[发明专利]3D扫描数据自动对齐的系统和方法

说明书

技术领域

本发明的示例性实施例一般涉及3D扫描数据，更具体涉及一种自动确定3D扫描数据用的坐标系的机制。

背景技术

3D扫描通过收集代表被扫描三维对象形状的高分辨率点来捕获三维对象的物理几何信息。一旦捕获了原始3D扫描数据，就可以将其变换成CAD部件模型，以进一步处理，从而复制或修改三维对象的设计。这种捕获三维对象的3D扫描数据以将其提供给CAD应用程序、从而可以重新设计对象的过程被称作反向工程。

当使用3D扫描仪或数字变换器测量点时，在测量设备中使所有测量点的坐标所参考的基本坐标系定位和取向。制造商设定坐标系的规格，并因而对于坐标系没有不可接受的工业标准，主要原因是设备结构的多样性。在CMM(坐标测量机)的情况下，探针的移动是直线式的，并且终端用户知道如何使CMM台上的待测量部件定位和取向，从而易于追踪测量坐标信息。通常的习惯是在实际测量开始之前使用CMM设定坐标系参数。

对于3D扫描，捕获点的方法略微不同于其他类型的测量系统，并带来额外的难题。3D扫描设备是便携式的，因而所述设备具有在扫描对象的过程中改变测量坐标系的能力。待扫描的对象经常也被再定位(例如翻转目标对象以捕获底部几何形状)。在一些应用中，3D扫描系统识别与对象连接以追踪3D扫描仪或对象的再定位和再取向的目标设备。在扫描过程中扫描仪和对象移动的结果是3D空间中的一组任意取向的3D点或网格数据。当终端用户需要设计复制3D扫描数据的CAD模型时，在建模过程中构建适合坐标系作为整体坐标参考是首先和最重要的步骤。通过手动搜寻3D扫描数据中的几何线索来定义这种整体坐标系不是一种简单的过程(由于上述过程中的变量)。定义整体坐标系需要反复试验，这很耗时并易出错。

用于判断所定义的整体坐标系的适合性的一种重要度量是所述坐标系造成的整体偏差误差量。整体偏差误差是原始3D扫描数据和重建模的CAD模型之间的距离差异。一旦设立了整体坐标参考系，建模特征如挤压、旋转、放样或扫描通常将参考整体坐标系。略微不同的整体坐标系可能造成显著的偏差误差差异。常规技术允许终端用户控制建模参数，以逐个特征地最小化偏差误差。然而，在最小化峰值误差的同时，最小化偏差误差的总和相当困难。坐标系用于生成CAD特征(如使用坐标系轴的挤压)，并与扫描数据比较以确定偏差。峰值偏差指网格的最大偏差点或区域，而平均偏差是网格的所有点或区域的总体均值。需要一种定义整体坐标系的自动机制，这种坐标系能够最小化偏差误差的总和，同时最小化原始3D扫描数据的峰值误差。

发明内容

本发明的示例性实施例提供一种识别和定义整体坐标系的自动机制，这种整体坐标系最适于用于形成网格模型的原始3D扫描数据的集合。更具体而言，被识别的坐标系能够最小化偏差误差的总和，同时最小化原始3D扫描数据的峰值误差。本发明以完全自动的方式从原始3D扫描数据搜寻适合的坐标系。识别出能够使整体偏差误差最小的多个坐标系，并呈现给用户。在基于所选坐标系变换3D扫描数据的对齐之前，还允许终端用户交互式地编辑建议的坐标系参数。

在本发明的一个方面中，提供一种自动确定3D扫描数据用的坐标系的方法，所述方法包括提供3D扫描数据的集合的步骤。所述3D扫描数据用于生成代表三维对象表面的网格模型。所述方法还程序化地确定所述3D扫描数据用的多个坐标系。此外，所述方法生成所述确定的坐标系的排名表。

在本发明的另一个方面中，提供一种自动确定3D扫描数据用的坐标系的系统，所述系统包括3D扫描数据的集合。所述3D扫描数据用于生成代表三维对象表面的网格模型。所述系统还包括用于程序化地确定所述3D扫描数据用的多个坐标系的坐标确定工具。所述坐标确定工具生成所述确定的坐标系的排名表。此外，所述系统包括所述坐标确定工具生成的图形用户界面。所述图形用户界面能够使用户选择所述排名表中的坐标系。

附图说明

本发明由所附权利要求中的特征来限定。参考下面结合附图所作的说明，可以更好地理解本发明的上述优点以及本发明的其他优点，在附图中：

图1示出适于实施本发明示例性实施例的环境；

图2是本发明示例性实施例的顺序步骤的流程图，用于确定3D扫描数据集合用的整体坐标系；

图3是本发明示例性实施例的顺序步骤的流程图，用于分类网格模型中的区域并计算定义坐标系用的参数；

图4是本发明示例性实施例的顺序步骤的流程图，用于组合和平均相似的参数；

图5A示出没有与整体坐标系对齐的输入网格的图；