一種基于點云數據的彎管模型重建方法技術

本發明專利技術公開了一種基于點云數據的彎管檢測方法。根據采樣點切矢信息，識別彎管的圓柱段和圓環段，分別擬合各段計算出彎管模型的參數。該方法的特征在于：根據采樣點切矢在單位球上的映射，分類點云數據；以累加弦長為位置參數，重新排序采樣點；最終計算彎管參數，重建彎管模型。該方法為彎管零件的檢測提供一種快速、精準的數據分析方法，操作簡便，計算結果可靠。

A bend model reconstruction method based on point cloud data

The invention discloses a bend detection method based on point cloud data. According to the tangent vector information of the sampling point, the cylindrical section and the annular section of the bent pipe are identified, and each segment is fitted to calculate the parameters of the pipe bending model. The method is characterized in that: according to the mapping tangent sampling points on the unit sphere, the classification of point cloud data; the cumulative chord length for the location parameter, reordering of sampling points; the final calculation parameters of elbow, elbow reconstruction model. The method provides a fast and accurate data analysis method for the bending parts. It is easy to operate and reliable in calculation.

【技術實現步驟摘要】
一種基于點云數據的彎管模型重建方法
本專利技術涉及復雜曲面檢測
，具體是一種基于點云數據的彎管模型重建方法。
技術介紹
彎管零件是工業中應用廣泛的零件之一，加工過程中的回彈現象使成形質量受到極大的影響，但由于其空間的復雜性，傳統的彎管檢測方法不僅費時費力，而且檢測結果無法量化，對檢測結果的分析評價主要依賴檢測人員的經驗。因而在生產過程中對彎管快速、精準的檢測就顯得非常重要。在彎管檢測重建方面，巴黎礦業學院機器人研究中心的FrangoisGoulette提出一種基于深度圖像的工業彎管自動CAD建模方法，主要是利用微分幾何方法求出主曲率的局部估計值來把點云分割成圓柱部分和圓環部分，然而這種方法存在嚴重的不足，首先微分估計對于噪點比較敏感，而且它還需要其他可靠的方法來避免過分割；此外，僅僅使用局部的估計值，往往很難識別非常短的圓柱或者圓環段。哥廷根大學的UlrichBauer和柏林自由大學的KonradPolthier提出一種脊線重建方法，然后提出一種基于由圓弧和直線組成且滿足G1連續性的多角曲線的算法，但是這種算法復雜度高，不適用于過于復雜和數據量過大的彎管。上海大學的孫亮、趙翠蓮等人研究了一種基于迭代的切片方向優化算法及根據管線方向變化自動尋找新種子點及對應切片的算法，以此獲取截面輪廓線及中心線點列，利用CAD軟件重構出管路模型。但是這兩種方法都沒有考慮管道在彎曲部分的參數測量，只是在計算機上重建模型，沒有足夠的測量參數，不能應用到實際的設計和加工中。
技術實現思路
本專利技術的目的是提供一種基于點云數據的彎管模型重建方法，以實現準確、自動化識別彎管各段，并且使時間性能得到提升。為了達到上述目的，本專利技術所采用的技術方案為：一種基于點云數據的彎管模型重建方法，其特征在于：包括以下步驟：(1)、通過三維掃描設備獲取彎管的點云數據并輸入計算機中；(2)、在計算機中局部擬合曲面并利用曲面的第一、第二基本形式估計點云主曲率、主方向和法矢的屬性信息；(3)、將點云主方向映射到單位球上，采用聚類技術和累加弦長參數化方法識別彎管的圓柱段和圓環段；(4)、采用最小二乘法擬合圓柱和圓環面，計算出彎管特征參數；(5)、基于彎管特征參數，實現彎管的三維模型重建。所述的一種基于點云數據的彎管模型重建方法，其特征在于：所述步驟(1)過程如下：首先設置三維掃描設備的掃描范圍、幅度、單位參數，然后利用該三維掃描設備掃描彎管獲取點云數據M，并將點云數據M輸入計算機中，點云數據包括采樣點的坐標信息和索引。所述的一種基于點云數據的彎管模型重建方法，其特征在于：所述步驟(2)過程如下：(2a)、首先基于協方差矩陣Σ＝QTQ的特征向量計算出各個采樣點Pi處法矢量的初始值，其中：將矩陣Σ最小特征值對應的特征向量設為Pi處法矢量的初始值；(2b)、然后以為Z軸建立Pi點處的局部坐標系，并計算鄰域內各點的局部坐標值，設局部坐標系的三個坐標軸分別為(xx，yx，zx)、(xy，yy，zy)、(xz，yz，zz)，則Pj點的局部坐標為：(2c)、其次采用最小二乘法，擬合內的點構造局部二次曲面π(x,y)＝ax2+by2+cxy+dx+ey+f，得到Pi點的法矢量等基本信息，同時利用曲面第一、第二基本形式計算出點云的主曲率、主方向，由曲面第一、第二基本量組成的矩陣如下所示：其中a、b、c、d、e、f為方程的系數，E、I、F為曲面第一基本量，L、M、N為曲面第二基本量，G-1H矩陣的特征值分別為主曲率Kmin和Kmax，對應的特征向量分別為兩個主方向，最大曲率對應的主方向記作同時也是Pi點的一個切矢，理論上Kmax的倒數為管半徑，點云沿法矢移動半徑長度得到近似中心線上的點集S1。所述的一種基于點云數據的彎管模型重建方法，其特征在于：所述步驟(3)過程如下：(3a)、首先將映射到單位球上，得到集合S2；(3b)、采用聚類技術，將S2分類；(3c)、將點集S1進行排序，得到多義線S；(3d)、將S1中的所有點Pi(i＝0,…,n)向S投影，并計算各投影點的累加弦長，用作Pi點的參數；(3e)、根據聚類分析結果及各點的參數，將M中的點分為圓柱段上點和圓環段上點。所述的一種基于點云數據的彎管模型重建方法，其特征在于：所述步驟(4)過程如下：(4a)、估計參數初始值：圓柱的獨立參數有五個，圓柱面的初始中心點為點集S1中對應圓柱段的一端的點，同時是柱面軸向的坐標起點，由柱段兩個端點對應S1上的起止點得到一向量，將之作為圓柱軸向量的估計值；圓環面的獨立參數有七個，圓環面的初始軸向量是相鄰圓柱段的軸向量的叉積，初始圓環的中心點C有以下公式：C＝(M+N)/2(4)，點M＝(xs1,ys1,zs1)和N＝(xs2,ys2,zs2)是直線L1、L2公垂線的兩個端點，線L1、L2由方向向量和相鄰兩個圓柱段的端點所確定；(4b)、采用非線性方程組求解算法計算出二次曲面特征參數。所述的一種基于點云數據的彎管模型重建方法，其特征在于：所述步驟(5)過程如下：(5a)、用圓環的中心點C(x,y,z)和相鄰圓柱段的軸向量計算裁剪平面，有公式：vx·x+vy·y+vz·z+D＝0(5)，裁剪平面裁剪圓環面得到彎管圓環段的模型，進一步可以利用裁剪平面精確分割圓柱段點云數據并重新計算圓柱段的參數；(5b)、使用OpenGL中的平移、旋轉函數完成彎管的顯示。由上述技術方案可知，本專利技術的優點在于：第一，通過兩次計算，獲得更加準確的點云數據的法矢量；第二，該方法不需要掃描全部的點云數據，可減少計算量，提高檢測效率；第三，該算法可快速、精準的將彎管分段；第四，該算法也具有較為廣泛的應用，通過分析檢測結果，調整加工指令進行補償，提高產品的合格率；同時，這種方法還可以用于CAD模型未知的彎管零件的反求CAD建模。附圖說明圖1為本專利技術的方法流程圖。圖2為實施例中彎管點云數據的示意圖。圖3為實施例中點云法矢量計算的效果圖。圖4為實施例中點云切矢量計算的效果圖。圖5為實施例中中心線點集計算的效果圖。圖6為本專利技術中切矢在單位球上映射的示意圖。圖7為實施例切矢在單位球上映射的效果圖。圖8為實施例中球面上點集聚類的效果圖。圖9為本專利技術中提取有序點集的示意圖。圖10為實施例提取有序中心點集連接折線的效果圖。圖11為本專利技術中參數化的示意圖。圖12為實施例中彎管分段的效果圖。圖13為本專利技術中計算彎管圓環段中心點的示意圖。圖14為本專利技術中計算非共面直線公垂線中點的示意圖。圖15為實施例中裁剪平面和圓環面計算的效果圖。圖16為實施例中彎管重建的效果圖。具體實施方式如圖1所示，一種基于點云數據的彎管檢測方法的流程圖，該方法包括下列順序的步驟：(1)通過三維掃描設備獲取彎管的點云數據并輸入計算機中；(2)局部擬合曲面并利用曲面的第一、第二基本形式估計點云的主曲率、主方向和法矢等屬性信息；(3)將點云主方向映射到單位球上，采用聚類技術和累加弦長參數化的辦法識別彎管的圓柱段和圓環段；(4)采用最小二乘法擬合圓柱和圓環面，計算出彎管特征參數；(5)基于彎管特征參數，實現彎管的三維模型重建。現結合附圖和具體實施例對本專利技術進一步詳細的說明。實施例一本實施例是對一個只有一個直角彎的彎管零件的重建，包括以下步驟：步驟1：輸入彎管點云數據模本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于點云數據的彎管模型重建方法，其特征在于：包括以下步驟：(1)、通過三維掃描設備獲取彎管的點云數據并輸入計算機中；(2)、在計算機中局部擬合曲面并利用曲面的第一、第二基本形式估計點云主曲率、主方向和法矢的屬性信息；(3)、將點云主方向映射到單位球上，采用聚類技術和累加弦長參數化方法識別彎管的圓柱段和圓環段；(4)、采用最小二乘法擬合圓柱和圓環面，計算出彎管特征參數；(5)、基于彎管特征參數，實現彎管的三維模型重建。

【技術特征摘要】
1.一種基于點云數據的彎管模型重建方法，其特征在于：包括以下步驟：(1)、通過三維掃描設備獲取彎管的點云數據并輸入計算機中；(2)、在計算機中局部擬合曲面并利用曲面的第一、第二基本形式估計點云主曲率、主方向和法矢的屬性信息；(3)、將點云主方向映射到單位球上，采用聚類技術和累加弦長參數化方法識別彎管的圓柱段和圓環段；(4)、采用最小二乘法擬合圓柱和圓環面，計算出彎管特征參數；(5)、基于彎管特征參數，實現彎管的三維模型重建。2.根據權利要求1所述的一種基于點云數據的彎管模型重建方法，其特征在于：所述步驟(1)過程如下：首先設置三維掃描設備的掃描范圍、幅度、單位參數，然后利用該三維掃描設備掃描彎管獲取點云數據M，并將點云數據M輸入計算機中，點云數據包括采樣點的坐標信息和索引。3.根據權利要求1所述的一種基于點云數據的彎管模型重建方法，其特征在于：所述步驟(2)過程如下：(2a)、首先基于協方差矩陣Σ＝QTQ的特征向量計算出各個采樣點Pi處法矢量的初始值，其中：將矩陣Σ最小特征值對應的特征向量設為Pi處法矢量的初始值；(2b)、然后以為Z軸建立Pi點處的局部坐標系，并計算鄰域內各點的局部坐標值，設局部坐標系的三個坐標軸分別為(xx，yx，zx)、(xy，yy，zy)、(xz，yz，zz)，則Pj點的局部坐標為：(2c)、其次采用最小二乘法，擬合內的點構造局部二次曲面π(x,y)＝ax2+by2+cxy+dx+ey+f，得到Pi點的法矢量等基本信息，同時利用曲面第一、第二基本形式計算出點云的主曲率、主方向，由曲面第一、第二基本量組成的矩陣如下所示：

【專利技術屬性】
技術研發人員：李維詩，趙巖巖，于連棟，夏豪杰，
申請(專利權)人：合肥工業大學，
類型：發明
國別省市：安徽,34