CN110567360B

CN110567360B - 三维扫描系统

Info

Publication number: CN110567360B
Application number: CN201810576094.5A
Authority: CN
Inventors: 柯杰斌
Original assignee: Acer Inc
Current assignee: Acer Inc
Priority date: 2018-06-06
Filing date: 2018-06-06
Publication date: 2021-07-23
Anticipated expiration: 2038-06-06
Also published as: CN110567360A

Abstract

本发明提出一种三维扫描系统，包含液体槽、电容式传感器及运算单元。电容式传感器设置在液体槽上且包含多个侦测点，用来感测待侧物浸入液体槽所容纳的液体后于多个时间点所造成的水波。运算单元用来依据多个侦测点的电容感应值分别计算对应于多个时间点的多个液高、分别计算多个时间点和待侧物浸入液体前的初始时间点之间的多个时间差、依据多个液高分别计算多个侦测点对应于多个时间点的多个波形时间、依据多个波形时间分别求出待侧物对应于多个时间点的多个二维轮廓，及堆迭多个二维轮廓并依据多个时间差求出待侧物的三维轮廓。

Description

三维扫描系统

技术领域

本发明相关于一种三维扫描系统，尤指一种应用水波侦测的三维扫描系统。

背景技术

三维扫描主要用于对物体空间、外形、结构以及色彩进行扫描，以获得物体表面的空间坐标。三维扫描的目的在于将现实世界的信息转换成计算机能直接处理的数字世界数据，进而应用在虚拟现实(virtual reality，VR)、增强现实(augmented reality，AR)、混合现实(mixed reality，MR)等技术。由于三维物件的扫描通常需要好几个摄影机搭配光学与雷射测距的技术，再利用复杂的软体才能完成，属于高价格的专业应用，若是应用在虚拟社区的娱乐功能可能并不符合成本考量。

举例来说，社区龙头脸书(Facebook)已推出facebook spaces的虚拟现实社区功能，可将用户转换成卡通人物在虚拟现实中与其他人(不管是真实还是虚拟)联系、互动与观看影片，甚至还能搭配Messenger等通信应用程序来通话。然而，在上述虚拟现实社区功能中，互动的物体皆为通过绘图方式产生的虚拟三维物件，并非使用实体物体输入。在呈现模拟实物的虚拟物件时，可能需要繁重的绘图量外才能达到足够的拟真度。使用现有搭配光学与雷射测距技术的三维扫描虽然降低绘图负担和提升虚拟物件的拟真度，但却会大幅增加成本。因此，需要一种低成本的三维扫描系统来侦测待测物的三维轮廓。

发明内容

本发明提供一种三维扫描系统，其包含一液体槽、一电容式传感器，以及一运算单元。该液体槽用来装载液体。该电容式传感器设置在该液体槽上且包含多个侦测点，用来感测一待测物浸入该液体后于多个时间点所造成的水波。该运算单元用来依据该多个侦测点的电容感应值分别计算对应于该多个时间点的多个液高、分别计算该多个时间点和该待测物浸入该液体前的一初始时间点之间的多个时间差、依据该多个液高分别计算该多个侦测点对应于该多个时间点的多个波形时间、依据该多个波形时间分别求出该待测物对应于该多个时间点的多个二维轮廓，以及堆叠该多个二维轮廓并依据该多个时间差求出该待测物的一三维轮廓。

附图说明

图1为本发明实施例中一种三维扫描系统的功能方块图。

图2A和图2B为本发明实施例中液体槽和电容式传感器的外观示意图。

图3A和图3B为本发明实施例中三维扫描系统中电容式传感器设置方式的示意图。

图4为本发明实施例中三维扫描系统运行时的示意图。

图5为本发明实施例中三维扫描系统运行时的流程图。

图6和图7为本发明实施例中三维扫描系统运行时的上视图。

图8和图9为本发明实施例中三维扫描系统取得三维轮廓方式的示意图。

附图标记说明：

10：液体槽；

20：液体；

30：电容式传感器；

40：运算单元；

60：底座；

70：待测物；

100：三维扫描系统；

510～590：步骤；

H：液体高度；

S1：箭头；

3D：三维轮廓；

2D1～2DN：二维轮廓；

Y1～YN：入水移动距离；

A₁～A₅、B₁～B₅、C₁～C₅、D₁～D₅：电容式传感器上的侦测点。

具体实施方式

为使本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图作详细说明如下。

图1为本发明实施例中一种三维扫描系统100的功能方块图。三维扫描系统100包含一液体槽10、液体20、电容式传感器30、一运算单元40，以及一待测物承载装置50。

在本发明中，电容式传感器30采用可挠曲性的材料来作为透明导电膜，因此其形状可依据液体槽10的形状来设计。图2A和图2B为本发明实施例中液体槽10和电容式传感器30的外观示意图。如图2A所示，当液体槽10为圆柱状时，电容式传感器30可设计成一个环状传感器；如图2B所示，当液体槽10为矩型时，电容式传感器30可设计成一个四角带状传感器。然而，液体槽10和电容式传感器30的形状并不限定本发明的范畴。

图3A和图3B为本发明实施例中三维扫描系统100中电容式传感器30设置方式的示意图。在图3A和图3B所示的实施例中，电容式传感器30的形状可设计成刚好能附着在液体槽10的内缘。在其它实施例中，电容式传感器30的形状亦可设计成刚好能附着在液体槽10的外缘，或是设置在液体槽10上任何可感应到液体槽10内液体20水波的位置。然而，电容式传感器30在液体槽10上的设置方式并不限定本发明的范畴。

在操作本发明的三维扫描系统100时，液体20的使用量可依据液体槽10的容量和电容式传感器30在液体槽10上的设置位置来决定。在图3A和图3B所示的实施例中，电容式传感器30设置在液体槽10的上方内缘，液体20注入液体槽10后的高度为H，其中液体20的使用量需足够使其在注入液体槽10后的高度H超过电容式传感器30的最下缘。然而，液体20的使用量、液体槽10的容量和电容式传感器30在液体槽10上的设置位置并不限定本发明的范畴。

图4显示了本发明实施例中三维扫描系统100运行时的示意图。液体槽10可放置在一底座60上，而待测物承载装置50可以特定方式安装在底座60上以夹取一待测物70。在进行三维轮廓侦测前，待测物承载装置50所夹取的待测物70位于液体槽10的上方；在进行三维轮廓侦测的期间，待测物承载装置50能以预定速度将待测物70往下移动以将其逐渐浸入液体20中，如箭头S1所示。运算单元40(未显示)可以采用有线或无线的方式接收并分析电容式传感器30的数据，并且设置于合适的位置(例如：安装在底座60等位置)，然而，运算单元40的设置位置并不限定本发明的范畴。

本发明中，液体槽10所乘载的液体20可为自来水或参杂溶质的液体，其波速为已知条件。在静止时液体20的自由表面是水平的，在待测物入水时就会造成轻微的局部扰动而出现波浪运动。液体自由表面一离开平衡状态，其重力和表面张力等就会发挥回复力的作用，促其返回平衡位置，从而形成液体质点的振动和振动的传播，亦即水波。电容式传感器30可采用自电容(self-capacitive)或互电容(mutual-capacitive)架构以提供多点触控(multi-touch)的侦测功能，其包含多个侦测点以在待测物入水面提供二维轮廓感测功能。由于在有水与无水状态下，电容式传感器30的电容感应值不同，运算单元40依据垂直方向侦测点的电容感应值即可知道液体20的高度，依据水平方向侦测点的环绕液体槽10设置即可知槽内各处所得的水深。水波可视为正弦波，波动事实上就是震幅与时间的关系，所以水波侦测配合上正确入水时间的纪录与取样即可侦测待测物70入水后于不同时间点的特定波形。

待测物70在入水时会造成水波，其抵达电容式传感器30的时间称为波形时间(wave time)。入水物体的形状、发生入水事件的位置和发生入水事件的时间都会影响电容式传感器30中不同侦测点的波形时间。举例来说，例如若待测物70的入水面中一特定入水点离槽缘较远或入水面的直径较小，电容式传感器30在相对应侦测点得到的波形时间也越大；若待测物70的入水面中一特定入水点离槽缘较近或入水面的直径较大，电容式传感器30在相对应侦测点得到的波形时间也越小。一旦取得待测物70对应入水后不同时间点的多个二维轮廓后，运算单元40依据取得两相邻二维轮廓时的时间差则可推算出待测物70在这段时间的入水移动距离，进而计算出待测物70在垂直方向的一维轮廓(待测物承载装置50移动待测物70的预定速度为已知)以堆叠出待测物70的三维轮廓。

图5显示了本发明实施例中三维扫描系统100运行时的流程图，其包含下列步骤：

步骤510：开启电容式传感器30。

步骤520：计算待测物70入水前的初始液高H0与相对应的初始时间T0。

步骤530：在待测物70入水后的第一至第N时间点T1～TN分别感测相对应的第一至第N液高H1～HN。

步骤540：分别计算第一至第N时间点T1～TN和初始时间点T0之间的第一至第N时间差ΔT1～ΔTN。

步骤550：依据第一至第N液高H1～HN计算电容式传感器30上每一侦测点对应于第一至第N时间点T1～TN的波形时间。

步骤560：依据电容式传感器30上每一侦测点对应于第一至第N时间点T1～TN的波形时间分别求出待测物70对应于第一至第N时间点T1～TN的N个二维轮廓。

步骤570：堆叠N个二维轮廓并依据第一至第N时间差ΔT1～ΔTN来求出待测物70的三维轮廓。

步骤580：依据初始液高H0、初始时间T0和待测物承载装置50的形状补偿待测物70的三维轮廓。

步骤590：输出补偿后待测物70的三维轮廓。

在步骤520和530中，由于在有水与无水状态下的电容感应值不同，依据电容式传感器30在垂直方向侦测点的感测数据，运算单元40即可计算出液体20的初始液高H0与相对应的初始时间T0，以及分别计算出相对应待测物70入水后于第一至第N时间点T1～TN时的第一至第N液高H1～HN。

在步骤540中，运算单元40会分别计算第一至第N时间T1～TN和初始时间点T0之间的第一至第N时间差ΔT1～ΔTN，以进行后续堆叠二维轮廓来取得三维轮廓(详细方式在说明书后续内容中将有说明)。

在步骤550，运算单元40会依据第一至第N液高H1～HN计算电容式传感器30上每一侦测点对应于第一至第N时间点T1～TN的波形时间。图6和图7显示了本发明实施例中三维扫描系统100运行时的上视图。为了说明目的，假设液体槽10为正方形，待测物70入水面的中心对齐液体槽10的中心点，A₁～A₅、B₁～B₅、C₁～C₅和D₁～D₅代表电容式传感器30位于液体槽10四侧上的不同侦测点，而虚线代表待测物70入水时造成的水波。

在图6所示的实施例中，待测物70在特定时间点入水时的截面积为圆形，电容式传感器30上每一侦测点感应到波形时间WT如下列表1所示。

表1

	WT(sec)		WT(sec)		WT(sec)		WT(sec)
								A<sub>1</sub>	4.2	B<sub>1</sub>	4.2	C<sub>1</sub>	4.2	D<sub>1</sub>	4.2
A<sub>2</sub>	3.46	B<sub>2</sub>	3.46	C<sub>2</sub>	3.46	D<sub>2</sub>	3.46
								A<sub>3</sub>	3	B<sub>3</sub>	3	C<sub>3</sub>	3	D<sub>3</sub>	3
A<sub>4</sub>	3.46	B<sub>4</sub>	3.46	C<sub>4</sub>	3.46	D<sub>4</sub>	3.46
								A<sub>5</sub>	4.2	B<sub>5</sub>	4.2	C<sub>5</sub>	4.2	D<sub>5</sub>	4.2

在图7所示的实施例中，待测物70在特定时间点入水时的截面积为长方形，电容式传感器30上每一侦测点感应到波形时间WT如下列表2所示。

表2

	WT(sec)		WT(sec)		WT(sec)		WT(sec)
								A<sub>1</sub>	3	B<sub>1</sub>	2	C<sub>1</sub>	3	D<sub>1</sub>	2
A<sub>2</sub>	3	B<sub>2</sub>	1.4	C<sub>2</sub>	3	D<sub>2</sub>	1.4
								A<sub>3</sub>	3	B<sub>3</sub>	1	C<sub>3</sub>	3	D<sub>3</sub>	1
A<sub>4</sub>	3	B<sub>4</sub>	4.4	C<sub>4</sub>	3	D<sub>4</sub>	4.4
								A<sub>5</sub>	3	B<sub>5</sub>	2	C<sub>5</sub>	3	D<sub>5</sub>	2

如图6和表1所示，当待测物70入水时的截面积为圆形时且入水面的中心对准正方形液体槽10的中心点时，其造成的水波抵达电容式传感器30上每一侦测点的时间都会相同。如图7和表2所示，当待测物70入水时的截面积为长方形时且入水面的中心对准正方形液体槽10的中心点时，其两长边离侦测点A₁～A₅和C₁～C₅的距离较远，两短边离侦测点B₁～B₅和D₁～D₅的距离较近，因此侦测点A₁～A₅和C₁～C₅测得的波形时间WT大于侦测点B₁～B₅和D₁～D₅测得的波形时间WT。由于不同待测物70在不同入水时间点可能会有不同形状的入水截面，因此会造成不同波形。水波行走距离和波速(已知)和波形时间WT成正比，因此依据电容式传感器30上每一侦测点感应到波形时间WT即可计算出待测物70在特定时间点入水时的截面形状，使得运算单元40可在步骤560中依据电容式传感器30上每一侦测点对应于第一至第N时间点T1～TN的波形时间来分别求出待测物70对应于第一至第N时间点T1～TN的N个二维轮廓。

在步骤570中，运算单元40可堆叠N个二维轮廓并依据第一至第N时间差ΔT1～ΔTN来求出待测物70的三维轮廓。图8和图9显示了本发明实施例中三维扫描系统100取得待测物的三维轮廓的示意图。

在图8所示的实施例中，左方显示了在步骤560中取得的待测物70对应于第一至第N时间点T1～TN的N个二维轮廓2D1～2DN。依据步骤540得到的第一至第N时间差ΔT1～ΔTN，运算单元40可求出在取得每一二维轮廓和初始液高H0之间的入水移动距离Y1～YN，进而堆叠出待测物70的三维轮廓3D，如图8右方所示。

在图9所示的实施例中，左方显示了在步骤560中取得的待测物70对应于第一至第N时间点T1～TN的N个二维轮廓2D1～2DN。依据步骤540得到的第一至第N时间差ΔT1～ΔTN，运算单元40可求出在取得两相邻二维轮廓的期间待测物70的入水移动距离Y1～YN，进而堆叠出待测物70的三维轮廓，如图9右方所示。

由于待测物承载装置50在夹取待测物70的处会一同入水，因此可能会影响相对应的二维轮廓。因此，本发明在步骤580可依据初始液高H0、初始时间T0和待测物承载装置50的形状补偿待测物70的三维轮廓，使得步骤590中输出的补偿后三维轮廓能精准地呈现待测物70的实际形状。

综上所述，本发明的三维扫描系统使用水波侦测来取得待测物的三维轮廓。硬件架构简单，测试用的液体可使用随手可得的自来水，不像现有技术一样需要多个昂贵摄影机搭配光学与雷射测距的技术才能得到待测物的三维轮廓。因此，在虚拟现实社区功能的应用中，本发明的三维扫描系统可大幅降低绘图负担和提升虚拟物件的拟真度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求书所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims

1.一种三维扫描系统，其包括：

一液体槽，用来装载液体，所述液体为水；

一电容式传感器，设置在所述液体槽上且包括多个侦测点，用来感测一待测物浸入所述液体后于多个时间点所造成的水波；

一运算单元，用来计算：

依据所述多个侦测点的电容感应值分别计算对应于所述多个时间点的多个液高；

分别计算所述多个时间点和所述待测物浸入所述液体前的一初始时间点之间的多个时间差；

依据所述多个液高分别计算所述多个侦测点对应于所述多个时间点的多个波形时间；

依据所述多个波形时间分别求出所述待测物对应于所述多个时间点的多个二维轮廓；以及

堆叠所述多个二维轮廓并依据所述多个时间差求出所述待测物的一三维轮廓。

2.如权利要求1所述的三维扫描系统，其特征在于，所述电容式传感器包括一可挠曲性材料，其环绕设置于所述液体槽的一内缘或一外缘。

3.如权利要求1所述的三维扫描系统，其特征在于，所述液体在所述液体槽内的高度至少超过所述电容式传感器的最下缘。

4.如权利要求1所述的三维扫描系统，其特征在于，还包括一待测物承载装置，用来夹取所述待测物，并以一预定速度将所述待测物逐渐浸入所述液体中。

5.如权利要求4所述的三维扫描系统，其特征在于，所述运算单元还用来：

依据所述待测物承载装置的形状来补偿所述三维轮廓。

6.如权利要求1所述的三维扫描系统，其特征在于，所述运算单元还用来：

依据所述多个侦测点的电容感应值计算初始液高和相对应的一初始时间；以及

依据所述初始液高和所述初始时间来补偿所述三维轮廓。