專利名稱：三維掃描系統(tǒng)中截線云的曲線構(gòu)造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用三維掃描系統(tǒng)對(duì)物體建立點(diǎn)云模型過(guò)程中由離散點(diǎn)構(gòu)造曲線的一種方法，尤其涉及一種三維掃描系統(tǒng)中截線云的曲線構(gòu)造方法。
背景技術(shù)：
逆向工程在實(shí)踐中有著廣泛的應(yīng)用前景。主要是由于不少產(chǎn)品外形復(fù)雜，如汽車(chē)和飛機(jī)的覆蓋件、人造假肢、陶瓷產(chǎn)品、藝術(shù)雕塑品及各種復(fù)雜零部件等，其自由曲面的設(shè)計(jì)表達(dá)或數(shù)學(xué)模型的建立都十分困難，現(xiàn)有的CAD系統(tǒng)尚難以進(jìn)行嚴(yán)格的幾何描述。特別是對(duì)于我們發(fā)展中國(guó)家，怎樣在國(guó)外的先進(jìn)產(chǎn)品的基礎(chǔ)上進(jìn)行適當(dāng)和必要的修改以便快速高效的得到有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品投放市場(chǎng)，對(duì)于節(jié)省費(fèi)用，縮短研發(fā)周期，提高競(jìng)爭(zhēng)力和減少風(fēng)險(xiǎn)有著非常重要的意義。
在逆向工程中，一般是通過(guò)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)(CMM)、激光測(cè)量機(jī)、光柵掃描儀或工業(yè)CT等先進(jìn)的快速測(cè)量系統(tǒng)獲取海量數(shù)據(jù)點(diǎn)(點(diǎn)云)，然后對(duì)這些點(diǎn)云數(shù)據(jù)的過(guò)濾處理和無(wú)縫拼接，由拼接后的點(diǎn)云塊進(jìn)行切割得到截線云，再在點(diǎn)或線的基礎(chǔ)上構(gòu)造面，從而獲得物體的數(shù)字模型。通過(guò)得到截線云構(gòu)造特征曲線，然后再由特征曲線構(gòu)造出曲面，以得到物體的數(shù)字模型。而曲線質(zhì)量的好壞及其對(duì)原始數(shù)據(jù)的還原程度將極大地影響所構(gòu)建曲面的質(zhì)量和對(duì)原始物體的還原程度。因此通過(guò)截線云離散點(diǎn)生成曲線是逆向工程中非常關(guān)鍵的承上啟下的一環(huán)，直接影響重構(gòu)成功與否和CAD模型的質(zhì)量，對(duì)其后續(xù)環(huán)節(jié)起著非常關(guān)鍵的制約作用。
目前，關(guān)于點(diǎn)生成曲線在計(jì)算機(jī)上有力表示的算法理論方面取得了很大的進(jìn)展，已發(fā)表了相當(dāng)數(shù)量的文獻(xiàn)，其中一些算法獲得了較為廣泛的應(yīng)用，主要有Bezier，均勻B樣條，NURBS等曲線算法。但這幾種方法是把已知點(diǎn)作為控制點(diǎn)，由這些點(diǎn)生成的樣條曲線是對(duì)它們的逼近而不是插值。而逆向工程的一個(gè)要求就是精確還原原始物體特征。因此我們應(yīng)讓生成的曲線插值于測(cè)量點(diǎn)，也就是說(shuō)把這些測(cè)量得到的點(diǎn)作為型值點(diǎn)。另外由于快速測(cè)量系統(tǒng)實(shí)際測(cè)量獲得的是海量離散數(shù)據(jù)點(diǎn)，數(shù)據(jù)量非常大，因此如何快速的將大量的散亂點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為表達(dá)能力更強(qiáng)而數(shù)據(jù)量卻大大減少的線信息，且其對(duì)原始數(shù)據(jù)的還原程度和所構(gòu)建曲面的質(zhì)量和對(duì)原始物體的還原程度影響較小是關(guān)鍵。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種能夠保持精確度且能加快由散亂點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為表達(dá)能力更強(qiáng)而數(shù)據(jù)量卻大大減少的線信息的速度的三維掃描系統(tǒng)中截線云的曲線構(gòu)造方法。
本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種用于對(duì)預(yù)處理后的點(diǎn)云進(jìn)行處理的三維掃描系統(tǒng)中截線云的曲線構(gòu)造方法(1)對(duì)預(yù)處理后的點(diǎn)云進(jìn)行平行切割，得到N個(gè)平行截面，再在每個(gè)平行截面的上方和下方分別對(duì)點(diǎn)云實(shí)施平行切割，得到N個(gè)含有平行截面的截體，將各個(gè)截體內(nèi)的點(diǎn)云上的點(diǎn)向該截體內(nèi)的平行截面進(jìn)行垂直投影，并將該截體內(nèi)平行截面點(diǎn)的垂直投影視為截體內(nèi)平行截面與點(diǎn)云的截點(diǎn)，由各個(gè)截體內(nèi)平行截面與點(diǎn)云的截點(diǎn)分別構(gòu)成N條鏈條，在各個(gè)截體內(nèi)的截點(diǎn)中分別選出一組處理點(diǎn)，該處理點(diǎn)是滿足以下條件的截點(diǎn)，該條件為兩處理點(diǎn)間的距離為點(diǎn)云內(nèi)相鄰兩點(diǎn)之間的間距或其整數(shù)倍，由此得到的N組處理點(diǎn)即為截線云；(2)以連續(xù)的4～5個(gè)型值點(diǎn)為一組，將n個(gè)型值點(diǎn)分成k組型值點(diǎn)，由第一組的型值點(diǎn)按照Bezier曲線的定義生成第一組的控制點(diǎn)并由控制點(diǎn)生成第一條曲線；以后各條曲線的第一個(gè)控制點(diǎn)由型值點(diǎn)按照Bezier曲線的定義生成，第二個(gè)控制點(diǎn)由前一條曲線的最后兩個(gè)控制點(diǎn)和當(dāng)前曲線的第一個(gè)控制點(diǎn)按照Bezier曲線的定義生成，其余控制點(diǎn)由型值點(diǎn)按照Bezier曲線的定義生成，連接點(diǎn)的切線由前一條曲線的最后兩個(gè)型值點(diǎn)和當(dāng)前曲線的前兩個(gè)型值點(diǎn)產(chǎn)生；(3)重復(fù)步驟(2)直到求出所有截線云的控制點(diǎn)，然后根據(jù)控制點(diǎn)構(gòu)造出曲線。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明主要用于對(duì)三維掃描系統(tǒng)得到物體表面海量離散數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為表達(dá)能力更強(qiáng)而數(shù)據(jù)量卻大大減少的線信息的應(yīng)用場(chǎng)合。利用本發(fā)明中截線云的獲取方法，然后再逐條處理截線云數(shù)據(jù)，利用本發(fā)明中的曲線構(gòu)造算法，構(gòu)建出被測(cè)物體的輪廓曲線模型。該方法主要有以下優(yōu)點(diǎn)(1)本發(fā)明主要針對(duì)三維掃描系統(tǒng)得到的原始點(diǎn)云模型，不需要任何的網(wǎng)格化處理，適應(yīng)性廣，速度快；(2)可以交互選擇平行切割點(diǎn)云的方向，能盡量使得其方向沿著某一方向的特征線，大大提高了還原原始物體的精確度；(3)平行切割獲取截線云不但使以后的截線云排序時(shí)間大大減少，而且通過(guò)取截線云使得三維空間的處理變成了共面的處理，為以后調(diào)節(jié)曲線處理提供巨大方便，避免三維調(diào)節(jié)曲線的復(fù)雜性；(4)由型值點(diǎn)反求控制點(diǎn)生成曲線的效率好壞主要取決于矩陣求逆。而本發(fā)明提出的反求算法大大降低了矩陣的階，因此也降低了算法的復(fù)雜性，使型值點(diǎn)反求控制點(diǎn)生成曲線呈現(xiàn)很高的效率；(5)操作過(guò)程比較簡(jiǎn)單，平行截面的間距可采取默認(rèn)值或者交互確定，接下來(lái)的的步驟都可自動(dòng)完成，速度快，并且該方法具有很強(qiáng)的通用性。


圖1是逆向工程流程圖。
圖2光柵式三維掃描系統(tǒng)組成圖。
圖3是獲取截線云并構(gòu)造曲線算法的整體流程圖。
圖4是獲取截線云算法的流程圖。
圖5是構(gòu)造曲線的算法流程圖。
圖6是經(jīng)過(guò)預(yù)處理的小熊模型點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖形。
圖7是給定平行面間距d＝4.0情況下求得的截線云數(shù)據(jù)圖形。
圖8是從附圖7中的截線云數(shù)據(jù)抽取出的一段數(shù)據(jù)鏈條圖形。
圖9是從附圖8中的個(gè)點(diǎn)連接成一條圓滑的曲線。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1一種用于對(duì)預(yù)處理后的點(diǎn)云進(jìn)行處理的三維掃描系統(tǒng)中截線云的曲線構(gòu)造方法(1)對(duì)預(yù)處理后的點(diǎn)云進(jìn)行平行切割，得到N個(gè)平行截面，再在每個(gè)平行截面的上方和下方分別對(duì)點(diǎn)云實(shí)施平行切割，得到N個(gè)含有平行截面的截體，將各個(gè)截體內(nèi)的點(diǎn)云上的點(diǎn)向該截體內(nèi)的平行截面進(jìn)行垂直投影，并將該截體內(nèi)平行截面點(diǎn)的垂直投影視為截體內(nèi)平行截面與點(diǎn)云的截點(diǎn)，由各個(gè)截體內(nèi)平行截面與點(diǎn)云的截點(diǎn)分別構(gòu)成N條鏈條，在各個(gè)截體內(nèi)的截點(diǎn)中分別選出一組處理點(diǎn)，該處理點(diǎn)是滿足以下條件的截點(diǎn)，該條件為兩處理點(diǎn)間的距離為點(diǎn)云內(nèi)相鄰兩點(diǎn)之間的間距或其整數(shù)倍，由此得到的N組處理點(diǎn)即為截線云；(2)以連續(xù)的4～5個(gè)型值點(diǎn)為一組，將n個(gè)型值點(diǎn)分成k組型值點(diǎn)，由第一組的型值點(diǎn)按照Bezier曲線的定義生成第一組的控制點(diǎn)并由控制點(diǎn)生成第一條曲線；以后各條曲線的第一個(gè)控制點(diǎn)由型值點(diǎn)按照Bezier曲線的定義生成，第二個(gè)控制點(diǎn)由前一條曲線的最后兩個(gè)控制點(diǎn)和當(dāng)前曲線的第一個(gè)控制點(diǎn)按照Bezier曲線的定義生成，其余控制點(diǎn)由型值點(diǎn)按照Bezier曲線的定義生成，連接點(diǎn)的切線由前一條曲線的最后兩個(gè)型值點(diǎn)和當(dāng)前曲線的前兩個(gè)型值點(diǎn)產(chǎn)生；(3)重復(fù)步驟(2)直到求出所有截線云的控制點(diǎn)，然后根據(jù)控制點(diǎn)構(gòu)造出曲線。
實(shí)施例2為了能精確還原原始物體特征，在由截線云構(gòu)造曲線的過(guò)程中，根據(jù)Bezier曲線提出一種新的由型值點(diǎn)反求控制點(diǎn)的方法。它把由k個(gè)低階的Bezer曲線拼合產(chǎn)生的復(fù)合曲線來(lái)代替單一的高階Bezier曲線，避開(kāi)高階矩陣的求逆問(wèn)題。
因此，本發(fā)明主要涉及以下兩方面的內(nèi)容1)截線云的獲取在點(diǎn)云預(yù)處理之后，通過(guò)旋轉(zhuǎn)平移選好角度后，給定一系列平行面，求得物體(實(shí)際上是物體表面上的海量點(diǎn))在這一截面上的數(shù)據(jù)點(diǎn)。但海量數(shù)據(jù)是離散的，給定某一任意平面，可能沒(méi)有(或者只有極個(gè)別點(diǎn))在截面上，為此，我們只能在精度許可范圍內(nèi)，盡可能地去接近真實(shí)世界，這樣也就產(chǎn)生了如下的算法(算法流程圖如附圖4所示)首先由海量數(shù)據(jù)中任意相鄰的一對(duì)點(diǎn)得到一個(gè)距離，而由這樣的M(M＞100)個(gè)距離得到的平均值為d。
(1)對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行預(yù)處理，去除雜點(diǎn)之后，通過(guò)旋轉(zhuǎn)平移選好切割角度后，給定一系列垂直于特征線的等間距的平行面(間距默認(rèn)為d的三倍)；(2)在給定平行面上下各作一個(gè)平行于給定平行面的平行面(其間距均為d)，這樣就由派生出來(lái)的兩個(gè)平行面構(gòu)成一個(gè)截體，而我們則把落入這個(gè)截體內(nèi)的點(diǎn)在給定平行面上的垂直投影近似作為真實(shí)物體上的點(diǎn)落在給定平行面上的點(diǎn)，這樣就得到給定平面與真實(shí)物體的交點(diǎn)(截點(diǎn))。同理，我們也就得到物體在一組平行面上的截點(diǎn)；(3)對(duì)這一組平面中的每一個(gè)平行面，其上的截點(diǎn)構(gòu)成一條鏈條。設(shè)這組平行面共有N個(gè)，則得到N個(gè)鏈條；(4)對(duì)每一個(gè)鏈條進(jìn)行處理由這些截點(diǎn)得到一組處理點(diǎn)，這些處理點(diǎn)滿足條件A)兩點(diǎn)間的距離為d或者d的整數(shù)倍；B)該點(diǎn)在給定截面(給定截體范圍內(nèi))上下都有臨近的離散點(diǎn)。
(5)對(duì)這N個(gè)鏈條處理就可以得到N個(gè)鏈條的處理點(diǎn)。即得到截線云2)特征曲線的構(gòu)造為了能精確還原原始物體特征，在由截線云構(gòu)造曲線的過(guò)程中，根據(jù)Bezier曲線提出一種新的由型值點(diǎn)反求控制點(diǎn)的方法。在逆向工程中由離散三維數(shù)據(jù)點(diǎn)得到的有序線上的型值點(diǎn)個(gè)數(shù)可能達(dá)到十個(gè)甚至幾十個(gè)，這樣，求逆的運(yùn)算量會(huì)非常大，對(duì)于操作的響應(yīng)時(shí)間就很長(zhǎng)。根據(jù)Bezier曲線的性質(zhì)，我們提出一種把n個(gè)型值點(diǎn)按序分成k組型值點(diǎn)(每組4～5個(gè)點(diǎn))，由這k組型值點(diǎn)分別求控制點(diǎn)，并加入一定的約束使求出的控制點(diǎn)生成的各條曲線連成的復(fù)合曲線滿足C1的連續(xù)要求。具體如下(1)先把n個(gè)型值點(diǎn)按序分成連續(xù)的k組型值點(diǎn)(每組4～5個(gè)點(diǎn))；(2)第一組的控制點(diǎn)直接由第一組的型值點(diǎn)按照Bezier曲線的定義生成；具體做法如下根據(jù)如下公式求出第一組型值點(diǎn)的控制點(diǎn)Q0MQiMQn=10Λ0MCn0(1-i/n)nCn1(1-i/n)n-1(i/n)ΛCnn(i-n)nM0Λ01*P0MPiMPn]]>(3)在求第N(N＞1)條曲線控制點(diǎn)時(shí)，加入約束條件第N(N＞1)條曲線的第二個(gè)控制點(diǎn)由前一條曲線的最后兩個(gè)控制點(diǎn)和當(dāng)前曲線的第一個(gè)控制點(diǎn)得到；連接點(diǎn)的切線由前一條曲線的最后兩個(gè)型值點(diǎn)和當(dāng)前曲線的前兩個(gè)型值點(diǎn)決定。
具體做法如下假設(shè)前一組型值點(diǎn)有s+1個(gè)，為Q1i(i＝0，1，...，s)，第二組型值點(diǎn)有t+1個(gè)，為Q2i(i＝0，1，...，t)，Q1s＝Q20。結(jié)合Bezier曲線的定義和性質(zhì)，根據(jù)加入的約束條件，對(duì)Bezier曲線進(jìn)行升階，t1＝t+1。則有
P1(s-1)Q20MQ2iMQ2tP2(t1-1)=2-10Λ10Λ0Ct10(1-i/t)t1Ct11(1-i/t)t1-1(i/t)ΛCt1t1(i/t)t10Λ01Λ010*P20P21MP2iMP2(t1-1)P2t1]]>根據(jù)上面給出的公式即可求出第N(N＞1)條曲線的控制點(diǎn)，其中P1j(j＝0，1，...，s)為前一組型值點(diǎn)的控制點(diǎn)，P2j(j＝0，1，...，t1)為第二組型值點(diǎn)的控制點(diǎn)。
(4)重復(fù)(2)直到求出所有截線云的控制點(diǎn)，然后根據(jù)控制點(diǎn)構(gòu)造出曲線。
曲線構(gòu)造流程圖如附圖5所示。
根據(jù)上述方法，通過(guò)VC++6.0平臺(tái)用C++編程實(shí)現(xiàn)了對(duì)點(diǎn)云平行切割獲取截線云并構(gòu)造曲線的操作。圖6是經(jīng)過(guò)預(yù)處理的小熊模型點(diǎn)云數(shù)據(jù)。圖7是默認(rèn)給定平行面間距為相鄰點(diǎn)間距的三倍情況下求得的截線云數(shù)據(jù)。圖8是從附圖7中的截線云數(shù)據(jù)抽取出的一段數(shù)據(jù)鏈條。圖8是根據(jù)抽取出鏈條數(shù)據(jù)構(gòu)造出的曲線。
權(quán)利要求
1.一種用于對(duì)預(yù)處理后的點(diǎn)云進(jìn)行處理的三維掃描系統(tǒng)中截線云的曲線構(gòu)造方法，其特征在于(1)對(duì)預(yù)處理后的點(diǎn)云進(jìn)行平行切割，得到N個(gè)平行截面，再在每個(gè)平行截面的上方和下方分別對(duì)點(diǎn)云實(shí)施平行切割，得到N個(gè)含有平行截面的截體，將各個(gè)截體內(nèi)的點(diǎn)云上的點(diǎn)向該截體內(nèi)的平行截面進(jìn)行垂直投影，并將該截體內(nèi)平行截面點(diǎn)的垂直投影視為截體內(nèi)平行截面與點(diǎn)云的截點(diǎn)，由各個(gè)截體內(nèi)平行截面與點(diǎn)云的截點(diǎn)分別構(gòu)成N條鏈條，在各個(gè)截體內(nèi)的截點(diǎn)中分別選出一組處理點(diǎn)，該處理點(diǎn)是滿足以下條件的截點(diǎn)，該條件為兩處理點(diǎn)間的距離為點(diǎn)云內(nèi)相鄰兩點(diǎn)之間的間距或其整數(shù)倍，由此得到的N組處理點(diǎn)即為截線云；(2)以連續(xù)的4～5個(gè)型值點(diǎn)為一組，將n個(gè)型值點(diǎn)分成k組型值點(diǎn)，由第一組的型值點(diǎn)按照Bezier曲線的定義生成第一組的控制點(diǎn)并由控制點(diǎn)生成第一條曲線；以后各條曲線的第一個(gè)控制點(diǎn)由型值點(diǎn)按照Bezier曲線的定義生成，第二個(gè)控制點(diǎn)由前一條曲線的最后兩個(gè)控制點(diǎn)和當(dāng)前曲線的第一個(gè)控制點(diǎn)按照Bezier曲線的定義生成，其余控制點(diǎn)由型值點(diǎn)按照Bezier曲線的定義生成，連接點(diǎn)的切線由前一條曲線的最后兩個(gè)型值點(diǎn)和當(dāng)前曲線的前兩個(gè)型值點(diǎn)產(chǎn)生；(3)重復(fù)步驟(2)直到求出所有截線云的控制點(diǎn)，然后根據(jù)控制點(diǎn)構(gòu)造出曲線。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種用三維掃描系統(tǒng)對(duì)物體建立點(diǎn)云模型過(guò)程中獲取截線云并由截線云中離散點(diǎn)構(gòu)造曲線的方法。首先，通過(guò)一系列平行面切割預(yù)處理后的點(diǎn)云，通過(guò)這些平面與點(diǎn)云數(shù)據(jù)求交得到一系列平行截面數(shù)據(jù)，再對(duì)這些截面數(shù)據(jù)處理，則得到截線云數(shù)據(jù)。然后根據(jù)獲得的截線云數(shù)據(jù)，以連續(xù)的4～5個(gè)型值點(diǎn)為一組，將每條截線云上n個(gè)型值點(diǎn)分成k組型值點(diǎn)，通過(guò)對(duì)這k組型值點(diǎn)在加入約束條件的基礎(chǔ)上反求出相應(yīng)的控制點(diǎn)，分別構(gòu)造曲線，再由這k條曲線拼接成一條曲線。最終，通過(guò)本發(fā)明提出的方法直接將三維掃描系統(tǒng)得到物體表面海量離散數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為表達(dá)能力更強(qiáng)而數(shù)據(jù)量卻大大減少的線信息，不需要進(jìn)行網(wǎng)格化處理，適應(yīng)性廣，速度快。
文檔編號(hào)G06T11/20GK1845176SQ20061003930
公開(kāi)日2006年10月11日 申請(qǐng)日期2006年4月5日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月5日
發(fā)明者達(dá)飛鵬, 沈海平, 鄭君立 申請(qǐng)人:東南大學(xué)