TW201312080A - 非接觸式測量實物長度的方法 - Google Patents

Abstract

一種非接觸式量測實物三維尺寸的方法，包含一攝像裝置，主要由兩個平行光軸的照相鏡頭與數位影像感測器組成，該攝像裝置事先經過校正，取得其內部參數與外部參數；另由一觸控式螢幕，用以呈現兩個對應於數位影像感測器的畫面；步驟一、使用者只要於螢幕上第一畫面點選第一點，在第二畫面就出現一條epipolar線，使用者在該條epipolar線上，將對應點移動至正確的位置；步驟二、同樣的在第一畫面點選第二點，在第二畫面就出現一條epipolar線，使用者在該條epipolar線上，將對應點移動至正確的位置；步驟三、利用上述兩個步驟得到的特徵對應點，就可以估算出其三維座標，得到量測值。

Description

非接觸式測量實物長度的方法

本發明屬於量測技術，特別是指利用數位式雙鏡頭照相機或攝影機來進行非接觸式物品尺寸量測的技術。

習知量測物體尺寸的方法，主要是利用量尺如捲尺或布尺靠近或接觸待測物，其缺點就是對於太高或較遠，或是隔著障礙物的待測物無法接近時，就無法有效量測，對於這類非接觸式的尺寸量測要有效達成，常用雷射測距，或是利用土木量測的儀器與方法，此舉不但需要專業的訓練，而且儀器不便宜，也不適合由小到大的量測範圍；另外目前有所謂RGB-D的裝置，例如微軟公司的Kinect產品，採用紅外光投射器可取得室內某距離範圍(0.5-6米)的三維圖像，對於戶外陽光充足下容易受到陽光中的紅外線光譜干擾，不適用於戶外使用，另外其體積大，不易攜帶。綜上所述可知，實在需要一種簡單又容易使用的設備與方法，使用者只要憑直覺就可以進行非接觸的三維座標量測。基本上，不用帶著尺去量，也不用專業的設備，即可獲得待測物品的長度，也可用來丈量土地大小、房間大小、家具大小。最主要是可以一次拍攝，就可得到二維甚至三維的空間尺寸，非常方便，只要用數位式雙鏡頭相機拍攝完，再經一些簡單的設定與輸入程序，就可以得到這些數據。

本發明的目的之一，乃是可以有效利用雙鏡頭照相的方法配合三角幾何的運算，進行非接觸式量測。

本發明的目的之二，乃是可以在照明不佳或是氣候不佳時，可在室內與室外，藉由一般人就具有的優異辨識兩物體之間相似性的能力，來進行非接觸式量測。

本發明的目的之三，乃是透過依距離遠近與焦距調整分區事先完成的攝像器材內部與外部校正參數，利用雙鏡頭照相的方法配合三角幾何的運算，來達成可以對不同遠近的物體都施行精準量測其長度尺寸的方法。

本發明的目的之四，對於顯微鏡底下的微小物體尺寸量測乃是透過依距離深淺與焦距調整分區事先完成的內部與外部校正參數，利用雙鏡頭照相的方法配合三角幾何的運算，來達成可以對顯微鏡底下不同深淺的物體都施行精準量測其立體尺寸的方法。

雙鏡頭的立體量測技術，其主要概念就是利用兩個已經校正好的數位攝影機或數位相機，以下統稱為取相器或攝像裝置，去分別同時進行對同一物體的拍攝，之後利用特徵點作為兩張影像之對應點搜尋，然後利用三角幾何，透過取相器已知的內部與外部校正參數，帶入陣列運算式，得出兩對應點相對於取相器的空間座標，進一步將物體的某兩點的空間座標經過空間畢氏定理計算可得該物體之兩點的長度尺寸。這個技術的困難點，在於如何利用影像辨識的技術自動選出兩張影像之間的對應點，特別是光線不佳或不均勻，天候不佳，或是模糊不易辨認，或是受到遮蔽，或是相同特徵點過多等狀況下，自動量測取出特定距離。熟悉此技藝者皆知上述困難點，若是僅靠電腦視覺技術來克服，實際上幾乎是不太可能，即使電腦視覺能計算出數據，也常常是錯誤百出。本發明利用人類在辨識物體能力遠超過目前所知的電腦視覺技術的特點，來介入協尋與確認兩張影像中對應點的配對，可以完全解決上述電腦視覺辨識物體的不可靠問題。另一方面，人類普遍不佳的能力就是精準運算與絕對量測，這一點利用精準的雙鏡頭取相，精準的三角測距原理，事先精準的校正，取得其內部與外部校正參數，與精準快速的微處理器運算等電腦視覺的長處，可以輕易大幅改善。因此本發明藉由提供方便的人機介面，讓使用人只要透過觸控式螢幕的點選，即可以方便而直覺的在本發明下加以協尋與確認兩張影像中對應點的配對，並且指出想要量測物品尺寸的位置。之後交給微處理器去進行運算，獲得精準的尺寸輸出。

一種量測實物三維尺寸的裝置，如圖一所示，係包含外殼10，兩個平行光軸的照相鏡頭11與數位影像感測器12，事先經過校正；觸控式螢幕13，用以呈現兩個對應於數位影像感測器的畫面；記憶體14，用來儲存拍攝的影像；微處理器15、介面電路16等，以及實施本發明的影像處理軟體。

軟體處理的流程，如圖二所示。

步驟一20、使用者啟動本發明的雙鏡頭取相器，選擇欲量測的對象拍攝其影像；步驟二21、觀看觸控式螢幕顯示該拍攝的影像，判斷欲量測的對象其影像品質是否良好?亦即欲量測對象的尺寸位置是否在第一畫面與第二畫面都是可辨識的。若為否，則移動拍攝角度或位置，直到都是可辨識的為止；步驟三22、決定是否要即時量測?還是先加以儲存29，之後再來進行量測運算；若為是，則於觸控式螢幕顯示雙切割畫面的人機介面23。

步驟四24、使用者只要於觸控式螢幕上第一畫面點選第一點，系統在第二畫面就算出一條epipolar線，請使用者在該條epipolar線上，點選出正確對應點的位置；步驟五25、同樣的在第一畫面點選第二點，系統在第二畫面就算出一條epipolar線，請使用者在該條epipolar線上，點選出正確對應點的位置；步驟六26、利用上述兩個步驟得到的特徵對應點，就可以估算出其三維座標，得到量測值(誤差在0.1-1%之內)。

步驟七27、重複於同一組畫面上點選其他想量測長度的兩點，或是結束。

對於上述拍攝結果的儲存，也可以拿到個人電腦來進行事後的量測運算，只要在個人電腦安裝相同於該雙鏡頭相機的影像量測程式即可。而且也並非一定需要觸控式螢幕，一般螢幕配合滑鼠點選也可達到以觸控式螢幕點選的功效。

對於要量測高度較大的物體，可以讓照相機旋轉九十度，也就是直立拍攝，如此一來，可以讓本發明能拍攝的範圍更廣。

有關圖二之流程中的步驟六26其內部計算兩個對應點之XYZ座標時需要的考慮，此處將加以說明，對於不同距離的物體量測可以提供自動切換量測距離範圍60，如圖三所示，以下所稱之量測距離範圍是定義為XYZ座標之Z座標。由於使用者拍攝物體時並無法預估其位置或是與使用者之間的距離，因此系統必須能自行判斷代入哪個距離區段的校正參數才能獲得正確的長度量測值。

量測系統之自動切換量測距離範圍60功能的第一步驟61是提供對應於選擇焦距的內建內部與外部校正參數進行三角測距的演算。內部與外部參數的校正，可以事先在相機出廠前，進行不同焦距與距離的校正，並且以表格陣列形式分別儲存於系統記憶體之內，也就是該表格陣列內的每一分段焦距範圍有一組對應的內外部校正參數，這些正確的內外部校正參數即可以用來進行物品的長度尺寸量測運算。第二步驟62是找出計算所得距離與對應外部校正參數所在的量測距離範圍相符者，若計算所得距離。第三步驟63是將該組相符的外部校正參數用來進行物品的長度尺寸量測運算。

利用焦距可調的方法，亦即利用變焦功能將不同遠近的物體調整其大小進入本發明之雙鏡頭相機，需注意這兩個鏡頭的焦距要調整至相同，一般較佳的焦距選擇是使得待測物長度大小能落在最大成像的50-90%之間，較佳範圍是50-65%之間，以獲得較高的解析度，減少誤差，通過光學透鏡的公式X/Z=x/f來解釋，要讓X長度的物體在較遠距離之處Z，能有相同的成像大小x，必須提高焦距f，然則調整焦距必然改變雙鏡頭相機之內部校正參數，因此必須進行事先的校正程序，方法如下：如圖四所示，可製作不同大小的校正棋盤，例如小、中、大，先由小棋盤開始，將焦距由小到大分段成A、B、C、…等，量測距離的範圍由近到遠有多種分段的方式，例如：第1段距離區間(近距離)0.3、0.5、0.7、0.9 m；第2段距離區間(中距離)1-2-3 m；第3段距離區間(中遠距離)3-4-5 m；第4段距離區間(遠距離)5-20 m，…等。為增加解析度，一般而言，物體成像應該要符合70±25%的大小，因此上述之光學透鏡的公式X/Z=x/f告訴大家焦距與距離的配對可如圖四所示，也就是A焦距對映於第1段距離區間；B焦距對映於第2段距離區間；C焦距對映於第3段距離區間；其餘依此類推，在本發明之每一裝置出廠前按照圖四的規劃分別進行校正，將此校正參數加以儲存於雲端以及於該裝置內。用戶購買該裝置後即可按圖二與圖三的流程來使用。

若是影像感測器解析度為2000 x 2000，則每一畫素的解析度為最大量測長度的0.05%，例如量測範圍為20 m，則其誤差至少為10 mm。但是因為校正的誤差若是加入，則可能更為可觀，例如可能達到5-8畫素，若照相機僅具640畫素的解析度，則誤差可達到0.8%-1.25%，因此要降低誤差，可以進一步採用次像素的校正程序，以及次像素的特徵點搜尋方法，此部分的技術可以參考文獻Jensen,K.;Anastassiou,D.“Subpixel edge localization and the interpolation of still images” IEEE Transaction on Image Processing,,Vol.4,issue 3,1995,pp.285-295.或是Baojian Zhang,Linfeng Bai and Xiangjin Zeng,2010. A Novel Subpixel Edge Detection Based on the Zernike Moment. Information Technology Journal,9: 41-47.，在此不加贅述。

對於顯微鏡底下的微小物體尺寸量測乃是透過依距離深淺與焦距調整分區事先完成的內部與外部校正參數，利用雙鏡頭照相的方法配合三角幾何的運算，來達成可以對顯微鏡底下不同深淺的物體都施行精準量測其立體尺寸的方法。顯微鏡一般都配備數種不同倍率的物鏡與目鏡，也有許多軟體提供受測微小物體長度的量測。然則對於立體顯微鏡等儀器下的高景深的物體，在不同景深或是三維尺寸的量測，一般習知的立體顯微鏡偏重於利用雙桶或雙鏡頭顯微鏡達成立體影像的攝取，對於三維傾斜尺寸的量測並無法提供。對此本發明同樣可以提供立體顯微鏡等儀器下的高景深物體的尺寸量測，其主要程序與上述的實施步驟相似，在此不加贅述。

另外對於量測物體為曲面的情況，本發明仍可適用，系統程式可以針對曲面上所選擇的兩點，其間的曲線加以自動內插數點，分段根據相對臨近點之間視同特徵對應點，就可以估算出其三維座標，得到分段量測值，將各分段長度相加，即可得到其約略的曲線長度，這是假設小段弧長近似其對應的旋長。此應用對於量測人體的三維尺寸頗為有用，特別是對於訂製衣服或選購衣服時，不需布尺實際接觸身體，即可套量，只要受測者拍攝至少三個面向的影像即可，亦即受測者原地旋轉接受拍攝，或是拍攝者繞受測者拍攝即可。

實施例一

如圖五所示，乃是將兩個數位攝影機31按照所設定的角度與距離，安置於固定架32，其夾角為30度而鏡頭33的中心距為7.5公分，然後經由USB將其連接至一筆記型電腦如EEE PC，再利用影像量測程式擷取影像並將其作量測的動作。可以理解的事，目前行動電話其實也有雙鏡頭的機種問世，因此本發明的實施例並不以圖四所示為限，任何配備有雙鏡頭的取像裝置，皆在本發明涵蓋的範圍內。

其校正動作如下，必須先將兩個數位攝影機31做校正的動作，如圖六所示，先將校正板41與固定架32依照0.3、0.5、0.7、0.9 m各個距離擺設並依照各個角度將其拍攝影像，經過校正程式求出其個別內部參數與外部參數，就可進行量測的動作。

其量測動作如下，將待測物51隨意的擺放，用校正完成的兩個數位攝影機31，將其拍攝並將檔案傳輸至量測程式中，如圖七所示，螢幕上第一畫面點選第一點，系統在第二畫面就算出一條epipolar線，請使用者在該條epipolar線上，點選出正確對應點的位置，如圖八(A)所示；同樣的在第一畫面點選第二點，系統在第二畫面就算出一條epipolar線，請使用者在該條epipolar線上，點選出正確對應點的位置，如圖八(B)所示；利用上述兩個步驟得到的特徵對應點，就可以估算出其三維座標，得到量測值(誤差在1%之內)。為了顯示上述的量測的重複性與可行性，圖九與圖十顯示重複三次的量測結果。圖九的表格顯示在相同焦距下，將兩個特徵對應點分別以0.3、0.5、0.7、0.9 m的校正參數計算空間X,Y,Z座標，經過三次的量測，從圖九之結果可以得知其物距(Z座標，以粗體劃底線標出)全部都非常接近0.5 m，圖十也顯示採用0.5 m的校正參數，可獲得最小的尺寸量測誤差，約達到千分之二的結果。也就是說，本發明可以如圖九的運算，藉由物距的計算結果，選擇最靠近該物距的校正參數作為取得量測物體尺寸的根據(如圖十)。

雖然本發明已以一較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，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。

10．．．外殼

11．．．兩個平行光軸的照相鏡頭

12．．．數位影像感測器

13．．．觸控式螢幕

14．．．記憶體

15．．．微處理器

16．．．介面電路

31．．．數位攝影機

32．．．固定架

33．．．鏡頭

61．．．第一步驟

63．．．第三步驟

20．．．步驟一

21．．．步驟二

22．．．步驟三

23．．．步驟四

24．．．步驟五

25．．．步驟六

26．．．步驟七

41．．．校正板

51．．．待測物

60．．．自動切換量測距離範圍

62．．．第二步驟

圖一　係本發明較佳實施例的立體示意圖。

圖二　係本發明之非接觸量測物體尺寸之較佳實施例的軟體處理的流程。

圖三　係本發明針對不同距離的物體量測可以提供自動切換量測距離範圍之較佳實施的軟體處理的流程。

圖四　係本發明針對不同焦距與不同物距較佳組合關係圖。

圖五　係本發明較佳實施例的簡易架構圖。

圖六　係本發明實施例一的簡易校正示意圖。

圖七　係本發明實施例一的量測物體示意圖。

圖八　係本發明實施例一的兩畫面點選物體特徵點過程示意圖(A)點選第一點；(B)點選第二點。

圖九　係本發明實施例一的量測結果列表，代入不同距離取得的校正參數後，所計算得出的受測點座標。

圖十　係本發明實施例一的量測結果列表，根據圖九的座標點求出兩點的長度值。

10．．．外殼

11．．．照相鏡頭

12．．．數位影像感測器

13．．．觸控式螢幕

14．．．記憶體

15．．．微處理器

16．．．介面電路

Claims (10)

1. 一種非接觸式量測實物三維尺寸的方法，包含一攝像裝置，主要由兩個平行光軸的照相鏡頭與數位影像感測器組成，該攝像裝置事先經過校正，取得其內部參數與外部參數；另由一螢幕，用以呈現兩個對應於數位影像感測器的畫面；步驟如下：一、使用者將該攝像裝置對準欲量測的實物，使該實物成像於螢幕的兩畫面範圍中；二、使用者於螢幕上第一畫面點選第一點，在第二畫面就出現一條epipolar線，使用者在該條epipolar線上，將對應點移動至正確的位置；三、同樣的在第一畫面點選第二點，在第二畫面就出現一條epipolar線，使用者在該條epipolar線上，將對應點移動至正確的位置；四、利用步驟二與步驟三得到的特徵對應點，代入內部與外部校正參數，估算出其三維座標，得到量測值。
2. 如申請專利範圍第1項之量測實物三維尺寸的方法，其中的內部參數與外部參數乃是依照距離深淺分區校正。
3. 如申請專利範圍第2項之量測實物三維尺寸的方法，其中的內部參數與外部參數，進一步在不同分段焦距下，依照距離深淺分區校正。
4. 如申請專利範圍第1項之量測實物三維尺寸的方法，進一步針對不同距離的物體尺寸量測，調整焦距，係根據光學透鏡的公式X/Z=x/f來進行，提高焦距f讓X長度的物體在較遠距離之處Z，能有相同的成像大小x。
5. 如申請專利範圍第1項之量測實物三維尺寸的方法，其中校正參數的選擇是透過代入選定焦距下距離深淺分區的校正參數所求得的物距，選擇最靠近該物距的校正參數作為取得量測物體尺寸的根據。
6. 如申請專利範圍第1項之量測實物三維尺寸的方法，其中對於步驟一拍攝結果進行儲存，進一步拿到個人電腦來進行事後的量測運算，只要在該個人電腦安裝相同於該雙鏡頭相機的影像量測程式即可。
7. 如申請專利範圍第1項之量測實物三維尺寸的方法，其中的螢幕點選，為非觸控螢幕配合滑鼠或鍵盤點選，或觸控式螢幕點選兩者之一。
8. 如申請專利範圍第1項之量測實物三維尺寸的方法，進一步，對於量測物體為曲面的情況，系統程式可以針對曲面上所選擇的兩點，其間的曲線加以自動內插數點，分段根據相對臨近點之間視同特徵對應點，估算出其三維座標，得到分段量測值，將各分段長度相加，即可得到其約略的曲線長度。
9. 如申請專利範圍第7項之量測實物三維尺寸的方法，進一步應用於量測人體的三維尺寸，特別是對於訂製衣服或選購衣服時，只要受測者拍攝至少三個面向的影像，亦即受測者原地旋轉接受拍攝，或是拍攝者繞受測者拍攝。
10. 如申請專利範圍第1項之量測實物三維尺寸的方法，進一步應用於立體顯微鏡底下的微小物體尺寸量測，乃是透過依距離深淺與焦距調整分區事先完成的內部與外部校正參數，利用雙鏡頭照相的方法配合三角幾何的運算，來達成可以對立體顯微鏡底下不同深淺的物體都施行精準量測其立體尺寸的方法。