TW201813366A - 場景掃描方法及系統 - Google Patents

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Abstract

一種場景掃描方法及系統，包括：提供一特徵投影單元以在一場景中利用不可見光投影一特徵圖樣；提供一感測單元以擷取該場景及該特徵圖樣之資料；以及提供一處理單元以接收該感測單元所擷取之該場景及該特徵圖樣之資料。藉由本揭露之場景掃描方法及系統，可取得建構高品質三維模型所需的資料，且建構三維模型之工作可連續進行不中斷。

Description

場景掃描方法及系統
本揭露係有關一種場景掃描方法及系統，尤指一種可提供增進三維模型建構品質之資料的場景掃描方法及系統。
在現有技術中，通常是利用電腦將多張影像及其深度資訊來建構出三維場景模型。為了校準所建構的三維場景模型，可利用三維形狀或二維特徵進行校準。然而，利用三維形狀進行校準經常會受限於沒有形狀變化的困擾(例如平面)，利用二維特徵進行校準則容易受限於沒有特徵或重複性特徵的困擾，進而影響所建構出來的三維場景模型。
此外，在場景範圍大於感測器之視角時，必須分批掃描才能建構出整個場景的完整三維場景模型，而分批掃描時所取得的場景之深度資料，經常遭遇到深度資料中沒有特徵，而無法將各深度資料予以疊合的情形，影響後續三維場景模型的建構作業。
因此，現有技術中仍存在著因特徵要素而影響三維場景模型的建構之課題。
本揭露之一主要目的在於提供一種場景掃描方法，用於取得建構三維模型所需的資料，該方法包括：提供一特徵投影單元以在一場景中利用不可見光投影一特徵圖樣；提供一感測單元以擷取該場景及該特徵圖樣之資料；以及提供一處理單元以接收該感測單元所擷取之該場景及該特徵圖樣之資料。
本揭露之另一目的在於提供一種場景掃描系統，用於取得建構三維模型所需的資料，該系統包括：特徵投影單元，用以在一場景中利用不可見光投影一特徵圖樣；感測單元，用以擷取該場景及該特徵圖樣之資料；以及處理單元，用以接收該感測單元所擷取之該場景及該特徵圖樣之資料。
1‧‧‧場景掃描系統
11‧‧‧感測單元
111‧‧‧第一光學元件
112‧‧‧第二光學元件
12‧‧‧特徵投影單元
13‧‧‧處理單元
51、51’‧‧‧投影範圍
52、52’、52’’‧‧‧擷取範圍
S11~S13、S21~S26‧‧‧步驟
L1~L8‧‧‧平行線
C1~C4‧‧‧曲線
P1~P4、P11~12、P21~P23‧‧‧交點
θ 1~θ 4‧‧‧夾角
第1圖係為本揭露之場景掃描方法之第一實施例之步驟流程圖；第2圖係為本揭露之場景掃描方法之第二實施例之步驟流程圖；第3圖係為本揭露之場景掃描系統之系統架構圖；第4A圖係為本揭露所使用之特徵圖樣之示意圖；第4B圖係為第4A圖的部份放大示意圖；第5A圖係為本揭露之場景掃描方法中判斷是否轉動特徵投影單元之一情境示意圖；第5B圖係為本揭露之場景掃描方法中判斷是否轉動 特徵投影單元之另一情境示意圖；第5C圖係為本揭露之場景掃描方法中投影範圍移動之一情境示意圖；第6A圖係為本揭露之場景掃描方法中感測單元所擷取之第N幀特徵圖樣之一示意圖；以及第6B圖係為本揭露之場景掃描方法中感測單元所擷取之第N+1幀特徵圖樣之一示意圖。
以下藉由特定之具體實施例加以說明本揭露之實施方式，而熟悉此技術之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本揭露之其他優點和功效，亦可藉由其他不同的具體實施例加以施行或應用。
請同時參閱第1及3圖，本揭露之場景掃描系統1包括特徵投影單元12、感測單元11及處理單元13，而該場景掃描系統1用以完成本揭露之場景掃描方法。以下將一同說明本揭露之場景掃描系統1及方法的詳細內容。
於本揭露之場景掃描方法之第一實施例中，係先提供一特徵投影單元12，以在一場景中利用不可見光投影一特徵圖樣(步驟S11)。接著，再提供一感測單元11，以擷取該場景及該特徵圖樣之資料(步驟S12)，其中，該場景及該特徵圖樣之資料係包含深度資訊，有關特徵圖樣的詳細內容將詳述於後。在擷取該場景及該特徵圖樣之資料之後，提供一處理單元13以接收該感測單元11所擷取之該場景及該特徵圖樣之資料(步驟S13)。
於一實施例中，該處理單元13為包含處理器之硬體裝置，例如電腦、手機、平板電腦或設有處理器之電路板等。該處理單元13接收資料之方式可透過有線或無線連接來實現，例如透過USB線材連接，或藍芽、紅外線等無線連接方式，本揭露並不以此為限。
於一實施例中，該特徵投影單元12為可發出不可見光(如紅外線)的投影器，而該感測單元11包括二第一光學元件111及一第二光學元件112，其中，該二第一光學元件111所擷取之波長範圍與該特徵投影單元12一致，如此一來，該二第一光學元件111可以記錄該特徵投影單元12所投影的特徵圖樣。
於一實施例中，該二第一光學元件111分別為投影器與影像感測器之組合，亦即，該感測單元11可為主動式深度感測器之類型，例如超音波、雷射或結構光類型之深度感測器。
於另一實施例中，該二第一光學元件111皆為影像感測器之組合，亦即，該感測單元11為被動式深度感測器之類型。本揭露並不限制該感測單元11必須為主動式或被動式深度感測器。據此，因該二第一光學元件111所擷取之波長範圍與該特徵投影單元12一致，配合該二第一光學元件111所感測到的深度資訊，而可讓該特徵圖樣擁有3D座標之位置資訊。
再於一實施例中，為獲得彩色資訊的二維影像，該第二光學元件112可為RGB相機。另特徵投影單元12可架 設在一轉動機構(如轉盤)上，並以一控制器控制該轉動機構的方向，而得以實現轉動該特徵投影單元12之功能。
以下說明本揭露所使用之特徵圖樣之一實施例。請參閱第4A圖，本揭露所使用的特徵圖樣係由複數條平行線L1、L2、L3、L4、L5、L6、L7、L8以及複數條曲線C1、C2、C3、C4所構成，該複數條平行線與該複數條曲線形成有複數個交點，其中，該複數條曲線C1、C2、C3、C4係以同一中心點為對稱中心所形成者(例如形成圓形)，且該複數條曲線C1、C2、C3、C4的曲率皆不為零。又該複數條平行線L1、L2、L3、L4、L5、L6、L7、L8的斜率亦不限制。本揭露所揭露之特徵圖樣(如第4A圖所示)實際上為一具備點對稱性質的特徵圖樣。
請進一步參閱第4B圖，平行線L1與曲線C1將形成交點P1，平行線L2與曲線C1將形成交點P2，以此類推。由於該複數條曲線的曲率皆不為零，因此，該複數條曲線C1、C2、C3、C4與該複數條平行線L1、L2、L3、L4之間的夾角(如θ 1~θ 4)彼此將不一致，使得搭配夾角θ 1~θ 4後的交點P1~P4在作為感測單元所擷取之特徵點時，不會有重複特徵點的問題。也就是說，以交點P1~P4作為特徵點進行擷取時，可搭配夾角θ 1~θ 4來對每個交點P1~P4進行識別，由於各夾角θ 1~θ 4皆不相同且不會因為投影範圍的大小而改變，故各交點P1~P4不會因為重複而無法識別其位置資訊，據此可增加特徵點比對的精確度。本揭露並不限制平行線、曲線之數量，亦不限制特徵圖樣 僅能形成如第4A圖所示之圖樣。
請同時參閱第2及3圖，說明本揭露利用場景掃描系統1執行場景掃描方法之另一實施例。首先，提供一特徵投影單元12，以在一場景中利用不可見光投影一特徵圖樣(步驟S21)。接著，再提供一感測單元11，以擷取該場景及該特徵圖樣之資料(步驟S22)。在擷取該場景及該特徵圖樣之資料之後，提供一處理單元13以接收該感測單元11所擷取之該場景及該特徵圖樣之資料(步驟S23)。
該處理單元13在接收該場景及該特徵圖樣之資料後，可計算該感測單元11所擷取該場景之擷取範圍是否超出該特徵投影單元12所投影該特徵圖樣之投影範圍(步驟S24)，以決定是否轉動該特徵投影單元12。若是超出該特徵投影單元12所投影該特徵圖樣之投影範圍，則進至步驟S26，轉動特徵投影單元12，之後再回到步驟S21重新在一新的場景中利用不可見光投影該特徵圖樣，以供該感測單元11繼續擷取新的場景及該特徵圖樣之資料。若非超出該特徵投影單元12所投影該特徵圖樣之投影範圍，則進至步驟S25，不轉動特徵投影單元12，並使處理單元13開始建構三維模型。以下將進一步說明轉動該特徵投影單元12之判斷機制。
請一併參閱第5A、5B圖，特徵投影單元12係在一場景中投影一特徵圖樣，形成了投影範圍51，而感測單元11在該場景具有擷取範圍52。如第5A圖所示，擷取範圍52完全落在投影範圍51內，此時還不需要轉動特徵投影單元 12。當感測單元11之擷取範圍52逐漸移動，而有部份擷取範圍52不在投影範圍51內時，如第5B圖所示的擷取範圍52’，亦即，擷取範圍52’超出投影範圍51，此時要轉動該特徵投影單元12(如同轉動投影範圍51)，使得擷取範圍52’能再落在投影範圍51內。
處理單元13判斷並控制轉動該特徵投影單元12的機制(亦可稱為感測單元11與特徵投影單元12之間的同步機制)，係以投影範圍51內特徵圖樣中的複數交點在擷取範圍52、52’的數量及位置來決定。請進一步同時參閱第5A、5B、6A、6B圖，假設第N幀(frame)的擷取範圍52內的特徵圖樣為第6A圖所示；在第5A圖中的擷取範圍52移動至如第5B圖中的擷取範圍52’時，此時第N+1幀的擷取範圍52’內的特徵圖樣為第6B圖所示。由於各交點P11、P12、P21、P22、P23的夾角不一致，各交點的位置資訊將不會重複，因此處理單元13在可輕易比較前後幀中的交點資訊，以決定是否得轉動該特徵投影單元12。例如，從第6A圖中的五個交點P11、P12、P21、P22、P23變成第6B圖中的三個交點P11、P21、P22，從數量的變化可判斷出擷取範圍52’超出投影範圍51，故要轉動該特徵投影單元12。交點數量的變化僅為是否要轉動特徵投影單元12之一實施例，本揭露當可再利用交點的其他特性來判斷是否要轉動特徵投影單元12(例如已設定特定交點為投影範圍的邊界或特定位置等)，或是以擷取範圍52’在投影範圍51內所佔的比例值來進行判斷(例如低於50%時即 可同步)，本揭露並不以此為限。
在決定要轉動該特徵投影單元12時，此時處理單元13需要計算轉動該特徵投影單元12所需的角度及方向。首先說明方向的判斷，如第6A、6B圖所示，可採用光流法(optical flow)來判斷交點P11、P12、P21、P22、P23的移動方向。在第6A、6B圖中可知，交點P11、P21、P22的移動方向為向左(即第5A、5B圖中擷取範圍52、52’的移動方向為向右)，此時即可得知特徵投影單元12的轉動方向應為向右。
在轉動角度的計算上，以水平轉動為例，假設特徵投影單元12的視野(field of view)角度為α，特徵投影單元12所投影出來的特徵點(即交點)在水平方向上的數量為n，據此可知特徵點間距離的角度為α/n。假設擷取範圍51中的特徵點數量為m，如第5C圖所示，在特徵投影單元12轉動要跨越整個特徵圖樣到另一對稱端(即投影範圍51移動到投影範圍51’)時，要跨越的特徵點數量為n-2m，因此，特徵投影單元12要轉動的角度即為(n-2m)*(α/n)。又如以感測單元11在該水平方向上擷取到的特徵點數量判斷所需移動的特徵點數量為m時，即可得特徵投影單元12的轉動角度為m*(α/n)。上述計算方式僅為本揭露之其一實施例，本揭露並不以此為限，且本揭露並不限制只能水平轉動，垂直、斜向之轉動亦可應用於本揭露。
在步驟S24中，處理單元13可一直計算該擷取範圍是否超出該投影範圍，直到完成擷取整個場景及特徵圖樣之 資料，此時，即可進至步驟S25，該處理單元13係根據該特徵圖樣之資料，將該場景之資料進行校準與疊合，以建構該三維模型。
在三維模型的建構作業中，特徵投影單元12會一直投影特徵圖樣，而感測單元11會在每幀中持續地擷取該場景及該特徵圖樣之資料，並將該場景之深度資料轉換成點雲(point cloud)。詳如前述，由於本揭露之特徵圖樣中的交點(即特徵點)不會重複，因此可將每幀中特徵圖樣的特定交點(如第6B圖中的交點P11)與前一幀中相同特定交點(如第6A圖中的交點P11)來進行校準與疊合，亦即將前後幀的點雲進行校準與疊合。
如遇到步驟S25中必須轉動特徵投影單元12之情形時，在轉動該特徵投影單元12之前先暫停該感測單元11之運作，而在完成轉動該特徵投影單元12之後再恢復該感測單元11之運作，並將轉動該特徵投影單元12之前與之後該感測單元11所分別擷取之該場景及該特徵圖樣之資料(如暫停前後之第N幀與第N+1幀的點雲)，依據該特徵圖樣來進行匹配，以得到該場景之連續性資料。
在處理單元13得到該場景之連續性資料之後，因為連續性地三維模型之建構會產生累積誤差，故可利用處理單元13針對該場景之連續性資料進行最佳化，如採用光束平差法(bundle adiustment)之演算法來最佳化點雲，以消除累積誤差而可獲得更為精確的三維模型。本揭露並不以此演算法為限，任何最佳化點雲之演算法皆可應用至本揭露。
藉由本揭露之場景掃描方法及系統，可利用不可見光投影之特徵圖樣，令感測單元同時擷取場景及特徵圖樣之資料，而可使處理單元依據該些資料得以控制特徵投影單元是否轉動及轉動角度與方向。此外，該不可見光投影之特徵圖樣更可幫助前後幀的點雲進行校準與疊合，使得建構該場景之三維模型的資料能夠更為精確且連續，有效增進三維模型建構品質。
上述實施形態僅為例示性說明本揭露之技術原理、特點及其功效，並非用以限制本揭露之可實施範疇，任何熟習此技術之人士均可在不違背本揭露之精神與範疇下，對上述實施形態進行修飾與改變。然任何運用本揭露所教示內容而完成之等效修飾及改變，均仍應為下述之申請專利範圍所涵蓋。而本揭露之權利保護範圍，應如下述之申請專利範圍所列。

Claims (18)

  1. 一種場景掃描方法，用於取得建構三維模型所需的資料，該方法包括：提供一特徵投影單元以在一場景中利用不可見光投影一特徵圖樣；提供一感測單元以擷取該場景及該特徵圖樣之資料；以及提供一處理單元以接收該感測單元所擷取之該場景及該特徵圖樣之資料。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之場景掃描方法，其中，該特徵圖樣係由複數條平行線、複數條曲線及其複數交點所構成，且其中，該複數條曲線係以同一中心點為對稱中心且其曲率皆不為零。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之場景掃描方法，其中，該處理單元更計算該感測單元所擷取該場景之擷取範圍是否超出該特徵投影單元所投影該特徵圖樣之投影範圍，當該擷取範圍超出該投影範圍時，轉動該特徵投影單元，以使該擷取範圍落在該投影範圍內。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之場景掃描方法，其中，該處理單元計算該擷取範圍是否超出該投影範圍及轉動該特徵投影單元所需的角度及方向，係以該特徵圖樣中的該複數交點在該擷取範圍內之數量及位置來決定。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之場景掃描方法，其中，該感測單元更包括二第一光學元件及一第二光學元件，且 該二第一光學元件所擷取之波長範圍與該特徵投影單元一致，該第二光學元件為RGB相機。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之場景掃描方法，其中，該二第一光學元件分別為投影器與影像感測器之組合，或該二第一光學元件皆為影像感測器之組合。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之場景掃描方法，更包括產生三維模型之步驟，該處理單元係根據該特徵圖樣之資料，將該場景之資料進行校準與疊合，以取得該三維模型。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之場景掃描方法，其中，進行校準與疊合之步驟，係在轉動該特徵投影單元之前先暫停該感測單元之運作，而在完成轉動該特徵投影單元之後再恢復該感測單元之運作，並將轉動該特徵投影單元之前與之後該感測單元所分別擷取之該場景及該特徵圖樣之資料，依據該特徵圖樣來進行匹配，以得到該場景之連續性資料。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之場景掃描方法，其中，利用該處理單元針對該場景之連續性資料進行最佳化，以消除累積誤差而獲得更精確之該三維模型。
  10. 一種場景掃描系統，用於取得建構三維模型所需的資料，該系統包括：特徵投影單元，用以在一場景中利用不可見光投影一特徵圖樣；感測單元，用以擷取該場景及該特徵圖樣之資料； 以及處理單元，用以接收該感測單元所擷取之該場景及該特徵圖樣之資料。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之場景掃描系統，其中，該特徵圖樣係由複數條平行線、複數條曲線及其複數交點所構成，且其中，該複數條曲線係以同一中心點為對稱中心且其曲率皆不為零。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之場景掃描系統，其中，該處理單元更計算該感測單元所擷取該場景之擷取範圍是否超出該特徵投影單元所投影該特徵圖樣之投影範圍，當該擷取範圍超出該投影範圍時，轉動該特徵投影單元，以使該擷取範圍落在該投影範圍內。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之場景掃描系統，其中，該處理單元計算該擷取範圍是否超出該投影範圍及轉動該特徵投影單元所需的角度及方向，係以該特徵圖樣中的該複數交點在該擷取範圍內之數量及位置來決定。
  14. 如申請專利範圍第10項所述之場景掃描系統，其中，該感測單元更包括二第一光學元件及一第二光學元件，且該二第一光學元件所擷取之波長範圍與該特徵投影單元一致，該第二光學元件為RGB相機。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之場景掃描系統，其中，該二第一光學元件分別為投影器與影像感測器之組合，或該二第一光學元件皆為影像感測器之組合。
  16. 如申請專利範圍第10項所述之場景掃描系統，其中， 該處理單元係根據該特徵圖樣之資料，將該場景之資料進行校準與疊合，以取得該三維模型。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之場景掃描系統，其中，該處理單元係在轉動該特徵投影單元之前先暫停該感測單元之運作，而在完成轉動該特徵投影單元之後再恢復該感測單元之運作，並將轉動該特徵投影單元之前與之後該感測單元所分別擷取之該場景及該特徵圖樣之資料，依據該特徵圖樣來進行匹配，以得到該場景之連續性資料。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之場景掃描系統，其中，該處理單元能針對該場景之連續性資料進行最佳化，以消除累積誤差而獲得更精確之該三維模型。
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