CN100387065C - 三维彩色信息撷取方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维彩色信息撷取方法及其装置，该方法包含以下步骤： 分别利用一普通光源以及一样型光源针对一物体分别撷取贴图影像以及样型影像，且样型光源是利用超过3种颜色的色阶排列组合而成；通过贴图影像分析物体的颜色分布；通过边缘侦测计算样型光源的色带在样型影像中的位置；判断样型影像对应于样型光源的颜色；校正影像颜色对于所述的样型光源的颜色的影像，从而获得物体的表面几何信息；计算物体的三维数据；以及通过颜色分布、表面纹理以及三维资料获得物体的三维模型。同时，样型还加入分布位置以及颜色排列的限制，能在高分辨率的情况下，克服物体颜色干扰的问题，应用的物体材料的种类限制更少。

Description

三维彩色信息撷取方法及其装置

技术领域

本发明涉及三维彩色信息撷取方法及其装置，应用于高分辨率的立体模型取像，尤其是涉及一种利用超过三种色阶来编码样型，提高分辨率且维持一定可靠度的三维彩色信息撷取方法及其装置。

背景技术

一般而言，立体模型的三维取像有很多种方式，譬如可将立体模型置于一盒体内，利用激光扫瞄整体外型，再配合颜色的抓取，则可完成三维的取像；然而，这样的作法，不仅设备昂贵而且耗时，实用性并不大。另外还有一种较普遍的方式，也就是所谓的彩色结构光源，其作法为投射色带或色块组合样型(pattern)至物体上，再从影像上撷取出每一色带或色块的位置，与参考样型做比较，再利用三角测距法计算出物体深度信息。

然而，因为样型投射于物体上时，会因为物体表面形状、纹理、材料的因素，使得物体深度信息的取得变得相当困难，因此，以往为了稳定度的考虑，色带或色块的色阶数大约为3或4，因为如果色阶数太多的话，会导致样型投射至物体上，其颜色不易判断。但是如果色阶数太少，则无法编码出高密度及大范围的样型，会导致分辨率偏低。如何在分辨率以及稳定度之间取舍，则是一门有待解决的课题。

在已公开的WO 00/70303专利申请中，只用三种色阶(Red、Green、Blue)编码，而在US2002/0075456专利申请中，也只用四种色阶。因为色阶数少，所以色带编码长度会相当短，前者小于一百条，后者仅为64条，因应现今对于影像的要求来说，其分辨率较低。而为了因应这样的趋势，在WO 00/70303专利申请中，通过在样型中央产生一条白线(redundant样型)来增加编码长度，且每条色带需用黑色区域隔开。但是白线有可能会因为某些因素而消失，这时就无法正确译码。同时，对于色带易受物体本身干扰的问题，两专利申请都是用降低色阶数来解决，除了不能完全解决问题，也牺牲了分辨率，所能应用的材料更是少的可怜。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种三维彩色信息撷取方法及其装置，不仅可提高立体模型的分辨率，且可以克服样型投射至物体上所造成的色彩失真，提高系统可靠性，进而扩展可取像物体的种类。

本发明所揭露的一种三维彩色信息撷取方法，其特点在于，包含下列步骤：

分别利用一普通光源以及一样型光源针对一物体分别撷取一贴图影像以及一样型影像，且其中所述的样型光源是利用超过3种颜色的色阶排列组合而成；

通过所述贴图影像分析所述物体的颜色分布；

通过边缘侦测计算所述样型光源的色带在所述样型影像中的位置；

判断所述样型影像对应于所述样型光源的颜色；

校正所述样型影像的颜色，从而获得所述的物体的表面纹理；

计算所述物体的三维数据；以及

通过所述的颜色分布、表面纹理以及三维数据获得所述的物体的三维模型。

上述的三维彩色信息撷取方法，其特点在于，所述的通过边缘侦测计算所述的样型光源的色带在所述的样型影像中的位置的步骤，还包含有：

转换所述的样型影像的坐标；

低通滤波所述的样型影像的亮度；

梯度侦测所述的亮度并获取该亮度分布的波峰、波谷位置；以及

获取所述的样型光源的色带在所述的样型影像中的位置。

上述的三维彩色信息撷取方法，其特点在于，所述的转换该样型影像的坐标的步骤，主要是将所述的样型影像的颜色与亮度分离。

上述的三维彩色信息撷取方法，其特点在于，所述的校正所述的样型影像的颜色，而获得所述的物体的表面纹理的步骤中，其中校正的方式还包含有下列步骤：

分析所述的颜色误判的可能性；

校正所述的颜色；

修正所述的颜色排列的编码关系；及

获取正确的颜色排序。

上述的三维彩色信息撷取方法，其特点在于，所述的校正所述颜色的步骤，是通过所述样型光源的样型的分布位置以及颜色排列限制所决定。

本发明所揭露的一种三维彩色信息撷取装置，其特点在于，包含有：

一取像设备，用以对所述物体分别撷取一贴图影像以及一样型影像；

一激光定位器，可供定位所述物体与所述取像设备的相对距离；

一普通光源，用以提供所述取像设备撷取所述贴图影像所需的光源；

一样型光源，用以提供所述取像设备撷取所述样型影像所需的光源，且其中所述样型光源是利用超过3种颜色的色阶排列组合而成；以及

一切换模块，用以选择性地切换所述普通光源以及所述样型光源。

上述的三维彩色信息撷取装置，其特点在于，所述取像设备为一数字相机。

上述的三维彩色信息撷取装置，其特点在于，所述样型光源包含有一样型幻灯片以及一样型投影器，可通过所述样型投影器照射于该样型幻灯片，而输出样型光源。

上述的三维彩色信息撷取装置，其特点在于，所述普通光源为一闪光灯。

上述的三维彩色信息撷取装置，其特点在于，所述样型光源是利用三种以上颜色的色阶，配合颜色分布位置以及颜色排列限制加以组成。

上述的三维彩色信息撷取装置，其特点在于，所述样型光源是利用六种不同颜色的色阶所组成。

上述的三维彩色信息撷取装置，其特点在于，所述颜色分布位置的限制是所述样型光源的样型中，每一种颜色的组合仅出现一次。

上述的三维彩色信息撷取装置，其特点在于，所述颜色排列限制是定义相邻颜色的连接来限制。

本发明所揭露的一种三维彩色信息撷取方法，其特点在于，其是分别利用一普通光源以及一样型光源针对一物体分别撷取一贴图影像以及一样型影像，而通过所述贴图影像与所述样型影像来完成该物体的三维影像，且其中所述样型光源是利用超过3种颜色的色阶排列组合而成，其中所述样型光源的样型是利用下列步骤来产生：

供一初始编码单元；

产生接续的颜色并形成一新的编码单元；

确认所述新的编码单元符合规定；

根据误判的可能性将所述编码单元归类为所属的丛集；以及

依序完成所有的编码单元。

上述的三维彩色信息撷取方法，其特点在于，确认所述新的编码单元符合规定的步骤，是通过限制每种颜色的接续颜色来规范。

上述的三维彩色信息撷取方法，其特点在于，根据误判的可能性将所述编码单元归类为所属的丛集的步骤，还包含有判断同一丛集内的编码单元是相隔一预定的距离。

上述的三维彩色信息撷取方法，其特点在于，所述样型是利用六种颜色所构成。

根据本发明所揭露的三维彩色信息撷取方法及其装置，其方法主要利用普通光源以及样型(pattern)光源针对物体分别撷取贴图影像以及样型影像，且其中样型光源是利用超过3种颜色的色阶排列组合而成，其中通过贴图影像分析物体的颜色分布，而通过边缘侦测计算样型光源的色带在样型影像中的位置，并判断样型影像对应于样型光源的颜色并校正影像颜色对于样型光源的颜色的影像，而获得物体的表面几何信息，最后计算物体的三维资料，从而获得物体的三维模型。

根据本发明所揭露的三维彩色信息撷取方法及其装置，其装置主要是在一般取像设备上增加有样型光源，其可提供上述的利用超过3种颜色的色阶排列组合而成的样型，因为样型除了利用超过三种颜色的色阶来提高分辨率外，还利用颜色分布位置以及颜色排列限制加以组成，提高分析的可靠度。

以下结合实施例和附图进行详细描述，但不作为对本实用新型的限定。

附图说明

图1为本发明的装置示意图；

图2为本发明样型的编码方式的步骤流程示意图；

图3为本发明从影像中获取三维信息的步骤流程示意图；

图4为本发明边缘侦测的步骤流程示意图；

图5为本发明样型影像转换坐标的示意图；

图6为本发明计算波谷的示意图；

图7为本发明校正样型影像颜色的步骤流程示意图；

图8为本发明丛集的组合示意图；

图9为样型的位置分布示意图；

图10为判断颜色的算法；及

图11为编码位置关系的示意图。

具体实施方式

本发明揭露了一种三维彩色信息撷取方法及其装置，首先，请参阅图1，主要是在取像设备102上增加至少一个激光定位器101，用来判断所欲撷取影像的物体的距离。可调整二个激光点，使其重合于距离取像设备102的镜头Lmm处，L值若较小，其取像范围较小，L值若较大，其取像范围较大。取像设备102可为数字相机或是彩色CCD相机，机顶闪光灯103在第一次取像时会闪普通光源(白光)106，同时通过切换模块104切换至另一个样型光源，供第二次取像用，其可包含有样型投影器105(可为闪光灯)与样型幻灯片107，借以投射出样型光源至物体上。

而关于本发明的样型(pattern)的编码方式，样型是由超过三种色阶颜色所组成，以本发明的最佳实施例而言，是由六种颜色组成，分别为R(255，0，0)、G(0，255，0)、B(0，0，255)、C(0，255，255)、M(255，0，255)、Y(255，255，0)(分别为红色red、绿色green、蓝色blue、青绿色cyan、洋红色magenta、黄色yellow)。采用六种颜色的原因是为了提高分辨率，但为了确保分析的可靠度，故必须加入数种限制。首先，为了使边缘侦测更加准确，我们限制每一种颜色的排列规则，请参阅表1，例如R之后只能接G、B、C，G后面只能接R、B、M等等。

如果要利用这些色阶编出N条色带的样型，N值通常为384或512，最长可为800条。且为了易于分类，可将色带定义为多个编码单元，以本发明最佳实施例而言，每一编码单元包含六条相邻颜色，而依序向下位移至下一个色彩就会产生一个新的编码单元，以此类推，总共产生N-5个基本编码单元。每一基本编码单元只能出现一次。这样一来每一个色带都能由判断属于哪一基本编码单元而得知其位置。

表1

表2

颜色判定演算法判定的颜色	R	G	B	C	M	Y
							若判断错误可能的颜色	R	G	B	B、C	B、M	G、C、Y
可能性数目	1	1	1	2	2	3

在图2中，样型产生的流程如下：步骤201：首先人工选定初始编码单元。步骤202：接下来加入新的颜色。步骤203：选定颜色之后，检查是否合法；主要考虑如表1所述。如果是，则进行步骤204：产生一组新的基本编码单元；如果否，则进行步骤210：更换新的颜色。产生新的基本编码单元的同时进行步骤205：检查是否为出现过的编码单元。如果是，则需进行步骤210：重新选择新的颜色；如果否，则需进行步骤206：判断编码单元是否属于现有的某一丛集。关于丛集的定义，请参阅表2并同时配合图8，颜色在进行判定时，会因为算法的关系而有所误判(算法请参见图10)，因此，将可能误判为相同色带的编码单元全部定义为一个丛集(culster)，每一丛集中，每一编码单元都有可能误判成另一种组合。但在不同丛集间的色带组合(编码单元)不可能误判成另一丛集的色带组合。因此，仅需在同一丛集中限制其位置距离，如此一来，每一色带组合落在影像中特定范围就不会重叠，就可以利用色带组合在影像中位置来决定只留下至多一组正确的组合。

因此，若判断属于现有的丛集，则进行步骤208：将其归入这一丛集内。并且进行步骤209：检查是否和此丛集中其它基本编码单元的距离都大于预定距离。如果否，需进行步骤210：重新选定新的颜色。若无法归入现有的所有丛集，则需进行步骤207：自行产生一新的丛集。以此类推，进行步骤211：若新的颜色还没有都用完，则继续加入新的颜色，直到无法找到合法颜色为止。如此，则可完成具有高分辨率且有规则的样型。

而从影像中获取三维信息的方式请参阅图3，其获取步骤如下：步骤301：分别利用普通光源以及样型光源分别撷取贴图影像以及样型影像。步骤302：利用普通光源所得的贴图影像来分析物体的颜色分布。步骤303：再利用样型光源所得到的样型影像通过边缘侦测计算来求取其位置。求取的方式如图4所示，其求取的步骤如下：步骤401：将样型影像转化为另一坐标。譬如将原本为RGB数值转换至YIQ空间，使颜色与亮度值分离。步骤402：为了减轻噪声对于影像边缘侦测的影响，影像需经过一低通滤波(Low-pass Filter)。对每一条扫描线而言，Y(x)、I(x)、Q(x)分别为坐标x的YIQ值。经过低通滤波其值为Y_L(x)＝L(x)*Y(x)，I_L(x)＝L(x)*I(x)，Q_L(x)＝L(x)*Q(x)(*为卷积积分convolution)，其中L(x)＝[1，2，3，2，1]。步骤403：接着再通过梯度侦测，得到Y_GL(x)＝G(x)*Y_L(x)，I_GL(x)＝G(x)*I_L(x)，Q_GL(x)＝G(x)*Q_L(x)其中G(x)＝[-2，-1，0，1，2]。最后得到E(x)＝abs(Y_GL(x))+abs(I_GL(x))+abs(Q_GL(x))，并将E(x)作标准化(normalize)至[0，1]，可得图5的结果，其中波峰505为边界线的所在，波谷506为中心线所在。

另外也可以做到子象素(sub-pixel)精度，假设有二个波谷508、509，之间有一个波峰510，如果没有作子象素(sub-pixel)，510为整数边缘(edge)所在。步骤404：我们可以用下列公式：

$E={\∫}_{508}^{509}x\·f\left(x\right)\mathrm{dx}/{\∫}_{508}^{509}f\left(x\right)\mathrm{dx}$

求得其子象素(sub-pixel)的重心位置511，取得样型影像中色带的正确位置。

接着进行步骤304：判断样型影像的颜色。可利用如图10中所示的算法，首先针对样型影像上每一像素，将其归类至6种颜色之一，首先找出rgb值(其颜色值为0~255)的最小值，如果是g，则g值指定为0。然后找出rb值的较大值，如果是r，则r值指定为255。最后衡量b/r值，如果大于临界值Th(临界值Th依实验结果，订为0.7)，则b值指定为255，反之则指定为0。其它也可依据类似规则判定颜色。

接下来进行步骤305：需要先校正影像的颜色。因为当样型投射至具有特殊材料物体(例如人脸、上釉的瓷器等)时，样型的颜色会产生很大的变化，此时样型颜色误判的机率会增加许多。为了解决这个问题，我们定义出上述样型的规则，并配合校正的步骤，请参阅图7，加以校正颜色以及位置。其校正步骤如下：步骤701：首先判断颜色误判的可能性。步骤702：主要是参照前述的表2以及丛集的规定来校正颜色。例如判断为Y，也可能是G或C。假设一次考虑六条相邻色带，例如CMYBYB，也可能是BMYBYB或是CBYBYB等等36种可能的组合，但只有一种是正确的，这时就要进入下一步骤来减少可能的组合的数目。首先，因为样型的编码是经过特殊设计，故每一条色带投射至物体上时，只会出现在影像中特定的范围。如附件一所示，例如有一条色带位于样型中央0.5处，它只会出现在影像中0.38~0.43的范围内。如此辅助判断就可以找出正确的颜色。

接着进行步骤703：进行编码关系的修正。请参阅图11，每一条色带都有其编号，例如色带29~50。通过步骤701、702可找出大部分色带的正确编号，但是还有遗漏的可能，物体上色带31及32因为找不到对应关系所以不见了，但是在色带30和33之间我们知道有二条色带遗失，所以我们可以确定这二条就是31和32。另外色带36~40也不见了，因为找错了，所以变成29~33。但我们知道色带编号是递增的，所以29~33不可能在35之后出现，而且35和41间刚好有5条色带，所以可以确定是36~40。经过以上修正，可以确保所有色带都正确定位。如此即可进行步骤704：取得正确的颜色排序。

最后进行步骤306：计算物体表面的三维资料。步骤307：综合上述信息，即可获得此物体的立体三维模型。

上述仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；凡依本发明申请专利范围所作的类似变化与修饰，都应属于本发明所附的权力要求的保护范围。

Claims (17)

1.一种三维彩色信息撷取方法，其特征在于，包含下列步骤：

分别利用一普通光源以及一样型光源针对一物体分别撷取一贴图影像以及一样型影像，且其中所述的样型光源是利用超过3种颜色的色阶排列组合而成；

通过所述贴图影像分析所述物体的颜色分布；

通过边缘侦测计算所述样型光源的色带在所述样型影像中的位置；

判断所述样型影像对应于所述样型光源的颜色；

校正所述样型影像的颜色，从而获得所述的物体的表面纹理；

计算所述物体的三维数据；以及

通过所述的颜色分布、表面纹理以及三维数据获得所述的物体的三维模型。

2.根据权利要求1所述的三维彩色信息撷取方法，其特征在于，所述的通过边缘侦测计算所述的样型光源的色带在所述的样型影像中的位置的步骤，还包含有：

转换所述的样型影像的坐标；

低通滤波所述的样型影像的亮度；

梯度侦测所述的亮度并获取该亮度分布的波峰、波谷位置；以及

获取所述的样型光源的色带在所述的样型影像中的位置。

3.根据权利要求2所述的三维彩色信息撷取方法，其特征在于，所述的转换该样型影像的坐标的步骤，主要是将所述的样型影像的颜色与亮度分离。

4.根据权利要求1所述的三维彩色信息撷取方法，其特征在于，所述的校正所述的样型影像的颜色，而获得所述的物体的表面纹理的步骤中，其中校正的方式还包含有下列步骤：

分析所述的颜色误判的可能性；

校正所述的颜色；

修正所述的颜色排列的编码关系；及

获取正确的颜色排序。

5.根据权利要求4所述的三维彩色信息撷取方法，其特征在于，所述的校正所述颜色的步骤，是通过所述样型光源的样型的分布位置以及颜色排列限制所决定。

6.一种三维彩色信息撷取装置，其特征在于，包含有：

一取像设备，用以对所述物体分别撷取一贴图影像以及一样型影像；

一激光定位器，可供定位所述物体与所述取像设备的相对距离；

一普通光源，用以提供所述取像设备撷取所述贴图影像所需的光源；

一样型光源，用以提供所述取像设备撷取所述样型影像所需的光源，且其中所述样型光源是利用超过3种颜色的色阶排列组合而成；以及

一切换模块，用以选择性地切换所述普通光源以及所述样型光源。

7.根据权利要求6所述的三维彩色信息撷取装置，其特征在于，所述取像设备为一数字相机。

8.根据权利要求6所述的三维彩色信息撷取装置，其特征在于，所述样型光源包含有一样型幻灯片以及一样型投影器，可通过所述样型投影器照射于该样型幻灯片，而输出样型光源。

9.根据权利要求6所述的三维彩色信息撷取装置，其特征在于，所述普通光源为一闪光灯。

10.根据权利要求6所述的三维彩色信息撷取装置，其特征在于，所述样型光源是利用三种以上颜色的色阶，配合颜色分布位置以及颜色排列限制加以组成。

11.根据权利要求10所述的三维彩色信息撷取装置，其特征在于，所述样型光源是利用六种不同颜色的色阶所组成。

12.根据权利要求10所述的三维彩色信息撷取装置，其特征在于，所述颜色分布位置的限制是所述样型光源的样型中，每一种颜色的组合仅出现一次。

13.根据权利要求10所述的三维彩色信息撷取装置，其特征在于，所述颜色排列限制是定义相邻颜色的连接来限制。

14.一种三维彩色信息撷取方法，其特征在于，其是分别利用一普通光源以及一样型光源针对一物体分别撷取一贴图影像以及一样型影像，而通过所述贴图影像与所述样型影像来完成该物体的三维影像，且其中所述样型光源是利用超过3种颜色的色阶排列组合而成，其中所述样型光源的样型是利用下列步骤来产生：

提供一初始编码单元；

产生接续的颜色并形成一新的编码单元；

确认所述新的编码单元符合规定；

根据误判的可能性将所述编码单元归类为所属的丛集；以及

依序完成所有的编码单元。

15.根据权利要求14所述的三维彩色信息撷取方法，其特征在于，确认所述新的编码单元符合规定的步骤，是通过限制每种颜色的接续颜色来规范。

16.根据权利要求14所述的三维彩色信息撷取方法，其特征在于，根据误判的可能性将所述编码单元归类为所属的丛集的步骤，还包含有判断同一丛集内的编码单元是相隔一预定的距离。

17.根据权利要求14所述的三维彩色信息撷取方法，其特征在于，所述样型是利用六种颜色所构成。

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