三維點雲進行三角網格化處理，得到網格化後的點雲；導入模組，用於導入所構建的測針模型、虛擬操縱按鈕以及網格化後的點雲並顯示於電腦的顯示裝置上；控制模組，用於接收點擊虛擬操縱按鈕所觸發的移動指令，並控制測針模型在顯示裝置上進行相應方向的移動，使得測針模型的測頭移動到網格化後的點雲上；計算模組，用於計算當測針模型的測頭移動到網格化點雲上時，計算測頭在網格化點雲上的初始取點座標；所述的控制模組，還用於根據所接收的移動指令控制測針模型重新移動到顯示裝置上任意一點，並在該點的座標與所述初始取點座標之間構建一條量測路徑，控制測針模型在該量測路徑進行模擬運動。

所述三維量測模擬方法應用於電腦上。該方法包括：構建步驟：構建一個測針模型與操控該測針模型的虛擬操縱按鈕；獲取步驟：從電腦的儲存裝置中獲取一個待測產品的三維點雲；網格化步驟：根據預設的網格化方法對所述三維點雲進行三角網格化處理，得到網格化後的點雲；導入步驟：導入所構建的測針模型、虛擬操縱按鈕以及網格化後的點雲並顯示於電腦的顯示裝置上；控制步驟一：接收點擊虛擬操縱按鈕所觸發的移動指令，並控制測針模型在顯示裝置上進行相應方向的移動，使得測針模型的測頭移動到網格化後的點雲上；計算步驟：計算當測針模型的測頭移動到網格化點雲上時，計算測頭在網格化點雲上的初始取點座標；控制步驟二：根據所接收的移動指令控制測針模型重新移動到顯示裝置上任意一點，並在該點的座標與所述初始取點座標之間構建一條量測路徑，控制測針模型在該量測路徑進行模擬運動。

相較於習知技術，本發明所提供的三維量測模擬系統及方法，透過將待測產品的點雲進行網格化處理，使用戶在利用虛擬操縱按鈕控制測針模型在網格化後的點雲上更加方便直觀地取點，透過高精度的計算方法計算實際初始取點座標，避免計算到產品背面的點。並透過控制測針模型進行運動模擬，自動輸出測針模型的測頭與點雲有碰撞點的程式，自動判斷出在實際量測時可能存在碰點的安全隱患，使得實際三維量測時更加準確及安全。

圖1是本發明三維量測模擬系統較佳實施例的系統架構圖。

圖2是本發明三維量測模擬方法較佳實施例的流程圖。

圖3是本發明虛擬操縱按鈕控與測針模型的示意圖。

參閱圖1所示，是本發明三維量測模擬系統10較佳實施例的系統架構圖。該三維量測模擬系統10安裝於一台電腦1中。所述電腦1包括處理器11、儲存裝置12以及顯示裝置13。所述處理器11用於執行三維量測模擬系統10中的各功能模組。所述的儲存裝置12用於儲存電腦1的各類資料，例如待測產品的點雲。所述的顯示裝置13用於顯示電腦1的視覺化資料。

所述三維量測模擬系統10包括構建模組100、獲取模組101、網格化模組102、導入模組103、控制模組104、計算模組105以及輸出模組106。上述各功能模組100~106是完成特定功能的各個程式段，比軟體程式本身更適合於描述軟體在電腦設備，如電腦1中的執行過程，因此本發明對軟體程式的描述都以模組描述。關於各功能模組100-106將在圖2的流程圖中作具體描述。

圖2所示，是本發明三維量測模擬方法較佳實施例的流程圖。應該瞭解，本發明所述三維量測模擬方法並不限於圖2所示流程圖中的步驟及順序。根據不同的實施例，圖2所示流程圖中的步驟可以增加、移除、或者改變順序。

步驟S111，構建模組100構建一個測針模型與操控該測針模型的虛擬操縱按鈕。所述的測針模型是根據實際測針的形狀構建的三維模型。所述的虛擬操縱按鈕與所述的測針模型關聯，用於控制測針模型進行相應的移動。當點擊虛擬操縱按鈕上的相應圖示時，可以觸發對應的移動指令以控制測針模型進行相應方向地移動。

如圖3所示，圖3（a）是所述構建的測針模型，所述的測針模型包括測頭，用於進行模擬取點。圖3（b）是所述構建的虛擬操縱按鈕，該虛擬操作按鈕包括四個方向（上、下、左、右）的速度控制圖示，該速度控制圖示包括快速控制圖示與慢速控制圖示。在其他實施例中也可以任意多個方向。所述的快速控制圖示可以控制測針模型進行快速移動，所述的慢速控制圖示可以控制測針模型進行精確慢速地移動。所述虛擬操縱按鈕還包括移動示意圖標。若未利用所述的速度控制圖示控制測針模型進行移動時，該移動示意圖標以初始顏色顯示。若利用所述速度控制圖示控制測針模型進行移動時，該移動示意圖標以其他顏色顯示。實際應用中並不局限上如圖3所示的測針模型與虛擬操縱按鈕。

步驟S112，獲取模組101獲取待測產品的三維點雲，以及所述的網格化模組102對所述三維點雲進行快速高精度的三角網格化處理，得到網格化點雲。所述待測產品的三維點雲可以從儲存裝置12中獲取，也可以從其他可以掃描得到待測產品的三維點雲的裝置中獲取。

在本較佳實施例中，所述的網格化模組102採用點雲網格化後的三角形外接圓內沒有點與曲面局部曲率一致的原則，並透過包圍盒切割點雲快速找臨近點的方法，對三維點雲進行三角網格化。具體而言，所述三維點雲中的任意三個點進行連線組成三角形，所組成的三角形滿足兩個條件，條件一，該三角形的外接圓內不能包含其他點；條件二，該三角形的向量與臨近三角形的向量的夾角不能超過預設的曲率閥值（例如，90度）。組成三角形的方式如下：取三維點雲中任意一點為基準，找與該基準點距離最近的第二點，距離要小於預設的距離閥值，之後第一點與第二點連成線，找連線臨近的第三點，該三點連成的三角形外接圓中不包含點雲中的其他點（即除了組成三角形的三點之外的其他點）。當確定該三角形後，計算該三角形的向量與所有該三角形相鄰的三角形的向量的夾角，若所計算的夾角中有一個夾角大於預設的曲率閥值（例如，90度），則該三角形不合格，捨棄該三角形，然後重新尋找該三角形臨近的第三點，以此為邏輯，直到找到合適的第三點所組成的三角形。

需要說明的是，在其他較佳實施例中，由於三維點雲在進行三角網格化後有大量的三角形，為了簡化計算，可以精簡一些三角形，即將一些三角形去除，以簡化計算，提高運算效率。精簡的原則是，曲率大的三角形保留的多（例如，曲率為70度到90度的三角形，全部保留），曲率小的三角形保留的少（例如，曲率為0度到10度的三角形，隨機選擇保留百分之三十的三角形）。

步驟S113，導入模組103導入所構建的測針模型、虛擬操縱按鈕以及網格化點雲並顯示於顯示裝置13上。

步驟S114，控制模組104接收虛擬操縱按鈕上的移動指令，並控制測針模型在顯示裝置13上進行相應方向的移動，使得測針模型的測頭移動到網格化點雲上。在其他較佳實施例中，所述的控制模組104也可以根據用戶輸入的座標，控制測針模型的測頭根據該輸入的座標進行相應的移動。

步驟S115，在測針模型的測頭移動到網格化點雲上後，計算模組105計算所述測頭當前在網格化點雲上的初始取點座標。在本較佳實施例中，所述初始取點座標的計算方法為：以該測針模型的測頭相對於顯示裝置13上的法線作為射線；採用空間包圍盒演算法在該射線周圍找出與射線臨近的所有三角形，得到上述三角形中與所述射線的相交的所有交點，並根據法線方向最頂點僅有一個交點的原則，得到測頭在網格化點雲上的初始取點座標。所述的空間包圍盒演算法將射線臨近的網格化點雲切分成多個小包圍盒，在任意一個小包圍盒透過標號方法找到與所述射線臨近的所有三角形。

在本實施例中，由於法線有正方向和反方向，因此，射線與網格化點雲相交時有很多交點，依據待測產品最表面的點向外做射線找不到交點的原則，從所有交點篩選出網格化點雲最表面的頂點座標，即為該測頭在網格化點雲上的初始取點座標。

步驟S116，所述的控制模組104根據所接收的移動指令控制測針模型重新移動到顯示裝置13上任意一點，並在該點的座標與所述初始取點座標之間構建一條量測路徑，控制測針模型在該量測路徑進行模擬運動，並檢測所述測針模型在模擬運動時與網格化點雲是否有交點。所述構建的量測路徑可以透過直線連接所述當前座標與所述初始取點座標形成的。

在本較佳實施例中，所述測針模型的測頭在依所述構建的量測路徑上進行模擬運動時，所述的控制模組104根據預設的接近閥值（例如，2mm）與返回閥值，在量測路徑上的點（簡稱量測點）進行接近點模擬與返回點模擬，所述的接近點的座標等於所述量測點的座標與座標（0，0，接近閥值）的和，所述返回點的座標等於所述量測點的座標與座標（0，0，返回閥值）的差。透過量測路徑上各點對應的接近點與返回點可以形成三條路徑，所述的控制模組104透過判斷上述三條路徑是否與網格化點雲有交點來判斷測針模型在模擬運動時是否與網格化點雲有交點。當上述三條路徑中的任意一條路徑與網格化點雲有交點，則判斷測針模型在模擬運動時與網格化點雲有交點。當上述三條路徑與網格化點雲均沒有交點，則判斷測針模型在模擬運動時與網格化點雲沒有有交點。

步驟S117，當檢測到所述測針模型在量測路徑上的模擬運動與網格化點雲有交點時，輸出模組106停止測針模型的運動，並輸出預設格式的碰撞點程式。所述預設格式的碰撞點程式包括上述量測路徑的起點座標與終點座標，以及在該交點之前測針模型的測頭所經過的量測路徑上的點的座標，法向量。應說明的是，若所述測針模型在量測路徑上的模擬運動與網格化點雲沒有交點時，所述的控制模組104根據用戶的操作可以繼續下一個初始取點座標進行不同量測路徑的量測。

綜上所述，本發明符合發明專利要件，爰依法提出專利申請。惟，以上所述者僅爲本發明之較佳實施例，本發明之範圍並不以上述實施例爲限，舉凡熟悉本案技藝之人士爰依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。

1‧‧‧電腦

10‧‧‧三維量測模擬系統

11‧‧‧處理器

12‧‧‧儲存裝置

13‧‧‧顯示裝置

100‧‧‧構建模組

101‧‧‧獲取模組

102‧‧‧網格化模組

103‧‧‧導入模組

104‧‧‧控制模組

105‧‧‧計算模組

106‧‧‧輸出模組

無

1‧‧‧電腦

10‧‧‧三維量測模擬系統

11‧‧‧處理器

12‧‧‧儲存裝置

13‧‧‧顯示裝置

100‧‧‧構建模組

101‧‧‧獲取模組

102‧‧‧網格化模組

103‧‧‧導入模組

104‧‧‧控制模組

105‧‧‧計算模組

106‧‧‧輸出模組

Claims (10)

1. 一種三維量測模擬系統，運行於電腦中，該系統包括：
   構建模組，用於構建一個測針模型與操控該測針模型的虛擬操縱按鈕；
   獲取模組，用於從電腦的儲存裝置中獲取一個待測產品的三維點雲；
   網格化模組，用於根據預設的網格化方法對所述三維點雲進行三角網格化處理，得到網格化點雲；
   導入模組，用於導入所構建的測針模型、虛擬操縱按鈕以及網格化點雲並顯示於電腦的顯示裝置上；
   控制模組，用於接收點擊虛擬操縱按鈕所觸發的移動指令，並控制測針模型在顯示裝置上進行相應方向的移動，使得測針模型的測頭移動到網格化點雲上；
   計算模組，用於計算當測針模型的測頭移動到網格化點雲上時，計算測頭在網格化點雲上的初始取點座標；及
   所述的控制模組，還用於根據所接收的移動指令控制測針模型重新移動到顯示裝置上任意一點，並在該點的座標與所述初始取點座標之間構建一條量測路徑，控制測針模型在該量測路徑進行模擬運動。
2. 如申請專利範圍第1項所述之三維量測模擬系統，所述構建的虛擬操縱按鈕包括多個方向的速度控制圖示與移動示意圖標，所述多個方向的速度控制圖示用於控制測針模型根據相應方向與速度進行移動，該速度控制圖示包括快速控制圖示與慢速控制圖示，所述的移動示意圖標在未利用所述的速度控制圖示控制測針模型進行移動時，以初始顏色顯示，在利用所述速度控制圖示控制測針模型進行移動時，以其他預設的顏色顯示。
3. 如申請專利範圍第1項所述之三維量測模擬系統，該系統還包括：
   輸出模組，用於當所述測針模型在量測路徑上的模擬運動與網格化點雲有交點時，停止測針模型的模擬運動，並輸出預設格式的碰撞點程式，該碰撞點程式包括上述量測路徑的起點座標與終點座標、以及在該交點之前測針模型的測頭所經過的量測路徑上的點的座標與法向量。
4. 如申請專利範圍第1項所述之三維量測模擬系統，所述測針模型的測頭在依所述構建的量測路徑上進行模擬運動時，所述控制模組根據預設的接近閥值與返回閥值，得到量測路徑上各點對應的接近點與返回點，並控制測針模型在量測路徑上的點進行接近點模擬與返回點模擬，使得測針模型在量測路徑以及量測路徑上的點對應的接近點與返回點形成的三條路徑上進行模擬運動。
5. 如申請專利範圍第1項所述之三維量測模擬系統，所述計算初始取點座標的方法包括步驟：
   以該測針模型的測頭相對於電腦的顯示裝置上的法線作為射線；
   採用空間包圍盒演算法在該射線周圍找出與射線臨近的所有三角形，所述的空間包圍盒演算法將射線臨近的網格化點雲切分成多個小包圍盒，在任意一個小包圍盒透過標號方法找到與所述射線臨近的所有三角形；及
   得到上述三角形中與所述射線的相交的所有交點，並根據法線方向最頂點僅有一個交點的原則得到測頭在網格化點雲上的初始取點座標。
6. 一種三維量測模擬方法，應用於電腦中，該方法包括步驟：
   構建步驟：構建一個測針模型與操控該測針模型的虛擬操縱按鈕；
   獲取步驟：從電腦的儲存裝置中獲取一個待測產品的三維點雲；
   網格化步驟：根據預設的網格化方法對所述三維點雲進行三角網格化處理，得到網格化點雲；
   導入步驟：導入所構建的測針模型、虛擬操縱按鈕以及網格化點雲並顯示於電腦的顯示裝置上；
   控制步驟一：接收點擊虛擬操縱按鈕所觸發的移動指令，並控制測針模型在顯示裝置上進行相應方向的移動，使得測針模型的測頭移動到網格化點雲上；
   計算步驟：計算當測針模型的測頭移動到網格化點雲上時，計算測頭在網格化點雲上的初始取點座標；及
   控制步驟二：根據所接收的移動指令控制測針模型重新移動到顯示裝置上任意一點，並在該點的座標與所述初始取點座標之間構建一條量測路徑，控制測針模型在該量測路徑進行模擬運動。
7. 如申請專利範圍第6項所述之三維量測模擬方法，所述構建的虛擬操縱按鈕包括多個方向的速度控制圖示與移動示意圖標，所述多個方向的速度控制圖示用於控制測針模型根據相應方向與速度進行移動，該速度控制圖示包括快速控制圖示與慢速控制圖示，所述的移動示意圖標在未利用所述的速度控制圖示控制測針模型進行移動時，以初始顏色顯示，在利用所述速度控制圖示控制測針模型進行移動時，以其他預設顏色顯示。
8. 如申請專利範圍第6項所述之三維量測模擬方法，該方法還包括步驟：
   輸出步驟：當所述測針模型在量測路徑上的模擬運動與網格化點雲有交點時，停止測針模型的模擬運動，並輸出預設格式的碰撞點程式，該碰撞點程式包括上述量測路徑的起點座標與終點座標、以及在該交點之前測針模型的測頭所經過的量測路徑上的點的座標與法向量。
9. 如申請專利範圍第6項所述之三維量測模擬方法，該方法還包括步驟：
   當測針模型的測頭在依所述構建的量測路徑上進行模擬運動時，根據預設的接近閥值與返回閥值，得到量測路徑上各點對應的接近點與返回點，並控制測針模型在量測路徑上的點進行接近點模擬與返回點模擬，使得測針模型在量測路徑以及量測路徑上的點對應的接近點與返回點形成的三條路徑上進行模擬運動。
10. 如申請專利範圍第6項所述之三維量測模擬方法，所述的計算步驟透過以下方法計算初始取點座標：
    以該測針模型的測頭相對於電腦的顯示裝置上的法線作為射線；
    採用空間包圍盒演算法在該射線周圍找出與射線臨近的所有三角形，所述的空間包圍盒演算法將射線臨近的網格化點雲切分成多個小包圍盒，在任意一個小包圍盒透過標號方法找到與所述射線臨近的所有三角形；
    得到上述三角形中與所述射線的相交的所有交點，並根據法線方向最頂點僅有一個交點的原則得到測頭在網格化點雲上的初始取點座標。