TWI484138B - Track laser scanning equipment and method - Google Patents

Description

軌道式雷射光學掃描設備及方法

本發明是有關於一種掃描地形設備及方法，特別是指一種能精確量測地形模型的軌道式雷射光學掃描設備及方法。

地形模型試驗中，需要將現地地形縮尺後，建立小尺度的地形模型，依此模型進行模擬試驗，所得新的地形結果，若用傳統單點測量方式，不易快速得到全範圍的地形資料。因此，亟需一套能精確量測地形模型的掃描地形設備及方法。

因此，本發明之目的，即在提供一種能精確量測地形模型的軌道式雷射光學掃描設備及方法。

於是，本發明軌道式雷射光學掃描設備包括一軌道、一移動載具、一扇形雷射產生器、一攝影機及一主機。

該軌道界定一預定方向；該移動載具配合在該軌道上沿著該預定方向位移；該扇形雷射產生器架設在該移動載具上，且在朝向該預定方向的一待測表面顯示一雷 射條紋，此雷射條紋可視為由多個雷射點所組成之線條；該攝影機架設在該移動載具上，可拍攝一包含該雷射條紋及該待測表面的影像畫面，且當該移動載具沿著該預定方向移動且該扇形雷射產生器在該待測表面顯示該雷射條紋，可拍攝沿著該預定方向在該待測表面包含該雷射條紋的多張影像畫面；該主機依據該等影像畫面的雷射條紋上的雷射座標點的二維座標代入預定的轉換公式以輸出對應該等影像畫面的雷射條紋各雷射點的三維座標。

該移動載具包括：一基座，可在該軌道上沿該預定方向行進；一立架，設置在該基座上，且固定該攝影機朝向該預定方向拍攝該待測表面；及一固定桿，具有一平行該預定方向的桿體，該桿體的一端固定於該攝影機的上方，另一端固定該扇形雷射產生器。

該軌道式雷射光學掃描設備還包括一具有多數定位點的校正板，於實際量測該待測表面之前在該待測表面的軌道上設置該校正板，並藉由該校正板的該等定位點的座標以依據相關公式建立該攝影機的一投影中心p 與一轉換矩陣S ，並藉由該投影中心p 、該轉換矩陣s ，及待測雷射點的三維座標x 的方向向量q 的長度λ 建立該轉換公式，其中，在該轉換公式帶入該雷射條紋各雷射點的二維座標(γ _k ,ρ _k )即得到待測雷射點的三維座標x ，且該轉換公式為：。

本發明的軌道式雷射光學掃描方法是配合一在 一界定一預定方向的軌道上沿著該預定方向位移的移動載具及一在該移動載具架設的扇形雷射產生器、一在該移動載具架設的攝影機及一主機，可掃描地形之方法，該方法包括下述步驟：該移動載具沿著該預定方向移動；該扇形雷射產生器在一待測表面顯示該雷射條紋；該移動載具沿著該預定方向移動且該扇形雷射產生器在該待測表面顯示該雷射條紋時，拍攝沿著該預定方向在該待測表面包含該雷射條紋的多張影像畫面；以及該主機依據該等影像畫面的雷射條紋上雷射點的二維座標代入預定的轉換公式以輸出對應該等影像畫面的雷射條紋上各雷射點的三維座標。

該軌道式雷射光學掃描方法在實際量測該待測表面之前還包括下述步驟：在該待測表面上設置一具有多數定位點的校正板，並藉由該校正板的該等定位點的座標以建立該預定的轉換公式。

本發明的軌道式雷射光學掃描設備及方法之功效在於：採用軌道式拍攝地形影像有助於精確量測不同地形模型的待測表面。

100‧‧‧軌道式雷射光學掃描設備

1‧‧‧移動載具

11‧‧‧基座

111‧‧‧滾輪

12‧‧‧立架

13‧‧‧固定桿

130‧‧‧桿體

131、132‧‧‧端部

14‧‧‧橫桿

2‧‧‧扇形雷射產生器

201‧‧‧雷射條紋

3‧‧‧攝影機

300‧‧‧三維座標圖

S400~S404‧‧‧步驟

5‧‧‧待測表面

501‧‧‧校正板影像

502‧‧‧二維座標圖

6‧‧‧校正板

7‧‧‧影像平面

71‧‧‧軌道

8’‧‧‧雷射條紋

80‧‧‧扇形頁面

81‧‧‧雷射條紋

700‧‧‧地形模型

本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是一立體圖，說明本發明的雷射掃描地形設備的較佳實施例；圖2是一流程圖，說明本發明的雷射掃描地形方法的較佳實施例； 圖3是一示意圖，說明該較佳實施例中使用三維座標軸、校正板、投影中心及二維影像的相關參數定義；圖4是一示意圖，說明如圖3的三維座標軸、校正板、投影中心及二維影像與地形模型之位置關聯；圖5是一示意圖，說明一校正板影像以及一利用校正板影像所轉換之二維座標圖；圖6是一示意圖，說明說明該較佳實施例中使用三維座標軸、投影中心及雷射掃描線的相關參數定義；圖7是一示意圖，說明如圖6的三維座標軸、投影中心及雷射掃描線與地形模型之位置關聯；圖8是一示意圖，說明一雷射掃描線影像以及一利用雷射掃描線影像所轉換之座標圖；圖9是一模擬圖，說明綜合多個不同位置的如圖8的雷射掃描線的座標；圖10是一模擬圖，說明藉由如圖9的座標以內插法形成的圖像。

在本發明被詳細描述之前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

參閱圖1，本發明之較佳實施例中，軌道式雷射光學掃描設備100是設置在一地形模型700的上方，地形模型700具有一待測表面5，且待測表面5是製作成一種類似河床表面的型態，但需注意的是，所附圖式雖然是以河床表面為例說明，但熟知本領域技術者當知，在其他的地 形表面亦適用之，不以所附的圖式為限制。

軌道式雷射光學掃描設備100包括一固定在地形模型700上方的軌道71、一可在軌道71沿著固定方向位移的移動載具1、一設置在移動載具1上的扇形雷射產生器2，及一設置在移動載具1上的攝影機3。

本較佳實施例中，軌道71可界定出預定的座標軸，包括i方向軸、j方向軸及k方向軸，移動載具1包括一基座11、一立架12、一固定桿13、一橫桿14及多個滾輪111。

其中，移動載具1的基座11的底部設置該等滾輪111以使移動載具1可在軌道71上沿著一i方向軸前後位移；移動載具1的立架12包括二個ㄇ型框且前後間隔地連結，立架12的底部設置在基座11上；移動載具1的橫桿14的長軸是平行於j方向軸，且橫桿14的中央用於固定攝影機3，橫桿14的兩端架設在後方的ㄇ型框，使得攝影機3可以朝向i方向軸拍攝待測表面5；移動載具1的固定桿13的長軸是平行於i方向軸，且固定桿13具有一桿體130及二端部131、132，其中一端部131設置在前方的ㄇ型框頂側且另一端部132用於固定扇形雷射產生器2，且扇形雷射產生器2在k方向軸方向高於攝影機3與待測表面5的距離，扇形雷射產生器2在i方向軸與攝影機3有一段固定距離；如此一來，扇形雷射產生器2在攝影機3的前方固定距離的待測表面5就可顯現出雷射條紋201供攝影機3拍攝。

扇形雷射產生器2用於產生一扇形光源垂直地投射在待測表面5上，且扇形光源在待測表面5可顯示出一平行於j方向軸的雷射條紋201。扇型雷射產生器2的扇形光源可發出大角度扇型雷射頁面，與物體表面相交會形成一道光亮的雷射條紋201，在不同的地形高低起伏狀態下，雷射條紋201能夠顯示出不同的曲度，藉此反應地形的變化；藉此，攝影機3能以固定的姿態與角度拍攝雷射條紋201，若移動載具1沿著固定方向以穩定速度移動時，攝影機3便能拍攝多張載具在不同位置下，扇型雷射產生器2與不同位置的地形相交所形成的雷射條紋201的二維影像，以此方法拍攝雷射條紋時，由於攝影機與扇型雷射產生器皆固定在移動載具上，因此無論載具如何移動，攝影機與扇型雷射產生器的相對位置皆不會改變；最後將攝影機3所拍攝得到的雷射條紋201的影像，依影像分析方法可轉換成三維座標，並綜合在不同位置下所得到的三維雷射條紋201的座標而得到對應於地形模型700的三維圖形。

本實施例中，扇形雷射產生器2是採用LATRONIX LASER SYSTEMS公司的產品，型號為LRD X-Y-L-Z LRD-series,alternatively LD-series，其發射的線形光的直徑(Diameter)54.5mm±0.5mm及長度342mm±1mm，在此僅為示例，不以此為限。

參閱圖2，本發明的軌道式雷射光學掃描方法的步驟S400~S404說明如下，請一併配合參閱圖1以對於本 發明的技術原理進行詳細的說明，須注意的是，小寫的斜體字代表單一變數，小寫的粗體字代表向量，及大寫的粗體字代表矩陣。

預備程序S400： 在待掃描的地形模型700上預先設定好移動載具1，此移動載具1能以固定方向且依穩定速度移動；將扇型雷射產生器2與攝影機3裝設在移動載具1上；扇型雷射產生器2所發出的雷射條紋201，需能夠橫跨於整個待掃描之地形模型700上；攝影機3所拍攝的畫面需包含完整且連續的雷射條紋201。

校正程序S401 ：參閱圖3及圖4，在進行雷射掃描之前，在不破壞地形形貌的前提下，需將一校正板6放置於地形模型700之上，此校正板6需標記至少六個含有三維座標之定位點，此校正板6所構成的三維座標的單位需與實際單位相符，校正板6所構成的三個座標軸當中，需有一個座標軸與移動載具的移動方向i方向軸相同。

接著，將移動載具1調整至攝影機3可拍攝如圖4的校正板6之位置，調整攝影機3的姿態與角度，使攝影機3可以清楚拍攝到校正板6上預先所標記之定位點，並利用攝影機3拍攝此影像，此後攝影機3的姿態與角度需保持固定不動。在校正板6上預先標示數個已定義座標之定位點，將其放置於待掃描之地形模型700上，調整攝影機3至可以將校正板6定位點清楚且完整拍攝為原則，調整完成後固定攝影機並拍攝影像，即可得到一含有校正板6及已知座標之校正板影像501，其作用將在轉換程 序S403再詳細介紹。

參閱圖6及圖7，然後，打開扇形雷射產生器2，調整其發射的扇形頁面80，使其扇形頁面80之法線向量n 與移動載具1的移動方向相同，並將雷射固定於某一已知位置，使扇形頁面80在攝影機3拍攝到的影像畫面中，皆能與攝影機保持一固定相對位置。

關於扇形頁面80的位置，由一開始校正定位點可定義雷射平面的位置，並固定扇形頁面80與攝影機3的相互關係，在攝影機3的影像上，此雷射條紋8’的位置是不動的，也就是在攝影機3的影像上，扇形頁面80具有與攝影機3固定的相對位置，換句話說，若將整個移動載具1移動到別處，在攝影機3的影像上，雷射條紋8’仍維持與攝影機同樣的相對位置。進行雷射掃描時，需給定一起始點與一終點，若移動載具1的移動速度固定，攝影機3的拍攝速度固定(例：每秒30張影像)即可換算出雷射在不同影像上的絕對位置。

舉例來說：扇形頁面80的位置是定義在y =64這個地方，攝影機3所得到不同的影像時，扇形頁面80都是保持在y =64這個相對位置上，藉由此才能計算出不同影像上扇形頁面80與地形相交的雷射條紋81的相對三維座標。進行雷射掃描時，若有定義起始點y =0與終點y =L ，整個雷射掃描若拍攝了N張影像，則第k張影像上扇形頁面80的絕對座標位置則是，再將先前計算出雷射條 紋81的三維相對座標當中的y替換成絕對座標即可。

量測程序S402： 如圖1在實際量測時，需將校正板6移開，即可開始進行雷射掃描，掃描方式為先設定移動載具1在地形模型700的一位置為一出發點，從此出發點開始，沿著已設定好之方向依穩定速度移動，直到設定好的地形模型700的另一位置為一終點為止，移動載具1移動的同時，攝影機3也必須同時拍攝扇型雷射產生器2在移動載具1處於不同位置時與地形模型700相交產生的雷射條紋201，如此即可得到雷射條紋201涵蓋完整地形模型700的多張影像。

轉換程序S403： 在此程序中，一主機(圖未示)可依據攝影機3拍攝到的該等影像畫面的雷射條紋上的座標點的二維座標代入預定的轉換公式以輸出對應該等影像畫面的雷射條紋的三維座標。

配合下述公式可求得預定的轉換公式所需的一轉換矩陣S與一攝影機影像投影中心p在空間中之位置，且投影中心p代表攝影機3所拍攝的影像平面7(矩形部分)的中心軸上延伸的虛擬位置，相關公式的推導如下。

參閱圖3及圖4，假設如圖1的地形模型700的空間中有一待測點座標x，待測點座標x在三維座標系統可表示為x =x i +y j +z k ，攝影機3拍攝後可得到一影像平面7，待測點座標x影像平面7上以二維座標系統定義為γ c +ρ r ，其中，影像平面7在空間中的橫軸向量為c與縱軸向量為r，而此影像平面7可認為是由攝影機3在空間中的投影中心p =p _x i +p _y j +p _z k 所投影而成，因此，待測點座標x與投影中心p之關係可以定義如公式1。

x =p + λ q 公式1

其中，投影中心p至待測點座標x的方向向量q，方向向量q的長度為λ 。

方向向量q又可以改寫為由投影中心p至影像原點之方向向量d、橫軸向量c與縱軸向量r的組合，如公式2。

q =d + γ c + ρ r 公式2

將此公式2代入公式1改寫後可得公式3。

其中，定義轉換矩陣S如公式4。

為求得轉換矩陣S，將公式3移項後可得公式5。

其中，，。

將公式5展開後可得公式6、公式7及公式8。

λγ =a ₁₁ x +a ₁₂ y +a ₁₃ z +b ₁ 公式6

λρ =a ₂₁ x +a ₂₂ y +a ₂₃ z +b ₂ 公式7

λ =a ₃₁ x +a ₃₂ y +a ₃₃ z +b ₃ 公式8

公式6、公式7與公式8為相依方程式組，可將公式8代入公式6與公式7可得公式9及公式10。

a ₁₁ x +a ₁₂ y +a ₁₃ z -γ a ₃₁ x -γ a ₃₂ y -γ a ₃₃ z +b ₁ -γ b ₃ =0 公式9

a ₂₁ x +a ₂₂ y +a ₂₃ z -ρ a ₃₁ x -ρ a ₃₂ y -ρ a ₃₃ z +b ₂ -ρ b ₃ =0 公式10

將上述公式9及公式10以矩陣表示，如公式11。

公式11包含十二個未知數a ₁₁ ~a ₃₃ 與b ₁ ~b ₃ ，因此需要至少六個已知座標來求解，在此，利用如圖5所示的二維座標圖502的定位點座標來求解此方程式。於是，利用校正板6調整雷射使其頁面法線向量n平行於校正板6所定義的方向，並以其定位點求得如圖6的一扇形頁面80的位置，調整完畢後固定位置，即可得到代表扇形頁面80的公式12。

x．n +d =0 公式12

公式12中的相關參數定義為：扇形頁面80的 法線向量n、在扇形頁面80上的任一點為待測點座標x，以及扇形頁面80的位置d。

參閱圖7，實際的雷射條紋81在影像平面7上成像的雷射條紋8’的座標也可用γ _k c +ρ _k r 來表示，γ _k c +ρ _k r 的下標k代表為此雷射條紋8’中的某一點，此雷射條紋8’同時滿足公式1與公式12，將公式12代入公式1可得公式13。

又，待測雷射點座標x的方向向量，其 中，已知先前求得之轉換矩陣S代入方向向量，將待測雷射點座標x的方向向量q的長度λ 帶回公式1即可得到雷射條紋8’之座標。

影像分析過程中，可先將拍攝校正板6的校正板影像501讀出，得到校正板6上的數個已知座標定位點在影像中的二維座標圖502，配合定位點的座標，可以依據前述相關公式求得攝影機3的投影中心p與轉換矩陣S。需補充說明的是，前述相關公式僅為例示而非限制，熟知本領域技術者當知，基於本發明的架構只要是計算座標所採用類似的轉換公式或相關技術，均屬於本發明的範疇。

參閱圖8，然後，讀出攝影機3所得到的每一張含有移動載具1在不同位置所拍攝得到之雷射條紋8’的影像801，分別可得到不同雷射條紋8’的二維座標圖802， 利用投影中心p、轉換矩陣S與雷射條紋8’的任一雷射點的二維座標(γ _k ,ρ _k )，即可得對應的一待求解的雷射點的三維座標x的公式如下：

假設扇形頁面80的方程式為公式12，d為扇形頁面80在實際座標系統當中的位置，則待求解的雷射點的三維座標x同時滿足這公式12及公式14，因此可以代入求解得到λ ，再帶回公式14即可求得該雷射點的三維座標x。

藉由如圖5的校正定位點實際計算的範例，如表1是以校正板6的定位點的參數求得，可得到影像投影中心p =(58.43,134.06,1104.95)，轉換矩陣。

表1中的γ 、ρ 的單位為像素，x、y、z的單位為公分。

藉由如圖8的雷射線定位點實際計算的範例，如表2是以雷射線定位點的參數求得，可得到雷射頁面方程式：x．n +d =0 →x =(x ,y ,z ),n =(0,1,0),d =-64 →y -64=0

代入求得λ 。

再以即可求得三維座標。

表2中，γ 、ρ 、λ 的單位為像素，x、y、z的單位為公分。

成像程序S404： 取得多張如圖8的不同位置的每一條雷射條紋的二維座標圖802，其綜合起來可得到如圖 9的多條雷射條紋的三維座標圖300，再利用內插法可得到如圖10的三維模型圖像500。

綜上所述，本發明的軌道式雷射光學掃描設備100及方法之功效在於：軌道式雷射光學掃描設備100採用軌道式拍攝地形影像，有助於在地形模型700上精確量測，因此可以得到精確的三維模型圖像500，故確實能達成本發明之目的。。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

100‧‧‧軌道式雷射光學掃描設備

1‧‧‧移動載具

11‧‧‧基座

111‧‧‧滾輪

12‧‧‧立架

13‧‧‧固定桿

130‧‧‧桿體

131、132‧‧‧端部

14‧‧‧橫桿

2‧‧‧扇形雷射產生器

201‧‧‧雷射條紋

3‧‧‧攝影機

5‧‧‧待測表面

71‧‧‧軌道

700‧‧‧地形模型

Claims (6)

1. 一種軌道式雷射光學掃描設備，包含：一軌道，界定一預定方向；一移動載具，配合在該軌道上沿著該預定方向位移；一扇形雷射產生器，架設在該移動載具上，且在朝向該預定方向的一待測表面顯示一雷射條紋；一攝影機，架設在該移動載具上，可拍攝一包含該雷射條紋及該待測表面的影像畫面，且當該移動載具沿著該預定方向移動且該扇形雷射產生器在該待測表面顯示該雷射條紋，可拍攝沿著該預定方向在該待測表面包含該雷射條紋的多張影像畫面；一校正板，具有多數定位點；及一主機，依據該校正板的該等定位點的座標以依據相關公式建立該攝影機的一投影中心與一轉換矩陣，並藉由該投影中心、該轉換矩陣，及待測雷射點的三維座標的方向向量的長度建立一轉換公式，並依據該等影像畫面的雷射條紋上的座標點的二維座標代入該轉換公式以輸出對應該等影像畫面的雷射條紋各雷射點的三維座標。
2. 如請求項1所述的軌道式雷射光學掃描設備，其中，該移動載具包括：一基座，可在該軌道上沿該預定方向行進；一立架，設置在該基座上，且固定該攝影機朝向 該預定方向拍攝該待測表面；及一固定桿，具有一平行該預定方向的桿體，該桿體的一端固定於該攝影機的上方，另一端固定該扇形雷射產生器。
3. 如請求項1所述的軌道式雷射光學掃描設備，其中，於實際量測該待測表面之前在該待測表面的軌道上設置該校正板，並藉由該校正板的該等定位點的座標以依據相關公式建立該攝影機的一投影中心p 與一轉換矩陣S ，並藉由該投影中心p 、該轉換矩陣s ，及待測雷射點的三維座標x 的方向向量q 的長度λ 建立該轉換公式，其中，在該轉換公式帶入該雷射條紋各雷射點的二維座標(γ _k ,ρ _k )即得到待測雷射點的三維座標x ，且該轉換公式為：。
4. 一種軌道式雷射光學掃描方法，配合一在一界定一預定方向的軌道上沿著該預定方向位移的移動載具及一在該移動載具架設的扇形雷射產生器、一在該移動載具架設的攝影機及一主機，該方法包括下述步驟：該移動載具沿著該預定方向移動；該扇形雷射產生器在一待測表面顯示該雷射條紋；該移動載具沿著該預定方向移動且該扇形雷射 產生器在該待測表面顯示該雷射條紋時，拍攝沿著該預定方向在該待測表面包含該雷射條紋的多張影像畫面；依據一校正板的多數定位點的座標以依據相關公式建立該攝影機的一投影中心與一轉換矩陣，並藉由該投影中心、該轉換矩陣，及待測雷射點的三維座標的方向向量的長度建立一轉換公式；及該主機依據該等影像畫面的雷射條紋上的座標點的二維座標代入該轉換公式以輸出對應該等影像畫面的雷射條紋各雷射點的三維座標。
5. 如請求項4所述的軌道式雷射光學掃描方法在實際量測該待測表面之前還包括下述步驟：在該待測表面上設置具有多數定位點的該校正板，並藉由該校正板的該等定位點的座標以建立該預定的轉換公式。
6. 如請求項5所述的軌道式雷射光學掃描方法中，該主機藉由該校正板的該等定位點的座標以依據相關公式建立該攝影機的一投影中心p 與一轉換矩陣S ，並藉由該投影中心p 、該轉換矩陣s ，及待測雷射點的三維座標x 的方向向量q 的長度λ 建立該轉換公式，其中，在該轉換公式帶入該雷射條紋各雷射點的二維座標(γ _k ,ρ _k )即得到待測雷射點的三維座標x ，且 該轉換公式為：。