TWI480507B

TWI480507B - 三維模型重建方法及其系統

Info

Publication number: TWI480507B
Application number: TW102125050A
Authority: TW
Inventors: Tzung Han Lin
Original assignee: Univ Nat Taiwan Science Tech
Priority date: 2013-07-12
Filing date: 2013-07-12
Publication date: 2015-04-11
Also published as: TW201502466A

Description

三維模型重建方法及其系統

本發明是有關於一種電腦圖學(computer graphics)的技術，且特別是有關於一種三維模型重建的方法及其系統。

在電腦圖學(computer graphics)的領域中，三維模型重建(three-dimensional model construction,3D model construction)廣泛地應用於工業設計、逆向工程、醫學影像處理、刑事鑑定、數位文物典藏、文物遺跡考古等技術，其中在針對物體外觀輪廓的幾何量測方面通常是採取接觸式測量與非接觸式測量為主。

以接觸式測量而言，其精密度較高，常被用於工業工程。然而此方法須進行逐點量測，除了測量速度緩慢，受測物體有遭到破壞損毀的可能，因此較不適用於古文物或遺跡等重建。以非接觸式測量而言，主要是利用額外的能量投射至受測物體，藉由能量的反射來計算受測物體的三維空間資訊。

舉例而言，時差測距(time of flight,TOF)是以測量器的雷射光探測受測物體，並且利用測量器發射雷射光至受測物體的表面以及接收其反射光的時間，以計算測量器與受測物體之間的距離。此方法適於遠距離的測量，目前在軍事以及營建工程方面的應用極為廣泛。然而，環境光源以及受測物體的表面特性會影響感應雷射光的準確度，進一步影響時間的計算而錯估距離。

另一種常見的非接觸式測量為三角量測(triangulation)，其主要是測量器發射雷射光至受測物體的表面，再利用攝影機去尋找受測物體上的雷射光點，其三者之間的關係呈三角狀。隨著測量器與受測物體之間的距離改變，由於測量器與攝影機之間的距離以及測量器的雷射光所射出的角度為已知，因此可透過雷射光點座落在攝影機上的位置來求出受測物體與測量器之間的距離。此種方法較為精確，常用於精密模具業或半導體電子業的電路板檢測。然而，由於三角量測通常使用點測距或是線測距，其測量時間會隨著受測物體的體積增大而增加。

另一方面，非接觸式測量往往受制於受測物體的表面材料的光反射特性，無法適用於所有類型的物體。因此，如何快速精確地重建物體的三維模型已成為亟欲解決的問題之一。

本發明提出一種三維模型重建方法以及三維模型重建系統，其可建立物體的三維模型。

本發明提出一種三維模型重建方法，包括下列步驟。首先，提供透光屏幕以及光源。透光屏幕具有第一表面以及相對於該第一表面的第二表面，並且該第二表面包括多個特徵點。接著，將受測物體放置於透光屏幕的第一表面與光源之間。使光源照射於該受測物體，並且將該受測物體沿旋轉軸旋轉至多個物體方位，以在第一表面上形成對應於所述物體方位的多個物體影子。接著，自透光屏幕的第二表面擷取所述物體影子以及所述特徵點，以產生多個物體影像。之後，將所述物體影像進行處理，以獲得受測物體的三維模型。

在本發明的一範例實施例中，上述的三維模型重建方法更包括下列步驟。首先，將上述受測物體置換為校正物。接著，將校正物沿上述旋轉軸旋轉至多個校正方位，並且將光源照射於校正物，以在透光屏幕的第一表面上形成對應於所述校正方位的多個校正影子。接著，自透光屏幕的第二表面擷取所述校正影子以及所述特徵點，以產生多個校正影像。之後，將所述校正影像進行處理，以產生每一所述校正影像的多個校正參數。

在本發明的一範例實施例中，將上述校正影像進行處理，以產生所述校正參數的步驟包括下列子步驟。首先，分別將所述校正影像進行仿射運算，以產生多個仿射校正影像。接著，分別將所述校正仿射影像進行頂點偵測，並且根據頂點偵測以及所述校正方位，將所述仿射校正影像分類為多個正面仿射校正影像、多個背面仿射校正影像以及多個側面仿射影像，其中每一所述正面仿射校正影像包括多個頂點。再根據每一所述正面仿射校正影像的頂點，計算每一所述正面仿射校正影像的校正參數。接著，根據部份正面仿射校正影像的校正參數，針對每一所述背面仿射校正影像以及每一所述側面仿射校正影像分別進行鏡射運算以及外插運算，以獲得每一所述背面仿射校正影像的校正參數以及每一所述側面仿射校正影像的校正參數。

在本發明的一範例實施例中，將上述物體影像進行處理，以獲得受測物體的三維模型的步驟包括下列子步驟。首先，分別將所述物體影像進行仿射運算，以產生多個物體仿射影像。再根據所述校正參數，分別將所述物體仿射影像進行反扭曲運算，以產生多個反扭曲影像。接著，將所述反扭曲影像進行多視角剪影運算，以獲得受測物體的三維模型。

在本發明的一範例實施例中，將上述反扭曲影像進行多視角剪影運算，以獲得受測物體的三維模型的步驟包括下列子步驟。首先，將上述反扭曲影像的每一畫素二值化，以將每一畫素設定為前景畫素或背景畫素。接著，根據所述反扭曲影像的前景畫素以及背景畫素，於空間座標內產生受測物體的三維模型。

在本發明的一範例實施例中，將上述反扭曲影像的每一畫素二值化的步驟包括下列子步驟。首先，設定一影子閥值，並且將每一所述畫素的灰階值與所述影子閥值進行比較。接著，將灰階值小於影子閥值的畫素設定為前景畫素，反之，則設定為背景畫素。

在本發明的一範例實施例中，根據上述反扭曲影像的前景畫素以及背景畫素，於空間座標內產生受測物體的三維模型的步驟包括下列子步驟。首先，計算所述反扭曲影像的背景畫素投射於空間座標內的多個背景視錐(Frustum)。接著，自空間座標內移除所述背景視錐所對應的多個座標，以於空間座標內產生受測物體的三維模型。

在本發明的一範例實施例中，根據上述反扭曲影像的前景畫素以及背景畫素，於空間座標內產生受測物體的三維模型的步驟包括下列子步驟。首先，計算所述反扭曲影像的前景畫素投射於空間座標內的多個前景視錐。接著，將所述前景視錐進行交集運算，以於空間座標內產生受測物體的三維模型。

本發明提出一種三維模型重建系統，用以執行上述三維模型重建方法，以建立受測物體的三維模型，此三維模型重建系統包括：上述透光屏幕、轉盤、上述光源、影像擷取裝置以及影像處理裝置。轉盤用於承載受測物體，使該受測物體沿旋轉軸旋轉至多個物體方位。光源照射於該受測物體，當轉盤將受測物體沿上述旋轉軸旋轉至所述物體方位時，以在透光屏幕的第一表面上對應於所述物體方位的多個物體影子，其中該受測物體位於透光屏幕的第一表面與光源之間。影像擷取裝置自透光屏幕的第二表面擷取所述物體影子以及所述特徵點，以產生多個物體影像。影像處理裝置處理所述物體影像，以獲得受測物體的三維模型。

在本發明的一範例實施例中，上述影像處理裝置分別將所述物體影像進行仿射運算，以產生多個物體仿射影像。影像處理裝置再根據所述校正參數，分別將所述物體仿射影像進行反扭曲運算，以產生多個反扭曲影像。影像處理裝置又將所述反扭曲影像進行多視角剪影運算，以獲得受測物體的三維模型。

基於上述，本發明提出的三維模型重建方法以及三維模型重建系統，影像擷取裝置可於透光屏幕上擷取對應於不同物體方位的物體影子以及固定的特徵點，來建立出受測物體的三維模型。此外，在考量影像擷取裝置的內部參數與外部參數所產生的誤差下，影像處理裝置計算校正參數，以針對具有複雜輪廓的受測物體進行更精確的三維模型重建。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

100‧‧‧三維模型重建系統

110‧‧‧透光屏幕

112‧‧‧第一表面

114‧‧‧第二表面

116‧‧‧特徵點

120‧‧‧轉盤

130‧‧‧光源

140‧‧‧影像擷取裝置

150‧‧‧影像處理裝置

300‧‧‧校正參數計算系統

325‧‧‧校正物

325’‧‧‧校正影子

A‧‧‧受測物體

A’‧‧‧物體影子

S201~S209‧‧‧三維模型重建方法的流程

S401~S417‧‧‧校正參數計算方法的流程

S501~S505‧‧‧建構三維模型方法的流程

圖1為根據本發明之一範例實施例所繪示的三維模型重建系統的示意圖。

圖2為根據本發明之一範例實施例所繪示的三維模型重建方法的流程圖。

圖3為根據本發明之一範例實施例所繪示的校正參數計算系統的示意圖。

圖4為根據本發明之一範例實施例所繪示的校正參數計算方法的流程圖。

圖5為根據本發明之一範例實施例所繪示的建構三維模型方法的流程圖。

圖1為根據本發明之一範例實施例所繪示的三維模型重建系統的示意圖，但此僅是為了方便說明，並不用以限制本發明。

請參照圖1，三維模型重建系統100包括透光屏幕110、轉盤120、光源130、影像擷取裝置140以及影像處理裝置150。在本範例實施例中，三維模型重建系統100可針對受測物體A進行三維模型重建(three-dimensional model reconstruction,3D model reconstruction)，以建立受測物體A的三維模型。

光源130用以發射出均勻光線，其可以為可見光，也可以為不可見光。在本範例實施例中，光源130是採用發光二極體光源(light-emitting diode light source,LED light source)。光源130所發射出的光線具有穩定亮度。也就是說，當光源130所發射出的光線照射於受測物體A後，受測物體A的背後會產生出對比清晰的影子。

透光屏幕110的材質可以是透明壓克力平板或是利用其它合適導光材料所製成的平板。在本範例實施例中，透光屏幕110為透明壓克力板，其中透光屏幕110的第一表面112上黏貼高透光彩宣紙或是其它高透光性的材料。當受測物體A置於光源130與透光屏幕110的第一表面112之間時，在光源130所發射出的光線照射於受測物體A後，透光屏幕110用於使受測物體A的影子成像，以在透光屏幕110的第一表面112上形成物體影子A’。值得注意的是，至少四個特徵點(marker)116將黏貼於透光屏幕110相對於第一表面112的第二表面114上。在本範例實施例中，特徵點116的數量為四個，並且此四個特徵點116在物體影子A’的外圍以正方形的形式排列，然而本發明不限於此。在其它的範例實施例中，特徵點116可以其它不與物體影子A’重疊的形式排列。

在本範例實施例中，轉盤120置於光源130與透光屏幕110的第一表面112之間，用以承載受測物體A，使受測物體A可沿一旋轉軸旋轉至多個不同的方位，在此定義為「物體方位」。此外，在本範例實施例中，轉盤120內部具有編碼器(未繪示)，用於記錄轉盤旋轉至的方位。

在本實施例中，影像擷取裝置140可以是採用電荷耦合元件(charge coupled device,CCD)鏡頭的照相機，但本發明不限於此。影像擷取裝置140可自透光屏幕110的第二表面114擷取物體影子以及特徵點116，在此將影像擷取裝置140所擷取的物體影子A’以及特徵點116所產生的影像定義為「物體影像」。

值得注意的是，三維模型重建系統100中的透光屏幕110、轉盤120、光源130以及影像擷取裝置140是以直線排列，然而本發明不限於此。在其它的範例實施例中，上述四個元件的排列方式可以是非直線關係。舉例而言，其可以是經過反射或是具有傾斜夾角等方式進行排列。

在本範例實施例中，影像處理裝置150可以為個人電腦、筆記型電腦、智慧型手機、平板電腦，本發明不以此為限。影像處理裝置150包括記憶體以及處理器。記憶體用以儲存影像擷取裝置140所擷取的物體影像，而處理器用於處理記憶體中所儲存的物體影像，以建立受測物體A的三維模型。此外，在另一範例實施例中，可將影像擷取裝置140與影像處理裝置150整合至同一裝置，例如是具有照相或攝影功能的個人電腦、筆記型電腦、智慧型手機以及平板電腦，本發明不以此為限。此外，影像擷取裝置140亦可利用有線傳輸或是無線傳輸的方式，將所擷取的影像傳輸至影像處理裝置150。

圖2為根據本發明之一範例實施例所繪示的三維模型重建方法的流程圖，而圖2的三維模型重建方法可以圖1的三維模型重建系統100的各元件實現。

請同時參照圖1以及圖2，首先，提供透光屏幕110以及光源130(步驟S201)。將承載受測物體A的轉盤120放置於透光屏幕110的第一表面112與光源130之間(步驟S203)。接著，將130光源照射於受測物體A，並且旋轉轉盤120使受測物體A沿一個固定的旋轉軸旋轉至多個物體方位，以在透光屏幕110的第一表面112上形成受測物體A在不同物體方位下所產生的物體影子A’(步驟S205)。影像擷取裝置140自透光屏幕110的第二表面114擷取上述物體影子A’以及該些特徵點116，以產生多個物體影像(步驟S207)。

詳細而言，每當轉盤120將受測物體A轉動一個角度，影像擷取裝置140則會產生一個物體影像。假設轉盤120每次轉動10度，當轉盤120旋轉一圈後，影像擷取裝置140則會產生36張不同的物體影像。轉盤120每次轉動的角度取決於受測物體A的表面輪廓的複雜度。當受測物體A具有複雜度高的表面輪廓時，轉盤120每次所需轉動的角度則越小，也就是說影像擷取裝置140會產生越多的物體影像。

接著，影像擷取裝置140將物體影像傳輸至影像處理裝置150，而影像處理裝置150將物體影像(例如是上述36張不同的物體影像)進行處理，以獲得受測物體A的三維模型(步驟S209)。

在本實施例中，三維模型重建系統100中的透光屏幕110、轉盤120、光源130以及影像擷取裝置140之間的距離可以根據例如是受測物體A的尺寸、影像擷取裝置140的CCD鏡頭光圈的大小、以及影像解析度的需求而有所改變。因此，一旦三維模型重建系統100中的各元件經過調整後，在影像處理裝置150在針對物體影像進行處理之前，會進行校正參數計算程序。而校正參數計算程序所產生的校正參數可供影像處理裝置150執行步驟S209，以建立更精確的三維模型。

請先參照圖3，校正參數計算系統300包括透光屏幕110、轉盤120、校正物325、光源130、影像擷取裝置140以及影像處理裝置150，用以產生上述校正參數，以供影像處理裝置150執行步驟S209。在此，透光屏幕110、轉盤120、光源130、影像擷取裝置140以及影像處理裝置150的說明請參照圖1的範例實施例的相關描述，於此不再贅述。此外，在本範例實施例中，三維模型重建系統100以及校正參數計算系統300中的相同元件將擺設於相同的位置。換句話說，校正參數計算系統300與三維模型重建系統100的差別在於，將三維模型重建系統100的轉盤上120的受測物體A置換為校正物325。在一範例實施例中，亦可將三維模型重建系統100與校正參數計算系統300整合。以下僅針對與圖1的範例實施例之間的差異進行說明。

當光源130所發射出的光線照射於校正物325後，透光屏幕110用於使校正物325的影子成像，以在透光屏幕110的第一表面112上形成校正影子325’。值得注意的是，至少四個特徵點(marker)116黏貼於透光屏幕110相對於第一表面112的第二表面114上。在本範例實施例中，黏貼於透光屏幕110的第二表面114的特徵點116亦為四個，並且此四個特徵點116在校正影子325’的外圍以正方形的形式排列。

在本範例實施例中，轉盤120亦可使校正物325可沿一旋轉軸旋轉至多個不同的方位，在此定義為「校正方位」。同樣地，轉盤120內部具有編碼器(未繪示)，用以記錄轉盤120旋轉至的方位。

在本範例實施例中，校正物325為透明平板，而此透明平板上印有可部份透光的參考圖案。此參考圖案可以例如是棋盤格。影像擷取裝置140自透光屏幕110的第二表面114擷取校正影子以及特徵點116，在此將影像擷取裝置140所擷取的校正影子325’以及特徵點116所產生的影像定義為「校正影像」。而在本範例實施例中，特徵點116的影像則是位於每張物體影像的四個角落附近。

圖4為根據本發明之一範例實施例所繪示的校正參數計算方法的流程圖，而圖4的校正參數計算方法可以圖3的校正參數計算系統300的各元件實現。

請同時參照圖3以及圖4，首先，提供透光屏幕110以及光源130(步驟S401)。將承載校正物325的轉盤120放置於透光屏幕110的第一表面112與光源130之間(步驟S403)。接著，將光源130照射於校正物，並且旋轉轉盤120使校正物325沿一個固定的旋轉軸旋轉至多個校正方位，以在透光屏幕110的第一表面112上形成校正物325在不同校正方位下所產生的校正影子325’(步驟S405)。影像擷取裝置140自透光屏幕110的第二表面114擷取上述校正影子325’以及特徵點116，以產生多個校正影像(步驟S407)。

在此，上述的旋轉軸與圖2中步驟S205的旋轉軸相同。每當轉盤120將校正物325轉動一個角度，影像擷取裝置140則會產生一個校正影像。然而，不同於圖2的範例實施例，在本範例實施例中，轉盤120轉動至的校正方位可以設定為使用者欲進行校正的方位，或是轉置編碼器所記錄過的物體方位，以利後續三維模型重建的校正步驟。舉例而言，在本範例實施例中，當校正方位與物體方位一致時，轉盤120每次亦將校正物325轉動10度，當轉盤120旋轉一圈後，影像擷取模組140則會產生36張不同的校正影像。而在本範例實施例中，特徵點116的影像亦是位於校正影像的四個角落附近。

接著，影像處理裝置150將校正影像(例如是上述36張校正影像)進行校正參數計算。在本範例實施例中的校正參數為相機的內部參數(intrinsic parameters)與外部參數(extrinsic parameters)。內部參數可用來描述相機座標(camera coordinates)與影像座標(image coordinates)之間的轉換關係，也就是利用針孔(pinhole)成像原理將相機座標投影到成像平面(projective plane)。舉例而言，內部參數包括焦距(focal length)、影像中心(image center)、主軸點(principal point)以及鏡頭扭曲變形係數(distortion coefficients)等參數，也就是影像擷取裝置140內部的幾何與光學特性。另一方面，外部參數則是用來描述三維世界座標(world coordinate)與三維相機座標之間的轉換關係。舉例而言，影像擷取裝置140在三維座標中的位置與拍攝方向，包括旋轉矩陣(rotation matrix)與位移向量(translation vector)等與影像擷取裝置140擺放位置與拍攝方向相關的參數。

在影像擷取裝置140產生上述校正影像後，會將校正影像傳輸至影像處理裝置150。接著，影像處理裝置150分別將校正影像進行仿射運算(homography)，以產生多個仿射校正影像(步驟S409)。此步驟的主要目的是先修正影像擷取裝置140與透光屏幕110間對校正影像所產生的變形。仿射運算主要是根據透光屏幕110上的特徵點116的幾何分佈來進行運算。

舉例而言，在本範例實施例中，四個特徵點116是以正方形的形式排列。在進行仿射運算時，影像處理裝置150必須把校正影像中屬於正方形內的畫素仿射至另一個正方型的平面上，以確保仿射後的仿射校正影像內的正方形鄰邊互相垂直。以上述36張校正影像為例，每張校正影像包括了四個特徵點的影像，假設此四個特徵點影像的座標為(x _i ,y _i )，其中i =1,2,3,4。在經過仿射(affine mapping)後的座標為(0,0)、(w ,0)、(w ,h )以及(0,h )，其中w 與h 為仿射校正影像的寬與高。換句話說，透過仿射運算，可將校正影像轉換成具有正交(orthogonal)特性的座標系統，而轉換後的影像為36張仿射校正影像。

接著，影像處理裝置150分別將上述仿射校正影像進行頂點偵測(步驟S411)。詳細而言，此步驟主要先針對所有仿射校正影像進行頂點偵測，以偵測出頂點的平面座標位置。然而由於在步驟S405中，轉盤120將校正物325旋轉至不同的校正方位，因此於步驟S407中，校正物325的部份校正影像的擷取角度為側面校正物325的側面或是背面，較難辨認出頂點的平面座標位置。因此，根據頂點偵測以及不同校正方位，影像處理裝置150將仿射校正影像分類為正面仿射校正影像、背面仿射校正影像以及側面仿射校正影像(步驟S413)，其中正面仿射校正影像中包括多個可偵測出的頂點。在本範例實施例中，影像處理裝置150可例如是依據校正影像的擷取角度來將偵測不出頂點的仿射校正影像分為背面仿射校正影像以及側面仿射影像。

由於正面仿射校正影像可辨認出頂點，因此影像處理裝置150可直接根據每張正面仿射校正影像的頂點座標，計算每張正面仿射校正影像的校正參數(步驟S415)。接著，影像處理裝置150可根據一部份的正面仿射校正影像的校正參數，針對每一背面仿射校正影像以及每一側面仿射校正影像分別進行鏡射運算(mirroring)以及外插運算(extrapolation)，以獲得背面仿射校正影像的校正參數以及側面仿射校正影像的校正參數(步驟S417)。

影像處理裝置150可利用與一個背面仿射校正影像的校正方位相差180度的正面仿射校正影像來計算此背面仿射校正影像的校正參數。舉例而言，假設背面仿射校正影像B的原始影像是轉盤120旋轉置190度時影像擷取裝置140所擷取的影像，則影像處理裝置150可以根據正面仿射校正影像B₀ 的校正參數來進行鏡射運算，以獲得背面仿射校正影像的校正參數。其中正面仿射校正影像B₀ 的原始影像是轉盤120旋轉至10度時影像擷取裝置140所擷取的影像。

另一方面，影像處理裝置150可利用與一個側面仿射校正影像的校正方位相差最小的正面仿射校正影像來計算此背面仿射校正影像的校正參數。舉例而言，假設側面仿射校正影像R的原始影像是轉盤120旋轉置90度時影像擷取裝置140所擷取的影像，則影像處理裝置150可以根據正面仿射校正影像R₀ 的校正參數來進行外插運算，以獲得側面仿射校正影像的校正參數。其中正面仿射校正影像R₀ 的原始影像是轉盤120旋轉至最接近90度時所對應的正面仿射校正影像。在取得上述校正參數後，影像處理裝置150可據此執行圖2中的步驟S209，亦即將物體影像進行處理，以更精確地建立受測物體A的三維模型。

值得注意的是，在三維模型重建系統100的所有元件已固定的狀態下(例如：元件之間的相對距離、特徵點116的擺置、影像擷取裝置140的元件等)，圖4中的校正參數計算方法的流程僅需進行一次，即可取得上述校正參數，供多次三維模型重建方法的流程使用。此外，三維模型重建系統100中的影像擷取裝置140所擷取的物體影像的張數與校正參數計算系統300中的影像擷取裝置140所擷取的物體影像的張數可以不同。也就是說，三維模型重建系統100中的轉盤120與校正參數計算系統300中的轉盤120轉動角度與次數可以不同。當上述兩個系統的轉盤120轉動角度以及擷取的影像張數相同時，三維模型重建系統100中的影像處理單元150則利用具有相同方位的校正影像所產生的校正參數來為物體影像進行後續的處理。當上述兩個系統的轉盤120轉動角度以及擷取的影像張數不同時，則是利用其它校正影像所產生的校正參數來進行鏡射運算、外插運算以及內插運算(interpolation)，使得每一物體影像有其分別所對應的校正影像所產生的校正參數。

圖5為根據本發明之一範例實施例所繪示的建構三維模型方法的流程圖。圖5的流程主要是針對圖2中的步驟S209進行更進一步的說明。

請參照圖5，影像處理裝置150先分別將自影像擷取裝置140所取得的物體影像進行仿射運算，以產生物體仿射影像(步驟S501)。類似於圖4中的步驟S409，此步驟的主要目的亦是要修正影像擷取裝置140與透光屏幕110間對物體影像所產生的變形。相關說明請參照步驟S409的描述，於此不再贅述。

接著，影像處理裝置150根據圖4中的校正參數計算方法所獲得的校正參數，分別將每一物體仿射影像進行反扭曲運算，以產生反扭曲影像(步驟S503)。此步驟主要是根據校正參數將物體仿射影像轉換為不具有變形效果的反扭曲影像，其中反扭曲影像為符合理想的針孔成像的模式。

接著，將反扭曲影像進行多視角剪影(shape from silhouette)運算，以獲得受測物體A的三維模型(步驟S505)。在此，多視角剪影運算可採用視覺外型(visual hull)、空間雕刻(space craving)等演算法。

詳細而言，在本範例實施例中，影像處理裝置150可先將每一張反扭曲影像內受測物體A的影子所佔的畫素設定為前景 (foreground)畫素，而將不屬於受測物體A的影子所佔的畫素設定為背景(background)畫素，以將每一張反扭曲影像的畫素二值化。舉例而言，影像處理裝置150可先設定一個影子閥值(threshold)，並且將每一畫素的灰階值(gray level)與上述影子閥值進行比較，其中上述影子閥值為影像中影子畫素可能出現的最大灰階值。也就是說，當一個畫素的灰階值小於上述影子閥值時，亦即此畫素所呈現的顏色越接近黑色時，影像處理裝置150會將其辨識為代表受測物體A的影子的前景畫素。反之，當一個畫素的灰階值大於或等於上述影子閥值時，亦即此畫素所呈現的顏色越接近白色時，影像處理裝置150會將其辨識為不代表受測物體A的影子的背景畫素。接著，影像處理裝置150根據反扭曲影像的前景畫素以及背景畫素，在一個限定的空間座標(spatial coordinate)範圍內產生受測物體A的三維模型。

在一範例實施例中，影像處理裝置150可根據每張反扭曲影像所對應的校正參數，將每張反扭曲影像投射至上述空間座標內。由於每張反扭曲影像中的背景畫素投影至上述空間座標時會形成多個視錐(Frustum)(在此定義為「背景視錐」)，而影像處理裝置150自空間座標內移除這些背景視錐所對應的多個座標後，剩下的空間座標即可建構成受測物體A的三維模型。換句話說，這些背景視錐在投射的過程中可對上述空間座標的體積侵蝕，直到每張反扭曲影像的背景視錐對上述空間座標的體積侵蝕完畢後，上述空間座標所殘存的體積即是受測物體A的三維模型。

以另一觀點而言，影像處理裝置150亦可將每張反扭曲影像中的前景畫素投影至上述空間座標時而形成多個視錐(在此定義為「前景視錐」)。接著影像處理裝置150將這些前景視錐進行交集運算，也就是計算出這些前景視錐在上述空間座標內的交集座標，以建構成受測物體A的三維模型。舉例而言，應用此概念的的方法例如是組合式實體幾何(constructive solid geometry,CSG)演算法。

在本發明的一範例實施例中，三維模型重建系統100更包括顯示器(未繪示)。此顯示器可以耦接至影像處理裝置150，或是內建於影像處理裝置150。據此，使用者可自顯示器中取得較精確的受測物體A的三維模型。

綜上所述，本發明提出的三維模型重建方法以及三維模型重建系統，影像擷取裝置可於透光屏幕上擷取旋轉至不同方位物體的影子以及固定的特徵點，來推算出受測物體的三維模型，因此適用於所有類型材料的物體。此外，在考量影像擷取裝置的內部參數與外部參數所產生的誤差下，本發明的影像處理裝置計算出校正參數。因此，即便影像擷取裝置在擷取大量的影像後，亦不會減損精確度，更可供三維模型重建系統的影像處理裝置進行具有複雜輪廓受測物體的三維模型重建。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

S201~S209‧‧‧三維模型重建方法的流程

Claims

一種三維模型重建方法，適於建立一受測物體的三維模型，該三維模型重建方法包括：提供一透光屏幕以及一光源，其中該透光屏幕具有一第一表面以及相對於該第一表面的一第二表面，該第二表面包括多個特徵點；放置該受測物體於該透光屏幕的該第一表面與該光源之間；將該光源照射於該受測物體，並且將該受測物體沿一旋轉軸旋轉至多個物體方位，以在該透光屏幕的該第一表面上形成對應於該些物體方位的多個物體影子；自該透光屏幕的該第二表面擷取該些物體影子以及該些特徵點，以產生多個物體影像；以及將該些物體影像進行處理，以獲得該受測物體的三維模型。
如申請專利範圍第1項所述的三維模型重建方法，更包括：將該受測物體置換為一校正物；將該校正物沿該旋轉軸旋轉至多個校正方位，並且將該光源照射於該校正物，以在該透光屏幕的該第一表面上形成對應於該些校正方位的多個校正影子；自該透光屏幕的該第二表面擷取該些校正影子以及該些特徵點，以產生多個校正影像；以及將該些校正影像進行處理，以產生每一該些校正影像的多個校正參數。
如申請專利範圍第2項所述的三維模型重建方法，其中將該些校正影像進行處理，以產生每一該些校正影像的該些校正參數的步驟包括：分別將該些校正影像進行一仿射運算，以產生多個仿射校正影像；分別將該些仿射校正影像進行一頂點偵測；根據該頂點偵測以及該些校正方位，將該些仿射校正影像分類為多個正面仿射校正影像、多個背面仿射校正影像以及多個側面仿射影像，其中每一該些正面仿射校正影像包括多個頂點；根據每一該些正面仿射校正影像的該些頂點，計算每一該些正面仿射校正影像的該些校正參數；以及根據部份該些正面仿射校正影像的該些校正參數，針對每一該些背面仿射校正影像以及每一該些側面仿射校正影像分別進行一鏡射運算以及一外插運算，以獲得該些背面仿射校正影像的該些校正參數以及該些側面仿射校正影像的該些校正參數。
如申請專利範圍第2項所述的三維模型重建方法，其中將該些物體影像進行處理，以獲得該受測物體的三維模型的步驟包括：分別將該些物體影像進行一仿射運算，以產生多個物體仿射影像；根據該些校正參數，分別將該些物體仿射影像進行一反扭曲運算，以產生多個反扭曲影像；以及將該些反扭曲影像進行一多視角剪影運算，以獲得該受測物體的三維模型。
如申請專利範圍第4項所述的三維模型重建方法，其中將該些反扭曲影像進行該多視角剪影運算，以獲得該受測物體的三維模型的步驟包括：二值化該些反扭曲影像的每一畫素，以將每一該些畫素設定為一前景畫素或一背景畫素；以及根據該些反扭曲影像的該些前景畫素以及該些背景畫素，於一空間座標內產生該受測物體的三維模型。
如申請專利範圍第5項所述的三維模型重建方法，其中二值化該些反扭曲影像的該些畫素的步驟包括：設定一影子閥值，並且將每一該些畫素的一灰階值與該影子閥值進行比較；以及將該些灰階值小於該影子閥值的該些畫素設定為該前景畫素，反之，則設定為該背景畫素。
如申請專利範圍第5項所述的三維模型重建方法，其中根據該反扭曲影像的該些前景畫素以及該些背景畫素，於該空間座標內產生該受測物體的三維模型的步驟包括：計算該些反扭曲影像的該些背景畫素投射於該空間座標內的多個背景視錐；以及自該空間座標內移除該些背景視錐所對應的多個座標，以於該空間座標內產生該受測物體的三維模型。
如申請專利範圍第5項所述的三維模型重建方法，其中根據該反扭曲影像的該些前景畫素以及該些背景畫素，於該空間座標內產生該受測物體的三維模型的步驟包括：計算該些反扭曲影像的該些前景畫素投射於該空間座標內的多個前景視錐；以及將該些前景視錐進行一交集運算，以於該空間座標內產生該受測物體的三維模型。
一種三維模型重建系統，其係用以執行如申請專利範圍第1項所述之三維模型重建方法，以建立該受測物體的三維模型，該三維模型重建系統包括：該透光屏幕；一轉盤，承載該受測物體，使該受測物體沿該旋轉軸旋轉至該些物體方位；該光源，照射於該受測物體，當該轉盤將該受測物體沿該旋轉軸旋轉至該些物體方位時，以在該透光屏幕的該第一表面上形成對應於該些物體方位的該些物體影子，其中該受測物體位於該透光屏幕的該第一表面與該光源之間；一影像擷取裝置，自該透光屏幕的該第二表面擷取該些物體影子以及該些特徵點，以產生該些物體影像；以及一影像處理裝置，處理該些物體影像，以獲得該受測物體的三維模型。
如申請專利範圍第9項所述的三維模型重建系統，其中該影像處理裝置分別將該些物體影像進行一仿射運算，以產生多個物體仿射影像，該影像處理裝置再根據該些校正參數，分別將該些物體仿射影像進行一反扭曲運算，以產生多個反扭曲影像，該影像處理裝置又將該些反扭曲影像進行一多視角剪影運算，以獲得該受測物體的三維模型。