專利名稱：3d掃描數(shù)據(jù)自動(dòng)對齊的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的示例性實(shí)施例一般涉及3D掃描數(shù)據(jù)，更具體涉及一種自動(dòng) 確定3D掃描數(shù)據(jù)用的坐標(biāo)系的機(jī)制。
背景技術(shù)：
3D掃描通過收集代表被掃描三維對象形狀的高分辨率點(diǎn)來捕獲三 維對象的物理幾何信息。 一旦捕獲了原始3D掃描數(shù)據(jù)，就可以將其變換 成CAD部件模型，以進(jìn)一步處理，從而復(fù)制或修改三維對象的設(shè)計(jì)。這 種捕獲三維對象的3D掃描數(shù)據(jù)以將其提供給CAD應(yīng)用程序、從而可以 重新設(shè)計(jì)對象的過程被稱作反向工程。
當(dāng)使用3D掃描儀或數(shù)字變換器測量點(diǎn)時(shí)，在測量設(shè)備中使所有測量 點(diǎn)的坐標(biāo)所參考的基本坐標(biāo)系定位和取向。制造商設(shè)定坐標(biāo)系的規(guī)格， 并因而對于坐標(biāo)系沒有不可接受的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，主要原因是設(shè)備結(jié)構(gòu)的多 樣性。在CMM(坐標(biāo)測量機(jī))的情況下，探針的移動(dòng)是直線式的，并且終 端用戶知道如何使CMM臺上的待測量部件定位和取向，從而易于追蹤測 量坐標(biāo)信息。通常的習(xí)慣是在實(shí)際測量開始之前使用CMM設(shè)定坐標(biāo)系參 數(shù)。
對于3D掃描，捕獲點(diǎn)的方法略微不同于其他類型的測量系統(tǒng)，并帶 來額外的難題。3D掃描設(shè)備是便攜式的，因而所述設(shè)備具有在掃描對象 的過程中改變測量坐標(biāo)系的能力。待掃描的對象經(jīng)常也被再定位(例如翻 轉(zhuǎn)目標(biāo)對象以捕獲底部幾何形狀)。在一些應(yīng)用中，3D掃描系統(tǒng)識別與對 象連接以追蹤3D掃描儀或?qū)ο蟮脑俣ㄎ缓驮偃∠虻哪繕?biāo)設(shè)備。在掃描過 程中掃描儀和對象移動(dòng)的結(jié)果是3D空間中的一組任意取向的3D點(diǎn)或網(wǎng) 格數(shù)據(jù)。當(dāng)終端用戶需要設(shè)計(jì)復(fù)制3D掃描數(shù)據(jù)的CAD模型時(shí)，在建模過 程中構(gòu)建適合坐標(biāo)系作為整體坐標(biāo)參考是首先和最重要的步驟。通過手 動(dòng)搜尋3D掃描數(shù)據(jù)中的幾何線索來定義這種整體坐標(biāo)系不是一種簡單的
過程(由于上述過程中的變量)。定義整體坐標(biāo)系需要反復(fù)試驗(yàn)，這很耗時(shí) 并易出錯(cuò)。
用于判斷所定義的整體坐標(biāo)系的適合性的一種重要度量是所述坐標(biāo) 系造成的整體偏差誤差量。整體偏差誤差是原始3D掃描數(shù)據(jù)和重建模的 CAD模型之間的距離差異。 一旦設(shè)立了整體坐標(biāo)參考系，建模特征如擠 壓、旋轉(zhuǎn)、放樣或掃描通常將參考整體坐標(biāo)系。略微不同的整體坐標(biāo)系 可能造成顯著的偏差誤差差異。常規(guī)技術(shù)允許終端用戶控制建模參數(shù)， 以逐個(gè)特征地最小化偏差誤差。然而，在最小化峰值誤差的同時(shí)，最小
化偏差誤差的總和相當(dāng)困難。坐標(biāo)系用于生成CAD特征(如使用坐標(biāo)系軸 的擠壓)，并與掃描數(shù)據(jù)比較以確定偏差。峰值偏差指網(wǎng)格的最大偏差點(diǎn) 或區(qū)域，而平均偏差是網(wǎng)格的所有點(diǎn)或區(qū)域的總體均值。需要一種定義 整體坐標(biāo)系的自動(dòng)機(jī)制，這種坐標(biāo)系能夠最小化偏差誤差的總和，同時(shí) 最小化原始3D掃描數(shù)據(jù)的峰值誤差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的示例性實(shí)施例提供一種識別和定義整體坐標(biāo)系的自動(dòng)機(jī) 制，這種整體坐標(biāo)系最適于用于形成網(wǎng)格模型的原始3D掃描數(shù)據(jù)的集合。 更具體而言，被識別的坐標(biāo)系能夠最小化偏差誤差的總和，同時(shí)最小化 原始3D掃描數(shù)據(jù)的峰值誤差。本發(fā)明以完全自動(dòng)的方式從原始3D掃描數(shù) 據(jù)搜尋適合的坐標(biāo)系。識別出能夠使整體偏差誤差最小的多個(gè)坐標(biāo)系， 并呈現(xiàn)給用戶。在基于所選坐標(biāo)系變換3D掃描數(shù)據(jù)的對齊之前，還允許 終端用戶交互式地編輯建議的坐標(biāo)系參數(shù)。
在本發(fā)明的一個(gè)方面中，提供一種自動(dòng)確定3D掃描數(shù)據(jù)用的坐標(biāo) 系的方法，所述方法包括提供3D掃描數(shù)據(jù)的集合的步驟。所述3D掃描 數(shù)據(jù)用于生成代表三維對象表面的網(wǎng)格模型。所述方法還程序化地確定 所述3D掃描數(shù)據(jù)用的多個(gè)坐標(biāo)系。此外，所述方法生成所述確定的坐標(biāo) 系的排名表。
在本發(fā)明的另一個(gè)方面中，提供一種自動(dòng)確定3D掃描數(shù)據(jù)用的坐 標(biāo)系的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括3D掃描數(shù)據(jù)的集合。所述3D掃描數(shù)據(jù)用于 生成代表三維對象表面的網(wǎng)格模型。所述系統(tǒng)還包括用于程序化地確定 所述3D掃描數(shù)據(jù)用的多個(gè)坐標(biāo)系的坐標(biāo)確定工具。所述坐標(biāo)確定工具生 成所述確定的坐標(biāo)系的排名表。此外，所述系統(tǒng)包括所述坐標(biāo)確定工具 生成的圖形用戶界面。所述圖形用戶界面能夠使用戶選擇所述排名表中 的坐標(biāo)系。


本發(fā)明由所附權(quán)利要求中的特征來限定。參考下面結(jié)合附圖所作的 說明，可以更好地理解本發(fā)明的上述優(yōu)點(diǎn)以及本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)，在附 圖中.-
圖l示出適于實(shí)施本發(fā)明示例性實(shí)施例的環(huán)境；
圖2是本發(fā)明示例性實(shí)施例的順序步驟的流程圖，用于確定3D掃描 數(shù)據(jù)集合用的整體坐標(biāo)系；
圖3是本發(fā)明示例性實(shí)施例的順序步驟的流程圖，用于分類網(wǎng)格模型 中的區(qū)域并計(jì)算定義坐標(biāo)系用的參數(shù)；
圖4是本發(fā)明示例性實(shí)施例的順序步驟的流程圖，用于組合和平均相 似的參數(shù)；
圖5A示出沒有與整體坐標(biāo)系對齊的輸入網(wǎng)格的圖5B示出在圖5A的網(wǎng)格分割成功能區(qū)域之后網(wǎng)格的圖6A-圖6F示出計(jì)算各區(qū)域用的坐標(biāo)系用的基本參數(shù)的圖7示出本發(fā)明的示例性實(shí)施例生成的圖形用戶界面，列出了確定的 坐標(biāo)系，并能夠使用戶選擇坐標(biāo)系；以及
圖8示出使用選擇的坐標(biāo)系變換網(wǎng)格后網(wǎng)格模型的生成圖。
具體實(shí)施例方式
在CAD設(shè)計(jì)中越來越多地使用3D掃描數(shù)據(jù)，這使得找到用來對齊3D 掃描數(shù)據(jù)的可靠坐標(biāo)系越來越重要。本發(fā)明通過程序化地確定3D掃描數(shù) 據(jù)用的可能坐標(biāo)系、基于坐標(biāo)系造成最小偏差誤差的可能性排列確定的 坐標(biāo)系并將排列的坐標(biāo)系呈現(xiàn)給用戶審閱和選擇，解決了這種需要。排 列的坐標(biāo)系通過圖形用戶界面呈現(xiàn)給用戶，圖形用戶界面允許用戶在將
坐標(biāo)系應(yīng)用至3D掃描數(shù)據(jù)之前定制所選坐標(biāo)系。
圖l示出適于實(shí)施本發(fā)明示例性實(shí)施例的環(huán)境。計(jì)算設(shè)備2是掃描數(shù)
據(jù)4的集合、適于設(shè)計(jì)CAD模型的CAD應(yīng)用程序6和本發(fā)明的坐標(biāo)確定工 具8的主機(jī)。計(jì)算設(shè)備2可以是安裝有處理器并能夠支持CAD應(yīng)用程序6 和坐標(biāo)確定工具8執(zhí)行的工作站、服務(wù)器、膝上型電腦、大型計(jì)算機(jī)、PDA 或其他計(jì)算設(shè)備。掃描數(shù)據(jù)4的集合可以從預(yù)先存儲(chǔ)的掃描數(shù)據(jù)集合輸入 或可以就在用坐標(biāo)確定工具8確定掃描數(shù)據(jù)用的坐標(biāo)系之前獲得。例如， 掃描數(shù)據(jù)4可以通過與計(jì)算設(shè)備2連接或與其通訊的3D掃描儀10從目標(biāo)對 象12獲得。掃描數(shù)據(jù)4是代表被掃描對象形狀的三維高分辨率點(diǎn)的集合。 在一種實(shí)施中，掃描數(shù)據(jù)4是一組三角形網(wǎng)格，但使用其他形式的掃描數(shù) 據(jù)也被認(rèn)為是在本發(fā)明的范圍內(nèi)。例如，掃描數(shù)據(jù)4可以是點(diǎn)、四邊形網(wǎng) 格、四面體網(wǎng)格或六面體網(wǎng)格。網(wǎng)格組一起形成代表被掃描對象表面的 網(wǎng)格模型。
坐標(biāo)確定工具8以軟件執(zhí)行，并程序化地確定掃描數(shù)據(jù)4用的可能坐 標(biāo)系。坐標(biāo)確定工具8可以是獨(dú)立應(yīng)用程序、CAD應(yīng)用程序6的插件或另 一種應(yīng)用程序，或者坐標(biāo)確定工具8可以是其他類型的可執(zhí)行處理過程。 坐標(biāo)確定工具8也生成確定的坐標(biāo)系的排名表，并通過圖形用戶界面32在 顯示器30上呈現(xiàn)給用戶20。
如上所述，坐標(biāo)確定工具8確定掃描數(shù)據(jù)4用的坐標(biāo)系，并為用戶排 列坐標(biāo)系。圖2是坐標(biāo)確定工具8的順序步驟的流程圖，用于識別3D掃描 數(shù)據(jù)的集合用的優(yōu)選坐標(biāo)系。順序步驟從分割網(wǎng)格模型(3D掃描數(shù)據(jù))開 始，將網(wǎng)格模型分割成多個(gè)區(qū)域(步驟50)。然后，坐標(biāo)確定工具8分類區(qū) 域，并計(jì)算定義坐標(biāo)系用的基本參數(shù)(步驟52)。在下面的圖3中進(jìn)一步討 論區(qū)域的分類和參數(shù)的計(jì)算。坐標(biāo)確定工具8組合相似的參數(shù)，并平均組 合中的參數(shù)(步驟54)。結(jié)合下面的圖4更詳細(xì)地討論參數(shù)的組合和平均。 在已經(jīng)組合和平均相似的參數(shù)之后，坐標(biāo)確定工具8程序化地識別從所述 參數(shù)中坐標(biāo)系是精確確定的(well-determined)參數(shù)組合(步驟56)和從所述 參數(shù)中坐標(biāo)系的一個(gè)自由度是不確定的參數(shù)組合(步驟58)。
笛卡兒(Cartesian)坐標(biāo)由空間中的點(diǎn)(xO， y0， zO)和三個(gè)正交方向定 義。點(diǎn)的分量(即xO)可以由x-方向的面和法線指示。空間中的點(diǎn)還可以
由向量和面的交點(diǎn)、三個(gè)非平行面的交點(diǎn)以及二個(gè)共面的非平行線的交 點(diǎn)指示。坐標(biāo)方向的分量由面法線或向量指示。此外，給定兩個(gè)正交線 (即從向量或面法線)，那么第三個(gè)正交線被指示，并因而指示三個(gè)正交 方向。如果有足夠的信息生成一個(gè)坐標(biāo)(艮卩三個(gè)正交方向和兩組點(diǎn))，那 么可以生成多個(gè)坐標(biāo)(即中心位置在兩組點(diǎn)的每一個(gè)的兩個(gè)坐標(biāo)，具有 共用正交方向)。
如果用于指示精確確定的坐標(biāo)系的一個(gè)或多個(gè)元素失去，那么該坐 標(biāo)系被認(rèn)為一個(gè)或多個(gè)自由度不確定。其例子是空間中的點(diǎn)和向量。通 過額外的第二正交方向，可以指示第三個(gè)正交方向，從而得到精確確定 的坐標(biāo)系。
例如，精確確定的坐標(biāo)系可以包括三個(gè)正交面；兩個(gè)正交面與一條 線，線與任一面正交，其中線-面交點(diǎn)是原點(diǎn)；以及共面的正交線，其中 交點(diǎn)是原點(diǎn)。同樣， 一個(gè)自由度不確定的坐標(biāo)系可以是具有兩個(gè)正交面 且原點(diǎn)任意選擇的坐標(biāo)系。可選擇地，不確定的坐標(biāo)系可以具有非共面 的兩條正交線，并且具有任意選擇的原點(diǎn)，作為兩條線之間的中點(diǎn)。相 似地，不確定的坐標(biāo)系可以具有正交線和面，其中一個(gè)軸是任意選擇的。
在識別坐標(biāo)系之后，坐標(biāo)確定工具8為所識別的坐標(biāo)系評分，并將它 們匯集成呈現(xiàn)給終端用戶20的排名表或其他形式，其中得分最高的坐標(biāo) 系是覆蓋最大面積并且具有最低誤差分布的坐標(biāo)系，精確確定的坐標(biāo)系 其得分在不確定的坐標(biāo)系之前(步驟60)。所確定的坐標(biāo)系的排名表通過圖 形用戶界面32呈現(xiàn)給用戶20，從而能夠使用戶選擇所需的坐標(biāo)系。用戶 也能夠定制所選的坐標(biāo)系(步驟62)。例如，當(dāng)坐標(biāo)系與原點(diǎn)對齊時(shí)，用戶 可以選擇哪個(gè)面將是X， Y和Z (或前、上和右)。用戶還可以改變原點(diǎn)。 在用戶選擇和任選定制確定的坐標(biāo)系之一后，將坐標(biāo)系應(yīng)用到掃描數(shù)據(jù) 4，并基于所選坐標(biāo)系再次對齊(步驟64)。
圖3討論在分割網(wǎng)格模型之后區(qū)域的分類和定義坐標(biāo)系用的參數(shù)的 計(jì)算?？梢允褂靡阎指罘椒ǔ绦蚧胤指罹W(wǎng)格模型，如基于曲率的分 割方法，或可以響應(yīng)于區(qū)域選擇和分割過程進(jìn)行分割。在分割網(wǎng)格模型 之后，坐標(biāo)確定工具8分類多個(gè)不同類型的區(qū)域，包括平面區(qū)域、圓柱 區(qū)域、圓錐區(qū)域、環(huán)形區(qū)域、球形區(qū)域和不規(guī)則區(qū)域以及旋轉(zhuǎn)區(qū)域、擠
壓區(qū)域(這指示著計(jì)算的向量)。
平面區(qū)域指示法線方向和法線方向中的點(diǎn)的分量。此外，平面區(qū)域 所指面還可以指示全部點(diǎn)，其中所有三個(gè)分量均在所指面的中心。從區(qū) 域計(jì)算的向量指示方向和與向量方向正交的兩個(gè)方向中的點(diǎn)的兩個(gè)分
量。此外，從區(qū)域計(jì)算的向量還可以指示全部點(diǎn)，其中所有三個(gè)分量均 在所指向量的起點(diǎn)或終點(diǎn)。圓柱區(qū)域與從區(qū)域計(jì)算的向量具有相同指示。 圓錐區(qū)域和環(huán)形區(qū)域均指示方向和點(diǎn)。球形區(qū)域僅指示點(diǎn)。
分類和計(jì)算過程包括分類網(wǎng)格模型中的平面區(qū)域(步驟70)。對于這 些平面區(qū)域中的每一個(gè)，坐標(biāo)確定工具8計(jì)算包括法向量和面上的一個(gè) 點(diǎn)的參數(shù)。坐標(biāo)確定工具8也分類圓柱區(qū)域并對于每一區(qū)域計(jì)算包括方
向向量和線上的一個(gè)點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)線參數(shù)(步驟72)。相似地，坐標(biāo)確定工具8
也分類圓錐區(qū)域并對于每一區(qū)域計(jì)算包括方向向量和線上的一個(gè)點(diǎn)的旋
轉(zhuǎn)線參數(shù)(步驟74)。在分類環(huán)形區(qū)域后，坐標(biāo)確定工具8對于每一區(qū)域 計(jì)算包括方向向量和線上的一個(gè)點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)線參數(shù)以及計(jì)算中心點(diǎn)(步驟 76)。同樣，在分類球形區(qū)域后，坐標(biāo)確定工具8計(jì)算中心點(diǎn)，包括對于 每一區(qū)域計(jì)算方向向量和線上的一個(gè)點(diǎn)(步驟78)。坐標(biāo)確定工具8也分 類不規(guī)則區(qū)域(步驟80)。對于不規(guī)則區(qū)域，坐標(biāo)確定工具8可以計(jì)算參 數(shù)，包括計(jì)算軸，包括自動(dòng)計(jì)算旋轉(zhuǎn)軸和擠壓軸。應(yīng)該認(rèn)識到，除了上 面具體說明的那些區(qū)域之后，可以分類其他類型的區(qū)域，并對各區(qū)域進(jìn) 行適合計(jì)算，這也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。相似地，應(yīng)該理解，分類區(qū)域和 進(jìn)行計(jì)算的順序不限于圖3所述的順序。在計(jì)算每個(gè)區(qū)域的參數(shù)之后， 坐標(biāo)確定工具8計(jì)算并存儲(chǔ)每個(gè)參數(shù)的誤差分布平均值(步驟82)。誤差 分布可以如下確定
誤差分布=距離(區(qū)域上的點(diǎn)，搜尋的幾何形狀)
同時(shí)誤差分布平均值可以按如下表示
誤差分布平均值Sum(誤差分布)/點(diǎn)數(shù)
或
誤差分布平均值=參考幾何形狀的歸一化誤差統(tǒng)計(jì)量，其中所述幾 何形狀不是源于基本的最佳擬合幾何形狀(平面、圓柱、圓錐、環(huán)形、球 形)，而是源于另一種計(jì)算，如擠壓軸計(jì)算。本發(fā)明還可以從生成參考面、參考點(diǎn)和參考向量的其他擬合算法(如 生成參考向量的旋轉(zhuǎn)軸和擠壓軸算法)得出歸一化誤差統(tǒng)計(jì)量，并使用它 代替誤差分布平均值。
在分類區(qū)域和計(jì)算區(qū)域用的坐標(biāo)系用的基本參數(shù)之后，坐標(biāo)確定工 具8組合相似的參數(shù)并平均它們。圖4討論了參數(shù)的組合和平均。當(dāng)向量 (面的法線或線的方向向量)在預(yù)定的容差范圍內(nèi)彼此平行時(shí)，坐標(biāo)確定工
具8組合并平均向量(步驟90)。當(dāng)線在容差范圍內(nèi)彼此共線時(shí)，坐標(biāo)確定 工具8也組合并平均線(步驟92)。此外，當(dāng)面在容差范圍內(nèi)彼此共面時(shí)， 坐標(biāo)確定工具8組合并平均面(步驟94)，以及當(dāng)中心點(diǎn)在容差范圍內(nèi)彼此 重合時(shí)，組合并平均中心點(diǎn)(步驟96)。
當(dāng)平均相似的參數(shù)時(shí)，從中提取參數(shù)的網(wǎng)格區(qū)域的面積用作權(quán)重因
數(shù)。平均值可以如下表示
Sum(面積x誤差分布平均值—參數(shù))
參數(shù)平均值=--------—…一……-----------........----------------一-—-
Sum(面積x誤差分布平均值—1)
術(shù)語"參數(shù)平均值"指一組的平均參數(shù)之一。例如，對于圖5A-圖8 所討論的網(wǎng)格模型，對于參數(shù)向量方向，應(yīng)注意到，所有計(jì)算的向量在 1.5。內(nèi)平行。因此，如果坐標(biāo)確定工具8中的容差范圍允許這種偏差(即 容差設(shè)置為2°)，那么所有向量將與同一組相關(guān)(來自圓柱最佳擬合的4 個(gè)向量，來自旋轉(zhuǎn)軸的4個(gè)向量，以及來自擠壓軸的5個(gè)向量)，并按照
上述公式一起平均。圓柱最佳擬合算法的平均誤差分布和來自旋轉(zhuǎn)軸和 擠壓軸算法的歸一化誤差統(tǒng)計(jì)量用在上示的加權(quán)的"參數(shù)平均值"公式的
"誤差分布平均值"中。因此，按照上述公式，"參數(shù)平均值"(如向量方向) 是所有組的區(qū)域的向量的方向的加權(quán)平均值。本發(fā)明對于面、線和中心 點(diǎn)，也可以使用相同的平均技術(shù)。
參考圖5A-圖8進(jìn)一步解釋本發(fā)明的示例性實(shí)施例。圖5A示出沒有 與整體坐標(biāo)系IOO對齊的輸入網(wǎng)格102的圖。圖5B示出在圖5A的網(wǎng)格 分割成功能區(qū)域112， 114， 116， 118， 120禾B 122之后網(wǎng)格的圖。參見 圖6A-圖6D可以看到對分類的區(qū)域的參數(shù)的計(jì)算。圖6A-圖6D示出計(jì) 算各區(qū)域用的坐標(biāo)系用的基本參數(shù)的圖。坐標(biāo)確定工具8使用的對齊算 法從網(wǎng)格模型的功能區(qū)域中提取參考幾何形狀開始。圖6A示出將擬合面
算法應(yīng)用到底部平面區(qū)域122和更深色區(qū)域123。擬合面算法生成各區(qū)域
的最佳擬合面。這兩個(gè)面在可接受的容差內(nèi)彼此正交，并因而指示第三 個(gè)正交方向。
圖6B示出擠壓軸算法，生成應(yīng)用到所有各區(qū)域130， 132， 134， 136 以及131的參考向量，然而，僅示出了在可接受的容差內(nèi)平行的計(jì)算的 擠壓軸向量(130, 131， 132， 134， 136)。圖6C示出旋轉(zhuǎn)軸算法，生成 應(yīng)用到四個(gè)接近圓柱形對象的參考向量，生成參考向量130'， 132'， 134' 和136'。圖6D示出最佳擬合圓柱軸算法，生成也應(yīng)用到四個(gè)接近圓柱 形對象的參考向量，生成參考向量130"， 132"， 134"和136"。由于圖 6B-圖6C中的向量組在容差內(nèi)平行并共線，因此如前所述，它們被平均 成一組平均的向量。圖6E示出平均的向量130'"， 131"'， 132'", 134'" 和136"'。這些平均的向量每一個(gè)投射在平行面122上，生成所指示的點(diǎn)。 圖6F示出所指示的點(diǎn)140， 141， 142， 143和144。使用圖6A和圖6E 的實(shí)體和所指示的點(diǎn)，有多于足夠的信息生成坐標(biāo)，并且從面、向量和 所指示的點(diǎn)生成多個(gè)坐標(biāo)。
圖7示出本發(fā)明的示例性實(shí)施例生成的圖形用戶界面32，以排名順序 200列出了確定的坐標(biāo)系，并能夠使用戶選擇坐標(biāo)系。借助于兩個(gè)正交方 向和所指示的第三個(gè)正交方向，用戶給出三個(gè)正交方向，并從相關(guān)平均 的、計(jì)算的和最佳擬合的實(shí)體，基于五個(gè)所指示的點(diǎn)140， 141， 142， 143 和144作為坐標(biāo)中心點(diǎn)，以五個(gè)坐標(biāo)選擇150， 151， 152， 153和154呈現(xiàn)。 一旦用戶已經(jīng)選擇了建議的坐標(biāo)(即150)，那么當(dāng)坐標(biāo)系與原點(diǎn)對齊時(shí)， 用戶通過選擇哪個(gè)面210， 220和230將是X， Y和Z(或前、上和右)，還能 夠進(jìn)一步改變X， Y，和Z方向，并能夠選擇原點(diǎn)。如果用戶通過選擇不 同的面作為基本面而選擇改變基本面，那么本發(fā)明自動(dòng)調(diào)節(jié)坐標(biāo)系。一 旦用戶已經(jīng)選擇了確定的坐標(biāo)系之一，那么如圖8所示，網(wǎng)格模型102就 與選擇的坐標(biāo)系250對齊。
本發(fā)明可以作為體現(xiàn)在一種或多種介質(zhì)之上或之中的一種或多種計(jì) 算機(jī)可讀程序而提供。這類介質(zhì)可以是軟盤、硬盤、光盤、通用數(shù)字光 盤、閃存卡、PROM、 RAM、 ROM或磁帶。通常，計(jì)算機(jī)可讀程序可以 任何編程語言執(zhí)行。可以使用的語言的一些例子包括FORTRAN、C、C++、 C弁或JAVA。軟件程序可以存儲(chǔ)在一種或多種介質(zhì)之上或之中作為目標(biāo)代
碼?？梢允褂糜布铀?，并且所有或部分代碼可以在FPGA或ASIC上
運(yùn)行。代碼可以在虛擬環(huán)境如虛擬機(jī)中運(yùn)行。用于運(yùn)行代碼的多個(gè)虛擬 機(jī)可以設(shè)在單一處理機(jī)上。
因?yàn)榭梢栽诓幻撾x本發(fā)明范圍的情況下作出一定變化，因此上述說 明書所包含的或者附圖中所顯示的全部內(nèi)容均應(yīng)被解釋成說明性的，而 不僅僅是字面含義。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該意識到，在不脫離本發(fā)明范圍 的情況下，附圖所示的順序步驟和結(jié)構(gòu)可以改變，并且這里所包含的說 明僅是對本發(fā)明多種可能描述的個(gè)別例子。
權(quán)利要求
1.一種自動(dòng)確定3D掃描數(shù)據(jù)用的坐標(biāo)系的方法，包括提供3D掃描數(shù)據(jù)的集合，所述3D掃描數(shù)據(jù)用于生成代表三維對象表面的網(wǎng)格模型；程序化地確定所述3D掃描數(shù)據(jù)用的多個(gè)坐標(biāo)系；以及生成所述多個(gè)確定的坐標(biāo)系的排名表。
2. 如權(quán)利要求l所述的方法，還包括基于所述多個(gè)確定的坐標(biāo)系之一變換所述網(wǎng)格模型的對齊。
3. 如權(quán)利要求1所述的方法，還包括通過圖形用戶界面將所述排名表呈現(xiàn)給用戶，所述圖形用戶界面能 夠使所述用戶選擇所述排名表中的坐標(biāo)系；基于用戶指示，通過所述圖形用戶界面選擇所述排名表中的坐標(biāo)系；以及基于所選坐標(biāo)系變換所述網(wǎng)格模型的對齊。
4. 如權(quán)利要求3所述的方法，其中所述用戶在變換所述網(wǎng)格模型的 對齊之前定制所選坐標(biāo)系。
5. 如權(quán)利要求4所述的方法，其中當(dāng)所述坐標(biāo)系與原點(diǎn)對齊時(shí)，所 述用戶改變X， Y和Z面之一。
6. 如權(quán)利要求4所述的方法，其中所述用戶改變原點(diǎn)。
7. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中所述確定還包括 分割所述網(wǎng)格模型；以及 在所分割的網(wǎng)格模型中分類多個(gè)區(qū)域。
8. 如權(quán)利要求7所述的方法，其中所分類的區(qū)域是平面區(qū)域、圓柱 區(qū)域、圓錐區(qū)域、環(huán)形區(qū)域、球形區(qū)域和不規(guī)則區(qū)域之一。
9. 如權(quán)利要求7所述的方法，還包括計(jì)算用于定義至少一個(gè)所分類的區(qū)域用的坐標(biāo)系的參數(shù)。
10. 如權(quán)利要求9所述的方法，其中所述參數(shù)計(jì)算包括計(jì)算法向量、 方向向量、旋轉(zhuǎn)線、點(diǎn)和中心點(diǎn)中的至少一個(gè)。
11. 如權(quán)利要求9所述的方法，其中所述確定還包括 組合多個(gè)所計(jì)算的參數(shù)；以及 平均所組合的參數(shù)。
12. 如權(quán)利要求9所述的方法，其中所述確定還包括 識別從所述參數(shù)中坐標(biāo)系是精確確定的至少一組參數(shù)。
13. 如權(quán)利要求9所述的方法，其中所述確定還包括 識別從所述參數(shù)中坐標(biāo)系的一個(gè)自由度是不確定的至少一組參數(shù)。
14. 如權(quán)利要求9所述的方法，其中所述確定還包括 識別從所述參數(shù)中坐標(biāo)系是精確確定的至少一組參數(shù)； 識別從所述參數(shù)中坐標(biāo)系的一個(gè)自由度是不確定的至少一組參數(shù)；以及將所識別的從所述參數(shù)中坐標(biāo)系是精確確定的至少一組參數(shù)和所識 別的從所述參數(shù)中坐標(biāo)系的一個(gè)自由度是不確定的至少一組參數(shù)揀選進(jìn) 所述排名表。
15. —種自動(dòng)確定3D掃描數(shù)據(jù)用的坐標(biāo)系的系統(tǒng)，包括3D掃描數(shù)據(jù)的集合，所述3D掃描數(shù)據(jù)用于生成代表三維對象表面 的網(wǎng)格模型；用于程序化地確定所述3D掃描數(shù)據(jù)用的多個(gè)坐標(biāo)系的坐標(biāo)確定工 具，所述坐標(biāo)確定工具生成所述多個(gè)確定的坐標(biāo)系的排名表；以及 所述坐標(biāo)確定工具生成的圖形用戶界面，所述圖形用戶界面能夠使 用戶選擇所述排名表中的坐標(biāo)系。
16. 如權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中基于選自所述排名表中的多個(gè) 坐標(biāo)系的一個(gè)坐標(biāo)系變換所述網(wǎng)格模型的對齊。
17. 如權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其中所述圖形用戶界面能夠使所述用戶在變換所述網(wǎng)格模型的對齊之前定制所選坐標(biāo)系。
18. —種計(jì)算設(shè)備用的物理介質(zhì)，所述物理介質(zhì)容納用于自動(dòng)確定3D掃描數(shù)據(jù)用的坐標(biāo)系的計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令，所述指令包括用于提供3D掃描數(shù)據(jù)的集合的指令，所述3D掃描數(shù)據(jù)用于生成代表三維對象表面的網(wǎng)格模型；用于程序化地確定所述3D掃描數(shù)據(jù)用的多個(gè)坐標(biāo)系的指令；以及 用于生成所述多個(gè)確定的坐標(biāo)系的排名表的指令。
19. 如權(quán)利要求18所述的介質(zhì)，其中所述指令還包括 用于基于所述多個(gè)確定的坐標(biāo)系之一變換所述網(wǎng)格模型的對齊的指令。
20. 如權(quán)利要求18所述的介質(zhì)，其中所述指令還包括 用于通過圖形用戶界面將所述排名表呈現(xiàn)給用戶的指令，所述圖形用戶界面能夠使所述用戶選擇所述排名表中的坐標(biāo)系；用于基于用戶指示，通過所述圖形用戶界面選擇所述排名表中的坐 標(biāo)系的指令；以及用于基于所選坐標(biāo)系變換所述網(wǎng)格模型的對齊的指令。
21. 如權(quán)利要求20所述的介質(zhì)，其中所述用戶在變換所述網(wǎng)格模型 的對齊之前定制所選坐標(biāo)系。
22. 如權(quán)利要求18所述的介質(zhì)，其中所述確定還包括-用于分割所述網(wǎng)格模型的指令；以及 用于在所分割的網(wǎng)格模型中分類多個(gè)區(qū)域的指令。
23. 如權(quán)利要求22所述的介質(zhì)，其中所述指令還包括用于計(jì)算用于定義至少一個(gè)所分類的區(qū)域用的坐標(biāo)系的參數(shù)的指令。
24. 如權(quán)利要求23所述的介質(zhì)，其中所述確定還包括 用于組合多個(gè)所計(jì)算的參數(shù)的指令；以及 用于平均所組合的參數(shù)的指令。
25. 如權(quán)利要求23所述的介質(zhì)，其中所述確定還包括 用于識別從所述參數(shù)中坐標(biāo)系是精確確定的至少一組參數(shù)的指令。
26. 如權(quán)利要求23所述的介質(zhì)，其中所述確定還包括 用于識別從所述參數(shù)中坐標(biāo)系的一個(gè)自由度是不確定的至少一組參數(shù)的指令。 ，
27. 如權(quán)利要求23所述的介質(zhì)，其中所述確定還包括 用于識別從所述參數(shù)中坐標(biāo)系是精確確定的至少一組參數(shù)的指令； 用于識別從所述參數(shù)中坐標(biāo)系的一個(gè)自由度是不確定的至少一組參數(shù)的指令；以及用于將所識別的從所述參數(shù)中坐標(biāo)系是精確確定的至少一組參數(shù)和 所識別的從所述參數(shù)中坐標(biāo)系的一個(gè)自由度是不確定的至少一組參數(shù)揀 選進(jìn)所述排名表的指令。
全文摘要
本發(fā)明討論一種識別和定義整體坐標(biāo)系的自動(dòng)機(jī)制，這種整體坐標(biāo)系最適于用于形成網(wǎng)格模型的原始3D掃描數(shù)據(jù)的集合。更具體而言，被識別的坐標(biāo)系能夠最小化偏差誤差的總和，同時(shí)最小化原始3D掃描數(shù)據(jù)的峰值誤差。本發(fā)明以完全自動(dòng)的方式從原始3D掃描數(shù)據(jù)搜尋適合的坐標(biāo)系。識別出能夠使整體偏差誤差最小的多個(gè)坐標(biāo)系，并呈現(xiàn)給用戶。在基于所選坐標(biāo)系變換3D掃描數(shù)據(jù)的對齊之前，還允許終端用戶交互式地編輯建議的坐標(biāo)系參數(shù)。
文檔編號G01B21/04GK101105396SQ20071012278
公開日2008年1月16日 申請日期2007年7月9日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月13日
發(fā)明者李東勛, 裴奭勛, 趙成旭, 金承燁 申請人:樂必峰軟件公司