CN102445179A - 测距方法、测距系统与其处理方法 - Google Patents

Abstract

一种测距方法，包括投射具有一斑点图样的面光源到一或多个参考平面和一待测物上，以使参考表面和待测物朝向该面光源的表面上呈现斑点图样的影像，而此斑点图样具有多个斑点。接着，撷取每一参考平面上的斑点图样的影像，以获得多个参考影像信息，并且撷取待测物上的斑点图样的影像，以获得一待测影物像信息。借此，本发明会将这些参考影像信息与待测物影像信息进行比对，而获得多个比对结果。此时，将这些比对结果进行一内插法运算，以计算出待测物的位置。

Description

测距方法、测距系统与其处理方法

技术领域

本发明是有关于一种测距技术，且特别是有关于一种可对一待测物进行非接触的的三维的测距技术。

背景技术

目前的测距仪器可以分为接触式和非接触式。其中，所谓的接触式测距仪器，也就是传统的测距技术，例如坐标测量机(CoordinateMeasuring Machine，简称CMM)。虽然接触式测量技术相当精确，但是由于必须接触待测物的本体，有可能会导致待测物遭到测距仪器的探针的破坏。因此，接触式测距装置不适用于高价值物件的测量。

相较于传统的接触式测距仪器，非接触测距仪器由于运作频率高达数百万，因此被使用的领域相当广泛。非接触测距技术又分为主动式与被动式。所谓的主动式非接触测距技术，就是将一能量波投射至待测物，再借助能量波反射来计算待测物与一参考点之间的距离。常见的能量波包括一般的可见光、高能光束、超音波与X射线。

发明内容

本发明提供一种测距方法和一种测距系统，可以对一待测物进行非接触的三维测距。

另外，本发明也提供一种处理方法，可以处理测距系统中的资料，并且更精确地计算一待测物的位置。

本发明提供一种测距系统，包括一光源模组、一影像撷取装置和一处理模组。光源模组会向在多个位置点上的参考平面和一待测物投射具有一斑点图样的面光源，使得在每一位置点的参考平面和待测物朝向光源模组的表面都会呈现斑点图样的影像，而此斑点图样具有多个斑点。此时，影像撷取装置会撷取各位置点上的参考平面上所呈现的斑点图样的影像，而产生多个参考影像信息。另外，影像撷取装置也会撷取待测物上所呈现的斑点图样的影像，而产生一待测影像信息。而这些参考影像信息和待测影像信息会送至处理模组，使得处理模组会将这些参考影像信息和待测影像信息进行比对，而获得多个比对结果。借此，处理模组就可以将这些比对结果进行内插法运算，以计算出待测物的位置。

从另一观点来看，本发明还提供一种测距方法，包括投射具有一斑点图样的面光源到在多个位置点上的参考平面和一待测物上，以使在这些位置点上的参考表面和待测物朝向面光源的表面上呈现斑点图样的影像，而此斑点图样具有多个斑点。接着，撷取每一位置点的参考平面上的斑点图样的影像，以获得多个参考影像信息，并且撷取待测物上的斑点图样的影像，以获得一待测影物像信息。借此，本发明会将这些参考影像信息与待测物影像信息进行比对，而获得多个比对结果。此时，将这些比对结果进行一内插法运算，以计算出待测物的位置。

从另一观点来看，本发明更提供一种处理方法，包括接收多个参考影像信息，是由在多个位置点上的参考平面反射一面光源所投射的斑点图样而呈现的影像，而此斑点图样具有多个斑点。另外，接收一待测影像信息，其是一待测物朝向面光源的表面上所呈现斑点图样的影像。接着，将此待测物影像信息与每一参考影像信息进行比对，而获得多个比对结果。此时，本发明可以将这些比对结果进行内插法运算，以计算出待测物的位置。

由于本发明是依据投射在参考平面和待测物上的斑点图样的影像来进行测距，因此可以实现非接触的三维测距技术。另外，本发明会将待测物影像信息与参考影像信息进行比对，而获得多个比对结果，并且将这些比对结果进行内插法运算。借此，就可以更精确地测量待测物的位置。

为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。

附图说明

图1绘示为依照本发明第一实施例的一种测距系统的示意图。

图2A-2D是绘示与一参考点相距70、75、80和85公分的参考平面上所呈现的斑点图样的影像。

图3绘示为依照本发明的一较佳实施例的一种在待测物的一表面上所呈现的斑点图样影像的示意图。

图4绘示为依照本发明第二实施例的一种测距系统的示意图。

图5绘示为依照本发明第三实施例的一种测距系统的示意图。

图6绘示为依照本发明第一实施例的一种测距方法的步骤流程图。

图7绘示为依照本发明第二实施例的一种测距方法的步骤流程图。

【主要元件符号说明】

100、400、500：测距系统

102：光源模组

104：影像撷取装置

122、124、126：参考平面

132：待测物

302、304：待测物的一表面

402：透镜

404：分光元件

AX-AX’：光轴

IMG_OB：待测物影像信息

IMG_r[1:n]、IMG_r[k-1]、IMG_r[k]、IMG_r[k+1]：参考影像信息

O：参考点

S602、S604、S606、S608、S610、S612、S702、S704、S706、S708、S710、S712：测距方法的步骤流程

具体实施方式

图1绘示为依照本发明第一实施例的一种测距系统的示意图。请参照图1，本实施例所提供的测距系统100，包括光源模组102、影像撷取装置104和处理模组106。光源模组102可以提供一面光源，并且向一检测范围投射一斑点图样。另外，影像撷取装置104可以耦接处理模组106。

在本实施例中，光源模组102包括激光光源112和扩散元件114。其中，激光光源112可以是气体激光，例如是氦氖激光，亦或是半导体激光。另外，扩散元件114可以是扩散片、毛玻璃或其它的绕射元件。当激光光源112所发出的激光光束116打在扩散元件114上时，会在扩散元件114中产生绕射和干射，而产生一面光源。

请继续参照图1，在本实施例中，光源模组102可以将斑点图样投射在至少一参考平面上。在本实施例中，光源模组102会将斑点图样投射在参考平面122、124和126上，而这些参考平面122、124和126分别位于不同的位置点。在一些实施例中，这些参考平面在一可视范围内彼此会互相平行。而在一些选择实施例中，每一参考平面所在的位置点与下一参考平面所在的位置点之间的距离都是相同的，只是，本发明并不以此为限。另外，在本实施例中，参考平面122、124和126大致上可以垂直激光光束116，也就是光源模组102所产生的面光源的光轴AX-AX’。

当斑点图样被投射到这些参考平面上时，每一参考平面就会反射面光源而呈现斑点图样的影像，就如图2所示。图2A-2D是绘示与一参考点相距70、75、80和85公分的参考平面上所呈现的斑点图样的影像。从图2中可以看出，斑点图样的影像具有多个斑点。此时，影像撷取装置104就会撷取在每一参考平面122、124和126上所呈现的斑点图样的影像，并且产生多个参考影像信息IMG_r[1:n]给处理模组106，其中n为大于1正整数。在本实施例中，影像撷取装置104可以是摄影机或是电荷耦合元件。另外，处理模组106可以是一电脑系统或是一处理方法，可以用来解析一待测物的位置，详细的原理在以下各段中将有说明。

在一些实施例中，影像撷取装置104的位置是放置在参考点O上，并放置在光轴AX-AX’的一侧。从图2A-2D中可以得知，每一斑点在不同参考平面上的位置会不一样。为了能够确认每一斑点的位置，本实施例是利用各斑点在不同参考平面上的亮度当作参考。也就是说，当斑点愈靠近光轴AX-AX’，则亮度愈亮。相对地，当斑点的位置随着不同的参考平面而渐渐远离光轴AX-AX’时，则亮度也会随的降低。借助测量每一参考平面上各斑点的亮度，就可以获得各斑点在不同参考平面上的位置。

由于环境光会对斑点的亮度造成影响，而使处理模组106造成误判。因此，在一些实施例中，处理模组106可以先将所有斑点的亮度进行正规化运算，以去除环境亮度的影响。而在另外一些实施例中，处理模组106也可以先计算每一斑点与周围斑点的亮度关系，而建立各斑点的亮度信息。接着，利用各斑点的亮度信息来取代亮度值进行运算，同样也可以去除环境亮度的影响。

请回头参照图1，当一待测物132进入检测范围中时，其朝向面光源的表面上会反射面光源，而呈现斑点图样的影像，如图3所示。图3绘示为依照本发明的一较佳实施例的一种在待测物的一表面上所呈现的斑点图样影像的示意图。在图3中，区域302和304中的影像，即是待测物126朝向面光源的表面上所呈现的斑点图样的影像。此时，影像撷取装置104会撷取待测物132上所呈现的斑点图样的影像，并且产生一待测物影像信息IMG_OB给处理模组106。

当处理模组106收到待测物影像信息IMG_OB后，会将其与的前所获得的参考影像信息IMG_r[1:n]比对，并且获得多个相似度值，当作多个比对结果。此时，处理模组106会从所获得的相似度值中取最高的M个来进行运算，其中M为大于等于2的正整数。在本实施例中，处理模组106是从所获得的相似度值中取三个最高值当作候选值，并且计算出这三个候选值的比例。接着，处理模组106可以依据这三个候选值的比例，来进行内插法运算。在一些选择实施例中，内插法运算式可以如下所示：

$P=p1+(p2-p1)\frac{\mathrm{Max}[x,y,z]}{x+y+z}---\left(1\right)$

其中，P是待测物132与参考点O之间的距离；p1和p2分别是三个候选值对应的参考平面与参考点O之间的最短距离和最远距离；而x、y和z则是三个候选值的比例值。

以一个实际的例子来作说明。当处理模组106判断待测物影像信息IMG_OB是分别与75、80和85公分所对应的参考影像信息IMG_r[k-1]、IMG_r[k]和IMG_r[k+1]相比，具有最高的相似度值。其中，k是大于1，而小于n的整数。当待测物影像信息IMG_OB与参考影像信息IMG_r[k-1]、IMG_r[k]和IMG_r[k+1]这三个候选值的比例为2∶8∶5时，则可获得以下信息：

p1＝75；

p2＝85；以及

x＝2、y＝8、z＝5，

此时，将以上的值代入第(1)式进行运算，可以获得P值大约为80.33。

换句话说，待测物132与参考点O之间的距离大约是80.33公分。

虽然在以上提出了第(1)式来进行内插法运算，只是本发明并不以此为限。本领域具有通常知识者当知，将任何不同于第(1)式的内插法运算应用于本发明，并不影响本发明的精神。例如，由于第(1)式仅适合线性运算。因此，在其它的实施例中，可以将第(1)式中的x、y和z值进行相同的运算，例如取平方运算或是对数运算后，在进行内插法运算，本发明都不加限制。

请继续参照图1，在另外一些实施例中，当处理模组106获得参考影像信息IMG_r[1:n]时，会依据每一斑点在各参考平面上的位置的变动量，而计算出各斑点的位移向量。例如，处理单元106可以依据各斑点在每一参考平面与下一参考平面上的位置的变化，而计算各斑点的位移向量。由于各斑点在每一参考平面上的位置的变化量可能是非线性变化，因此依据每一参考平面与下一参考平面所计算出来各班点的位移向量可能不一样。

接着，当处理模组106接收到待测物影像信息IMG_OB时，可以将此待测物影像信息IMG_OB与参考影像其中之一进行比对，再依据每一斑点的位移向量进行运算，而获得待测物的估测位置。由于各斑点可能具有多个位移向量，因此处理模组106就会获得多个估测位置，以当作上述的比对结果。此时，处理模组106在将这些估测位置进行内插法运算，就可以计算出待测物132的位置。此实施例的优点在于，当计算出各斑点的位移向量后，处理模组106只需要储存参考影像信息IMG_r[1:n]其中之一即可，因此可以节省储存空间，并降低运算的复杂度。

图4绘示为依照本发明第二实施例的一种测距系统的示意图。请参照图4，在第一实施例中，影像撷取装置104是放置光轴AX-AX’的一侧的位置，并且介于激光光源112和第一平面122之间的位置。然而本实施例所提供的测距系统400中，影像撷取装置104的镜头中心，则是对准光轴AX-AX’。另外，在本实施例中，激光光源112和扩散元件114之间，会配置一透镜402。当激光光束116通过透镜402时会被扩散，然后再到达扩散元件114。而在扩散元件114和参考平面122之间，则会配置一分光元件404。因此，被参考平面122、124、126和待测物132反射的光线的部分，会被分光元件404送到影像撷取装置104。借此，影样撷取装置104的镜头中心就可以对准光轴AX-AX’。

图5绘示为依照本发明第三实施例的一种测距系统的示意图。请参照图5，在本实施例所提供测距系统500中，影像撷取装置104可以被放置在与激光光源112相对应的位置。而其余的装置，在以上的各段中都有对应的阐述，因此不再赘述。

图6绘示为依照本发明第一实施例的一种测距方法的步骤流程图。请参照图6，在本实施例中，可以先如步骤S602所述，投射具有斑点图样的面光源到多个参考平面和一待测物上。接着，撷取每一参考平面上的斑点图样的影像，以获得多个参考影像信息，就如步骤S604所述。另一方面，如步骤S606所述，从待测物上撷取其朝向面光源的表面上斑点图样的影像，而获得一待测物影像信息。

此时，本实施例可以进行步骤S608，就是将待测物影像信息与每一参考影像信息比对，而获得多个相似度值当作比对结果。接着，如步骤S610所述，找出相似度值中最高的至少二者，以进行步骤S612，就是依据找出来的最高相似度值间的比例进行内插法运算，以计算出待测物的位置。

图7绘示为依照本发明第二实施例的一种测距方法的步骤流程图。请参照图7，在本实施例中，步骤S702和步骤S704，与第一实施例中的步骤S602和步骤S604相同。不同的是，在本实施例中，当进行完步骤S704后，会如步骤S706所述，将每一参考影像信息彼此进行比对，以获得每一斑点的多个位移向量。此外，本实施例也会进行步骤S708，就是撷取待测物朝向面光源的表面上的斑点图样的影像，而获得一待测物影像信息。接着，将待测物影像信息与参考影像信息其中之一比对，并且依据各斑点的位移向量，而计算出待测物的多个估测位置当作比对结果，就如步骤S710所述。借此，就可以进行步骤S712，就是将这些估测位置进行内插法运算，以计算出待测物的位置。

综上所述，本发明可以在获得待测物影像信息与参考影像信息的比对结果时，将这些比对结果进行内插法运算。借此，本发明可以更精确地计算出待测物的位置。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (15)

1.一种测距系统，其特征在于，其包括：

一个光源模组，向在多个位置点上的参考平面和一个待测物投射具有一斑点图样的面光源，使得每一该些位置点上的参考平面和该待测物朝向该光源模组的表面呈现该斑点图样的影像，其中该斑点图样具有多个斑点；

一个影像撷取装置，撷取各该位置点的参考平面上所呈现的斑点图样的影像，而产生多个参考影像信息，并撷取该待测物上所呈现的斑点图样的影像，而产生一个待测影像信息；以及

一个处理模组，耦接该影像撷取装置，以将该些参考影像信息和该待测影像信息进行比对，而获得多个比对结果，且该处理模组更将该些比对结果进行内插法的运算，以计算出该待测物的位置。

2.根据权利要求1所述的测距系统，其特征在于该光源模组包括：

激光光源，发射激光光束；以及

一个扩散元件，放置在该激光光束行进的路径上，以接受该激光光束，且该激光光束在该扩散元件中会发生干涉现象和绕射现象，而产生该面光源。

3.根据权利要求1所述的测距系统，其中每一个该些位置点与下一个位置点的距离皆相同。

4.一种测距方法，其特征在于，其包括下列步骤：

投射具有斑点图样的面光源到多个位置点上的参考平面和一个待测物上，以使该些位置点上的参考表面和该待测物朝向该面光源的表面上呈现该斑点图样的影像，而该斑点图样具有多个斑点；

撷取每一个该些位置点上的参考平面上的斑点图样的影像，以获得多个参考影像信息；

撷取该待测物上的斑点图样的影像，以获得待测影物像信息；

比较该些参考影像信息和该待测影像信息而获得多个比对结果；以及

将该些比对结果进行内插法运算，而计算出该待测物的位置。

5.根据权利要求4所述的测距方法，其特征在于，获得该些比对结果的步骤，包括将该待测影像信息分别与该些参考影像信息进行比对，而获得多个相似度值，当作该些比对结果。

6.根据权利要求5所述的测距方法，其特征在于，进行该内插法运算的步骤包括下列步骤：

找出该些相似度值中最高的至少两个；以及

将该些最高的相似度值之间的比例进行该内插法运算，而计算出该待测物的位置。

7.根据权利要求4所述的测距方法，其中获得该些比对结果的步骤包括下列步骤：

比较每一该些斑点分别在各该位置点的参考平面上的位置，而获各该斑点的多个位移向量；以及

将该待测物影像信息分别与该些参考影像信息比对，以依据每一个该些斑点的位移向量，而计算出该待测物的多个估测位置，并将该些估测位置当作该些比对结果。

8.根据权利要求4所述的测距方法，其特征在于，更包括下列步骤：

将该些斑点的亮度进行正规化的处理，以去除环境亮度的影响；

依据每一个该些斑点在不同位置点的参考平面上的亮度，而计算出各斑点在该些参考影像信息中的位置；以及

将在该待测物影像信息中每一个该些斑点的位置，与该些参考影像信息中各斑点的位置进行比对，而获得该些比对结果。

9.根据权利要求4所述的测距方法，更包括下列步骤：

比对每一个该些斑点与周围斑点的亮度关系，而建立各斑点的亮度信息；

依据该些亮度信息，而计算出各斑点在该些参考影像信息中的位置；以及

将在该待测物影像信息中每一该些斑点的位置，与该些参考影像信息中各斑点的位置进行比对，而获得该些比对结果。

10.一种处理方法，应用在测距系统中解析待测物的位置，其特征在于，该处理方法包括执行下列步骤：

接收多个参考影像信息，是由在多个位置点上的参考平面反射一个面光源所投射的斑点图样而呈现的影像，而该斑点图样具有多个斑点；

接收一个待测影像信息，是一个待测物朝向该面光源的表面上所呈现该斑点图样的影像；

比较该待测物影像信息和该些参考影像信息，而获得多个比对结果；以及

将该些比对结果进行内插法运算，而计算出该待测物的位置。

11.根据权利要求10所述的处理方法，其特征在于，获得该些比对结果的步骤，包括将该待测影像信息分别与该些参考影像信息进行比对，而获得多个相似度值，以当作该些计算结果。

12.根据权利要求11所述的处理方法，其特征在于，进行该内插法运算的步骤，包括下列步骤：

找出该些相似度值中最高的至少二个；以及

将该些最高的相似度值之间的比例进行该内插法运算，而计算出该待测物的位置。

13.根据权利要求10所述的处理方法，其特征在于，获得该些比对结果的步骤包括下列步骤：

比较每一个该些斑点分别在各该位置点的参考平面上的位置，而获得各斑点的多个位移向量；以及

将该待测物影像信息分别与该些参考影像信息比对，以依据每一个该些斑点的位移向量，而计算出该待测物的多个估测位置，并将该些估测位置当作该些比对结果。

14.根据权利要求10所述的处理方法，其特征在于，更包括执行下列步骤：

将该些斑点的亮度进行正规化的处理，以去除环境亮度的影响；

依据每一个该些斑点在不同位置点上的参考平面上的亮度，而计算出各斑点在该些参考影像信息中的位置；以及

将在该待测物影像信息中每一个该些斑点的位置，与该些参考影像信息中各斑点的位置进行比对，而获得该些比对结果。

15.根据权利要求10所述的处理方法，其特征在于，更包括执行下列步骤：

比对每一个该些斑点与周围斑点的亮度关系，而建立各斑点的亮度信息；

依据该些亮度信息，而计算出各斑点在该些参考影像信息中的位置；以及

将在该待测物影像信息中每一个该些斑点的位置，与该些参考影像信息中各斑点的位置进行比对，而获得该些比对结果。

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