关键词:
三维建模装置
表面轮廓点云
局部轮廓
轮廓拼接
三维模型
摘要:
随着激光扫描技术的不断发展,三维建模技术在工业智能化制造和文物数字化保护领域有着广泛的应用需求,吸引大量的研究者对其进行研究。目前,基于点云轮廓的机械零件三维建模因其扫描快、周期短及效率高的优势逐渐取代了基于三维建模软件和基于扫描目标表面拼接的方式,成为当前的研究热点。本课题选择基于点云轮廓的机械零件三维建模作为研究方向,具体研究内容如下:
(1)基于三角测距原理的激光扫描装置搭建:针对数据采集速度慢、控制难、噪声多的问题,本课题搭建了基于三角测距法的激光扫描装置获取机械零件的表面轮廓。该装置由机械零件运动控制装置和激光扫描轮廓采集装置来获得高精度的机械零件轮廓线数据。机械零件运动控制装置平衡目标在旋转和移动过程中带来的抖动,同时严格控制机械零件的运动方向、角度、距离,以确保在采集过程中的稳定性和准确性;激光扫描轮廓采集装置通过高精度扫描目标表面,获得机械零件在当前角度的轮廓线进行持久化存储,同时去除轮廓线的无效边界,对行进间轮廓线进行分组,极大地降低了生成网格的计算量。
(2)基于三维坐标的Delaunay三角化平滑方法:针对三角化生成的狭长三角形,无法确保边界平滑的问题,本课题设计了一种基于Delaunay三角化的表面平滑方法。在将采集到的轮廓分组按照特征进行坐标维度提升后,计算出分组轮廓的最小包围边界,利用逐点扫描算法得到轮廓凸包。同时引入切片操作,将每组轮廓按照最小包围边界进行分割,消除包含当前点的多个外接圆所在公共边,构造Delaunay空腔,生成局部三角网格。利用长度标尺和无量纲半径规范生成的三角表面,消除三角表面中的狭长三角形,得到更平稳、更均匀的局部可视化三维模型。
(3)基于多权重的ICP轮廓拼接方法:针对在提取特征和进行轮廓拟合的过程中,局部轮廓的拼接所需的计算资源消耗较大的问题。本课题提出了基于多权重的ICP两阶段轮廓拼接方法。通过提取上、下表面轮廓的位置、尺寸、形状和法向量等特征,实现局部轮廓表面的拼接;同时,根据到中心点的水平距离为不同角度下的分组轮廓特征表面设置权重,并基于ICP算法进行轮廓配准,按照权重为每组轮廓设置偏移量,提升三维模型的生成速度。