TW200825621A - 3-D image-forming apparatus - Google Patents

Description

200825621 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於-種立體成像裝置。 【先前技術】 而言立運用於現今各領域的研究中已相當廣泛，舉例 ° 於牙科醫學面向時，立體影像可用以建立病自 的立體齒列模型，並舍作、广电认— 思立病患 心士 日細患的病歷資料之—1作為診斷 评估的依據，因而可幫助醫師來敎更符合病 準確的治療計割。 月凡且更 目刖，立體影像資料可利用三維（3D)影像資料操取設備 來取得，例如··電腦斷層掃描（CT)、核磁共振影像(聰)或 雷射掃描器。電腦斷層掃描係使一系列的口片進行重疊串聯 處理，以取得立體模型影像。核磁共振影像_職磁共振 (Nuclear Magnetic Resonnance)原理，其係依據能量在物質 内部不同結構環境中的衰減程度，再通過外加梯度磁場檢測 所發射出的電磁波，以取得構成物體本身原子核的位置和種 類，並據以繪製成物體内部的結構圖像。3D表面雷射掃瞄器 係利用雷射光投射於物體上，並取得雷射光在物體上的反射 影像，藉以經由三維座標計算來取得物體表面的3D形狀， 目兩已廣被大買3D模型的產業（例如3D動晝、電腦遊戲或機 械設計）所使用。 然而，上述習用三維影像資料擷取設備的成本相當昂 貴，通常需要花費上百萬的設備費用，且具有安全上的顧慮 200825621 (電腦斷層掃描具有幅射劑量的考量），因而使小額資本家（例 如個人工作室或學術研究實驗室）望之怯步。 目前已有-些研究在進行中，以解決上述問題。例如， Κ· M· Lee 等人（參見“Shape fr〇m shading w油 & η此訂 triangular element surface model" IEEE Trans. patt Anal Mad /We//·’ v〇l· i58, pp. 815·822, 1993)揭露以陰影造形法 (shape from shading)來重建物體的三維影像資料。然而， 由於其對於物體同一側面僅以單一張影像資料（藉由單一光 源擷取）進行3D重建，因此其結果往往受物体本身的高低起 伏所產生的自体陰影所影響而降低了重建準確度。 【發明内容】

因此本發明之一面向係提供一種立體成像裝置，其可在 :-觀測點藉由複數個位置不同的光源拍攝物體同一側面的 複數個影像，並以該些影像資料來建立物體該側的立體影 像。由於本發明係以至少兩張影像資料（藉由至少兩個位置 不同光源擷取）進行3D重建，因此可有效增加重建準確度。 〜本發m面向係在於提供—種立體成像裝置，藉以 簡易且快速地建立物體的立體影像。 本發明之又-面向係在於提供—種立體成像裝置，藉以 利用低成本之設備裝置來建立物體的立體影像。 本發明之又-面向係在於提供—種立體成像裝置，藉以 方便在任何場何來建立物體的立體影像。 根據本制之實關，本㈣之立體成像裝置係用以取 200825621 得物體的立體影像，此立體成像裝置至少包含有複數個光 源〜像綠早几及影像處理單元。該些光源係分別距離物 體-預設距離。影像操取單元係用以當該些光源分別發光照 射到物體時揭取物體—第—側面的複數個影像資料。影像處 理單7L係f性連接於影像擷取單元，用以對該些影像資料進 行-運算處理來重建該立體影像，其中該運算處理係利用陰 衫造形法（Shape from Shading)來建立該立體影像。 又，根據本發明之實施例，本發明之立體成像裝置的上 _述該些光源可分別設置於物體的複數個側面，並距離物體一 預設距離，藉以使影像擷取單元可擷取物體在不同側面的影 像資料。 ^ 本發明之立體成像裝置係設置具有不同入射方向的光 源，使待測物產生不同的陰影，而得到不同的影像，並藉以 求得更精確的立體重建結果。本發明之立體成像裝置可設置 於相體内來方便攜帶’以利在任何場所進行物體的立體成 像。另外，本發明之立體成像裝置並無使用安全上的顧慮， • 並相對地操作簡易且成像快速。 【實施方式】 请茶照弟1圖和第2圖’第1圖係繪示依照本發明之第 一實施例之立體成像裝置的立體示意圖，第2圖係緣示依照 本發明第一實施例的立體成像裝置的侧視示意圖。本實施例 之立體成像裝置係用以取得物體a的立體影像，本實施例之 立體成像裝置包括有4個光源100、影像擷取單元2〇〇、影像 200825621 處理單元300。、轉動平台400、環境光隔絕裝置500及控制 單元600。該些光源1〇〇係分別設置於距離物體& 一預設距 離’並由控制單元600控制四個光源1〇〇分別依序對物體a 進行發光照射，藉此影像擷取單元200可擷取到物體a第一 側面的4個影像資料（分別對應於4個光源100)。影像處理 單元300係電性連接影像擷取單元2〇〇，用以對該些影像資料 進行運算處理，而重建物體a第一側面的立體影像。本實施 例係以四張影像資料（藉由四個位置不同的光源1〇〇擷取） _進行物體a第一側面的3D重建，因此即使係表面結構非常複 雜的物體，亦可建立出完整且具高準確度的立體影像。值得 注意的是，亦可僅以兩張影像資料（藉由二個位置不同的光 源100擁取）進行物體a第一側面的3D重建。 轉動平台400係用以供物體a放置，並藉由控制單元6〇〇 控制轉動平台400轉動而使物體a的第二側面面向擷取單元 200,以便重建物體a第二側面的立體影像。應注意的是，由 物體a獲得的每-側面的影像資料需與其相鄰側面的影像資 鲁料至少有一影像重疊部分，藉以重建物體a的完整立體影像。 因此，至少需以影像擷取單元2〇〇擷取物體a之至少三個不 同側面的影像資料（亦即控制單元6〇〇每次控制轉動平台 的轉動角度至少在120。以内)。在本實施例中，係以影像口擷取 單元200擷取物體a之四個不同側面的影像資料（亦即控制 單元600每次係控制轉動平台4〇〇轉動9〇。）。隔絕裝置· 係環繞該些光源100和影像操取單元2〇〇,以隔絕外界 造成的干擾。 8 200825621 如第1圖和第2圖所示，本實施例之該些光源1 〇〇係設 置於物體a的同一側，並分別與物體a具有預設距離，以分 別依序對物體a進行發光照射，其中此預設距離係在一預設 範圍内（例如1公尺），藉以使物體a可照射到較強照度的光 線，因而可減少立體影像的重建誤差。本實施例之該些光源 100係均勻地配置此圓周路徑上，例如當設置四個光源1〇〇 時，每二該些光源1〇〇之間即相隔9〇度配置。光源1〇〇的前 方可設有擴散片110 (例如柔焦片），以使發光均勻化。本實 _ 施例之光源1〇〇可以是平行光源，例如：小型展示燈，且每 一該些光源100發出的平行光皆係以相同的入射角度Θ (亦即 平行光與影像擷取單元200和物體a中心點連線的夾角）來照 射至物體a的中心點，以避免光源10〇對物體&的發光不一 致。該些光源100係電性連接於控制單元600，並藉由控制單 元600來控制該些光源1 〇〇分別依序地對物體a發光照射， 控制單元600例如：可程式控制器（PLC)或單晶片。影像擷 取單元200係大致設置於該些光源1〇〇所配置之圓周路徑的 • 中心位置，當每一該些光源丨〇〇發光照射物體a後，影像擷 取單元200隨即擷取物體a的影像資料，因此，在該些光源 1 〇〇分別依序地發光照射後，影像操取單元200即可取得複數 個物體a的影像資料。影像擷取單元200例如係：數位相機 或電何耦合裝置（Charge-Coupled Device ; CCD)，其電性連接 影像處理單元300，以輸出物體a的影像資料至影像處理單元 300,其中影像擷取單元200例如係藉由USB(Universal Serial Bus)介面來電性連接影像處理單元300，因而影像處理單元 200825621 並藉由USB介面來電性連接影像 300可設置於電腦主機中 擷取單元200。 、請參照第3圖，騎示依照本發明之第—實施例之立體 成像裝置之影像貧料和立體影像的結果示意圖，本實施例之 影像處理單元3GG例如係：可程式控㈣（ριχ)或單晶^

影像處理單元3GG亦可餘制單$ _形成於同_^晶片 中。影像處理單it 3⑽具有_運算程式，用以對物體二側 的影像資料^^進行運算處理⑺重建物體㈣ 上側立體影像2G。其切像處理單元3⑼係·陰影造形法 (Shape from Shading)理論來重建上側立體影像2〇，主要係藉 由平面影像的像素明暗度來建立此上側立體影像2g。詳細言 之’影像處理單元300可藉由計算處理該些影像資料u、i2、 13、14的灰階值來取得一三維資料（例如物體&的上側表面深 度）並藉由此二維資料來建立物體a的上侧立體影像。其 中，影像處理單元300之運算程式例如可利用Visual c++ net 程式語言來執行。由於該些影像資料u、12、13、14係在不

同位置的光源1〇〇照射下取得，故每一影像資料皆具有不同 的陰影效果。因此，物體a之所有的表面凹凸變化皆可由不 同的影像資料11、12、13、14來表現，影像處理單元3〇〇之 運算程式可重組該些影像資料n、12、13、14，並藉由該些 影像資料11、12、13、14的灰階值來建立物體a的上側立體 影像20,因而可避免立體影像20的重建準確度受到物體& 之本身陰影的影響。因此，即使係表面結構相當複雜的物體， 亦了藉由本實施例之立體成像裝置來重建完整的立體影像。 200825621 如第1圖和第2圖所示，者 僅由單一侧& & & % 田本貝麵例之影像擷取單元2 0 0 物體影像資料時，影像處理單元·可重建 體玨可置於轉動平Γ上的立體影像），因此，物 資料，以、隹丰。上，以提供物體a不同側面的影像 以勺人建更完整的立體影像。該轉動平台彻可 每：二：進馬達，並可藉由控制單元600來控制轉動，且 係以120度以下的角度來轉動，藉以使物體a在不 3 =的影像資料可相互具有至少—影像重疊部分。隔絕 纽u可以為内部塗成黑色的箱體或黑色布幕，藉以隔絕 卜線’避免影響立體影像的重建準確度。當隔絕裝置· 糸一相體時，該些光源1〇〇、影像擷取單元2〇〇、轉動平台4⑼ 隸制單元_可設置於隔絕裝置則中，並藉由刪介面 來連接影像處理單元300,因而使本實施例之立體成像裝置可 用以作為一可攜式裝置，方便於任何場所來使用。 ，此，當使用本實施例之立體成像裝置時，可藉由影像 =取f元200配合該些光源i⑽的依序照射來擷取物體&的 影像資料，接著，影像處理單元3〇〇可根據該些影像資料來 進行運算處理，以利用影像資料中的灰階值來重建物體^的 立體影像。另外，可進一步利用轉動平台4⑽來轉動物體&， 以使〜像擷取單元2〇〇可由不同側面來擷取物體a的影像， 因而本實施例之立體成像裝置可重建物體a的完整立體影 像。因此，本實施例之立體成像裝置可利用低成本的設備裝 置來取得具有高重建準確度的立體影像，即使係表面結構相 當複雜的物體a，亦可藉由本實施例之立體成像裝置來重建完 11 200825621 整的立體影像。 另外，在影像擷取單元200擷取物體a的影像資料前， 可預先進行影像校正動作，其係藉由白色且不反光的預設物 (例如為白色平板）來預先測試，並根據測試結果來對應修正， 以避免因該些光源的亮度不一致而導致立體影像的重建準確 度不佳。 请參照第4圖，其繪示依照本發明之第二實施例之立體 成像裝置的侧視示意圖。相較於第一實施例，第二實施例之 立體成像裝置的光源10如為點光源（例如未設置擴散片的電 燈泡），而光源100與物體a之間可設置擴散板12〇，以使光 源100的發光均勻化，因而第二實施例之立體成像裝置可進 一步簡化整體裝置的設置。 請參照第5圖，其繪示依照本發明之第三實施例之立體 成像裝置的俯視示意圖。相較於第一實施例，第三實施例之 立體成像裝置可無需設置轉動平台4〇〇，而係分別在物體a 的不同側面處設置該些光源1〇〇b和影像擷取單元2〇〇b，以擷 _ 取物體a之不同側面的影像資料。 清參照第6圖，其繪示依照本發明之第四實施例之立體 成像裝置的俯視示意圖。相較於第三實施例，第四實施例之 立體成像裝置係分別在物體a的不同側面處設置該些光源 100c，並僅在物體a的一側面處設置影像擷取單元2〇〇c，並 分別在物體a的其他側面設置光學鏡組7⑽，用以反射物體a 的影像至景彡像擷取單元2〇〇c，以使影像擷取單元2〇〇c可擷取 物體a之不同側面的影像資料。 12 200825621 由上述本發明的實施例可知，本發明之立體成像裝置係 "X置具有不同入射方向的光源，使待測物產生不同的陰影， 而得到不同的影像，並藉以求得更精確的立體重建結果:本 發明之立體成像裝置可利用低成本的設備裝置來建立高重建 準確度的立體影像，且當利用箱體作為隔絕裝置時，本發明 之立體成縣置可方便卿，關在任何場所進行物體4立 ，成像。另外，相較於習用的立體成像裝置（例如：電腦斷層 掃描、核磁共振影像或3_D雷射掃描器），本發明之立體成像 裝置確實具有操作簡易和設備成本低廉的功效，且無使用安 全上的顧慮。 雖然本發明已以一較佳實施例揭露如上，然其並非用以 ，定本發明，任何熟習此技藝者，在不麟本發明之精神和 犯圍内’當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍 當視後附之申請專利範圍所界定者為準。 【圖式簡單說明】 更明=0發明之上述和其他目的，、優點與實施職 更明顯易丨重，所附圖·式之詳細說明如下： 第1圖是係繪示依照本發明之篦垂#Μ ^ ^ ^ ^ t Λ之弟一貫施例之立體成像裝 置的立體示意圖。 第2圖係繪示依照本發明第 > 知乃之弟貫施例之立體成像裝置 的側視不意圖。 弟3圖係繪示依照本發明箓 旦\ Θ以—貫施例之立體成像裝置 衫像_貝枓和立體影像的結果示意圖。 13 200825621 弟4圖係繪不依照本發明之笛_ 的側視不意圖 弟5圖係繪不依照本發明之第二實 的俯視不意圖。 <弟一實施例之立體成像 目丨I i#壬备园。 ^ ^ ^ 施例之立體成像裝 第6圖係繪示依照本發明之第四實施例之立體成像裝 的俯視示意圖

θ :入射角度 2〇 :立體影像 【主要元件符號說明】 a :物體 Π、12、13、14 :影像資料 100、100a、100b、100c ·•光源 110:擴散片 120:擴散板 200、200b、200c ··影像擷取單元 300 :影像處理單元 400 ··轉動平台 500 ••隔絕裝置 600··控制單元 7〇〇 :光學鏡組

Claims (1)

1. 200825621 十、申請專利範圍： 1 · 一種立體成像裝置，用以取得一物體的一立體影像， 該立體成像裝置至少包含·· 複數個光源，分別距離該物體一預設距離； 至少一影像擷取單元，用以當該些光源分別發光照射到 忒物體時擷取該物體一第一側面的複數個影像資料；以及 一影像處理單元，電性連接該影像擷取單元，用以對該 些影像資料進行一運算處理來重建該立體影像，其中該運算 处里係寿j用陰影造形法（Shape from Shading)來建立該立體影 像0 2·如申請專利範圍第1項所述之立體成像裝置，其中更 至少包含： 八 轉動平台，用以轉動該物體。 如巾請專利範㈣2項所述之立體成像裝置，其中該 轉動平台係包含一步進馬達。 置，其中更 4·如中請專利範Β第丨項所述之立體成像震 t y包含： 隔絕 外界光包覆該些光源和該影像擷取單元’以 15 200825621 5.如申請專利範圍第5項所述之立體成像裝置，其中該 隔絕裝置係一箱體。 6·如申請專利範圍第5項所述之立體成像裝置，其中該 隔絕裝置係一黑色布幕。 7·如申請專利範圍第1項所述之立體成像裝置，其中該 預設距離係實質小於1公尺。 8·如申請專利範圍第1項所述之立體成像裝置，其中該 些光源係均勻地分配設置於一以該該影像擷取單元為圓心的 圓周路控上。 9·如申請專利範圍第丨項所述之立體成像裝置，其中更 至少包含： 一控制單元，用以控制該些光源的發光動作。 上10·。。如申請專利範圍第9項所述之立體成像裝置，其中 該控制單元係一可程式控制器（PLC )。 U.如申請專利範圍第9項所述之立體成像裝置，其中 該控制單元係一單晶片。 如申#專利I圍第1項所述之立體成像裝置，其中 16 200825621 該光源係一點光源。 13·如申睛專利範圍帛1顿述之立體成像裝置，其中 該些光源係平4了光源，且每—該些光源發㈣平行光皆係以 相同的入射角度0來照射至該物體的中心點。 14·如申請專利範圍第13項所述之立體成像裝置，其中 該些光源係複數個展示燈。 ❿ 15· —種立體成像裝置，用以取得一物體的一立體影 像，該立體成像袭置至少包含： 稷數個光源，分別設置於該物體的複數個側面，並距離 該物體一預設距離； 至夕一影像擷取單元，用以當該些光源進行發光照射時 擷取該物體的複數個影像資料；以及 一影像處理單元，電性連接該影像擷取單元，用以對該 _二〜像資料進行_運算處理來重建該立體影像，其中該運算 處理係利用陰影造形法（Shape fr〇m Shadi叩）來建立該立體影 17 1 6.如申晴專利範圍第1 $項所述之立體成像裝置，其中 更至少包含： 一隔絕裝置，包覆該些光源和該影像擷取單元，以隔絕 外界光線的影響。 200825621 17·如申請專利範圍第16項所述之立體成像裝置，其中 該隔絕褒置係一箱體。 18.如申請專利範圍第16項所述之立體成像裝置，其中 該隔絕裝置係一黑色布幕。 19·如申請專利範圍第15項所述之立體成像裝置，其中 _ 該預設距離係實質小於1公尺。 ’、 20·如申請專利範圍第15項所述之立體成像裝置，其中 X 一光源係均勻地分配設置於一以該該影像擷取單元為圓心 的圓周路徑上。 21·如申請專利範圍第15項所述之立體成像裝置，i 更至少包含： 〃 一控制單元，用以控制該些光源的發光動作。 )22·如申請專利範圍第2丨項所述之立體成像裝置，其中 该控制單元係—可程式控制器（PLC)。 該控制單__單晶^圍/ 21項所述之立體成像裝置，其中 18 200825621 24.如申請專利範圍第15項所述之立體成像裝置，其中 該光源係一點光源。 25·如申請專利範圍第15項所述之立體成像裝置，其中 該些光源係平行光源，且每_該些光源發㈣平行光皆係以 相同的入射角度Θ來照射至該物體的中心點。 26 ·如申明專利範圍第15項所述之立體成像裝置，其中 馨該些光源係複數個展示燈。 7.如申咕專利範圍第15項所述之立體成像裝置，其中 該至少一影像擷取單元係複數個影像擷取單元，其分別設置 於該物體的該些側面’用以當該些光源進行發光照射時掘取 該物體之該些側面的複數個影像資料。 28·如申明專利範圍第15項所述之立體成像裝置，其中 •更至少包含： ” 複數個光學鏡組，分別設置於該物體的該些側面，用以 反射該物體之該些側面的影像至該影像擷取單元，藉以使該 影像操取單元操取該物體之該些側面的複數個影像資料。 19