留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

模型自适应的扫描视点自动规划

杨国庆 王立忠 任茂栋 徐建宁 赵建博 王森 李壮壮

杨国庆, 王立忠, 任茂栋, 徐建宁, 赵建博, 王森, 李壮壮. 模型自适应的扫描视点自动规划[J]. 中国光学(中英文), 2024, 17(5): 1125-1138. doi: 10.37188/CO.2024-0022
引用本文: 杨国庆, 王立忠, 任茂栋, 徐建宁, 赵建博, 王森, 李壮壮. 模型自适应的扫描视点自动规划[J]. 中国光学(中英文), 2024, 17(5): 1125-1138. doi: 10.37188/CO.2024-0022
YANG Guo-qing, WANG Li-zhong, REN Mao-dong, XU Jian-ning, ZHAO Jian-bo, WANG Sen, LI Zhuang-zhuang. Model adaptive scanning viewpoint automatic planning[J]. Chinese Optics, 2024, 17(5): 1125-1138. doi: 10.37188/CO.2024-0022
Citation: YANG Guo-qing, WANG Li-zhong, REN Mao-dong, XU Jian-ning, ZHAO Jian-bo, WANG Sen, LI Zhuang-zhuang. Model adaptive scanning viewpoint automatic planning[J]. Chinese Optics, 2024, 17(5): 1125-1138. doi: 10.37188/CO.2024-0022

模型自适应的扫描视点自动规划

基金项目: 国家重点研发计划项目(No. 2022YFB4601802)
详细信息
    作者简介:

    王立忠(1968—),男,山东梁山人,博士,教授,博士生导师,2004年于西安交通大学获得博士学位,主要从事三维光学测量技术的研究。E-mail:wanglz@mail.xjtu.edu.cn

  • 中图分类号: TP391.4;O348.1

Model adaptive scanning viewpoint automatic planning

Funds: Supported by the National key R & D Program of China (No. 2022YFB4601802)
More Information
  • 摘要:

    当进行扫描重建时,示教扫描繁琐且通用性差,目前视点规划的重点依然是自动获取覆盖模型的最少视点集。为了实现对不同复杂程度零部件的自动化三维扫描重建,本文对视点规划过程中可能发生的视点冗余、视点遮挡、双目重建约束等问题进行研究。首先,针对现有视点规划难以对模型进行完整扫描的问题,通过分析面结构光扫描特性,对Lloyd’s算法进行改进,提出使用欧式距离和法向量偏差的能量函数对模型进行Voronoi划分,生成初始扫描视点。接着,针对视点冗余问题,提出了对初始扫描视点进行分裂的迭代算法。最后,针对生成的视点容易产生遮挡的问题,提出了一种视线去遮挡策略,并以提高模型覆盖率为目的,提出了使用追扫视点的方法。实验结果表明:在最佳视点数量下,对于汽车铸件和壳体的覆盖率达到了94%以上,对于简单曲面汽车钣金的覆盖率达到了99.5%以上,并实现了汽车转向节的自动规划扫描,满足视点自动规划的覆盖率和效率以及对不同复杂程度零件的适应性要求。

     

  • 图 1  面结构光扫描仪

    Figure 1.  Surface structured light scanner

    图 2  单目相机景深

    Figure 2.  DOF of monocular camera

    图 3  扫描仪可视区域示意图

    Figure 3.  Schematic diagram of scanner visual area

    图 4  质心投影

    Figure 4.  Centroid projection

    图 5  混合Voronoi面积

    Figure 5.  Mixed Voronoi area

    图 6  模型分割算法流程图

    Figure 6.  Flow chart of model segmentation algorithm

    图 7  视线可达性

    Figure 7.  Line-of-sight accessibility

    图 8  去冗余算法流程图

    Figure 8.  Flow chart of de-redundancy algorithm

    图 9  模型截面上的视线移动策略

    Figure 9.  Line-of-sight movement strategy in model sectiont

    图 10  三维空间中的视线移动策略

    Figure 10.  Line-of-sight movement strategy in 3D space

    图 11  双目相机旋转策略

    Figure 11.  Binocular camera rotation strategy

    图 12  去遮挡算法流程图

    Figure 12.  Flow chart of de-occlusion algorithm

    图 13  自动化测量系统

    Figure 13.  Automatic measurement system

    图 14  零件实物图

    Figure 14.  Physical drawing of parts

    图 15  零件网格模型

    Figure 15.  Parts mesh model

    图 16  壳体视点规划示意图

    Figure 16.  Viewpoint planning diagram of transmission housing

    图 17  铸件视点规划示意图

    Figure 17.  Viewpoint planning diagram of casting

    图 18  钣金1视点规划示意图

    Figure 18.  Viewpoint planning diagram of sheet metal 1

    图 19  钣金2视点规划示意图

    Figure 19.  Viewpoint planning diagram of sheet metal 2

    图 20  铸件曲率示意图

    Figure 20.  Casting curvature diagram

    图 21  转向节模型

    Figure 21.  Steering knuckle model

    图 23  转向节扫描实验图

    Figure 23.  Steering knuckle scanning experiment

    图 22  转向节视点规划示意图

    Figure 22.  Viewpoint planning diagram of steering knuckle

    表  1  汽车壳体扫描结果

    Table  1.   Scanning results of automobile transmission housing

    $ \alpha $权值 视点
    数量
    处理
    耗时/s
    覆盖率 追加视点
    数量
    处理
    耗时/s
    覆盖率
    (追扫)
    0.1 77 167.69 91.64 20 14.53 93.41
    0.1 77 157.28 91.11 20 14.40 93.41
    0.1 79 183.77 92.07 18 11.19 93.53
    0.15 158 324.06 94.17 43 22.62 95.39
    0.15 156 363.92 94.90 41 23.07 95.80
    0.15 161 290.06 94.17 39 17.81 95.33
    0.2 237 481.22 95.60 75 47.89 96.33
    0.2 245 538.25 95.90 72 27.67 96.53
    0.2 237 476.17 95.60 66 43.08 96.41
    下载: 导出CSV

    表  2  汽车铸件扫描结果

    Table  2.   Scanning results of automobile castings

    $ \alpha $权值 视点
    数量
    处理
    耗时/s
    覆盖率 追加视点
    数量
    处理
    耗时/s
    覆盖率
    (追扫)
    0.1 49 180.83 93.39 14 13.86 94.68
    0.1 44 157.02 91.60 14 17.63 94.19
    0.1 50 175.53 92.05 14 11.62 94.88
    0.15 110 342.40 94.76 33 20.21 96.39
    0.15 100 309.02 95.67 32 20.05 97.21
    0.15 110 319.99 94.80 35 23.27 96.46
    0.2 166 392.54 96.97 50 36.33 97.84
    0.2 181 504.09 96.83 57 36.74 97.80
    0.2 173 466.90 96.90 58 40.29 98.04
    下载: 导出CSV

    表  3  钣金1扫描结果

    Table  3.   Scanning results of sheet metal 1

    $ \alpha $权值 视点
    数量
    处理
    耗时/s
    覆盖率 追加视点
    数量
    处理
    耗时/s
    覆盖率
    (追扫)
    0.0075 49 31.36 98.41 5 0.55 98.41
    0.0075 49 33.48 98.66 6 0.53 98.66
    0.0075 43 36.05 96.37 5 0.45 96.37
    0.01 51 35.97 99.52 5 0.50 99.52
    0.01 56 41.36 99.52 2 0.18 99.53
    0.01 53 33.11 99.52 5 0.67 99.53
    0.0125 63 42.03 99.67 4 0.38 99.67
    0.0125 62 39.45 99.34 6 0.49 99.34
    0.0125 63 46.74 99.67 4 0.37 99.67
    下载: 导出CSV

    表  4  钣金2扫描结果

    Table  4.   Scanning results of sheet metal 2

    $ \alpha $权值 视点
    数量
    处理
    耗时/s
    覆盖率 追加视点
    数量
    处理
    耗时/s
    覆盖率
    (追扫)
    0.01 23 29.95 97.95 5 4.42 97.97
    0.01 22 24.20 97.94 3 2.18 97.94
    0.01 28 29.81 99.68 5 3.27 99.69
    0.0125 30 32.50 99.93 7 3.32 99.94
    0.0125 30 38.59 99.92 6 2.44 99.94
    0.0125 30 35.12 99.93 7 3.41 99.94
    0.015 29 33.77 99.93 7 3.39 99.94
    0.015 34 35.44 99.92 9 3.44 99.95
    0.015 29 33.21 99.93 7 3.40 99.94
    下载: 导出CSV
  • [1] SHEN Y J, REN J J, HUANG N D, et al. Surface form inspection with contact coordinate measurement: a review[J]. International Journal of Extreme Manufacturing, 2023, 5(2): 022006. doi: 10.1088/2631-7990/acc76e
    [2] 吕虹毓, 李茂月, 蔡东辰, 等. 光栅投影在机三维形貌检测技术研究进展[J]. 中国光学(中英文),2023,16(3):500-513. doi: 10.37188/CO.2022-0083

    LV H Y, LI M Y, CAI D CH, et al. Research progress of grating projection on machine 3D topography inspection technology[J]. Chinese Optics, 2023, 16(3): 500-513. (in Chinese). doi: 10.37188/CO.2022-0083
    [3] GOSPODNETIĆ P, MOSBACH D, RAUHUT M, et al. Viewpoint placement for inspection planning[J]. Machine Vision and Applications, 2022, 33(1): 2. doi: 10.1007/s00138-021-01252-z
    [4] PEUZIN-JUBERT M, POLETTE A, NOZAIS D, et al. Survey on the view planning problem for reverse engineering and automated control applications[J]. Computer-Aided Design, 2021, 141: 103094. doi: 10.1016/j.cad.2021.103094
    [5] WU Q, ZOU W, XU D. Viewpoint planning for freeform surface inspection using plane structured light scanners[J]. International Journal of Automation and Computing, 2016, 13(1): 42-52. doi: 10.1007/s11633-015-0916-8
    [6] 罗晨, 邵佳丰, 王伟, 等. 考虑镜面反射和阴影的复杂曲面测量视点规划[J/OL]. 机械工程学报, 2023: 1-12. https://kns-cnki-net.webvpn.xju.edu.cn:8040/kcms/detail/11.2187.TH.20230927.1545.002.html.

    LUO CH, SHAO J F, WANG W, et al. View planning for complex surface measurement considering specular reflections and shadows[J/OL]. Journal of Me0 Chinese).
    [7] 任明阳, 王立忠, 赵建博, 等. 复杂曲面零件面结构光扫描视点规划[J]. 中国光学(中英文),2023,16(1):113-126. doi: 10.37188/CO.2022-0026

    REN M Y, WANG L ZH, ZHAO J B, et al. Viewpoint planning of surface structured light scanning for complex surface parts[J]. Chinese Optics, 2023, 16(1): 113-126. (in Chinese). doi: 10.37188/CO.2022-0026
    [8] 韩沛文. 面结构光自动化三维测量中视点生成与路径规划关键技术研究[D]. 华中科技大学, 2018.

    HAN P W. Research on key technique of viewpoint generation and path planning for automated surface structured-light 3D measurement[D]. Wuhan: Huazhong University of Science and Technology, 2018. (in Chinese).
    [9] SCOTT W R. Model-based view planning[J]. Machine Vision and Applications, 2009, 20(1): 47-69. doi: 10.1007/s00138-007-0110-2
    [10] STADERINI V, GLÜCK T, SCHNEIDER P, et al. Surface sampling for optimal viewpoint generation[C]//2023 IEEE 13th International Conference on Pattern Recognition Systems (ICPRS), IEEE, 2023: 1-7.
    [11] MOSBACH D, GOSPODNETIĆ P, RAUHUT M, et al. Feature-driven viewpoint placement for model-based surface inspection[J]. Machine Vision and Applications, 2021, 32(1): 8. doi: 10.1007/s00138-020-01116-y
    [12] 李茂月, 蔡东辰, 赵伟翔, 等. 航空叶片形貌高精度结构光扫描视点规划[J]. 中国光学(中英文),2023,16(4):802-815. doi: 10.37188/CO.2022-0221

    LI M Y, CAI D CH, ZHAO W X, et al. High precision structural light scanning viewpoint planning for aircraft blade morphology[J]. Chinese Optics, 2023, 16(4): 802-815. (in Chinese). doi: 10.37188/CO.2022-0221
    [13] 刘洪鹏, 赵文政, 刘银华, 等. 测量不确定度约束下的结构光检测视点规划方法[J]. 计算机集成制造系统,2022,28(4):1079-1086.

    LIU H P, ZHAO W ZH, LIU Y H, et al. View planning of structured light for free-form surfaces with control of measurement uncertainty[J]. Computer Integrated Manufacturing Systems, 2022, 28(4): 1079-1086. (in Chinese).
    [14] KRUECKEMEIER S, ANDERL R, SCHLEICH B. File format selection for efficient digital process chains in additive manufacturing[J]. Proceedings of the Design Society, 2023, 3: 1875-1884. doi: 10.1017/pds.2023.188
    [15] LU J Y, LAZAR E A, RYCROFT C H. An extension to VORO++ for multithreaded computation of Voronoi cells[J]. Computer Physics Communications, 2023, 291: 108832. doi: 10.1016/j.cpc.2023.108832
    [16] KANUNGO T, MOUNT D M, NETANYAHU N S, et al. An efficient k-means clustering algorithm: Analysis and implementation[J]. IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, 2002, 24(7): 881-892. doi: 10.1109/TPAMI.2002.1017616
    [17] MEYER M, DESBRUN M, SCHRÖDER P, et al. Discrete differential-geometry operators for triangulated 2-manifolds[C]//Visualization and mathematics III, Springer, 2003: 35-57.
    [18] LIU Y H, ZHAO W ZH, LIU H P, et al. Coverage path planning for robotic quality inspection with control on measurement uncertainty[J]. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 2022, 27(5): 3482-3493. doi: 10.1109/TMECH.2022.3142756
    [19] PAN J, CHITTA S, MANOCHA D. FCL: a general purpose library for collision and proximity queries[C]//2012 IEEE International Conference on Robotics and Automation, IEEE, 2012: 3859-3866.
    [20] 徐建宁, 王立忠, 梁晋, 等. 三维测量中面结构光视点简化与机械臂路径优化方法[J/OL]. 计算机集成制造系统, 2023: 1-22. https://doi.org/10.13196/j.cims.2023.0332.

    XU J N, WANG L ZH, LIANG J, et al. Viewpoint simplification of surface structured light and path optimization of manipulator in 3D measurement[J/OL]. Computer Integrated Manufacturing Systems, 2023: 1-22. https://doi.org/10.13196/j.cims.2023.0332. (in Chinese).
  • 加载中
图(23) / 表(4)
计量
  • 文章访问数:  321
  • HTML全文浏览量:  115
  • PDF下载量:  93
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2024-01-27
  • 修回日期:  2024-02-26
  • 录用日期:  2024-04-15
  • 网络出版日期:  2024-05-10

目录

    /

    返回文章
    返回