TWI491848B - 點雲提取系統及方法 - Google Patents

Description

點雲提取系統及方法

本發明涉及一種量測系統及方法，尤其涉及一種點雲提取系統及方法。

近年來，隨著電腦硬體性能的提高及價格的降低，其在掃描系統中被大量的引入。做法一般是使用掃描裝置掃描產品以獲得組成該產品的點雲（即由多個三維離散點組成的點的集合），而後將點雲資料登錄電腦，執行相應軟體對點雲資料進行各種處理。在檢測產品時，通常需要對產品的局部進行檢測，然而，大部分掃描裝置在掃描產品時，無法精確到只掃描產品的某一個局部，因此，會產生許多的雜點。當需要對某個局部檢測時，需要去除這些雜點，進而提取該局部的點雲。

傳統點雲提取方法為：（1）根據操作人員的需求將點雲旋轉到合適的角度；（2）利用多義線進行框選，去除大部分多餘點；不斷重複步驟（1）與步驟（2）以對點雲進行裁剪，直到操作人員認為不需要再進行剪切為止。該點雲提取方法存在如下缺陷：（1）操作複雜，速度慢且容易出錯，例如，在裁剪一些複雜點雲時，操作人員需要不斷地重複操作，如不斷地旋轉視角、不斷地用多義線去除不需要的點；（2）操作人員必須要有一定點雲剪切及產品檢測的經驗；（3）在裁剪一些複雜的多層點雲時，利用視角及多義線不能精確地完成點雲的提取。

鑒於以上內容，有必要提供一種點雲提取系統及方法，可自動地從量測工件所獲得的點雲中提取組成工件局部的點，其操作簡單、速度快且精度較高。

一種點雲提取系統，該系統包括：接收模組，用於接收工件的理論設計圖檔、實際量測該工件得到的點雲，及理論設計圖檔中記載的工件的曲面與點雲間的公差；對齊模組，用於採用最佳擬合法將該曲面與點雲進行對齊；點雲粗過濾模組，用於找出曲面的子物件分別在X軸、Y軸和Z軸上的最大座標值和最小座標值，以建立曲面的最大包圍盒，並去除上述點雲中不在該最大包圍盒中的點，以實現點雲的粗過濾；點雲精過濾模組，用於根據上述子物件在X軸、Y軸和Z軸上的最大座標值和最小座標值，及點雲中相鄰點間距的平均值，將上述最大包圍盒劃分成多個最小包圍盒，並透過精過濾條件對上述粗過濾後所保留的點再次進行過濾；及輸出模組，用於輸出上述點雲精過濾步驟中過濾後所保留的點，並根據輸出的點繪製工件。

一種點雲提取方法，該方法包括：接收步驟，接收工件的理論設計圖檔、實際量測該工件得到的點雲，及理論設計圖檔中記載的工件的曲面與點雲間的公差；對齊步驟，採用最佳擬合法將該曲面與點雲進行對齊；點雲粗過濾步驟，找出曲面的子物件分別在X軸、Y軸和Z軸上的最大座標值和最小座標值，以建立曲面的最大包圍盒，並去除上述點雲中不在該最大包圍盒中的點，以實現點雲的粗過濾；點雲精過濾步驟，根據上述子物件在X軸、Y軸和Z軸上的最大座標值和最小座標值，及點雲中相鄰點間距的平均值，將上述最大包圍盒劃分成多個最小包圍盒，並透過精過濾條件對上述粗過濾後所保留的點再次進行過濾；及輸出步驟，輸出上述點雲精過濾步驟中過濾後所保留的點，並根據輸出的點繪製工件。

相較於習知技術，所述的點雲提取系統及方法，可自動地從量測工件所獲得的點雲中提取組成工件局部的點，無需操作人員來回旋轉視圖進行剪切，操作簡單、速度快且不易出錯，重複性較好，精度也較高。

如圖1所示，係本發明較佳實施例中的點雲提取系統之運行環境示意圖。該點雲提取系統1運行於一台電子裝置100中，該電子裝置100包括儲存設備2、至少一個處理器3和一台顯示設備4。

在本實施例中，所述點雲提取系統1以軟體程式或指令的形式安裝在儲存設備2中，並由處理器3執行。該點雲提取系統1用於從量測工件所獲取的大量點雲中提取出工件某個局部的點雲，並去除雜點，以對該局部的特徵進行分析。

所述點雲提取系統1包括接收模組10、對齊模組12、點雲粗過濾模組14、點雲精過濾模組16及輸出模組18。其中，如圖2所示，點雲精過濾模組16包括盒子創建子模組160、三角形與最小包圍盒關聯子模組162、點雲與最小包圍盒關聯子模組164和過濾子模組166。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，因此在本發明以下對軟體描述都以模組描述。該點雲提取系統1中各模組的功能將在圖3至圖6中進行詳細描述。

如圖3所示，係本發明較佳實施例中的點雲提取方法之作業流程圖。

步驟S1，接收模組10接收工件的理論設計圖檔、實際量測該工件得到的點雲，及理論設計圖檔中記載的該工件的曲面（即標準曲面）與點雲間的公差。其中，公差可由用戶自定義，該公差用於表示工件的理論圖檔與實際量測的點雲所構成的圖檔間的相似度。

步驟S3，對齊模組12採用最佳擬合法（BestFit）將該曲面與點雲進行對齊。

具體而言，對齊模組12透過上述曲面的多個子物件創建一個參考座標系，並透過實際量測工件所獲得的點雲創建一個移動座標系，根據該參考座標系和移動座標系構造一個相對座標系，透過該相對座標系計算一個操作矩陣，及透過該操作矩陣使上述曲面與實際量測工件所獲得的點雲對齊。本實施例中，所述曲面的子對象包括點、線、面、圓、圓柱、圓錐、圓球、曲線、三角面。其中，三角面是指由多個三角形平面拼接在一起所構成的面。

步驟S5，點雲粗過濾模組14找出曲面的子物件分別在X軸、Y軸和Z軸上的最大座標值和最小座標值，以建立曲面的最大包圍盒，並去除上述點雲中不在該最大包圍盒中的點，以實現點雲的粗過濾。其中，該最大包圍盒所對應的函數為boxSur(ptMin.x, ptMin.y, ptMin.z, ptMax.x, ptMax.y, ptMax.z)，判斷點雲中的點是否在最大包圍盒中的判斷條件為，判斷點的座標值是否在ptMin與ptMax之間。若點的座標值在ptMin與ptMax之間，就表示該點在曲面的最大包圍盒中。

步驟S7，點雲精過濾模組16根據上述子物件在X軸、Y軸和Z軸上的最大座標值和最小座標值，及點雲中相鄰點間距的平均值，將上述最大包圍盒劃分成多個最小包圍盒，並透過精過濾條件對上述粗過濾後所保留的點再次進行過濾。本實施例中，該精過濾條件包括：判斷所述曲面與最小包圍盒是否相交、判定點雲中的點所在的最小包圍盒、各點到與對應最小包圍盒相交的三角形的距離是否小於或等於所述公差，及點的法向與該三角形的法向是否一致等。具體的精過濾方法將在圖4中進行詳細描述。

步驟S9，輸出模組18輸出上述滿足精過濾條件後所保留的點，並根據輸出的點繪製工件。本實施例中，透過比對該繪製的工件的圖檔與理論設計圖檔，可分析得出該提取出的點雲所對應的工件的局部是否合格。

如圖4所示，係圖3中步驟S7的具體作業流程圖。

步驟S700，盒子創建子模組160根據上述子物件在X軸、Y軸和Z軸上的最大座標值（ptMax）和最小座標值（ptMin），及點雲中相鄰點間距的平均值（dBoxStep），將上述最大包圍盒劃分成多個最小包圍盒，每個最小包圍盒對應一個包圍盒陣列。

具體而言，假設nRefX為X軸方向的最小包圍盒的個數，nRefY為Y軸方向的最小包圍盒的個數，nRefZ為Z軸方向的最小包圍盒的個數，其中，nRefX = (ptMax [X] - ptMin [X]) / dBoxStep，nRefY = (ptMax [Y] - ptMin [Y]) / dBoxStep，nRefZ = (ptMax [Z] - ptMin [Z]) / dBoxStep。將最大包圍盒劃分成多個最小包圍盒後，最小包圍盒的總數為iBoxNum = nRefX * nRefY * nRefZ。

步驟S702，三角形與最小包圍盒關聯子模組162將所述曲面三角網格化以得到多個三角形組成的曲面。

步驟S704，三角形與最小包圍盒關聯子模組162計算與分析各三角形是否與一個最小包圍盒相交。若有三角形與所述最小包圍盒相交，則流程進入步驟S706。若沒有三角形與所述最小包圍盒相交，則表明該最小包圍盒與曲面不相關，流程進入步驟S714。

步驟S706，所述三角形與最小包圍盒關聯子模組162將該三角形的標識加入到該最小包圍盒的陣列中，以實現三角形與最小包圍盒的關聯。本實施例中，最小包圍盒的陣列中所加入的標識為：與該最小包圍盒相交的所有三角形的標識。

步驟S708，點雲與最小包圍盒關聯子模組164計算各點所在的最小包圍盒的下標nG。最小包圍盒的下標可由下述公式計算出：

nPosX = (inSurBoxPts [i].x - ptMin [X]) / dBoxStep;

nPosY = (inSurBoxPts [i].y - ptMin [Y]) / dBoxStep;

nPosZ = (inSurBoxPts [i].z - ptMin [Z]) / dBoxStep;

nG = nPosX * nYZ + nPosY * nRefZ + nPosZ;

步驟S710，所述點雲與最小包圍盒關聯子模組164判斷下標為nG的最小包圍盒是否有相交的三角形。若有相交的三角形，則流程進入步驟S712。若沒有相交的三角形，則流程直接進入步驟S714。

步驟S712，所述點雲與最小包圍盒關聯子模組164將該點與該最小包圍盒關聯。具體而言，將該點的標識加入該最小包圍盒的陣列中。

步驟S714，過濾子模組166過濾掉上述未與三角形關聯的最小包圍盒及上述未與最小包圍盒關聯的點，並計算過濾後保留下來的各點到與對應的最小包圍盒中關聯的三角形上的最小距離，例如，最小包圍盒a與三角形b和點c關聯，過濾子模組166計算點c與三角形b間的最小距離。若該最小距離大於所述公差，過濾子模組166過濾掉該點，否則，保留該點。

另外，在步驟S714中，過濾子模組166還要判斷該保留下來的各點的法向與計算出的最小距離對應的三角形的法向是否一致。若一致，則保留該點，若不一致，則過濾掉該點。例如，點c到三角形b的最小距離小於或等於所述公差，過濾子模組166保留該點，然後判斷該點c與三角形b的法向是否一致。

如圖5所示，係圖4中步驟S704的具體作業流程圖。

步驟S50，三角形與最小包圍盒關聯子模組162去除與三角形不相關的最小包圍盒。

具體而言，在去除與三角形不相關的最小包圍盒之前，需要粗略的判斷三角形與最小包圍盒是否相交。該粗判斷方法將在圖6中詳細描述。

步驟S52，三角形與最小包圍盒關聯子模組162以三角形對應的三角形平面與最小包圍盒各邊線的交點為切割點，當該切割點在該三角形平面對應的三角形內時，判定該三角形與該最小包圍盒相交。

步驟S54，當三角形的各頂點在最小包圍盒內時，判定該三角形與該最小包圍盒相交。

步驟S56，三角形與最小包圍盒關聯子模組162計算出三角形各邊與最小包圍盒的面的交點，若該交點在該最小包圍盒的某個面上，則判定該三角形與該最小包圍盒相交。

在此需要說明的是，上述步驟S52、步驟S54和步驟S56沒有先後順序。

如圖6所示，係圖5中步驟S50的具體作業流程圖。

步驟S500，根據最小包圍盒的外接球原則，為各最小包圍盒建立外接球，並獲取外接球的圓心和半徑。

步驟S502，求與最小包圍盒關聯的三角形所構成的三角形平面。

步驟S504，判斷最小包圍盒的中心點（即該最小包圍盒的外接球的圓心）與該三角形平面間的距離是否大於外接球的半徑。此處的三角形平面是指與該最小包圍盒關聯的三角形對應的三角形平面。

若上述距離大於所述外接球的半徑，則於步驟S506中，過濾掉該最小包圍盒，相反，若上述距離小於或等於所述外接球的半徑，則於步驟S508中判定該三角形與所述最小包圍盒相交。

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。

100．．．電子裝置

1．．．點雲提取系統

2．．．儲存設備

3．．．處理器

4．．．顯示設備

10．．．接收模組

12．．．對齊模組

14．．．點雲粗過濾模組

16．．．點雲精過濾模組

18．．．輸出模組

160．．．盒子創建子模組

162．．．三角形與最小包圍盒關聯子模組

164．．．點雲與最小包圍盒關聯子模組

166．．．過濾子模組

圖1係本發明較佳實施例中的點雲提取系統之運行環境示意圖。

圖2係圖1中的點雲精過濾模組之功能細分圖。

圖3係本發明較佳實施例中的點雲提取方法之作業流程圖。

圖4係圖3中步驟S7的具體作業流程圖。

圖5係圖4中步驟S704的具體作業流程圖。

圖6係圖5中步驟S50的具體作業流程圖。

100．．．電子裝置

1．．．點雲提取系統

2．．．儲存設備

3．．．處理器

4．．．顯示設備

10．．．接收模組

12．．．對齊模組

14．．．點雲粗過濾模組

16．．．點雲精過濾模組

18．．．輸出模組

Claims (10)

1. 一種點雲提取方法，該方法包括：
   接收步驟，接收工件的理論設計圖檔、實際量測該工件得到的點雲，及理論設計圖檔中記載的工件的曲面與點雲間的公差；
   對齊步驟，採用最佳擬合法將該曲面與點雲進行對齊；
   點雲粗過濾步驟，找出曲面的子物件分別在X軸、Y軸和Z軸上的最大座標值和最小座標值，以建立曲面的最大包圍盒，並去除上述點雲中不在該最大包圍盒中的點，以實現點雲的粗過濾；
   點雲精過濾步驟，根據上述子物件在X軸、Y軸和Z軸上的最大座標值和最小座標值，及點雲中相鄰點間距的平均值，將上述最大包圍盒劃分成多個最小包圍盒，並透過精過濾條件對上述粗過濾後所保留的點再次進行過濾；及
   輸出步驟，輸出上述點雲精過濾步驟中過濾後所保留的點，並根據輸出的點繪製工件。
2. 如申請專利範圍第1項所述之點雲提取方法，其中所述透過精過濾條件對上述粗過濾後所保留的點再次進行過濾的步驟包括：
   三角形與最小包圍盒關聯步驟，將所述曲面三角網格化以得到多個三角形組成的曲面，計算與分析各三角形是否與一個最小包圍盒相交，若有三角形與所述最小包圍盒相交，則將該三角形的標識加入到該最小包圍盒的陣列中，以實現三角形與最小包圍盒的關聯；
   點雲與最小包圍盒關聯步驟，計算各點所在的最小包圍盒的下標nG，並判斷下標為nG的最小包圍盒是否有相交的三角形，若有，則將該點與該最小包圍盒關聯；及
   過濾步驟，過濾掉上述未與三角形關聯的最小包圍盒及上述未與最小包圍盒關聯的點，計算過濾後保留下來的各點到與對應的最小包圍盒中關聯的三角形上的最小距離，若該最小距離大於所述公差，過濾掉該點，以及當保留下來的點中有點的法向與計算出的最小距離對應的三角形的法向不一致時，過濾掉該點。
3. 如申請專利範圍第2項所述之點雲提取方法，其中所述計算與分析各三角形是否與一個最小包圍盒相交的步驟包括：
   去除與三角形不相關的最小包圍盒；
   以三角形平面與最小包圍盒各邊線的交點為切割點，當該切割點在該三角形平面對應的三角形內時，判定該三角形與該最小包圍盒相交；
   當三角形的各頂點在最小包圍盒內時，判定該三角形與該最小包圍盒相交；及
   計算出三角形各邊與最小包圍盒的面的交點，若該交點在該最小包圍盒上，則判定該三角形與該最小包圍盒相交。
4. 如申請專利範圍第3項所述之點雲提取方法，其中所述步驟去除與三角形不相關的最小包圍盒包括：
   根據最小包圍盒的外接球原則，為各最小包圍盒建立外接球，並獲取外接球的圓心和半徑；
   求與最小包圍盒關聯的三角形所構成的三角形平面；
   判斷最小包圍盒的中心點即對應的外接球的圓心與該三角形平面間的距離是否大於外接球的半徑；
   若該距離小於或等於所述外接球的半徑，則判定該三角形與所述最小包圍盒相交；
   若該距離大於所述外接球的半徑，則過濾掉該最小包圍盒。
5. 如申請專利範圍第1項所述的點雲提取方法，所述曲面的子物件包括點、線、面、圓、圓柱、圓錐、圓球、曲線、三角面。
6. 一種點雲提取系統，該系統包括：
   接收模組，用於接收工件的理論設計圖檔、實際量測該工件得到的點雲，及理論設計圖檔中記載的工件的曲面與點雲間的公差；
   對齊模組，用於採用最佳擬合法將該曲面與點雲進行對齊；
   點雲粗過濾模組，用於找出曲面的子物件分別在X軸、Y軸和Z軸上的最大座標值和最小座標值，以建立曲面的最大包圍盒，並去除上述點雲中不在該最大包圍盒中的點，以實現點雲的粗過濾；
   點雲精過濾模組，用於根據上述子物件在X軸、Y軸和Z軸上的最大座標值和最小座標值，及點雲中相鄰點間距的平均值，將上述最大包圍盒劃分成多個最小包圍盒，並透過精過濾條件對上述粗過濾後所保留的點再次進行過濾；及
   輸出模組，用於輸出上述點雲精過濾步驟中過濾後所保留的點，並根據輸出的點繪製工件。
7. 如申請專利範圍第6項所述之點雲提取系統，其中所述點雲精過濾模組包括：
   盒子創建子模組，用於根據上述子物件在X軸、Y軸和Z軸上的最大座標值和最小座標值，及點雲中相鄰點間距的平均值，將上述最大包圍盒劃分成多個最小包圍盒，每個最小包圍盒對應一個包圍盒陣列；
   三角形與最小包圍盒關聯子模組，用於將所述曲面三角網格化以得到多個三角形組成的曲面，計算與分析各三角形是否與一個最小包圍盒相交，若有三角形與所述最小包圍盒相交，則將該三角形的標識加入到該最小包圍盒的陣列中，以實現三角形與最小包圍盒的關聯；
   點雲與最小包圍盒關聯子模組，用於計算各點所在的最小包圍盒的下標nG，並判斷下標為nG的最小包圍盒是否有相交的三角形，若有，則將該點與該最小包圍盒關聯；及
   過濾子模組，用於過濾掉上述未與三角形關聯的最小包圍盒及上述未與最小包圍盒關聯的點，計算過濾後保留下來的各點到與對應的最小包圍盒中關聯的三角形上的最小距離，若該最小距離大於所述公差，過濾掉該點，以及當保留下來的點中有點的法向與計算出的最小距離對應的三角形的法向不一致時，過濾掉該點。
8. 如申請專利範圍第7項所述之點雲提取系統，其中所述三角形與最小包圍盒關聯子模組計算與分析各三角形是否與一個最小包圍盒相交包括如下步驟：
   去除與三角形不相關的最小包圍盒；
   以三角形平面與最小包圍盒各邊線的交點為切割點，當該切割點在該三角形平面對應的三角形內時，判定該三角形與該最小包圍盒相交；
   當三角形的各頂點在最小包圍盒內時，判定該三角形與該最小包圍盒相交；及
   計算出三角形各邊與最小包圍盒的面的交點，若該交點在該最小包圍盒上，則判定該三角形與該最小包圍盒相交。
9. 如申請專利範圍第8項所述之點雲提取系統，其中所述三角形與最小包圍盒關聯子模組透過以下步驟執行去除與三角形不相關的最小包圍盒：
   根據最小包圍盒的外接球原則，為各最小包圍盒建立外接球，並獲取外接球的圓心和半徑；
   求與最小包圍盒關聯的三角形所構成的三角形平面；
   判斷最小包圍盒的中心點即對應的外接球的圓心與該三角形平面間的距離是否大於外接球的半徑；
   若該距離小於或等於所述外接球的半徑，則判定該三角形與所述最小包圍盒相交；及
   若該距離大於所述外接球的半徑，則過濾掉該最小包圍盒。
10. 如申請專利範圍第6項所述之點雲提取系統，其中所述曲面的子物件包括點、線、面、圓、圓柱、圓錐、圓球、曲線、三角面。