TWI594204B - 點雲平滑系統及方法 - Google Patents

Description

點雲平滑系統及方法

本發明涉及產品加工領域，尤其涉及一種點雲平滑系統及方法。

提高和保證產品品質，是企業活動中的重要內容。為了提高和保證產品品質，對產品實施檢驗是必不可少的，藉由檢驗活動提供產品及其製造過程的品質資訊，按照這些資訊對產品的製造過程實施控制及進行修正和補償活動，使廢次品與返修品率降到最低程度，保證產品品質形成過程的穩定性及其產出產品的一致性。同時，日漸增多且急迫的檢驗需求要求企業能夠快速、準確地實施產品的檢驗。

近年來，隨著電腦硬體性能的提高及價格的降低，電腦在受測物件檢驗活動中被大量的引入，因而提高了檢驗的速度和準確性。其做法一般是使用掃描機台掃描受測物件，獲得由多個三維離散點組成的點的集合，一般稱之為點雲，將點雲資料匯入電腦，執行相應軟體對點雲資料進行處理，比如量測點雲，色階比對等，從而實現對受測物件的檢驗。

統計表明，由於受到溫度條件的影響或者掃描機台本身的緣故，在對受測物件掃描時，通常會產生0.1%~5%的雜訊點。所述雜訊點是指偏離正常位置的幅度較大的點。雜訊點對點雲的後續處理及逆向工程的影響都很大。尤其是在獲取的點雲資料是散亂的、無序的三維離散點雲資料時，若不對該點雲資料進行處理則會嚴重影響測量結果。

鑒於以上內容，有必要提供一種點雲平滑系統及方法，可對點雲進行平滑處理，確保既不改變被測量產品的形狀，又使得點雲的法向量趨於光滑。

一種點雲平滑方法，應用於電子裝置中，該方法包括：輸入產品的點雲資料，以及輸入距離參數；根據所述點雲資料構建曲面，並對所述曲面進行三角網格化；計算相鄰點之間的距離，將計算的距離小於所述距離參數的點標記為相點，所述相鄰點為同一個三角形內的點；連接相鄰的相點並得到所述點雲資料的圖形結構；確定每個相點的鄰域點，所述鄰域點包括與該相點相連的所有點；計算每個相點所對應的鄰域點的個數，並根據該個數確定每個相點所在的元素的類型，所述的元素包括面、邊、角；利用預設的數學方法將在預設類型的元素上的相點及對應的鄰域點擬合成相對應的預設類型的面；在相點所在的元素類型為面、邊或角時，根據所述相點的座標將所述相點投影至與該相點對應的擬合後的面上，並確定所述相點對應的投影點的座標；及輸出所有相點對應的投影點的座標。

一種點雲平滑系統，應用於電子裝置中，該系統包括：輸入模組，用於輸入產品的點雲資料，以及輸入距離參數；處理模組，用於根據所述點雲資料構建曲面，並對所述曲面進行三角網格化；計算模組，用於計算相鄰點之間的距離，將計算的距離小於所述距離參數的點標記為相點，所述相鄰點為同一個三角形內的點；所述的處理模組，還用於連接相鄰的相點並得到所述點雲資料的圖形結構，及確定每個相點的鄰域點，所述鄰域點包括與該相點相連的所有點；所述的計算模組，還用於計算每個相點所對應的鄰域點的個數，並根據該個數確定每個相點所在的元素的類型，所述的元素包括面、邊、角；擬合模組，用於利用預設的數學方法將在預設類型的元素上的相點及對應的鄰域點 擬合成相對應的預設類型的面；投影模組，用於在相點所在的元素類型為面、邊或角時，根據所述相點的座標將所述相點投影至與該相點對應的擬合後的面上，並確定所述相點對應的投影點的座標；及輸出模組，用於輸出所有相點對應的投影點的座標。

相較於習知技術，所述的點雲平滑系統及方法，可對點雲進行平滑處理，確保既不改變被測量產品的形狀，又使得點雲的法向量趨於光滑。

1‧‧‧電子裝置

10‧‧‧點雲平滑系統

100‧‧‧設置模組

101‧‧‧輸入模組

102‧‧‧處理模組

103‧‧‧計算模組

104‧‧‧擬合模組

105‧‧‧投影模組

106‧‧‧輸出模組

11‧‧‧處理器

12‧‧‧儲存裝置

13‧‧‧顯示裝置

圖1是本發明點雲平滑系統的較佳實施方式的硬體架構圖。

圖2是本發明點雲平滑系統的較佳實施方式的功能模組圖。

圖3是本發明點雲平滑方法的較佳實施方式的流程圖。

圖4是本發明點雲平滑系統的點雲法向量對比圖。

如圖1所示，是本發明點雲平滑系統的較佳實施方式的硬體架構圖。所述的點雲平滑系統10應用於電子裝置1中，所述電子裝置1可以是電腦、伺服器、編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller，PLC)、測量機台、或者其他具備運算能力的電子裝置。

在本較佳實施方式中，所述的點雲平滑系統10用於對產品的點雲資料進行網格化處理、雜訊點過濾及平滑處理，從而確保點雲資料的準確度。具體處理過程參見下文針對圖3所示流程圖的詳細說明。

所述的電子裝置1進一步包括處理器11、儲存裝置12及顯示裝置13。所述處理器11用於執行所述點雲平滑系統10以及在所述電子裝置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，不同產品的點雲資料及用於儲存利用所述點雲平滑系統10所設置、接收及處理後的資料。

所述的顯示裝置13用於顯示各類視覺化資料。

如圖2所示，是本發明點雲平滑系統的較佳實施方式的功能模組圖。在本實施方式中，所述點雲平滑系統10包括多個功能模組，分別是：設置模組100、輸入模組101、處理模組102、計算模組103、擬合模組104、投影模組105以及輸出模組106。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3的流程圖中具體描述。

如圖3所示，是本發明點雲平滑方法的較佳實施方式的流程圖。

首先，步驟S2，所述的輸入模組101輸入產品的點雲資料，以及輸入距離參數。所述的點雲資料包括，但不限於：點的三維座標、點的標識及點雲總數等。在本實施方式中，所述的距離參數用於作為判斷雜訊點的依據。該距離參數可以根據用戶輸入的數字進行確定，或者是將所述點雲資料中所有相鄰點之間的距離的平均值作為所述的距離參數。此外，在其他實施方式中，所述距離參數還可以是根據預設規則進行動態生成，例如，所述規則可以是預先輸入的多個數字之間進行動態輪換或隨機選取。

步驟S4，所述的處理模組102根據所述點雲資料構建曲面，並對所述曲面進行三角網格化。對曲面的構建及三角網格化的處理可使用現有技術中已有的方式進行處理。

步驟S6，所述的計算模組103計算相鄰點之間的距離，並將計算的距離小於所述距離參數的點標記為相點。在本實施方式中，所述相鄰點為上述進行了三角網格化處理後的在同一個三角形內的點，即，所述的計算模組103計算位於同一個三角形內的所有點彼此之間的距離，從而完成對每個三角形中的相點的確認。

步驟S8，所述的處理模組102連接相鄰的相點並得到所述點雲資 料的圖形結構。

步驟S10，所述的處理模組102確定每個相點的鄰域點，所述鄰域點包括與該相點相連的所有點。

步驟S12，所述的計算模組103計算每個相點所對應的鄰域點的個數，並根據該個數確定每個相點所在的元素的類型。在本實施方式中，所述的元素包括面、邊、角、點。

具體而言，所述的計算模組103根據每個相點對應的鄰域點的個數來判斷該相點是否在面、邊、角上，還是一個孤立點，包括如下所示的判斷依據。

在所計算的鄰域點的個數大於等於第一預設數值(例如，9)時，所述的計算模組103確定所述相點所在的元素為面。

在所計算的鄰域點的個數小於所述第一預設數值且大於等於第二預設數值(例如，6)時，所述的計算模組103確定所述相點所在的元素為邊。

在所計算的鄰域點的個數小於所述第二預設數值且大於等於第三預設數值(例如，1)時，所述的計算模組103確定所述相點所在的元素為角。

在所計算的鄰域點的個數等於所述第三預設數值時，所述的計算模組103確定所述相點為孤立點。

上述的多個預設數值可預先由所述的設置模組100進行設置、修改、新增或者刪除。

此外，在其他實施方式中，在所述相點確定為孤立點時，所述的處理模組102可根據用戶需求保留或刪除所述相點。

步驟S14，所述的擬合模組104利用預設的數學方法將在預設類型的元素上的相點及對應的鄰域點擬合成相對應的預設類型的面。所述預設的數學方法可以是最小二乘法，或者現有技術中採用的其他數學方法。

在所述相點所在的元素為面時，所述的擬合模組104利用預設的數學方法將該相點及相應的鄰域點擬合成平面。在所述相點所在的元素為邊時，所述的擬合模組104利用預設的數學方法將該相點及相應的鄰域點擬合成圓錐曲面。在所述相點所在的元素為角時，所述的擬合模組104利用預設的數學方法將該相點及相應的鄰域點擬合成柱面。

步驟S16，所述的投影模組105在相點所在的元素類型為面、邊或角時，根據所述相點的座標將所述相點投影至與該相點對應的擬合後的面上，並確定所述相點對應的投影點的座標。在本實施方式中，該投影點則是該相點經過平滑處理後的點。所述的投影模組105可自該相點向其對應的擬合後的面(投影面)作垂線，得到的垂足即視為該相點對應的投影點，並可確定該投影點的三維座標。

步驟S18，所述的輸出模組106輸出所有相點對應的投影點的座標，然後，結束本流程。所有投影點即是步驟S2中所輸入的產品的點雲資料在經過了平滑處理後得到的點雲。

此外，在其他實施方式中，所述的處理模組102還可根據步驟S2中輸入的點雲資料，確定每個點的法向量並繪製法向量的原始直線圖。

在完成對所有相點的投影點的確定後，所述的處理模組102進一步根據所有投影點的座標構建平滑後的曲面，並對所述平滑後的曲面進行三角網格化處理。所述的處理模組102確定所有投影點的法向量，並根據所確定的法向量繪製平滑處理後的法向量的直線圖。

參考如圖4所示的點雲法向量對比圖，左邊的圖形為平滑處理前的點雲資料中的點的原始法向量直線圖，右邊的圖形為平滑處理後的投影點的法向量直線圖。

所述的輸出模組106進一步輸出法向量的原始直線圖及平滑處理 後的法向量直線圖，在所述顯示裝置13上顯示上述兩個圖從而可供用戶查看對點雲資料進行平滑處理的效果。

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。

10‧‧‧點雲平滑系統

100‧‧‧設置模組

101‧‧‧輸入模組

102‧‧‧處理模組

103‧‧‧計算模組

104‧‧‧擬合模組

105‧‧‧投影模組

106‧‧‧輸出模組

Claims (10)

1. 一種點雲平滑方法，應用於電子裝置中，該方法包括：輸入產品的點雲資料，以及輸入距離參數，其中，所述距離參數從預先輸入的多個數字之間動態輪換或隨機選取；根據所述點雲資料構建曲面，並對所述曲面進行三角網格化；計算相鄰點之間的距離，將計算的距離小於所述距離參數的點標記為相點，所述相鄰點為同一個三角形內的點；連接相鄰的相點並得到所述點雲資料的圖形結構；確定每個相點的鄰域點，所述鄰域點包括與該相點相連的所有點；計算每個相點所對應的鄰域點的個數，並根據該個數確定每個相點所在的元素的類型，所述的元素包括面、邊、角；利用預設的數學方法將在預設類型的元素上的相點及對應的鄰域點擬合成相對應的預設類型的面；在相點所在的元素類型為面、邊或角時，根據所述相點的座標將所述相點投影至與該相點對應的擬合後的面上，並確定所述相點對應的投影點的座標；及輸出所有相點對應的投影點的座標。
2. 如申請專利範圍第1項所述的點雲平滑方法，該方法還包括：在所計算的鄰域點的個數大於等於第一預設數值時，確定所述相點所在的元素為面；在所計算的鄰域點的個數小於所述第一預設數值且大於等於第二預設數值時，確定所述相點所在的元素為邊；在所計算的鄰域點的個數小於所述第二預設數值且大於等於第三預設數值時，確定所述相點所在的元素為角；或在所計算的鄰域點的個數等於所述第三預設數值時，確定所述相點為孤立點。
3. 如申請專利範圍第2項所述的點雲平滑方法，該方法還包括：在所述相點為孤立點時，保留或刪除所述相點。
4. 如申請專利範圍第1項所述的點雲平滑方法，該方法還包括：在所述相點所在的元素為面時，利用預設的數學方法將該相點及相應的鄰域點擬合成平面；在所述相點所在的元素為邊時，利用預設的數學方法將該相點及相應的鄰域點擬合成曲面；或在所述相點所在的元素為角時，利用預設的數學方法將該相點及相應的鄰域點擬合成柱面。
5. 如申請專利範圍第1至4項中任一項所述的點雲平滑方法，所述預設的數學方法為最小二乘法。
6. 如申請專利範圍第1至4項中任一項所述的點雲平滑方法，該方法還包括：根據輸入的點雲資料，確定所述點雲資料中每個點的法向量，並繪製法向量的原始直線圖。
7. 如申請專利範圍第6項所述的點雲平滑方法，該方法還包括：根據所有投影點的座標構建平滑後的曲面，並對所述平滑後的曲面進行三角網格化處理；確定所有投影點的法向量，並根據所確定的法向量繪製平滑處理後的法向量的直線圖；及輸出所述法向量的原始直線圖及平滑處理後的法向量的直線圖。
8. 一種點雲平滑系統，應用於電子裝置中，該系統包括：輸入模組，用於輸入產品的點雲資料，以及輸入距離參數，其中，所述距離參數從預先輸入的多個數字之間動態輪換或隨機選取； 處理模組，用於根據所述點雲資料構建曲面，並對所述曲面進行三角網格化；計算模組，用於計算相鄰點之間的距離，將計算的距離小於所述距離參數的點標記為相點，所述相鄰點為同一個三角形內的點；所述的處理模組，還用於連接相鄰的相點並得到所述點雲資料的圖形結構，及確定每個相點的鄰域點，所述鄰域點包括與該相點相連的所有點；所述的計算模組，還用於計算每個相點所對應的鄰域點的個數，並根據該個數確定每個相點所在的元素的類型，所述的元素包括面、邊、角；擬合模組，用於利用預設的數學方法將在預設類型的元素上的相點及對應的鄰域點擬合成相對應的預設類型的面；投影模組，用於在相點所在的元素類型為面、邊或角時，根據所述相點的座標將所述相點投影至與該相點對應的擬合後的面上，並確定所述相點對應的投影點的座標；及輸出模組，用於輸出所有相點對應的投影點的座標。
9. 如申請專利範圍第8項所述的點雲平滑系統，所述的計算模組還用於：在所計算的鄰域點的個數大於等於第一預設數值時，確定所述相點所在的元素為面；在所計算的鄰域點的個數小於所述第一預設數值且大於等於第二預設數值時，確定所述相點所在的元素為邊；在所計算的鄰域點的個數小於所述第二預設數值且大於等於第三預設數值時，確定所述相點所在的元素為角；或在所計算的鄰域點的個數等於所述第三預設數值時，確定所述相點為孤立點。
10. 如申請專利範圍第8項所述的點雲平滑系統，所述的擬合模組還用於： 在所述相點所在的元素為面時，利用預設的數學方法將該相點及相應的鄰域點擬合成平面；在所述相點所在的元素為邊時，利用預設的數學方法將該相點及相應的鄰域點擬合成曲面；或在所述相點所在的元素為角時，利用預設的數學方法將該相點及相應的鄰域點擬合成柱面。