TW202009444A - 三維掃描系統 - Google Patents
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Abstract
一種三維掃描系統，包含投射光源、影像擷取裝置及訊號處理裝置。投射光源用以對一標的物投射二維光，其中二維光具有一空間頻率。影像擷取裝置擷取照射有二維光的標的物的影像。訊號處理裝置耦接投射光源與影像擷取裝置，以分析二維光影像的清晰度，若二維光影像的清晰度低於一需求標準，則降低二維光的空間頻率。
Description
本發明係有關於一種掃描系統，特別是關於一種三維掃描系統。
三維掃描主要用於對標的物進行掃描，以獲得該標的物的表面空間座標，是目前三維建模的主要方式。三維掃描方式可分為接觸式及非接觸式，以非接觸式最為廣泛使用。而在非接觸式光學測量中，往往因為鏡頭的景深特性，造成掃描範圍受到限制。為了克服此限制，對於較大標的物的三維掃描，有人採取分段掃描的方式。然而，此種方式多了將掃描後的結果進行拼接的後續動作。又，若標的物表面具有易反光材質，容易對三維掃描造成干擾。
有鑑於此，本發明提出一種三維掃描系統，包含投射光源、影像擷取裝置及訊號處理裝置。投射光源用以對一標的物投射二維光，其中二維光具有一空間頻率。影像擷取裝置擷取照射有二維光的標的物的影像。訊號處理裝置耦接投射光源與影像擷取裝置，以分析影像的清晰度，若影像的清晰度低於一需求標準，則降低二維光的空間頻率。
本發明另提出一種三維掃描系統，包含投射光源、影像擷取裝置及訊號處理裝置。投射光源用以對一標的物投射二維光，二維光循時由第一圖案變換為第二圖案。影像擷取裝置分別擷取照射有第一圖案的標的物的一第一影像及照射有第二圖案的標的物的一第二影像。訊號處理裝置耦接投射光源與影像擷取裝置，並交互參照第一影像與第二影像以生成三維模型。
綜上所述，根據本發明之實施例所提出的三維掃描系統，能視需求調整二維光的空間頻率，以改善獲取影像的清晰度，能適用於掃描不同高度的標的物。此外，透過投射不同圖案特徵的二維光，能對易反光的標的物進行掃描。
參照圖1，係為本發明一實施例之三維掃描系統之示意圖。三維掃描系統包含投射光源100、影像擷取裝置200及訊號處理裝置300。
投射光源100用以對一標的物（圖未示）投射二維光L。投射光源100可包含一個或多個投影裝置。所述二維光L是指能在二維空間上投射形成一照射範圍。二維光L具有一空間頻率（或稱空間解析度），也就是說，二維光L包含在每單位長度上重複出現的相同幾何結構，重複的頻率即為空間頻率。如圖1所示，二維光L能在一平面上投射出一四邊形照射範圍，此四邊形照射範圍中出現重複的明暗條紋。
影像擷取裝置200可擷取照射有該二維光L的標的物的影像。影像擷取裝置200可包含一個或多個攝影鏡頭，所述攝影鏡頭可為感光耦合元件（CCD）或互補性氧化金屬半導體（CMOS）影像感應器。
一個或多個投影裝置與一個或多個影像擷取裝置200可透過時序安排配合運作。例如，投射光源100包含二投影裝置時，第一個投影裝置輸出二維光L的同時，一個或多個攝影鏡頭同步擷取畫面；第二個投影裝置輸出另一個二維光L的同時，一個或多個攝影鏡頭同步擷取畫面。
訊號處理裝置300耦接投射光源100與影像擷取裝置200，用以控制投射光源100並取得前述影像，以對影像進行分析，並根據影像利用三角測距原理回推得深度資訊，據以生成該標的物的三維模型。訊號處理裝置300可為具有運算能力的計算機裝置，如電腦，其包含用以執行前述演算的處理器、儲存該演算程式碼的儲存媒體等電子器件、記憶體等。
參照圖2至圖4，以焦距為50毫米、光圈為F/4、放大率為-0.3x的鏡頭為例，圖2為投射光源100於焦平面的調制轉換函數（MTF）圖，圖3為投射光源100離焦靠近一公分處的調制轉換函數圖，圖4為投射光源100離焦遠離一公分處的調制轉換函數圖。可以看到，空間頻率的頻率愈高，影像清晰度愈容易受離焦距離影響。
參照圖5至圖7，分別為不同空間頻率在不同的位置的量測結果。當輸入弦波訊號給投射光源100輸出，使其輸出明暗間隔的二維光L。如圖5所示，線A為焦平面的量測結果，線B為距離焦平面5公分的量測結果，線C為距離焦平面10公分的量測結果。縱軸為量測到的訊號幅值（於此是經過正規化處理後的數值，故以百分比呈現），橫軸為空間長度。可以看到，當空間頻率較高時，離焦平面愈遠所量測到的影像愈不清晰。再將圖5對照圖6與圖7，可以看到，當空間頻率降低時，即便是在偏離焦平面的位置，亦能量測到足夠清晰的影像。
由上述量測結果可以知道，透過降低空間頻率，能夠使得量測範圍由不清晰轉移至足夠清晰而可辨識。因此，訊號處理裝置300在獲取影像擷取裝置200擷取的影像之後，會先分析該影像的清晰度。若影像的清晰度低於一需求標準，則降低二維光L的空間頻率，藉以提昇影像清晰度。在一些實施例中，訊號處理裝置300自行降低空間頻率，再檢測降低空間頻率後的影像是否符合該需求標準，若仍不符合，則再次降低空間頻率。在一些實施例中，由操作人員操作訊號處理裝置300指定空間頻率的下降數值。
在一些實施例中，二維光L的空間頻率保持在單一頻率。
在一些實施例中，二維光L的空間頻率是可變化的，而為一頻率組合，該頻率組合是循時改變不同的空間頻率。參照圖8，係為本發明一實施例之頻率組合示意圖。在此示意二維光L可依序的由一個明區域Z1及一個暗區域Z2組成的二維光L1，變化為由交替的二個明區域Z1與二個暗區域Z2組成的二維光L2，再變化為由交替的四個明區域Z1與四個暗區域Z2組成的二維光L3。如此，可對照射範圍進行空間編碼，據以對照射範圍內的每個位置進行追蹤。於此，所述明、暗區域的交界可為清晰或漸變。
在一些實施例中，可依次輸出不同空間頻率的二維光L，並配合影像擷取裝置200擷取對應的影像，訊號處理裝置300自行於所擷取到的該些影像中挑選出合適空間頻率的影像。例如，對於具有高低起伏不定的標的物，因較高位置的地方離焦，因此不採用最高空間頻率的影像。
圖9為本發明另一實施例之頻率組合示意圖。對照圖8，圖8是按照第一方向k1上間隔發光的方式產生，圖9是按照第二方向k2上間隔發光的方式產生。
在一些情形下，標的物表面可能具有高反光性材質，容易影響三角測距算法的結果。因此，在一些實施例中，二維光是循時由一第一圖案變換為一第二圖案。例如，第一圖案為如圖8所示以第一方向k1上間隔發光方式產生具有一空間頻率的明暗間隔圖案，第二圖案為如圖9所示以第二方向k2上間隔發光方式產生具有一空間頻率的明暗間隔圖案。第一圖案與第二圖案的空間頻率可以相同，但本發明的實施例不限於此。影像擷取裝置200分別擷取照射有第一圖案的標的物的一第一影像及照射有第二圖案的標的物的一第二影像。訊號處理裝置300交互參照第一影像與第二影像，對照兩個影像中標的物的同一位置所對應的計算結果，若結果不同，則將之去除，僅留下具有實質相同或接近的計算結果，缺少的部份可透過差值法補足，以生成三維模型。
在一些實施例中，第一圖案與第二圖案的空間頻率是不同的。
參照圖10，係為本發明另一實施例之第一圖案P1與第二圖案P2的示意圖。於此要說明的是，前述第一方向k1與第二方向k2不必然為垂直與水平方向。第一方向k1與第二方向k2亦可以是其他方向，如±45度。但本發明亦不限制第一方向k1與第二方向k2之間的夾角θ必然是90度，亦可為其他角度，即第一方向k1與第二方向k2的夾角θ在0度至180度的範圍內，且不為0度、90度或180度。換言之，於一些實施例中，投射光源100包含二維排列的複數發光單元110，此些發光單元110可為正方形，亦可為其他形狀，如菱形。在此，所述第一方向k1與第二方向k2的方向與夾角是指投射光源100輸出的二維光在出光面上的第一方向k1與第二方向k2的方向與夾角。
綜上所述，根據本發明之實施例所提出的三維掃描系統，能視需求調整二維光L的空間頻率，以改善獲取影像的清晰度，能適用於掃描不同高度的標的物。此外，透過投射不同圖案特徵的二維光，能對易反光的標的物進行掃描。
100‧‧‧投射光源
110‧‧‧發光單元
200‧‧‧影像擷取裝置
300‧‧‧訊號處理裝置
A、B、C‧‧‧線
L、L1、L2、L3‧‧‧二維光
Z1‧‧‧明區域
Z2‧‧‧暗區域
P1‧‧‧第一圖案
P2‧‧‧第二圖案
k1‧‧‧第一方向
k2‧‧‧第二方向
θ‧‧‧夾角
[圖1]為本發明一實施例之三維掃描系統之示意圖。 [圖2]為投射光源於焦平面的調制轉換函數圖。 [圖3]為投射光源離焦靠近一公分處的調制轉換函數圖。 [圖4]為投射光源離焦遠離一公分處的調制轉換函數圖。 [圖5]為不同空間頻率在不同的位置的量測結果（一）。 [圖6]為不同空間頻率在不同的位置的量測結果（二）。 [圖7]為不同空間頻率在不同的位置的量測結果（三）。 [圖8]為本發明一實施例之頻率組合示意圖。 [圖9]為本發明另一實施例之頻率組合示意圖。 [圖10]為本發明另一實施例之第一圖案與第二圖案的示意圖。
100‧‧‧投射光源
200‧‧‧影像擷取裝置
300‧‧‧訊號處理裝置
L‧‧‧二維光
Claims (9)
- 一種三維掃描系統，包含： 一投射光源，用以對一標的物投射一二維光，其中該二維光具有一空間頻率； 一影像擷取裝置，擷取照射有該二維光的該標的物的影像；及 一訊號處理裝置，耦接該投射光源與該影像擷取裝置，以分析該影像的清晰度，若該影像的該清晰度低於一需求標準，則降低該二維光的該空間頻率。
- 如請求項1所述之三維掃描系統，其中該二維光的該空間頻率為單一頻率。
- 如請求項1所述之三維掃描系統，其中該二維光的該空間頻率為一頻率組合，該頻率組合是循時改變不同的空間頻率。
- 如請求項1所述之三維掃描系統，其中該二維光循時由一第一圖案變換為一第二圖案，該影像擷取裝置分別擷取照射有該第一圖案的該標的物的一第一影像及照射有該第二圖案的該標的物的一第二影像，該訊號處理裝置交互參照該第一影像與該第二影像，以生成一三維模型。
- 如請求項4所述之三維掃描系統，其中該投射光源具有一二維排列的發光單元，該第一圖案是按照第一方向上間隔發光的方式產生，該第二圖案是按照第二方向上間隔發光的方式產生。
- 一種三維掃描系統，包含： 一投射光源，用以對一標的物投射一二維光，該二維光循時由一第一圖案變換為一第二圖案； 一影像擷取裝置，分別擷取照射有該第一圖案的該標的物的一第一影像及照射有該第二圖案的該標的物的一第二影像；及 一訊號處理裝置，耦接該投射光源與該影像擷取裝置，並交互參照該第一影像與該第二影像以生成一三維模型。
- 如請求項6所述之三維掃描系統，其中該投射光源具有一二維排列的發光單元，該第一圖案是按照第一方向上間隔發光的方式產生，該第二圖案是按照第二方向上間隔發光的方式產生。
- 如請求項7所述之三維掃描系統，其中該第一方向與該第二方向的間的夾角為90度。
- 如請求項7所述之三維掃描系統，其中該第一方向與該第二方向之間的夾角在0度至180度的範圍內，且不為0度、90度或180度。
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