一种去除局外点的三维圆拟合方法、装置及检测设备

技术领域

本申请涉及视觉图像技术领域，具体而言，涉及一种去除局外点的三维圆拟合方法、装置及检测设备。

背景技术

产品制作完成后，需要对制作完成的产品轮廓进行检测和测量，而圆度公差为检测产品外观尺寸的重要参数。通过对产品轮廓进行三维圆拟合可以获得理想圆，而产品轮廓的实际尺寸则设定为实际圆，圆度则是限制实际圆对理想圆变动量的一项指标，其公差带是以公差值为半径差的两同心设置的理想圆与实际圆之间的区域，圆度公差越小，则表明产品的制作工艺越精准。

在一些产品的轮廓进行三维圆拟合的过程中，产品的轮廓主要由传感器采集获得的三维点云数据来表示，通过由传感器采集获得的三维点云数据进行三维圆拟合，再根据三维圆拟合获得的三维圆对实际产品进行对比。

然而，当传感器采集产品轮廓时，由于受限于成像精度和环境噪声的干扰，采集到的三维点云中往往同时存在大量的内点以及局外点，其中，内点是指与待检测物体表面之间的距离小于等于误差距离的像素点，局外点是指与待检测物体表面之间的距离大于误差距离的像素点，通过使用存在局外点的三维点云获取得到的理想圆与实际产品之间存在较大的偏差，因此需要去除干扰三维圆拟合精度的局外点。

发明内容

为了解决去除干扰三维圆拟合精度的局外点的问题，本申请提供了一种去除局外点的三维圆拟合方法、装置及检测设备。

本申请的实施例是这样实现的：

本申请实施例的第一方面提供一种去除局外点的三维圆拟合方法，所述方法包括：

输入三维点云及拟合参数，并获取基准平面；拟合参数包括三维点云中参与拟合的点的索引以及距离阈值，基准平面为对三维点云执行带局外点平面拟合获得的；

获取旋转矩阵，三维点云通过旋转矩阵进行旋转变换获得并输出二维点集，所述旋转矩阵为将基准平面的法向量旋转平行于坐标系任意一轴线获取得到；

基于RANSAC的随机迭代算法，依次随机选取获得的二维点集内的三个点拟合平面圆，并输出迭代过程中内点数量最多的圆作为次优圆，并通过次优圆获得最优圆，将最优圆转换至三维空间获取并输出三维圆；其中，内点为二维点集中的点到拟合平面圆的距离小于距离阈值且其对应的三维点到基准平面的距离小于距离阈值的点。

在一些实施例中，在依次随机选取获得的二维点集内的三个点拟合平面圆，并输出迭代过程中内点数量最多的圆作为次优圆的步骤中，所述方法包括：

从二维点集中随机选取三个点，并以三个点作为基础点构建拟合平面圆；

获取当前平面圆对应的内点数量，其中，内点为二维点集中的点到当前平面圆的距离小于距离阈值且其对应的三维点到基准平面的距离小于距离阈值的点；

迭代选取二维点集内其余的点并拟合平面圆，记录每次平面圆对应的内点；

选取迭代过程中内点数量最大的平面圆作为次优圆。

在一些实施例中，在迭代选取二维点集内其余的点并拟合平面圆，记录每次平面圆对应的内点的过程中，所述方法还包括：

根据当前内点的比例和置信度计算获得最大迭代次数，通过当前迭代的总次数与最大迭代次数进行比较，当当前迭代的总次数大于最大迭代次数时，终止迭代。

在一些实施例中，获取最大迭代次数使用的公式为：

其中，k表示最大迭代次数，t表示内点比例，即内点数与三维点云内点总数的比值；P表示置信度。

在一些实施例中，在通过次优圆获得最优圆的步骤中，所述方法包括：

使用次优圆、基准平面和距离阈值重新计算内点，并对所有的内点执行最小二乘拟合得到当前圆；

使用当前圆、基准平面和距离阈值重新计算内点，再通过最小二乘法拟合得到当前圆，迭代此过程；

其中，当内点数量不再增加，迭代结束，并选取最后获得的当前圆作为最优圆。

在一些实施例中，在将最优圆转换至三维空间获取并输出三维圆的步骤中，所述方法包括：

将最优圆的圆心坐标扩展为三维点坐标，其中，扩展为三维点坐标过程中添加的坐标的数值为基准平面至原点的距离；

获取三维圆的圆心三维坐标，其中圆心三维坐标经由对得到三维点坐标进行旋转矩阵的逆旋转变换获得的；

三维圆的法向量设置为基准平面的法向量，三维圆的半径与最优圆的半径相同。

在一些实施例中，在依次随机选取获得的二维点集内的三个点拟合平面圆，并输出迭代过程中内点数量最多的圆作为次优圆的步骤中，所述方法包括：

先对三维点云通过进行索引步长采样或者随机采样等方法进行下采样；

对采样后获得的点云进行迭代优化并且输出迭代过程中内点数量最多的圆作为次优圆。

在一些实施例中，本申请还提供了一种去除局外点的三维圆拟合方法，所述方法包括：

输入三维点云及拟合参数，其中，所述三维点云通过传感器采集获得，拟合参数包括三维点云中参与拟合的点的索引以及距离阈值；

获取基准平面，所述基准平面经由用户指定获得；

三维点云朝向基准平面投影从而形成二维点集；

基于RANSAC的随机迭代算法，依次随机选取获得的二维点集内的三个点拟合平面圆，并输出迭代过程中内点数量最多的圆作为次优圆，并通过次优圆获得最优圆，将最优圆转换至三维空间获取并输出三维圆；其中，内点为二维点集中的点到拟合平面圆的距离小于距离阈值且其对应的三维点到基准平面的距离小于距离阈值的点。

本申请第三方面还提供了一种去除局外点的三维圆拟合装置，包括：

基准平面获取单元，用于输入三维点云及拟合参数，并获取基准平面；拟合参数包括三维点云中参与拟合的点的索引以及距离阈值，基准平面为对三维点云执行带局外点平面拟合获得的；

二维点集转化单元，获取旋转矩阵，三维点云通过旋转矩阵进行旋转变换获得并输出二维点集，所述旋转矩阵为将基准平面的法向量旋转平行于坐标系任意一轴线获取得到；

三维圆获取单元，用于基于RANSAC的随机迭代算法，依次随机选取获得的二维点集内的三个点拟合平面圆，并输出迭代过程中内点数量最多的圆作为次优圆，并通过次优圆获得最优圆，将最优圆转换至三维空间获取并输出三维圆；其中，内点为二维点集中的点到拟合平面圆的距离小于距离阈值且其对应的三维点到基准平面的距离小于距离阈值的点。

本申请的第四方面还公开了一种检测设备，所述检测设备包括：至少一个处理器；以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器执行上述技术方案所述的去除局外点的三维圆拟合方法。

本申请的有益效果，通过对输入的三维点云进行基础平面拟合，并将三维点云以投影的方式投影在拟合获得的基准平面，方便在拟合获取次优圆时将远离基准平面的局外点进行去除，减少次优圆拟合过程中参与拟合的局外点的数量，可实现提高获取得到次优圆的效率；通过后续基于次优圆、距离阈值和基准平面的迭代寻优，可获得与去除局外点后的其余三维点云的投影拟合精度更好的最优圆，再通过将最优圆拓展至三维空间中，从而提高获得精度更高的三维圆的效率，可实现对产品轮廓进行高效率、高精度的测量。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请一实施例的三维圆拟合方法的原理图；

图2为本申请一实施例的三维圆拟合方法的流程图；

图3a为本申请一实施例的三维圆拟合方法的用于展示构建基准平面过程的示意图；

图3b为本申请一实施例的三维圆拟合方法的用于展示拟合获取次优圆过程的示意图；

图4为本申请一实施例的三维圆拟合方法的用于展示获取最优圆过程的原理图；

图5为本申请另一实施例的三维圆拟合方法的获取次优圆的流程图；

图6为本申请另一实施例的三维圆拟合方法的迭代获得最优圆的流程图；

图7为本申请另一实施例的三维圆拟合方法的获取三维圆的流程图；

图8为本申请另一实施例的三维圆拟合方法的流程图；

图9为本申请另一实施例的三维圆拟合方法的流程图；

图10为本申请一实施例的三维圆拟合装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本申请的目的、实施方式和优点更加清楚，下面将结合本申请示例性实施例中的附图，对本申请示例性实施方式进行清楚、完整地描述，显然，所描述的示例性实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。

需要说明的是，本申请中对于术语的简要说明，仅是为了方便理解接下来描述的实施方式，而不是意图限定本申请的实施方式。除非另有说明，这些术语应当按照其普通和通常的含义理解。

本申请中说明书和权利要求书及上述附图中的术语″第一″、″第二″、″第三″等是用于区别类似或同类的对象或实体，而不必然意味着限定特定的顺序或先后次序，除非另外注明。应该理解这样使用的用语在适当情况下可以互换。

术语″包括″和″具有″以及他们的任何变形，意图在于覆盖但不排他的包含，例如，包含了一系列组件的产品或设备不必限于清楚地列出的所有组件，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些产品或设备固有的其它组件。

如图1-图4所示，图1为本申请一实施例的三维圆拟合方法的原理图；图2为本申请一实施例的三维圆拟合方法的流程图；图3a为本申请一实施例的三维圆拟合方法的用于展示构建基准平面过程的示意图；图3b为本申请一实施例的三维圆拟合方法的用于展示拟合获取次优圆过程的示意图；图4为本申请一实施例的三维圆拟合方法的用于展示获取最优圆过程的原理图。

在一些实施例中，本申请第一方面提供一种去除局外点的三维圆拟合方法，其包括：

输入三维点云及拟合参数，其中，所述三维点云通过传感器采集获得，拟合参数包括三维点云中参与拟合的点的索引、距离阈值、内点比例、置信度和采样大小；

获取基准平面，所述基准平面为对三维点云执行带局外点平面拟合获得的；

获取旋转矩阵，所述旋转矩阵为将基准平面的法向量旋转平行于坐标系任意一轴线获取得到；

根据旋转矩阵对三维点云进行旋转变换获得预处理点云；

取预处理点云中三维点的除旋转轴所在坐标的另外两个坐标形成二维点集，进一步解释为：当基准平面的法向量旋转至与z轴平行时获取得到旋转矩阵时，则取预处理点云中所有的三维点除去z坐标剩余的×坐标和y坐标形成二维点集；

基于RANSAC的随机迭代算法，依次随机选取二维点集内的三个点拟合平面圆，并输出迭代过程中内点数量最多的圆作为次优圆；其中，内点为二维点集中的点到拟合平面圆的距离小于距离阈值且其对应的三维点到基准平面的距离小于距离阈值的点；

基于迭代寻优的方法，根据获得的次优圆、基准平面及距离阈值，迭代获得最优圆，其中，最优圆为迭代过程中内点数量保持恒定的圆；

基于最优圆，将最优圆的圆心拓展至三维空间并进行转换，获取得到三维圆。

通过对输入的三维点云进行基础平面拟合，并将三维点云以投影的方式投影在拟合获得的基准平面，方便在拟合获取次优圆时将远离基准平面的局外点进行去除，减少次优圆拟合过程中参与拟合的局外点的数量，可实现提高获取得到次优圆的效率；通过后续基于次优圆、距离阈值和基准平面的迭代寻优，可获得与去除局外点后的其余三维点云的投影拟合精度更好的最优圆，再通过将最优圆拓展至三维空间中，从而提高获得精度更高的三维圆的效率，可实现对产品轮廓进行高效率、高精度的测量。

在一些实施例中，在依次随机选取二维点集内的三个点拟合平面圆，并输出迭代过程中内点数量最多的圆作为次优圆的步骤中，本申请提供的三维圆拟合方法包括：

从二维点集中随机选取三个点，并以三个点作为基础点构建拟合平面圆；

获取当前平面圆对应的内点数量，其中，内点为二维点集中的点到当前平面圆的距离小于距离阈值且其对应的三维点到基准平面的距离小于距离阈值的点；

迭代选取二维点集内其余的点并拟合平面圆，记录每次平面圆对应的内点；

选取迭代过程中内点数量最大的平面圆作为次优圆。

在迭代获得内点数量最多对应的平面圆作为次优圆过程中，由于存在距离阈值的约束，获取次优圆的过程中已经减少了局外点的干扰，次优圆必然是由预处理点云中的某三个点拟合得到的；进一步的寻找次优圆在xoy平面内进行的，但计算距离阈值时不仅要考虑二维点集中点到圆的距离，同时要考虑三维点到基准平面的距离，只有两个距离均小于距离阈值时才被认为是内点，可实现次优圆的拟合精度更高。

参照图5所示，图5为本申请另一实施例的三维圆拟合方法的获取次优圆的流程图。

在一些实施例中，在迭代选取二维点集内其余的点并拟合平面圆，记录每次平面圆对应的内点的过程中，本申请公开的三维圆拟合方法还包括：

根据当前内点的比例和置信度计算获得最大迭代次数，通过当前迭代的总次数与最大迭代次数进行比较，当当前迭代的总次数大于最大迭代次数时，终止迭代。

通过指定置信度和当前内点的比例获取的到最大迭代次数，从而方便对迭代获取次优圆的次数进行控制，减少迭代周期过长导致次优圆获取速度降低的概率，可实现提高获取次优圆拟合效率的速度。

在一些实施例中，在迭代选取二维点集内其余的点并拟合平面圆，记录每次平面圆对应的内点的过程中，本申请公开的三维圆拟合方法还包括：

根据当前内点的比例和置信度计算获得最大迭代次数，通过当前迭代的总次数与最大迭代次数进行比较，当当前迭代的总次数大于最大迭代次数时，终止迭代；

获取最大迭代次数使用的公式为：

其中，k表示最大迭代次数，t表示内点比例，即内点数与三维点云内点总数的比值；P表示置信度。

通过内点比例t以及置信度P获得次优圆拟合过程中的最大迭代次数k，从而方便对次优圆拟合迭代的次数进行控制，减少次优圆拟合次数太多导致次优圆拟合效率较低的概率，同时也能够提高次优圆与三维点云中的点贴合的精度。

参照图6所示，图6为本申请另一实施例的三维圆拟合方法的迭代获得最优圆的流程图。

在一些实施例中，在根据获得的次优圆、基准平面及距离阈值，迭代获得最优圆的步骤中，所述方法包括：

使用次优圆、基准平面和距离阈值重新计算内点，并对所有的内点执行最小二乘拟合得到当前圆；

使用当前圆、基准平面和距离阈值重新计算内点，再通过最小二乘法拟合得到当前圆，迭代此过程；

其中，当内点数量不再增加，迭代结束，并选取最后获得的当前圆作为最优圆。

通过寻优迭代的方法，以次优圆、基准平面和距离阈值对二维点集内的其余点执行最小二乘拟合并重新计算内点，再对内点进行拟合，当内点数目不再增加时的圆作为最优圆，通过迭代寻取最优圆，最终得到的最优圆的内点数目大于或等于次优圆的内点数目，具有更高的精度，可实现获取得到与点云拟合精度更高的最优圆。

参照图7所示，图7为本申请另一实施例的三维圆拟合方法的获取三维圆的流程图。

在一些实施例中，在基于最优圆，将最优圆的圆心拓展至三维空间并进行转换，获取得到三维圆的步骤中，本申请提供的三维圆拟合方法包括：

将最优圆的圆心坐标扩展为三维点坐标，其中，扩展为三维点坐标过程中添加的坐标的数值为基准平面至原点的距离，当旋转矩阵为基准平面的法向量转动至平行于z轴获得时，在最优圆的圆心坐标拓展为三维点坐标过程中，圆心的×坐标和y坐标保持不变，z坐标为基准平面到原点的距离；

获取三维圆的圆心三维坐标，其中，圆心三维坐标经由对得到三维点坐标进行旋转矩阵的逆旋转变换获得的；

三维圆的法向量设置为基准平面的法向量，三维圆的半径与最优圆的半径相同。

通过将最优圆转换至三维空间内，并通过对最优圆进行旋转矩阵的逆变换获得的，提高三维圆的转换效率，同时减少三维圆在转化过程误差增加的概率。

参照图8所示，图8为本申请另一实施例的三维圆拟合方法的流程图。

在一些实施例中，本申请提供的去除局外点的三维圆拟合方法，包括：

输入三维点云及拟合参数，其中，所述三维点云通过传感器采集获得，拟合参数包括三维点云中参与拟合的点的索引以及距离阈值；

获取基准平面，所述基准平面为对三维点云执行带局外点平面拟合获得的；

获取旋转矩阵，所述旋转矩阵为将基准平面的法向量旋转平行于坐标系任意一轴线获取得到；

根据旋转矩阵对三维点云进行旋转变换获得预处理点云；

取预处理点云中三维点的除旋转轴所在坐标的另外两个坐标形成二维点集；

基于RANSAC的随机迭代算法，先对二维点集通过索引步长采样或者随机采样等方法进行下采样，依次随机选取采样后的二维点集内的三个点拟合平面圆，并输出迭代过程中内点数量最多的圆作为次优圆；其中，内点为二维点集中的点到拟合平面圆的距离小于距离阈值且其对应的三维点到基准平面的距离小于距离阈值的点；

基于迭代寻优的方法，根据获得的次优圆、基准平面及距离阈值，迭代获得最优圆，其中，最优圆为迭代过程中内点数量保持恒定的圆；

基于最优圆，将最优圆的圆心拓展至三维空间并进行转换，获取得到三维圆。

通过对二维点集先进行采样，使用采样后的二维点集来计算次优圆仅仅会对迭代次数产生影响，后续通过迭代寻找最优圆的仍然能够得到准确的圆参数，同时可实现降低拟合获取次优圆的算法的时间复杂度。

参照图9所示，图9为本申请另一实施例的三维圆拟合方法的流程图。

在一些实施例中，本申请还公开了一种去除局外点的三维圆拟合方法，其包括：

输入三维点云及拟合参数，其中，所述三维点云通过传感器采集获得，拟合参数包括三维点云中参与拟合的点的索引以及距离阈值；

获取基准平面，所述基准平面经由用户指定获得；

三维点云朝向基准平面投影从而形成二维点集；

基于RANSAC的随机迭代算法，依次随机选取二维点集内的三个点拟合平面圆，并输出迭代过程中内点数量最多的圆作为次优圆；其中，内点为二维点集中的点到拟合平面圆的距离小于距离阈值且其对应的三维点到基准平面的距离小于距离阈值的点；

基于迭代寻优的方法，根据获得的次优圆、基准平面及距离阈值，迭代获得最优圆，其中，最优圆为迭代过程中内点数量保持恒定的圆；

基于最优圆，将最优圆的圆心拓展至三维空间并进行转换，获取得到三维圆。

通过将三维圆拟合的基准平面由用户指定时，减少通过带局外点平面拟合来获取基准平面的速度，同时，二维点集也可以由三维点云直接投影得到，根据距离阈值计算内点时无需将点到基准平面的距离作为判别条件，寻找次优圆和最优圆时在平面内计算内点，进一步提高获取最优圆的速度。

参照图10所示，图10为本申请一实施例的三维圆拟合装置的结构示意图。

在一些实施例中，基于上述公开的去除局外点的三维圆拟合方法，本申请还公开了一种去除局外点的三维圆拟合装置，其包括：

输入单元，用于接收输入的三维点云及拟合参数，其中，所述三维点云通过传感器采集获得，拟合参数包括三维点云中参与拟合的点的索引以及距离阈值；

基准平面获取单元，用于获取基准平面，所述基准平面为对三维点云数据执行带局外点平面拟合获得的；

旋转矩阵获取单元，用于获取旋转矩阵，所述旋转矩阵为将基准平面的法向量旋转平行于坐标系任意一轴线获取得到；

预处理点云获取单元，用于根据旋转矩阵对三维点云进行旋转变换获得预处理点云；

二维点集转化单元，取预处理点云中三维点的除旋转轴所在坐标的另外两个坐标形成二维点集；

次优圆获取单元，用于基于RANSAC的随机迭代算法，依次随机选取二维点集内的三个点拟合平面圆，并输出迭代过程中内点数量最多的圆作为次优圆；其中，内点为二维点集中的点到拟合平面圆的距离小于距离阈值且其对应的三维点到基准平面的距离小于距离阈值的点；

最优圆获取单元，用于基于迭代寻优的方法，根据获得的次优圆、基准平面及距离阈值，迭代获得最优圆，其中，最优圆为迭代过程中内点数量保持恒定的圆；

三维圆获取单元，基于最优圆，将最优圆的圆心拓展至三维空间并进行转换，获取得到三维圆。

在一些实施例中，基于上述技术方案中公开的去除局外点的三维圆拟合方法，本申请还提高了一种检测装置，其包括：至少一个处理器；以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器执行上述技术方案所述的去除局外点的三维圆拟合方法。

本部分实施例的有益效果在于，通过对输入的三维点云进行基础平面拟合，并将三维点云以投影的方式投影在拟合获得的基准平面，方便在拟合获取次优圆时将远离基准平面的局外点进行去除，减少次优圆拟合过程中参与拟合的局外点的数量，可实现提高获取得到次优圆的效率；通过后续基于次优圆、距离阈值和基准平面的迭代寻优，可获得与去除局外点后的其余三维点云的投影拟合精度更好的最优圆，再通过将最优圆拓展至三维空间中，从而提高获得精度更高的三维圆的效率，可实现对产品轮廓进行高效率、高精度的测量。

为了方便解释，已经结合具体的实施方式进行了上述说明。但是，上述在一些实施例中讨论不是意图穷尽或者将实施方式限定到上述公开的具体形式。根据上述的教导，可以得到多种修改和变形。上述实施方式的选择和描述是为了更好的解释原理以及实际的应用，从而使得本领域技术人员更好的使用实施方式以及适于具体使用考虑的各种不同的变形的实施方式。