TWI437205B - 具有自行校準之影像式便攜量測方法及裝置 - Google Patents

Description

具有自行校準之影像式便攜量測方法及裝置

本發明大體而言係有關以影像為基礎的尺寸量測。具體言之，係有關以影像為基礎的，且具有內建式自行校準、用于物件之關鍵尺寸的量測之便攜式量測器具。

本發明肇因于由美國聯邦能源部(DOE)科學辦公室(SBIR)資助的DE-SC0003254項目「Recovery Act-Imaging-based Optical Caliper for Objects in Hot Manufacturing Processes」。美國政府對本發明擁有某些權利。

本申請案主張2009年9月30日在美國申請之第61/247,010號臨時申請案之權利，該案之全部揭示內容以引用之方式併入本文中。

以影像為基礎之量測被廣泛使用。吾人可找到基於三角原理、光波干涉原理或二維投影的影像式量測系統。然而，此等器具需要良好的幾何關係設定與關鍵的校準程序，且通常對照明條件敏感。這些要求限制了以便攜形式使用影像式量測器具。

然而，可用於特定應用，價格合理且方便攜帶的非接觸式尺寸量測器具是受期待的。舉例而言，在鋼廠軋機中，軋輥閉口(兩個軋輥之間的間隙)為與成品之品質相關的關鍵參數。儘管固定位置之尺寸量測儀器常用於軋鋼廠，但該等儀器過於昂貴，以至於不能在每一架軋機之後安裝。因此，此等儀器通常在最後一架軋機之後的軋鋼成品處安 裝。然而，鋼廠有需要週期性地在每一架軋機之後驗證尺寸。例如，在軋機更新設定之後或在預定週期(比如，每30分鐘)的時間點上。進行此量測所涉及之困難在於待測的物件不僅極熱(通常在700℃至1,250℃之範圍內)且亦在運動狀態。實務上不可能讓待測的物件停止運動，因為持續不動之接觸可造成軋輥損壞。目前，對移動中之熱物件進行量測有兩個方法。第一方法為用手持型測徑規，在例如粗軋機之後的位置，對速度相對較低之物件進行量測。在此作業中，操作者必須使測徑規接觸移動中的熱物件以獲得量測值。可以想見，此一方法稍具危險性，且可能不甚準確。另一方法涉及將一片特別處理後的木片，用於在例如中軋機之後的位置，對移動速度相對較快之物件進行量測。固持木片抵靠在移動中的熱物件上，藉此讓熱物件將該木片之一部分燒毀成物件之形狀。工人接著量測木片燒毀部分以獲得物件之尺寸。便攜式非接觸尺寸量測器具在此應用中將具有使用價值。

此外，已知存在有手持型光學儀器(諸如，測距儀)用於量測至物件間之距離；然而，此儀器在想要取得物件尺寸時不起作用。另外，在相關技術領域中已知存在有LIDAR(光偵測及測距)系統，該系統能夠使用雷射光束掃描地形資料，但此系統昂貴且不具便攜性。

提供以二維(2D)投影為基礎之便携式量測器具的挑戰之一在於影像中受測物件之投影大小受設置及/或設定(亦稱為成像感測器(通常為相機)與待測的物件間的空間關係)的 影響極大。因此，此量測器具之便攜性造成無法預先知道物件與量測器具間之空間關係。

提供便攜式量測器具之另一挑戰在於：在需要進行量測時之時間及位置上，其照明條件及設置有未知性。特別是，一般熟悉此項技術領域者均知，影像之品質對自該影像提取之信息具有極大的影響。以此處目的而言，對量測結果有極大的影響。舉例而言，讓待量測之物件之任何部分過於明亮，而導致相對應的影像部分飽和(即該部分影像亮度超過極限)。此飽和效應將使用以界定物件邊界之邊界演算法(再以物件邊界距離導出尺寸)失效。此外，像素飽和可導致溢出效應，即成像像素中的過量光子滿溢到其鄰近像素(以常用之成像技術而言)，可造成影像中物件膨脹，藉此導致錯誤量測。物件過暗也不好，因為成像感測器會因所謂的暗電流效應而有非線性反應。暗電流效應係肇因於長波長光子穿透成像感測器基板而生成。當亮度低時(例如，小於全標度之15%)，暗電流效應可使影像，特別是物件邊界部分，失真。相較於便攜式器具，固定安裝的典型成像系統可享有固定且控制良好之照明環境，確保適當曝光及工作範圍。然而，如前所述，這樣的結果對於便攜式器具幾乎是不可能的，因為無法預先知道照明條件及設置。即使配備有自動電子快門、光圈及閃光燈的現代數位相機亦不能夠完全解決一些極端狀況。例如，對1,000℃的鋼棒成像。

因此，有這個需要與價值去設計能夠便攜式地使用，且 能夠以二维投影为基础來量測物件尺寸之量測器具，藉以消除或最小化一或數個前述之問題或缺點。

本發明提供一種用於判定某一物件之尺寸的量測裝置。該裝置包括一成像系統、一參數識別器及一計算單元。該成像系統設定成可獲取物件的影像。在一實施例中，該影像可為在成像感測器上攝取之3D物件的二維(2D)投影。該參數識別器設定成判定至少一個校準參數，最好是在攝取影像或與攝取影像近乎實時的時間點作用(亦即，在量測時自行校正)。在一實施例中，至少有一個校準參數為自該成像系統至該物件之工作距離。該參數識別器不需要在影像攝取之前具有相對於該物件之空間關係信息，使得該裝置之實施例適合於便攜式使用。該計算單元成設定以至少一個校準參數為基礎，自該影像判定該物件之尺寸。

在一實施例中，該計算單元可以進一步設定以形成一尺寸模型。該尺寸模型反映該裝置在實施量測時間點上的校正結果，使其能夠用於尺寸量測。該裝置經校正，使得一實體物件之實際尺寸可以映射到以像素為單位之影像網格上。藉由此模型，該計算單元分析該影像以判定(或“計數”)，舉例而言，該影像中該物件之邊界線間的像素數目。該影像中之該物件之邊界線(邊緣)可經由稱為邊緣偵測演算法的影像處理技術，通過計算單元執行，來標定。該計算單元藉由在像素空間中判定的物件尺寸，結合至少該尺寸模型，以導出實體空間中該物件之實際尺寸。

在一實施例中，該模型包括：(1)相對準確的工作距離估計值，即在量測時間點(成像時刻)判定的一個系統校準參數，對應於自該成像系統(亦即，透鏡)至被成像物件之間的距離，及(2)透鏡焦距，通常可預知，且對應於自該透鏡光學中心至該成像系統之成像感測器的距離。

在替代實施例中，該裝置包括產生顯示讀數之能力，該等顯示出的讀數可用以指導使用者對特定設定(例如，對焦、曝光程度等)進行調整，以確保可接受之高質量影像(例如，在灰階影像中無飽和現象)。

在又另外的實施例中，該裝置可進一步包括產生顯示讀數之能力，該等顯示出的讀數允許使用者識別且選擇待測的物件之形狀及/或形態(諸如，直桿、矩形箱、圓圈等等)，並藉以獲取額外的空間關係條件，如「平行邊界線」、「垂直邊界線」等類似的條件。該信息可由該裝置應用，以克服手持型器件難有良好幾何關係設定的困難。

有鑒於對不可預測之空間關係以及不可預測之照明設置及條件等問題具有內建解決方案，本發明裝置之實施例適合於便攜式使用，且可用以獲得難以接近之物件尺寸量測(諸如，在高溫下之物件或在狹窄空間中之物件)。

本發明之前述及其他論點、特徵、細節、效用及優點，經由閱讀以下描述及申請專利範圍，且審閱隨附圖式，可成為顯而易見。

現將參看隨附圖式藉由實例來描述本發明。

現參看圖式，其中在各圖中相似參考數字用以標示相同元件。圖1為用於判定物件之尺寸之裝置8(在下文中有時稱為「量測裝置」)的圖示方塊圖。如圖所示，裝置8包括：一計算單元10，其經設定成使用至少一個尺寸模型11輸出量測數據12(例如，實體空間中之物件尺寸)；一電源14；一成像系統26(至少包括一成像器件20及一透鏡24)，其經設定成可獲取一目標的物件60之影像；及實境參數識別器30，其經設定成可判定至少一個系統校準參數31。

計算單元10可包括此項技術中已習知的處理裝置，該處理裝置能夠執行儲存於相關記憶體中預先設計好的程式指令，所有指令根據由本文件中所描述之功能而執行。計劃上，本文中所描述之方法，在至少一個實施例中，經程式編輯成軟體，儲存於相關記憶體中。且在如此的實施中，亦可構成執行此等方法之途徑。鑒於前文描述，一般熟習此項技術者將瞭解，以軟體實施本發明將僅僅需要程式設計技術之常規應用。此計算單元可進一步為具ROM(唯讀記憶體)、RAM(可讀寫記憶體)、不可變更及可變更(可修改)記憶體之組合，以儲存(體現)軟體程序，且亦允許儲存及處理動態地產生之數據及/或信號。一般熟習此項技術者將瞭解，尤其考慮到下文所描述的影像處理功能，計算單元10可額外包括或有替代性地包括各種種類之支援硬體或與各種種類之支援硬體一起作用。

尺寸模型11經設定成允許計算單元10將物件在像素空間中的尺寸轉換成該物件在實體空間中的尺寸。模型11的實 施與體現可以是儲存於與計算單元10相關記憶體中的資料結構。將在下文中闡述模型11之實施例細節。

量測數據12包含關於物件60之尺寸信息，包括(但不限於)在實體空間中之物件60尺寸(例如，對於橫截面為圓或圓形之沿縱向延伸的桿，尺寸可為該桿之直徑)。然而，讀者應可理解，有關尺寸量測這件事的其他信息(例如，見圖10及相關描述)可以由裝置8儲存及顯示。

電源14經設定成提供操作電力給裝置8之其他部分。在一實施例中，電源14可包含適合於在便攜式用時安裝在裝置8的傳統電池(例如，可替換及/或充電電池)。

成像系統26經設定成可獲取物件60(亦即，尺寸待判定之物件)之影像。為了獲取三維的物件60的二維投影，所獲得之影像在一個二維陣列中依序排列整齊。成像系統26可包括數個次元件，包括成像器件20及透鏡24。透鏡24可具有事先定好的焦距(D_f )，該焦距(D_f )經選擇以提供相關所需要的視場。讀者應理解，為了清晰起見，成像系統26的一些基礎構成組件被省略了。成像系統26可包含一般習知的元件。

實境參數識別器30經設定成在尺寸待測的物件60的影像攝取期間，或至少時間上接近於尺寸待測的物件60的影像攝取而獲取系統校準參數31(圖中以方塊形式表示)。

對於物件之尺寸之量測，成像器件20經由視線40之原理(即，視線為直線)捕捉目標的物件60之影像。儘管單一裝置8主要用於判定物件60之某一尺寸，但若多個裝置經同 步化，並從物件之不同投影角度進行量測，則所得的複數個量測數據可用以判定諸如物件之幾何偏心度或橢圓度等特徵。

然而，讀者應理解，計算單元10不可能僅藉由物件60之影像來判定該物件之大小或尺寸。特定的額外參數是必要的。如在上文[發明內容]中所簡要描述，裝置8必須在影像攝取之同時或在充分接近於影像攝取時間內，進行校正，以考慮且防止諸如該裝置移動、照明改變等不利影響。計算單元10之後可接著自該物件影像判定像素空間中之物件尺寸，再將該像素空間中之物件尺寸轉換成實體空間中之物件尺寸。為了達成此最終目的，因此必須在與拍攝影像同時(或幾乎等於拍攝影像時)判定(「校準」)影像像素大小。為了做好該校準工作，參數識別器30通過參數偵測構件50來偵測諸如成像透鏡24與物件60間的工作距離(參見圖3)等必要參數。參數偵測構件50可包含此項技術中已知之習知元件(例如，結構性照明(像雷射光點等)、超聲波或其他已知技術)，且根據已知做法(諸如，光學三角量測、干涉量測及/或聲波/超聲波響應)運作。通常，成像系統26所獲得之信息(例如，影像)及參數識別器30所獲得之信息(例如，系統校準參數31)係由計算單元10處理，以判定量測數據12(例如，物件之尺寸)。

實體空間中之尺寸待測的物件60可以廣泛的多種形式存在。舉例而言，在一實施例中，物件60可包含一相對高溫(700℃至1,250℃)且移動中的金屬(例如，鋼)棒。諸如， 可在軋鋼廠或類似場合中見到的金屬棒。如圖11所示，此物件60可擁有多種徑向橫截面幾何形狀，例如圓(圓形)176、方(正方形)178、矩形180、菱形182、橢圓形184或六邊形186，等等，在此僅列舉少數。

鑒於物件60之幾何形狀等的可能變化，在實施例中，另一系統校準參數31可為二維投影平面中之物件60之邊緣的平行度及/或垂直度。一般來說，正確地對物件進行量測需要物件的待測尺寸處於與垂直於相機(透鏡)的主軸之平面相同的平面中。對於手持型便攜式量測器具，此要求在實用上不可能實現(亦即，沒有完美的對正)。舉例而言，為了量測物件(諸如，圓直桿之直徑)，裝置8可設定成假設，或以其他方式迫使“物件之邊緣平行”(例如，在所獲取之影像中見到的三維物件的二維投影應該為矩形)。在圓形物件之狀況下，這個假設可嵌入至計算單元10之軟體中以供「直徑量測」。

作為一實例，圖4A展示一圓直桿之典型二維投影圖。熟習此項技術者應知道，因物件60或便攜式裝置8之移動，以及不完美的對正，桿邊界34與36(bar boundaries)在原始影像中不會筆直，也不會平行。為了克服此問題，本發明採用的做法是應用對待測的物件之二維投影形狀的預知知識，以修正未對正的影響。亦即，藉由「矩形」之二維投影形狀知識，計算單元10中之軟體將能夠「迫使桿邊界34及36平行」(如圖4B中所示)。具體言之，計算單元10可遵循以下步驟(此實例假設預期之形狀為矩形)。

第一步驟(a)：對於桿邊界34，可按照y =a ₃₄ x +b ₃₄ 產生最佳擬合線234，其中a ₃₄ 及b ₃₄ 為線方程式之數學斜率及偏移。類似地，對於桿邊界36，可產生最佳擬合線236y =a ₃₆ x +b ₃₆ 。

第二步驟(b)：檢查兩條最佳擬合線234及236是否平行(a ₃₄ =a ₃₆ 是否成立)。若兩條最佳擬合線234及236平行，則不必迫使其平行。

第三步驟(c)：若線234及236不平行，則存在交叉點330。其可用數學方式來解得交叉點330的坐標。此交叉點330為三維透視圖中的兩條平行線之理論消失點。

第四步驟(d)：藉由此交叉點330，吾人可藉由平分線234與線236之間的角度210(所得兩個相等角度中之每一個由β來表示)來界定物件60之中心線200。若量測平面垂直於相機的主軸2，則兩個桿邊界34及36應平行於此中心線200。

第五步驟(e)：下一步驟為界定固定點。因為直徑量測取決於工作距離，所以桿邊界34及36上在與對物件60量測工作距離之光點220有關聯的點在這個量測平面上應該是固定的。此情形在雷射光點之實施例的情況下尤其可能(見下文結合圖3之實施例的描述)。通過光點220，可產生垂直於中心線200之線230，該線會與線234及236分別相交，從而產生兩個固定點334及336。

第六步驟(f)：現在我們有中心線200以及固定點334及336(在影像變換映射期間不改變)等條件的情況下，吾人可 執行影像映射，將圖4A中之原始影像轉換成圖4B所示之具有正確校正之影像。

熟習此項技術者應知道，存在用以將具有兩條非平行線之影像變換成具有兩條平行線之影像的影像映射演算法。為了易於計算桿邊界34與桿邊界36之間的距離，亦可能進一步將圖4B中之具有正確校正的影像變換成(例如，藉由坐標旋轉)圖5所示之影像，圖5中中心線200平行於Y 軸。裝置8之使用者甚至不需要知道此工作假設。

對於特定其他形狀，裝置8可設定成「假設」對物件之二維投影有若干已知特徵，例如，特定邊緣(相對於其他邊緣)或棱形之平行度(或垂直度)。基於此等內建的程式化假設，計算單元10可以設定成，以尺寸模型處理所有數據(諸如，將橢圓形轉換成圓形、將梯形轉換成矩形)，獲得物件在實體空間中之尺寸。

在替代實施例中，計算單元10可藉由一使用者介面來設定，該使用者介面將多個形狀/幾何圖形選項顯示給使用者，並提供使用者選擇所要工作假設(例如，哪一邊緣將垂直於或平行於另一邊緣等)之機制。舉例而言，此介面可類似於允許使用者選擇物件之形狀(例如，圓、方等-見圖11)。此使用者介面在使用裝置8於量測複雜幾何形狀物件(例如，箱子)之尺寸時，尤其適用。

在又一實施例中，計算單元10可設定成藉由一使用者介面顯示經偵測所得之「邊緣」的影像，且允許使用者選擇該等邊緣並指定彼此間的關係(例如，平行度、垂直度、 圓度、角度等)。以圖4A為例，在偵測到具有桿邊界34及36之快照後，影像圖框28將顯示給使用者。該使用者可接著選擇桿邊界34及36，且指定該兩個邊界之間的「平行度要求」條件，以供計算單元10進一步處理該影像。

繼續參看圖1，儘管參數識別器30與計算單元10在圖中為分離之兩個區塊，讀者應可理解，這個區塊分離僅出於方便描述之目的。實際上，，計算單元10及參數識別器30所執行之特定計算步驟，可在同一處理單元上執行。參數識別器30的整體或部分，可以是，但不一定要是一分離組件。

圖2展示判定目標的物件在實體空間中之尺寸的方法的流程圖。該方法始於「開始」步驟，該「開始」步驟標記量測週期之開始，通常由使用者藉由按下裝置8上之按鍵來起始。

在步驟64及68中，在量測週期開始之後，計算單元10將對成像器件20及參數識別器30提出要求取得所需資料。如上文大體描述，成像器件20將獲取一影像(包括物件之二維投影)，且參數識別器30將判定一或多個系統校準參數31，例如，如上文所定義之工作距離。該方法接著繼續進行。

在步驟66中，計算單元10可預處理所獲得之物件影像，例如去雜訊或類似的處理。此後，計算單元10將判定像素空間中之物件尺寸。像素空間為成像器件20所獲得之影像上的座標系統空間。計算單元10可使用習知的演算法(諸 如，邊緣偵測演算法)以判定物件邊界，且藉此判定像素空間中之物件尺寸。換言之，可由計算單元10判定影像中物件60之選定邊緣之間的距離，藉此建立像素空間中之該尺寸。一般熟習此項技術者可以明瞭，有各種不同影像處理做法可用以識別物件邊界並判定其間之像素距離。前述內容可構成用於自影像判定像素空間中之物件尺寸的構件。

在步驟70中，計算單元10將使用自參數識別器30獲得之系統校準參數31來建立尺寸模型11，該尺寸模型11使計算單元10能夠將物件在像素空間中之尺寸轉換成物件在實體空間中之尺寸。下文將描述模型11之例示性實施例。前述內容可構成用於根據所判定之系統校準參數建立尺寸模型的構件。

在步驟72中，計算單元10應用尺寸模型11以將像素空間尺寸轉換成實體空間尺寸。前述內容可構成用於根據尺寸模型將像素空間中之物件尺寸轉換成實體空間中之物件尺寸的構件。

在步驟74中，計算單元10可顯示所判定之物件尺寸(例如，在與裝置8相關聯之顯示螢幕上)，可儲存所判定之物件尺寸以供查詢，及/或將所判定之物件尺寸傳輸至另一計算單元(例如，見圖10，以及相關的網路資料中心電腦描述)。

圖3為替代量測裝置實施例8a之圖示方塊圖。一般熟習此項技術領域者應理解，以下所描述的裝置8a僅為例示性 質，而非在本質上具有限制。亦即，有許多不同的方式可用以實施本發明之實施例。

在所說明之實施例中，參數識別器30包括雷射點光源32。雷射點光源32，對於成像器件20而言，置放位置及方位角均固定。如圖3所示，雷射點光源32相對於成像器件20偏移一已知距離L。而且，雷射點光源32經設定成，在相對於平行於成像器件20法線的方向，以已知角度α投射其雷射光點52。在一實施例中，雷射點光源32經設定成在成像系統之視場中投射其雷射光束。在所說明之實施例中，參數偵測構件50為雷射光點52。

當雷射光點52照射在物件60之外表面時，通過透鏡24可以在成像器件20中的成像晶片22上形成以參考數字54表示的雷射光點的像。計算單元10經設定成可通過影像處理，例如藉由強度、圖案特徵、位置及其他之組合，以區分雷射光點54的像與其他影像中的特徵(換言之，即在所取得的影像中，辨識雷射光點54的像)。計算單元10接著將判定雷射光點54之屬性，或許屬性中最重要的是雷射光點54在像素空間中之位置。然而，計算單元10經設定成分析與雷射光點54相關之幾個特定因素，以準確計算像素空間中之光點位置。此等其他因素可包括(但不限於)所觀測到之光點形狀及強度分佈等。藉由分析雷射光點54影像的屬性(例如，像素空間中之雷射光點54位置)，連同雷射點光源32之已知位置及方位角參數(諸如，L及α)，及透鏡24之焦距D_f ，計算單元10可即時判定系統校準參數31，諸如，工 作距離D_w 。在一實施例中，參數識別器30經設定成在影像獲取期間判定系統校準參數31(例如，工作距離)。

舉例而言，計算單元10設定成可以計算雷射光點54之影像與成像晶片22之主軸2之間的距離56(以d_l 表示)。熟習此項技術領域者應了解，若預先知道成像晶片22上之像素大小，則d_l 可為實體物理量(亦即，在晶片上的實體空間所界定的物理量)。計算單元10因此設定成可以如下的公式導出工作距離D_w ：(1)D _w =L/(d _l /D _f +tanα) ，其中L、D_f 及α具為計算單元已知的，與雷射點光源及成像系統相關的預定資料，且d_l 可由計算單元10經由影像分析獲得。

一旦計算單元10判定工作距離D_w ，計算單元10便可進一步導出其他量測參數(諸如，物件影像62之影像像素大小)，且因此導出實體空間中之物件60之映射尺寸。在圖3中，成像晶片22上之距離56對應於物件上之實體距離58。

圖4A為物件60之影像，在一個二維(2D)座標系統中展示該物件之邊界線(邊緣)。在圖4A中，影像28中有物件60的影像，其中一對桿邊界34、36在圖中，大體上沿垂直方向延伸，但並未針對平行度校準。可藉由平行度之假設來校正影像28，使桿邊界34及36相對於中心線三者彼此平行，但其中中心線保持相對於坐標Y軸成一角度，如圖4B所示。最後，仍可進一步變換影像28，使得桿邊界34及 36(及中心線)實質上平行於Y軸，如圖5所示。

參看圖5，主軸2以進入紙中的方向延伸。此外，坐標系統38為影像28上的一個二維座標系統(X,Y)。在該圖示中，對於物件60上偏離主軸2的特徵(例如，第一邊緣)的給定位置，在成像晶片22上會存在一映射位置。經由影像分析，計算單元10可判定成像晶片22上，相對於主軸2的對應實體位置，且接著藉由一放大因子D_w /D_f 計算物件60上之相對於之主線2的實體位置。

因此，在一實施例中，尺寸模型11可包括：(i)一因子，其用以將來自影像之像素(例如，在邊緣之間所計數之像素)轉換成成像晶片22上之實體尺寸；及(ii)一由D_w /D_f 定義之放大因子，其用以將成像晶片22上之物件投影的實體尺寸轉換成物件自身之實體尺寸或物件自身上之實體尺寸。

對於圖5中所說明之實例，計算單元10設定成可判定物件60之邊緣至邊緣距離76。圖示中為桿邊界34、36之間的X軸距離(尺寸)。計算單元10將判定相對於主軸2之第一之桿邊界36之第一實體位置(在下文中為D₃₆ )及第二之桿邊界34之第二實體位置(在下文中為D₃₄ )。接著，計算單元10可經由簡單減法D₃₆ -D₃₄ 計算兩個桿邊界34、36之間的距離(亦即，尺寸)。

總之，此實施例中之參數識別器30包含雷射點光源32及成像器件20，且參數偵測構件50為雷射光點52。熟習此項技術領域者應知道，雷射光點可由其他帶特定結構的光來替換，且可為不同形狀、顏色及發光源。其他實施方案如 雷射線光源或線光投影等等。不同於圖3中之實施方案，熟習此項技術領域者亦應知道，參數識別器30亦可包含其他技術，如雷射干涉儀、聲波或超聲波回波探測器、及/或其他構件。

圖6A至圖6B分別為又一量測裝置實施例8b之等角前視圖及等角後視圖，其反映圖3所示的量測裝置8a。裝置8b因此亦包括整合於其中之計算單元110、成像器件120及雷射源132。雷射源132相對於成像器件120固定。成像器件120包含相機及透鏡。透鏡可具有手動或自動光圈及對焦控制。如圖所示之裝置8b包括用以促進便攜性及手持操作之握柄118及背帶安裝掛耳(strip mounting ear)116。計算單元110亦具有一螢幕112及一控制按鈕114。可自諸如控制按鈕114之硬件按鈕來操作計算單元110，或經由觸控螢幕來操作計算單元110以盡可能減少硬件按鈕之數目。裝置8b可使用電池電力來操作。裝置8b進一步包括設置於主體/外殼中之充電插口102，為包含在其中的可充電供電電池的充電窗口。裝置8b亦可包括一標準相機腳架安裝孔孔(1/4"-20螺牙-圖中未顯示)，以使裝置8b可用於標準三角架上。

圖7為展示量測裝置及物件間之可能發生量測誤差的示意圖。特定言之，來自待測的物件之幾何圖形變化的不可忽略的誤差源確實存在。如圖7所示，裝置100用以量測物件60之二維(2D)投影直徑。在不失一般性的情況下，該實例展示物件60之徑向橫截面為圓狀/圓形。但是讀者應理 解，此僅為例示性質，而非在本質上有所限制(物件可為許多其他形狀之形式-見圖11及相關描述)。

在此狀況下待測的物件60之直徑為2r ，其中r 為圓桿(物件60)之半徑。然而，由整合在裝置100中的感測器量測到的工作距離將是距離44，此處表示為w。此工作距離44(「w」)不同於自裝置100之透鏡至物件60上的量測平面42的工作距離(「W」)。圖7亦顯示用於參考之視線40。除非修正或另外在運算中顧及，否則實際工作距離與表觀工作距離之差(W-w)可導致物件尺寸計算之誤差。如上文所描述，該誤差係存在基於工作距離w所為之量測數據中。

圖8為展示裝置100及物件60有關的第二誤差源的示意圖。上文第一誤差源涉及表觀工作距離之誤差，另一誤差源則起因於視角誤差。實際量測到的直徑46(其中帶有視角誤差)(此處以d 表示)係歸因於：量測視線不同於用以檢視實際直徑48(此處以D 表示)所需要之視線。然而，熟習此項技術領域者應可瞭解，實際直徑48(「D 」)可通過三角幾何由所量測到的直徑d 導出。在此，請留意角度144與角度142相同，出於參考之目的將其以角度θ表示。基於前述，實際直徑48(「D 」)可按照所量測之直徑d 的函數來判定，即(2) D =f (d )=d/sinθ。

圖9顯示用於調整系統校準參數(即，工作距離)，以補償上述幾何誤差，獲得正確物件尺寸之方法的流程圖。為 了克服前文所描述之誤差，在一實施例中，計算單元10設定成可執行以下方法：

1.(步驟150)：判定工作距離w _i 。可如上文所描述執行此步驟。其中，i 代表當前遞回循環的標示足碼。

2.(步驟152)：使用w _i 估算所量測之桿直徑d _i 。可如上文所描述執行此步驟。此步驟可構成用於“使用當前的校準參數值來判定所量測之物件尺寸”的構件。

3.(步驟154)：藉由f (d _i )估算實際桿直徑D _i 。可藉由計算函數f (d _i )來執行此步驟。此步驟可構成用於“計算以當前所量測之物件尺寸作為函數的校正後物件尺寸“的構件，其中函數f (d _i )至少有一部分是因待測的物件之橫截面幾何圖形而定義。

4.(步驟156)：若|D _i -D _i-1 |<臨限值，則停止(步驟158)。此步驟可構成一構件，用於「判定當前校正後物件尺寸與在前一計算遞回循環中計算所得的最近校正後物件尺寸之間的差」。臨限值的選擇取決於所需要的準確度。

5.(步驟160)：r _i =D _i /2。

6.(步驟160)：w _{i +1} =w _o +r _i 。此步驟(及先前步驟r _i =D _i /2)可構成用於“在步驟156中之差不小於臨限值時，更新校準參數(例如，工作距離)之當前值“的構件。

7.(步驟160)：遞回循環表示足碼加一，重複步驟2至6。

注意，上文之步驟(2)至(6)意欲以遞回運算方式搜尋更新原始計算之工作距離參數，直至所更新之工作距離參數(初始值加上所更新之增量值)達成相當準確之物件尺寸為 止。在該方法停止時，最終補償後的實際桿直徑D _i (物件尺寸)值可用作輸出之物件尺寸。或者，在該方法停止時，可基於所更新之工作距離(亦即，項w _{i +1} 之當前值)來計算最終補償後的物件尺寸。此等做法中之任一者可構成用於“計算最終量測之物件尺寸“的構件。

此外，請留意，上文之項w _o 所代表的是基於上文結合圖1至圖5所概括之方法，計算而得之工作距離的初始值，在遞回循環中保持不變(亦即，隨著實際桿直徑D愈來愈接近於一準確值，僅項r _i 隨著該遞回循環更新)。前述步驟可構成用於「調整一或多個系統校準參數以針對修正幾何形狀誤差」之構件。

一般熟習此項技術領域者應可瞭解，儘管物件60的二維投影是矩形(如影像28中所見)，上文所描述之函數f (d)取決於物件60之橫截面幾何形狀。在一實施例中，裝置100經設定成在執行上文所描述之針對幾何圖形誤差修正或補償的調整時，預設所測物件橫截面為圓/圓形形狀。然而，在一替代實施例中，裝置100藉由一使用者介面，該使用者介面經設定允許使用者選擇物件橫截面形狀。計算單元將依該物件橫截面形狀，在改進量測結果時選擇對應該幾何圖形的相依函數f (d)。圖11中所記載之例示性形狀(圓狀、正方形、矩形、菱形等)亦將用於此目的。

在此特別強調，上文中幾何圖形誤差修正(亦即，函數f (d))所描述之形狀選擇不同於針對不確定幾何空間關係所描述之形狀選擇。換言之，本發明量測裝置可藉由一使用 者介面組態以供使用者進行兩種不同形狀選擇。第一形狀選擇為選擇預期之2D投影形狀以達成判定平行度及/或垂直度(見圖4A、圖4B及圖5)，用於校正不確定幾何空間關係(亦即，用於在量測平面不垂直於相機的主軸時的校正)的目的。藉由已知的預期二維形狀，計算單元可分析影像(如在圖4A至圖4B中所說明)，且可進一步映射至垂直於相機的主軸之平面中。第二形狀選擇為在所測物件的二維側視投影分析時選擇橫截面形狀，以針對視角誤差調整修正。選定之橫截面幾何圖形基本上不影響在物件之二維側視投影影像中所見之幾何圖形。舉例而言，很多狀況下的二維側視投影都是矩形，即使橫截面形狀變化(例如，具有不同橫截面形狀之直桿)亦如此。

圖10為分散式網路之圖示方塊圖，該分散式網路包括展示成與數據中心電腦電子通信之另一量測裝置實施例8c。圖10展示裝置8c可在己端儲存與量測事件相關之各種信息162，例如，量測數據164₁ (例如，物件尺寸)、進行量測時之時間/日期164₂ 以及其他信息164_n 。在此實施例中，裝置8c包括一通信模組166，該通信模組166經設定成可連接數據中心電腦168之通信模組170，將此信息162(例如，量測數據164₁ )之全部或僅一部分傳輸至數據中心電腦168。通信模組170可為此項技術領域中已知之各種有線連接，諸如USB、RS232、TCP/IP(亦即，通過乙太網)，但亦可使用無線連接，諸如WiFi、藍芽等(亦即，通信模組166將設定成根據預定之無線通信協定而操作之無線傳輸/接收單 元)。在此僅舉以上數例為代表工藝。

量測裝置之使用者可在日誌或類似的構件中記錄關於何時、何處進行量測、進行何種量測及如何進行量測等量測結果。自使用者之觀點而言，上文所描述之通信功能協助(且減輕)記錄量測信息之負擔。在另一實施例中，該裝置經設定成將量測結果自動儲存記錄。在另一實施例中，數據中心電腦168可具有通信線172，其將數據中心電腦168耦接至區域網路及/或廣域網路(例如，軋鋼廠網路)，以將物件量測數據較廣泛地分佈及使用。

圖12所示為可併入又一量測裝置實施例中的，用於指導使用者進行設定調整之方法的流程圖。如在[先前技術]中所描述，一般熟習此項技術領域者知道，若影像過暗(暗雜訊)或過亮(飽和)，則成像感測器將不會對光產生線性反應。因此，對於計算單元(亦即，在諸實施例中之任一者中的計算單元，例如圖6A至圖6B中之計算單元110)，有必要提供一使用者介面，該使用者介面用以指導使用者對相關曝光設定進行調整，以使得其所關注之影像在成像感測器之線性範圍內。該指示可為所關注之影像之亮度指數(顯示給使用者)。對於該裝置，亦可能經由自動增益調整或光圈調整，或兩者兼而有之來將影像亮度自動調整至預設恰當位準。同樣，熟習此項技術領域者將瞭解何謂正確聚焦，且理解正確聚焦可經由影像中之聚焦指數(並顯示給使用者)，指導使用者進行聚焦調整或自動聚焦調整。

在一實施例中，量測裝置可包括在螢幕(例如，圖5B之 螢幕112)上顯示之多個讀數，該等讀數可隨著使用者調整聚焦、曝光及類似者之各別設定時，藉由計算單元持續刷新。顯示之讀數將提供關於每一設定是否調整到可接受範圍之指導(例如，過低、過高、可接受之範圍)。

在一替代實施例中，量測裝置可包括在螢幕(例如，圖5B之螢幕112)上顯示之複合讀數，該複合讀數隨著使用者調整單一設定持續刷新。顯示之單一讀數將提供「可接受」或「不可接受」等方式指導調整。使用者僅將調整單一設定，直至輸出指示符合可接受區為止。在又一實施例中，量測裝置設定成在調整到影像達預定質量標準時，顯示或輸出一「條件確認」信號。做為另一替代例，量測裝置的使用功能設定成無法使用，直至調整到可接受範圍方容許使用。禁用量測裝置功能可以防止準確度可疑之尺寸量測數據。

圖12為實施一使用者指導介面特徵之例示性方法。該方法始於步驟188。

在步驟188中，如上文所描述，計算單元評估至少一個類似聚焦、曝光或此類的設定。

在步驟190中，計算單元產生有關經評估之設定的輸出(例如，讀數顯示螢幕)。其中輸出顯示經設計成指導使用者(如上文所描述)進行所需的調整以獲得適當影像。適當影像為達到預定質量標準的影像，可依賴該影像產生準確量測。亦即，影像中之該物件處於合理焦點，該影像實質上為灰階(亦即，無飽和或無暗電流情形)等。

在步驟192中，計算單元判定是否達到預定之影像質量準則(極可能著眼於聚焦、曝光等)。若答案為「是」，則該方法繼續進行至步驟196，其中由計算單元輸出一「條件確認」信號，向使用者顯示已對設定進行恰當調整(亦即，影像將達到預定質量準則)，該裝置現正取像以進行量測。在一些實施例中，若先前已禁用該裝置，則將開放該裝置允許進行量測。然而，若答案為「否」，則該方法分支到步驟194，其中在接收到另一使用者輸入之後，重複該程序(步驟188、190、192)。

在步驟194中，計算單元(例如，經由一介面，諸如，硬鍵或軟鍵或其他可調整刻度盤、環等，如結合圖6A至圖6B中之裝置所描述)獲得另一使用者輸入(亦即，對設定之調整)。

結合圖12所描述之前述步驟可構成用於使一使用者能夠調整聚焦及曝光之至少一個設定的構件或機構，其中計算單元經進一步設定成可指導該使用者調整此等設定以便獲得達到預定質量準則的影像。

其他變化係可能的。舉例而言，根據本發明之量測裝置可藉由一使用者介面來設定，允許使用者改變與該裝置之成像系統相關的視場(FOV)。舉例而言，在一實施例中，使用者可藉由添加固定附接透鏡而改變「變焦」位準(亦即，透鏡焦距)。該使用者介面經設定成允許該使用者接著改變用於上文所描述之處理邏輯中之變焦(或放大)因子。

儘管已經以當前視為最實用且最佳之實施例的內容描述本發明，但讀者應理解，本發明並不限於所揭示之實施例。相反地，本發明意欲涵蓋屬於在所附申請專利範圍之精神與範疇內之各種修改及等效配置，本發明之範疇將在法律許可範圍內做最廣泛解釋以涵蓋之所有此等修改及等效結構。

2‧‧‧主軸

8‧‧‧裝置

8a‧‧‧量測裝置

8b‧‧‧量測裝置

8c‧‧‧量測裝置

10‧‧‧計算單元

11‧‧‧尺寸模型

12‧‧‧量測數據

14‧‧‧電源

20‧‧‧成像器件

22‧‧‧成像晶片

24‧‧‧透鏡

26‧‧‧成像系統

28‧‧‧影像

30‧‧‧實境參數識別器

31‧‧‧系統校準參數

32‧‧‧雷射點光源

34‧‧‧桿邊界

36‧‧‧桿邊界

38‧‧‧座標系統

40‧‧‧視線

42‧‧‧物件之量測平面

44‧‧‧工作距離

46‧‧‧量測直徑

48‧‧‧實際直徑

50‧‧‧參數偵測構件

52‧‧‧雷射光點

54‧‧‧雷射光點

56‧‧‧雷射光點之影像與成像晶片之主軸之間的距離

58‧‧‧物件上之實體距離

60‧‧‧物件

62‧‧‧物件影像

76‧‧‧物件之邊緣至邊緣距離

100‧‧‧裝置

102‧‧‧充電插口

110‧‧‧計算單元

112‧‧‧螢幕

114‧‧‧控制按鈕

116‧‧‧背帶安裝掛耳

118‧‧‧握柄

120‧‧‧成像器件

132‧‧‧雷射源

142‧‧‧角度

144‧‧‧角度

162‧‧‧信息

164₁ ‧‧‧量測數據

164₂ ‧‧‧時間/日期

164_n ‧‧‧其他信息

166‧‧‧通信模組

168‧‧‧數據中心電腦

170‧‧‧通信模組

172‧‧‧通信線

174‧‧‧軋機網路

176‧‧‧圓形

178‧‧‧正方形

180‧‧‧矩形

182‧‧‧菱形

184‧‧‧橢圓形

186‧‧‧六邊形

200‧‧‧物件之中心線

210‧‧‧角度

220‧‧‧光點

230‧‧‧線

234‧‧‧最佳擬合線

236‧‧‧最佳擬合線

330‧‧‧交叉點

334‧‧‧固定點

336‧‧‧固定點

D_f ‧‧‧鏡鏡焦距

D_w ‧‧‧工作距離

圖1為一實施例中的用於判定物件尺寸之裝置(量測裝置)的示意性方塊圖。

圖2為展示判定實體空間中之物件尺寸的方法的流程圖。

圖3為另一實施例中之量測裝置的圖示方塊圖。

圖4A至圖4B為三維的物件影像的圖示，以與在該物件投影所在平面上之二維(2D)座標系統相關的方式，展示該物件之邊界線(邊緣)。

圖5為三維的物件影像的圖示，以與在該物件投影所在平面上之二維(2D)座標系統相關的方式，展示該物件經修正幾何空間關係後的邊界線(邊緣)。

圖6A至圖6B分別為又一實施例中之量測裝置的等角前視圖及等角後視圖。

圖7為量測裝置及物件展示第一幾何誤差源的示意圖。

圖8為量測裝置及物件展示第二幾何誤差源的示意圖。

圖9為展示可整合在又一量測裝置實施例中之用於調整物件尺寸以補正幾何誤差之方法的流程圖。

圖10為分散式網路之圖示方塊圖，該分散式網路包括又一實施例，其中量測裝置與數據中心電腦進行通信。

圖11為各種物件之簡化橫截面幾何形狀視圖。

圖12為展示可整合在又一量測裝置實施例中的用於指導使用者對特定設定進行調整之方法的流程圖。

8‧‧‧裝置

10‧‧‧計算單元

11‧‧‧尺寸模型

12‧‧‧量測數據

14‧‧‧電源

20‧‧‧成像器件

24‧‧‧透鏡

26‧‧‧成像系統

30‧‧‧實境參數識別器

31‧‧‧系統校準參數

40‧‧‧視線

50‧‧‧參數偵測構件

60‧‧‧物件

Claims (25)

1. 一種用於判定一具有一三維(3D)幾何的物件的至少一尺寸之裝置，該裝置包括：一成像系統，其經設定成可獲取該物件之一影像；其中該所獲取的影像包括若干物件邊界，其代表該3D物件幾何的一二維(2D)投影；一參數識別器，其經設定成可判定至少一個校準參數；以及一計算單元，其經設定成使用該至少一個校準參數以自該影像判定該物件之該尺寸，其中，該計算單元進一步包括調整構件，其用來調整該至少一個校準參數，以修正未對正，該調整構件經設定以將該所獲取的影像基於至少以下所列而轉換成一經校正影像：(i)在該所獲取的影像中的該等物件邊界，及(ii)該等物件邊界在該裝置及該物件間沒有未對正時所應有的一預定的所需關係。
2. 如請求項1之裝置，其中該參數識別器包括由以下之群組所選出的其中一者：光學三角量測裝置、以干涉量測為基礎之系統、聲波/超聲波系統，及前述各者中之一或多者的組合。
3. 如請求項1之裝置，其中該參數識別器包含用於偵測工作距離之信號指標的構件，該參數偵測構件包括一設置在該裝置中以在該成像系統之視場中輸出一雷射光束的雷射源，該雷射光束經設定成以在該物件上產生一可由 該成像系統成像的雷射光點，該成像系統經進一步設定成可獲取具有該雷射光點之像的該物件之校正影像，該參數識別器經設定成可以辨識該校正影像中之該雷射光點之該像。
4. 如請求項3之裝置，其中該參數識別器經設定成可以判定該校正影像中之該雷射光點之該像的位置，該參數識別器經設定成可以基於(i)至少該雷射光點之該像的該判定位置以及(ii)與該雷射源及該成像系統相關之預先訂定數據來判定該成像系統與該物件之間的工作距離，該校準參數包括該判定之工作距離。
5. 如請求項1之裝置，其中該尺寸包含二維(2D)投影尺寸。
6. 如請求項1之裝置，其中該校準參數包含該成像系統與該物件之間的工作距離。
7. 如請求項6之裝置，其中該計算單元進一步包括：用於自該影像判定像素空間中之一物件尺寸的構件；用於根據至少該判定之校準參數建立一尺寸模型的構件；用於根據至少該尺寸模型將該像素空間中之該物件尺寸轉換成實體空間中之該物件尺寸的構件。
8. 如請求項1之裝置，其進一步包括一用於使使用者能夠調整聚焦及曝光之至少一個設定的機構，其中該計算單元經進一步設定成可以指導該使用者調整該等設定以獲得達到預定質量準則之該影像。
9. 如請求項8之裝置，其中該計算單元經設定成在該等設 定調整後使得該影像達到該等預定質量準則時輸出一條件確認。
10. 如請求項1之裝置，其進一步包含用於接收源自一電池之電力的構件。
11. 如請求項1之裝置，其進一步包括一通信模組，該通信模組經設定成可以傳輸包括至少該判定之物件尺寸的量測數據。
12. 如請求項11之裝置，其中該通信模組包含一無線傳輸單元，該無線傳輸單元經設定成可以根據一預定無線通信協定來操作。
13. 如請求項12之裝置，其中該通信模組為一符合WiFi及一符合藍芽之模組中的一者。
14. 如請求項11之裝置，其中該通信模組經設定成可以將該量測數據傳輸至一數據中心電腦。
15. 如請求項1之裝置，其中該至少一個校準參數具有一初始值，且其中該物件之該3D幾何包括該物件之一橫截面幾何圖形，該調整構件進一步包括：用於使用該至少一個校準參數之當前值來判定一所量測之物件尺寸的構件；用於計算做為當前所量測之物件尺寸的函數之修正後的物件尺寸的構件，其中該函數至少有一部分地植基於該物件之橫截面幾何圖形來定義；用於判定由該計算構件計算的當前經修正之物件尺寸與最近經修正之物件尺寸之間的一尺寸差的構件； 用於在該尺寸差不小於一臨限值時更新該至少一個校準參數之該當前值的構件；用於在該尺寸差小於該臨限值時基於該更新之校準參數來計算一最終所量測之物件尺寸的構件。
16. 如請求項15之裝置，其中該橫截面幾何圖形為圓形、正方形、矩形、菱形、橢圓形或六邊形中之一者。
17. 如請求項1之裝置，其中該參數識別器經設定成可以在該影像獲取期間判定該至少一個校準參數。
18. 如請求項1之裝置，其中該至少一個校準參數包括該獲取之影像中的該物件之預期之二維(2D)形狀。
19. 如請求項1之裝置，其中該至少一個校準參數包括該獲取之影像中的該物件之該二維投影之該等邊界的該預定的所需關係。
20. 如請求項1之裝置，其中該計算單元包含一尺寸模型，其經設定以修正該裝置對物件的未對正，並將該經修正之影像中的該物件轉換成一實體空間中的該物件尺寸。
21. 一種用於判定一具有一三維(3D)幾何的物件的至少一尺寸之裝置，該裝置包括：一成像系統，其經設定成可獲取該物件之一影像，其中該所獲取的影像包括若干物件邊緣，其代表該3D物件幾何的一二維投影；一參數識別器，其經設定成可判定至少一個校準參數；一計算單元，其經設定成使用該至少一個校準參數以自該影像判定該物件之該尺寸，其中該校準參數進一步 包括以下各項中之至少一項：(i)一平行度參數指標，以標示該物件在一二維投影中的該影像中的一對邊緣的調整的一程度，藉以使其在該影像中彼此實質上平行，(ii)一垂直度參數指標，以標示該物件在一二維投影中的該影像中的一對邊緣的調整的一程度，藉以使其在該影像中彼此實質上垂直，及(iii)一真圓度參數指標，以標示該物件在一二維投影中的該影像中的一個邊緣的調整的一程度，藉以使其在該影像中實質上為一部分的圓或完整的圓，該平行度參數、該垂直度參數及該真圓度參數經判定以允許該計算單元修正該裝置相對於該物件之未對正而同時判定該尺寸。
22. 如請求項21之裝置，其中該計算單元經設定成可以提供一使用者介面，該使用者介面經設定成可以自使用者獲得關於該影像中的該二維投影之預期形狀的一選擇。
23. 如請求項22之裝置，其中該計算單元經設定成可以根據該二維投影影像之該使用者選定的預期之形狀來判定該平行度參數、該垂直度參數及該真圓度參數中之該至少其中一項。
24. 如請求項21之裝置，其中該計算單元經設定成可以提供一使用者介面，該使用者介面經設定成可以自使用者獲得關於該影像中的該二維投影之該(該等)邊緣之平行度、垂直度或真圓度之一預期關係的指派。
25. 如請求項21之裝置，其中該參數識別器包括由以下之群組所選出的其中一者：光學三角量測裝置、以干涉量測 為基礎之系統、聲波/超聲波系統，及前述各者中之一或多者的組合。