TWI460456B - 虛擬視覺化系統 - Google Patents

Description

虛擬視覺化系統

本發明係關於一種虛擬視覺化系統，特別係關於一種用以掃描並顯示一懸崖影像之虛擬視覺化系統。

雷射雷達(light detection and ranging,LIDAR)係一種利用雷射光對目標進行高密度的掃瞄，以獲得目標的三維輪廓之量測技術。雷射雷達包含激光器和接收器，激光器發射光脈衝至目標物，接著，光脈衝反射回接收器，並量測光脈衝自激光器發射後反射至接收器此所經過的時間。由於光速為已知，再結合激光器的高度和發射方向，可精確計算出一物體之座標位置。

目前，雷射雷達依其功能的不同，大致可分為三大類：空中型雷射雷達(airborne LIDAR)、水深量測雷射雷達(bathymetric LIDAR)以及陸上雷射雷達(terrestrial LIDAR)。

由於雷射雷達可獲取地面及其覆蓋物(如電力線、植被)之精確三維座標，以及其本身具有高精度、高解析度、且高效率之優點，雷射雷達被廣泛應用於大面積的三維地表量測。除此之外，於地表量測後，可根據地表起伏資訊製作出數值高程模型(digital elevation model,DEM)，數值高程模型更可應用於災難調查、地圖繪製、地表分析，甚至可再進一步作為資源估算、房屋建置等應用，其重要性可見一斑。

然而，習知利用雷射雷達進行地表量測的技術，僅係單純地觀測和記錄，甚至量測結果僅具備地表之形狀，而未輔以色彩等視覺資訊以利使用者觀察，令使用者較不易明顯地觀察出一處地形變化前後之差異性。由此觀之，若以習知技術進行成果顯示時，大多無法達到有效率地提升使用者之觀察便利性以及明顯性。

有鑑於此，本發明提供一種虛擬視覺化系統，藉以解決上述習知問題。

本發明提供一種虛擬視覺化系統，該系統包含有一雷射雷達、一三維表面差分模組以及一顯示模組。雷射雷達用以掃描一懸崖之輪廓，並產生一第一點雲資料以及一第二點雲資料。三維表面差分模組，耦接雷射雷達，並依據第一點雲資料以及第二點雲資料運算懸崖受侵蝕之程度，據以產生複數個區間值，並將所述多個區間值依一顏色編碼表分類成複數個顏色指令。顯示模組，耦接三維表面差分模組，並依據所述多個顏色指令產生複數個顏色，以顯示一虛擬環境，虛擬環境包含有複數個區域，用以顯示懸崖之影像。

於實際應用中，所述多個區域包含有至少一侵蝕區域，至少一增生區域，至少一變化可忽略區域。其中，侵蝕區域以紅色顯示，增生區域係以藍色顯示，變化可忽略區域係以黑色顯示。此外，第一點雲資料以及第二點雲資料係以雷射雷達依5公分至10公分之距離掃瞄懸崖之輪廓。於實際應用中，雷射雷達係一陸上雷射雷達。

本發明之虛擬視覺化系統進一步包含有至少一虛擬工具，用以操縱、修改虛擬環境。其中，虛擬工具可為一染色工具，用以染色虛擬環境以達到分類、標記之效果。於實際應用中，染色工具可為一虛擬染色刷，進一步地，虛擬染色刷係以一無邊圓錐狀噴霧表現。此外，虛擬工具可為一剪裁工具，用以選定虛擬環境中所述多個區域其中之一，並隱藏選定之區域之鄰近區域。另外，虛擬工具可為一互動工具，用以追蹤一物體之動作，以改變虛擬環境之顯示。於實際應用中，物體可為一人體或是一無生物。

相較於習知技術，本發明之虛擬視覺化系統利用顏色編碼之方式，以顏色的差異性使懸崖受侵蝕前後的差異性可以更明顯地被顯示出。除此之外，本發明進一步包含有至少一虛擬工具，如互動工具、染色工具、剪裁工具…等等，用以操縱、修改虛擬環境，令使用者可不僅方便觀察，更能任意地標記、突顯自己欲觀察之部份。

關於本發明之優點與精神可以藉由以下的發明詳述及所附圖式得到進一步的瞭解。

請參見圖一以及圖二，圖一係繪示根據本發明之一具體實施例之虛擬視覺化系統的方塊圖。圖二係繪示根據本發明之一具體實施例之虛擬環境的示意圖。如圖所示，本發明之虛擬視覺化系統包含有一雷射雷達10、一三維表面差分模組11以及一顯示模組12。其中，三維表面差分模組11耦接於雷射雷達10，且顯示模組12耦接於三維表面差分模組11。此外，此處提及之虛擬環境20可為一懸崖21輪廓之虛擬影像。以下分別描述本發明之虛擬視覺化系統的元件。

雷射雷達10用以掃描一懸崖21之輪廓，並產生一第一點雲資料以及一第二點雲資料。於實務中，雷射雷達10包含有一激光器(未顯示於圖中)以及一接收器(未顯示於圖中)。雷射雷達10之激光器發射一狹窄、高頻率雷射光至懸崖21之目標表面上，藉由量測雷射之反射時間、反射角度以及反射強度，並計算雷射光自發射後反射至接收器的時間，以獲得懸崖21之目標表面之特徵。雷射雷達10之原理和應用於本發明所屬技術領域具有通常知識者應可了解，在此不予贅述。

於實際應用中，利用雷射雷達10掃描懸崖21於某一時刻之輪廓，並產生一第一點雲資料，再於該時點起算經過一段時間，懸崖21受有侵蝕，再利用雷射雷達10掃描受有侵蝕之懸崖21之輪廓，以產生一第二點雲資料。其中，第一點雲資料以及第二點雲資料係以雷射雷達10依5公分至10公分之距離，掃瞄懸崖21之輪廓。此外，雷射雷達10進一步係一陸上雷射雷達(terrestrial LIDAR)。

三維表面差分模組11耦接雷射雷達10，並依據第一點雲資料以及第二點雲資料以運算懸崖21受侵蝕之程度，據以產生複數個區間值，並將所述多個區間值依一顏色編碼表分類成複數個顏色指令。如上開所提及，第一點雲資料以及第二點雲資料分別係懸崖21遭受侵蝕前與遭受侵蝕前之輪廓資料。

於實務中，三維表面差分模組11係計算複數個距離以產生所述多個區間值。所述多個距離之計算係利用複數個光線自第二點雲資料中懸崖21輪廓的表面之法向量投射出，並與第一點雲資料中懸崖21之輪廓的表面相交，進而求得所述多個距離，並產生所述多個區間值。舉例來說，所述多個區間值可為p、q、r、t、w，其中，a≦p<b、b≦q<c、c≦r<d、d≦t<e、e≦w<f。三維表面差分模組11預先儲存有一顏色編碼表，接著，所述多個區間值依據顏色編碼表分類至其所對應之複數個顏色指令。舉例來說，上述區間值p可分類至紅色指令，區間值q分類至綠色指令，區間值r分類至藍色指令，區間值t分類至黃色指令，區間值w分類至黑色指令。

顯示模組12耦接三維表面差分模組11，並依據所述多個顏色指令產生複數個顏色，以顯示一虛擬環境20。於實務中，虛擬環境20可顯示於複數個互相拼接可撓式顯示裝置上，或者，顯示於複數個投影布幕上。只要是足以讓虛擬環境20呈現出的顯示介面，皆屬於本發明之範疇。除此之外，虛擬環境20包含有複數個區域，用以顯示懸崖21之影像。

進一步地，依據所述多個顏色的差異性，所述多個區域包含有至少一侵蝕區域22，至少一增生區域23，至少一變化可忽略區域24。舉例來說，侵蝕區域22以紅色顯示，增生區域23係以藍色顯示，變化可忽略區域24係以黑色顯示。值得注意的是，所述多個區域之分類結果並不以此為限，於該技術領域中具有通常知識者可依據其便利性或可觀察性等緣由，增設所述多個區域的分類方式，所述多個區域所對應之顏色亦可隨使用者的喜好而變更，皆屬於本發明之虛擬環境20之範疇，本發明在此並不加以限制。

以下舉出本發明之一具體實施例的作動方式為例。請再參見圖一以及圖二。雷射雷達10分別於時刻t以及時刻t+x，依5公分至10公分之距離，掃瞄懸崖21之輪廓。其中，x原則上為大於0之任意數，但選擇之時刻t+x以懸崖21之輪廓受有較為顯著的侵蝕為宜。接著，三維表面差分模組11接收第一點雲資料以及第二點雲資料，並計算出所述多個區間值，再依據顏色編碼表分類成複數個顏色指令。最後，如圖所示，顯示模組12將所述多個顏色指令轉換成複數個顏色，並投影至顯示裝置上(未顯示於圖中)，據以產生一虛擬環境20。

於本實施例中，虛擬環境20中區域依顏色的不同，其包含有至少一侵蝕區域22、至少一增生區域23以及至少一變化可忽略區域24。舉例來說，侵蝕區域22以紅色顯示，增生區域23係以藍色顯示，變化可忽略區域24係以黑色顯示。使用者可任意選擇顏色並將其對應至上開所述多個區域，惟鄰近區域原則上不以相同顏色顯示，以免混淆使用者之視覺，進而影響使用者的判斷。

請參見圖三A、圖三B、圖四A以及圖四B。圖三A係繪示根據本發明之一具體實施例之未使用染色工具的示意圖。圖三B係繪示根據本發明之一具體實施例之使用染色工具後的示意圖。圖四A係繪示根據本發明之一具體實施例之未使用剪裁工具的示意圖。圖四B係繪示根據本發明之一具體實施例之使用剪裁工具後的示意圖。本發明之虛擬視覺化系統進一步包含有至少一虛擬工具，用以操縱、修改虛擬環境20。

請參見圖三A以及圖三B，其中虛擬工具可為一染色工具，用以染色虛擬環境20以達到分類、標記之效果。於實務中，一使用者可以利用染色工具對虛擬環境20中的一點，甚至一大範圍做染色之動作。亦即是說，使用者可將自己有興趣之部份標記出，以達到醒目之效果。如圖所示，於一實施例中虛擬環境20有一區域A為無色，使用者可利用染色工具以將區域A染為綠色，轉變為一區域A’(A與A’係相同之區域，惟顏色上有差異)。進一步地，使用者亦可對不同範圍做染色之動作，依照自己的喜好或是習慣，將虛擬環境20中所包含之所述多個區域染上各種不同的顏色，以達到分類的效果。

進一步地，染色工具可為一虛擬染色刷。當使用者將虛擬染色刷與虛擬環境20中之選定區域相交時，虛擬染色刷開始作用並將選定區域染色。其中，虛擬染色刷係以一無邊圓錐狀噴霧表現。

請參見圖四A以及圖四B，其中虛擬工具亦可為一剪裁工具，用以選定虛擬環境20中所述多個區域其中之一，並隱藏選定之區域之鄰近區域。於實務中，使用者可選擇虛擬環境20中自己有興趣的部份，並利用剪裁工具將選定之區域予以剪裁，而選定之區域之鄰近區域將會自動地被隱藏，使用者能更清楚且更有效率地挑選出自己有興趣之部份。如圖所示，於另一實施例中於虛擬環境20之懸崖21被分為一區域B、一區域C以及一區域D，使用者僅對區域D有興趣。使用者可利用剪裁工具以將區域D剪裁出，區域B以及區域C係自動地被隱藏，使區域D能被使用者更為清楚地觀察。

除此之外，虛擬工具可為一互動工具，用以追蹤一物體之動作，以改變虛擬環境20之顯示。於實務中，互動工具可追蹤一無生物之動作，例如一棒狀物，藉由追蹤棒狀物之位置和動作，藉以改變上述虛擬染色刷於虛擬環境20中之位置和動作。

另外，互動工具亦可追蹤人體之動作，藉由追蹤人體與虛擬環境20之相對位置，以改變虛擬環境20於不同時刻之顯示方式，顯示方式係於不同之時刻所觀測到懸崖21之輪廓。

綜上所述，習知技術僅係單純地觀測和記錄懸崖之地形，使用者較不易明顯地觀察出懸崖受侵蝕前後的差異性。相較於習知技術，本發明之虛擬視覺化系統利用顏色編碼之方式，以顏色的差異性使懸崖受侵蝕前後的差異性可以更明顯地被顯示出。除此之外，本發明進一步包含有至少一虛擬工具，如互動工具、染色工具、剪裁工具等等，用以操縱、修改虛擬環境，令使用者可不僅方便觀察，更能任意地標記、突顯自己欲觀察之部份。

藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的範疇內。

1．．．虛擬視覺化系統

10．．．雷射雷達

11．．．三維表面差分模組

12．．．顯示模組

20．．．虛擬環境

21．．．懸崖

22．．．侵蝕區域

23．．．增生區域

24．．．變化可忽略區域

A、A’、B、C、D．．．任意區域

圖一係繪示根據本發明之一具體實施例之虛擬視覺化系統的方塊圖。

圖二係繪示根據本發明之一具體實施例之虛擬環境的示意圖。

圖三A係繪示根據本發明之一具體實施例之未使用染色工具的示意圖。

圖三B係繪示根據本發明之一具體實施例之使用染色工具後的示意圖。

圖四A係繪示根據本發明之一具體實施例之未使用剪裁工具的示意圖。

圖四B係繪示根據本發明之一具體實施例之使用剪裁工具後的示意圖。

1．．．虛擬視覺化系統

10．．．雷射雷達

11．．．三維表面差分模組

12．．．顯示模組

Claims (9)

1. 一種虛擬視覺化系統，包含：一雷射雷達(light detection and ranging,LIDAR)，用以掃描一懸崖之輪廓，並產生一第一點雲資料以及一第二點雲資料；一三維表面差分模組，耦接該雷射雷達，並依據該第一點雲資料以及該第二點雲資料運算該懸崖受侵蝕之程度，據以產生複數個區間值，並將該些區間值依一顏色編碼表(color coding table)分類成複數個顏色指令；以及一顯示模組，耦接該三維表面差分模組，並依據該些顏色指令產生複數個顏色，以顯示一虛擬環境，該虛擬環境包含有複數個區域，用以顯示該懸崖之影像。
2. 如申請專利範圍第1項所述之虛擬視覺化系統，其中該些區域包含有至少一侵蝕區域、至少一增生區域以及至少一變化可忽略區域。
3. 如申請專利範圍第2項所述之虛擬視覺化系統，其中該侵蝕區域以紅色顯示，該增生區域係以藍色顯示，該變化可忽略區域係以黑色顯示。
4. 如申請專利範圍第1項所述之虛擬視覺化系統，其中該雷射雷達係一陸上雷射雷達(terrestrial LIDAR)。
5. 如申請專利範圍第1項所述之虛擬視覺化系統，其中該第一點雲資料以及該第二點雲資料係以該雷射雷達依5公分至10公分之距離掃瞄該懸崖之輪廓。
6. 如申請專利範圍第1項所述之虛擬視覺化系統，該系統進一步包含有至少一虛擬工具，用以操縱、修改該虛擬環境。
7. 如申請專利範圍第6項所述之虛擬視覺化系統，其中該虛擬工具可為一互動工具，用以追蹤一物體之動作，以改變該虛擬環境之顯示。
8. 如申請專利範圍第6項所述之虛擬視覺化系統，其中該虛擬工具可為一染色工具，用以染色該虛擬環境以達到分類、標記之效果。
9. 如申請專利範圍第6項所述之虛擬視覺化系統，其中該虛擬工具可為一剪裁工具，用以選定該虛擬環境中該些區域其中之一，並隱藏該選定之區域之鄰近區域。