影像仪扫描文件矢量化及参数化处理方法与流程

1.本发明涉及图像处理技术领域，具体涉及一种影像仪扫描文件矢量化及参数化处理方法。


背景技术：

2.随着测量技术的飞速发展，国内外出现了各种影像仪用于对产品进行高精度测量。如alicona影像仪，其扫描的精度很高，形成的stl文件在三维软件中打开观看已经很平滑。
3.影像仪精度表示为1.5 5l/1000，其中1.5是基数,是最低测量精度；l指的是被测工件的长度，1.5 5l/1000是指该仪器的精度。一般情况下，国产影像仪的最高精度为1.6 3l/300，单位微米。
4.现有的影像仪都有一个共同的问题，这些影像仪扫描出的文件，无法直接获得参数化的结果。为此，我们需要一套矢量化(参数化)处理这些扫描文件的技术和方法，以便于快速获得满意的处理结果。
5.进一步地，我们所需的处理软件无论对高精度还是低一点精度的扫描文件都必须具有很好的处理效果。
6.由于上述原因，本发明人对现有影像仪扫及数据处理方法做了深入研究，以期待设计出一种能够解决上述问题的影像仪扫描文件矢量化及参数化处理方法。


技术实现要素：

7.为了克服上述问题，本发明人进行了锐意研究，设计出一种影像仪扫描文件矢量化及参数化处理方法，该方法利用了截面离散点获取技术和回归分析处理技术，再结合误差分析技术即可获得理想的矢量化及参数化处理数据；其中，首先判断扫描文件的类型，并从中获取坐标点，再根据坐标点，拟合获得体素段，平滑连接拟合后的各相邻体素段；最后对轮廓图做参数提取并进行三维建模，从而完成本发明。
8.具体来说，本发明的目的在于提供一种影像仪扫描文件矢量化及参数化处理方法，该方法包括如下步骤：
9.步骤1，判断扫描文件的类型，并从中获取坐标点；
10.步骤2，根据坐标点，拟合获得体素段；
11.步骤3，平滑连接拟合后的各相邻体素段；
12.步骤4，对轮廓图做参数提取并进行三维建模。
13.其中，在步骤1中，当扫描文件为stl文件时，获取坐标点的过程包括如下子步骤：
14.子步骤1-1，读取其所有小平面的坐标信息，
15.子步骤1-2，输入并获取剖面信息数据，
16.子步骤1-3，获取小平面与剖面相交的有效交点；
17.子步骤1-4，将有效交点按顺序排列，即得到坐标点。
18.其中，在子步骤1-1中，当所述stl文件属于ascii格式时，
19.其获得小平面的坐标信息的过程为：
20.子步骤1-1-1，读取stl文件各行字符串，
21.子步骤1-1-2，针对以“facet”开头的字符串，调取并记录该行字符串中“facet”后面以空格分开的三个分量，作为三个法向矢量分量值；
22.针对以“vertex”开头的字符串，调取并记录该行字符串中“vertex”后面以空格分开的九个分量，作为九个坐标分量值；
23.子步骤1-1-3，遍历每行字符串，获得了每个“小平面”的法向矢量及三个角点坐标共四个数据，即为小平面的坐标信息。
24.其中，在子步骤1-1中，当所述stl文件属于binary格式时，获得小平面的坐标信息的过程为：
25.子步骤1-1-a，从二进制stl文件获取binary reader变量br信息；
26.子步骤1-1-b，用br.readint32()函数获得二进制stl文件的“小平面”数量，
27.子步骤1-1-c，用br.readsingle()函数获取每个“小平面”的三个法向矢量及三个角点的九个坐标，再用br.readint16()获取一个与坐标无关的值，
28.子步骤1-1-d，重复子步骤1-1-c，直至遍历每个“小平面”，获得所有的“小平面”的三个法向矢量及三个角点的九个坐标。
29.其中，在子步骤1-2中，所述该剖面选自下述面中的一个或多个：
30.刀片厚度方向的中剖面；
31.可以为经过刀尖的与刀片长边方向成一定角度的面，该一定角度可以为-30～30度角；和
32.与预设线垂直的面，所述预设线经过刀尖且与刀片长边方向平行。
33.其中，在子步骤1-3中，从所有小平面坐标点中获取刀尖点，所述获取刀尖点的过程为：
34.子步骤1-3-1，从所有小平面坐标点中分别获取x，y，z坐标的最小值xmin,ymin,zmin和最大xmax,ymax,zmax；
35.子步骤1-3-2，找出所有满足z＝zmax条件的点中y坐标值最小的点，该点即为刀尖点。
36.其中，在子步骤1-3中，解算“小平面”的每条边与各剖面的交点，再从中挑选出有效交点。
37.其中，在所述步骤2中，在拟合过程中，分别对直线、圆弧或多次曲线进行拟合，计算该段离散点与拟合曲线的距离误差值，取其中最大值作为判断值。
38.其中，在所述步骤2中，
39.当体素段为直线段时，计算拟合误差，显示对应该拟合误差的直线端点，观测是否到达该直线段终点，如未到达，则增大误差，继续观测，如超出，则减小误差，如已到达，则执行下一步；
40.当体素段为圆弧段时，固定误差为0.001，显示圆弧终点；
41.当上段是圆弧，此段是直线时，则计算上段圆弧与此段直线相交或垂足点的终止角，画出圆弧，连接垂足与圆弧终点，连接垂足或有效交点到直线中点；
所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
58.根据本发明提供的影像仪扫描文件矢量化及参数化处理方法，如图1中所示，该方法包括如下步骤：
59.步骤1，判断扫描文件的类型，并从中获取坐标点；
60.各种影像仪扫描生成的文件格式不尽相同。如alicona(北京奥德利诺仪器有限公司)扫描出的文件为标准壳体stl文件，而英国ims公司lux 300c全自动测量系统扫描出的文件则为标准dxf文件。
61.dxf文件可以用ug软件转换为igs格式文件。
62.三维影像仪扫描文件(.igs)是由一系列离散点组成的标准格式文件，如下所示：
[0063][0064]
以106开头的行中，6063表示有6063个离散点，然后依次为各离散点的三维坐标行，可以用计算机进行程序化处理获取这些坐标点的值。
[0065]
如果是用dxf文件转换而来的igs文件，找到头5个字符为“116，”的行i(i＝1,2,3,.....)，其后面第一个“，”之前的数字为第i坐标点的x坐标，第二个“，”之前的数字为第i坐标点y坐标，依此往下搜索到igs文件尾为止，这样就获得了所有点的坐标。
[0066]
如果是用影像扫描仪(如alicona)直接获得的某个剖面igs文件，则第14行为“106，2，n，”，n为接下来的坐标点数，接下来依此获取n个点的3个坐标(以“，”分开)。坐标的顺序与扫描物件摆放方位有关。如果剖面由多个不相连段构成，则n 1行为“106,2,n1,”,n1为接下来的坐标点数,接下来依此获取n1个点的3个坐标(以“，”分开)，依此类推，直到所有剖面分离段都处理完毕为止。
[0067]
在stl文件描述原始非结构化三角网格，包括表面单位法线和由右手定则排序的顶点；优选地，stl文件以多个三角形平面的形式记录立体结构信息；多个三角形平面构成封闭的立体图像，且每个三角形平面的任意边都与其他三角形平面的边重合。所述三角形平面也称之为小平面，在stl文件中，所述小平面的的坐标信息以“小平面法向矢量数据”和“三角形小平面角点坐标数据”的形式存储。
[0068]
当扫描文件为stl文件时，读取坐标点的过程包括如下子步骤：
[0069]
子步骤1-1，读取其所有小平面的坐标信息，
[0070]
子步骤1-2，通过人机对话输入并获取剖面信息数据，
[0071]
子步骤1-3，获取小平面与剖面相交的有效交点；
[0072]
子步骤1-4，将有效交点按顺序排列，即得到坐标点。
[0073]
优选地，在子步骤1-1中，当所述stl文件属于ascii格式时，
[0074]
其获得小平面的坐标信息的过程为：
[0075]
子步骤1-1-1，读取stl文件各行字符串，
[0076]
子步骤1-1-2，如该行字符串以“facet”开头，则表示该行为“小平面法向矢量数据”，针对该以“facet”开头的字符串，调取并记录该行字符串中“facet”后面以空格分开的三个分量为该“小平面”的三个法向矢量分量值；
[0077]
如该行字符串以“vertex”开头，则表示该行为“三角形小平面角点坐标数据”，针对该以“vertex”开头的字符串，调取并记录该行字符串中“vertex”后面以空格分开的九个分量为该“小平面”角点的九个坐标分量值，所述九个坐标分量值中，前3个坐标分量值组成小平面第一个点的三维坐标，中间3个坐标分量值组成小平面第二个点的三维坐标，后3个坐标分量值组成小平面第三个点的三维坐标；
[0078]
子步骤1-1-3，遍历每行字符串，当每个“小平面”的三个法向矢量分量值和每个“小平面”角点的九个坐标分量值获取完毕后，获得了每个“小平面”的四个数据(法向矢量及三个角点坐标)，即为小平面的坐标信息。
[0079]
在子步骤1-1中，当所述stl文件属于binary格式时，即二进制的stl文件时，则用binary reader来提取坐标点；其获得小平面的坐标信息的过程为：
[0080]
子步骤1-1-a，从二进制stl文件获取binary reader变量br信息；
[0081]
子步骤1-1-b，用br.readint32()函数获得二进制stl文件的“小平面”数量，
[0082]
子步骤1-1-c，用br.readsingle()函数获取每个“小平面”的三个法向矢量及三个角点的九个坐标，再用br.readint16()获取一个与坐标无关的三角形的属性信息数据；该息数据占用2个字节。该与坐标无关的三角形的属性信息数据虽然对处理程序无作用，但出于程序循环的需要，需读取获得，并不赋給任何变量,否则下一个二进制文件br的读取信息就不再是实际所需的与坐标有关的数据。
[0083]
子步骤1-1-d，重复子步骤1-1-c，直至遍历每个“小平面”，获得所有的“小平面”的三个法向矢量及三个角点的九个坐标值。
[0084]
优选地，在子步骤1-2中，所述剖面信息数据可以根据被扫描器件的种类及结构设置；如当被扫描器件是可转位刀片时，如图2中所述，该剖面可以为刀片厚度方向的中剖面，即垂直于刀片厚度方向且位于刀片中部的剖面；可以为经过刀尖的与刀片长边方向成一定角度的面，该一定角度可以为-30～30度角，通过人机交互输入；还可以为与经过刀尖的平行刀片长边方向垂直的面，此时通过人机交互输入剖面与刀尖之间的距离。
[0085]
优选地，在子步骤1-3中，首先从所有小平面坐标点中获取刀尖点，再据此获得有效交点；
[0086]
具体来说，获取刀尖点的过程为：
[0087]
子步骤1-3-1，从所有小平面坐标点中分别获取x，y，z坐标的最小值xmin,ymin,zmin和最大xmax,ymax,zmax；
[0088]
子步骤1-3-2，找出所有满足z＝zmax条件的点中y坐标值最小的点，该点即为刀尖点；刀尖点的x坐标djx,y坐标djy，z坐标为djz。
[0089]
在子步骤1-3中，解算“小平面”的每条边与各剖面的交点，再从中挑选出有效交点；
[0090]
具体来说，每个“小平面”是一个三个角形,分别计算这个三角形的每条边与各剖面的交点，p1(x1,y1,z1),p2(x2,y2,z2),p3(x3,y3,z3)为三角形小平面的三个顶点，
[0091]
直线p1p2与刀片厚度方向的中剖面的交点坐标为：(x1 (y0-y1)*(x2-x1)/(y2-y1)，y0，z1 (y0-y1)*(z2-z1)/(y2-y1))
[0092]
直线p1p2与通过刀尖的与刀片长边方向成一定角度的面的交点坐标为(jdx,jdy,jdz)，其中，
[0093]
jdz＝((x2-x1)*z1/(z2-z1) djx-x1 math.tan(math.pi*pmjd/180.0)*djz)/(math.tan(math.pi*pmjd/180.0) (x2-x1)/(z2-z1))；该式中的math.pi表示圆周率，其值为3.141592653589793的双精度数。
[0094]
jdx＝djx-math.tan(math.pi*pmjd/180.0)*(jdz-djz)；
[0095]
jdy＝y1 (y2-y1)*(jdz-z1)/(z2-z1)；
[0096]
直线p1p2与通过刀尖的平行刀片长边方向垂直的面的交点坐标为(jdx,jdy,jdz)，其中，
[0097]
jdx＝x1 (z0-z1)*(x2-x1)/(z2-z1)
[0098]
jdz＝z0
[0099]
jdy＝y1 (z0-z1)*(y2-y1)/(z2-z1)；
[0100]
所述z0＝djz
–
pmjl；
[0101]
本技术中，刀片厚度方向的中剖面中，其y坐标值为最大值ymax与最小值ymin之间的中间值，即y0＝(ymax ymin)/2，该面垂直于y轴。
[0102]
通过刀尖的与刀片长边方向成一定角度的面中，需输入的一定角度即为剖面角度，该角度为pmjd；
[0103]
与通过刀尖的平行刀片长边方向垂直的面中需输入的剖面与刀尖之间的距离为pmjl。
[0104]
优选地，当交点(jdx,jdy,jdz)与p1(dd1)和p2(dd2)之间距离都小于或等于直线p1p2的长度时,该交点即为有效交点；
[0105]
基于与上述相同的方法，能够分别获得直线p2p3、p1p3与各剖面的交点坐标并获得有效交点。
[0106]
最后再去掉相同的重复的点，从而获得子步骤1-3中所述的小平面与剖面相交的有效交点。
[0107]
优选地，在子步骤1-4中，将有效交点按顺序排列的过程包括如下步骤：
[0108]
子步骤1-4-1，取有效交点中任意一点i(i＝1,2,...yxjds-1)为起点，再取起点后的另一点(i 1)，计算这两点间的距离；
[0109]
子步骤1-4-2，依次搜索起点后的各有效交点j(j＝i 1,i 2,...yxjds),从中找出与起点i最近的点dhxl[i]；其中，yxjds表示有效交点数，即与剖切平面相交的所有小平面上的交点总数，yxjds-1表示有效交点数减一；将起点后的另一点(i 1)与所述最近点dhxl[i]交换位置；
[0110]
子步骤1-4-3，重复子步骤1-4-1和子步骤1-4-2，确保子步骤1-4-1中遍历所有的
有效交点，子步骤1-4-2遍历1-4-1选定的有效交点后的所有有效交点，交换位置完毕后得到的新的有效交点已按顺序排列，即为所述坐标点。
[0111]
步骤2，根据坐标点，拟合获得体素段；
[0112]
在所述步骤2中，所述体素段包括直线、圆弧和多次曲线，在拟合过程中，分别对直线、圆弧或多次曲线进行拟合，计算该段离散点与拟合曲线的距离误差值，取其中最大值作为判断值。
[0113]
优选地，当体素段为直线段时，计算拟合误差，并在屏幕上显示对应该拟合误差的直线端点。观测是否到达该直线段终点，如未到达，则增大误差，继续观测，如超出，则减小误差，如已到达，则执行下一步；
[0114]
具体来说，用点标记出点号，所述点号是该体素段各离散点与拟合曲线距离误差中的最大值与判断值相近的点，并予以显示，优选地通过显示屏幕显示，如图3中所示；根据判断结果进一步延长该拟合的线段，或者完成该线段的拟合；
[0115]
具体来说，当显示处理的直线段终点为nzz＝307时，如图3中所示，误差判断值为wcpdz＝0.001，经判断还未到达该直线段终点，则给出如图4中所示的误差判断值作为修改提示，在此基础上，能够进一步增加误差判断值或者完成该线段的拟合。
[0116]
如图4中所示，若选择正确，即选择“是”，则增加误差判断值，进一步获得新的拟合结果，如图5中所示，图5中显示处理的直线段终点为nzz＝318，误差判断值为wcpdz＝0.002，显然仍未到达该直线段终点，选择继续增加误差判断值。再一次显示处理的直线段终点为nzz＝345，误差判断值为wcpdz＝0.003，当拟合结果已经到达该执行段终点时结束拟合，具体来说，如图6中所示，观测已到达该直线段终点，此时可以通过确认来完成该直线的拟合作业。
[0117]
在上述选择判断过程中，当已超出直线段范围时，可以将直线段端点回退，具体来说，通过选“否”按钮进行减小误差判断值，将直线段端点回退。
[0118]
在一个优选的实施方式中，在步骤2中，在拟合的过程中，当体素段为圆弧段时，固定误差为0.001，显示圆弧终点；
[0119]
进一步优选地，如上段是圆弧，此段是直线，则计算上段圆弧与此段直线相交或垂足点的终止角，画出圆弧，连接垂足与圆弧终点，连接垂足或有效交点到直线中点；
[0120]
如上段是直线，此段也是直线，则计算两直线的交点，并分别连接交点到两直线的中点；
[0121]
如上段是直线，此段是圆弧，则计算圆弧起始角，连接直线中点与有效交点或垂足；
[0122]
如上段是圆弧，此段也是圆弧，则画出上段圆弧，连接上段圆弧终点与此段圆弧起点。
[0123]
当直线段过短，且直线的中点在直线与圆弧的交点之外时，将该直线段改用圆弧代替。
[0124]
当三段圆弧相连时，第一段与左端直线相连是以交点或直线垂足点相连，圆弧段之间以上一段圆弧终点号位置点与下一段圆弧起点号位置相连，最后一段与右端直线相连是以交点或直线垂足点相连。
[0125]
步骤3，平滑连接拟合后的各相邻体素段；
[0126]
该连接方法有多种，本技术中优选地，在误差可控范围内，如直线与相邻圆弧之间，直接将圆弧段与直线段以最近点进行相连，即作圆心到直线的垂线，将圆弧连接到垂足点。
[0127]
本技术中，通过上述方法进行平滑连接，其误差在微米级，是在精度可控制范围内；优选地，还可以修改圆弧半径，或移动圆弧中心，将圆弧直接与直线相切，该方法也是在误差可控范围内。
[0128]
步骤4，对轮廓图做参数提取并进行三维建模。
[0129]
通过提取出矢量化处理后的轮廓参数，并进行三维建模，即可看矢量化处理的效果；
[0130]
所述参数提取的过程包括如下子步骤：
[0131]
子步骤4-1，构造轮廓图形文件，保存所有直线轮廓的起点和终点坐标；保存圆弧轮廓的圆弧中心x坐标,圆弧中心y坐标,圆弧半径,圆弧起始角及圆弧终止角；
[0132]
子步骤4-2，在获取文件中读取轮廓图形信息文件进行处理，优选地，所述轮廓图形信息文件为lkt.txt文件；
[0133]
子步骤4-3，根据各轮廓位置坐标及方位信息，计算出所需的参数信息。
[0134]
在一个优选的实施方式中，在执行步骤2以前，在扫描件的整体轮廓中进行搜索找出所有有效交点，框选后判断框选范围内的有效交点为处理对象；在后续的步骤2、步骤3和步骤4中仅针对所述框选的轮廓进行处理，从而在确保获得期望的部位结构基础上，提高工作效率，避免时间浪费。
[0135]
实施例：
[0136]
选用alicona(北京奥德利诺仪器有限公司)的影像仪对刀片进行扫描，得到ascii格式的stl文件，对通过下述方法进行处理：
[0137]
步骤1，从文件中获取坐标点，具体包括如下子步骤：
[0138]
子步骤1-1，读取其所有小平面的坐标信息，
[0139]
子步骤1-2，通过人机对话输入并获取剖面信息数据，
[0140]
子步骤1-3，获取小平面与剖面相交的有效交点；
[0141]
子步骤1-4，将有效交点按顺序排列，即得到坐标点；
[0142]
其中，获得小平面的坐标信息的过程为：
[0143]
子步骤1-1-1，获取stl文件各行字符串，
[0144]
子步骤1-1-2，针对以“facet”开头的字符串，调取记录接下来以空格分开的三个分量为该“小平面”的三个法向矢量分量值；
[0145]
针对以“vertex”开头的字符串，调取记录接下来以空格分开的九个分量为该“三角形小平面角点”的九个坐标分量值；
[0146]
子步骤1-1-3，遍历每行字符串，获得了每个“小平面”的法向矢量及三个角点坐标共四个数据，即为小平面的坐标信息。
[0147]
其中，在子步骤1-2中，所述该剖面包括：
[0148]
刀片厚度方向的中剖面；
[0149]
可以为通过刀尖的与刀片长边方向成一定角度的面，该一定角度可以为-30～30度角；和
[0150]
与通过刀尖的平行刀片长边方向垂直的面。
[0151]
其中，在子步骤1-3中，解算“小平面”的每条边与各剖面的交点，再从中挑选出有效交点。
[0152]
将有效交点按顺序排列的过程包括如下步骤：
[0153]
子步骤1-4-1，取有效交点中任意一点i(i＝1,2,...yxjds-1)为起点，再取起点后的另一点(i 1)，计算这两点间的距离；
[0154]
子步骤1-4-2，依次搜索起点后的各有效交点j(j＝i 1,i 2,...yxjds),从中找出与起点i最近的点dhxl[i]；其中；将起点后的另一点(i 1)与所述最近点dhxl[i]交换位置。
[0155]
步骤2，根据坐标点，拟合获得体素段；
[0156]
其中，当体素段为直线段时，计算拟合误差，显示对应该拟合误差的直线端点，观测是否到达该直线段终点，如未到达，则增大误差，继续观测，如超出，则减小误差，如已到达，则执行下一步；
[0157]
当体素段为圆弧段时，固定误差为0.001，显示圆弧终点；
[0158]
当上段是圆弧，此段是直线时，则计算上段圆弧与此段直线相交或垂足点的终止角，画出圆弧，连接垂足与圆弧终点，连接垂足或有效交点到直线中点；
[0159]
当上段是直线，此段也是直线时，则计算两直线的交点，并分别连接交点到两直线的中点；
[0160]
当上段是直线，此段是圆弧时，则计算圆弧起始角，连接直线中点与有效交点或垂足；
[0161]
当上段是圆弧，此段也是圆弧时，则画出上段圆弧，连接上段圆弧终点与此段圆弧起点。
[0162]
步骤3，平滑连接拟合后的各相邻体素段；
[0163]
在直线与相邻圆弧之间，直接将圆弧段与直线段以最近点进行相连，即作圆心到直线的垂线，将圆弧连接到垂足点。
[0164]
步骤4，对轮廓图做参数提取并进行三维建模。
[0165]
其中，参数提取的过程包括如下子步骤：
[0166]
子步骤4-1，构造轮廓图形文件，保存所有直线轮廓的起点和终点坐标；保存圆弧轮廓的圆弧中心x坐标,圆弧中心y坐标,圆弧半径,圆弧起始角及圆弧终止角；
[0167]
子步骤4-2，在获取文件中读取轮廓图形信息文件进行处理；
[0168]
子步骤4-3，根据各轮廓位置坐标及方位信息，计算出所需的参数信息。
[0169]
将通过上述方法得到的参数化数据与原始的stl文件一并通过autocad打开进行对比，如图7和图8中所示，
[0170]
图7和图8中，黑色线条为原始扫描文件的轮廓离散点的连线，即未经过处理的stl文件图，红色线条则是经过上述方法处理得到的点的连线，宏观目测两者之间误差是很小的。
[0171]
通过下述方法计算出每个离散点处的误差：
[0172]
直线段上误差是原始扫描文件的轮廓离散点到上述方法获得的直线的最近点之间距离的绝对值。
[0173]
圆弧段上误差是原始扫描文件的轮廓离散点到上述方法获得的圆弧在通过圆心
的半径方向之间距离的绝对值。
[0174]
形成的误差分析数据为：
[0175]
第1段为直线！
[0176]
第1354点的误差为-0.000620646647240072
[0177]
第1355点的误差为-0.000519885293736559
[0178]
第1356点的误差为-0.000977505028245517
[0179]
......
[0180]
全局最大误差为0.00981036168342196,点位置为2042
[0181]
全局最小误差为-0.00443363076355958,点位置为2108
[0182]
全局平均误差为2.39426712794702e-06！
[0183]
从误差分析数据上看出其误差在微米级，全局最大0.0098，全局最小-0.0044。
[0184]
从上述结果可知，本技术提供的影像仪扫描文件矢量化及参数化处理方法获得的参数化结果的精度极高，可靠性强。
[0185]
以上结合了优选的实施方式对本发明进行了说明，不过这些实施方式仅是范例性的，仅起到说明性的作用。在此基础上，可以对本发明进行多种替换和改进，这些均落入本发明的保护范围内。