TWI388797B - Three - dimensional model reconstruction method and its system - Google Patents

Description

三維模型重建方法及其系統

本發明是有關於一種三維模型重建技術，特別是指一種依據目標區域調整光源色彩與解析度之三維模型重建方法及其系統。

近年來，科技的進步使得光電檢測領域更加重要；在以機器視覺方式自動獲取三維資訊的研究中，結構光學法是較為準確的一種三維資訊擷取方式。

結構光學法通常是利用不同形式的遮罩放置在光源前面，而將不同的光學樣型(light pattern)投射至物體的表面；目前已有許多相關專利：如美國專利公告號US5,675,407中所揭露，係使用菱鏡分光，然後利用不同折射的波長光譜而產生彩色光投射物體，但其投射的範圍及色彩固定；又，如美國專利公告號US6,853,458中所揭露，係固定彩色條紋光，增加投射結構光學樣型的顏色，配合物體或投射器的移動來得到物體三維資訊，但其可能因為物體表面顏色而產生辨識編碼上的誤差。

上述使用結構光學法來重建三維模型的習知技術，已具有相當的精確度；但其對於具有多重顏色的物體，仍有辨識不清的疑慮，而且，無法針對物體的細部調整適當的解析度，造成部份重建資料的不完整；另一方面，習知技術需要擷取多組影像以獲得足夠的表面資訊，其處理之資料量較為龐大，對於即時(real time)的應用而言，處理速 度略嫌緩慢；因此，有必要尋求一解決之道，以改善上述缺點。

因此，本發明之目的，即在提供一種三維模型重建方法。

於是，本發明三維模型重建方法是包含下列步驟：(a)擷取一待測物之一輪廓資訊；(b)根據該輪廓資訊產生欲投射之一光學樣型；(c)擷取該待測物之一色彩資訊；(d)根據該色彩資訊決定欲投射之該光學樣型的一顏色，其中，該顏色為該色彩資訊之一互補色；(e)根據該光學樣型進行投射；(f)擷取對應該光學樣型之一光學樣型成像圖；(g)根據該光學樣型成像圖並利用一三角量測法，求出一待測物表面資訊組；(h)根據該待測物表面資訊組，判斷是否需調整該光學樣型之一解析度；及(i)若需調整該解析度，則調整欲投射之光學樣型的解析度，然後，回到該步驟(e)。

本發明之另一目的，即在提供一種三維模型重建系統。

於是，本發明三維模型重建系統是包含一光感測單元、一光學樣型產生單元、一顏色決定單元、一光投射單元、一表面資訊計算單元、一解析度決定單元，以及一模型重建單元。該光感測單元用以擷取一待測物之一輪廓資訊，及一色彩資訊。該光學樣型產生單元用以根據該待測物之該輪廓資訊，產生欲投射之一光學樣型。該顏色決定單 元用以根據該色彩資訊決定該光學樣型產生單元所產生之該光學樣型的一顏色，其中，該顏色為該色彩資訊之一互補色。該光投射單元用以根據該光學樣型進行投射；然後該光感測單元還用以擷取對應該光學樣型之一光學樣型成像圖。該表面資訊計算單元用以根據對應該光學樣型之該光學樣型成像圖，並利用一三角量測法，求出一待測物表面資訊組，以及用以根據該待測物表面資訊組，判斷是否需調整該光學樣型之一解析度。該解析度決定單元用以調整該光學樣型產生單元所產生之光學樣型的解析度。該模型重建單元用以根據該待測物表面資訊組進行三維模型重建。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

參閱圖1、圖2與圖3，本發明三維模型重建系統之較佳實施例包含一光感測單元1、一光投射單元2、一旋轉角度控制單元31、一影像暫存單元32、一顏色決定單元33、一光學樣型產生單元34、一表面資訊計算單元35、一解析度決定單元36，以及一模型重建單元37；該模型重建單元37包括一模型重建資料庫371。該三維模型重建系統係用於對放置於一旋轉單元4之一轉盤41上的一待測物5進行光電檢測，並重建出該待測物5之三維模型。

該旋轉角度控制單元31係根據一預設角度產生一馬達 控制信號給該旋轉單元4之一步進馬達(圖未示)，以使其帶動該轉盤41依該預設角度進行旋轉；其中，該預設角度可依該三維模型重建系統之所需解析度，配合該步進馬達加以變化，例如，20度/步、30度/步等，以可以整除360度為原則。

對於該轉盤41在某一旋轉角度的情況下，該影像暫存單元32暫存由該光感測單元1擷取到的該待測物5之一色彩資訊及一輪廓資訊；該光學樣型產生單元34根據該輪廓資訊，產生欲投射之一光學樣型；該顏色決定單元33根據該色彩資訊決定該光學樣型的一顏色；該光投射單元2先根據該光學樣型進行投射；該光感測單元1接著擷取對應該光學樣型之一光學樣型成像圖；該影像暫存單元32更暫存由該光感測單元1擷取到的該光學樣型成像圖；該表面資訊計算單元35根據該光學樣型成像圖，並利用三角量測法，求出一待測物表面資訊組，且儲存於該模型重建資料庫371；該表面資訊計算單元35更根據該待測物表面資訊組判斷是否需調整該光學樣型之一解析度；若需調整解析度，則該解析度決定單元36調整該光學樣型的解析度；該模型重建單元37根據儲存於該模型重建資料庫371的待測物表面資訊組進行三維模型重建。

在本較佳實施例中，該光感測單元1為一數位像機；該光投射單元2為一彩色單槍投影機；該轉角度控制單元31、影像暫存單元32、顏色決定單元33、光學樣型產生單元34、表面資訊計算單元35、解析度決定單元36，以及模 型重建單元37係整合成可於電腦執行的軟體。

對應上述三維模型重建系統，本發明三維模型重建方法之較佳實施例包含下列步驟。值得一提的是，進行本發明三維模型重建方法之前，必須先進行該數位像機(即，該光感測單元1)之鏡頭焦距(以f 表示)校正，並進行該彩色單槍投影機(即，該光投射單元2)之投射角度(以α表示)校正，以減低量測誤差。在本較佳實施例中，該待測物5、該光感測單元1與該光投射單元2間的夾角為90°；而且，下列步驟是該轉盤41在某一旋轉角度的情況下所進行之處理。

在步驟61中，該光感測單元1擷取該待測物5之色彩資訊及輪廓資訊，且該影像暫存單元32暫存該色彩資訊及輪廓資訊。

在步驟62中，該光學樣型產生單元34根據該待測物5之輪廓資訊產生欲投射之光學樣型；在本較佳實施例中，該光學樣型產生單元34係根據輪廓資訊對應出該待測物5上至下及左至右的範圍，並初步決定該解析度，然後依此產生欲投射於該待測物5之光學樣型。

在步驟63中，該顏色決定單元33根據該待測物5之色彩資訊，決定該光學樣型產生單元34所產生之該光學樣型的顏色；在本較佳實施例中，該顏色為該色彩資訊的互補色，但實際上，該顏色之選擇係以不同於該待測物5之色彩資訊為主，避免投射相同或過於相近的顏色而造成不易辨識的問題，並不限於本較佳實施例所揭露。

在步驟64中，該光投射單元2根據該光學樣型進行投射；在本較佳實施例中，所使用的光學樣型為點狀圖案光學樣型，即，如圖3所示，該光投射單元2係將該光學樣型依其解析度及顏色，以複數掃描投影點71的方式投射至該待測物5之表面。

在步驟65~66中，該光感測單元1擷取對應該光學樣型之光學樣型成像圖8，然後，該表面資訊計算單元35根據該光學樣型成像圖8，並利用三角量測法，求出該待測物表面資訊組。

參閱圖1、圖3與圖4，假設該光學樣型成像圖8之成像畫面中心為三維座標系統原點(即，圖4中的X、Y、Z軸的交會點O)，該光投射單元2落在X軸上，該光感測單元1之鏡頭焦距f 落在Z軸上，該光學樣型成像圖8之每一成像點之座標資訊以p (x ，y )表示，該光投射單元2於該待測物5之掃描投影點71的座標資訊以P (X ₀ ，Y ₀ ，Z ₀ )表示，該待測物表面資訊組包括該等掃描投影點71的座標資訊，每一座標資訊具有一深度座標(即，Z ₀ )；其中，掃描投影點71、該光投射單元2與該光感測單元1之夾角為α，該光投射單元2與該光感測單元1之距離為k 。其中，成像點之座標資訊p (x ，y )，與掃描投影點71的座標資訊P(X ₀ ，Y ₀ ，Z ₀ )間的關係如式子(1)所示。利用正切函數經過式子(2)~(4)的運算，最後可得X ₀ ，同理可得Y ₀ 與Z ₀ ；因此，該待測物5之掃描投影點71的座標資訊(X ₀ ，Y ₀ ，Z ₀ )整理為式子(5)~(7)。

從式子(5)~(7)可知，欲計算該待測物5之掃描投影點71的座標資訊(X ₀ ，Y ₀ ，Z ₀ )，需要f 、k 、x 、y 、α等參數。其中，f 為該光感測單元1之鏡頭焦距(即，相機焦距)，該光感測單元1出廠時皆有固定的焦距範圍，其隨著放大倍率而改變；k 是已知的該光投射單元2與該光感測單元1之距離；x 、y 為成像點相對於該光學樣型成像圖8之畫面中心的寬度與高度；α則為掃描投影點71、該光投射單元2與該光感測單元1之夾角，每個投影點所相對之角度α不太一樣，並非從同一投射樣型之投射點角度α都相同，必 須預先根據電腦設計樣型來決定各個投影點的角度α。

在步驟67中，該表面資訊計算單元35根據該待測物表面資訊組判斷是否需調整該光學樣型之解析度；若是，則繼續進行步驟68；否則，繼續進行步驟69。在本較佳實施例中，若該表面資訊計算單元35由該等深度座標得知該待測物5之掃描投影點71中有深度不同者(如圖3中，有三個深度相異的掃描投影點711)，則判斷為需調整該光學樣型之解析度。

參閱圖1、圖3與圖5，在步驟68中，該解析度決定單元36進一步增加該光學樣型的解析度，並回到該步驟64。

在步驟69中，該表面資訊計算單元35將該待測物表面資料組儲存於該模型重建資料庫371，以待該模型重建單元37進行後續之三維模型重建。

值得一提得是，本發明的重點係在依該待測物5之色彩資訊及待測物表面資料組，調整該光投射單元2投射之光學樣型的顏色及解析度；而該模型重建單元37所執行的三維模型重建之詳細實作方式係為熟習此項技術者所熟知，故不在此贅述。

歸納上述，本發明以回授的方式，可調適地調整欲投射之該光學樣型的顏色及解析度，大幅的增加對於該待測物5之表面辨識的完整性與強健性，並使獲得的待測物表面資料組更為精確，無須像習知技術需要擷取多組影像方能獲得足夠的表面資訊，有利於即時的應用，的確可以達 成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

1‧‧‧光感測單元

2‧‧‧光投射單元

31‧‧‧旋轉角度控制單元

32‧‧‧影像暫存單元

33‧‧‧顏色決定單元

34‧‧‧光學樣型產生單元

35‧‧‧表面資訊計算單元

36‧‧‧解析度決定單元

37‧‧‧模型重建單元

371‧‧‧模型重建資料庫

4‧‧‧旋轉單元

41‧‧‧轉盤

5‧‧‧待測物

61~69‧‧‧步驟

71‧‧‧掃描投影點

711‧‧‧深度相異的掃描投影點

8‧‧‧光學樣型成像圖

圖1是一架構圖，說明本發明三維模型重建系統之較佳實施例及其架設；圖2是一流程圖，說明本發明三維模型重建方法之較佳實施例；圖3是一示意圖，說明本發明中所使用的掃描投影點及光學樣型成像圖；圖4是一示意圖，說明本發明中所使用的三角量測法；及圖5是一示意圖，說明依本發明三維模型重建方法調整解析度後的掃描投影點及光學樣型成像圖。

61~69‧‧‧步驟

Claims (7)

1. 一種三維模型重建方法，包含下列步驟：(a)擷取一待測物之一輪廓資訊；(b)根據該輪廓資訊產生欲投射之一光學樣型；(c)擷取該待測物之一色彩資訊；(d)根據該色彩資訊決定欲投射之該光學樣型的一顏色，其中，該顏色為該色彩資訊之一互補色；(e)根據該光學樣型進行投射；(f)擷取對應該光學樣型之一光學樣型成像圖；(g)根據該光學樣型成像圖並利用一三角量測法，求出一待測物表面資訊組；(h)根據該待測物表面資訊組，判斷是否需調整該光學樣型之一解析度；及(i)若需調整該解析度，則調整欲投射之光學樣型的解析度，然後，回到該步驟(e)。
2. 依據申請專利範圍第1項所述之三維模型重建方法，其中，該待測物表面資訊組包括該待測物之表面的複數座標資訊，每一座標資訊包括一深度座標。
3. 依據申請專利範圍第2項所述之三維模型重建方法，其中，在該步驟(h)中，係根據該等深度座標，判斷是否需調整該光學樣型之解析度。
4. 依據申請專利範圍第1項所述之三維模型重建方法，更包含一步驟(j)，若不需調整該解析度，則儲存該待測物表面資訊組，以供進行後續之三維模型重建。
5. 一種三維模型重建系統，包含：一光感測單元，用以擷取一待測物之一輪廓資訊，及一色彩資訊；一光學樣型產生單元，用以根據該待測物之該輪廓資訊，產生欲投射之一光學樣型；一顏色決定單元，用以根據該色彩資訊決定該光學樣型產生單元所產生之該光學樣型的一顏色，其中，該顏色為該色彩資訊之一互補色；一光投射單元，用以根據該光學樣型進行投射，該光感測單元還用以擷取對應該光學樣型之一光學樣型成像圖；一表面資訊計算單元，用以根據對應該光學樣型之該光學樣型成像圖，並利用一三角量測法，求出一待測物表面資訊組，以及用以根據該待測物表面資訊組，判斷是否需調整該光學樣型之一解析度；一解析度決定單元，用以調整該光學樣型產生單元所產生之光學樣型的解析度；以及一模型重建單元，用以根據該待測物表面資訊組進行三維模型重建。
6. 依據申請專利範圍第5項所述之三維模型重建系統，其中，該待測物表面資訊組包括該待測物之表面的複數座標資訊，每一座標資訊包括一深度座標。
7. 依據申請專利範圍第6項所述之三維模型重建系統，其中，該解析度決定單元係根據該等深度座標，判斷是否 需調整該光學樣型之解析度。