TWI550253B - 三維影像掃描裝置及其掃描方法 - Google Patents

Description

三維影像掃描裝置及其掃描方法

本發明係關於一種三維影像掃描裝置及其掃描方法，特別地，係關於一種可即時調整投影光線區域及影像放大倍率以取得高精度重建三維建模之三維影像掃描裝置及其掃描方法。

現今對三維建模的需求已日益殷切。例如近期新興之三維列印技術，已能快速成形建構出實際所需之三維實體，故三維建模技術已大幅擴展其應用價值。於此等三維建模技術中，對待測物品表面輪廓形貌之辨識為其中關鍵技術，而此關鍵技術也密切關連三維掃描技術的未來發展。

習知三維掃描(或量測)技術，通常係透過待測物體之反射光線，先擷取光線形成之影像，進而取得待測物體表面之三維座標點，從而還原待測物體表面形貌。

目前市面已可見數種不同形式之三維掃描機。大抵而言，其光路光學設計多半採用攝像機搭配定焦鏡頭的設計。例如，現今存在有一種三維掃描器，其係透過以雷射光掃描或是由投影機投射 特定圖案結構光至待測物體上的量測方式，取得待測物體的實際三維重建影像資訊。

亦有另一形式之三維掃描機，其係主要利用單一CCD攝像機角度的變化，並同時搭配四顆鏡頭，以便取得待測物體之三維影像。此外，亦有使用攝像機搭配多鏡頭組，以應付不同尺寸的物件量測以及不同量測解析度的需求。

然而，前述的各式三維掃描機中，皆必需配置使用定焦鏡頭，故其需同時具備多種不同尺寸之鏡頭組，方能取得各種倍率及解析度之影像；此致使其機器結構過於複雜，且製造成本居高不下。再者，受限其定焦鏡頭原生解析度，其倍率需以試誤方式逐一選取，若超過其鏡頭之解析度範圍，則大幅影響其重建建模之精度。

前述三維掃描技術影響人工假牙製作產業甚鉅。習知為製作牙模，係先由牙醫師進行診斷，再依據病人牙齒的狀況以牙模印製的方式製作石膏模型，接續由技師依據其個人之製作技術及經驗，方能製作出人工假牙。

前述人工假牙製造過程冗長，且精度不高，導致製作品質不一，也致使牙醫師需經過反覆數次不斷修整，方能達到人工假牙最終品質的要求。此等過程往往需耗費大量時間及材料，浪費成本難以估計。因此發展高速三維牙模掃描機同樣為一重要課題。

相較於前述習知之牙模製造方式，於牙科的相關產業中，例如植牙、假牙以及牙齒矯正等相關產品的技術研發上，數位牙科掃描深具發展潛力。數位牙科掃描系統是以三維掃描技術搭配影像處理系統擷取病人牙模之數位資訊，再經牙技師以操作CAD/CAM數位 系統，將數位牙模匯出至高精度之加工機具製作。此種製作流程可排除習知手工製作上的誤差，並減少因製作誤差造成之材料浪費，進而縮短製造時程。其中，對三維掃描技術以及影像處理系統的要求，須具備高精度以及高速掃描的特性，方可提供完整的三維數位牙模模型資訊，以便達到後續製作工藝的品質要求。

緣此，仍亟需能夠進行快速掃描，且精度良好之三維掃描裝置，特別需能適合於牙模製作。

明確言之，本發明係提供一種主要利用變焦鏡頭光路設計之三維影像掃描裝置及其掃描方法，藉第一變焦鏡頭變焦改變投影光線之區域及第二變焦鏡頭變焦放大待測物局部區域位置。投影單元藉第一變焦鏡頭變焦投影光線於待測物全部區域位置，並藉第一變焦鏡頭變焦投影光線於待測物局部區域位置；影像擷取單元藉第二變焦鏡頭變焦取得較低倍率及精度之待測物全貌影像，並藉變焦第二鏡頭變焦放大待測物局部區域位置，輔以機構改變在第一三維影像及第二三維影像時之投影單元及影像擷取單元間之相對位置及相對角度，使擷取單元取得較高靈敏度之待測物局部區域之影像，從而獲得較高倍率及精度之待測物影像，以便處理單元對待測物高複雜度之區域藉較高精度低速度之處理程序進行三維影像重建，並且將重建後之高倍率及高精度之三維影像與低倍率及低精度之三維影像結合，以提升其掃描精 度。再者，本發明提出之三維影像掃描技術，應用於牙科之牙模製作可大幅提高製作之準確性。

為達前述目的，於一實施例中，本發明提供一種三維影 像掃描裝置，包含一投影單元、一第一變焦鏡頭、至少一影像擷取單元、至少一第二變焦鏡頭、一傳動機構以及一處理單元。投影單元係用以投射一投影光線至一待測物。第一變焦鏡頭係供投影光線通過而改變投影光線投射至待測物之區域大小以形成不同範圍之一第一投影光線及一第二投影光線。至少一影像擷取單元係用以擷取投影光線為待測物反射之一反射光所形成之影像，其中反射光包含待測物之一表面輪廓訊息。至少一第二變焦鏡頭係供反射光通過而改變影像擷取單元取像區域大小；其中透過第二變焦鏡頭變焦令影像擷取單元分別即時取得具有低放大倍率及精度之一第一二維影像及高放大倍率及精度之一第二二維影像。傳動機構係用以改變投影單元及影像擷取單元之相對位置及相對角度。處理單元用以對第一二維影像內含之低解析度之待測物表面輪廓訊息以一低精度高速之處理程序進行資料處理而得到一第一三維影像；及對第二二維影像內含之高解析度之待測物表面輪廓訊息以一高精度低速之處理程序進行資料處理而得到一第二三維影像，並結合高解析度之第二三維影像及低解析度之第一三維影像重建出待測物之三維建模。

前述三維影像掃描裝置中，包含二第二變焦鏡頭及二影 像擷取單元，第一變焦鏡頭設置於待測物及投影單元之間，以便令投影單元透過第一變焦鏡頭變焦以投射第一投影光線及第二投影光線； 各第二變焦鏡頭設置於待測物及各影像擷取單元之間，以便令各影像擷取單元透過各第二變焦鏡頭變焦以取得第一二維影像及第二二維影像。此外，二影像擷取單元裝設於傳動機構上，以便改變投影單元及二影像擷取單元於取得第一二維影像及第二二維影像時之相對位置及相對角度。投影單元、第一變焦鏡頭、二第二變焦鏡頭、二影像擷取單元及傳動機構可被帶動以掃描待測物。二影像擷取單元可分別位於投影單元不同兩側或同側。

於另一實施例中，本發明提供一種三維影像掃描方法， 包含：使用一投影單元投射一投影光線通過一第一變焦鏡頭至一待測物；即時調變第一變焦鏡頭，令投影光線分別形成投影於待測物大範圍區域之一第一投影光線及投影於待測物小範圍區域之一第二投影光線；待測物分別反射第一投影光線及第二投影光線而形成包含待測物表面輪廓訊息之一第一反射光及一第二反射光；導引第一反射光及第二反射光通過至少一第二變焦鏡頭；即時調變第二變焦鏡頭，令第一反射光形成低放大倍率及精度之一第一二維影像及第二反射光形成高放大倍率及精度之一第二二維影像；使用至少一影像擷取單元分別擷取第一二維影像及第二二維影像；於影像擷取單元擷取第一二維影像及第二二維影像時，即時調變與影像擷取單元連結之一傳動機構以改變投影單元及影像擷取單元之相對位置及相對角度，令影像擷取單元取得較高靈敏度之待測物表面輪廓訊息；以及將第一二維影像及第二二維影像之訊號輸入一處理單元，以便令處理單元對第一二維影像內含之低解析度之待測物表面輪廓訊息以一低精度高速之處理程序進行 資料處理而得到低解析度之一第一三維影像；及對第二二維影像內含之高解析度之待測物表面輪廓訊息以一高精度低速之處理程序進行資料處理而得到高解析度之一第二三維影像；並結合低解析度之第一三維影像及高解析度之第二三維影像重建出待測物之三維建模。

前述之三維影像掃描方法中，影像擷取單元、變焦鏡頭、 傳動機構及投影單元可被帶動掃描待測物。此外，可架設二影像擷取單元及二第二變焦鏡頭，並帶動二影像擷取單元配合第二變焦鏡頭於投影單元不同側或同側掃描待測物表面。

前述之三維影像掃描方法中，第一投影光線為包含編碼 圖案且對應待測物整體區域之一結構光，第二投影光線為包含編碼圖案且對應待測物特定放大區域之另一結構光；且透過第一二維影像取得對應待測物整體區域之低解析度表面輪廓訊息，以及透過第二二維影像取得對應待測物特定放大區域之高解析度表面輪廓訊息；並結合低解析度之第一三維影像及高解析度之第二三維影像以便提高待測物之三維建模之精度。

前述投影單元所投射之投影光線為一包含編碼圖案之結 構光；而處理單元解碼第一投影光線之第一反射光，並以低精度高速之影像處理程序進行資料處理；處理單元解碼第二投影光線之第二反射光，並以高精度低速之影像處理程序進行資料處理；並結合低解析度之第一三維影像以及高解析度之第二三維影像以便提高重建之待測物三維建模之精度。

101‧‧‧變焦鏡頭

101a、110a‧‧‧放大倍率程序

101b、110b‧‧‧縮小倍率程序

102‧‧‧投影單元

103‧‧‧帶有編碼圖案之光線

104‧‧‧影像擷取單元

105‧‧‧處理單元

106‧‧‧解碼程序

107‧‧‧重建程序

108‧‧‧低精度三維影像

109‧‧‧高精度三維影像

201‧‧‧投影單元

202、203‧‧‧影像擷取單元

204、205‧‧‧第二變焦鏡頭

206‧‧‧處理單元

206a‧‧‧高精度低速影像處理程序

206b‧‧‧低精度高速影像處理程序

207‧‧‧變焦鏡頭控制模組

208‧‧‧第一變焦鏡頭

L、M、S‧‧‧不同放大倍率及精度之影像

A1‧‧‧較高精度之二維影像

A2‧‧‧較低精度之二維影像

D‧‧‧三維建模

O‧‧‧待測物

S101~S105‧‧‧步驟

第1圖繪示依據本發明一實施例之三維影像掃描方法流程示意圖；第2圖繪示依據第1圖之三維影像掃描方法之系統架構示意圖；第3圖繪示依據本發明一實施例之三維影像掃描裝置中，未設置變焦鏡頭之架構示意圖；第4圖繪示依據本發明一實施例之三維影像掃描裝置中，設置有變焦鏡頭之架構示意圖；第5圖繪示即時調整變焦鏡頭，以獲致不同倍率影像示意圖；第6A圖繪示本發明之三維影像掃描裝置一運作狀態示意圖；第6B圖繪示依據第6A圖三維影像掃描裝置另一運作狀態示意圖；第7圖繪示依據本發明一實施例之三維影像掃描裝置之第一使用架構示意圖；第8圖繪示依據第7圖之三維影像掃描裝置之第二使用架構示意圖；第9圖繪示依據本發明一實施例之三維影像掃描裝置之系統架構示意圖；第10A圖繪示於低倍率下，取得大範圍，精度較低之牙模資料示意圖；第10B圖繪示於高倍率下，取得小範圍，精度較高之牙模資料示意圖；第11A圖繪示於低倍率下，取得牙模點雲資料示意圖；以及第11B圖繪示於高倍率下，取得牙模點雲資料示意圖。

以下將參照圖式說明本發明之複數個實施例。為明確說 明起見，許多實務上的細節將在以下敘述中一併說明。然而，應瞭解到，這些實務上的細節不應用以限制本發明。也就是說，在本發明部分實施例中，這些實務上的細節是非必要的。此外，為簡化圖式起見，一些習知慣用的結構與元件在圖式中將以簡單示意的方式繪示之；並且重複之元件將可能使用相同的編號表示之。

請參照第1圖，第1圖係繪示依據本發明一實施例之三維 影像掃描方法流程示意圖。三維影像掃描方法基本包含下列步驟：S101，使用一投影單元投射一投影光線至一待測物，以形成包含待測物表面輪廓訊息之一反射光；S102，導引反射光通過二變焦鏡頭；S103，即時調變二變焦鏡頭，令反射光形成具有低放大倍率及精度之一第一二維影像及具有高放大倍率及精度之一第二二維影像；S104，使用至少一影像擷取單元分別擷取第一、第二二維影像；S105，將第一、第二二維影像之訊號輸入一處理單元，以便令處理單元對第一二維影像內含之低解析度待測物表面輪廓訊息及第二二維影像內含之高解析度待測物表面輪廓訊息進行資料處理，而得到一第一三維影像及一第二三維影像；並結合低解析度之第一三維影像及高解析度之第二三維影像，重建出高精度之待測物三維建模。

前述步驟S101中，投影單元投射之投影光線為帶有編碼 圖案之結構光(Structured Light)。採用結構光方式以進行三維量測之技術，基本上，係透過投影單元投射帶有圖案的投影光線至待測物表面以進行三維計算。投影光線的圖案預先經過編碼，而自待測物反射 的反射光線帶有包含此圖案編碼值的表面輪廓訊息。於步驟S105中，處理單元經過解碼後，還原待測物體的表面輪廓訊息，而進行影像重建，進而能完成最終之三維建模。

更明白言之，請參照第2圖，第2圖繪示依據第1圖之三維 影像掃描方法之系統架構示意圖。第2圖中，透過變焦鏡頭101即時調整倍率，可經放大倍率程序101a獲得具有較高精度之二維影像A1及經縮小倍率程序101b獲得具有較低精度之二維影像A2，而為影像擷取單元104所擷取。二維影像A1及二維影像A2由投影單元102所發出之帶有編碼圖案之光線103自待測物體反射而得到。隨後，處理單元105將影像擷取單元104擷取之影像進行解碼程序106及重建程序107，而形成具低精度三維影像108及高精度三維影像109。依據低精度三維影像108及高精度三維影像109的結合，得以形成最終所需之三維建模D，且可由高精度三維影像109修正低精度三維影像108之誤判，低精度三維影像108之誤判可由人工或系統發現，使得重建後之三維建模D之精度提高。

請續參照第3圖至第5圖，係用以說明應用前述三維影像 掃描方法之三維影像裝置之架構。第3圖繪示依據本發明一實施例之三維影像掃描裝置中，未設置變焦鏡頭之架構示意圖；第4圖繪示依據本發明一實施例之三維影像掃描裝置中，設置有變焦鏡頭之架構示意圖；第5圖繪示即時調整變焦鏡頭，以獲致不同倍率影像示意圖。

於第3圖中，三維影像掃描裝置包含一投影單元201、一 影像擷取單元202、一影像擷取單元203以及一處理單元206。如同前 述，投影單元201投射光線至待測物O後，形成包含應待測物O表面輪廓訊息之反射光，而為影像擷取單元202及影像擷取單元203所擷取。 由於投影單元201投射之光線為一包含編碼圖案之結構光，因此，於處理單元206中，可依據影像擷取單元202及影像擷取單元203提供之影像，並解碼前述包含編碼圖案之結構光，進而重建出所需之三維建模。

第4圖中，二第二變焦鏡頭204、205的加入得以讓三維建 模之精度大幅提高。此時，二第二變焦鏡頭204、205分別架設於待測物O與各影像擷取單元202、203之間。透過二第二變焦鏡頭204、205的設置，令二影像擷取單元202、203可分別即時取得具有不同放大倍率及精度之二二維影像。此時，處理單元206分別針對不同放大倍率及精度之二二維影像進行資料處理，此二影像各別具有高精度及低精度，因而各別進行一高精度低速影像處理程序206a及一低精度高速影像處理程序206b後，得到高精度三維影像及低精度三維影像，並依據處理結果將高精度三維影像及低精度三維影像結合，而得到具有高精度之最終三維建模。前述二第二變焦鏡頭204、205可透過一變焦鏡頭控制模組207依實際狀況，即時變換放大倍率以得到不同精度。

第5圖中，說明本發明利用變焦鏡頭的特性，得以即時調 整變焦鏡頭放大倍率，以便快速獲得所需之不同放大倍率及不同精度的影像L、M、S。一般放大倍率越高，則視野範圍較狹窄，但影像精度較高；放大倍率越低，則視野範圍較廣闊，但影像精度較低。本發明藉由至少兩種不同高低精度影像的搭配，先於低放大倍率低精度影像中取得完整全貌之三維建模，再配合高放大倍率高精度影像中取得 不易量測之複雜區域的細部資料。藉此，可提高三維建模的準確度，達到無失真效果。

前述二影像擷取單元202、203可各別為CCD攝像機或 CMOS攝像機。需提及的是，使用單一影像擷取單元亦為可能；而較佳地，為減少掃描次數以便得到好的使用效率，則使用二影像擷取單元202、203。

前述二影像擷取單元202、203、二第二變焦鏡頭204、 205及投影單元201可被同步帶動，以便完整掃描待測物O。而二影像擷取單元202、203可分別裝載於投影單元201同側或不同側，以應實際狀況需求。

請一併參照第6A圖及第6B圖，第6A圖繪示本發明之三維 影像掃描裝置一運作狀態示意圖，第6B圖繪示依據第6A圖之三維影像掃描裝置另一運作狀態示意圖。於第6A圖中，於投影單元201前架設有一第一變焦鏡頭208，並於影像擷取單元202前架設有一第二變焦鏡頭204。於一例中，影像擷取單元202可被一傳動裝置(未繪)帶動，以便改變投影單元201及影像擷取單元202於取得第一二維影像及第二二維影像時之相對位置及相對角度。傳動裝置例如可為一軌道。於第6A圖中，投影單元201、第一變焦鏡頭208、第二變焦鏡頭204、影像擷取單元202被平移帶動以掃描待測物O。此時，投影單元201與影像擷取單元202相對位置不變，而投影單元201及影像擷取單元202對應的中心位置在待測物O上相對平行移動，以便取得對應待測物O之整體掃描範圍。第6B圖中，為取得不同取像範圍，影像擷取單元202及第二變焦 鏡頭204被帶動以便調整與投影單元201及第一變焦鏡頭208之相對位置及相對角度。前述係一影像擷取單元202搭配一投影單元201為示例，當同時使用二影像擷取單元202、203時，動作類似，故不另說明之。

於較佳實施例中，為能更準確獲得重建之三維影像，本 發明之三維影像掃描裝置中，其投影單元、影像擷取單元以及變焦鏡頭可具有多種不同數量變化及應用方式。請同時參照第7圖至第9圖，第7圖繪示依據本發明一實施例之三維影像掃描裝置之第一使用架構示意圖；第8圖繪示依據第7圖之三維影像掃描裝置之第二使用架構示意圖；第9圖繪示依據本發明一實施例之三維影像掃描裝置之系統架構示意圖。

第7圖中及第8圖中，於投影單元201前增設第一變焦鏡頭 208。第一變焦鏡頭208係供投影單元201之投影光線通過，並變焦而改變投影光線投射至待測物O之區域大小以形成不同範圍之一第一投影光線及一第二投影光線。具體而言，投影光線分別形成投影於待測物O大範圍區域之第一投影光線(第7圖)及投影於待測物O小範圍區域之一第二投影光線(第8圖)。第一投影光線為包含編碼圖案且對應待測物O整體區域之一結構光，而第二投影光線為包含編碼圖案且對應待測物O特定放大區域之另一結構光。待測物O分別反射第一投影光線及第二投影光線而形成包含應待測物O表面輪廓訊息之一第一反射光及一第二反射光。接續第一反射光及一第二反射光通過第二變焦鏡頭204、205後，分別為二影像擷取單元202、203接受。第二變焦鏡頭204、205 可分別調變影像擷取單元202、203取像區域大小，並令影像擷取單元202、203分別即時取得具有低放大倍率及精度之一第一二維影像及高放大倍率及精度之一第二二維影像。透過第一二維影像可取得對應待測物O整體區域之低解析度表面輪廓訊息，而透過第二二維影像可取得對應待測物O特定放大區域之高解析度表面輪廓訊息。經資料處理後，最終結合低解析度之第一三維影像及高解析度之第二三維影像以便提高待測物O之三維建模之精度。

前述最終提高待測物O之三維建模精度，係可透過處理單 元206得到。處理單元206透過低精度高速影像處理程序206b對第一二維影像內含之低解析度之待測物O表面輪廓訊息進行資料處理，以得到低解析度之第一三維影像；以及透過高精度低速影像處理程序206a對第二二維影像內含之高解析度之待測物O表面輪廓訊息資料處理，以得到高解析度之第二三維影像，並結合高解析度之第二三維影像及低解析度之第一三維影像重建出待測物之三維建模。

依據前述第7圖及第8圖之揭露，本發明提供之三維影像 掃描方法之一實施例，可包含下列步驟：使用一投影單元投射一投影光線通過一第一變焦鏡頭至一待測物；即時調變第一變焦鏡頭，令投影光線分別形成投影於待測物大範圍區域之一第一投影光線及投影於待測物小範圍區域之一第二投影光線，待測物分別反射第一投影光線及第二投影光線而形成包含一待測物表面輪廓訊息之一第一反射光及一第二反射光；導引第一反射光及第二反射光通過至少一第二變焦鏡頭；即時調變第二變焦鏡頭，令第一反射光形成低放大倍率及精度之 一第一二維影像及第二反射光形成高放大倍率及精度之一第二二維影像；使用至少一影像擷取單元分別擷取第一二維影像及第二二維影像；於影像擷取單元擷取第一二維影像及第二二維影像時，即時調變與影像擷取單元連結之一傳動機構以改變投影單元及影像擷取單元之相對位置及相對角度，令影像擷取單元取得較高靈敏度之待測物表面輪廓訊息；以及將第一二維影像及第二二維影像之訊號輸入一處理單元，以便令處理單元對第一二維影像內含之低解析度之待測物表面輪廓訊息以一低精度高速之處理程序進行資料處理，而得到低解析度之一第一三維影像；及對第二二維影像內含之高解析度之待測物表面輪廓訊息以一高精度低速之處理程序進行資料處理，而得到高解析度之一第二三維影像；並結合低解析度之第一三維影像及高解析度之第二三維影像重建出待測物之三維建模。

第9圖中，與前述第2圖繪示不同地，係基於前述第7圖及 第8圖中所繪示之三維掃描裝置之第一架構及第二架構所形成之差異。第9圖中係分別以第一步驟及第二步驟表述之。

第一步驟係對應於前述第7圖中所繪示之第一使用架 構。投影單元201透過第一變焦鏡頭208的調變，可經一縮小倍率程序110b，得到投影於待測物O大範圍區域之第一投影光線。如前述及，第一投影光線為包含編碼圖案且對應待測物O整體區域之一結構光。而此第一投影光線，則為待測物O反射後，通過第二變焦鏡頭204而為影像擷取單元202所接收。此時，第二變焦鏡頭204亦透過縮小倍率程序101b，而得到包含待測物O大範圍整體區域之精度低之二維影像。此 時，透過處理單元206所含的解碼程序106及重建程序107，對第一投影光線內含的編碼圖案進行解碼及重建，還原出低精度低解析度的第一三維影像。最後搜尋出第一三維影像的錯誤區域，接續進行第二步驟。

第二步驟係對應於前述第8圖中所繪示之第二使用架 構。於第二步驟中，投影單元201透過第一變焦鏡頭208的調變，可經一放大倍率程序110a，得到投影於待測物O小範圍區域之第二投影光線。第二投影光線為包含編碼圖案且對應待測物O特定放大區域之另一結構光。第二投影光線為待測物O反射後，通過第二變焦鏡頭204而為影像擷取單元202所接收。此時，第二變焦鏡頭204透過放大倍率程序101a，而得到包含待測物O特定放大區域之精度高之二維影像。此時，透過處理單元206所含的解碼程序106及重建程序107，對第二投影光線內含的編碼圖案進行解碼及重建，還原出高精度高解析度的第二三維影像。藉此，第二步驟可補償第一步驟中所搜尋出的錯誤區域，而將第一步驟與第二步驟結合後，以第一三維影像結合第二三維影像以提高待測物O三維建模D的精度。上述第9圖中，影像擷取單元202及第二變焦鏡頭204之數量無特別限制，亦可如第7圖或第8圖中，以二影像擷取單元202、203搭配二第二變焦鏡頭204、205，可對三維建模D精度得到更好的提昇。

請續參照第10A圖至第11B圖，係說明本發明之一應用 例。第10A圖繪示於低倍率下，取得大範圍，精度較低之牙模資料示意圖；第10B圖繪示於高倍率下，取得小範圍，精度較高之牙模資料示意 圖；第11A圖繪示於低倍率下，取得牙模點雲資料示意圖；以及第11B圖繪示於高倍率下，取得牙模點雲資料示意圖。

本發明之三維影像掃描裝置及掃瞄方法，相當適合應用 於高速三維牙模掃描機。例如於第10A圖中，係調整變焦鏡頭至較低倍率而得到之影像，並經由處理單元進行資料處理，而得到如第11A圖中所示之重建影像之低精度點雲資料，第10B圖中，則係調整變焦鏡頭至較高倍率而得到之影像，並經由處理單元進行資料處理，而得到如第11B圖中所示之重建影像之高精度點雲資料。比對第11A圖及第11B圖中兩者重建的資料，可以發現高精度點雲資料於某些區域較完整，且於不易取得齒縫曲面的影像上也有點雲資料的生成。具體而言，高倍率/精度影像可以針對特定區域進行高精度三維重建資訊的擷取，後續透過影像對位及貼合等後製處理，可結合原先低倍率/精度影像，而提高整體三維建模之精度。

綜合前述，運用本發明提供之三維影像掃描裝置及掃瞄 方法，可透過變焦鏡頭即時取得不同放大倍率及精度之影像，再結合包含編碼圖案之反射光，經處理單元進行資料處理後，可以高精度影像補償低精度影像無法處理區域，而得到整體皆具高精度之三維建模。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定 本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

101a、110a‧‧‧放大倍率程序

101b、110b‧‧‧縮小倍率程序

106‧‧‧解碼程序

107‧‧‧重建程序

201‧‧‧投影單元

202‧‧‧影像擷取單元

204‧‧‧第二變焦鏡頭

206‧‧‧處理單元

206a‧‧‧高精度低速影像處理程序

206b‧‧‧低精度高速影像處理程序

208‧‧‧第一變焦鏡頭

D‧‧‧三維建模

Claims (10)

1. 一種三維影像掃描裝置，包含：一投影單元，其係用以投射一投影光線至一待測物；一第一變焦鏡頭，其係供該投影光線通過而改變該投影光線投射至該待測物之區域大小以形成不同範圍之一第一投影光線及一第二投影光線；至少一影像擷取單元，其係用以擷取該投影光線為該待測物反射之一反射光所形成之影像，其中該反射光包含該待測物之一表面輪廓訊息；至少一第二變焦鏡頭，其係供該反射光通過而改變該影像擷取單元取像區域大小；其中透過該第二變焦鏡頭變焦令該影像擷取單元分別即時取得具有低放大倍率及精度之一第一二維影像及高放大倍率及精度之一第二二維影像；一傳動機構，其係用以改變該投影單元及該影像擷取單元之相對位置及相對角度；以及一處理單元，用以對該第一二維影像內含之低解析度之該待測物表面輪廓訊息以一低精度高速之處理程序進行資料處理而得到一第一三維影像；及該第二二維影像內含之高解析度之該待測物表面輪廓訊息以一高精度低速之處理程序進行資料處理而得到一第二三維影像，並結合高解析度之該第二三維影像及低解析度之該第一三維影像重建出該待測物之三維建模。
2. 如申請專利範圍第1項所述之三維影像掃描裝置，其中包含二該第二變焦鏡頭及二該影像擷取單元，該第一變焦鏡頭設置於該待測物及該投影單元之間，以便令該投影單元透過該第一變焦鏡頭變焦以投射該第一投影光線及該第二投影光線；各該第二變焦鏡頭設置於該待測物及各該影像擷取單元之間，以便令各該影像擷取單元透過各該第二變焦鏡頭變焦以取得該第一二維影像及該第二二維影像。
3. 如申請專利範圍第2項所述之三維影像掃描裝置，其中該二影像擷取單元裝設於該傳動機構上，以便改變該投影單元及該二影像擷取單元於取得該第一二維影像及該第二二維影像時之相對位置及相對角度。
4. 如申請專利範圍第2項所述之三維影像掃描裝置，其中該投影單元、該第一變焦鏡頭、二該第二變焦鏡頭、二該影像擷取單元及該傳動機構被帶動以掃描該待測物。
5. 如申請專利範圍第4項所述之三維影像掃描裝置，其中該二影像擷取單元分別位於該投影單元不同兩側或同側。
6. 一種三維影像掃描方法，包含：使用一投影單元投射一投影光線通過一第一變焦鏡頭至一待測物；即時調變該第一變焦鏡頭，令該投影光線分別形成投影於該待測物大範圍區域之一第一投影光線及投影於該待測物小範圍區域之一第二投 影光線，該待測物分別反射該第一投影光線及該第二投影光線而形成包含一待測物表面輪廓訊息之一第一反射光及一第二反射光；導引該第一反射光及該第二反射光通過至少一第二變焦鏡頭；即時調變該第二變焦鏡頭，令該第一反射光形成低放大倍率及精度之一第一二維影像及該第二反射光形成高放大倍率及精度之一第二二維影像；使用至少一影像擷取單元分別擷取該第一二維影像及該第二二維影像；於該影像擷取單元擷取該第一二維影像及該第二二維影像時，即時調變與該影像擷取單元連結之一傳動機構以改變該投影單元及該影像擷取單元之相對位置及相對角度，令該影像擷取單元取得較高靈敏度之該待測物表面輪廓訊息；以及將該第一二維影像及該第二二維影像之訊號輸入一處理單元，以便令該處理單元對該第一二維影像內含之低解析度之該待測物表面輪廓訊息以一低精度高速之處理程序進行資料處理而得到低解析度之一第一三維影像；及對該第二二維影像內含之高解析度之該待測物表面輪廓訊息以一高精度低速之處理程序進行資料處理而得到高解析度之一第二三維影像；並結合低解析度之該第一三維影像及高解析度之該第二三維影像重建出該待測物之三維建模。
7. 如申請專利範圍第6項所述之三維影像掃描方法，其中該第一投影光線為包含編碼圖案且對應該待測物整體區域之一結構光，該第二投影光線為包含編碼圖案且對應該待測物特定放大區域之另一 結構光；且透過該第一二維影像取得對應該待測物整體區域之低解析度表面輪廓訊息，以及透過該第二二維影像取得對應該待測物特定放大區域之高解析度表面輪廓訊息；並結合低解析度之該第一三維影像及高解析度之該第二三維影像以便提高該待測物之三維建模之精度。
8. 如申請專利範圍第6項所述之三維影像掃描方法，其中該影像擷取單元、該變焦鏡頭、該傳動機構及該投影單元被帶動掃描該待測物。
9. 如申請專利範圍第6項所述之三維影像掃描方法，其中架設二該影像擷取單元及二該第二變焦鏡頭，並帶動該二影像擷取單元配合該第二變焦鏡頭於該投影單元不同側或同側掃描該待測物表面。
10. 如申請專利範圍第7項所述之三維影像掃描方法，其中該投影單元所投射之該投影光線為一包含編碼圖案之結構光；而該處理單元解碼該第一投影光線之該第一反射光，並以低精度高速之影像處理程序進行資料處理；該處理單元解碼該第二投影光線之該第二反射光，並以高精度低速之影像處理程序進行資料處理；並結合低解析度之該第一三維影像以及高解析度之該第二三維影像以便提高重建之該待測物三維建模之精度。