TW201617944A - 圖形化平面資料分析系統及方法 - Google Patents
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Abstract
一種圖形化平面資料分析系統及方法，應用於電腦裝置中。該方法包括步驟：從點雲檔案中解析出點雲資料，並將點雲資料進行三角網格化；根據三角網格化後之點雲資料擬合出一個平面，並計算該擬合平面之法向量；計算三角網格化後之每一個三角形到擬合平面之距離；計算每一個三角形之法向量；判斷每一個三角形法向量與擬合平面法向量之夾角是否小於90度；將所有夾角小於90度之三角形標註成不同之顏色以表示不同之點雲精度；產生一份表示點雲精度之彩色點雲分佈圖像報告，及產生一份表示點雲相關資訊之點雲資訊報告。
Description
本發明涉及一種圖形資料處理系統及方法，尤其涉及一種高精度圖形化平面資料分析系統及方法。
精度問題一直都係加工製作業之核心問題之一，產品之精度關係到產品之品質、安全等核心要素。當加工完產品之後，很難對產品精度有一個詳細之瞭解，即使對產品掃描，得到之也只係點雲資料，不利於資料之分析，而且得到資訊較少，不直觀，不易理解。於習知CAD系統中，並沒有專門之系統來分析點雲之精度，許多系統僅對點雲進行基礎處理即計算出了平面度資訊。對許多高精度之行業來說，簡單之平面度資訊遠遠不夠，無法精確、詳細之瞭解產品之精度資訊。於市面上已經發行之CAD系統中，點雲處理之演算法精度不夠高，且功能簡單，只能提供一些最基本之點雲資訊，也只能對一些基本之圖形進行處理，對一些結構複雜、無規則之圖形無法進行處理。
鑒於以上內容，有必要提供一種圖形化平面資料分析系統及方法，能夠藉由對點雲資料分析及處理來產生高精度之點雲精度分析報告。
所述之圖形化平面資料分析系統運行於電腦裝置中，該電腦裝置連接有資料庫。所述之圖形化平面資料分析系統包括：點雲網格化模組，用於從資料庫中獲取點雲檔案，從該點雲檔案中解析出點雲資料，並將點雲資料進行三角網格化；平面擬合模組，用於根據三角網格化後之點雲資料擬合出一個平面，並計算該擬合平面之法向量；距離計算模組，用於計算三角網格化後之每一個三角形到擬合平面之距離；法向量計算模組，用於計算三角網格化後之每一個三角形之法向量，及判斷每一個三角形法向量與擬合平面法向量之夾角是否小於90度；顏色標註模組，用於將所有夾角小於90度之不同三角形標註成不同之顏色以表示不同之點雲精度；報告生成模組，用於產生一份表示點雲精度之彩色點雲分佈圖像報告，及產生一份表示點雲相關資訊之點雲資訊報告。
所述之圖形化平面資料分析方法應用於電腦裝置中，該電腦裝置連接有資料庫。該方法包括步驟：從資料庫中獲取點雲檔案，從該點雲檔案中解析出點雲資料，並將點雲資料進行三角網格化；根據三角網格化後之點雲資料擬合出一個平面，並計算該擬合平面之法向量；計算三角網格化後之每一個三角形到擬合平面之距離；計算三角網格化後之每一個三角形之法向量；判斷每一個三角形法向量與擬合平面法向量之夾角是否小於90度；將所有夾角小於90度之不同三角形標註成不同之顏色以表示不同之點雲精度；產生一份表示點雲精度之彩色點雲分佈圖像報告，及產生一份表示點雲相關資訊之點雲資訊報告。
相較於習知技術，本發明所述之圖形化平面資料分析系統及方法能夠藉由對點雲資料之分析處理利用高精度之擬合算法擬合出一高精度之平面，並藉由對點雲資料之計算及處理後產生詳細之點雲精度分析報告。其中，點雲精度分佈圖像報告可以用不同顏色表示不同之點雲精度，其簡單、直觀，可以很容易之瞭解產品之精度情況，進而方便對產品之生產進行校正，而點雲資訊報告則可以對點雲之一些關鍵資料進行詳細描述。
圖1係本發明圖形化平面資料分析系統較佳實施例之運行環境示意圖。
圖2係本發明圖形化平面資料分析方法較佳實施例之流程圖。
圖3係一種點雲檔案之示意圖。
圖4係一種將點雲進行三角網格化之示意圖。
圖5係一種利用顏色條將符合條件之網格化三角形進行顏色標註之示意圖。
圖6係一種表示點雲相關資訊之點雲資訊報告之示意圖。
參閱圖1所示，係本發明圖形化平面資料分析系統較佳實施例之運行環境示意圖。於本實施例中，所述之圖形化平面資料分析系統10安裝並運行於電腦裝置1中，該電腦裝置1還包括，但不僅限於，儲存裝置11、處理器12及顯示裝置13。該電腦裝置1安裝有作業系統（例如Windows作業系統或Linux作業系統）及各種應用系統（例如CAD圖形處理軟體）。所述之電腦裝置1可以為一種個人電腦（PC）、工作站電腦（Workstation computer）、筆記本電腦（Notebook）、伺服器（Server）或者其他電子計算裝置。
於本實施例中，所述之電腦裝置1連接有資料庫2，該連接可利用本地資料線（例如Cable資料線）連接，也可利用網路（例如WAN或者LAN網路）連接。所述之資料庫2儲存有目標物件（例如電子產品）之點雲檔案，如圖3所示，所述之點雲檔案係為一個解析成空間座標之資料檔案，該點雲資料可以由掃描設備（圖1中未示出）對目標物件進行掃描（例如鐳射掃描）來獲取目標物件之點雲資料，並將掃描得到之點雲資料儲存到資料庫2形成目標物件之點雲檔案。
所述之儲存裝置11包括，但不僅限於，記憶體、硬碟及外部儲存裝置等。所述之處理器12包括，但不僅限於，中央處理器（CPU）、微處理器或其它資料處理機等。所述之顯示裝置13用於顯示目標物件之點雲點雲精度之彩色點雲圖像報告，及顯示目標物件之點雲相關資訊之點雲資訊報告。
於本實施例中，所述之圖形化平面資料分析系統10包括，但不僅限於，點雲網格化模組101、平面擬合模組102、距離計算模組103、法向量計算模組104、顏色標註模組105及報告生成模組106。本發明所稱之功能模組係指一種能夠被電腦裝置1之處理器12所執行並且能夠完成固定功能之一系列程式指令段，其儲存於電腦裝置1之儲存裝置11中。關於各功能模組101-106將於圖2之流程圖中作詳細描述。
參閱圖2所示，係本發明圖形化平面資料分析方法較佳實施例之流程圖。於本實施例中，該方法應用於電腦裝置1中，藉由對點雲資料之分析，利用高精度之擬合算法擬合出一高精度之平面，藉由對點雲資料之計算及處理，並產生詳細之點雲精度分析報告。
步驟S21，點雲網格化模組101從資料庫2中導入點雲檔案，從該點雲檔案中解析出點雲資料，並將點雲資料進行三角網格化。如圖3所示，點雲檔案中之資料就是點雲中每一點所對應之空間點座標，點雲網格化模組101藉由解析點雲檔案獲取這些點雲資料，並保存於儲存裝置11中。於本實施例中，所述之點雲三角網格化即為將空間不在一條直線上之點雲中之三點聯線來構成三角形之過程。如圖4所示，點雲A中之點並不是任意不在一條直線上之三點聯線都行，點雲三點構成之三角形之外接圓內不能有點雲其他點之存在，只有符合這個條件之三角形才進行點雲三角網格化。於本實施例中，所述之點雲網格化模組101根據點雲中三點構成之三角形之外接圓內無其它點（例如第四點）存在之原則將點雲三角網格化產生三角形網格B。
步驟S22，平面擬合模組102獲取三角網格化後之點雲資料，利用擬牛頓反覆運算演算法擬合出一個平面，並計算該擬合平面之法向量。於本實施例中，網格化後之點雲資料主要分為兩部分，一部分為點雲之點數據，主要為點之座標資料；另一部分為三角網格化之三角形資料。所述之平面擬合模組102根據最小二乘法對點雲資料擬合成一個初始平面，其表示為Plane（c, v)，其中，c表示包括c.x、c.y及c.z。其中c.x為所有點之x座標平均值，c.y為所有點之y座標平均值，c.z為所有點之z座標平均值。所述之平面擬合模組102再根據擬牛頓演算法對資料進行精反覆運算得到實際旋轉工作面之法平面Plane1（c1,v1)，根據最小二乘法反覆運算當前點雲相對虛擬平面之最佳位置，所有點到該虛擬平面之距離平方與之平均最小值，即為該擬合平面之法向量，用擬牛頓解非線形方程式表示如下f(x)=，其中X1、Y1、Z1為每一點於實際座標系之座標，X2、Y2、Z2為每一點於虛擬平面座標之座標，n為點雲中所有點之個數。
步驟S23，距離計算模組103計算三角網格化後之每一個三角形到擬合平面之距離。於本實施例中，距離計算模組103計算三角網格化後之每一個三角形到擬合平面之距離包括步驟：（1）獲取三角網格化後之三角形資料，根據三角形資料中之頂點序號得到三個頂點；（2）分別計算出每一頂點到擬合平面之距離；（3）計算求三個頂點到擬合平面之距離之平均值，即為三角形到擬合平面之距離；（4）重複以上步驟，計算所有三角形到擬合平面之距離。具體地：（1）獲取三角形之頂點之座標：點雲之每一點之都有一個序號，三角形之資料實際就是三個頂點對應之序號，根據這個序號就可以獲得三個頂點之座標。（2）計算每一頂點到擬合平面之距離：假設一點P座標為(X1,Y1,Z1)，該點到擬合平面AX+BY+CZ+D=0之投影點為P’(X2,Y2,Z2)，T=-(A*X1+B*Y1+C*Z1+D)/ (A*A+B*B+C*C)，則X2 =X1+A*T，Y2 =Y1+B*T，Z2=Z1+C*T，其中*號表示乘法運算，即可計算出點到擬合平面距離：d =。（3）計算三角形到擬合平面之距離：按照步驟（2）分別計算出三個頂點到擬合平面之距離，最後計算平均值，即為三角形到擬合平面之距離。
步驟S24，法向量計算模組104計算三角網格化後之每一個三角形之法向量。於本實施例中，法向量計算模組104根據向量之叉乘計算法計算出每一個三角形之法向量，而後計算每一個三角形法向量與擬合平面之夾角。
步驟S25，法向量計算模組104判斷每一個三角形法向量與擬合平面法向量之夾角是否小於90度。若夾角大於等於90度，則判定該三角形不符合點雲精度要求，直接忽略掉，後續不做任何處理，流程結束。若夾角小於90度之，則流程轉向步驟S26。
步驟S26，顏色標註模組105將到擬合平面不同距離之三角形標註成不同之顏色以表示不同之點雲精度。於本實施例中，顏色標註模組105根據需求將與擬合平面不同距離之三角形標註不同之顏色，這時需要一個顏色條作為參照。根據使用者之需求與點雲之資料資訊，會動態生成如下圖5A所示之顏色條，其包括紅色、黃色、藍色、淺藍色、綠色、黑色、紫色、橙色等。如圖5B所示，若三角形之三個頂點到擬合平面之距離分別為：S1=0.005、S2=0.0047、S3=0.0051，故三角形到擬合平面之距離為0.004933，參考圖5A所示之顏色條，將該三角形S1S2S3之顏色標註為綠色。
步驟S27，報告生成模組106產生一份表示點雲精度之彩色點雲分佈圖像報告，及產生一份表示點雲相關資訊之點雲資訊報告，並將彩色點雲圖像報告與點雲資訊報告顯示於顯示裝置13上，或保存於儲存裝置11中。於本實施例中，所述點雲精度分佈圖像報告，用不同顏色表示不同之點雲精度，可以簡單、直觀地瞭解產品之精度情況，進而方便對產品之生產進行校正。所述點雲資訊報告則對點雲之一些關鍵資料進行了說明。報告生成模組106可以根據點雲中之每一點到擬合平面之距離取出所有點到擬合平面之距離中偏差最大與偏差最小之輸出到點雲資訊報告中，再將所有點到擬合平面之平均偏差及標準差，輸出到點雲資訊報告中。如圖6所示，報告生成模組106最終輸出所示之點雲資訊報告，該點雲資訊報告包括：第一部分內容為點雲點之數目，點到擬合面之距離資訊，擬合平面之sigma值等資訊；第二部分為內容為當前生成之顏色條之相關資訊。
以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，且已達廣泛之使用功效，凡其他未脫離本發明所揭示之精神下所完成之均等轉換或修飾，均應包含於下述之申請專利範圍內。
1‧‧‧電腦裝置
10‧‧‧圖形化平面資料分析系統
101‧‧‧點雲網格化模組
102‧‧‧平面擬合模組
103‧‧‧距離計算模組
104‧‧‧法向量計算模組
105‧‧‧顏色標註模組
106‧‧‧報告生成模組
11‧‧‧儲存裝置
12‧‧‧處理器
13‧‧‧顯示裝置
2‧‧‧資料庫
無
1‧‧‧電腦裝置
10‧‧‧圖形化平面資料分析系統
101‧‧‧點雲網格化模組
102‧‧‧平面擬合模組
103‧‧‧距離計算模組
104‧‧‧法向量計算模組
105‧‧‧顏色標註模組
106‧‧‧報告生成模組
11‧‧‧儲存裝置
12‧‧‧處理器
13‧‧‧顯示裝置
2‧‧‧資料庫
Claims (10)
- 一種圖形化平面資料分析系統，運行於電腦裝置中，該電腦裝置連接有資料庫，其中，所述之圖形化平面資料分析系統包括：
點雲網格化模組，用於從資料庫中獲取點雲檔案，從該點雲檔案中解析出點雲資料，並將點雲資料進行三角網格化；
平面擬合模組，用於根據三角網格化後之點雲資料擬合出一個平面，並計算該擬合平面之法向量；
距離計算模組，用於計算三角網格化後之每一個三角形到擬合平面之距離；
法向量計算模組，用於計算三角網格化後之每一個三角形之法向量，及判斷每一個三角形法向量與擬合平面法向量之夾角是否小於90度；
顏色標註模組，用於將所有夾角小於90度之不同三角形標註成不同之顏色以表示不同之點雲精度；及
報告生成模組，用於產生一份表示點雲精度之彩色點雲分佈圖像報告，及產生一份表示點雲相關資訊之點雲資訊報告。 - 如申請專利範圍第1項所述之圖形化平面資料分析系統，其中，所述之三角網格化係根據點雲中每三點構成之三角形之外接圓內無第四點存在之原則將點雲中之所有點進行三角網格化。
- 如申請專利範圍第1項所述之圖形化平面資料分析系統，其中，所述之擬合平面係利用擬牛頓反覆運算演算法將所述三角網格化後之點雲資料擬合形成。
- 如申請專利範圍第1項所述之圖形化平面資料分析系統，其中，所述之計算三角網格化後之每一個三角形到擬合平面之距離包括步驟：
獲取三角網格化後之三角形資料，根據三角形資料中之頂點序號得到三個頂點；
分別計算出每一頂點到擬合平面之距離；
計算求三個頂點到擬合平面之距離之平均值，即為三角形到擬合平面之距離；
重複以上步驟，計算所有三角形到擬合平面之距離。 - 如申請專利範圍第1項所述之圖形化平面資料分析系統，其中，所述之顏色標註模組還用於產生一個用於標註每一個到擬合平面具有不同距離之三角形之顏色條，該顏色條包括具有到擬合平面不同距離之三角形所需標註之顏色資訊。
- 一種圖形化平面資料分析方法，應用於電腦裝置中，該電腦裝置連接有資料庫，該方法包括步驟：
從資料庫中獲取點雲檔案，從該點雲檔案中解析出點雲資料，並將點雲資料進行三角網格化；
根據三角網格化後之點雲資料擬合出一個平面，並計算該擬合平面之法向量；
計算三角網格化後之每一個三角形到擬合平面之距離；
計算三角網格化後之每一個三角形之法向量；
判斷每一個三角形法向量與擬合平面法向量之夾角是否小於90度；
將所有夾角小於90度之不同三角形標註成不同之顏色以表示不同之點雲精度；及
產生一份表示點雲精度之彩色點雲分佈圖像報告，及產生一份表示點雲相關資訊之點雲資訊報告。 - 如申請專利範圍第6項所述之圖形化平面資料分析方法，其中，所述之三角網格化係根據點雲中每三點構成之三角形之外接圓內無第四點存在之原則將點雲中之所有點進行三角網格化。
- 如申請專利範圍第6項所述之圖形化平面資料分析方法，其中，所述之擬合平面係利用擬牛頓反覆運算演算法將所述三角網格化後之點雲資料擬合形成。
- 如申請專利範圍第6項所述之圖形化平面資料分析方法，其中，所述之計算三角網格化後之每一個三角形到擬合平面之距離包括步驟：
獲取三角網格化後之三角形資料，根據三角形資料中之頂點序號得到三個頂點；
分別計算出每一頂點到擬合平面之距離；
計算求三個頂點到擬合平面之距離之平均值，即為三角形到擬合平面之距離；
重複以上步驟，計算所有三角形到擬合平面之距離。 - 如申請專利範圍第6項所述之圖形化平面資料分析方法，該方法還包括步驟：
產生一個用於標註每一個到擬合平面具有不同距離之三角形之顏色條，該顏色條包括具有到擬合平面不同距離之三角形所需標註之顏色資訊。
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