一种闭环拟合优化算法的制作方法

1.本发明涉及计算机技术领域，尤其涉及一种闭环拟合优化算法。


背景技术：

2.在机器学习或者是科学计算项目中，有时可以涉及到一些趋势预测的工作，或者是曲线拟合计算的工作。例如，在一些旋转结构的设计中，旋转体特征量计算是最基本的问题。现有技术中大多是采用分段、外形、内形、累积等概念进行程序计算，这种算法数据重复率极高，累积误差较大且计算过程繁琐，面对日益增长的结构复杂性，有必要引入新的计算方法以解决该问题。


技术实现要素：

3.为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种闭环拟合优化算法，旨在解决现在技术中存在计算繁琐，计算精度较差的技术问题。
4.本发明提供一种闭环拟合优化算法，包括包括以下步骤：
5.步骤一：采集用于计算拟合的旋转体模型的三维点数据；
6.步骤二：将不同测量点测量的三维坐标转换至参考坐标系下；
7.步骤三：将旋转体模型的旋转中心轴与参考坐标系的任意一坐标轴平行；
8.步骤四：将三维点数据中的每个点投影至其余任意一坐标轴所在的平面上，获得每个点对应的投影坐标数据；
9.步骤五：基于每个点对应的投影坐标数据进行拟合，确定拟合后的旋转体模型的轮廓线；
10.步骤六：根据旋转体模型的旋转轴以及旋转体的轮廓线构建实体模型。
11.优选地，所述步骤五中采用ransac拟合算法对读取到的点坐标数据进行拟合。
12.优选地，所述步骤一中采用激光扫描仪进行数据采集。
13.优选地，所述激光扫描仪与计算机连接，将采集到的数据传输至计算机进行处理。
14.优选地，所述步骤一中，通过在旋转体模型上设置多个采集点，并确定所述激光扫描仪采集点的三维坐标。
15.优选地，所述步骤一包括采集数据以及对数据进行去噪处理。
16.本发明提供一种闭环拟合优化算法，过对原始的三维点数据进行处理，并将测量的点投影至参考平面上，通过圆弧拟合的方式仿真出旋转体轮廓，减少了数据的重复性，计算方便、快捷，且提高了计算的准确性。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，
还可以根据这些附图获得其他的附图。
18.图1为本发明的闭环拟合优化算法流程图。
具体实施方式
19.为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。
20.应注意到：相似的标号在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
21.需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
22.此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
23.在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
24.本实施提供一种闭环拟合优化算法，包括以下步骤：
25.步骤一：采集用于计算拟合的旋转体模型的三维点数据；
26.步骤二：将不同测量点测量的三维坐标转换至参考坐标系下；
27.步骤三：将旋转体模型的旋转中心轴与参考坐标系的任意一坐标轴平行；
28.步骤四：将三维点数据中的每个点投影至其余任意一坐标轴所在的平面上，获得每个点对应的投影坐标数据；
29.步骤五：基于每个点对应的投影坐标数据进行拟合，确定拟合后的旋转体模型的轮廓线；
30.步骤六：根据旋转体模型的旋转轴以及旋转体的轮廓线构建实体模型。
31.其中，步骤一包括采集数据以及对数据进行去噪处理。采集数据可以通过高精度的激光扫描仪采集，激光扫描仪与计算机连接，用于将采集到的数据传输至计算机，由计算机进行处理。其中，可以在旋转体模型上设置多个采集点，确定所述激光扫描仪采集点的三维坐标，并将该三维坐标作为参考坐标系。
32.由于激光扫描仪测量到的旋转体模型的三维点数据，通常有较多的噪声点，如果不去噪直接拟合旋转体模型参数，会导致较大的误差，因此，在进行旋转体拟合之前，需要先对初始三维点数据进行去噪处理，由此可以避免个别数据影响整体的拟合情况。
33.具体体地，对初始三维点数据进行去噪处理，包括：
34.确定初始三维点数据对应的旋转体的参考坐标系，并将多个点测量的三维坐标转移至该参考坐标系；
35.任意选一坐标轴，并将旋转体模型的旋转中心轴与该坐标轴平行；
36.将每个三维点投影至其余的坐标轴对应的平面，得到投影坐标数据；
37.将每个三维点对应的投影坐标数据进行圆形拟合，确定初始三维点的每个点的拟合中误差。
38.剔除初始三维点数据中拟合中误差大于预设阈值的噪点，并将处理后的初始三维点数据作为下一轮迭代处理的初始三维点数据，直至初始三维点数据中不存在拟合中误差大于预设阈值的噪点，将处理后的初始三维点数据作为三维点数据。
39.其中，步骤二中，可采用转站算法的方式把不同测量点测量的三维点数据转换至参考坐标系下。
40.其中，步骤三中，根据确定的旋转体模型的旋转中心轴，将旋转体模型的旋转中心轴向设为n＝(a，b，c)，将n单位化，利用公式dgree＝αcos(n.n1)计算n与三维坐标系中坐标轴之间的夹角值degree，其中αcos()为反三角余弦值。例如，计算n与三维坐标系中坐标轴z之间的夹角值，则n1＝(0，0，1)，符号
·
表示两个向量的数量积，所得结果为弧度值，可以通过弧度角度转换公式换算成度数值，根据度数值可以确定旋转体的旋转轴与三维坐标系坐标轴之间的关系。
41.具体地，可以通过转动旋转体模型的三维点数据，使旋转体模型的旋转中心轴与参考坐标系中的任意一坐标轴平行，此时将旋转体模型的三维点数据向垂直于其他坐标轴的任意一坐标轴所在的平面上进行投影，可得到旋转体的投影坐标数据。
42.具体地，投影平面的确定可以通过以下方式：投影平面ax+by+cz+d＝0，投影平面为通过旋转体旋转轴的一平面，其中，(a，b，c)为投影平面的法向，d为三维坐标原点到投影平面的距离；例如可以选择与坐标轴xoz面平行的一个平面作为投影平面，该投影平面垂直于y轴，这样在后续的计算处理中明显可以简化问题的复杂性，减少计算量。
43.确定旋转体模型的顶面圆心坐标p和旋转体的底面圆心坐标p1，另取投影平面上的一点p2，得出，(a，b，c)＝(p2-p1)
×
(p-p1)，d＝-(a，b，c)
·
p。
44.具体地，可以根据实际工程需要和三维点分辨率，我们人工手动设置以下参数：上面阈值、下面阈值、边长约束，获取点云数据z坐标的最大值和最小值，然后通过搜索获取在设定阈值范围内的数据，接下来用获取的数据拟合旋转体模型的轮廓线。
45.其中，对于旋转体模型的轮廓线方程的拟合可以采用线性拟合以及圆弧拟合的方式。具体地，对一任意曲线对任一曲线f(x),设其上若干型值点为(x0,y0),(x1,y1),
…
,(xn,yn):
46.1)线性拟合的方法为：每两点间用一直线f
i＊
(x)＝kix+bi代替f(x),则折线f
＊
(x)近似等于f(x)。
47.2)圆弧拟合的方法为：于每三点间用一圆弧f
i＊
(x)＝r
2-(x-a)
2-(y-b)2代替f(x),式中a,b与xi,xi+1,xi+2有关。则圆弧f
＊
(x)近似等于f(x)。
48.当然，也可以采用ransac拟合算法对读取到的点坐标数据进行拟合。具体地，由得到的坐标数据确定轮廓线的段数及每段的边缘点；随机从一段边缘点点集中抽出4个不共线样本数据，计算出变换矩阵h，记为模型m；计算该段边缘点点集中所有数据与模型m的误
差的均值，若误差小于阈值，加入内点集i；如果当前内点集i元素个数大于最优内点集i_best，则更新i_best＝i，同时更新迭代次数k；如果迭代次数大于k,则退出；否则迭代次数加1，并重复上述步骤，找出i_best最大时的最优模型即可。
49.本发明提供的一种闭环拟合优化算法，过对原始的三维点数据进行处理，并将测量的点投影至参考平面上，通过圆弧拟合的方式仿真出旋转体轮廓，减少了数据的重复性，计算方便、快捷，且提高了计算的准确性。
50.需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
51.本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，由于数字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均应视为本发明的保护范围。