TWI435050B - 非接觸式物體空間座標量測裝置及方法 - Google Patents

非接觸式物體空間座標量測裝置及方法 Download PDF

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非接觸式物體空間座標量測裝置及方法
本發明係關於一種非接觸式物體空間座標量測裝置及方法，特別是關於利用影像對待檢測物體進行非接觸式精密量測的裝置。其應用範圍包括所有對物件尺寸、形狀、位置、移動與變形有解析需求之領域。
影像量測技術的原理是由比對兩張影像的相關性來定出影像上各點的相對位置，如影像相關係數法(Digital Image Correlation，DIC)及質點影像量測技術(Particle Image Velocimetry，PIV)等皆屬於影像量測技術。由於影像擷取裝置與電腦運算速度的進步，影像量測技術日益受到重視。
影像量測技術可細分為二維及三維兩類，二維影像量測技術利用比對前後兩張影像以獲取所量測物體之位移與變形資料，應用此方法的前提是拍攝物體與影像擷取設備間之距離需維持固定，因此若只有平面內變形或僅有平行於感光元件之位移時，此類二維影像量測技術可提供相當高量測精度。但是，當拍攝物體與影像擷取裝置間之距離發生改變時，則會造成此類量測技術之量測誤 差，這時就唯有以三維影像量測技術可以克服該問題。
三維影像量測技術的原理與人眼判識物體位置與距離的原理相似，因此需要兩張於不同位置擷取到的影像才能判識出物體在空間中的座標。目前已發展出的技術中，幾乎都是使用兩台相機以不同的角度拍攝物體，得到兩張不同位置及角度所拍攝的影像，再利用二維影像分析方法來定出影像中各點的對應關係，進而推算出物體的三維空間座標。此方法的缺點在於兩影像擷取裝置的機械與光學性質不能保證完全相同，需要極為繁複的率定程序，而精度的提升仍有其極限。此外，兩影像擷取裝置間如何同步擷取影像是一個相當難以解決的問題。此問題在進行靜態量測時並不顯著，然在進行動態量測時，由於影像的不同步會造成量測上極嚴重的錯誤。況且使用兩影像擷取裝置亦增加量測物體三維空間座標的設備成本。
以下再就現有三維影像相關係數法量測裝置，使用複數個影像擷取設備取得具有視差的影像之手段進一步說明。在此以使用兩個影像擷取裝置為例說明其原理，請參照第一圖所示。該使用兩個影像擷取器的三維量測裝置，包含有：一第一影像擷取器(91)以及一第二影像擷取器(92)。此第一、二影像擷取器(91)、(92)間有相對距離以及夾角，因此待測物件(93)在影像上呈現不同的透視效果。以此透視效果的差異可以識別出物體表面選定之點和面的空間座標，比較前後兩次的空間座標可進而計算其運動量及其衍生物理量。此方法的精度主要受該第一、二影像擷取器(91)、(92)之透鏡品質、感光元件參數以及第一、二影像擷取器(91)、(92)之間的距離及夾角 等參數正確性的影響。由於影響參數甚多，其率定及校正方法複雜而不易達成高精度需求。因此三維量測的精度遠不及二維量測的精度。其次因第一、二影像擷取器(91)、(92)的同步係以同步觸發信號處理，其不可排除的時間差將影響運動中物體的視差。
緣是，提供一種能減少參數識別困難度，並降低裝置成本與體積，與提高裝置機動性，以及能同樣適用於運動中或靜止之物件的物體空間座標的量測裝置，來改善現有技術的缺點，為目前業界積極研發之目標。
本發明改良上述裝置之缺點，其係以光學透鏡或反光鏡造成的折射與反射效果使兩個不同視角與基準位置的影像同時成像在單一影像擷取裝置上，不僅能減少參數識別困難度，更能降低裝置成本與體積，提高裝置機動性。最重要的是單一影像在同一瞬間完成，沒有時間差問題，對於運動中或靜止的物件同樣適用。
本發明之主要目的係提供一種非接觸式物體空間座標量測裝置及方法，其係利用一檢測單元擷取物體表面不同視線之影像，進而檢測物體表面之三維座標，使得本發明具有提升檢測精準度、降低成本之功效。
其中，該檢測單元包括：一影像擷取單元、一視線分離單元及一視線偏折單元；該影像擷取單元用以擷取待測物體表面紋路影像；該視線分離及偏折單元將該影像擷取單元視線分離為複數股次視線，其次視線經反射、折射作用後仍指向待測物體。藉此，利 用該影像擷取單元經由該視線分離單元與該視線偏折單元同時擷取物體表面不同視線之影像，以便以影像分析原理分析不同視線影像之間的關係，進而檢測得到該物體表面之三維座標，使得本發明具有增加檢測便利性與動態量測之功效。
<本發明>
(1)‧‧‧檢測單元
(2)‧‧‧影像擷取單元
(21)‧‧‧影像擷取元件
(22)‧‧‧鏡頭
(3)‧‧‧視線分離及偏折單元
(31)‧‧‧組合總成
(311)‧‧‧開孔
(312)‧‧‧開孔
(32)‧‧‧第一視線分離及偏折菱鏡
(33)‧‧‧第二視線分離及偏折菱鏡
(34)‧‧‧視線分離反射鏡
(341)‧‧‧第一視線分離反射鏡
(342)‧‧‧第二視線分離反射鏡
(35)‧‧‧第一視線偏折反射鏡
(36)‧‧‧第二視線偏折反射鏡
(R1)‧‧‧光線
(R2)‧‧‧光線
<現有>
(91)‧‧‧第一影像擷取器
(92)‧‧‧第二影像擷取器
(93)‧‧‧待測物件
第一圖(a)：現有使用兩個影像擷取器的三維量測裝置示意圖
第一圖(b)：兩影像擷取器擷取得到之影像
第一圖(c)：由現有裝置識別出物體表面選定之點和面的空間座標示意圖
第二圖：本發明非接觸式物體空間座標量測裝置其一較佳實施例示意圖
第三圖：本發明非接觸式物體空間座標量測裝置其一較佳實施例於調整第一、二視線分離及偏折菱鏡間之左右距離示意圖
第四圖：本發明非接觸式物體空間座標量測裝置其一較佳實施例於調整第一、二視線分離及偏折菱鏡間之前後距離示意圖
第五圖：本發明非接觸式物體空間座標量測裝置其一較佳實施例於調整第一、二視線分離及偏折菱鏡間之角度示意圖
第六圖：本發明非接觸式物體空間座標量測裝置其二較佳實施例示意圖
第七圖：本發明非接觸式物體空間座標量測裝置其二較佳實施例於調整視線分離反射鏡之前後距離示意圖
第八圖：本發明非接觸式物體空間座標量測裝置其二較佳實施例於調整第一、二視線偏折反射鏡間之左右距離示意圖
第九圖：本發明非接觸式物體空間座標量測裝置其二較佳實施例於調整第一、二視線偏折反射鏡間之前後距離示意圖
第十圖：本發明非接觸式物體空間座標量測裝置其二較佳實施例於調整第一、二視線偏折反射鏡間之角度示意圖
第十一圖：本發明非接觸式物體空間座標量測裝置其三較佳實施例示意圖
第十二圖：本發明非接觸式物體空間座標量測裝置其三較佳實施例於調整第一、二視線分離菱鏡間之左右距離示意圖
第十三圖：本發明非接觸式物體空間座標量測裝置其三較佳實施例於調整第一、二視線分離菱鏡間之前後距離示意圖
第十四圖：本發明非接觸式物體空間座標量測裝置其三較佳實施例於調整第一、二視線分離菱鏡間之角度示意圖
第十五圖：本發明非接觸式物體空間座標量測裝置其三較佳實施例於調整第一、二視線偏折反射鏡間之左右距離示意圖
第十六圖：本發明非接觸式物體空間座標量測裝置其三較佳實施例於調整第一、二視線偏折反射鏡間之前後距離示意圖
第十七圖：本發明非接觸式物體空間座標量測裝置其三較佳實施例於調整第一、二視線偏折反射鏡間之角度示意圖
第十八圖：本發明非接觸式物體空間座標量測裝置其四較佳實施 例示意圖
第十九圖：本發明非接觸式物體空間座標量測裝置其四較佳實施例於調整第一、二視線分離菱鏡間之左右距離示意圖
第二十圖：本發明非接觸式物體空間座標量測裝置其四較佳實施例於調整第一、二視線分離菱鏡間之前後距離示意圖
第二十一圖：本發明非接觸式物體空間座標量測裝置其四較佳實施例於調整第一、二視線分離菱鏡間之角度示意圖
第二十二圖：本發明非接觸式物體空間座標量測裝置其四較佳實施例於調整第一、二視線偏折反射鏡間之左右距離示意圖
第二十三圖：本發明非接觸式物體空間座標量測裝置其四較佳實施例於調整第一、二視線偏折反射鏡間之前後距離示意圖
第二十四圖：本發明非接觸式物體空間座標量測裝置其四較佳實施例於調整第一、二視線偏折反射鏡間之角度示意圖
為讓本發明之上述及其他目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：本發明之非接觸式物體空間座標量測方法，係用以量測物體表面之三維座標，其係使用一檢測單元同時擷取物體表面複數個不同視線之影像，進而檢測得到物體表面之三維座標；而同時取得複數個不同視線中待測物體的影像，除了可以減少裝置參數之率定參數，並能保證上述複數個不同視線之影像皆為同步擷取，沒有動態影像時間差的問題，令物體表面之三維座標的取得更為便利 、容易。
請參第二圖，本發明較佳實施例之非接觸式物體空間座標量測裝置，係透過使用單一的檢測單元(1)同時擷取物體表面複數個不同視線之影像，並將擷取之不同視線影像加以運算，進而檢測得到物體表面之三維座標。
該檢測單元(1)進一步包含一影像擷取單元(2)及一視線分離及偏折單元(3)。該視線分離及偏折單元(3)係固定於該影像擷取單元(2)的影像擷取端。當由物體表面一點P發射出來的光線經過視線分離及偏折單元(3)的作用，分為第一股光線(R1)投射在影像擷取單元(2)的感光元件之第一分區；第二股光線(R2)投射在影像擷取單元(2)的感光元件之第二分區。依此原理，在影像擷取單元(2)上形成同一物體表面的兩個子影像，且此二子影像分別可模擬為兩個形成一個距離及夾角的影像擷取單元(2)之一部分。因此，兩個子影像具備與物體表面凹凸有相關性的像差，藉由分析電腦【圖式未表示】之習用座標轉換程序之助便可以分析出該檢測點P相對於本發明非接觸式物體空間座標量測裝置的三維座標。
請再參第二圖，本發明較佳實施例之非接觸式物體空間座標量測裝置之影像擷取單元(2)包含一影像擷取元件(21)及一鏡頭(22)。該影像擷取元件(21)可以選自一攝影器材，例如感光耦合元件(Charge Coupled Device，CCD)或補充性氧化金屬半導體(Complementary Metal-Oxide Semiconductor，CMOS)等之攝影器材。也可以選自一照相器材。該 鏡頭(22)可以選自與影像擷取元件(21)相符的鏡頭，也可以是影像擷取元件(21)內建的鏡頭。
至於該視線分離及偏折單元(3)包含一組合總成(31)、一第一視線分離及偏折菱鏡(32)及一第二視線分離及偏折菱鏡(33)。該第一視線分離及偏折菱鏡(32)與第二視線分離及偏折菱镜(33)固定於組合總成(31)內。該組合總成(31)具有讓該影像擷取單元(2)固定於其上的接合結構，或該影像擷取單元(2)可藉由其他輔助方式維持其與組合總成(31)的相對位置。該組合總成(31)具有容許光線(R1)及光線(R2)進入組合總成(31)的開孔(311)以及容許光線(R1)及光線(R2)離開組合總成(31)而進入影像擷取單元(2)的開孔(312)。且令經該第一視線分離及偏折菱鏡(32)偏折的光線(R1)與經該第二視線分離及偏折菱鏡(33)偏折的光線(R2)在進入影像擷取單元(2)後所形成的子影像有重疊區域。
又，該第一視線分離及偏折菱鏡(32)與該第二視線分離及偏折菱鏡(33)彼此間可作相對應的左右及前後距離調整與角度調整。請參第三圖，係視該檢測點P相對於本發明非接觸式物體空間座標量測裝置之距離，進行該第一視線分離及偏折菱鏡(32)與該第二視線分離及偏折菱鏡(33)彼此間之左右距離的調整；或如第四圖，調整該第一視線分離及偏折菱鏡(32)與該第二視線分離及偏折菱鏡(33)彼此間之前後距離；或如第五圖，調整該第一視線分離及偏折菱鏡(32)與該第二視線分離及偏折菱鏡(33)彼此間之角度；據此，俾透過該第一視線 分離及偏折菱鏡(32)與該第二視線分離及偏折菱鏡(33)之左右、前後、角度的調整，因應該檢測點P相對於本發明非接觸式物體空間座標量測裝置之不同距離，使檢測點P之影像能清晰投射至影像擷取單元(2)處。
本發明較佳實施例之非接觸式物體空間座標量測裝置因使用單一影像擷取元件(21)以同時擷取具有視差的子影像，而能節省裝置成本。亦可以確保子影像的同步性和影像裝置參數的一致性，可以提高檢測的精確度和動態量測適用性。
請參第六圖，本發明另一較佳實施例之非接觸式物體空間座標量測裝置之視線分離及偏折單元(3)包含一組合總成(31)、一視線分離反射鏡(34)、一第一視線偏折反射鏡(35)及一第二視線偏折反射鏡(36)。
該視線分離反射鏡(34)、該第一視線偏折反射鏡(35)及該第二視線偏折反射鏡(36)固定於組合總成(31)內。該組合總成(31)同樣具有讓該影像擷取單元(2)固定於其上的接合結構，或該影像擷取單元(2)可藉由其他輔助方式維持其與組合總成(31)的相對位置。該組合總成(31)具有容許光線(R1)及光線(R2)進入組合總成(31)的開孔(311)以及容許光線(R1)及光線(R2)離開組合總成(31)而進入影像擷取單元(2)的開孔(312)。且令經該第一視線偏折反射鏡(35)偏折的光線(R1)與經該第二視線偏折反射鏡(36)偏折的光線(R2)在進入影像擷取單元(2)後所形成的子影像有重疊區域。
當該非接觸式物體空間座標量測裝置為因應檢測點P與該裝置的相對位置時，可以調整該視線分離反射鏡(34)的前後距離【如第七圖】，或該第一視線偏折反射鏡(35)與該第二視線偏折反射鏡(36)間的左右、前後距離和角度【如第八、九、十圖所示】，使該檢測點P處之影像能夠清楚對焦並順利投射在該鏡頭(22)上。
此外，該視線分離反射鏡(34)可如第十一圖所示進一步由一第一視線分離反射鏡(341)及第二視線分離反射鏡(342)組成。而該第一視線分離反射鏡(341)及第二視線分離反射鏡(342)彼此間可因應檢測點P處之影像的遠近，作如第十二、十三、十四圖所示之該第一、二視線分離反射鏡(341)、(342)間相對應的左右、前後距離及角度調整，使該檢測點P處之影像能夠清楚對焦並順利投射在該鏡頭(22)上。其中，該第一視線偏折反射鏡(35)與該第二視線偏折反射鏡(36)彼此間亦可針對檢測點P處之影像的遠近，作如第十五、十六、十七圖所示相對應的左右、前後距離及角度調整，以因應該檢測點P相對於本發明非接觸式物體空間座標量測裝置之距離。
第十八圖所示者為本發明又一較佳實施例之非接觸式物體空間座標量測裝置，其與第十一圖之差異係在該視線分離反射鏡(34)、第一視線偏折反射鏡(35)及第二視線偏折反射鏡(36)之態樣與配置方式。其中，如第十九、二十、二十一圖所示，該第一視線分離反射鏡(341)及第二視線分離反射鏡(342)彼此間可因應檢測點P處之影像的遠近，相對應的左右、前 後距離及角度調整，使該檢測點P處之影像能夠清楚對焦並順利投射在該鏡頭(22)上；且該第一視線偏折反射鏡(35)與該第二視線偏折反射鏡(36)之間亦可針對檢測點P處之影像的遠近，作如第二十二、二十三、二十四圖所示之相對應的左右、前後距離及角度調整，以因應該檢測點P相對於本發明非接觸式物體空間座標量測裝置之距離。
(1)‧‧‧檢測單元
(2)‧‧‧影像擷取單元
(21)‧‧‧影像擷取元件
(22)‧‧‧鏡頭
(3)‧‧‧視線分離及偏折單元
(31)‧‧‧組合總成
(311)‧‧‧開孔
(312)‧‧‧開孔
(32)‧‧‧第一視線分離及偏折菱鏡
(33)‧‧‧第二視線分離及偏折菱鏡
(R1)‧‧‧光線
(R2)‧‧‧光線

Claims (36)

  1. 一種非接觸式物體空間座標量測方法，係透過使用單一的檢測單元同時擷取一相同物體經視線分離所產生之至少2個不同視線的表面影像，並將同時擷取之不同視線影像加以運算，進而檢測得到物體表面之三維座標。
  2. 一種非接觸式物體空間座標量測裝置，該裝置具有單一之檢測單元，該檢測單元包含一影像擷取單元及一視線分離及偏折單元，該視線分離及偏折單元係固定於該影像擷取單元的影像擷取端；據此，透過視線分離及偏折單元由單一影像擷取單元在同一時間取得一相同物體經視線分離產生至少2個不同視線的表面影像，該些影像經影像擷取單元同時擷取後加以運算，進而得到物體表面之三維座標。
  3. 如申請專利範圍第2項所述非接觸式物體空間座標量測裝置，其中該影像擷取單元包含一影像擷取元件及一鏡頭。
  4. 如申請專利範圍第3項所述非接觸式物體空間座標量測裝置，其中該影像擷取元件為一攝影器材。
  5. 如申請專利範圍第4項所述非接觸式物體空間座標量測裝置，其中該攝影器材選自感光耦合元件、補充性氧化金屬半導體中任意一種。
  6. 如申請專利範圍第3至5項中任意一項所述非接觸式物體空間座標量測裝置，其中該鏡頭選自與影像擷取元件相符的鏡頭。
  7. 如申請專利範圍第3至5項中任意一項所述非接觸式物體空間座標 量測裝置，其中該鏡頭選自與影像擷取元件內建的鏡頭。
  8. 如申請專利範圍第3項所述非接觸式物體空間座標量測裝置，其中該影像擷取元件為一照相器材。
  9. 如申請專利範圍第8項所述非接觸式物體空間座標量測裝置，其中該鏡頭選自與影像擷取元件相符的鏡頭。
  10. 如申請專利範圍第8項所述非接觸式物體空間座標量測裝置，其中該鏡頭選自與影像擷取元件內建的鏡頭。
  11. 如申請專利範圍第2項所述非接觸式物體空間座標量測裝置，其中該視線分離及偏折單元包含一組合總成、一第一視線分離及偏折菱鏡及一第二視線分離及偏折菱鏡，該第一視線分離及偏折菱鏡與第二視線分離偏折菱鏡固定於組合總成內。
  12. 如申請專利範圍第11項所述非接觸式物體空間座標量測裝置，其中該組合總成具有讓該影像擷取單元固定於其上的接合結構。
  13. 如申請專利範圍第11項所述非接觸式物體空間座標量測裝置，其中該影像擷取單元藉由裝置輔助維持其與組合總成的相對位置。
  14. 如申請專利範圍第11項所述非接觸式物體空間座標量測裝置，其中該組合總成具有容許數多光線進入組合總成的數個開孔以及容許數多光線離開組合總成而進入影像擷取單元的一開孔。
  15. 如申請專利範圍第11至14項任意一項所述非接觸式物體空間座標量測裝置，其中該第一視線分離及偏折菱鏡與該第二視線分離及偏折菱鏡彼此間可作相對應的左右或前後距離調整。
  16. 如申請專利範圍第15項所述非接觸式物體空間座標量測裝置，其中該第一視線分離及偏折菱鏡與該第二視線分離及偏折菱鏡彼此間可作相對應的角度調整。
  17. 如申請專利範圍第11至14項任意一項所述非接觸式物體空間座標 量測裝置，其中該第一視線分離及偏折菱鏡與該第二視線分離及偏折菱鏡彼此間可作相對應的角度調整。
  18. 如申請專利範圍第2項所述非接觸式物體空間座標量測裝置，其中該視線分離及偏折單元包含一組合總成、一視線分離反射鏡、一第一視線偏折反射鏡及一第二視線偏折反射鏡，該視線分離反射鏡、第一視線偏折反射鏡及第二視線偏折反射鏡固定於組合總成內。
  19. 如申請專利範圍第18項所述非接觸式物體空間座標量測裝置，其中該組合總成具有讓該影像擷取單元固定於其上的接合結構。
  20. 如申請專利範圍第18項所述非接觸式物體空間座標量測裝置，其中該影像擷取單元藉由裝置輔助維持其與組合總成的相對位置。
  21. 如申請專利範圍第18項所述非接觸式物體空間座標量測裝置，其中該組合總成具有容許數多光線進入組合總成的數個開孔以及容許數多光線離開組合總成而進入影像擷取單元的一開孔。
  22. 如申請專利範圍第18至21項任意一項所述非接觸式物體空間座標量測裝置，其中該第一視線偏折反射鏡及第二視線偏折反射鏡彼此間可作相對應的左右或前後距離調整。
  23. 如申請專利範圍第22項所述非接觸式物體空間座標量測裝置，其中該視線分離反射鏡由一第一視線分離菱鏡及第二視線分離菱鏡組成。
  24. 如申請專利範圍第23項所述非接觸式物體空間座標量測裝置，其中該第一視線分離菱鏡及第二視線分離菱鏡彼此間可作相對應的左右或前後距離調整。
  25. 如申請專利範圍第24項所述非接觸式物體空間座標量測裝置，其中該第一視線分離菱鏡及第二視線分離菱鏡彼此間可作相對應的 角度調整。
  26. 如申請專利範圍第23項所述非接觸式物體空間座標量測裝置，其中該第一視線分離菱鏡及第二視線分離菱鏡彼此間可作相對應的角度調整。
  27. 如申請專利範圍第18至21項任意一項所述非接觸式物體空間座標量測裝置，其中該第一視線偏折反射鏡及第二視線偏折反射鏡彼此間可作相對應的角度調整。
  28. 如申請專利範圍第27項所述非接觸式物體空間座標量測裝置，其中該視線分離反射鏡由一第一視線分離菱鏡及第二視線分離菱鏡組成。
  29. 如申請專利範圍第28項所述非接觸式物體空間座標量測裝置，其中該第一視線分離菱鏡及第二視線分離菱鏡彼此間可作相對應的左右或前後距離調整。
  30. 如申請專利範圍第29項所述非接觸式物體空間座標量測裝置，其中該第一視線分離菱鏡及第二視線分離菱鏡彼此間可作相對應的角度調整。
  31. 如申請專利範圍第28項所述非接觸式物體空間座標量測裝置，其中該第一視線分離菱鏡及第二視線分離菱鏡彼此間可作相對應的角度調整。
  32. 如申請專利範圍第18至21項任意一項所述非接觸式物體空間座標量測裝置，其中該視線分離反射鏡由一第一視線分離菱鏡及第二視線分離菱鏡組成。
  33. 如申請專利範圍第32項所述非接觸式物體空間座標量測裝置，其中該第一視線分離菱鏡及第二視線分離菱鏡彼此間可作相對應的左右或前後距離調整。
  34. 如申請專利範圍第33項所述非接觸式物體空間座標量測裝置，其中該第一視線分離菱鏡及第二視線分離菱鏡彼此間可作相對應的角度調整。
  35. 如申請專利範圍第34項所述非接觸式物體空間座標量測裝置，其中該第一視線分離菱鏡及第二視線分離菱鏡彼此間可作相對應的角度調整。
  36. 如申請專利範圍第33項所述非接觸式物體空間座標量測裝置，其中該第一視線分離菱鏡及第二視線分離菱鏡彼此間可作相對應的角度調整。
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