TWI443587B - 三維雙模掃描裝置及三維雙模掃描系統 - Google Patents

Description

三維雙模掃描裝置及三維雙模掃描系統

本發明係關於一種掃描裝置，特別關於一種三維雙模掃描裝置。

近年來，三維量測的技術日益純熟，其應用之範圍在學術研究上或是工業應用上也越來越廣泛。其中，三維掃描例如可應用於逆向工程、品管控制、工業檢測或快速成形等領域，而運動追蹤例如可應用於虛擬實境、步態分析、生物力學及人因工程等。

習知一種三維掃描裝置只能進行物體(例如人體)外觀形體的靜態掃描，並無法同時進行該物體之運動狀態的擷取；而習知另一種三維掃描裝置只能進行物體運動狀態的擷取，卻無法同時進行該物體外觀形體的靜態掃描。若使用者欲同時對同一物體進行靜態掃描以及動態擷取，只能分別購買靜態掃描裝置以及動態擷取裝置，然而，這兩種機器都相當昂貴，以致使用者怯步不前而限制其應用發展。此外，靜態掃描與動態擷取這兩者之結合亦因此而相當不易，因而業界尚無法依據該物體外觀型體建立其靜態影像，又可同時具有該物體的動態狀態擷取之功能，以客製化地將該物體之真實動態影像展示出來。

因此，如何提供一種三維雙模掃描裝置及三維雙模掃描系統，不僅可針對物體進行靜態掃描，又可對該物體進行運動擷取，進而提升其應用發展，已成為重要課題之一。

有鑑於上述課題，本發明之目的為提供一種不僅可針對物體進行靜態掃描，又可對該物體進行運動擷取，進而提升其應用發展的三維雙模掃描裝置及三維雙模掃描系統。

為達上述目的，依據本發明之一種三維雙模掃描裝置係用以掃描至少一物體，或用以擷取至少一物體之運動情形，並包含一光投射單元、複數標誌單元以及一影像攝取單元。光投射單元係投射光線於物體。標誌單元係設置於物體。當進行靜態掃描時，光投射單元投射光線於物體之表面，影像攝取單元對物體進行影像之攝取，以得到複數靜態影像。當進行運動擷取時，影像攝取單元對物體上面之該等標誌單元進行影像之攝取，以得到複數動態影像。

在一實施例中，光投射單元所投射之光線係為具有編碼的條紋結構光。

在一實施例中，光投射單元所投射之光線係為循序掃描之線型雷射光。

在一實施例中，該等標誌單元係為發光體。

在一實施例中，該等標誌單元係為圖案標誌。

在一實施例中，該等標誌單元係具有光線的反射性。

在一實施例中，三維雙模掃描裝置更包含一靜態處理單元及一動態處理單元。靜態處理單元係處理該等靜態影像，以建立物體表面之一靜態資料結構。動態處理單元係處理該等動態影像，以建立物體之一動態資料結構。

為達上述目的，依據本發明之一種三維雙模掃描系統係用以掃描至少一物體，或用以擷取至少一物體之運動情形，並具有複數個上述之三維雙模掃描裝置，該等三維雙模掃描裝置係環設於物體之周圍，並取得物體於不同視角之複數靜態影像與複數動態影像，以分別建立複數個靜態資料結構與複數個動態資料結構。

在一實施例中，三維雙模掃描系統更包含一註冊整合單元，其係處理該等三維雙模掃描裝置彼此之間的座標轉換。

在一實施例中，註冊整合單元係整合該等靜態資料結構，以得到物體之三維表面全貌之資料結構。

在一實施例中，註冊整合單元係整合該等動態資料結構，以得到物體完整的動態資訊。

承上所述，因本發明之三維雙模掃描裝置進行靜態掃描時，光投射單元係投射光線於物體之表面，而影像攝取單元係對物體進行影像之攝取，以得到複數靜態影像；而三維雙模掃描裝置進行運動擷取時，影像攝取單元係對物體上面之該等標誌單元進行影像之攝取，以得到複數動態影像。藉此，本發明之三維雙模掃描裝置不僅具有物體的靜態影像掃描，又可同時具有該物體的運動狀態擷取的功能。此外，由於靜態掃描與動態擷取皆由同一裝置上完成，因而可大幅降低兩者結合的難度。

另外，本發明之三維雙模掃描系統具有複數個上述之三維雙模掃描裝置，且該等三維雙模掃描裝置係環設於物體之周圍，並取得物體於不同視角之複數靜態影像與複數動態影像，以分別建立複數個靜態資料結構與複數個動態資料結構，進而建立該物體完整的外貌與運動狀態。藉此，本發明能夠依據該物體外觀型體建立其靜態影像，又可同時具有該物體的運動狀態擷取之功能，而能客製化地將該物體之真實動態影像展示出來，使三維測量的應用發展往前進一大步。

以下將參照相關圖式，說明依本發明較佳實施例之一種三維雙模掃描裝置以及三維雙模掃描系統，其中相同的元件將以相同的參照符號加以說明。

請參照圖1所示，其為本發明較佳實施例之一種三維雙模掃描裝置1與物體O之側視示意圖。三維雙模掃描裝置1係包含一光投射單元11、複數標誌單元12以及一影像攝取單元13。其中，三維雙模掃描裝置1係用以掃描至少一物體O，或用以擷取至少一物體O之運動情形。而物體O可為生物(例如人體、動物)或為非生物(例如汽車、機器人)。於此，物體O係以人體為例。另外，再說明的是，如圖1所示，三維雙模掃描裝置1已將光投射單元11及影像攝取單元13整合，並設置於一直立式的機體B內。

光投射單元11係投射光線於物體O之表面。其中，光投射單元11所投射之光線可為具有編碼的條紋結構光。而光投射單元11係將具有編碼的條紋結構光線投射於靜態物體O之表面(靜態，表示此時物體O是靜止不動者)。其中，條紋結構光的編碼方式例如可為圖2A所示之4位元(Bit)的格雷(Gray Code)碼，或為圖2B所示之4位元的二進位編碼。其中，格雷碼在兩個位置間僅有一位元的改變，且格雷碼的條紋寬度在相同條件下幾乎為二進位編碼條紋的兩倍，因此，在條紋的影像擷取上，格雷碼在對應及辨識上較二進位編碼佳。另外，光投射單元11所投射之光線也可為循序掃描之線型雷射光。其中，條紋結構光的優點是編碼後可一次取得物體O表面的形狀資訊，而雷射光投射到物體O表面時會呈現出一條直線，因此，欲取得物體O表面形狀的資訊時，雷射光需由上而下，或由下而上循序掃描物體O之全部表面後，才可得到物體O的全部的表面形狀資訊，時間上需花費較多。

在本實施例中，光投射單元11係為一液晶投影機(Projector)，其投射的光線係為條紋結構光，而其編碼方式係以格雷碼為例。再說明的是，本實施例之光投射單元11所發出的條紋結構光線所使用的編碼圖樣包含8張格雷碼條紋圖案、4張相平移圖案和一張全黑及一張全白圖案，總共14張影像，其共可得到4×2⁸ 共1024組不同的格雷碼影像。其中，格雷碼影像數量為1024並不可用以限制本發明，在其它的實施例中，其數量可為不同。

請再參照圖1所示，複數標誌單元12(圖1中只顯示二只)係設置於物體O的表面。標誌單元12可為主動式標誌單元或為被動式標誌單元。其中，主動式標誌單元可自行發光，例如為一發光體，以供影像攝取單元13攝取與辨識其影像。而被動式標誌單元無法自行發光，但可為一具有光線反射特性且同時具有編碼的圖案標誌，因此，被動式標誌單元需搭配發光源，以利圖案標誌之光線反射的攝取與辨識。另外，被動式圖案標誌可為一圖案貼附於一平面體的表面，或為複數圖案貼附於一多面體的複數表面，例如貼附於角錐體、立方體、長方體或其它多面體的複數表面上。

在本實施例中，如圖3A所示，標誌單元12係以複數如圖3B所示之編碼圖案C貼附於一正方體的複數表面為例。於此，係於正方體的5個表面分別貼附編碼圖案C，而正方體設置於物體O的表面上未貼附編碼圖案C。另外，為了可辨識物體O表面的不同位置，標誌單元12之各表面的編碼圖案C需分別具有不同的編碼。因此，於使用三維雙模掃描裝置1之前，物體O之不同位置需事先設置如上述的複數標誌單元12(表面貼附編碼圖案C之正方體)。由於圖3A之正方體的各表面的相對位置關係為固定，故可透過貼附編碼圖案C之表面經座標轉換後而得知另一未貼附圖案之表面的座標，因此只要擷取到運動中的標誌單元12，就可得知物體O之該位置於空間上的動態資訊。

請再參照圖3B所示，以說明本實施例之編碼圖案C係如何編碼。編碼圖案C可具有一內圍圖案及一外圍圖案，而內圍圖案係區分為複數第一區域，外圍圖案係區分為複數第二區域，且至少一第一區域之顏色與至少一第二區域之顏色係不相同。在本實施例中，內圍圖案及外圍圖案之外緣分別係為圓形，而內圍圖案係被區分為兩個第一區域121a、121b、且第一區域121a及第一區域121b分別為兩面積不相同的扇形為例。另外，該等第二區域為圓形兩個半徑與內圍圖案之外緣所形成之區域。於此，外圍圖案係被區分為8個第二區域122a～122h、且第二區域122a～122h分別為圓形兩個半徑與內圍圖案之外緣所形成之區域。另外，8個第二區域12a～12h的面積係分別相等。

此外，編碼圖案C更可包括一正方形外框123，而內圍圖案與外圍圖案係設置於正方形外框123內。於此，內圍圖案與外圍圖案係對稱設置於正方形外框123內。其中，正方形外框123、內圍圖案以及外圍圖案係具有一相同形心P1。於此，形心P1係為正方形兩對角線之交點。藉由內圍圖案與正方形外框之特定關係，例如內圍圖案之一第一區域121a對準正方形外框123之一角點P2，可協助外圍圖案之識別速度，進而可提升編碼識別的準確性。特別一提的是，使用者可依其需求不設置正方形外框123，只具有內圍圖案與外圍圖案之編碼圖案C一樣具有編碼的功能。

在本實施例之編碼中，1代表黑色，而0代表白色(當然也可相反)。於圖3B中，第一區域121a之位置為黑色，而第一區域121b之位置為白色，因此，內圍圖案之編碼為1。另外，若第一區域121a之位置為白色，而第一區域121b之位置為黑色，則內圍圖案之編碼為0。因此，本實施例之內圍圖案的編碼只有二種：1及0。

當第一區域121a的位置確定後，第二碼即為第一區域121a之外緣所對應之第二區域122a之顏色，而第二區域122a的位置可視為一起始位置，使得第二區域122b的位置顏色為第三碼，第二區域122c的位置顏色為第四碼，順時針以此類推，最後，第二區域122h的位置顏色即為第九碼。因此，本實施例之應用於編碼之編碼圖案C共可得到2的9次方，共有512種編碼變化，512種編碼變化已足夠物體O之表面外形不同位置的編碼之用。以圖3B為例，其第一碼至第九碼之編碼依序為：101010101。特別說明的是，上述的編碼方式只是舉例，並不用以限制本實施例之標誌單元12的編碼。此外，再說明的是，藉由第一區域121a與正方形外框123之角點P2的對應關係，使得第二區域122a可輕易被識別出來，進而可提升編碼識別的速度與準確度。

為了搭配上述之被動式標誌單元12，三維雙模掃描裝置1更可包含一發光單元14，發光單元14係發出光線至物體O表面之該等標誌單元12。其中，如圖3C所示，發光單元14係具有複數發光元件141，該等發光元件141係環設於影像攝取單元13之至少一鏡頭L，且與鏡頭L的相對位置係固定，以提供同軸光。在本實施例中，如圖1所示，影像攝取單元13係具有兩組電荷耦合元件(Charge Coupled Device,CCD)攝影機，且該等CCD攝影機係設置於光投射單元11之兩側。於此，發光元件141係分別環設於圖1之上下二鏡頭，並以發出紅光之發光二極體為例。然並不以此為限。在其它的實施例中，發光元件141可發出不同顏色的光線，或者，發光元件141可為雷射二極體而發出雷射光。另外，如圖1所示，本實施例之兩組攝影機鏡頭L之間距R約為1450毫米，物體O與三維雙模掃描裝置1之間距D約為2700毫米，而待測物體O之高度H約為1900毫米。此外，再說明的是，若標誌單元12使用的是可自行發光的主動式標誌單元，則不需使用上述之發光單元14。

請再參照圖1所示，當進行靜態掃描時，光投射單元11係投射光線於物體O之表面，而影像攝取單元13係對物體O進行影像之攝取，以得到複數靜態影像。在本實施例中，光投射單元11投射之光線為具格雷碼之條紋結構光。因此，影像攝取單元13所攝取之影像為該物體O表面的複數條紋影像。

另外，請參照圖4A所示，其為本發明之三維雙模掃描裝置1進行靜態掃描之功能方塊示意圖。

三維雙模掃描裝置1更包含一靜態處理單元15，靜態處理單元15係接收並處理影像攝取單元13所攝取之該等靜態影像(複數具格雷碼的條紋影像)，以建立物體O表面之一靜態資料結構。其中，靜態處理單元15係根據兩攝影機鏡頭L所攝取之該等靜態影像，並利用三角幾何方法(或稱三角定位方法，或立體視覺方法)進行物體O表面之空間定位(定位物體O表面的位置)，進而得到描述物體O表面之密集雲點資料(即物體O表面之空間掃描點座標)，以建立物體O表面之靜態資料結構。

請再參照圖1所示，當進行運動擷取時，物體O(人體)係進行動態的動作，例如舉手或踢腿，此時，設置於物體O之該等標誌單元12亦跟著物體O移動，而影像攝取單元13對物體O表面之該等標誌單元12進行影像之攝取，以得到複數動態影像。在本實施例中，該等標誌單元12係如圖3A所示之立體的圖案標誌，而為了搭配圖3A之標誌單元12，本實施例之三維雙模掃描裝置1更包含上述之發光單元14，且發光單元14發出同軸光線至物體O之表面，由於人體表面特定位置已事先配戴複數標誌單元12，因此，當物體O動作時，影像攝取單元13所攝取之影像為該等標誌單元12跟著物體O移動時所反射之該等標誌單元12之編碼影像。

另外，請參照圖4B所示，其為本發明之三維雙模掃描裝置1進行運動擷取之功能方塊示意圖。

三維雙模掃描裝置1更包含一動態處理單元16，動態處理單元16係接收及處理影像攝取單元13所攝取之該等動態影像(即該等標誌單元12所反射之編碼影像)以建立物體O之一動態資料結構。並且，動態處理單元16可更依據該等動態影像以及靜態處理單元15輸出之靜態資料結構，以建立物體O之動態資料結構。其中，動態處理單元16係根據該等動態影像，並利用三角幾何方法進行空間定位，進而得到物體O表面之該等標誌單元12的位移、速度、與加速度等運動量，再結合該靜態資料結構，以建立物體O之動態資料結構。

承上所述，本發明之三維雙模掃描裝置1不僅可依據物體O表面型體得到其靜態影像，進而建立物體O表面之靜態資料結構，又可同時擷取該物體之動態資訊，進而建立物體O之動態資料結構。另外，由於本發明可將物體O外觀形體之靜態掃描及其動態狀態的擷取整合於三維雙模掃描裝置1，因此，與習知相較，若要同時使用這二種功能，不用購買二種不同功能的三維掃描裝置，因此，其價格相對也較便宜。

此外，請參照圖5A所示，其為本發明之一種三維雙模掃描系統的示意圖。本發明之三維雙模掃描系統係用以掃描至少一物體O，或用以擷取至少一物體O之運動情形，並具有上述之複數個三維雙模掃描裝置。其中，該等三維雙模掃描裝置係環設於物體O之周圍。由於複數個三維雙模掃描裝置係環設於物體O之周圍，因此，三維雙模掃描系統可取得物體O於不同視角之複數靜態影像與複數動態影像，以分別建立複數個靜態資料結構與複數個動態資料結構。

在本實施例中，三維雙模掃描系統係具有4組三維雙模掃描裝置1～4。其中，三維雙模掃描裝置2～4係與三維雙模掃描裝置1具有相同的技術特徵及功能，於此不再贅述。另外，本發明之三維雙模掃描系統將三維雙模掃描裝置1、3區分為第一群組，而三維雙模掃描裝置2、4區分為第二群組，且三維雙模掃描裝置1、3是彼此對應設置，而三維雙模掃描裝置2、4是彼此對應設置。其中，三維雙模掃描系統可依序控制，也就是第一群組之三維雙模掃描裝置1、3先投射光線，以分別擷取不同角度之複數靜態影像及複數動態影像後，第二群組之三維雙模掃描裝置2、4再分別投射光線，以分別擷取不同角度之複數靜態影像及複數動態影像。

請參照圖5B所示，其為本發明之三維雙模掃描系統之功能方塊示意圖。三維雙模掃描系統更包含一註冊整合單元5，註冊整合單元5係處理該等三維雙模掃描裝置1～4彼此之間的座標轉換。其中，註冊整合單元5係利用物體O上相同的該等標誌單元12之對應關係，以達成該等靜態資料結構之整合，且註冊整合單元5係整合該等靜態資料結構，以得到物體O之三維表面全貌之資料結構。換言之，每一三維雙模掃描裝置在各自的世界座標系下皆具有獨立靜態掃描與動態追蹤的能力。因此，若要對同一物體O進行深度的計算時，則必須透過註冊(Registration)的動作，以將各三維雙模掃描裝置之座標轉換到同一座標系下，故註冊整合單元5係藉由註冊，以將三維雙模掃描裝置1～4之各自的座標系整合成相同的一座標系。

另外，請參照圖5C所示，其為本實施例之物體O(例如人體)配載複數標誌單元12的示意圖。其中，標誌單元12的數量係為24，且編號005、015及025之標誌單元12係設置於人體之背面，其餘的21只標誌單元12係設置於人體之正面。特別一提的是，圖5C之設置數量及位置只是舉例，使用者當然可設置不同數量的標誌單元12於不同的位置。

註冊整合單元5更可藉由不同之三維雙模掃描裝置1～4之不同視角的整合，以避免該等標誌單元12因光線被遮蔽時而損失其運動資訊，進而可得到物體O之完整動態的資料結構。換言之，註冊整合單元5係整合該等動態資料結構，以使該等動態資料結構具有物體O完整的動態資訊。

當註冊整合單元5整合該等靜態資料結構，以得到物體O之三維表面全貌之資料結構，同時註冊整合單元5整合該等動態資料結構，以使該等動態資料結構具有物體O完整的動態資料時，即可透過資料的重現(Replication)方法，以呈現該物體真實的動態影像。

綜上所述，因本發明之三維雙模掃描裝置進行靜態掃描時，光投射單元係投射光線於物體之表面，而影像攝取單元係對物體進行影像之攝取，以得到複數靜態影像；而三維雙模掃描裝置進行運動擷取時，影像攝取單元係對物體上面之該等標誌單元進行影像之攝取，以得到複數動態影像。藉此，本發明之三維雙模掃描裝置不僅具有物體的靜態影像掃描，又可同時具有該物體的運動狀態擷取的功能。此外，由於靜態掃描與動態擷取皆由同一裝置上完成，因而可大幅降低兩者結合的難度。

另外，本發明之三維雙模掃描系統具有複數個上述之三維雙模掃描裝置，且該等三維雙模掃描裝置係環設於物體之周圍，並取得物體於不同視角之複數靜態影像與複數動態影像，以分別建立複數個靜態資料結構與複數個動態資料結構，進而建立該物體完整的外貌與運動狀態。藉此，本發明能夠依據該物體外觀型體建立其靜態影像，又可同時具有該物體的運動狀態擷取之功能，而能客製化地將該物體之真實動態影像展示出來，使三維測量的應用發展往前進一大步。

以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。

1～4．．．三維雙模掃描裝置

11．．．光投射單元

12．．．標誌單元

121a、121b、122a～122h．．．區域

123．．．外框

13．．．影像攝取單元

14．．．發光單元

141．．．發光元件

15．．．靜態處理單元

16．．．動態處理單元

5．．．註冊整合單元

B．．．機體

C．．．編碼圖案

D、R．．．間距

H．．．高度

L．．．鏡頭

O‧‧‧物體

P1‧‧‧形心

P2‧‧‧角點

圖1為本發明較佳實施例之一種三維雙模掃描裝置與物體之側視示意圖；

圖2A及圖2B分別為格雷碼及二進位編碼的示意圖；

圖3A為本發明較佳實施例之一種標誌單元的示意圖；

圖3B為本發明較佳實施例之一種編碼圖案的示意圖；

圖3C為本發明較佳實施例之一種發光元件環設於影像攝取單元之鏡頭的示意圖；

圖4A及圖4B分別為本發明之三維雙模掃描裝置進行靜態掃描及運動擷取之功能方塊示意圖；

圖5A為本發明之一種三維雙模掃描系統的示意圖；

圖5B為本發明之三維雙模掃描系統之功能方塊示意圖；以及

圖5C為本發明之物體(人體)配載複數標誌單元的示意圖。

1．．．三維雙模掃描裝置

11．．．光投射單元

12．．．標誌單元

13．．．影像攝取單元

B．．．機體

D、R．．．間距

H．．．高度

L．．．鏡頭

O．．．物體

Claims (10)

1. 一種三維雙模掃描裝置，係用以掃描至少一物體，或用以擷取至少一物體之運動情形，並包含：一光投射單元，係投射光線於該物體；複數標誌單元，係設置於該物體；以及一影像攝取單元，當進行靜態掃描時，該光投射單元投射光線於該物體之表面，該影像攝取單元對該物體進行影像之攝取，以得到複數靜態影像，當進行運動擷取時，該影像攝取單元對該物體上面之該等標誌單元進行影像之攝取，以得到複數動態影像，其中，一編碼圖案係設置於各該標誌單元的表面，該編碼圖案包含一內圍圖案及一外圍圖案，該內圍圖案係區分為複數第一區域，該外圍圖案係區分為複數第二區域，且至少一該第一區域之顏色與至少一該第二區域之顏色係不相同。
2. 如申請專利範圍第1項所述之三維雙模掃描裝置，其中該光投射單元所投射之光線係為具有編碼的條紋結構光。
3. 如申請專利範圍第1項所述之三維雙模掃描裝置，其中該光投射單元所投射之光線係為循序掃描之線型雷射光。
4. 如申請專利範圍第1項所述之三維雙模掃描裝置，其中該等標誌單元係為發光體。
5. 如申請專利範圍第1項所述之三維雙模掃描裝置，其 中該等標誌單元係為圖案標誌。
6. 如申請專利範圍第1項所述之三維雙模掃描裝置，其中該等標誌單元係具有光線反射性。
7. 如申請專利範圍第1項所述之三維雙模掃描裝置，更包含：一靜態處理單元，係處理該等靜態影像，以建立該物體表面之一靜態資料結構；以及一動態處理單元，係處理該等動態影像，以建立該物體之一動態資料結構。
8. 一種三維雙模掃描系統，係用以掃描至少一物體，或用以擷取至少一物體之運動情形，並具有複數個如申請專利範圍第1項至第7項之任一項所述之三維雙模掃描裝置以及一註冊整合單元，該等三維雙模掃描裝置係環設於該物體之周圍，並取得該物體於不同視角之複數靜態影像與複數動態影像，以分別建立複數個靜態資料結構與複數個動態資料結構，該註冊整合單元處理該等三維雙模掃描裝置彼此之間的座標轉換，且該註冊整合單元依據設置於該物體之該等標誌單元之間的關係整合該等靜態資料結構。
9. 如申請專利範圍第8項所述之三維雙模掃描系統，其中該註冊整合單元係整合該等靜態資料結構，以得到該物體之三維表面全貌之資料結構。
10. 如申請專利範圍第8項所述之三維雙模掃描系統，其中該註冊整合單元係整合該等動態資料結構，以得到 該物體完整的動態資訊。