TW202124910A - 工件孔洞量測方法 - Google Patents
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Abstract
一種工件孔洞量測方法,用於量測設有孔洞的工件,首先取得工件的三維點雲模型以及二維影像,接著依據二維影像之反射強度差異於三維點雲模型界定第一輪廓,接著分別依據第一輪廓以建立第二輪廓及第三輪廓,接著界定第二輪廓與該第三輪廓之間為資料點測試區域,接著分別沿著資料點測試區域之多個剖線方向建立多個資料點取樣區域,接著從每一資料點取樣區域內取樣具有最大轉折幅度的一資料點作為一轉折點以建立一轉折點集合,最後將轉折點集合內的所有轉折點相互連接以建立該孔洞的邊緣。
Description
本發明係關於一種孔洞量測方法。
隨著電子產品精密度提高與種類之多樣性,例如行動裝置、醫療設備或車用電子,進行百分之百的全檢為必然趨勢。對於一般尺寸量測項目而言,三維孔洞之量測已為需求大宗,因此三維量測技術已成為發展重點。
關於三維量測技術,如何提高偵測孔洞輪廓之轉折點的準確度為精準量測的關鍵因素,且技術門檻也較高。目前待測工件上的直孔或埋孔之尺寸量測,仰賴人工方式使用塞規進行接觸式量測,當需要待測的孔洞數量龐大時,十分耗時且精確度因為不同人的操作導致精確度不佳。為了維持檢測效率與檢測品質,唯有發展非接觸式全自動量測技術才能因應市場的快速量測需求。
本發明在於提供一種工件孔洞量測方法,透過二維影像資料與三維點雲資料之搭配,快速地定位待測工件之孔洞邊緣,達到快速及精確量測之目的。
本發明所揭露的工件孔洞量測方法,用於量測設有一孔洞的一工件,包括:取得工件的三維點雲模型以及二維影像;依據二維影像之影像強度差異於三維點雲模型界定第一輪廓;依據第一輪廓分別以建立第二輪廓以及第三輪廓;定義第二輪廓與第三輪廓之間為資料點測試區域; 分別沿著資料點測試區域之多個剖線方向建立多個資料點取樣區域,每一剖線方向從第二輪廓延伸至第三輪廓,每一資料點取樣區域內分佈有多個資料點;分別取樣每一該些資料點取樣區域內一轉折幅度最大的資料點作為一轉折點以建立轉折點集合;將轉折點集合內的所有轉折點相互連接以建立孔洞的邊緣。
本發明所揭露的工件孔洞量測方法,首先利用二維影像之反射強度資訊來估計孔洞於待測工件表面的位置,藉此解決三維點雲的資料量龐大且計算耗時之問題,以滿足快速量測之目的。再者,透過二維影像與三維點雲模型之交互搭配,更精準地判斷資料點是否符合孔洞邊緣,達到精準量測孔洞以及快速全檢之效果。
以上之關於本揭露內容之說明及以下之實施方式之說明係用以示範與解釋本發明之精神與原理,並且提供本發明之專利申請範圍更進一步之解釋。
以下在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點,其內容足以使任何熟習相關技藝者了解本發明之技術內容並據以實施,且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式,任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明相關之目的及優點。以下之實施例係進一步詳細說明本發明之觀點,但非以任何觀點限制本發明之範疇。
圖1係為根據本發明第一實施例所繪示之工件孔洞量測方法的流程圖。如圖1所示,工件孔洞量測方法用於量測設有孔洞的待測工件,在步驟S101中,透過一三維取像裝置對待測工件進行掃描以取得該待測工件的三維點雲模型以及透過影像擷取裝置對待測工件進行拍攝以取得該待測工件的二維影像,其中三維取像裝置可包含有結構光或雷射掃描儀。其中三維點雲模型以多個資料點的型式記錄,每一個資料點包含有三維座標資料及色彩資訊。二維影像包含有影像強度(Intensity)資訊,影像強度資訊描述影像之灰階值強度。在步驟S102中,依據二維影像之不同區域之間的影像強度差異可於三維點雲模型界定一第一輪廓。具體而言,二維影像包含第一區域影像以及第二區域影像,其中第一區域影像之灰階值強度小於該第二區域影像之灰階值強度,藉此將第一區域影像的位置估計為孔洞於待測工件之表面的位置,且將第一區域影像之邊緣定義為一第一輪廓,其中第一輪廓具有一中心點。在步驟S103中,分別依據第一輪廓建立一第二輪廓以及一第三輪廓,該第一輪廓、該第二輪廓以及該第三輪廓共用該中心點,第一輪廓包圍第二輪廓而第一輪廓與第二輪廓之間具有第一半徑比。第三輪廓包圍第一輪廓以及第二輪廓而第三輪廓與第一輪廓之間具有第二半徑比。在本實施例中,第一半徑比等於第二半徑比,意即第一輪廓依據相同比例分別建立第二輪廓與第三輪廓。在其他實施例中,第一半徑比可相異於第二半徑比,意即第一輪廓以不同比例建立第二輪廓與第三輪廓。在步驟S104中,定義第二輪廓與該第三輪廓之間為一資料點測試區域,藉此估計孔洞的邊緣於待測工件的表面的位置。在步驟S105中,分別沿著該資料點測試區域之多個剖線方向建立多個資料點取樣區域,其中每一剖線方向從第二輪廓延伸至第三輪廓,而每一資料點取樣區域內分佈具有多個資料點。在步驟S106中,分別取樣每一該些資料點取樣區域內之一轉折幅度最大的資料點作為一轉折點以建立一轉折點集合。詳言之,判斷每一資料點取樣區域內的所有資料點的轉折點幅度,並將轉折點幅度最大的資料點視為轉折點,且蒐集該些轉折點以建立轉折點集合,而每一個資料點取樣區域只存在一個轉折點。在步驟S107中,將轉折點集合內的該些轉折點相互連接以建立孔洞的邊緣。
圖2為圖1的工件孔洞量測方法之界定資料點測試區域的示意圖。為更為清楚理解步驟S103及步驟S104之技術內容,可共同參閱圖1及圖2,其中第一輪廓11包圍第二輪廓12,第三輪廓13包圍第一輪廓11,而第二輪廓12與第三輪廓13之間的環形區域即為步驟S104所界定的資料點測試區域。
圖3為圖1的工件孔洞量測方法之界定資料點取樣區域的示意圖。為更為清楚理解步驟S105之技術內容,可共同參閱圖1及圖3,第二輪廓12與第三輪廓13之間的環形區域內依據共同的中心點O以相同角度間隔定義出以中心點O向外的多個剖線方向C1~C8,而該些剖線方向C1~C8從第二輪廓12延伸至第三輪廓13。圖4為沿著圖3的剖線方向C2進行資料點取樣之示意圖,如圖4所示,在資料點測試區域的剖線方向C2上分佈有多個資料點P1~P16,而該些資料點P1~P16沿著Z軸方向上下起伏。在其他實施例中,該些剖線方向C1~C8相對於中心點O亦可具有不同的角度間隔。本實施例中,取像之資料點以直角座標系來表示。在其他實施例,取樣之資料點之座標可採用極座標系來表示。
圖5為圖1的工件孔洞量測方法之取樣轉折點集合的細部流程圖。如圖5所示,在步驟S106-1中,首先分別計算分佈於該些資料點取樣區域內的多個起伏標準差。詳言之,每一資料點取樣區域內第一輪廓11延伸至第三輪廓13分佈有多個資料點皆具有不同Z軸座標,依據該些Z軸座標計算出該資料點取樣區域之一個起伏標準差。在步驟S106-2中,依據該些起伏標準差分別對該些資料點取樣區域執行直線擬合演算法以建立多個資料點取樣線段,其中每一資料點取樣線段的長度等於第二輪廓12延伸至第三輪廓13,且每一資料點取樣線段的Z軸方向的寬度等於資料點取樣區域之起伏標準差。在步驟S106-3中,濾除每一資料點取樣區域中具有大於該資料點取樣區域之起伏標準差的Z軸座標的部分資料點。具體而言,意即將分佈於資料點取樣線段之外的部分資料點視為異常點(outlier)。在步驟S106-4中,分別對該些資料點取樣線段執行視窗演算法以建立轉折點集合。詳言之,視窗演算法對於每一資料點取樣線段之內之各資料點建立內外二側的相同大小的兩個虛擬視窗。隨後,判斷內外二側的兩個虛擬視窗內涵蓋資料點數量之間的資料點數量差,並將具有最大資料點數量差的 資料點視為轉折點。
圖6為圖5的工件孔洞量測方法之建立資料點取樣線段之示意圖,為更為清楚理解步驟S106-2及步驟S106-3之技術內容,可共同參閱圖1及圖5。資料點取樣線段14的Z軸方向的寬度等於資料點取樣區域的起伏標準差,其中資料點P4、P7及P11分佈於資料點取樣線段14之外。在本實施例中,資料點P4、P7與P11意即視為異常點。
圖7為圖5的工件孔洞量測方法之取樣轉折點集合之示意圖,為更為清楚理解步驟S106-4之技術內容,可共同參閱圖5及圖7,視窗演算法對於每一資料點取樣線段14之內的各資料點(資料點P4、P7以及P11除外)建立內外兩側相同大小的虛擬視窗,例如資料點P1建立第一虛擬視窗W1及第二虛擬視窗W2,資料點P9建立第三虛擬視窗W3以及第四虛擬視窗W4,而第一虛擬視窗W1、第二虛擬視窗W2、第三虛擬視窗W3以及第四虛擬視窗W4內的資料點數量分別為0個、3個、3個及3個。第一虛擬視窗W1內之資料點數量與第二虛擬視窗W2內之資料點數量之間的資料點數量差為3個,第二虛擬視窗W2內之資料點數量與第三視窗W3內之資料點數量之間的差值為0個,而第三虛擬視窗W3內之資料點數量與第四虛擬視窗W4內之資料點數量之間的差值為0個。由於第一虛擬視窗W1與第二虛擬視窗W2之間具有最大值的資料點數量差,於是判斷資料點P1為轉折點。可以理解地,對於沿著其他剖線方向延伸的資料點取樣線段14執行上述視窗演算法,即可判斷出其他多個轉折點,最後取樣所有資料點取樣線段內的轉折點以建立轉折點集合。
除了上述視窗演算法,本發明更提供另一種孔洞邊緣之判斷方法,其透過計算資料點取樣線段14內的資料點的二階導數,沿著剖線方向的二階導數由正值轉為負值時,可判斷轉為二階導數為負值的資料點為孔洞之邊緣點。
圖8係為根據本發明第二實施例所繪示之工件孔洞量測方法的流程圖。如圖8所示,工件孔洞量測方法之第二實施例更包括步驟S108:依據轉折點集合以建立孔洞之邊緣之後,執行一過濾轉折點集合內的雜訊的方法以建立邊緣點集合。
圖9為圖8之過濾轉折點點集合內的雜訊的細部方法流程圖。如圖9所示,在步驟S108-1中,映射一橢圓立方環於轉折點集合,而橢圓立方環具有一初始環半徑。在步驟S108-2中,濾除分佈於橢圓立方環之外的轉折點,意即將分佈於橢圓立方環之外的轉折點視為異常點。在步驟S108-3中,判斷位於橢圓立方環內的任二個轉折點之間的夾角變異是否大於或等於第一閥值。當夾角變異大於或等於第一閥值,則執行步驟S108-4。反之當夾角變異小於第一閥值,則執行步驟S108-5。在步驟S108-4中,取樣位於橢圓立方環內的所有轉折點以建立邊緣點集合。詳言之,意即分佈於橢圓立方環內的所有轉折點視為邊緣點,並蒐集所有邊緣點以建立邊緣點集合。在步驟S108-5中,執行最佳化收斂函數(如下所示)以依據固定比例減縮橢圓立方環的環半徑,而每一次減縮橢圓立方環的環半徑之後,便返回步驟S108-3。
T(p,r)=0,p落於橢圓立方環之環管外。
圖10A及圖10B為圖8之過濾轉折點集合內的雜訊的示意圖。如圖10A所示,轉折點集合包含有多個轉折點E1~E20,橢圓立方環16具有橢圓中心點O1,其中轉折點E2、E4、E11、E15、E18及E20分佈於橢圓立方環16之外,故將轉折點E2、E4、E11、E15、E18及E20視為異常點並加以濾除。再者,其中轉折點E5與轉折點E6之夾角小於第一閥值,故執行最佳化收斂函數以縮減橢圓立方環16之環半徑r。如圖10B所示,由於判斷經過縮減之橢圓立方環16’內的轉折點E1及E17之夾角大於第一閥值,結束執行最佳化收斂函數。
圖11係為根據本發明第三實施例所繪示之工件孔洞量測方法的流程圖。如圖11所示,工件孔洞量測方法之第三實施例更包括步驟S109:依據轉折點集合以建立孔洞之邊緣之後,執行孔洞類型判斷程序。
圖12為圖11之孔洞類型判斷程序的細部方法流程圖。如圖12所示,在步驟S109-1中,計算孔洞之邊緣的外側的外側資料點密度。在步驟S109-2中,計算孔洞之邊緣的內側的內側資料點密度。在步驟S109-3中,判斷外側資料點密度與內側資料點密度之密度差是否大於或等於第二閥值。當密度差大於或等於該第二閥值時,執行步驟S109-4:判斷孔洞為直孔。詳言之,直孔之邊緣的外側應分佈有資料點,反之直孔之邊緣的內側幾乎沒有分佈資料點,所以直孔之邊緣的外側與內側之間的資料點密度差應該會很大,所以當孔洞之外側與內側之資料點密度差太大時,孔洞有很大機率屬於直孔。反之,當密度差小於第二閥值時,執行步驟S109-5:判斷孔洞的邊緣的外側與內側之間的夾角標準差是否大於或等於第三閥值。當夾角標準差大於或等於該第三閥值,則執行步驟S109-6:判斷孔洞為直孔。當夾角標準差小於該第三閥值,則執行步驟S109-7:判斷孔洞為埋孔。詳言之,直孔之孔壁與工件表面之夾角標準差大於埋孔之內側孔壁與工件表面之夾角標準差,其中埋孔之內側孔壁界定於埋孔的外孔邊緣與內孔邊緣之間。
進一步來說,圖13A與圖13B分別繪示圖12的埋孔以及直孔的資料點分佈示意圖。請同時參考圖3及圖13A及13B,其中多條剖線C1~C8之任一條的皆具有多個資料點,其中圖13A的參考線L1與參考線L2所的夾角為K,圖13B的參考線L1與參考線L2的夾角為K’,如圖3所示,孔洞之C1~C8的8條剖線的夾角皆如圖13A的夾角,則孔洞的8條剖線之8個夾角之夾角標準差將小於該第三閥值,該孔洞判斷為埋孔;反之,若孔洞之C1~C8的8條剖線的8個夾角可能包括圖13A的夾角K或圖13B的夾角K’,則該孔洞之C1~C8的8條剖線的8個夾角之夾角標準差將大於或等於該第三閥值,該孔洞判斷為直孔。
當依據孔洞類型判斷程序得知孔洞為直孔時,則圖1的步驟S107中所取得的邊緣,即為直孔的邊緣。當依據孔洞類型判斷程序得知孔洞為埋孔時,圖1的步驟S107中所取得的邊緣僅為埋孔的外孔邊緣。因此,當判斷孔洞為埋孔時,在步驟S102中的二維影像的第一區域影像內更包含第三區域影像,而第三區域影像於第一區域影像中具有最小灰階值強度,藉此將第三區域影像的位置估計為埋洞的內孔相對於整個埋孔的所在位置,而第三區域影像之輪廓定義為一第四輪廓。當取得第四輪廓後,針對第四輪廓依序執行圖1的步驟S103至步驟S107,藉此取得埋孔的內孔邊緣。
綜合以上所述,目前三維孔洞之量測,仍多依賴人工使用塞規進行接觸式量測,當需要量測大量孔洞時,不但耗時且精確度難以全部一致。本發明所揭露的工件孔洞量測方法, 首先利用二維影像之反射強度資訊來估計孔洞於工件表面的位置,藉此解決三維點雲模型的資料量龐大且計算耗時之問題,以滿足快速量測之目的。再者,透過二維影像與三維點雲模型之交互搭配,更精準地判斷資料點是否符合孔洞邊緣,達到精準量測孔洞以及快速全檢之效果。
雖然本發明以前述之實施例揭露如上,然其並非用以限定本發明。在不脫離本發明之精神和範圍內,所為之更動與潤飾,均屬本發明之專利保護範圍。關於本發明所界定之保護範圍請參考所附之申請專利範圍。
11:第一輪廓
12:第二輪廓
13:第三輪廓
O:中心點
C1~C8:剖線方向
P1~P16:資料點
14:資料點取樣線段
W1:第一虛擬視窗
W2:第二虛擬視窗
W3:第三虛擬視窗
W4:第四虛擬視窗
E1~E20:轉折點
16、16’:橢圓立方環
O1:橢圓中心點
L1、L2:參考線
K、K’:夾角
圖1係為根據本發明第一實施例所繪示之工件孔洞量測方法的流程圖。
圖2為圖1的工件孔洞量測方法之界定資料點測試區域的示意圖。
圖3為圖1的工件孔洞量測方法之界定資料點取樣區域的示意圖。
圖4為沿著圖3的其中一條剖線方向進行資料點取樣之示意圖。
圖5為圖1的工件孔洞量測方法之判斷孔洞邊緣的細部流程圖。
圖6為圖5的工件孔洞量測方法之建立資料點分佈線段之示意圖。
圖7為圖5的工件孔洞量測方法之取樣轉折點集合之示意圖。
圖8係為根據本發明第二實施例所繪示之工件孔洞量測方法的流程圖。
圖9為圖8之過濾轉折點點集合內的雜訊的細部方法流程圖。
圖10A及圖10B為圖8之過濾轉折點集合內的雜訊的示意圖。
圖11係為根據本發明第三實施例所繪示之工件孔洞量測方法的流程圖。
圖12為圖11之孔洞類型判斷程序的細部方法流程圖。
圖13A與圖13B分別繪示圖12的埋孔以及直孔的資料點分佈示意圖。
流程圖無標號
Claims (10)
- 一種工件孔洞量測方法,用於量測設有一孔洞的一工件,包括:分別取得關於該工件的一三維點雲模型以及一二維影像;依據該二維影像之影像強度差異,以便於該三維點雲模型界定一第一輪廓;依據該第一輪廓分別建立一第二輪廓以及一第三輪廓;界定該第二輪廓與該第三輪廓之間為一資料點測試區域; 沿著該資料點測試區域之多個剖線方向分別建立多個資料點取樣區域,每一剖線方向從該第三輪廓延伸至該第二輪廓;分別取樣每一該些資料點取樣區域內之一轉折幅度最大的資料點作為一轉折點以建立一轉折點集合;將該轉折點集合內的該些轉折點相互連接以建立該孔洞的一邊緣。
- 如請求項1所述之工件孔洞量測方法,其中該二維影像包含一第一區域影像以及一第二區域影像,該第一區域影像之灰階值強度小於該第二區域影像之灰階值強度,估計該第一區域影像之位置對應於該孔洞於該工件之一表面的位置。
- 如請求項1所述之工件孔洞量測方法,其中該第一輪廓具有一中心點,該第一輪廓、該第二輪廓以及該第三輪廓共用該中心點,該第一輪廓包圍該第二輪廓且第一輪廓與該第二輪廓之間具有一第一半徑比,該第三輪廓包圍該第一輪廓與該第二輪廓且該第三輪廓與該第一輪廓之間具有一第二半徑比,而該第一半徑比等於該第二半徑比。
- 如請求項1所述之工件孔洞量測方法,其中該第一輪廓與該第二輪廓之間具有一第一半徑比,該第三輪廓與該第一輪廓之間具有一第二半徑比,該第一半徑比相異於該第二半徑比。
- 如請求項1所述之工件孔洞量測方法,其中分別取樣每一該些資料點取樣區域內之該轉折幅度最大的資料點作為該轉折點以建立該轉折點集合包含:計算每一資料點取樣區域內的多個資料點的一起伏標準差;依據該些起伏標準差分別對該些資料點取樣區域執行直線擬合演算法以建立多個資料點分佈線段,每一資料點分佈線段的寬度等於該起伏標準差;分別濾除位於該些資料點分佈線段之外的部分該些資料點;分別於該些資料點分佈線段執行視窗演算法以建立該轉折點集合。
- 如請求項1所述之工件孔洞量測方法,更包括在將該轉折點集合內的所有轉折點相互連接以建立該孔洞的該邊緣之後,執行一過濾該轉折點集合內的雜訊的方法。
- 如請求項6所述之工件孔洞量測方法,其中該過濾該轉折點集合內的雜訊的方法包含:映射一橢圓立方環於該該轉折點集合;濾除分佈於該橢圓立方環之外的資料點;判斷分佈於該橢圓立方環內的任二個資料點之間的夾角是否大於或等於一第一閥值;當該夾角大於或等於該第一閥值,取樣分佈於該橢圓立方環內的資料點以建立一邊緣點集合;當該夾角小於該第一閥值,持續遞減該橢圓立方環內的環半徑,直到位於該橢圓立方環內的任二個資料點之間的夾角大於或等於該第一閥值為止。
- 如請求項1所述之工件孔洞量測方法,更包括在將該轉折點集合內的所有轉折點相互連接以建立該孔洞的該邊緣之後,執行一孔洞類型判斷程序。
- 如請求項8所述之工件孔洞量測方法,其中該孔洞類型判斷程序包含:計算該孔洞的該邊緣的外側的一外側資料點密度;計算該孔洞的該邊緣的內側的一內側資料點密度;判斷該外側資料點密度與該內側資料點密度之一密度差是否大於或等於一第二閥值;當該密度差大於或等於該第二閥值時,判斷該孔洞為一直孔。
- 如請求項9所述之工件孔洞量測方法,其中該孔洞類型判斷程序更包含:當該密度差小於該第二閥值時,判斷該孔洞的該邊緣的外側與該孔洞的該邊緣的內側之間的一夾角標準差是否大於或等於一第三閥值;當該夾角標準差大於或等於該第三閥值,判斷該孔洞為一直孔;當該夾角標準差小於該第三閥值,判斷該孔洞為一埋孔。
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