复杂曲面零件表面自适应多角度扫描方法技术

本发明专利技术提供一种复杂曲面零件表面自适应多角度扫描方法，包括如下步骤：S1.对零件进行扫描，得到零件表面点云文件P1，将点云文件P1三角化，得到STL格式点云文件P2；S2.计算STL格式点云文件P1的最小有向包围盒，并对三角面片进行分区；S3.计算每个分区中的归一化平均法向量n

【技术实现步骤摘要】
复杂曲面零件表面自适应多角度扫描方法


[0001]本专利技术涉及一种零件扫描领域，尤其涉及一种复杂曲面零件表面自适应多角度扫描方法。

技术介绍

[0002]当前零件点云的设备主要有三维扫描仪、三维相机、激光雷达和接触式扫描仪等，其中三维相机以其便携性和价格优势得到了广泛的应用。然而，在扫描复杂表面零件时，零件表面的部分特征会被遮挡，因此需要进行多角度拍摄。当前的拍摄方式主要为人工调整拍摄角度，由于无法确定零件已拍摄的区域，人工调整拍摄角度的方式不仅会造成重复扫描，增大了原始点云的数据量和后期处理负担，还容易出现部分区域未拍摄到的情况，最终导致零件点云缺失、拍摄精度低和拍摄速率低的问题。
[0003]因此，为解决以上问题，亟需提出一种新的技术手段。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术的目的是克服现有技术中的缺陷，提供复杂曲面零件表面自适应多角度扫描方法，有效地解决人工拍摄导致的零件过度扫描或零件部分区域扫描缺失的问题，并且能够提高扫描的精度和速度。
[0005]本专利技术提供的一种复杂曲面零件表面自适应多角度扫描方法，包括以下步骤：
[0006]S1.确定与工作台平面平行的平面为参考平面，以参考平面作为扫描面对零件进行扫描，得到零件表面点云文件P1，将点云文件P1三角化，得到STL格式点云文件P2；
[0007]S2.使用主成分分析法计算STL格式点云文件P1的最小有向包围盒，将STL格式点云文件P2中的三角面片投影至最小有向包围盒底面，根据投影坐标对三角面片进行分区；
[0008]S3.计算每个分区中的归一化平均法向量n
cj
和区域中心点坐标p
cj
；
[0009]S4.根据归一化平均法向量n
cj
、区域中心点坐标p
cj
和位姿矩阵平移距离d计算得到最佳拍摄位姿矩阵集合T
M
＝{T1,T2,T3,
…
,T
m
}；
[0010]S5.根据位姿矩阵的左不变度量距离计算最佳拍摄位姿矩阵的最佳扫描方式；
[0011]S6.根据最佳扫描方式对零件的各区域进行扫描。
[0012]进一步，步骤S1中，通过如下方法将点云文件P1转化为STL格式的点云文件P2：
[0013]S11.根据机器人坐标系标定相机参数，建立相机成像几何模型，使用相机对零件进行扫描，得到原始点云，对原始点云进行滤波、平面拟合和分割处理，得到零件表面点云文件P1；
[0014]S12.使用主成分分析法对点云文件P1进行法向量估计，得到估计法向量N0；
[0015]S13.将点云和点云对应的估计法向量进行整合，得到具有法向量信息的点云文件P'1；
[0016]S14.使用贪婪三角化算法对具有法向量信息的点云文件P'1进行三角化，得到ply格式的点云文件；
[0017]S15.使用ASCII码将ply格式的点云文件编写为STL格式的点云文件P2。
[0018]进一步，步骤S2中，通过如下方法对零件表面的三角面片进行分区：
[0019]S21.使用主成分分析法计算STL格式点云文件P1中三角面片的最小有向包围盒的顶点坐标，将最小有向包围盒的顶点坐标存储于集合p
b
中；
[0020]S22.选取一个底面顶点P
b1
作为平面坐标系原点，以过点P
b1
和点P
b2
的线段为X轴，以过点P
b1
和点P
b3
的线段为Y轴，X轴与Y轴相互垂直，建立一个XOY坐标系；
[0021]将STL格式点云文件P2中的三角面片投影至最小有向包围盒的底面，计算XOY坐标系下的三角面片投影坐标，得到STL格式点云文件P2中的所有三角面片的投影面片的x坐标范围[x
min
,x
max
]和y坐标范围[y
min
,y
max
]；
[0022]S23.根据最小有向包围盒的长l和宽w，以及相机视野的长l'和宽w'进行分区，将三角面片投影坐标的x坐标范围[x
min
,x
max
]等分为l/l'个，表示向上取整，将三角面片投影坐标的y坐标范围[y
min
,y
max
]等分为w/w'个，
[0023]表示向上取整，得到l/l'
×
w/w'个区域。
[0024]进一步，通过如下方法计算XOY坐标系下的三角面片投影坐标：
[0025]根据最小有向包围盒底面的任意三个顶点坐标生成最小有向包围盒的底面方程Ax+By+Cz+D＝0，其中，A表示x的系数变量，B表示y的系数变量，C表示z的系数变量，D表示常数；
[0026]根据底面方程Ax+By+Cz+D＝0计算三角面片顶点的投影坐标p
ip
：
[0027][0028]p
ipx
＝p
ix
‑
At
[0029]p
ipy
＝p
iy
‑
Bt
[0030]p
ipz
＝p
iz
‑
Ct
[0031]P
ip
＝p
ipx
,p
ipy
,p
ipz
[0032]其中，A表示x的系数变量，B表示y的系数变量，C表示z的系数变量，D表示常数，p
i
表示三角面片第i个顶点的坐标，p
ix
表示三角面片顶点i的x坐标，p
iy
表示三角面片顶点i的y坐标，p
iz
表示三角面片顶点i的z坐标，p
ip
表示三角面片第i个顶点的投影坐标，p
ipx
表示三角面片顶点i投影的x坐标，p
ipy
表示三角面片顶点i投影的y坐标，p
ipz
表示三角面片顶点i投影的z坐标，t表示三角面片顶点相对于XOY坐标系的偏移量。
[0033]进一步，步骤S3中，通过如下方法计算每一个区域中心点坐标P
cj
，并储存于集合P
c
中：
[0034][0035][0036][0037][0038][0039]其中，j表示区域序号，x
cj
表示第j个区域的中心点x坐标，y
cj
表示第j个区域的中心点y坐标，z
cj
表示第j个区域的中心点z坐标，u表示x坐标轴的列数减一，v表示y坐标轴的行数，表示最小有向包围盒的顶点P
b1
的x坐标，表示最小有向包围盒的顶点P
b2
的x坐标，表示最小有向包围盒的顶点P
b3
的x坐标，表示最小有向包围盒的顶本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种复杂曲面零件表面自适应多角度扫描方法，其特征在于：包括如下步骤：S1.确定与工作台平面平行的平面为参考平面，以参考平面作为扫描面对零件进行扫描，得到零件表面点云文件P1，将点云文件P1三角化，得到STL格式点云文件P2；S2.使用主成分分析法计算STL格式点云文件P1的最小有向包围盒，将STL格式点云文件P2中的三角面片投影至最小有向包围盒底面，根据投影坐标对三角面片进行分区；S3.计算每个分区中的归一化平均法向量n
cj
和区域中心点坐标p
cj
；S4.根据归一化平均法向量n
cj
、区域中心点坐标p
cj
和位姿矩阵平移距离d计算得到最佳拍摄位姿矩阵集合T
M
＝{T1,T2,T3,
…
,T
m
}；S5.根据位姿矩阵的左不变度量距离计算最佳拍摄位姿矩阵的最佳扫描方式；S6.根据最佳扫描方式对零件的各区域进行扫描。2.根据权利要求1所述的一种复杂曲面零件表面自适应多角度扫描方法，其特征在于：步骤S1中，通过如下方法将点云文件P1转化为STL格式的点云文件P2：S11.根据机器人坐标系标定相机参数，建立相机成像几何模型，使用相机对零件进行扫描，得到原始点云，对原始点云进行滤波、平面拟合和分割处理，得到零件表面点云文件P1；S12.使用主成分分析法对点云文件P1进行法向量估计，得到估计法向量N0；S13.将点云和点云对应的估计法向量进行整合，得到具有法向量信息的点云文件P'1；S14.使用贪婪三角化算法对具有法向量信息的点云文件P'1进行三角化，得到ply格式的点云文件；S15.使用ASCII码将ply格式的点云文件编写为STL格式的点云文件P2。3.根据权利要求1所述的一种复杂曲面零件表面自适应多角度扫描方法，其特征在于：步骤S2中，通过如下方法对零件表面的三角面片进行分区：S21.使用主成分分析法计算STL格式点云文件P1中三角面片的最小有向包围盒的顶点坐标，将最小有向包围盒的顶点坐标存储于集合p
b
中；S22.选取一个底面顶点P
b1
作为平面坐标系原点，以过点P
b1
和点P
b2
的线段为X轴，以过点P
b1
和点P
b3
的线段为Y轴，X轴与Y轴相互垂直，建立一个XOY坐标系；将STL格式点云文件P2中的三角面片投影至最小有向包围盒的底面，计算XOY坐标系下的三角面片投影坐标，得到STL格式点云文件P2中的所有三角面片的投影面片的x坐标范围[x
min
,x
max
]和y坐标范围[y
min
,y
max
]；S23.根据最小有向包围盒的长l和宽w，以及相机视野的长l'和宽w'进行分区，将三角面片投影坐标的x坐标范围[x
min
,x
max
]等分为l/l'个，表示向上取整，将三角面片投影坐标的y坐标范围[y
min
,y
max
]等分为w/w'个，表示向上取整，得到l/l'
×
w/w'个区域。4.根据权利要求3所述的一种复杂曲面零件表面自适应多角度扫描方法，其特征在于：通过如下方法计算XOY坐标系下的三角面片投影坐标：根据最小有向包围盒底面的任意三个顶点坐标生成最小有向包围盒的底面方程Ax+By+Cz+D＝0，其中，A表示x的系数变量，B表示y的系数变量，C表示z的系数变量，D表示常数；根据底面方程Ax+By+Cz+D＝0计算三角面片顶点的投影坐标p
ip
：
p
ipx
＝p
ix
‑
Atp
ipy
＝p
iy
‑
Btp
ipz
＝p
iz
‑
CtP
ip
＝(p
ipx
,p
ipy
,p
ipz
)其中，A表示x的系数变量，B表示y的系数变量，C表示z的系数变量，D表示常数，p
i
表示三角面片第i个顶点的坐标，p
ix
表示三角面片顶点i的x坐标，p
iy
表示三角面片顶点i的y坐标，p
iz
表示三角面片顶点i的z坐标，p
ip
表示三角面片第i个顶点的投影坐标，p
ipx
表示三角面片顶点i投影的x坐标，p
ipy
表示三角面片顶点i投影的y坐标，p
ipz
表示三角面片顶点i投影的z坐标，t表示三角面片顶点相对于X...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐倩，何文喆，郭伏雨，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：