TW201618039A - 點雲邊界直角邊修補系統及方法 - Google Patents

點雲邊界直角邊修補系統及方法 Download PDF

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TW201618039A
TW201618039A TW103133859A TW103133859A TW201618039A TW 201618039 A TW201618039 A TW 201618039A TW 103133859 A TW103133859 A TW 103133859A TW 103133859 A TW103133859 A TW 103133859A TW 201618039 A TW201618039 A TW 201618039A
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李志涯
張恒
吳新元
楊路
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鴻海精密工業股份有限公司
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    • G06T2219/2021—Shape modification

Abstract

一種點雲邊界直角邊修補系統，該系統包括：對待測產品的點雲進行三角網格化處理，形成實體面；從三角網格化處理後的點雲中獲取邊界點；查找邊界點中屬於第一面的邊界點及邊界點中屬於第二面的邊界點，所述第一面與第二面為待測產品的兩個銜接面；計算第一面的邊界點中每點到第二面的映射點，並形成第一面中要修補的第一區域，及計算第二面的邊界點中每點到第一面的映射點，形成第二面中要修補的第二區域；分別將第一區域劃及第二區域多個小正方形，在每個小正方形區域內隨機生成一個點，當所有小正方形內都有一個點以後，即完成對第一區域及第二區域的修補。

Description

點雲邊界直角邊修補系統及方法
本發明涉及一種點雲處理技術，尤其涉及一種點雲邊界直角邊修補系統及方法。
在工業加工中，由於有些掃描器精度不夠，掃描的邊界資料精度不夠高，或者掃描產品邊界得到的邊界點數據比較少，有很多點沒有掃描出來，或者有些樣品本身已損壞，透過對損壞樣品的掃描，無法得到正常樣品的資料。在這些情況下，需要對掃描得到的資料進行處理，對點雲的邊界進行修補處理。
然而，由於掃描得到的點雲邊界資料有缺失，得到的邊界資料比較少，邊界看起來就會比較稀薄，和其它地方點密度差別較大，因此修補的難度大。此外，對一些邊界有損壞的物品，由於完全沒有掃描點，無法對邊界進行修復。
鑒於以上內容，有必要提供一種點雲邊界直角邊修補系統及方法，其可以對點雲的邊界進行修復。
一種點雲邊界直角邊修補系統，該系統運行於主機中，該系統包括：三角網格化模組，用於對待測產品的點雲進行三角網格化處理，形成實體面；獲取模組，用於從三角網格化處理後的點雲中獲取邊界點；查找模組，用於查找邊界點中屬於第一面的邊界點及邊界點中屬於第二面的邊界點，所述第一面與第二面為待測產品的兩個銜接面；計算模組，用於計算第一面的邊界點中每點到第二面的映射點，並形成第一面中要修補的第一區域，及計算第二面的邊界點中每點到第一面的映射點，形成第二面中要修補的第二區域；修補區域，用於分別將第一區域劃及第二區域多個小正方形，在每個小正方形區域內隨機生成一個點，當所有小正方形內都有一個點以後，即完成對第一區域及第二區域的修補。
一種點雲邊界直角邊修補方法，該方法運用於主機中，該方法包括如下步驟：對待測產品的點雲進行三角網格化處理，形成實體面；從三角網格化處理後的點雲中獲取邊界點；查找邊界點中屬於第一面的邊界點及邊界點中屬於第二面的邊界點，所述第一面與第二面為待測產品的兩個銜接面；計算第一面的邊界點中每點到第二面的映射點，並形成第一面中要修補的第一區域，及計算第二面的邊界點中每點到第一面的映射點，形成第二面中要修補的第二區域；分別將第一區域劃及第二區域多個小正方形，在每個小正方形區域內隨機生成一個點，當所有小正方形內都有一個點以後，即完成對第一區域及第二區域的修補。
相較於習知技術，所述的點雲邊界直角邊修補系統及方法，其可以對點雲的邊界進行修復。
圖1係本發明點雲邊界直角邊修補系統較佳實施例的運行環境示意圖。
圖2係本發明點雲邊界直角邊修補系統較佳實施例的功能模組圖。
圖3係本發明點雲邊界直角邊修補方法較佳實施例的作業流程圖。
圖4係本發明對點雲進行三角網格化的示意圖。
圖5係本發明點雲中非邊界點的示意圖。
圖6係本發明點雲中邊界點的示意圖。
圖7係本發明修補區域的立體示意圖。
圖8係本發明修補區域的平面示意圖。
圖9係本發明透過小正方形對第一區域及第二區域進行分割的示意圖。
圖10係本發明對分割之後的第一區域及第二區域進行修補的示意圖。
如圖1所示，係本發明點雲邊界直角邊修補系統較佳實施例的運行環境示意圖。該點雲邊界直角邊修補系統10運行於一台主機1中，該主機1連接一台顯示裝置2及輸入裝置3。該主機1包括存放裝置12，至少一個處理器14。所述輸入裝置3可以為鍵盤或滑鼠。所述主機1為，但不限於，個人電腦、伺服器等設備。該主機1還連接有一量測設備4。所述量測設備4透過電子耦合器在不同角度對量測設備4上的待測產品進行三維掃描，並計算得到組成待測產品的點雲。所述點雲保存於一個TXT格式的文檔中，該TXT格式的文檔記錄待測產品的點雲中每個點的座標。
在本實施例中，所述點雲邊界直角邊修補系統10以軟體程式或指令的形式安裝在存放裝置12中，並由處理器14執行。在其它實施例中，所述存放裝置12可以為主機1外接的記憶體。所述點雲邊界直角邊修補系統10用於修補待測產品的兩個面（例如，兩個直角面）銜接時空缺的區域，如圖7中空白部分。
如圖2所示，係本發明點雲邊界直角邊修補系統較佳實施例的功能模組圖。該點雲邊界直角邊修補系統10包括三角網格化模組100、獲取模組102、查找模組104、計算模組106及修補模組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用於對待測產品的點雲進行三角網格化處理，形成實體面。具體而言，從所述待測產品的點雲中任意選取距離最近的兩點確定一條有效邊，以此有效邊作為三角形的邊；尋找該有效邊附近的第三點，要求該有效邊與第三點所構成三角形的外接圓內不包含其它點，否則捨棄該點；依次選取以三角形的另外兩邊作為有效邊，尋找有效邊附近的點，構建新的三角形，要求有效邊與第三點所構成的新的三角形的外接圓內不包含其它點，依次操作迴圈，直到所述點雲中所有的點都被連接成三角形，達到三角網格化的效果，形成實體面。如圖4所示，假設所述點雲有4個的點（實際情況點數目遠大於該值），以AB為基準邊，確定另一個頂點。過三角形ABC的外接圓內不包含其他點，故C點符合要求，而過三角形ABD的外接圓內包含點C，故捨棄D點。最終以A，B，C三點構建三角形。按照上述操作邏輯，依次操作迴圈，再分別以BC邊，AC邊以及新構建的三角形的邊為基準，構建新的三角形，直到點雲中所有的點都被連接成三角形，達到三角網格化的效果，形成實體面。
所述獲取模組102用於從三角網格化處理後的點雲中獲取邊界點。
具體而言，所述獲取邊界點的方式如下：三角網格化處理後的點雲全部由三角形組成，判斷一個點是否為邊界點，需先找出所有以該點為頂點的三角形，依次計算每個三角形中以該點為頂點的夾角的度數，將所有以該點為頂點的夾角度數相加，如果和為360度，則該點不是邊界點，如果和小於360度，則該點為邊界點。如圖5所示，圖中角∠AOB、角∠BOC、角∠COD、角∠DOE、角∠EOF及角∠FOA相加，和等於360，所以可以判斷點O不是邊界點。如圖6所示，圖中角∠ABS及角∠SBC相加，和小於360，所以可以判斷點B就是邊界點。
所述查找模組104用於查找邊界點中屬於第一面的邊界點及邊界點中屬於第二面的邊界點。所述第一面與第二面為待測產品的兩個銜接面。具體而言，查找邊界點中屬於第一面的邊界點的方式為：根據最小二乘法將第一面的點雲擬合成初始平面Plane（c,v)及計算該初始平面的法向量；根據擬牛頓演算法對初始平面的法向量進行反覆運算得到實際旋轉工作面平面Plane1（c1,v1)，即虛擬平面；根據最小二乘法反覆運算第一面的點雲相對虛擬平面的最佳位置,該最佳位置是使得第一面的點雲中的點到虛擬平面距離平方和的平均最小(擬牛頓解非線形方程式)，從而得到第一面的邊界點。所述擬牛頓解非線形方程式為：
其中，（X1,Y1,Z1）為第一平面的點雲中的點座標，（X2,Y2,Z2）為虛擬平面中的座標。透過上述演算法，得到邊界點中屬於第一面的邊界點。查找邊界點中屬於第二面的邊界點的方式與查找邊界點中屬於第一面的邊界點的方式相同。
所述計算模組106用於計算第一面的邊界點中每點到第二面的映射點，並形成第一面中要修補的第一區域，及計算第二面的邊界點中每點到第一面的映射點，形成第二面中要修補的第二區域。
計算第一面的邊界點中每點到第二面的映射點的方式為：假設第一面的邊界點P座標為(X1,Y1,Z1)，第二面擬合平面方程為AX+BY+CZ+D=0，點P到第二面擬合平面的投影點為 P1(X12,Y12,Z12)，其中，常量 T = -(A*X1 + B*Y1 + C*Z1 + D)/(A*A + B*B + C*C)，則 X12 = X1 + A*T，Y12 = Y1 + B*T，Z12 = Z1 + C*T， 由上述公式可以計算出第一面所有邊界點到第二面的投影點。第一面的邊界點和這些邊界點在第二面的投影點共同組成了一個封閉的區域，該區域就是第一面的修補區域，如圖8所示。
計算第二面的邊界點中每點到第一面的映射點的方式與計算第一面的邊界點中每點到第二面的映射點的方式相同。具體而言：
假設第二面的邊界點M座標為(x1,y1,z1)，第一面擬合平面方程為A1X+B1Y+C1Z+D1=0，點M到第一面擬合平面的投影點為 M1(x12,y12,z12)，其中，常量 T1 = -(A1*x1 + B1*y1 + C1*z1 + D1)/(A1*A1 + B1*B1 + C1*C1)，則 x12 = x1 + A1*T1，y12 = y1 + B1*T1，z12 = z1 + C1*T1， 由上述公式可以計算出第二面所有邊界點到第一面的投影點。第二面的邊界點和這些邊界點在第一面的投影點共同組成了一個封閉的區域，該區域就是第二面的修補區域。
所述修補模組108用於對第一區域及第二區域進行修補。具體而言，分別將第一區域劃及第二區域分為多個小正方形（根據點雲資料的點數目等屬性，合理設置修補參數進行劃分），如圖9所示。在每個小正方形區域內隨機生成一個點，當所有小正方形內都有一個點以後，即完成對第一區域及第二區域的修補，如圖10所示所有正方形都有一個點。
如圖3所示，係本發明點雲邊界直角邊修補方法較佳實施例的作業流程圖。
步驟S10，三角網格化模組100對待測產品的點雲進行三角網格化處理，形成實體面。具體而言，從所述待測產品的點雲中任意選取距離最近的兩點確定一條有效邊，以此有效邊作為三角形的邊；尋找該有效邊附近的第三點，要求該有效邊與第三點所構成三角形的外接圓內不包含其它點，否則捨棄該點；依次選取以三角形的另外兩邊作為有效邊，尋找有效邊附近的點，構建新的三角形，要求有效邊與第三點所構成的新的三角形的外接圓內不包含其它點，依次操作迴圈，直到所述點雲中所有的點都被連接成三角形，達到三角網格化的效果，形成實體面。如圖4所示，假設所述點雲有4個的點（實際情況點數目遠大於該值），以AB為基準邊，確定另一個頂點。過三角形ABC的外接圓內不包含其他點，故C點符合要求，而過三角形ABD的外接圓內包含點C，故捨棄D點。最終以A，B，C三點構建三角形。按照上述操作邏輯，依次操作迴圈，再分別以BC邊，AC邊以及新構建的三角形的邊為基準，構建新的三角形，直到點雲中所有的點都被連接成三角形，達到三角網格化的效果，形成實體面。
步驟S20，獲取模組102從三角網格化處理後的點雲中獲取邊界點。
具體而言，所述獲取邊界點的方式如下：三角網格化處理後的點雲全部由三角形組成，判斷一個點是否為邊界點，需先找出所有以該點為頂點的三角形，依次計算每個三角形中以該點為頂點的夾角的度數，將所有以該點為頂點的夾角度數相加，如果和為360度，則該點不是邊界點，如果和小於360度，則該點為邊界點。如圖5所示，圖中角∠AOB、角∠BOC、角∠COD、角∠DOE、角∠EOF及角∠FOA相加，和等於360，所以可以判斷點O不是邊界點。如圖6所示，圖中角∠ABS及角∠SBC相加，和小於360，所以可以判斷點B就是邊界點。
步驟S30，查找模組104查找邊界點中屬於第一面的邊界點及邊界點中屬於第二面的邊界點。所述第一面與第二面為待測產品的兩個銜接面。具體而言，查找邊界點中屬於第一面的邊界點的方式為：根據最小二乘法將第一面的點雲擬合成初始平面Plane（c,v)及計算該初始平面的法向量；根據擬牛頓演算法對初始平面的法向量進行反覆運算得到實際旋轉工作面平面Plane1（c1,v1)，即虛擬平面；根據最小二乘法反覆運算第一面的點雲相對虛擬平面的最佳位置,該最佳位置是使得第一面的點雲中的點到虛擬平面距離平方和的平均最小(擬牛頓解非線形方程式)，從而得到第一面的邊界點。所述擬牛頓解非線形方程式為：
其中，（X1,Y1,Z1）為第一平面的點雲中的點座標，（X2,Y2,Z2）為虛擬平面中的座標。透過上述演算法，得到邊界點中屬於第一面的邊界點。查找邊界點中屬於第二面的邊界點的方式與查找邊界點中屬於第一面的邊界點的方式相同。
步驟S40，計算模組106計算第一面的邊界點中每點到第二面的映射點，並形成第一面中要修補的第一區域，及計算第二面的邊界點中每點到第一面的映射點，形成第二面中要修補的第二區域。
計算第一面的邊界點中每點到第二面的映射點的方式為：假設第一面的邊界點P座標為(X1,Y1,Z1)，第二面擬合平面方程為AX+BY+CZ+D=0，點P到第二面擬合平面的投影點為 P1(X12,Y12,Z12)，其中，常量 T = -(A*X1 + B*Y1 + C*Z1 + D)/(A*A + B*B + C*C)，則 X12 = X1 + A*T，Y12 = Y1 + B*T，Z12 = Z1 + C*T， 由上述公式可以計算出第一面所有邊界點到第二面的投影點。第一面的邊界點和這些邊界點在第二面的投影點共同組成了一個封閉的區域，該區域就是第一面的修補區域，如圖8所示。
計算第二面的邊界點中每點到第一面的映射點的方式與計算第一面的邊界點中每點到第二面的映射點的方式相同。具體而言：
假設第二面的邊界點M座標為(x1,y1,z1)，第一面擬合平面方程為A1X+B1Y+C1Z+D1=0，點M到第一面擬合平面的投影點為 M1(x12,y12,z12)，其中，常量 T1 = -(A1*x1 + B1*y1 + C1*z1 + D1)/(A1*A1 + B1*B1 + C1*C1)，則 x12 = x1 + A1*T1，y12 = y1 + B1*T1，z12 = z1 + C1*T1， 由上述公式可以計算出第二面所有邊界點到第一面的投影點。第二面的邊界點和這些邊界點在第一面的投影點共同組成了一個封閉的區域，該區域就是第二面的修補區域。
步驟S50，修補模組108對第一區域及第二區域進行修補。具體而言，分別將第一區域劃及第二區域分為多個小正方形（根據點雲資料的點數目等屬性，合理設置修補參數進行劃分），如圖9所示。在每個小正方形區域內隨機生成一個點，當所有小正方形內都有一個點以後，即完成對第一區域及第二區域的修補，如圖10所示所有正方形都有一個點。
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‧‧‧主機
2‧‧‧顯示裝置
3‧‧‧輸入裝置
4‧‧‧量測設備
10‧‧‧點雲邊界直角邊修補系統
12‧‧‧存放裝置
14‧‧‧處理器
100‧‧‧三角網格化模組
102‧‧‧獲取模組
104‧‧‧查找模組
106‧‧‧計算模組
108‧‧‧修補模組
無
1‧‧‧主機
10‧‧‧點雲邊界直角邊修補系統
12‧‧‧存放裝置
14‧‧‧處理器
100‧‧‧三角網格化模組
102‧‧‧獲取模組
104‧‧‧查找模組
106‧‧‧計算模組
108‧‧‧修補模組

Claims (10)

  1. 一種點雲邊界直角邊修補系統，該系統運行於主機中，該系統包括：
    三角網格化模組，用於對待測產品的點雲進行三角網格化處理，形成實體面；
    獲取模組，用於從三角網格化處理後的點雲中獲取邊界點；
    查找模組，用於查找邊界點中屬於第一面的邊界點及邊界點中屬於第二面的邊界點，所述第一面與第二面為待測產品的兩個銜接面；
    計算模組，用於計算第一面的邊界點中每點到第二面的映射點，並形成第一面中要修補的第一區域，及計算第二面的邊界點中每點到第一面的映射點，形成第二面中要修補的第二區域；及
    修補區域，用於分別將第一區域劃及第二區域多個小正方形，在每個小正方形區域內隨機生成一個點，當所有小正方形內都有一個點以後，即完成對第一區域及第二區域的修補。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之點雲邊界直角邊修補系統，其中，對所述點雲進行三角網格化處理的方式如下：
    從所述待測產品的點雲中任意選取距離最近的兩點確定一條有效邊，以此有效邊作為三角形的邊；
    尋找該有效邊附近的第三點，要求該有效邊與第三點所構成三角形的外接圓內不包含其它點，否則捨棄該點；
    依次選取以三角形的另外兩邊作為有效邊，尋找有效邊附近的點，構建新的三角形，要求有效邊與第三點所構成的新的三角形的外接圓內不包含其它點，依次操作迴圈，直到所述點雲中所有點都被連接成三角形，達到三角網格化的效果，形成實體面。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之點雲邊界直角邊修補系統，其中，所述獲取邊界點的方式如下：找出三角網格化處理後形成的實體面中所有以某一點為頂點的三角形，依次計算每個三角形中以該點為頂點的夾角的度數，將所有以該點為頂點的夾角的度數相加，如果其和小於360度，則該點為邊界點。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之點雲邊界直角邊修補系統，其中，所述計算第一面的邊界點中每點到第二面的映射點的方式為：
    假設第一面的邊界點P座標為(X1,Y1,Z1)，第二面擬合平面方程為AX+BY+CZ+D=0，點P到第二面擬合平面的投影點為 P1(X12,Y12,Z12)，其中，常量 T = -(A*X1 + B*Y1 + C*Z1 + D)/(A*A + B*B + C*C)，則 X12 = X1 + A*T，Y12 = Y1 + B*T，Z12 = Z1 + C*T， 由上述公式可以計算出第一面所有邊界點到第二面的投影點；及
    第一面的邊界點和這些邊界點在第二面的投影點共同組成了一個封閉的區域，該區域就是第一面的修補區域。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之點雲邊界直角邊修補系統，其中，計算第二面的邊界點中每點到第一面的映射點的方式如下：
    假設第二面的邊界點M座標為(x1,y1,z1)，第一面擬合平面方程為A1X+B1Y+C1Z+D1=0，點M到第一面擬合平面的投影點為 M1(x12,y12,z12)，其中，常量 T1 = -(A1*x1 + B1*y1 + C1*z1 + D1)/(A1*A1 + B1*B1 + C1*C1)，則 x12 = x1 + A1*T1，y12 = y1 + B1*T1，z12 = z1 + C1*T1， 由上述公式可以計算出第二面所有邊界點到第一面的投影點；及
    第二面的邊界點和這些邊界點在第一面的投影點共同組成了一個封閉的區域，該區域就是第二面的修補區域。
  6. 一種點雲邊界直角邊修補方法，該方法運用於主機中，該方法包括如下步驟：
    對待測產品的點雲進行三角網格化處理，形成實體面；
    從三角網格化處理後的點雲中獲取邊界點；
    查找邊界點中屬於第一面的邊界點及邊界點中屬於第二面的邊界點，所述第一面與第二面為待測產品的兩個銜接面；
    計算第一面的邊界點中每點到第二面的映射點，並形成第一面中要修補的第一區域，及計算第二面的邊界點中每點到第一面的映射點，形成第二面中要修補的第二區域；及
    分別將第一區域劃及第二區域多個小正方形，在每個小正方形區域內隨機生成一個點，當所有小正方形內都有一個點以後，即完成對第一區域及第二區域的修補。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之點雲邊界直角邊修補方法，其中，對所述點雲進行三角網格化處理的方式如下：
    從所述待測產品的點雲中任意選取距離最近的兩點確定一條有效邊，以此有效邊作為三角形的邊；
    尋找該有效邊附近的第三點，要求該有效邊與第三點所構成三角形的外接圓內不包含其它點，否則捨棄該點；
    依次選取以三角形的另外兩邊作為有效邊，尋找有效邊附近的點，構建新的三角形，要求有效邊與第三點所構成的新的三角形的外接圓內不包含其它點，依次操作迴圈，直到所述點雲中所有點都被連接成三角形，達到三角網格化的效果，形成實體面。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之點雲邊界直角邊修補方法，其中，所述獲取邊界點的方式如下：找出三角網格化處理後形成的實體面中所有以某一點為頂點的三角形，依次計算每個三角形中以該點為頂點的夾角的度數，將所有以該點為頂點的夾角的度數相加，如果其和小於360度，則該點為邊界點。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之點雲邊界直角邊修補方法，其中，所述計算第一面的邊界點中每點到第二面的映射點的方式為：
    假設第一面的邊界點P座標為(X1,Y1,Z1)，第二面擬合平面方程為AX+BY+CZ+D=0，點P到第二面擬合平面的投影點為 P1(X12,Y12,Z12)，其中，常量 T = -(A*X1 + B*Y1 + C*Z1 + D)/(A*A + B*B + C*C)，則 X12 = X1 + A*T，Y12 = Y1 + B*T，Z12 = Z1 + C*T， 由上述公式可以計算出第一面所有邊界點到第二面的投影點；及
    第一面的邊界點和這些邊界點在第二面的投影點共同組成了一個封閉的區域，該區域就是第一面的修補區域。
  10. 如申請專利範圍第6項所述之點雲邊界直角邊修補方法，其中，計算第二面的邊界點中每點到第一面的映射點的方式如下：
    假設第二面的邊界點M座標為(x1,y1,z1)，第一面擬合平面方程為A1X+B1Y+C1Z+D1=0，點M到第一面擬合平面的投影點為 M1(x12,y12,z12)，其中，常量 T1 = -(A1*x1 + B1*y1 + C1*z1 + D1)/(A1*A1 + B1*B1 + C1*C1)，則 x12 = x1 + A1*T1，y12 = y1 + B1*T1，z12 = z1 + C1*T1， 由上述公式可以計算出第二面所有邊界點到第一面的投影點；及
    第二面的邊界點和這些邊界點在第一面的投影點共同組成了一個封閉的區域，該區域就是第二面的修補區域。
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