[发明专利]一种复杂曲面的配准方法

说明书

技术领域

本发明涉及机械设计及检测技术领域，尤其是涉及一种复杂曲面的配准方法。

背景技术

复杂曲面配准技术广泛应用于形状误差检测、多视点云重定位、逆向工程、虚 拟现实等领域中，它是实现模型评估、误差分析以及数据拼合的前提条件。由于 CAD模型是在CAD设计软件坐标系中设计的，测量是在测量设备的坐标系中进行 的，复杂曲面测量坐标系与设计坐标系(CAD坐标系)在客观上是相互独立的， 测量数据与CAD模型没有明确的尺寸对应关系，加上复杂曲面没有明显的基准特 征，复杂曲面数学模型非常复杂，在复杂曲面的测量基准与设计基准之间难以找到 准确的尺寸对应关系，因此复杂曲面配准一直是问题关键和难点。二者如果不统一 必然会影响后续的误差检测、模型评估等的计算结果。

目前比较常见的配准方法是最小二乘方法和迭代最近点方法，这两种方法都存 在一些不足。

最小二乘法的基本原理是以二者之间的残差平方和最小为目标，具有计算简 单、易于实现的优点，但按最小二乘法计算的结果精度不够高，往往比精确结果大 1.8％-30％，因而不适合精度要求高的复杂曲面配准。

迭代最近点法首先必须在点集与点集之间找出两个对应的子集，然后求出两个 点集的变换矩阵，其算法简单，精度较高，它的不足一是要求两个匹配点集中的一 个点集是另外一个点集的子集，二是对两个点集的相对初始位置要求较高，两个点 集的相对初始位置不能相差太大，在两组点集初始位置相差较大时易陷入局部最小 值，而且收敛方向可能不确定。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种稳定性高、 精确度好、应用广泛的复杂曲面的配准方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种复杂曲面的配准方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：首先提取复杂 曲面CAD设计模型的几何信息，构建曲面NURBS模型，然后采用三坐标测量机 测量曲面实物原型，获取测量点的数据并进行数据处理，最后将复杂的CAD曲面 NURBS模型与处理后的实物测量数据调入到配准求解器进行比对、计算，获得变 换矩阵，实现测量数据与曲面CAD模型的配准。

所述的复杂曲面CAD设计模型采用NURBS函数构建曲面NURBS模型，并 对曲面NURBS模型沿曲面参数方向进行离散，得到精确的目标引导点云。

所述的三坐标测量机的测量点坐标经数据处理后得到测量点云。

所述的数据处理是对测量得到的数据进行数据去噪、平滑、精简处理工作，所 述的数据去噪、平滑处理是采用高斯或中值滤波算法消除测量过程中各种人为或随 机因素引起的噪声、毛刺误差，剔除坏点，建立数据点间的拓扑关系，所述的数据 精简处理是采用等间距缩减或倍率缩减方法在保证拟合精度的前提下最大可能地 减少测量点的数量。

所述的配准求解器采用遗传算法将目标引导点云与测量点云进行粗配准得到 配准变换，将测量数据进行初始变换，得到粗配准后的测量点数据集，再应用迭代 最近点算法进行精配准计算，寻找粗配准后测量数据与设计模型距离最近的点集， 采用奇异值分解法计算最优变换，直至满足迭代终止条件为止，从而得到最终的配 准结果。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)理论模型精确：CAD模型是最理想的比较的依据，NURBS曲面具有广 泛通用性，根据曲面的CAD设计信息建立其理论模型对误差评定有着至关重要的 作用；

(2)配准的稳定性：利用遗传算法的鲁棒性、并行性以及具有全局搜索能力 的特点，对复杂进行曲面的粗配准，能快速寻找恰当初始配准变换，克服了传统的 迭代最近点法对初值要求高的缺点，可从任意初始相对位置出发，保证求解的收敛 性，提高了计算效率，可以加快获得理想的配准结果；

(3)配准的精确性：粗配准后再应用迭代最近点算法进行二次精配准。利用 了迭代最近点法技术精度较高特点，克服了遗传算法方法后期耗时较长的不足，提 高了配准精确度；

(4)实现多维变量配准：可获得单纯迭代最近点法无法获得的结果，对三维 数据配准中的多变量配准具有较强的鲁棒性；