基于三個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)的點(diǎn)云拼接對(duì)齊方法_混合對(duì)齊

1、基于三個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)的點(diǎn)云拼接對(duì)齊方法_混合對(duì)齊論文導(dǎo)讀:：在逆向工程技術(shù)應(yīng)用中，我們經(jīng)常需要得到物體內(nèi)、外表面幾何形狀的完整數(shù)據(jù)。測(cè)量?jī)x器往往不便于在同一定位狀態(tài)(同一坐標(biāo)系)下完成整個(gè)內(nèi)、外表面的測(cè)量工作。為了得到完整數(shù)據(jù)模型，常用的方法是采用多視拼合技術(shù)。本文首先討論了對(duì)齊拼接的算法。然后根據(jù)此原理，提出粘貼帶有孔的薄壁塑料片的新辦法，在不同的定位狀態(tài)下對(duì)物體內(nèi)、外表面進(jìn)行多次測(cè)量獲得多視點(diǎn)云，并利用Imageware 逆向軟件的數(shù)據(jù)對(duì)齊技術(shù)實(shí)現(xiàn)其多視點(diǎn)云拼合。論文關(guān)鍵詞：逆向工程，多視拼合Imageware，混合對(duì)齊引言在逆向工程中實(shí)際過程中，對(duì)實(shí)物樣件實(shí)行數(shù)字化時(shí)，往往不能在同一坐標(biāo)系下將

2、產(chǎn)品的幾何數(shù)據(jù)一次測(cè)出。其原因一是產(chǎn)品尺寸超出掃描儀的掃描范圍，二是在部分區(qū)域掃描光線受被測(cè)實(shí)物幾何形狀的干涉阻礙以及不能觸及產(chǎn)品的反面，這時(shí)就需要在不同的定位狀態(tài)（不同的坐標(biāo)系）下測(cè)量產(chǎn)品的各個(gè)部分，得到的數(shù)據(jù)為多次測(cè)量建模數(shù)據(jù)。這兩種情況的數(shù)據(jù)都稱為多視數(shù)據(jù)，由于在幾何模型重構(gòu)時(shí)必須將這些不同坐標(biāo)系下的多視數(shù)據(jù)變換或統(tǒng)一到同一個(gè)坐標(biāo)系中，這個(gè)數(shù)據(jù)處理過程稱為多視數(shù)據(jù)的對(duì)齊，或數(shù)據(jù)拼合、重定位等1。處理多視數(shù)據(jù)對(duì)齊的方法：一是通過專用的測(cè)量裝置實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的直接對(duì)齊，二是事后的數(shù)據(jù)處理方法?；跍y(cè)量裝置的對(duì)齊，不需要事后的數(shù)據(jù)處理，快速方便，但需要增加精密輔助裝置，使系統(tǒng)復(fù)雜，而且不能完全滿

3、足任何視角的探測(cè)，仍需要合適的事后數(shù)據(jù)對(duì)齊處理。事后數(shù)據(jù)對(duì)齊處理即多次測(cè)量數(shù)據(jù)的拼合問題最終歸結(jié)為非線性的優(yōu)化問題，在20世紀(jì)80年代中期，很多學(xué)者開始對(duì)點(diǎn)集數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)（拼接、注冊(cè)）進(jìn)行了大量研究。目前已提出的算法有ICP算法、四元數(shù)法、SVD法等。在逆向工程的點(diǎn)云或CAD數(shù)據(jù)重定位中，一般采用ICP算法進(jìn)行拼合2。本文采用粘貼帶有孔的薄壁塑料片的辦法分兩次測(cè)量零件的內(nèi)、外表面幾何形狀，獲得多視點(diǎn)云，然后基于參考點(diǎn)與特征，利用Imageware逆向軟件的數(shù)據(jù)對(duì)齊技術(shù)在誤差允許情況下快速實(shí)現(xiàn)其多視點(diǎn)云拼合，實(shí)現(xiàn)實(shí)物樣件數(shù)字化。1多視拼合算法實(shí)現(xiàn)三維數(shù)據(jù)點(diǎn)集的對(duì)齊方法混合對(duì)齊，首先是建立對(duì)應(yīng)點(diǎn)集距

4、離的最小二乘目標(biāo)函數(shù)，利用四元組法、矩陣的奇異值分解法求取剛體運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)和平移矩陣。測(cè)量數(shù)據(jù)的多視統(tǒng)一可以看做是一種剛體移動(dòng)，因此可以利用上述數(shù)據(jù)對(duì)齊方法來(lái)處理。由于三點(diǎn)可以建立一個(gè)坐標(biāo)關(guān)系，如果我們測(cè)量時(shí)，在不同視圖中建立用于對(duì)齊的三個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，通過三個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)的對(duì)齊就能實(shí)現(xiàn)三維測(cè)量數(shù)據(jù)的多視統(tǒng)一，實(shí)際上是將數(shù)據(jù)對(duì)齊轉(zhuǎn)換為坐標(biāo)變換問題期刊網(wǎng)。31.1基準(zhǔn)點(diǎn)測(cè)量測(cè)量時(shí)，在零件上設(shè)立基準(zhǔn)點(diǎn)，取不同位置的三個(gè)點(diǎn)，用記號(hào)標(biāo)記，在進(jìn)行零件表面數(shù)據(jù)測(cè)量時(shí)，如果需變動(dòng)零件位置，每次變動(dòng)必須重復(fù)測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)。在不同測(cè)量坐標(biāo)下得到的數(shù)據(jù)，通過三個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)移動(dòng)對(duì)齊，就能將數(shù)據(jù)統(tǒng)一在一個(gè)造型坐標(biāo)下，數(shù)據(jù)變換問題就歸結(jié)為基

5、準(zhǔn)點(diǎn)的對(duì)齊，可以利用幾何圖形的坐標(biāo)變換方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。1.2三點(diǎn)對(duì)齊坐標(biāo)變換方法在實(shí)物表面的數(shù)字化過程中，由于物體的移動(dòng)造成測(cè)量坐標(biāo)的定位變化，相同的位置在不同的測(cè)量過程中，數(shù)據(jù)是不同的，但對(duì)同一個(gè)點(diǎn)來(lái)說，相當(dāng)于從一個(gè)坐標(biāo)系變換到另一個(gè)坐標(biāo)系，因此可以將問題表述為坐標(biāo)系的變換問題。三維圖形的坐標(biāo)變換包括平移、比例、旋轉(zhuǎn)、錯(cuò)切等幾何變換，這里測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)的對(duì)齊問題僅是平移和旋轉(zhuǎn)變換。因?yàn)槿c(diǎn)表示一個(gè)完整的坐標(biāo)，因此多次測(cè)量數(shù)據(jù)變換只需由三個(gè)不同的基準(zhǔn)點(diǎn)就能實(shí)現(xiàn)。三點(diǎn)幾何坐標(biāo)變換方法為：測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)p1、p2、p3。第二次測(cè)量時(shí)，基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)變?yōu)閝1、q2、q3，剛體變換可通過三個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)：(1)變換p1到

6、q1(2)變換矢量(p2-p1)到(q2-q1)(只考慮方向)(3)變換包含三點(diǎn)p1、p2與p3的平面到包含q1、q2與q3的平面。算法為：Step1：作矢量(p2- p1)、(p3- p1)、(q2- q1)與(q3- q1)；Step2：令V1= p2- p1，W1= q2- q1；Step3：作矢量V3與W3；Step4：作矢量V2與W2；顯然，矢量V1、V2與V3構(gòu)成右手正交系，矢量W1、W2與W3同樣構(gòu)成右手正交系。Step5：作單位矢量，；，；Step6：把系統(tǒng)的任一點(diǎn)變換到系統(tǒng)，用變換關(guān)系式；Step7：因?yàn)楹褪菃挝皇噶烤仃?，所以，于是所求的關(guān)于系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)矩陣為：；Step8：使

7、和，把方程代入，可得平移矩陣T：；3Step9：將方程改寫為；2多視點(diǎn)云拼合的實(shí)現(xiàn)Imageware是著名的逆向工程軟件，廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車、模具、通用機(jī)械和電子等工業(yè)領(lǐng)域。它作為UG軟件中專門為逆向工程設(shè)計(jì)的模塊，具有強(qiáng)大的測(cè)量數(shù)據(jù)處理、曲面造型和誤差檢測(cè)的功能；可以處理幾萬(wàn)至幾百萬(wàn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。Imageware中提供了多種對(duì)齊點(diǎn)云數(shù)據(jù)的模式，如點(diǎn)與點(diǎn)對(duì)齊、321對(duì)齊模式、交互式對(duì)齊模式、混合對(duì)齊模式等，本文選用適合上述算法的混合對(duì)齊模式，即將一個(gè)實(shí)體群組與另一個(gè)實(shí)體群組通過匹配將對(duì)應(yīng)的實(shí)體對(duì)齊，這樣得到的每個(gè)匹配對(duì)的精確度都去平均值，所有的匹配對(duì)都是近似的混合對(duì)齊，每個(gè)實(shí)體對(duì)的誤差也近似相等。只要在誤差允許的范圍內(nèi)就可以對(duì)對(duì)齊所得的整合點(diǎn)云進(jìn)行模型重構(gòu)。2掃描儀采用天遠(yuǎn)二代三維掃描儀OKIO-V-400，它本身有點(diǎn)云自動(dòng)對(duì)齊功能，只要在掃描零件上貼上標(biāo)志點(diǎn)，并且在兩次掃描過程中至少有三個(gè)公共點(diǎn)，那么在掃描控制軟件上點(diǎn)一下自動(dòng)對(duì)齊按鈕，軟件就會(huì)自動(dòng)把二塊點(diǎn)云對(duì)齊。但是要直接出掃描零件的內(nèi)、外表面，不太容易，因?yàn)閺耐獗砻孢^渡到內(nèi)表面的掃描過程中，要做到兩次掃描過程中至少有