TWI550555B - 三維幾何測量方法 - Google Patents

Description

三維幾何測量方法

本發明係關於一種三維幾何測量方法，特別是關於一種基於雷射掃瞄儀之三維幾何測量方法。

為掌握家畜之體表型態，習用測量方法大多是藉由皮尺、測徑儀以及量角器等工具以人工接觸式方式估測家畜之軀體尺寸。在測量時，一般將一家畜的外表分為頭部、頸部、前軀、中軀以及後軀五大部位分別進行作業。

然而，該測量方法在實際使用上仍具有下述問題，例如：家畜毛髮與測量時之體態動作等相關影響難以列入變動參數；另外，接觸式測量不但耗時且容易造成家畜之驚嚇，更增加了測量上的困難；同時，該測量方法也需要操作人員長時間與家畜接觸，因而相對提高人畜互通疾病的交互傳染機率、被家畜咬傷、撞傷及其他衛生管理上的風險。

故，有必要提供一種三維幾何測量方法，以解決習用技術所存在的問題。

本發明之主要目的在於提供一種三維幾何測量方法，其係利用非接觸式之二維高速雷射量測技術，以便 達到家畜之體型與體積量測，進而實現人畜分離之目的；甚至可應用於工業自動化檢測系統，進行大型工業機具等相關應用程序介面輔助設計或應用程序介面輔助製造之模組。

本發明之次要目的在於提供一種三維幾何測量方法，其係藉由應用程序介面利用預先編寫好的函數對硬體進行直接控制，進而將大量的點雲資料直接配置於影像處理介面之圖形處理器以進行三維圖形資訊之繪圖，且不需經過中央處理器之緩衝記憶體，而直接由該圖形處理器之顯示記憶體將三維圖形資訊儲存到硬碟(儲存碟)中，故可大幅提高即時掃瞄與三維建圖之效率。

為達上述之目的，本發明提供一種三維幾何測量方法，其包含步驟：建立一待測物件之初始座標資料以及影像資料；將該初始座標資料比對以產生一定位資料；將該定位資料結構化產生一網格資料；將該網格資料與該影像資料整合成一組三維模型；將該三維模型之三維座標資料轉換為適用於一應用程序介面之投射座標；及通過一影像處理介面之一圖形處理器根據該投射座標執行該應用程序介面，以繪製與測量該待測物件之三維圖形資訊，並將該三維圖形資訊直接儲存至一儲存 碟。

在本發明之一實施例中，在建立該初始座標資料以及影像資料之步驟中，包含：通過一雷射測距儀移動式的收集該待測物件之相對距離以及角度資訊；將該相對距離以及角度資訊轉換成一組二維座標系統；及通過一影像感測器收集該待測物件之影像資料，其包含該待測物件之色彩資訊。

在本發明之一實施例中，將該初始座標資料比對以產生該定位資料之步驟為：使用疊代最近點演算法將該初始座標資料，利用反覆疊代的方式縮小不同之初始座標資料之間的距離，直到滿足收斂條件，將不同之初始座標資料定位至同一座標系中。

在本發明之一實施例中，將該網格資料與該影像資料整合成該三維模型之步驟為：將該定位資料分群處理，利用一影像處理之技術以及資料幾何之關係，針對各分群資料進行雜訊點濾除，再進行結構化處理。

在本發明之一實施例中，該二維座標系統進一步通過增加一自由度，以轉換成該三維座標資料。

在本發明之一實施例中，將該網格資料與該影像資料整合成該三維模型之步驟為：將該網格資料之三維座標資料加入該影像資料之色彩資訊依序建立數個點雲資料，進而產生該三維模型。

在本發明之一實施例中，該投射座標係為RPY座 標，其用以轉換該點雲資料所產生之三維模型。

在本發明之一實施例中，在繪製與測量該待測物件之三維圖形資訊之步驟中，使用一繪圖演算來演算推估所有之點雲資料中各個相鄰點的距離並予以計算該待測物件之體積以及周長。

在本發明之一實施例中，該計算步驟包含：通過該影像處理介面將該三維圖形資訊依序傳送至一圖形顯示介面。

在本發明之一實施例中，該待測物件為動物，特別是指家畜、家禽及魚類。

關於本發明的特徵與實做，茲配合圖式做最佳實施例詳細說明如下：

為了讓本發明之上述及其他目的、特徵、優點能更明顯易懂，下文將特舉本發明較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。再者，本發明所提到的方向用語，例如「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」、「內」、「外」或「側面」等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用以說明及理解本發明，而非用以限制本發明。

請參照第1圖所示，本發明較佳實施例之三維幾何測量方法主要包含下列步驟：(S1)、建立初始座標資料 以及影像資料、(S2)、將該初始座標資料比對以產生一定位資料、(S3)、將該定位資料結構化產生一網格資料、(S4)、將該網格資料與該影像資料整合成一組三維模型、(S5)、座標轉換，以及(S6)、繪製與測量該待測物件之三維圖形資訊以及同步儲存。本發明將於下文利用第2至4圖逐一詳細說明較佳實施例之上述各步驟的實施細節及其原理。

請參照第2及3圖所示，其分別揭示本發明較佳實施例之三維幾何測量方法之系統結構示意圖及其感測裝置之局部放大圖。本發明較佳實施例之三維幾何測量方法步驟(S1)係：建立一待測物件之初始座標資料以及影像資料。在本步驟中，本發明係通過一支架11，其上端以及左右兩邊分別設置一感測裝置，各裝置包含一雷射測距儀12以及一影像感測器13，該雷射測距儀12本身具有一r-θ座標系統，可通過基本平面座標轉換得到新的平面x-y座標系統，並藉由沿著一測量方向之移動以增加一自由度將該雷射測距儀12所收集之二維座標資料轉換成三維座標資料；其中亦可固定該支架11，將待測物件14相對該支架11進行移動以達到相同移動式測量目的。

此外，本發明還配置一通訊介面15，一般以RS-232及RS-422兩種傳輸方式為主，傳輸速率有9,600、19,200、38,400或者是500,000bits/s；該通訊介面15 與一電腦16中之應用程序介面進行通訊之工作，且系統也會在同一時間將數據按照特定的格式與對應方式發送至與之相連之應用程序介面。

接著，本發明較佳實施例之三維幾何測量方法之步驟(S2)係：將該初始座標資料比對以產生一定位(registration)資料。在本步驟中，本發明係根據疊代最近點演算法(iterative closest point,ICP)以達到剛性對齊之目的，其方法係建立一轉換矩陣，使各筆具有初始座標系之資料經此矩陣運算後，能夠最大限度的與其對齊基準資料重合。此外疊代最近點演算法還使用一組平均誤差參數，來評量每次疊代的結果，經過不斷疊代後該資料將收斂至一安定位置，若兩筆資料完全重合且對應點完全相同，此時該平均誤差參數將為0。

隨後，本發明較佳實施例之三維幾何測量方法之步驟(S3)係：將該定位資料結構化產生一網格資料。在本步驟中，本發明係將該定位資料分群處理，利用一影像處理之技術以及資料幾何之關係，針對各分群資料進行雜訊點濾除，再進行結構化處理。其中可使用規則網格資料處理或不規則三角網格資料處理，但本發明不侷限於此。

接著，本發明較佳實施例之三維幾何測量方法之步驟(S4)係：將該網格資料與該影像資料整合成一組三維模型。在本步驟中，本發明係將該網格資料之三維座標 資料加入該影像資料之色彩資訊依序建立數個點雲資料，進而產生該三維模型。一般將該雷射測距儀12以及影像感測器13進行時間同步處理。一方面通過控制系統令其啟動之時間一致；另一方面，則對該雷射測距儀12以及影像感測器13所收集之採樣頻率不同之資料進行內插法以及外推法匹配。此外鑑於該雷射測距儀12以及影像感測器13安裝位置不同所造成各自的描述空間座標不同，必須進行空間定位，將該雷射測距儀12以及影像感測器13之資料定位對準至一個共同之參考座標中，以忠實的呈現待測物件之相關資訊。

本發明圖形繪製及測量以及儲存資料係利用該電腦16中之一應用程序介面(application programming interface,API)程式碼來實現的，例如本實施例可使用OpenGL(Open Graphics Library)，其是一套由SGI公司發展出來的繪圖函式庫，它是一組C語言的函式，用於二維與三維圖形應用程式的開發上，其可將大量點雲資料直接配置於記憶體以進行繪圖動作。

接著，本發明較佳實施例之三維幾何測量方法之步驟(S5)係：進行座標轉換。在本步驟中，鑑於該雷射測距儀12所提供之座標系統與OpenGL之座標系統有所差異，故需透過RPY(Roll-Pitch-Yaw)座標轉換步驟令OpenGL可於平面上表現三維圖形，轉換矩陣如下：

透過上述座標轉換，便完成點雲在三維座標空間中的位置計算，此步驟變成為著色演算到視覺化圖形介面的前置步驟，透過硬體演算以及記憶體分配方法將點雲資料循序的送至圖形輸出窗口，成為完整的三維座標與環境建物的相對關係圖形。

最後，本發明較佳實施例之三維幾何測量方法的步驟(S6)係：繪製與測量該待測物件之三維圖形資訊以及同步儲存。在本步驟中，本發明係通過該電腦16中之一影像處理介面(即顯示卡)之一圖形處理器(即GPU)根據該投射座標執行該應用程序介面，以繪製與測量該待測物件之三維圖形資訊，並將該三維圖形資訊直接儲存至一儲存碟(如HD或SSD硬碟)。該圖形處理器之顯示記憶體係直接將每一筆三維圖形資訊之實體檔案儲存至一儲存碟，而不需透過該電腦16之中央處理器(CPU)之虛擬緩衝記憶體暫存後再儲存至該儲存碟，從資料解碼、蒐集到儲存之間的所有過程皆一次執行完畢，屬同步執行(平行處理)。再者，也可通過該影像處理介面將該三維圖形資訊依序傳送至一圖形顯示介面(例如LCD顯示螢幕)，以顯示該三維圖形資訊給使用者觀看。

請參照第3圖所示本發明感測裝置之局部放大圖， 本發明較佳實施例之感測裝置使用三台雷射測距儀12，本發明所使用之雷射測距儀12為紅外線掃瞄式雷射，其測量方式係運用光線計時測距原理(time of flight)達成，也就是說其利用紅外線雷射光束脈衝高速來回進行量測環境相關參數的動作，水平最大掃瞄範圍為0°至180°，並且可每1°、0.5°或0.25°擷取距離長短、角度以及反射強度等資訊，但不侷限於此發明，每一雷射測距儀皆裝載一影像感測器(image sensor)13，一般為電荷耦合元件(charge-coupled device,CCD)或互補式金氧半(CMOS)影像感測器，該影像感測器13可擷取該待測物件之顏色等資訊。

請參照第4圖所示為本發明較佳實施例之三維幾何測量方法之使用示意圖，利用該三台雷射測距儀12之掃瞄範圍互相覆蓋之區域將待測物件14置於其中，除了避免掃描範圍死角，還可進一步能夠快速地得到物體周長以及體積等資訊，完成系統之目的

藉由上述第一至第六步驟，本發明較佳實施例即可在非接觸式的前提下，快速且自動量測各種待測物件14的高度及儲存資料，進一步繪製三維建圖，其中該待測物件14特別是指家畜、家禽或魚類等畜牧業動物。本發明甚至可應用於相關物流產業所需要使用的體積測量，進而改善貨運分配效率。同時，由於本發明之點雲資料儲存是在同一取樣時間內，不經過緩衝記憶體 方式直接由該影像處理介面之圖形處理器之顯示記憶體寫入儲存式硬碟，故可避免點雲資料快速增加造成該電腦16之中央處理器之虛擬記憶體的負擔，並且減輕主程序運行的時間，透過存儲與收集資料之間的時間差，將座標資訊寫入硬碟。

如上所述，相較於習用人工測量方法雖能達到相同之目的，卻因家畜毛髮與測量時之體態動作等相關影響難以列入變動參數；另外，接觸式測量不但耗時且容易造成家畜之驚嚇，更增加了測量上的困難，進而導致無法快速準確獲取家畜體尺寸等缺點，第2圖之本發明較佳實施例結構藉由在該支架14上不同部位分別安裝三台雷射測距儀12並各自搭載影像感測器13，其確實可有效完成家畜之體型與體積量測，進而實現人畜分離之目的；甚至可應用於工業自動化檢測系統，進行大型工業機具等相關應用程序介面輔助設計(computer-aided design,CAD)或應用程序介面輔助製造(computer-aided manufacturing,CAM)之模組。

雖然本發明已以較佳實施例揭露，然其並非用以限制本發明，任何熟習此項技藝之人士，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種更動與修飾，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。

S1‧‧‧步驟一

S2‧‧‧步驟二

S3‧‧‧步驟三

S4‧‧‧步驟四

S5‧‧‧步驟五

S6‧‧‧步驟六

11‧‧‧支架

12‧‧‧雷射測距儀

13‧‧‧影像感測器

14‧‧‧待測物件

15‧‧‧通訊介面

16‧‧‧電腦

第1圖：本發明較佳實施例之三維幾何測量方法之 流程圖。

第2圖：本發明較佳實施例之三維幾何測量方法之系統結構示意圖。

第3圖：本發明較佳實施例之三維幾何測量方法之感測裝置之局部放大圖。

第4圖：本發明較佳實施例之三維幾何測量方法之使用示意圖。

S1‧‧‧步驟一

S2‧‧‧步驟二

S3‧‧‧步驟三

S4‧‧‧步驟四

S5‧‧‧步驟五

S6‧‧‧步驟六

Claims (7)

1. 一種三維幾何測量方法，其包含：通過一支架，及該支架之上端、左右兩邊分別設置的一感測裝置，將一待測物件相對該支架移動而建立該待測物件之初始座標資料以及影像資料，其中各該感測裝置包含一雷射測距儀以及一影像感測器，及該待測物件為家畜、家禽及魚類，該待測物件置於該等感測裝置的三台雷射測距儀之掃瞄範圍互相覆蓋之區域，各該雷射測距儀沿著一測量方向移動，通過該等三台雷射測距儀移動式的收集該待測物件之相對距離以及角度資訊，將該相對距離以及角度資訊轉換成一組二維座標系統，及通過該影像感測器收集該待測物件之影像資料，其包含該待測物件之色彩資訊；將該初始座標資料比對以產生一定位資料，使用疊代最近點演算法將該初始座標資料，利用反覆疊代的方式縮小不同之初始座標資料之間的距離，直到滿足收斂條件，將不同之初始座標資料定位至同一座標系中，同時在該疊代最近點演算法使用一組平均誤差參數，以評量每次疊代的結果；將該定位資料結構化產生一網格資料；將該網格資料與該影像資料整合成一組三維模型；將該三維模型之三維座標資料轉換為適用於一應用程序介面之投射座標；及通過一影像處理介面之一圖形處理器根據該投射座 標執行該應用程序介面，以繪製與測量該待測物件之三維圖形資訊，並將該三維圖形資訊直接儲存至一儲存碟。
2. 如申請專利範圍第1項所述之三維幾何測量方法，其中將該網格資料與該影像資料整合成該三維模型之步驟為：將該定位資料分群處理，利用一影像處理之技術以及資料幾何之關係，針對各分群資料進行雜訊點濾除，再進行結構化處理。
3. 如申請專利範圍第1項所述之三維幾何測量方法，其中該二維座標系統進一步通過增加一自由度，以轉換成該三維座標資料。
4. 如申請專利範圍第1項所述之三維幾何測量方法，其中將該網格資料與該影像資料整合成該三維模型之步驟為：將該網格資料之三維座標資料加入該影像資料之色彩資訊依序建立數個點雲資料，進而產生該三維模型。
5. 如申請專利範圍第4項所述之三維幾何測量方法，其中該投射座標係為RPY座標，其用以轉換該點雲資料所產生之三維模型。
6. 如申請專利範圍第4項所述之三維幾何測量方法，其中在繪製與測量該待測物件之三維圖形資訊之步驟中，使用一繪圖演算來演算推估所有之點雲資料中各個相鄰點的距離並予以計算該待測物件之體積以及 周長。
7. 如申請專利範圍第6項所述之三維幾何測量方法，其中該計算步驟包含：通過該影像處理介面將該三維圖形資訊依序傳送至一圖形顯示介面。