TW201520508A - 探針補點系統及方法 - Google Patents

Abstract

一種探針補點系統，包括探針測量模組、計算模組、影像獲取模組及輸出模組。利用上述模組可根據多個標誌點建立接觸式探針的三維座標系統並確定標誌點及球心的初始座標；利用該接觸式探針接觸待測產品時，拍攝所述接觸式探針的影像；計算所述影像中標誌點的二維座標，並將該二維座標轉換為三維座標；確定所述標誌點的變化參數，及根據所述球心在所述接觸式探針的三維座標系統中的初始三維座標及所述標誌點的變化參數，確定所述球心的當前座標；及輸出所述球心的當前座標。本發明還提供一種探針補點方法。

Description

探針補點系統及方法

本發明涉及影像檢測領域，尤其涉及一種利用探針對產品的點雲資料進行補點的系統及方法。

利用三維掃描（光學點雲掃描/鐳射線掃描)裝置掃描產品的點雲資料時，由於電荷耦合器件（CCD，Charge Coupled Device）或鐳射掃描時會因為檢測角度或景深等問題，從而使得產品的一些被遮住的部位或深孔等地方，不容易被掃描到，並最終導致獲取的點雲資料出現破面、破洞等情況，降低了整體點雲的品質，並影響了測量效果。

鑒於以上內容，有必要提供一種探針補點系統及方法，可利用接觸式探針對產品不容易被掃描的部位進行補點。

一種探針補點方法，應用於三維掃描裝置中，所述三維掃描裝置包括CCD鏡頭，所述探針補點方法利用接觸式探針對待測產品進行補點測量，所述接觸式探針上預設有多個標誌點，該方法包括：根據所述標誌點建立該接觸式探針的三維座標系統，並在指定測量裝置對所述接觸式探針進行測量後，從所述指定測量裝置獲取所述標誌點及所述接觸式探針的球心的原始三維座標；計算所述標誌點及所述接觸式探針的球心在該接觸式探針的三維座標系統中的初始三維座標；在利用所述接觸式探針接觸待測產品時，利用所述CCD鏡頭拍攝所述接觸式探針的影像；計算所述影像中的接觸式探針的多個標誌點的二維座標；利用所述三維掃描裝置中預存的轉換矩陣將所述標誌點的二維座標轉換為三維座標；根據對所述標誌點轉換後的三維座標及所述標誌點在所述接觸式探針的三維座標系統中的初始三維座標的比較，確定所述標誌點的變化參數；根據所述球心在所述接觸式探針的三維座標系統中的初始三維座標及所述標誌點的變化參數，確定所述球心當前的三維座標；及輸出所述球心當前的三維座標作為待補點的座標。

一種探針補點系統，應用於三維掃描裝置中，所述三維掃描裝置包括CCD鏡頭，所述探針補點系統利用接觸式探針對待測產品進行補點測量，所述接觸式探針上預設有多個標誌點，該系統包括：探針測量模組，用於根據所述標誌點建立該接觸式探針的三維座標系統，並在指定測量裝置對所述接觸式探針進行測量後，從所述指定測量裝置獲取所述標誌點及所述接觸式探針的球心的原始三維座標；計算模組，用於計算所述標誌點及所述接觸式探針的球心在該接觸式探針的三維座標系統中的初始三維座標；影像獲取模組，用於在利用所述接觸式探針接觸待測產品時，利用所述CCD鏡頭拍攝所述接觸式探針的影像；所述計算模組，還用於計算所述影像中的接觸式探針的多個標誌點的二維座標，利用所述三維掃描裝置中預存的轉換矩陣將所述標誌點的二維座標轉換為三維座標，根據對所述標誌點轉換後的三維座標及所述標誌點在所述接觸式探針的三維座標系統中的初始三維座標的比較，確定所述標誌點的變化參數，及根據所述球心在所述接觸式探針的三維座標系統中的初始三維座標及所述標誌點的變化參數，確定所述球心當前的三維座標；及輸出模組，用於輸出所述球心當前的三維座標作為待補點的座標。

相較於習知技術，所述的探針補點系統及方法，可利用接觸式探針對產品不容易被掃描的部位進行補點，從而確保該產品的點雲資料的準確性，以提高測量準確度。

圖1是本發明探針補點系統的較佳實施方式的硬體架構圖。

圖2是本發明探針補點系統的較佳實施方式的接觸式探針的結構示意圖。

圖3是本發明探針補點系統的較佳實施方式的功能模組圖。

圖4是本發明探針補點系統的較佳實施方式的基於所述接觸式探針創建的三維座標系。

圖5是本發明探針補點方法的較佳實施方式的流程圖。

如圖1所示，是本發明探針補點系統的較佳實施方式的硬體架構圖。如圖2所示，是本發明探針補點系統的較佳實施方式的接觸式探針的結構示意圖。下文結合圖1、圖2進行說明。

所述的探針補點系統10應用於三維掃描裝置1中，所述三維掃描裝置1可以是光學點雲三維掃描器、鐳射線掃描器、或者其他可用於影像測量的裝置。

所述三維掃描裝置包括電荷耦合器件（CCD，Charge Coupled Device）鏡頭13。在本較佳實施方式中，所述的CCD鏡頭13用於拍攝目標物體的影像，所述目標物體可以是待測產品或者本發明中的接觸式探針2。

如圖2所示的是接觸式探針2的結構示意圖，所述接觸式探針2包括球心20。所述接觸式探針2可以是可擕式探針，用戶可手持該接觸式探針2對產品進行直接的測量，例如，將球心與產品表面進行接觸。如上文所述，由於產品的一些被遮住的部位或深孔等地方，在測量的時候不容易被掃描到，從而無法獲取完整的點雲資料，因此，在本較佳實施方式中，所述的接觸式探針2可被用來對產品的這些被遮住的部位或深孔等地方進行補充測量以對不完整的點雲資料進行修補，此過程可簡稱為“補點”。

在本較佳實施方式中，為了利用所述的接觸式探針2進行補點操作，首先需要測量所述接觸式探針2並建構基於所述接觸式探針2的三維座標系統，所述三維座標系統可基於在所述接觸式探針2上的多個預設的標誌點來完成。所述的預設的標誌點可以是在所述接觸式探針2上的任意位置的多個固定的點以作為參照點來完成對三維座標系統的構建及後續對所述接觸式探針2的球心20的位置測量。如圖2所示的範例，所述的接觸式探針2上預設了三個標誌點，分別是點A、O、C。

在本較佳實施方式中，所述的探針補點系統10用於根據對接觸式探針2的測量確定基於該接觸式探針2的三維座標系統，並在利用所述接觸式探針2對產品進行局部測量時，藉由拍攝所述接觸式探針2的影像進行分析以確定所述測量點的位置座標，從而在該產品的原始點雲資料中補充所確定的測量點的點雲資料。具體處理過程參見下文針對圖5所示流程圖的詳細說明。

所述的三維掃描裝置1進一步包括處理器11及儲存裝置12。所述處理器11用於執行所述探針補點系統10以及在所述三維掃描裝置1內安裝的各類軟體，例如作業系統等。所述儲存裝置12可以是硬碟，或者其他類型的儲存卡或儲存設備。所述的儲存裝置12用於儲存各類資料，例如，拍攝的影像，以及用於儲存利用所述探針補點系統10所設置、接收及處理後的資料。

所述的三維掃描裝置1進一步包括顯示裝置14，所述的顯示裝置14用於顯示各類視覺化資料。

如圖3所示，是本發明探針補點系統的較佳實施方式的功能模組圖。在本實施方式中，所述探針補點系統10包括多個功能模組，分別是：探針測量模組100、計算模組102、影像獲取模組104、輸出模組106以及處理模組108。本發明所稱的模組是指一種能夠被處理器11所執行並且能夠完成固定功能的一系列電腦程式段，其儲存在儲存裝置12中。在本實施例中，關於各模組的功能將在圖4、圖5的流程圖中具體描述。

如圖5所示，是本發明探針補點方法的較佳實施方式的流程圖。

首先，在利用所述接觸式探針2對產品的局部位置進行補點時，需要先完成對所述接觸式探針2的測量。于步驟S2，利用指定測量裝置對所述接觸式探針2進行測量。所述的指定測量裝置可以是三座標測量裝置或者三維掃描裝置，此外，所述的指定測量裝置也可以是影像測量裝置。

在本實施方式中，所述的指定測量裝置對所述接觸式探針2進行的測量是基於對所述接觸式探針2的實體進行測量，此外，在其他實施方式中，也可以是利用拍攝所述接觸式探針2的影像來完成相關的測量。

步驟S4，所述的探針測量模組100在所述指定測量裝置對所述接觸式探針2完成測量後，從所述指定測量裝置獲取所述標誌點的原始三維座標。所述標誌點的原始三維座標可以是在所述指定測量裝置內建構的座標系的基礎上的座標值。

步驟S6，所述的探針測量模組100根據所述標誌點建立該接觸式探針2的三維座標系統，並確定所述標誌點在該三維座標系統中的初始三維座標。

在第一實施方式中，所述的探針測量模組100預先指定所述接觸式探針2的三維座標系的構建標準，例如，參考如圖4所示的範例，設定標誌點O為三維座標系的原點，OA方向為X軸的方向，OC方向為Y軸的方向，然後在所述X、Y軸的基礎上確定Z軸的方向。在確定了所述三維座標系的構建標準後，所述的探針測量模組100將述標誌點的原始三維座標轉換為在所述接觸式探針2的三維座標系上的座標值。

例如，點O的原始三維座標值是（1,1,1），點X的原始三維座標值是（5,1,1），點Y的原始三維座標值是（1,5,1）。那麼，在確定點O為所述接觸式探針2的三維座標系的原點後，在該三維座標系中，點O的初始三維座標值為（0,0,0），而點X的初始三維座標值則為（4,0,0），而點Z的初始三維座標值為（0,4,0）。

在第二實施方式中，所述的探針測量模組100可根據所述指定測量裝置的座標系，即，直接根據所述標誌點的原始三維座標建構所述接觸式探針2的三維座標系。例如，維持上述各個標誌點的原始三維座標不變，即原始座標值與初始三維座標值相同。

步驟S8，所述的計算模組102根據所述三維座標系統確定所述接觸式探針2的球心20的初始三維座標。

步驟S10，所述的影像獲取模組104在利用所述接觸式探針2接觸待測產品時，利用所述CCD鏡頭13拍攝所述接觸式探針2的影像。

在其他實施方式中，於步驟S10之前，還可進一步包括如下多個步驟。所述的處理模組108獲取所述待測產品的三維點雲資料，例如，可利用所述CCD鏡頭13掃描所述待測產品，並輸出所述待測產品的三維點雲資料，然後根據所述三維點雲資料構建曲面，對所述曲面進行三角網格化處理並輸出處理後的三角網格面。

例如，所述的處理模組108獲取所述待測產品的三維點雲資料，以任意一點為基準（簡稱為“第一點”），尋找與該第一點距離最近的一個第二點，所述第二點與第一點之間的距離需小於預設的閥值。所述的處理模組108將所述第一點與第二點連接成線，再次尋找與該線鄰近的第三點，並將所述三個點連接成三角形，需要注意的是，所述的處理模組108會分析該三角形的外接圓是否包含所述三維點雲資料中除該三角形的頂點外的其他點。

如果在連接的三角形的外接圓內包含所述三維點雲資料中除該三角形的頂點外的其他點時，所述的處理模組108刪除該三角形。

如果在連接的三角形的外接圓內不包含所述三維點雲資料中除該三角形的頂點外的其他點時，所述的處理模組108根據相鄰兩個三角形的法向量夾角不超過一個預設角度的原則來判斷上述連接的三角形是否合格。若該三角形與鄰近的三角形的法向量的夾角超過預設角度，所述的處理模組108確定該三角形連接錯誤，則根據上述第一點與第二點的線條重新尋找鄰近的第三點。

透過迴圈上述步驟，可對所述待測產品的三維點雲資料進行快速的三角網格化處理，並輸出由多個三角形所構建的三角網格面。

基於該輸出的三角網格面，用戶可判斷所述待測產品的三維點雲資料是否出現破面、少面及深孔的問題，從而造成對該待測產品的三維點雲資料的影響。

在本較佳實施方式中，若用戶判斷該點雲資料出現上述情況，則可手持所述的接觸式探針2對所述待測產品進行局部區域的測量，然後，所述的影像獲取模組104利用所述CCD鏡頭13拍攝所述接觸式探針2的影像。

步驟S12，所述計算模組102計算所述影像中的所述接觸式探針2的多個標誌點的二維座標。所述二維座標的計算可根據在所述影像的基礎上構建的二維座標系來確定，而該影像的二維座標系可根據該影像的圖元來建立。

例如，所述影像是RGB圖像時，R代表紅色，G代表綠色，B代表藍色。RGB圖像的每個圖元可以用RGB值來表示。RGB值包括紅色分量、綠色分量及藍色分量三個顏色分量。每個顏色分量通常占一個位元組。例如，白色的紅色分量、綠色分量及藍色分量都是255（即十六進位數FF），RGB值是十六進位數FFFFFF。又如，黑色的紅色分量、綠色分量及藍色分量都是0，RGB值是十六進位數000000。

RGB圖像包括8位元RGB、16位RGB、24位RGB、32位元RGB等資料格式。對於8位元RGB圖像，圖元值資訊中每個圖元的圖元值占8位元（即1個位元組）。對於16位元RGB圖像，圖元值資訊中每個圖元的圖元值占16位元（即2個位元組）。對於24位元RGB圖像，圖元值資訊中每個圖元的圖元值占24位元（即3個位元組）。

所述影像的尺寸指所述影像的長度和寬度，所述長度和寬度以圖元為單位。例如，對於60×80的影像，該影像的長度為60圖元，寬度為80圖元。

所述計算模組102根據該影像的資料格式及尺寸，從讀取的圖元值資訊中提取所述影像的各個圖元的圖元值，並確定各個圖元的二維座標。一般來說，影像的圖元值資訊按照從左到右、從下到上的順序記錄組成影像的各個圖元的圖元值。相應地，所述計算模組102從圖元值資訊中依次提取出影像的各個圖元的圖元值。

例如，若所述影像的資料格式是8位元RGB，則提取模組210按照從左到右、從下到上的順序從讀取的圖元值資訊中提取影像的各個圖元的圖元值，提取的每個圖元的圖元值占8位元。又如，若所述影像的資料格式是16位元RGB，則所述計算模組102按照從左到右、從下到上的順序從讀取的圖元的資訊中提取影像的各個圖元的圖元值，提取的每個圖元的圖元值占16位元。

根據影像的各個圖元在影像中的位置，可以確定各個圖元的二維座標。例如，一個8×8的影像，按照從左到右、從下到上的順序，該影像的各個圖元的二維座標依次為(0,0)、(1,0)、(2,0)、(3,0)、(4,0)、(5,0)、(6,0)、(7,0)、(0,1)、(1,1)、(2,1)、(3,1)……(0,7)、(1,7)、(2,7)、(3,7)、(4,7)、(5,7)、(6,7)、(7,7)。

因此，利用上述方式，所述計算模組102可以確定所述接觸式探針2的標誌點在所述影像中的二維座標。

步驟S14，所述計算模組102利用所述三維掃描裝置1中預存的轉換矩陣將所述標誌點的二維座標轉換為三維座標。例如，所述的轉換矩陣可以是4*4矩陣。

步驟S16，所述計算模組102比較所述標誌點轉換後的三維座標及所述標誌點在所述接觸式探針2的三維座標系統中的初始三維座標（見步驟S6），並根據該比較確定所述標誌點的變化參數。

步驟S18，所述計算模組102根據所述球心20在所述接觸式探針2的三維座標系統中的初始三維座標及所述標誌點的變化參數，計算所述球心20當前的三維座標，所述的輸出模組106輸出所述球心當前的三維座標作為待補點的座標，然後，結束本流程。

例如，所述計算模組102可藉由比較在步驟S6中得到的所述標誌點在該三維座標系統中的初始三維座標以及在步驟S14中得到的所述標誌點的轉換後的三維座標，來確定每個標誌點的變化參數，例如，計算每個標誌點的位移等參數，並最終根據標誌點的變化參數以及在步驟S8中所確定的所述球心20的三維座標來計算出在步驟S18中的所述球心20當前的三維座標。

此外，所述的處理模組108還可根據所述待補點的座標對所述三維點雲資料進行修補。

本較佳實施方式利用了所述接觸式探針2上標誌點與所述球心20的固定的對應關係，可藉由識別測量時標誌點的座標的變化來計算球心的當前座標，而該球心的當前座標即是測量點的座標（如上文所述的待補點），從而完成對待測產品的局部區域的補點操作，確保該待測產品的三維點雲資料的完整及品質。

最後應說明的是，以上實施方式僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管參照較佳實施方式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‧‧‧三維掃描裝置

10‧‧‧探針補點系統

100‧‧‧探針測量模組

102‧‧‧計算模組

104‧‧‧影像獲取模組

106‧‧‧輸出模組

108‧‧‧處理模組

11‧‧‧處理器

12‧‧‧儲存裝置

13‧‧‧CCD鏡頭

14‧‧‧顯示裝置

2‧‧‧接觸式探針

20‧‧‧球心

無

10‧‧‧探針補點系統

100‧‧‧探針測量模組

102‧‧‧計算模組

104‧‧‧影像獲取模組

106‧‧‧輸出模組

108‧‧‧處理模組

Claims (10)

1. 一種探針補點方法，應用於三維掃描裝置中，所述三維掃描裝置包括CCD鏡頭，所述探針補點方法利用接觸式探針對待測產品進行補點測量，所述接觸式探針上預設有多個標誌點，該方法包括：
   根據所述標誌點建立該接觸式探針的三維座標系統，並在指定測量裝置對所述接觸式探針進行測量後，從所述指定測量裝置獲取所述標誌點及所述接觸式探針的球心的原始三維座標；
   計算所述標誌點及所述接觸式探針的球心在該接觸式探針的三維座標系統中的初始三維座標；
   在利用所述接觸式探針接觸待測產品時，利用所述CCD鏡頭拍攝所述接觸式探針的影像；
   計算所述影像中的接觸式探針的多個標誌點的二維座標；
   利用所述三維掃描裝置中預存的轉換矩陣將所述標誌點的二維座標轉換為三維座標；
   根據對所述標誌點轉換後的三維座標及所述標誌點在所述接觸式探針的三維座標系統中的初始三維座標的比較，確定所述標誌點的變化參數；
   根據所述球心在所述接觸式探針的三維座標系統中的初始三維座標及所述標誌點的變化參數，確定所述球心當前的三維座標；及
   輸出所述球心當前的三維座標作為待補點的座標。
2. 如申請專利範圍第1項所述的探針補點方法，該方法還包括：
   獲取所述待測產品的三維點雲資料；及
   根據所述待補點的座標對所述三維點雲資料進行修補。
3. 如申請專利範圍第2項所述的探針補點方法，其中，所述的獲取所述待測產品的三維點雲資料的步驟包括：
   利用所述CCD鏡頭掃描所述待測產品，並輸出所述待測產品的三維點雲資料；及
   根據所述三維點雲資料構建曲面，對所述曲面進行三角網格化處理並輸出處理後的三角網格面。
4. 如申請專利範圍第3項所述的探針補點方法，對所述曲面進行的三角網格化處理包括如下步驟：
   以所述待測產品的三維點雲資料中的任意一點為第一點，尋找與該第一點距離最近的一個第二點，其中，所述第二點與第一點之間的距離需小於預設的閥值；
   將所述第一點與第二點連接成線；
   尋找與該線鄰近的第三點，並將第一點、第二點及第三點連接成三角形；
   在連接的三角形的外接圓內不包含所述三維點雲資料中除該三角形的頂點外的其他點時，根據相鄰兩個三角形的法向量夾角不超過一個預設角度的原則判斷上述連接的三角形是否合格；及
   在該三角形與鄰近的三角形的法向量的夾角不超過預設角度時，確定該三角形連接正確。
5. 如申請專利範圍第1項所述的探針補點方法，所述接觸式探針的三維座標系統藉由如下步驟進行建立：
   確定其中一個標誌點為該接觸式探針的三維座標系統的原點，並設置X軸、Y軸及Z軸的方向；及
   將所述指定測量裝置所測量得到的所述多個標誌點的原始三維座標轉換為該接觸式探針的三維座標系統中的初始三維座標。
6. 一種探針補點系統，應用於三維掃描裝置中，所述三維掃描裝置包括CCD鏡頭，所述探針補點系統利用接觸式探針對待測產品進行補點測量，所述接觸式探針上預設有多個標誌點，該系統包括：
   探針測量模組，用於根據所述標誌點建立該接觸式探針的三維座標系統，並在指定測量裝置對所述接觸式探針進行測量後，從所述指定測量裝置獲取所述標誌點及所述接觸式探針的球心的原始三維座標；
   計算模組，用於計算所述標誌點及所述接觸式探針的球心在該接觸式探針的三維座標系統中的初始三維座標；
   影像獲取模組，用於在利用所述接觸式探針接觸待測產品時，利用所述CCD鏡頭拍攝所述接觸式探針的影像；
   所述計算模組，還用於計算所述影像中的接觸式探針的多個標誌點的二維座標，利用所述三維掃描裝置中預存的轉換矩陣將所述標誌點的二維座標轉換為三維座標，根據對所述標誌點轉換後的三維座標及所述標誌點在所述接觸式探針的三維座標系統中的初始三維座標的比較，確定所述標誌點的變化參數，及根據所述球心在所述接觸式探針的三維座標系統中的初始三維座標及所述標誌點的變化參數，確定所述球心當前的三維座標；及
   輸出模組，用於輸出所述球心當前的三維座標作為待補點的座標。
7. 如申請專利範圍第6項所述的探針補點系統，該系統還包括處理模組，用於獲取所述待測產品的三維點雲資料，及根據所述待補點的座標對所述三維點雲資料進行修補。
8. 如申請專利範圍第7項所述的探針補點系統，所述的處理模組藉由下述方式獲取所述待測產品的三維點雲資料：
   利用所述CCD鏡頭掃描所述待測產品，並輸出所述待測產品的三維點雲資料；及
   根據所述三維點雲資料構建曲面，對所述曲面進行三角網格化處理並輸出處理後的三角網格面。
9. 如申請專利範圍第8項所述的探針補點系統，所述的處理模組藉由下述方式對所述曲面進行的三角網格化處理：
   以所述待測產品的三維點雲資料中的任意一點為第一點，尋找與該第一點距離最近的一個第二點，其中，所述第二點與第一點之間的距離需小於預設的閥值；
   將所述第一點與第二點連接成線；
   尋找與該線鄰近的第三點，並將第一點、第二點及第三點連接成三角形；
   在連接的三角形的外接圓內不包含所述三維點雲資料中除該三角形的頂點外的其他點時，根據相鄰兩個三角形的法向量夾角不超過一個預設角度的原則判斷上述連接的三角形是否合格；及
   在該三角形與鄰近的三角形的法向量的夾角不超過預設角度時，確定該三角形連接正確。
10. 如申請專利範圍第6項所述的探針補點系統，所述的指定測量裝置是三座標測量裝置或者三維掃描裝置。