TW201229453A - Shape measuring apparatus and shape measuring method - Google Patents

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201229453 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種測量量測目標表面之三維形狀的 技術。 【先前技術] 已知有~種藉由分析以相機所拍攝之量測目標之影 像i以測里量測目標表面形狀（三維形狀）的技術。關於 測里鏡面物體之表面形狀的技術，例如，有一種方法， 了使用有相異特性之複數照明光段（pieces of lighting) 以反射來自鏡面之光線拍攝鏡面物體之影像以及來自 影像計算物體表面之法線方向（例如，見日本專利案號 3 5 53 652)。當物體表面上之複數個點獲得諸法線時，藉 由將諸法線轉換成諸梯度，可復原物體表面之三維形狀 以整合諸梯度（例如，見日本未審專利公開案號 3 ·2 1 8407)。關於測量漫射物體之表面形狀的技術，有一 種方法’其中將光紋（fringe)圖案投射至物體以分析依據 物體表面之不規則性所產生的圖案變形，藉以分析.物體 表面之一維形狀。光切法（〇ptical cutting meth〇d)、相移 法及光紋分析法已知為測量漫射物體表面形狀之技術的 典型實例（例如，見日本未審專利公開案號2〇〇2_286433 及 2007-196193) 〇 在自動測量設備或自動檢視設備之領域中，有需要 準確地測量如金屬之鏡面物體的表面形狀。例如，在板 狀外觀檢視設備之焊接檢視中，需要正確地辨認焊接部 位之三維形狀，以便無誤地檢測焊墊（Und)與晶片之間是 否有接觸故障或短路之存在。 201229453 然而，習知之測量枯片 後命產生有以下問題。在曰本專 利案號3553652及日本a索★士 審查專利公開案號3 _ 2丨8 4 〇 7所 揭路之方法中’儘管該方、、土 /方法可復原物體之表面形狀，但 卻無法測量在相機之深度方 又力向（Z-方向）中的距離（亦即， 相機與物體表面之間的距魅、 门的距離），因而在所復原之表面形狀 的三維空間中無法指明z_方 万向之位置（尚度）。例如，對 於焊接檢視’當未知焊接邱私今> Λ 士 坪拱。卩位之咼度時，有無法正確地 檢視焊接量為過度或不足哎去 心4考知接與焊墊之間有間隙存 在的風險。另一方面，在s太去 丑·日本未審查專利公開案號 2002-286433及2007_1 96193所揭露之方法中儘管可測 量物體表面之Z-方向的位皇（高度），然而該等方法並不 適用於測量鏡面物體。這是因為捋 疋u馬ί又射圖案時所反射之光 線強度係依物體表面之反射率特性而變，因此具有強烈 鏡面反射之物體在測量時，其測量準確度並不穩定且 無法正確地復原表面形狀。 有鑑於以上之情況因而完成本發明，且本發明之目 的係提供一種可準確地測量鏡面物體之三維形狀及空間 位置的技術。 【發明内容】 為達成以上之目的，在本發明中，藉由組合由法線 計算所復原之物體表面的三維形狀以及經由測距功能所 獲得之有關物體表面之高度（離參考位置之距離）的資 訊’判定量測目標的三維形狀及空間位置。 明確地說，本發明提供一種形狀測量設備以測量量 測目標的三維形狀，該設備包含：照明裝置，係以光線 -5- 201229453 照射被安置在平台上之該量測目標；成像裝置，係拍攝 該篁測:標之影像；形狀計算裝置，係由所拍攝之影像 計鼻該量測目標其表面上複數個點的法線方位，當該照 裝置以光線照射戎$測目標時，藉由該成像裝置執行 成像以獲得影像，該形狀計算裝置以該等法線之方位的 計异結果來計算該量測目標其表面的三維形狀；測距裝 置’係相對於該量測目標之表面上的至少一點，測量與 預定參考位置之距離；以及判定裂置，係判定該量測目 標表面之三維形狀的空間位置，藉由該測距裝置所獲得 之距離的資訊，使該形狀計算裝置可經由計算獲得該三 維形狀。 依據此等架構，可藉由法線之計算以準確地復原鏡 面物體表面之二維形狀。而且，藉由使用以測距裝置所 獲得之距離資訊，可判定所復原之三維形狀的空間位 置，不僅能簡易且準確地測量量測目標的三維形狀，還 有量測目標的空間位置。 較佳是，測距裝置包含投射裝置，該投射裝置將光 紋圖案或網格圖案投射至該量測目標，且該測距裝置藉 由分析該量測目標之影像，計算該量測目標表面上之點 的距離’在投射光紋圖案或網格圖案時拍攝該量測目標 的影像。在本發明中，藉由影像分析以測量三維形狀， 亦採用該影像分析以作為测距用，其允許如藉由硬體之 共用所獲得之設備架構之簡化及迷你化的效果。 較佳是’成像裝置亦可作為測距裝置其取得測距用 影像的裝置。亦即’觀測系統（成像裝置）可共同作為形 * 6 - 201229453 狀測量及測測距距。因此，可消除形狀測量結果與測距 結果之影像座標間的對齊，以簡化處理並增進準確度。 較佳是，照明裝置為表面光源，該表面光源包含具 有預定尺寸之發光區，且自發光區中之位置所發出的光 段（pieces of light)在光譜分佈中彼此相異。藉由使用此 等照明裝置，僅需一次測量（照明及影像拍攝）即可判定 量測目標的三維形狀，因此可縮短測量時間。 較佳是，照明裝置為發光之表面光源，其中複數個 相異的照明圖案係彼此重疊或依序的發出複數個照明圖 案，並設定該等照明圖案之每一者，使得發光強度相對 於繞著中心軸之角度呈線性變化，將平行於平台以通過 安置該量測目標之點的特定直線界定為中心軸。藉由使 用此等照明裝置，即使物體具有不均勻之反射率特性或 粗糙表面，仍可執行準確之測量。由於結構設計之因素， 偶爾會無法體認確切之線性。亦即，在本發明之觀點中， 「發光強度呈線性改變」意為包含「發光強度大致呈線 性改變」的概念。

體’僅對漫射物體或混 準確地測量其三維形狀 合鏡面物體與漫射物體的物體， 及空間位置。 201229453 【實施方式】 參考諸圖式且本發明之較佳實施例之說明如下。依 據本發明實施例之形狀測量設備藉由影像分析，執行鏡 面物體之三維測量。在如自動測量設備、自動檢視設備 及機器人視覺之各種領域中，可將本實施例之形狀測量 設備應用至物體之辨認。例如，在板狀外觀檢視設備（AOI 系統）及金屬製產品表面之不規則性檢視，較佳的是可將 形狀測量設備應用至焊接檢視。 <測量設備之整體架構> 夕气乐1圖將說明實 _ 構。第1圖不意地表示形狀測量設備之硬體架構圖。 /狀測量°又備大體上包含測量平台5、檢視頭.η 2 ::二：裝置6。照明裝置3、投影器2及相機(影像费 =安置：:=!視頭裝…測量光線 定之光咬圖安 上之量測目標4。投影器2將4 自上方拍攝：投射在量測目# 4之表面。相機1垂直* 二==目標4之影像。資訊處理裝…, .頭控制單元記憶體61、貯存裝置62、㈣ 照明裝置"〆輸入單疋“、投影器控制單元65 及顯示單元9早Γ6、平台控制單元67、使用… 測量平台：二Γ頭控制單元63…向中(… 台控制單元67在灯具=檢視頭Η移動之功能，且斗 功能。投影器控制單_ ;具有控制測量平台5移動之 影器2之投射圖宰的二具有控制照明及熄光或改變授 圖案的功能。照明裝置控制單元66具有控 -8 - 201229453 制照明褒置3照明及熄光（且當有需要時改變照明圖案） 之功能。影像輪入單元64具有自相機1擷取數位影像之 功能。使用者1/1? 68為由使用者所操作之輸入裝置。使 8包含指向裝置、觸控面板及鍵盤。測量结果 係顯不在顯示Λ ( 丁早το 69之銀幕上。例如，顯示單元69将 由液晶顯示器所形成。

本貫施例之形狀測量設備具有兩種測量功能，亦 狀冽量」及「測距」。本實施例之形狀測量H —、，為藉由組合由形狀測量功能所獲得之物體 表面的三維形狀及由測距功能所獲得之物體表面上 離(南度)資訊，簡易且準確地判定量測目標4 位置。在此情況中，藉由照明裝置3、相—機’广、 及為sfl處理梦番< jjy … 裝置6形成形狀測量功能，並藉由投 相機1及資邻泠？田壯$ γ , ' 貝Λ處理衷置ό形成測距功能。亦即， 測量功能中，儘f使用# , 在兩種 .(相機1)以j則量反射自量測目標4之光線。 】系統 / Μ _ ’檢視頭H與測量平台5相對移動 將董測目標4設置在所預定之測量位置（ 中為昭明贤$。> a ®之·貫例 (相機1與測量平台5之光轴的交 照明裝置3以測量光線照射量測目標4時 拍攝形狀測量之影像’且接著，投影器2投 尉， 以取得測距用影像。可以 ^ 案 次 相反順序執行形狀測量及、別 置6經由影像輸入單元64擷取由相機丨 =:影像，且在影像分析中使用該影像。將詳心 測莖功能之架構及處理。 &各 -9- 201229453 <形狀測量> 形狀測量功能為測量 種功能。在此情況中，由於妯：私表面之三維 量測目標，因此使用处構、f為金屬之鏡面 此 構式照明來測量物體 線，以此方法復原物體的妾& 勿體 姐的表面形狀。 (照明裝置） 如第1圖中所示，昭明驻 ,c …明袭置3為具有圓頂 光源，且整個圓頂狀為發光區。 口係分別設置在照明裝置3 影 j之頂點部與側部。 由圓頂狀之彩色遽光片並以白光在外部日召射量 之光源形成照明裝置3。替枚古4 代方式，可將複數4 片配置在圓頂内部以穿過漫射器板，照射量測 另一替代方式’液晶顯示器或有機顯示器可 狀以構成照明裝置3。 較佳的是，照明裝置3之發光區形成半球 使得所有方向之光線可照射至量測目標4。因 畺在所有方向之法線。然而，只要自相當於量 法線方向的位置以光線照射量測目標4，則發 成任何形狀。例如’在法線對表面之方位大致 直方向時，不需自水平方向（淺角度方向）以光 測目標4。 將光的放射設成在照明裝置3之發光區的 發出具有相異光譜分佈之光段。例如’在藉由 (R)、綠光（G)及藍光（B)之三種彩色光線成份以 時’如第2圖中所示，各RGB成份之發光強度 之相異方向作改變。在此情況中，改變之方向 形狀的_ 物體成為 表面之法 狀之表面 器2之開 例如，藉 測目標4 ϋ LED 晶 目標4。 形成圓頂 圓頂狀， 此’可測 測目標之 光區可形 侷限在垂 線照射量 所有位置 組合紅光 實現發光 在圓頂上 相對於彼 -10- 201229453 此係設為1 2 0度。藉由RGB成份之組合，在發光區中諸 位置之光的放射在RGB成份之組合上彼此相異。因此， 在所有位置發出具有相異光譜分佈之光段，且將光的放 射設成取決於入射方向，將具有相異光譜分佈（RGB之強 度比率）之光段射入至量測目標4。不僅可使用三種彩色 成份，而且還可使用三種或以上之彩色成份（彩色通道）。 第3A及3B圖表示第2圖中成份光束之一者的強度 變化（照明圖案）。第3 A圖為表示成份光束之一者之等色 (iso發光強度）線的立體圖。第3B圖為相當於第3A圖之 側視圖》如第3A及3B圖中所示，圓頂（半球）與通過圓 頂直徑之平面的交叉線會變成等色線。為方便起見，第 2與3A及3B圖表示RGB成份之每一者的發光強度係以 逐步方式（在第2與3A及3B圖中作八步驟的改變）作改 變。然而，實際上，成份光束之每一者的發光強度（亮度） 係連續地改變。設定發光強度之改變以便相對於角度呈 線性改變。更明確地說’假設Lmin為發光強度之最小值， Lmax為發光強度之最大值’ 61為由水平面（測量平台5) 與包含等色線之平面所形成的角度’設定等色線上之發 光強度 L(6>)以便滿足 L(0)= Lmin + (Lmax-Lmin)x(0/7ir) 之關係。如第3 A圖中所示’在界定「極點」時，6»構成 經度，且可表示本實施例之光源分佈（照明圖案）以便相 對於經度呈線性改變。以另替方式，假設中心軸為平行 於測量平台5之直線’其通過安置量測目標處之Ο點， 可將照明圖案表示成發光強度會相對於繞著中心軸之角 度0呈線性改變。 -11- .201229453 藉由利用具有上述光源分佈（照明圖案）之照明裝 置，僅自影像可測量量測目標之表面形狀（法線之方 位）。參考第4圖’將對此作說明。假設在量測目標4之 表面上某一點的法線具有箭頭N、天頂角0及方位角分 之方位。在此情況中，在照明裝置3之區域R中發出光 線且入射至量測目標4，且其影像係由相機丨所拍攝之 點的顏色變成反射自量測目標4之光線。因此，法線對 入射光線之表面及方向（照明裝置3之發光區位置）的方 位（0 ，0 )彼此一對一相關聯。因為自相異方向入射之 光段具有相異光譜分佈（在發光區的所有位置發出具有 相異光譜分佈之光段），藉由檢核所攝影像之顏色（光譜 分佈），可相對於天頂角及方位角兩者計算在該點之法線 的方位》 (法線計算及形狀復原） 參考第5及6圖，以下將說明與形狀測量相關之功 能及處理流程。第5圖為表示形狀測量設備之測量處理 流程之流程圖，且第6圖示意地表示測量處理之流程。 第5圖中所示之處理係以使得資訊處理裝置6之cpu 60 自貯存裝置62讀取程式以執行該程式的方式加以實 現。某些或所有功能區塊可藉ASIC或PLD(可程式化邏 輯裝置）形成。 CPU 60透過影像輸入單元64操取形狀測量用之影 像且計算在量測目標部位之每一像素中自形狀測量用之 影像所反射光線的光譜成份有關的特性量（步驟si〇)。在 本實施例中，因為照明裝置3投射其中組合紅光⑻、綠 201229453 光（G)及藍光（B)之三段成份光線的光線，故使用RGB比 率之成份為特性量。例如，最大亮度在Rgb成份之每一 者中係以1為標準，且可使用（r，G，B)之組合為特性量。 以另替方式，某一顏色（此情況中為…對另一顏色之比 率，例如，可使用R/(R + G)或B/(B + G)為特性量。 如上述，量測目標4之顏色，亦即，在步驟s丨〇中 、斤叶算之特性量及法線之方位彼此一對—相關聯。說明 法綠之方位與特性量之值相關聯的圖表係儲存在資訊處 ^裝置6之貯存裝置62中。已知其形狀之如球形物體的 象係由照明襄置3級相機1所拍攝’以先檢核法線與 寻性量之相關聯，其允許產生圖表。例如，在使用球形 體時’可檢核自所關注之像素中心的位置，以藉由計 。匈定法線之方位。然後，藉由計算在該位置之特性量， 可檢核法線之方位與特性量的相關聯。 在圖表中可說明法線與R G B值之相關聯、入射光線 :方向(天頂角及方位角)與特性量值之相關聯或入射光 之方向與RGB值之相關聯，而非法線與特性量值之相 :卩另替方式，當以幾何配置或與之類似者之方式 1定去線之方位與藉由相機丨所拍攝之光譜分佈之間的 關係時，可使用所制定之方程式計算法線。 旦CPU 6G以圖表及計算自輸人影像之特性量，計算在 目私4表面上之各點法線的方位（步驟$ 11)。第6圖 :(:)部分表示計算自半球形之量測目標4之影像法線圖 土貫例。藉由以單位向量例示在量測目標表面上各點之 去線，獲得該法線圖。 -13- 如上述，相移法 量。然而’在實際之 201229453 CPU 60將在步驟s 11中所獲得諸點的法線轉換為 度’且連接該等梯度以復原三維形狀（步驟S i 2)。在步 S10至S12中之處理稱為「整合第6圖之（b)部分表 復原自（a)部分之法線圖的形狀。依據該整合，可準確 復原鏡面物體表面的三維形狀。然而，藉由梯度之増讀 因僅計算在各點之相對高度’因此無法得知所復原之 個三維形狀的絕對高度（空間位置）。以下將說明互補 整合之測距功能。 <測距> 使用測距功能可測量量測目標表面之高度（離預 參考位置之距離）。在此情況中，藉由利用相移法，獲 量測目標表面上之點的高度資訊。 相移法係技術中之一者，其可將光紋圖案投射至 測目標的表面以分析由表面之不規則性所導致之圖案 形，藉以執行表面之三維測量。明確地說，在相移法中 當投射其亮度係隨物體表面以正弦波方式改變之光紋 案時，多次反覆拍攝物體表面之影像的處理以改變 度之相位，藉以獲得複數個彼此明度相異之影像。由 各影像之相同像素的明度（密度值）在光紋圖案改變的 同期間類似地改變，因此藉由對各像素之明度的改變 加正弦波可k知各像素之相位。藉由判定與預定參 位置之相位的相位差（如測量平台表面與平板表面）， 自參考位置計算出距離（高度）。 原則上不適用於鏡面物體之三維 鏡面物體中，漫射之反射成份係 梯 驟 示 地 :， 整 該 定 得 量 變 圖 亮 於 相 施 考 可 測 些 -14- 201229453 微包含在所反射之光線中，或者存在有方位朝向規則反 射方向之表面。因此’很少有可準確地測量高度之點的 存在。在本實施例中，因藉由法線之整合而獲得量測目 標4之三維形狀’使得測距時僅需準確地獲得物體表面 上有關至少一點（較佳是複數個點）之高度資訊。為了此 等目的’事實上可充分地使用相移法。 參考第5及6圖’以下將說明與測距及處理流程相 關之功能。 CPU 60經由影像輸人單元6⑽取測距㈣像（步驟 S20)。在此情況中，在光紋圖案之相位偏離冗/2時辦得 四個影像。CPU 60針對各像素之明度改變所施加的正弦 波，以判定各像素之相位（步驟S21)。第6圖之（c)部分 表示計算自半球形之量測目標4影像之相位圖的實例。 藉由以相同明度所例示《具有才目同相位之像素獲得該相 位圖。CPU 60接著以三角測量原理計算各像素離相位的 距離(高度)(步驟S22)e第6圖之⑷部分表示所獲得的測 距結果。纟與第6圖之⑻部分比較時，可發現由於變動 大’藉由相移所獲得之測距結果準確度低。 <空間位置之判定> 當經由上述處理獲得量測目標4的復原形狀及測距 結果時，藉由組合所復原形狀友測距結果，判定所復原 形狀之空間位置（高度卜明確地說，cpu 6〇執行自所有 像素之測距結果選取具高可靠度之測距結果（高度資訊） 的處理（步驟S30)。可使用表示像素之明度改變的X曲線與 正弦波之間吻合程度的痕線作為可靠度之評估指數。該 201229453 痕線為在步驟S 2 1中搜尋與像素之明度改變最佳吻合之 正弦波時所判定的值。在此情況中，僅選取其可靠度值 尚於預定臨界值之像素的測距結果。第6圖之部分表 不所選取之測距結果的實例。在與部分比較時，發現 變動大量縮減。可靠度之評估指數不限於像素之明度改 變的曲線與正弦波之間吻合的程度，但可使用自明$改 變所判定之相位振幅或自規則反射成份之強度所判=的 值作為可靠度之評估指數。 C P U 6 0使用在步驟s 3 〇中所獲得之測距結果（高度 資訊設置量測目標4的復原形狀（步驟s3i卜在 况中藉由最小自乘法（least square method)，判定最佳 符口測距、.’。果之所復原形狀的z_方向位置。因此，如 6圖之⑴部分中所示’可固定量測目標4的三維形狀及 在本貫％例甲，係依據可靠度選取測距結果穴 訊）。然而，即借松祕 。义貝 吏依據所有測距結果或在測距結果1 線時執仃二維形狀之設置’在獲得實際上沒問題之準確 2於=:必需要。因此當執行選取時，評— ；專上述者，但可使用其任—評估指數。 C實施例之優勢> 依據本實施例 之咼度資訊與藉由 允許準確地測量鏡 觀測糸統（相機）為 地消除形狀測量結 之形狀測量設備， 形狀測量所判定之 面物體表面之三維 測距及形狀測量所 果與測距結果之間 將藉由測距所判定 復原形狀組合，其 形狀及空間位置。 共用，使得可有利 XY座標（影像座標） -16- 201229453 的設置。當在測距及形狀測量使用相異觀測系統時有 必要指明藉由測距所獲得之高度資訊表示在由形狀測量 所獲付之表面形狀之點處的高度，且其難於準確地執行 位置辨識處理。因此，極佳的是，自簡化處理及增進準 確度之觀點，可消除形狀測量結果與測距結果之間的調 準。而且，觀測系統之共用造就設備之迷你化及成本^ 減。 使用其中具有相異光譜分佈之光段係以所有入射角 方向入射之照明裝置3作為形狀測量之照明，使得相對 於天頂角分量及方位角分量僅能自一影像判定量測目標 4的法線方位。該影像僅須被拍攝一次，並藉由檢核其 中儲存法線與特性量之間之相關聯的圖表，即可計算法 線之方位，使得能簡易（以高速）測量量測目標4的表面 形狀。 在拍攝漫射物體（其反射率特性具有朗伯特 (Lambertian)特性之物體）之影像時，各種方向之入射光 段係混在影像中。在本實施例中，在照明裝置3之發光 區中，如第2圖中所示，三段RGB成份光線為等向（相 對於彼此為120度）改變，且三段RGB成份光線之改變 程f相等。因此’如第7圖中所示’自所有方位角方向 之每一種顏色之光線強度的總和在各顏色之任一天頂角 會變為相同。即使將所有天頂角整合成一體光線強度 的總和變成相同。因此，入射於被設置在漫射物體之垂 直方向之相機的RGB成份之光段具有相同強度，且以白 色反射光拍攝漫射物體之影像。亦即，當其影像的被拍 201229453 攝目標包含鏡面物體（量測目標）與漫射物體兩者時，可 測量鏡面物體之表面形狀，且好似以白光照射漫射物體 般，能拍攝漫射物體之影像。因此，例如，在執行焊接 檢視時，依據目標的顏色可檢視除焊接以外之目標（如板 子及ic)。 即使目標具有不均勻之反射率特性，藉由利用照明 裝置3仍可準確地執行測量。這將說明如下。如第8圖 中所示，入射至不具完美鏡面之物體之光線的反射光線 包含在規則反射方向為尖銳且狹窄的光線（鏡面尖峰 (spike))及散佈在偏離規則反射方向中的光線（鏡面瓣葉 (lobe))。鏡面瓣葉係指鏡面所反射光線之散佈，其係由 量測目標表面上之微不規則表面所致。當微面之方位波 動時’亦即’當表面粗造不平時’鏡面瓣葉之散佈增加。 另一方面，微面分布之波動降低時，量測目標表面接近 完美鏡面狀態。在本文中，反射率特性以規則反射方向 之偏離（角）及瓣葉對尖鋒之光線強度比表示。在具有不 均勻反射率特性之物體中’鏡面瓣葉之形狀依在各表面 位置之表面粗造度而變。在具有極粗造表面之物體中， 反射光線僅包含鏡面瓣葉。在此情況中，鏡面瓣葉與鏡 面尖峰之比率接近1，且幾乎無法彼此區別鏡面瓣葉與 鏡面尖峰。 由於鏡面瓣葉之散佈’所拍攝影像中之亮度值不僅 受到來自相當於物體表面位置之發光區（第4圖中之區域 R)的光線影響，且受來自發光區周圍的光線影響。亦即， 在具有粗造表面之物體中，来自相當於規則反射方向之 -18- 201229453 發光區的光線及來自周圍區的光線混合在一起，藉以觀 測異於完美鏡面之光譜特性。 在此等情況中，若執行照明使得來自周圍區域的光 線被消除以保持類似於完美鏡面之光譜特性，則類似於 完美鏡面之物體，可測量具有不均勻反射率特性之物體 或具有粗造表面之物體。為了實現具有不均勻反射率特 性之物體或具有粗造表面之物體的測量，原則上將照明 裝置3之光源分佈（照明圖案）設定如下。 明確地說，如第9圖中所示，假設Li(p, 0i，φί)自 入射角（0i，φί)之方向入射至測量ρ點之光源的輻射 量’則以下方程式適用於在ρ點之任一法線向量及在發 光區上之任一點對稱區Ω : [方程式1 ] 1 Jn Li ^ A)· f{p, θί, φ(, θ,., φΓ = kfLt (ρ, θΓ,φΓ) 其令Ρ為物體表面上之測量點’（θί，φί)為光源之 入射方向（Θ為天頂角分量且φ為方位角分量，此後相 同）’（Θγ，φΓ)為光源之光線的反射方向（相機之視線方 向）’ f為Ρ點之反射率特性，Q為反射率特性f中鏡面 瓣葉之面向立體角，且kf為輻射量之衰減率（取決於物 體表面之反射率特性）。 在本實施例之照明裝置3中，設定RGB成份光線之 每一光段者的發光強度以便相對於角度（經度）呈線性改 變（見第2圖與第3A及3B圖）。其中亮度相對於角度（經 度）呈線性改變的照明圖案為該方程式之大致解答之一 者。藉由重疊RGB成份光線之光段的圖案所獲得之照明 裝置3之照明圖案亦變成該方程式之大致解答。 -19- 201229453 藉由使用此等照明圖案可消除鏡面瓣葉之影 此將參考第10圖，自另一觀點作說明。第1 〇圖 度改變之方向的一維方向，在此亮度下獲得接近 光線’以便說明本實施例中照明圖案之效用。如3 中所示’僅考慮來自角度為a (規則反射方向）、 a + α及角度為a_a之位置的光段。假設來自角度 及a-oc之位置之光段的瓣葉係數σ彼此相同。假 裝置3之發光強度與角度成正比，且假設（a_a)L、 (a + a)L為角度係a_a、 a及a + a之位置之每一 發光強度。將反射自該三個點之光段組合為a(a aL + σ(& + a)L = (1 + 2o)aL，且發現來自周圍區 漫射光的影響被消除。在此情況中，儘管僅考慮 點’輕易了解的是來自周圍區光線之漫射光的全 被消除。對於RGB成份光線之每一光段同樣保持 則因此’ RGB顏色之發光強度比率所表示之特性 與完美鏡面反射者相同。因此，即使物體具有不 反射率特性，類似於完美鏡面反射，自一所拍攝 可準確地獲得量測目標的表面形狀。 在其中獲得理想效用之方向中作成以上說明 在其它方向之線性崩陷無法確切消除漫射反射之 在實際上無問題之範圍中可移除漫射反射之影響 <照明裝置之修飾> 如實施例之照明裝置中所使用者，將其中三 顏色之每一者的發光強度依據角度相對於彼此之 差120度使每一者中改變的圖案予以重疊。然而 響，且 表示亮 理想之 I 10圖 角度為 為a + a 設照明 aL 及 者中的 -oc) L + 光線之 a±a兩 體影響 •為真， 量變成 均勻之 之影像 。儘管 影響， 〇 種RGB 方向相 ’照明 -20- 201229453 圖案未侷限於此。例如，如第UA圖中 種顏色朝τ、朝右及朝左方向中改變之 中一種顏色在不同方向中改變的圖案。 遠需要依據角度而改變，但如第11B圖 之圖案為其中光線之發出係以一種顏色 句勻〜度而剩餘之兩種顏色依據角度 改變。 又 在以上實施例中，使用其中將具有 照明圖案重疊的照明裝置，僅藉由一次； :攝)即可復原目標之三維形狀。以另替 貫施例比較’冑管測量時間加長，藉由 種照明圖案以拍攝影像，且使用所獲得 原一維形狀。藉由此方法亦可獲得相同 拍攝影像而切換照明圖案時，如第11C 使用具有不同亮度分佈之複數個單色曰 況中，可使用單色相機）。 在以上實施例中，使用其中發光強 向之角度呈線性改變的照明圖案。然而 侷限於此。例如，如第12A及12B圖中 用其中發光強度在緯度方向呈線性改變 等照明圖案亦為方程式大致解答之一者 鏡面瓣葉之影響以檢測規則性地反射的 明裂置3之形狀並不限於為圓了 亦可使用如第1 3圖中所示之板狀。亦月 弧形之形狀。甚至在具有以上形狀之照 所示，像其中三 圖案，可組合其 三種顏色並非永 中所示，可使用 遍及整個表面為 在不同方向中作 不同顏色通道之 則量（照明及影像 方式，與以上之 依序照明至少兩 之多數影像可復 之復原結果。在 圖中所示，亦可 支明圖案（在此情 度相對於經度方 ，照明圖案並未 所示’較佳是使 的照明圖案。此 ，且可大致消除 光線。 頁狀（半球形），但 使用將該板彎成 明裳置3中，在 -2 1- 201229453 設定照明圖案使得在發光區之所有位置處，發光之光譜 分佈彼此相異時，藉由一次測量可復原量測目標4之三 維形狀。在第1 4 A圖之實例中，將其中發光強度朝右增 加之紅光（R)圖案、其中發光強度朝左增加之綠光（G)圖 案及其中發光強度朝上增加之藍光（B)圖案重疊。甚至在 此情況中，如第1 4 B圖中所示，藉由線性地改變依據各 圖案中之Θ角的發光強度，可大致消除鏡面瓣葉之影 響。在本文中，0角為繞著通過p點（配置量測目標所在 之點）之直線且平行於測量平台5的角度。以另替方式， 亦可將0表示為由平行於測量平台5之平面及在照明裝 置3與p點之發光區上通過is〇發光強度線（等色線）之平 面所形成的角度。 <其它修飾> 隹以上實施例

·- ，… ，、 » 一 V-Cm. VI 只要獲得物體表面上之高度資訊，可使用任一測距 較佳在θ其它者當中，自觀測系統(相機)之共用的觀點中， 行用其中藉由將光紋或網格圖案投射至物體以執 二，變形之影像分析來獲得高度資訊的測距 列距法包含，例， 此*種 可採用/ 光紋分析法等。不用說， 广分析法以外之測距法。例如，可使用其中使 ^、紅外線或超音波之測距感測器。在任一 藉：，Γ:二在物體表面上之至少-點處的高度時， 可且：由法線整合所獲得之高度資訊及所復 可判定三維形狀及位置。 y -22- 201229453 【圖式簡單說明】 第1 _為示意地表示形狀測量設備之硬體架構圖； 第2圖為表示在各以RGB照明裝置之發光區中的彩 色圖案之圖； 第3A及3B圖為說明在照明裝置之發光區中各以 RGB顏色變化之圖，其中第3A圖為立體圖，且第3B圖 為側視圖； 第4圖為說明量測目標表面之法線方位與發光區一 致之圖； 第5圖為表示測量處理流程之流程圖； 第6圖為示意地表示測量處理之流程圖； 第7圖為說明照明裝置之彩色圖案的作動圖； 第8圖為說明反射率之特性圖； 第9圖為用以說明入射光線及反射光線圖； 第 10圖為用以說明鏡面之瓣葉消除作用（lobe cancelling effect)圖； 第1 1 A至1 1 C圖為各表示照明圖案之修飾圖； 第1 2A及1 2B圖為各表示照明圖案之修飾圖； 第13圖為表示包含板狀照明裝置之形狀測量設備 的架構圖；以及 第1 4A及1 4B圖為用以說明板狀照明裝置之照明圖 案之圖。 【主要元件符號說明】 1 相機 2 投影器 -23- 201229453 3 照明裝置 4 量測目標 5 測量平台 6 資訊處理裝置 60 中央處理單元 61 記憶體 62 貯存裝置 6 3 檢視頭控制單元 64 影像輸入單元 65 投影器控制單元 66 照明裝置控制單元 67 平台控制單元 68 使用者介面 69 顯示單元 Η 檢視頭 -24-

Claims (1)

1. 201229453 七、申請專利範圍： 1. 一種形狀測量設備，係測量量測目標之三維形狀 設備包括： 照明裝置，係以光線照射被安置在平台上之 測目標； 成像裝置，係拍攝該量測目標之影像； 形狀計算裝置，係自影像計算在該量測目標 面上複數個點的法線方位，當該照明裝置以光線 該量測目標時，藉由該成像裝置執行成像，獲得影 該形狀計算裝置自該等法線之方位的計算結果計 量測目標表面的三維形狀； 測距裝置，係相對於該量測目標之表面上的 一點，測量離預定參考位置之距離；以及 判定裝置，係判定該量測目標之表面之三維 的空間位置，使用有關由該測距裝置所獲得之距 資訊，藉由該形狀計算裝置獲得該三維形狀。 2. 如申請專利範圍第1項之形狀測量設備，其中該 裝置包含投射裝置，該投射裝置將光紋（fringe)圖 網格圖案投射至該量測目標，且 該測距裝置藉由分析該量測目標之影像，計 量測目標之表面上之點的距離，在投射光紋圖案 格圖案時拍攝該量測目標之影像。 3. 如申請專利範圍第2項之形狀測量設備，其中該 裝置亦作為該測距裝置以其取得測距用影像的裝： ，該 該量 之表 照射 像， 算該 至少 形狀 離的 測距 案或 算該 或網 成像 -25- 201229453 4. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之形狀測量設 備，其中該照明裝置為表面光源，該表面光源包含具 有預定尺寸之發光區，且 自發光區中之位置所發出的光段（pieces of light) 在光譜分佈中彼此相異。 5. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之形狀測量設 備，其中該照明裝置為發光之表面光源，其中複數個 相異照明圖案係彼此重疊或依序的發出複數個照明圖 案，並設定該等照明圖案之每一者，使得發光強度相 對於繞著中心軸之角度呈線性變化，將平行於平台以 通過安置該量測目標之點的特定直線界定為中心軸。 6. —種用以測量量測目標之三維形狀的形狀測量方法， 該方法包括以下步驟： 以光線照射被安置在平台上之該量測目標； 在以光線照射該量測目標時，使該量測目標成像； 自在成像步驟中所獲得之影像計算在該量測目標 之表面上複數個點的法線之方位，且自計算結果計算 該量測目標之表面的三維形狀； 相對於該量測目標之表面上的至少一點，測量離 預定參考位置之距離；以及 判定該量測目標之表面之三維形狀的空間位置， 使用有關在測距步驟中所獲得之距離的資訊，在形狀 計算步驟中獲得該三維形狀。 -26-