TWI526990B - 用以轉換二維影像為三維模型的影像處理方法 - Google Patents
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Description
本創作係與影像處理方法有關，特別有關於用以轉換二維影像為可列印的三維模型的影像處理方法。
三維列印(3D printing)技術是近年來最受矚目的技術。通過三維列印技術，使用者可自行設計並繪製三維模型(3D model)，並使用三維印表機(3D printer)將所繪製的三維模型實體化。藉此，製造者(maker)可快速地製造所需的元件或模型的實體物，而不須使用昂貴的傳統開模方式來進行製造。由於上述優點，三維列印技術甚至被譽為「第三次工業革命(The Third Industrial Revolution)」，並掀起了一波自造者運動(Maker Movement)。
然而，建構三維模型需使用特定的繪製軟體及技術，使得一般未受過專業訓練的使用者較難入手，此問題也成為推廣三維列印技術普及化的瓶頸之一。
為解決上述問題，有一種可自動轉換二維影像為三維模型的影像處理方法被提出。於習知影像處理方法中，係直接將一使用者所輸入的一二維影像(如附件1所示之彩色二維影像)的輪廓轉換為複數線條，接著分別計算各該線條所圍繞的範圍的高度值，並依據該複數線條及該高度值建構對應該二維影像的一三維模型。最後，該使用者可將所建構的該三維模型傳送至一
三維印表機進行三維列印，以製造對應的一三維實體模型(如附件2所示之三維實體模型)。
更具體而言，該二維影像是由具有不同亮度的複數像素所組成，而該三維模型則是由線條所組成。由於兩者的組成元素不同，因此習知影像處理方法係先執行亮度-線條轉換處理來將該複數像素轉換為該複數線條(即前段所述“將輪廓轉換為複數線條”)，再執行後續相關處理。
然而，當該二維影像包括大量高頻成分(如複雜的背景或複雜的光影變化等細節)時，習知影像處理方法依舊直接將該高頻成分轉換為該複數線條以建構該三維模型，因此所生成的該三維模型將包括大量且複雜的線條。前述線條經過三維列印而被實體化後，將成為該三維實體模型的雜訊(noise)，而使該三維實體模型的視覺效果不佳。
請同時參閱附件1與附件2，用以更詳盡說明前段所述的技術問題。附件1為該使用者所輸入的該彩色二維影像。附件2所示的該三維實體模型為透過習知影像處理方法轉換附件1所示的該二維影像為該三維模型，並進行三維列印所製造而成。
如附件2所示，該三維實體模型包括大量毛邊(burr)及缺口(gap)，該些毛邊及缺口成為該三維實體模型的雜訊，而使得該三維實體模型的視覺效果不佳。換句話說，由於前述雜訊的干擾，該三維實體模型無法有效呈現該二維影像中的影像特徵(如人臉輪廓、五官深度或光影變化)。
習知影像處理方法存在上述問題，而亟待更有效的方案被提出。
本發明提供一種影像處理方法，可轉換二維影像為三維模型。
於本發明的實施例中，該影像處理方法包括以下步驟：a)取得一二維影像；b)對該二維影像執行一灰階化處理；c)對該二維影像執行一模糊化處理；d)依據該二維影像的複數像素的像素值，分別計算各該像素對應的高度值，其中各該像素的像素值與所對應的該高度值成反比；及e)依據該二維影像及該複數高度值
建構該三維模型。
本發明的影像處理方法可自動轉換二維影像為三維模型，即便使用者不具備三維模型的建構技能，亦可藉由本發明輕易建構三維模型。另，本發明的影像處理方法可有效簡化所建構的三維模型的線條，進而使依據該三維模型製造出的三維實體模型具有較少的雜訊及較為深化的影像特徵。
1‧‧‧影像處理系統
10‧‧‧記憶單元
100‧‧‧二維影像
102‧‧‧電腦程式
12‧‧‧處理單元
120‧‧‧處理模組
122‧‧‧灰階化模組
124‧‧‧模糊化模組
126‧‧‧高度計算模組
128‧‧‧切層模組
14‧‧‧通訊單元
16‧‧‧輸出單元
S200-S206‧‧‧第一影像處理步驟
S300-S308‧‧‧第二影像處理步驟
S400-S412‧‧‧第三影像處理步驟
S4100-S4102‧‧‧切層處理步驟
S41020-S41022‧‧‧切割步驟
圖1為本發明的第一實施例的影像處理系統架構圖。
圖2為本發明的第一實施例的影像處理方法流程圖。
圖3為本發明的第二實施例的影像處理方法流程圖。
圖4為本發明的第三實施例的影像處理方法流程圖。
圖5為本發明的第三實施例的步驟S410詳細流程圖。
圖6為本發明的第三實施例的步驟S4102詳細流程圖。
茲就本發明之一較佳實施例，配合圖式，詳細說明如後。
首請參閱圖1，為本發明的第一實施例的影像處理系統架構圖。本發明揭露了一影像處理方法，該影像處理方法主要可由一影像處理系統1來實現。如圖1所示，本發明之該影像處理系統1主要包括一記憶單元10及一處理單元12。
該記憶單元10用以儲存資料。更具體而言，該記憶單元10儲存有一二維影像100。該二維影像100的類型可為但不限於彩色影像(color image)、灰階影像(gray-scale image)或半色調影像(halftone image)。較佳地，該二維影像100係作為影像檔案被儲存於該記憶單元10。影像檔案的格式為點陣圖(BitMaP，BMP)格式、聯合圖像專家小組(Joint Photographic Experts Group，JPEG)格式或標籤影像檔案格式(Tagged Image File Format，TIFF)，但不以此為限。
該處理單元12電性連接該記憶單元10，將該二維影像100轉換為一三維模型。更具體而言，該處理單元12包括一處理模組
120、一灰階化模組122、一模糊化模組124、一高度計算模組126及一切層模組128。並且，該處理模組120連接該灰階化模組122、該模糊化模組124、該高度計算模組126及該切層模組128。
該處理模組120取得該二維影像100並控制各該模組。該灰階化模組122對該二維影像100進行一灰階化處理(若該二維影像100的類型為彩色影像)，以產生灰階化的該二維影像100。該模糊化模組124對灰階化的該二維影像100進行一模糊化處理，以產生模糊化的該二維影像100。該高度計算模組126對模糊化的該二維影像100進行一高度計算處理，以計算對應模糊化的該二維影像100的複數高度值。該處理模組120依據模糊化的該二維影像100及該複數高度值建構該三維模型，以產生並儲存一三維模型檔案。該三維模型檔案的檔案格式可為標準模版庫(Standard Template Library，STL)格式或虛擬實境建模語言(Virtual Reality Modeling Language，VRML)格式，但不以此為限。該切層模組128可對欲進行三維列印的該三維模型進行一切層處理，以產生切層處理後的該三維模型。
值得一提的是，該處理模組120、該灰階化模組122、該模糊化模組124、該高度計算模組126及該切層模組128可經由硬體模組方式實現(如電子電路或已燒錄數位電路的積體電路)，亦可經由軟體模組方式實現(如應用程式介面(Application Programming Interface，API))，但不以此為限。
於本發明之另一實施例中，該記憶單元10可進一步儲存一電腦程式102。該電腦程式102記錄有電腦可執行的程式碼，當該處理單元12執行該電腦程式後，可通過軟體方式實現該處理模組120、該灰階化模組122、該模糊化模組124、該高度計算模組126及該切層模組128之各功能。
於本發明之另一實施例中，該影像處理系統1係為一伺服器，並進一步包括一通訊單元14。該處理單元12電性連接該通訊單元14，並通過該通訊單元14連接至網際網路。更具體而言，該
處理單元12可經由該通訊單元14從位於網際網路上的一使用者接收該二維影像100，並儲存於該記憶單元10。並且該處理單元12於轉換該二維影像100為該三維模型檔案後，經由該通訊單元14回傳予該使用者。藉此，本發明的該影像處理系統1可提供二維影像轉換三維模型的雲端服務。
於本發明之另一實施例中，該影像處理系統1係進一步包括一輸出單元16。該輸出單元16電性連接該處理單元12，用以輸出轉換中/轉換後的該三維模型。較佳地，該輸出單元16係一顯示裝置(如液晶顯示器)，並可顯示該三維模型，但不以此為限。藉此，該使用者可經由該顯示裝置即時查看該三維模型，並進行後續相關操作。
於本發明之另一實施例中，該輸出單元16係一三維印表機(3D printer)。該處理單元12可讀取該三維模型檔以取得該三維模型。接著，該處理單元12的該切層模組128對該三維模型進行切層處理。該處理單元12將切層處理後的該三維模型傳送至該三維印表機進行三維列印以製造該三維實體模型。藉此，使用者僅需輸入該二維影像100即可獲得該三維實體模型。
續請參閱圖2，為本發明的第一實施例的影像處理方法流程圖。本實施例之影像處理方法主要係由圖1所示之該影像處理系統1來加以實現。該處理單元12執行該電腦程式102後可執行下列步驟。
步驟S200：取得該二維影像100。
步驟S202：對該二維影像100執行一灰階化處理。較佳地，若該二維影像100的類型為彩色影像(如附件1所示之彩色影像)，則該處理單元12可對該二維影像100進行該灰階化處理(如將該二維影像100的色彩深度從24位元全彩(true color)降為8位元灰階(gray-scale))，以將該二維影像100轉換為灰階化的該二維影像100(如附件3所示之灰階影像)。
步驟S204：對灰階化的該二維影像100執行一模糊化處理，以產生模糊化的該二維影像100。具體而言，執行該模糊化處理
的主要目的是降低灰階化的該二維影像100的精細度，以減少灰階化的該二維影像100的高頻部分(即產生高頻失真)，進而減少所生成的該三維模型的線條。
由於人類肉眼係如同一低通濾波器(Low-pass filer)，對影像的低頻成分(即影像中的輪廓部分)的敏感度遠高於對影像的高頻成分(即影像中的細節部分)的敏感度。換句話說，本發明經由該模糊化處理雖產生高頻失真，但並不影響灰階化的該二維影像100的整體視覺效果。並且，由於高頻失真的產生，本發明的該三維模型的複雜度亦會降低。更進一步地，依據該三維模型生成的該三維實體模型可具有較少的雜訊。
較佳地，該模糊化處理可為降解析度(Low Resolution)處理、馬賽克(Mosaic)處理、二值化(Binarize)處理或格狀(Grid)處理(容後詳述)，但不以此為限。
步驟S206：對模糊化的該二維影像100執行一高度計算處理，以建構該三維模型。具體而言，該處理單元12可依據模糊化的該二維影像100的複數像素的像素值，分別計算各該像素的高度值。接著，再依據該複數高度值分別對模糊化的該二維影像100的各該像素進行拉高處理，以完成建構該三維模型(如附件4所示之三維模型)。
續請參閱附件5，為附件3的灰階化的該二維影像100經過一降解析度處理後產生的模糊化的該二維影像100，用以說明本發明之該降解析度處理的實施方式。具體而言，該降解析度處理係經由合併或刪除灰階化的該二維影像100中的該複數像素(如將16個像素合併為1個像素，或將特定位置的像素刪除)，使灰階化的該二維影像100的解析度降低至特定尺寸(如512像素* 512像素)，以達成降低灰階化的該二維影像100的精細度的目的。
換句話說，該降解析度處理係維持灰階化的該二維影像100的列印尺寸，並降低灰階化的該二維影像100的每英吋點數(Dot-Per-Inch，DPI)或每英吋像素數(Pixel-Per-Inch，PPI)。
另外，於本發明的另一實施方式中，該模糊化處理可為一馬賽克處理。該馬賽克處理係經由對灰階化的該二維影像100中的該複數像素進行重新取樣，使灰階化的該二維影像100方格化，來達成降低灰階化的該二維影像100的精細度的目的。
舉例來說，該處理模組120先將灰階化的該二維影像100分為複數區塊，並且各該區塊分別包括16個像素。接著，該處理模組120對各該區塊中的該些像素進行重新取樣處理，以使同一區塊中的該些像素的像素值彼此相同。藉此，灰階化的該二維影像100可被方格化而降低精細度。
另外，於本發明的另一實施方式中，該模糊化處理可為一二值化處理。該二值化處理係經由將灰階化的該二維影像100轉換為一半色調影像(halftone image)(僅具有黑及白兩種色彩)，來產生高頻失真以達成降低灰階化的該二維影像100的精細度的目的。較佳地，該二值化處理係執行有序打散法(ordered dithering method)或誤差擴散法(error diffusion method)，但不以此為限。
續請同時參閱附件6及附件7。附件6的模糊化的該二維影像100係經由對附件3的灰階化的該二維影像100進行一格狀(Grid)處理所產生，用以說明本發明之該模糊化處理的另一實施方式。具體而言，該格狀處理係以網狀白線來替代灰階化的該二維影像100的部分像素，使灰階化的該二維影像100方格化，來達成降低灰階化的該二維影像100的精細度的目的。並且，模糊化的該二維影像100被建構為該三維模型(即執行步驟S206)後，將產生對應網狀白線的網狀溝槽(如附件7所示之三維模型)。
續請參閱圖3，為本發明的第二實施例的影像處理方法流程圖。本實施例之影像處理方法主要係由圖1所示之該影像處理系統1來加以實現。於本實施例中，該影像處理系統1係伺服器，並經由該通訊單元14連接至網際網路，以提供二維影像轉換三維模型的雲端服務。該處理單元12執行該電腦程式102後可執
行下列步驟。
步驟S300：經由該通訊單元14自位於網際網路的一用戶端接收該二維影像100，並儲存至該記憶單元10。
步驟S302：對該二維影像100執行該灰階化處理，以產生灰階化的該二維影像100。
步驟S304：對該二維影像100執行該模糊化處理，以產生模糊化的該二維影像100。
步驟S306：對模糊化的該二維影像100執行該高度計算處理，以建構該三維模型。
步驟S308：依據該三維模型產生該三維模型檔案，並經由該通訊單元14回傳該三維模型檔案至位於網際網路的該用戶端。
續請參閱圖4，為本發明的第三實施例的影像處理方法流程圖。本實施例之影像處理方法主要係由圖1所示之該影像處理系統1來加以實現。於本實施例中，該輸出單元16為該三維印表機。該處理單元12執行該電腦程式102後可執行下列步驟。
步驟S400：取得該二維影像100。
步驟S402：對該二維影像100執行該灰階化處理，以產生灰階化的該二維影像100。
步驟S404：對灰階化的該二維影像100執行該模糊化處理，以產生模糊化的該二維影像100。
步驟S406：依據該二維影像100的該複數像素的像素值，計算該複數高度值，其中該複數高度值分別對應至該複數像素。具體而言，該處理單元12依據模糊化的該二維影像100的各該像素的像素值，分別計算各該像素所對應的該高度值。較佳地，各該像素與所對應的該高度值成反比。
舉例來說，若模糊化的該二維影像100的色彩深度為8位元(即像素值可為0-255)，當一像素的像素值為250時，該高度計算模組126可將該像素所對應的該高度值設定為5(即255-250的計算結果)。
於另一範例中，若模糊化的該二維影像100的色彩深度為8位
元，該像素的像素值變更為200時，該高度計算模組126可將該像素所對應的該高度值設定為55(即255-200的計算結果)。
換句話說，若該像素的像素值越大(即該像素越亮時)時，則該像素所對應的該高度值越小(即於該三維模型中，該像素所對應的位置越薄)；若該像素的像素值越小(即該像素越暗時)，則該像素所對應的該高度值越大(即於該三維模型中，該像素所對應的位置越厚)。
步驟S408：依據該二維影像100及該複數高度值建構該三維模型。具體而言，該處理單元12分別依據各該高度值，於對應該高度值的該像素的所在位置，產生對應該高度值的凸起，以將該二維影像100建構為該三維模型(如附件8所示之三維模型)。
步驟S410：對該三維模型進行該切層處理，以產生切層處理後的該三維模型。具體而言，該切層處理係將該三維模型切割為多個切層模型。該些切層模型具有相同的厚度，並且，各該切層模型可分別被該三維印表機列印為一切層實體模型(容後詳述)。
換句話說，若該三維模型的最大高度值越大，則該切層模型的數量越多；若該三維模型的最大高度值越小，則該切層模型的數量越少。
更進一步地，於該三維模型中，若對應該像素所在位置的凸起較高(即該像素所對應的該高度值較大)，則可被切割為較多層；若對應該像素所在位置的凸起較矮(即該像素所對應的該高度值較小)，則可被切割為較少層。
於執行該切層處理的程序中，該切層模組128可進一步計算對應該些切層模型的一列印路徑(即該三維印表機的一噴嘴的移動路徑)。較佳地，該切層模組128係依據該些切層模型被切割的垂直方向(如該三維模型的X軸方向、Y軸方向、Z軸方向或其他方向)來計算該列印路徑。換句話說，若依據該列印路徑來堆疊該些切層模型，則可組成該三維模型。
步驟S412：該三維印表機列印切層處理後的該三維模型，以製
造該三維實體模型。具體而言，該處理單元12將切層處理後的該三維模型及該列印路徑傳送至該三維印表機。接著，該三維印表機依據該列印路徑依序列印該些切層模型，以製造該三維實體模型。
更詳細地，該三維印表機每次僅列印一組該切層模型。並且，被印出的該切層實體模型具有特定的厚度(如0.3mm)。該三維印表機依據該列印路徑移動該噴嘴並列印該切層模型，以使被印出的複數該切層實體模型可堆疊為該三維實體模型。
換句話說，若該切層模型的數量越多，則該切層實體模型的數量越多，所堆疊成的該三維實體模型越厚。若該切層模型的數量越少，則該切層實體模型的數量越少，所堆疊成的該三維實體模型越薄。
值得一提的是，本發明通過上述方式可使被製造出的該三維實體模型的不同位置分別具有不同厚度(如附件9所示之三維實體模型)。並且，當該三維實體模型被一背光光源照射時，由於前述厚度差異，不同位置所穿透的透射光量亦不同。藉此，依據本發明的該三維模型所製造的該三維實體模型，可經由不同的透射光量來呈現與該二維影像100相同的視覺效果(即具有光影變化)。
續請參閱圖5，為本發明的第三實施例的步驟S410詳細流程圖。
步驟S4100：該處理單元12取得一切層臨界值。較佳地，該切層臨界值係預先設定並儲存於該記憶單元10，但不以此為限。
步驟S4102：該處理單元12切割該三維模型為複數切層模型，並使該複數切層模型的數量等於該切層臨界值。
舉例來說，若該切層臨界值為15，則該處理單元12將該三維模型切割為15組該切層模型；若該切層臨界值為120，則該處理單元12將該三維模型切割為120組該切層模型。
藉此，即便所輸入的該二維影像100不同(即，建構成的該三維影像的最大高度值不同)，本發明仍可製造出具有相同厚度(具有相同列印層數，且每層的厚度均相同)的該三維實體模型。
續請參閱圖6，為本發明的第三實施例的步驟S4102詳細流程圖。
步驟S41020：該處理單元12依據模糊化的該二維影像100的該複數像素的像素值範圍及該切層臨界值，計算該切層模型的一厚度值。具體而言，該處理單元可依據公式1計算該厚度值。
厚度值=像素值範圍/切層臨界值………………(公式1)
步驟S41022：該處理單元12依據該厚度值切割該三維模型，以使該複數切層模型的數量等於該切層臨界值。具體而言，該處理單元12依據該厚度值重新計算該二維影像100中的各該像素所對應的該高度值，以使該三維模型的最大高度值等於該切層臨界值，並且各該切層模型的厚度等於該厚度值。接著，該處理單元12依據重新計算的該高度值切割該三維模型(如附件10所示之切層處理後的三維模型)。
舉例來說，若模糊化的該二維影像100的該複數像素的像素值的最大值為255，該切層臨界值為17。該處理單元12可依據公式1計算出每一層的該厚度值為15。接著，該處理單元12將各該像素的像素值分別除以該厚度值，並以除數作為新的該高度值(若像素值為170，則新的該高度值為170/17=10；若像素值為33，則新的該高度值為33/17=1)。
於另一例子中，若模糊化的該二維影像100的該複數像素的像素值的最大值為170，該切層臨界值為17。該處理單元12可依據公式1計算出每一層的該厚度值為10。接著，該處理單元12將各該像素的像素值分別除以該厚度值，並以除數作為新的該高度值(如像素值為170，則新的該高度值為170/10=17；像素值為33，則新的該高度值為33/10=3)。
如上所述，本實施例可依據二維影像的像素值範圍來計算該高度值，故即使不同影像中具有相同的像素值(例如像素值為33)，但因各該影像的明暗特性不同(即，像素值範圍不同)，因此該像素值在各該影像中計算所得的該高度值將會不同。。
換句話說，本實施例可將模糊化的該二維影像100的動態範圍(dynamic range)(即該二維影像100的最大像素值與最小像素值所構成的數值範圍)有效轉換為該三維模型的高度值範圍(即該三維模型的最大高度值與最小高度值所構成的數值範圍)。藉此，該三維實體模型可有效呈現該二維影像100的影像特徵。
綜上所述，於本發明的實施例中，藉由對模糊化的該二維影像進行一高度計算處理可有效簡化所建構的三維模型的線條，進而使依據該三維模型製造出的三維實體模型具有較少的雜訊及較為深化的影像特徵。再者，依據該厚度值切割該三維模型，可有效製造出具有相同厚度的三維實體模型。並且，三維實體模型可有效呈現二維影像的全動態範圍。除此之外，亦可自動轉換二維影像為三維模型，即便使用者不具備三維模型的建構技能，亦可建構三維模型。
以上所述僅為本發明之較佳具體實例，非因此即侷限本發明之專利範圍，故舉凡運用本發明內容所為之等效變化，均同理皆包含於本發明之範圍內，合予陳明。
S200-S206‧‧‧第一影像處理步驟
Claims (9)
- 一種用以轉換二維影像為三維模型的影像處理方法，包括：a)取得一二維影像；b)對該二維影像執行一灰階化處理；c)對該二維影像執行一模糊化處理以降低該二維影像的精細度；d)依據該二維影像的複數像素的像素值，分別計算各該像素對應的高度值，其中各該像素的像素值與所對應的該高度值成反比；及e)依據該二維影像及該複數高度值建構一三維模型。
- 如請求項1所述之用以轉換二維影像為三維模型的影像處理方法，其中該步驟a係經由網際網路接收該二維影像。
- 如請求項2所述之用以轉換二維影像為三維模型的影像處理方法，其中更包括一步驟f)依據該三維模型產生並回傳一三維模型檔案。
- 如請求項1所述之用以轉換二維影像為三維模型的影像處理方法，其中於該步驟c中，該模糊化處理係降解析度(Low Resolution)處理、馬賽克(Mosaic)處理、二值化(Binarize)處理或格狀(Grid)處理。
- 如請求項1所述之用以轉換二維影像為三維模型的影像處理方法，其中更包括一步驟g)對該三維模型進行一切層處理。
- 如請求項5所述之用以轉換二維影像為三維模型的影像處理方法，其中該步驟g包括下列步驟：g1)取得一切層臨界值；及g2)切割該三維模型為複數切層模型，其中該複數切層模型的數量對應至該切層臨界值。
- 如請求項6所述之用以轉換二維影像為三維模型的影像處理方法，其中該步驟g2包括下列步驟：g21)依據該二維影像的複數像素的一像素值範圍及該切層臨界值，計算各該切層模型的一厚度值；及g22)依據該厚度值切割該三維模型。
- 如請求項7所述之用以轉換二維影像為三維模型的影像處理方 法，其中該步驟g22包括下列步驟：g221)依據該厚度值計算該二維影像中的各該像素所對應的高度值，使得該三維模型的最大高度值對應至該切層臨界值；及g222)依據該複數高度值切割該三維模型。
- 如請求項5所述之用以轉換二維影像為三維模型的影像處理方法，其中更包括一步驟h)列印切層處理後的該三維模型。
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