CN102445181A - 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多个参考平面上，以使每一参考表面上分别呈现斑点图样的影像，而此斑点图样具有多个斑点。因此，本发明可以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资讯。当一待测物出现在面光源所涵盖的范围中时，撷取待测物朝向面光源的表面上所呈现的斑点图样的影像，以获得一待测影物像资讯。接着，从参考影像资讯和待测物影像资讯中计算每一斑点与相邻斑点之间的亮度关系，而获得各斑点的相对亮度资讯，然后再依据这些相对亮度资讯而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三维的测距技术。

背景技术

目前的测距仪器可以分为接触是和非接触式。其中，所谓的接触式测距仪器，也就是传统的测距技术，例如座标测量机(Coordinate MeasuringMachine，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

因此，本发明提供一种测距系统和测距方法，可以利用非接触的方式来测量一待测物的位置。

另外，本发明还提供一种处理方法，可以用来处理一测距系统内的资讯，而解析出一待测物的位置。

本发明提供一种测距系统，包括一个以上的参考平面、一光源模组、一影像撷取装置和一处理模组。光源模组会向参考平面和一待测物投射具有一斑点图样的面光源，使得参考平面和待测物朝向光源模组的表面上呈现斑点图样的影像，其中斑点图样具有多个斑点。因此，影像撷取装置就可以撷取参考平面上所呈现的斑点图样的影像，而产生至少一参考影像资讯，并且撷取待测物上所呈现的斑点图样的影像，而产生一待测物影像资讯。接着，处理模组会计算参考影像资讯和待测物影像资讯中各斑点与相邻斑点之间的亮度关系，而获得每一斑点的相对亮度资讯。借此，处理模组就能依据这些相对亮度资讯而计算出待测物的位置。

从另一观点来看，本发明提供一种测距方法，包括投射具有一斑点图样的面光源到一个以上的参考平面上，以使参考表面上分别呈现斑点图样的影像，而此斑点图样具有多个斑点。因此，本发明可以撷取参考平面上的斑点图样的影像，以获得至少一参考影像资讯。当一待测物出现在面光源所涵盖的范围中时，撷取待测物朝向面光源的表面上所呈现的斑点图样的影像，以获得一待测影物像资讯。接着，从参考影像资讯和待测物影像资讯中计算每一斑点与相邻斑点的间的亮度关系，而获得各斑点的相对亮度资讯，然后再依据这些相对亮度资讯而计算出待测物的位置。

在本发明的一实施例中，计算每一斑点的相对亮度资讯的步骤，包括比对各该斑点与相邻斑点的亮度，并将每一该些斑点的相邻斑点分别对应一区域二进位码。接着，将比各斑点还亮的相邻斑点的所对应的区域二进位码设为1，并且将比各该斑点还暗的相邻斑点所对应的区域二进位码设为0。而这些二进位码就会被储存，并且当作各斑点的相对亮度资讯。

在另外的实施例中，获得相对亮度资讯的步骤，包括计算各斑点与相邻斑点的亮度，再将每一斑点与相邻斑点的亮度依照一预设转换数学式进行运算，以获得各斑点的相对亮度资讯。

从另一观点来看，本发明提供一种处理方法，包括接收多个参考影像资讯，所述参考影像资讯是由一个以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，接收一待测物影像资讯，所述待测物影像资讯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，计算在参考影像资讯和待测物影像资讯中各斑点与相邻斑点之间的亮度关系，而获得每一斑点的相对亮度资讯。借此，就可以依据这些相对亮度资讯而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，本发明是依据各斑点的相对亮度资讯来计算待测物的位置，因此本发明可以更精确地解析出待测物的位置。

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厘米的参考平面上所呈现的斑点图样的影像。

图3A绘示为在一影像资讯中多个斑点的分布示意图。

图3B绘示为依照本发明的一较佳实施例的一种区域二进位码的格式示意图。

图4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5绘示为依照本发明第一实施例中一种处理模组所进行的动作的步骤流程图。

图6绘示为依照本发明第二实施例中一种处理模组所进行的动作的步骤流程图。

图7绘示为依照本发明第二实施例的一种测距系统的示意图。

图8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9绘示为依照本发明的一较佳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、700、800：测距系统    102：光源模组    104：影像撷取装置

106：处理模组    112：激光光源    114：扩散元件

116：激光光束    122、124、126：参考平面

302、304、306、308、310、312、314：斑点

402、404：区域    702：透镜    704：分光元件

AX-AX’：光轴IMG_r[1:n]：参考影像资讯IMG_OB：待测物影像资讯

S502、S504、S506、S602、S604、S606：一种处理模组所进行的动作的步骤流程

S902、S904、S906、S908、S910、S912：一种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，并且向一侦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。

请回头参照图1，在本实施例中，光源模组102可以将斑点图样分别投射在一个以上的参考平面上。在本实施例中，测距系统100则包括参考平面122、124和126。另外，在一些实施例中，这些参考平面122、124和126在一可视范围内彼此会互相平行。而在一些选择实施例中，每一参考平面与下一参考平面之间的距离都是相同的，惟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厘米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，并且产生至少一个参考影像资讯IMGr[1:n]给处理模组106，其中n为大于或等于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理软件，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处说明。

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，在本实施例中，当处理模组接收到参考影像资讯IMGr[1:n]后，可以计算每一参考影像资讯IMGr[1:n]中每一斑点与相邻斑点之间的亮度关系，而获得各斑点的相对亮度资讯。

图3A绘示为在一影像资讯中多个斑点的分布示意图。在图3A中，斑点302是目标斑点，而斑点304、306、308、310、312和314则围绕在目标斑点302周围的相邻斑点。请合并参照图1和图3A，在本实施例中，处理模组106会将围绕在目标斑点四周的相邻斑点304、306、308、310、312和314分别进行处理以对应一区域二进位码。当处理模组106判断相邻斑点304、306、308、310、312和314其中任一比目标斑点302亮时，会将对应的区域二进位码设为1；相对地，若是斑点304、306、308、310、312和314其中任一比目标斑点302暗时，会将对应的区域二进位码设为0。如此一来，处理模组106就会获得例如图3B所绘示相对亮度资讯，并且将其储存。

在图3B中，绘示了一种区域二进位码格式。在此格式的中央位置，是对应目标斑点302，而其它的位置则是用来分别对应斑点304、306、308、310、312和314。虽然在图3B中揭露了一相对亮度资讯的格式，然而本发明并不以此为限。

在另外一些实施例中，处理模组106可以从参考影像资讯IMGr[1:n]其中之一中，计算每一斑点的亮度。接着，依据一预设转换数学式，而将各斑点的亮度与相邻斑点的亮度进行计算，以获得每一斑点的相对亮度资讯。在本实施例中，预设转换数学式可以如下：

$\frac{B_{\mathrm{Curr}}}{B_{\mathrm{Curr}}+B_{\mathrm{Avg}}}$

其中，BCurr是每一斑点的亮度值，而则是BAvg是每一斑点与周围斑点的亮度平均值。

请回头参照图1，当一待测物132进入光源模组102所产生的面光源所涵盖的范围中时，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4所示。图4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4中，区域402和404中的影像，即是待测物132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资讯IMGOB给处理模组106。

图5绘示为依照本发明第一实施例中一种处理模组所进行的动作的步骤流程图。请合并参照图1和图5，当处理模组106接收到待测物影像资讯IMGOB后，会如步骤S502所述，计算在待测物影像资讯IMGOB中每一斑点的相对亮度资讯。接着，如步骤S504所述，将待测物影像资讯IMGOB中各斑点所对应的相对亮度资讯，分别与每一参考影像资讯IMGr[1:n]中各斑点所对应的相对亮度资讯进行比对，而获得多个相似度值。借此，处理模组106就可以进行步骤S506，就是依据所获得的相似度值来计算出待测物的位置。

图6绘示为依照本发明第二实施例中一种处理模组所进行的动作的步骤流程图。请合并参照图1和图5，首先处理模组106要先进行步骤S602，就是将每一参考影像资讯IMGr[1:n]中各斑点的相对亮度资讯彼此进行比对，以计算出每一斑点在不同参考平面上的位置的变化量，并获得各斑点至少一位移向量。接着，当处理模组106接收到物影像资讯IMGOB后，就会如步骤S604所述，计算在待测物影像资讯IMGOB中每一斑点的相对亮度资讯。借此，处理模组106就可以进行步骤S506，就是将待测物影像资讯IMGOB中各斑点的相对亮度资讯，与参考影像资讯IMGr[1:n]至少其中之一中各斑点的相对亮度资讯进行比对，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系统的示意图。请参照图7，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700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702。当激光光束116通过透镜702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704。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8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8，在本实施例所提供测距系统800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9绘示为依照本发明的一较佳实施例的一种测距方法的步骤流程图。请参照图9，本实施例首先如步骤S902所述，投射具有一斑点图样的面光源到多个参考平面上。接着，可以如步骤S904所述，撷取每一参考平面上斑点图样的影像，以获得多个参考影像资讯。另外，本实施例还会如步骤S906所述，将面光源投射到一待测物上，并且从待测物朝向面光源的表面上撷取斑点图样的影像，而获得一待测物影像资讯，就如步骤S908所述。

此时，本实施例就会进行步骤S910，就是从每一参考影像资讯和待测物影像资讯中计算各斑点与相邻斑点之间的亮度关系，而获得各斑点的相对亮度资讯。借此，本实施例就可以如步骤S912，就是依据每一斑点的相对亮度资讯，而计算出待测物的位置。

综上所述，由于本发明是依据每一斑点的相对亮度资讯来计算待测物的位置，因此本发明可以排除环境光源的影响，而更精确地计算待测物的位置。

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后附的申请专利范围所界定者为准。

Claims (15)

1.一种测距系统，其特征在于包括：

至少一个参考平面；

一个光源模组，向该至少一个参考平面和一个待测物投射具有斑点图样的面光源，使得该至少一个参考平面和该待测物朝向该光源模组的表面上呈现斑点图样的影像，其中该斑点图样具有多个斑点；

一个影像撷取装置，撷取各该参考平面上所呈现的斑点图样的影像，而产生一参考影像资讯，并撷取该待测物上所呈现的斑点图样的影像，而产生一待测物影像资讯；以及

一个处理模组，耦接该影像撷取装置，以取得该参考影像资讯和该待测物影像资讯，并计算每一该些参考影像资讯和该待测物影像资讯中各该斑点与相邻斑点之间的亮度关系，而获得每一该些斑点的相对亮度资讯，以依据该些相对亮度资讯而计算出该待测物的位置。

2.如权利要求1所述的测距系统，其特征在于该光源模组包括：

一个激光光源，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，以接收该激光光束，且该激光光束在该扩散元件中发生干涉现象和绕射现象，而产生该面光源。

3.如权利要求1所述的测距系统，其特征在于：该影像撷取装置为摄影机或电荷耦合元件。

4.一种测距方法，其特征在于包括下列步骤：

投射具有斑点图样的面光源到至少一个参考平面上，以使该至少一个参考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；

撷取该至少一个参考平面上的斑点图样的影像，以获得至少一个参考影像资讯；

当待测物出现在该面光源所涵盖的范围中时，撷取该待测物朝向该面光源的表面上所呈现的斑点图样的影像，以获得一个待测影物像资讯；

从该参考影像资讯和该待测物影像资讯中计算每一该些斑点与相邻斑点之间的亮度关系，而获得各该斑点的相对亮度资讯；以及

依据该些相对亮度资讯而计算出该待测物的位置。

5.如权利要求4所述的测距方法，其特征在于：获得每一该些斑点的相对亮度资讯的步骤，包括下列步骤：

比对各该斑点与相邻斑点的亮度，并将每一该些斑点的相邻斑点分别对应一个区域二进位码；

将比各该斑点较亮的相邻斑点的所对应的区域二进位码设为1；

将比各该斑点较暗的相邻斑点所对应的区域二进位码设为0；以及

储存每一该些斑点所有相邻斑点所对应的区域二进位码，而作为各该斑点的相对亮度资讯。

6.如权利要求4所述的测距方法，其特征在于：获得每一该些斑点的相对亮度资讯的步骤，包括下列步骤：

计算各该斑点与相邻斑点的亮度；以及

将每一该些斑点与相邻斑点的亮度依照一个预设公式进行运算，以获得各该斑点的相对亮度资讯。

7.如权利要求6所述的测距方法，其特征在于：该预设公式，是将每一该些斑点与相邻斑点的亮度平均值，先减去各该斑点的亮度后，再除以每一该些斑点与相邻斑点的亮度平均值。

8.如权利要求4所述的测距方法，其特征在于：计算该待测物的位置的步骤，包括下列步骤：

将该待测物影像资讯中各斑点的相对亮度资讯与每一该些参考影像资讯中各该斑点的相对亮度资讯进行比对，而获得多个相似度值；以及依据该些相似度值计算出该待测物的位置。

9.如权利要求4所述的测距方法，其特征在于：计算该待测物的位置的步骤，包括下列步骤：

将每一该些参考影像资讯中各该斑点的相对亮度资讯彼此进行比对，以计算出每一该些斑点在不同参考平面上的位置的变化，并获得各该斑点的至少一个位移向量；以及

将该待测物影像资讯与该些参考影像资讯至少其中之一中各该斑点的相对亮度资讯彼此进行比对，并依据每一该些斑点的位移向量而计算出该待测物的位置。

10.一种处理方法，用于在一个测距系统中解析待测物的位置，而该处理方法包括下列步骤：

接收至少一个参考影像资讯，所述参考影像资讯是由至少一个参考平面反射的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；

接收一个待测物影像资讯，所述待测物影像资讯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；

计算在该至少一个参考影像资讯和该待测物影像资讯中各该斑点与相邻斑点之间的亮度关系，而获得每一该些斑点的相对亮度资讯；以及

依据该些相对亮度资讯而计算出该待测物的位置。

11.如权利要求10所述的处理方法，其特征在于：获得每一该些斑点的相对亮度资讯的步骤，包括下列步骤：

比对各该斑点与相邻斑点的亮度，并将每一该些斑点的相邻斑点分别对应一个区域二进位码；

将比各该斑点较亮的相邻斑点的所对应的区域二进位码设为1；

将比各该斑点较暗的相邻斑点所对应的区域二进位码设为0；以及

储存每一该些斑点所有相邻斑点所对应的区域二进位码，而作为各该斑点的相对亮度资讯。

12.如权利要求10所述的处理方法，其特征在于：获得每一该些斑点的相对亮度资讯的步骤，包括下列步骤：

计算各该斑点与相邻斑点的亮度；以及

将每一该些斑点与相邻斑点的亮度依照一个预设公式进行运算，以获得各该斑点的相对亮度资讯。

13.如权利要求12所述的处理方法，其特征在于：该预设公式，是将每一该些斑点与相邻斑点的亮度平均值，先减去各该斑点的亮度后，再除以每一该些斑点与相邻斑点的亮度平均值。

14.如权利要求11所述的处理方法，其特征在于：计算该待测物的位置的步骤，包括下列步骤：

将该待测物影像资讯中各斑点的相对亮度资讯，分别与每一该些参考影像资讯中各斑点的相对亮度资讯进行比对，而获得多个相似度值；以及

依据该些相似度值来计算该待测物的位置。

15.如权利要求11所述的处理方法，其特征在于：计算该待测物的位置的步骤，包括下列步骤：

将该些参考影像资讯中各斑点的相对亮度资讯彼此进行比对，以计算出各该斑点在不同参考平面上的位置的变化量，并获得每一该些斑点的至少一个位移向量；以及

将该待测物影像资讯与该些参考影像资讯其中之一中的各该斑点的相对亮度资讯彼此进行比对，并依据每一该些斑点的位移向量而计算出该待测物的位置。

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