TWI567689B - 依據影像旋轉計算以產生３ｄ影像之方法 - Google Patents

依據影像旋轉計算以產生３ｄ影像之方法 Download PDF

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Description

依據影像旋轉計算以產生3D影像之方法
本發明係關於一種產生3D影像之方法，特別關於一種產生人物肖像3D影像之方法，其包括下列步驟：提供一人物之一2D之基本影像；將與該基本影像之複數個影像元素相關聯之複數個影像值輸出至一處理裝置；由該處理裝置計算至少一影像，其中該影像係由複數個影像元素所構成，且其係沿著一旋轉點旋轉一旋轉角度；將該旋轉影像分為複數個影像線；選取至少兩個影像之對應之該等影像線以形成複數個群組，其中該至少兩個影像包括該旋轉影像；將該等群組之該等影像線對應之複數個影像元素相關聯的該等影像值輸出至一成像裝置；以及由該成像裝置依據該等影像值將複數個影像強度及/或顏色提供至一基板，其中該基板具有由複數個線性透鏡所形成之圖案，因此各該群組之該等影像線之該等影像強度及/或顏色係相對提供至與其相關聯之各該線性透鏡。
一般而言，3D影像可以利用從不同角度取得之一物件之二個以上之影像而產生，首先利用一數位處理單元將影像分為數個影像線，然後將其交錯排列，以便形成影像線之數個群組，接著將此影像線之數個群組提供至一影像載體之一影像層，其具有數個線性透鏡，分別對應於各群組之影像線。然後，利用線性透鏡將交錯排列之影像繪製成像於一預設之觀看距離之左眼或右眼，因此可以得到立體影像；一種將影像線提供至影像載體的方法是利用雷射光束，其係透過線性透鏡而聚焦於影像層，其材料例如是聚碳酸酯，因此可以沿著影像線上的影像元素(畫素)之灰階值而形成顏色強度變化。
另外，影像線亦可以利用印刷技術提供至影像層，然後再將透鏡設置於該等群組之印刷之影像線上。
上述形式之3D影像可以應用於識別文件，如識別證(身份證)、護照、駕照等，或是應用於出入通行證、銀行存摺、或其他安全識別工具。
為了能夠在不同觀看距離得到立體影像的效果，通常會同時從不同角度產生人物的四個以上之影像；為了實現上述要求，需要使用四個以上之數位相機，其係設置於不同角度且同時從不同角度產生影像。然而，此種方式相對需要較高設置成本，其係由於需要設置大量的數位相機且需要達到其同步效果，因此，3D影像，特別是用於識別媒體之特定肖像，僅能在特殊環境下產生。
在專利申請案WO2006/11038中揭露了申請專利範圍第1項中的前言部分，其係說明如何利用2D基本影像得到兩個旋轉影像，且其係利用具有特殊軟體輔助之影像處理裝置進行投影而取得，其中，上述影像係以交錯排列方式提供至線性透鏡，以便形成立體肖像影像，並可應用於安全或識別文件。
然而，上述方法係經由計算取得旋轉影像，其缺點是與原始的基本影像的相似度較低，因此經由此種方法計算得到的影像較不適於應用在安全及識別文件上，如護照、駕照、通行徽章等，所以利用上述方法得到之3D影像的可靠性不足以建立視覺檢驗。
本發明之目的為提供一種產生3D影像之方法，其不需要特別的相機設備便可以產生立體影像，而且可以快速地建立在視覺檢驗之可靠性；本發明之又一目的為提供一人物之3D影像，其能夠顯示出極近似於影像中的人物；本發明之再一目的為提供一種方法，其係能夠相對快速且經濟地產生立體影像，且可不需要使用相機。
為達上述目的，本發明之方法的特徵在於：判斷2D之基本影像中的複數個面部端點的位置；依據該等面部端點在一影像區域中形成該人物之一3D主外觀；在該影像區域中，將該第一基本影像從一投影面投影至該3D主外觀以提供一3D面部外觀；及利用旋轉該3D面部外觀並投影至該投影面以形成該旋轉影像；而且，藉由該基本影像以形成該等影像線，其係用以形成部分之該等群組之對應之該等影像線，且其係由該影像裝置提供至基板。其中，3D主外觀係由處理裝置在一影像區域中利用單一影像計算並測量基本影像中的面部端點而得，接著，處理裝置利用投影基本影像至主外觀的方式決定3D面部外觀，然後將3D面部外觀投影至投影面，以便計算得到至少一旋轉影像，進而可以得到精確的立體影像。本發明的「投影式產生法」不同於「內插式產生法」，其中「內插式產生法」係計算兩個基本影像之間的平均流失影像，而本發明的「投影式產生法」能夠提供相當接近人物本身的旋轉影像。由於原始的基本影像亦可以用來形成3D交錯影像，所以可以在第一觀看模式下達到快速且有效率地實現影像驗證之視覺檢驗，並且可以有效地減少影像之獨特特徵損失之風險。
由於本發明係利用處理裝置計算並依據「投影式產生法」及單一個2D影像計算得到至少一個相當近似之旋轉影像，其中之影像係與原始的2D影像結合，所以能夠僅依據單一個習知的2D影像(如掃瞄圖片或照片)得到一準確的立體影像並供一第二觀看模式之觀看，其能夠應用在識別文件或安全文件上；因此，能夠配合識別文件之立體相片可以在各種場合產生，如相片行、市公所等。此外，利用單一相機或掃瞄照片方式產生立體影像的費用較低。
在一實施例中，被成像之物件為一人物之面部，且其與相機之距離介於40公分至3公尺，各計算之旋轉影像的旋轉角度介於3至10度。證據顯示，在上述的距離及 旋轉角度條件下，可以得到非常適用於識別用途的精確立體影像。
在另一實施例中，旋轉點係位於雙眼之間，且在面部之表面上或其附近，因此，可以得到人物面部的自然圖像，其係非常適用於識別用途，其中當影像相對於觀看者旋轉時，成像人物的眼睛位置保持不動。
在一較佳實施例中，在經由線性透鏡於載體上形成交錯影像時，各影像之該等眼睛位置係以重疊方式提供至基板上，因此，當一檢驗人員觀看3D影像時，所觀看到之影像上的眼睛位置永遠會保持不動，且眼睛位置會永久地在銳聚焦。此外，面部的其他部位會隨著觀看角度變化而旋轉，且其銳利度亦可隨之變化，藉由讓基本影像及旋轉影像之眼睛位置能夠重疊於載體上，可以增加視覺檢驗的準確性及有效性。
在另一實施例中，處理裝置可以設置一標記於該至少二影像，該標記係相對小於該等影像。
標記係設置於人物的前方，如一具有數字及/或文字的安全標記，當從不同方向觀看影像時，可以觀看到在人物前方之標記彷彿在前後移動，因此，可以在影像上增加額外的認證特徵，以便幫助建立影像的可靠性及獨特性。
影像裝置較佳包括一雷射及一承載桌，承載桌具有一影像面，其中，雷射係可在影像面上方沿著該等影像線移動，承載桌係可圍繞沿著該等影像線之方向之一軸心旋轉，一影像載體係設置於承載桌上，且線性透鏡圖案係設 置於影像載體上，影像線係由雷射提供，其係經過透鏡圖案到達影像載體，在影像成形後，承載桌係圍繞軸心旋轉，然後下一個影像再提供至影像載體。
由於承載桌之傾斜係連動於計算之旋轉影像的旋轉角度，所以可以在單一影像的基礎下有效且精確地產生立體影像。
以下將參考附圖以詳細說明本發明之產生3D影像之方法的數個實施例。
圖1為習知線性透鏡結構的剖面圖，其係應用於一影像載體1，並由依序排列之線性柱狀透鏡3、4、5所構成，其中，影像載體係可應用於安全或識別文件上，如駕照、銀行存摺、護照、簽證標籤等；如圖1所示，影像載體1具有一基板2，且其上側設置有依序排列之n個線性透鏡3、4、5，其中，透鏡之數目n係例如為每公分130個透鏡，上述之依序排列之線性透鏡係揭露於美國專利第7,480,100號。
在基板2之影像層7中，複數個交錯影像線之群組8、9、10係包含複數個影像元素(畫素)，且該等影像線係由一雷射燒錄至影像層7；在本實施例中，影像線之群組8-10係通過垂直區域之碳化影像層材料(如聚碳酸酯)而形成，其位置係位於雷射光束被透鏡3-5聚焦在影像層7處，由於雷射光束係在影像線寫入影像層時被透鏡3-5聚焦， 所以交錯影像線之群組可以被準確地對準於透鏡3-5。
影像線之各群組8、9、10分別包括m條影像線((l11,l21...lm1),...,(l1n,l2n,...lmn))，其中，m可以是介於2至60之間，以下為了使本發明更明瞭，僅以各群組分別包括3條影像線為例。在各群組之各影像線係分別被相對應之透鏡所反射，以便沿著一預設之方向到達觀看者，當觀看者從一特定角度觀看影像載體1時，可以理想地由一眼看到一條影像線，如影像線((l11,l21...lm1),...,(l1n,l2n,...lmn))群組中的影像線l1v,l2v..lmv；此外，當觀看者相對於影像載體1移動時，可以觀看到不同的影像。
基板2之高度H係例如為250μm，影像層7之厚度T係例如為50μm，線性透鏡之寬度L係例如為75μm，且透鏡之高度D係例如為10μm；此外，影像層中的碳化區域11的寬度係約為15μm，且該些區域11之間的距離約為1μm。
如圖2所示，影像層7可以對應各透鏡3-5分別提供至少二個影像線12、13，其具有一夾角θ(例如為12度)，因此，在一觀看距離V(例如為40-70公分之間)處，影像線12、13可以分別被投射到一觀看者之兩眼14、15，其中，觀看者之兩眼14、15之間的距離O約為6公分，所以可以產生一立體或3D觀看影像；藉由針對各透鏡3-5分別提供複數對立體影像線的方式，可以分別在不同的觀看距離V提供立體效果給觀看者。以上之產生立體影像的細節係揭露於歐洲專利申請案第EP 1 874 557號。
圖3顯示定義於基本影像A上的數個面部端點55、56，其座標為(x,y)，且其係位於z軸座標zp上之二維投影平面，而且該些面部端點在3D影像區域(x,y,z)58上以座標(x1y1,z1),(x2y2,z2)...(xnyn,zn)表示。例如，該些面部端點可包括成像人物的眼睛之角落、嘴巴之角落、鼻子之尖端、鼻孔、下巴、前額、耳朵等等。此外，如圖4所示，主外觀57係藉由一組面部端點((x1y1,z1),(x2y2,z2),...,(xnyn,zn))而定義於3D影像區域58中；另外，圖5a為主外觀57的上視圖，圖5b為主外觀57的側視圖。
接著，如圖6a所示，人物之基本影像A係從座標zp之一投影面59投射至影像區域58之主外觀57上，以便在影像區域58中形成面部外觀60；然後，將面部外觀60沿著y軸(xr,y,zr)旋轉一角度，如2度；如圖6b所示，接著將旋轉之面部外觀60投射至投影面(x,y,zp)，以形成旋轉影像B；依據上述方法，亦可以形成旋轉影像C，如圖6c所示，其沿著y軸(xr,y,zr)旋轉之角度係例如為4度。
上述參照圖3、4、6a-6c、8及12，並藉由影像處理裝置而實現的步驟係如圖7所示，其係用以產生N個旋轉影像。
如圖8所示，在本發明之方法中，第一影像A係記錄於一影像處理裝置之記憶體中，其中，影像A係由畫素16所構成，且各畫素具有一影像值，如亮度及/或色彩；影像A之畫素16可以由一數位相機之影像感測器對一影像進行攝像時直接形成，或是由一利用光學掃瞄印在紙上的影 像時直接形成。另外，第一影像A之畫素16具有沿垂直方向設置之影像線(l11...l1n)，其形成畫素陣列中的數欄。影像B及C表示m-1個旋轉影像，其係將第一影像A中的人物以不同觀看角度呈現，而且影像B及C之畫素16具有沿垂直方向設置之影像線(l21...l2n)及(lm1...lmn)；這些畫素16之影像值係儲存於影像處理單元之記憶體中，其可以是一電腦的一部份，因此可以沿著圖中的箭頭方向從記憶體中進行各影像線的存取，而在影像處理單元中係形成有m個影像線((l11...lm1)...(l1n...lmn))之群組。
畫素16之影像值係對應各群組之影像線轉換成一強度及/或色彩，並且沿著影像A-C之箭頭方向提供至一載體，以便產生3D影像D，其詳細說明係如圖6所示。
3D影像D係結合影像A、B、C而得，其中，影像B及C係依據本發明以基本影像A為基礎進行計算而得；當影像A-C投影至載體上時，基本影像A及旋轉影像B及C等所有影像中的眼睛位置的座標(xo,yo)符合下列關係：(xo,yo)A=(xo,yo)B=(xo,yo)C，因此，當在一第二觀看模式下從不同角度觀看影像D時，觀看者能夠觀看到眼睛區域具有固定的銳聚焦，所以能夠簡單地實現影像之視覺檢驗及比對此影像與實際人物。此外，亦可以利用不同的基本影像A以構成3D影像D。
圖9顯示一種習知的架構，以利用4個相機產生人物21之立體影像，其中，4個相機之間分別相隔一距離S，例如為6公分，其係能夠同步產生人物21之面部的影像；距離D係例如為18公尺，因此相鄰之兩個影像之間的夾角θ約為2度。然而，使用4個同步操作之相機17-20相對成本較高。
圖10顯示僅利用單一數位相機22來產生一物件之影像，例如為一人物23之面部的直立影像，其中，人物23之鼻子係正對著相機，相機22與人物23之旋轉軸29之間的距離D係例如為60公分，相機22可以形成人物23之直立影像的影像元素，並將對應該些影像元素之影像值(如強度及色彩值)，經由輸出端33傳送至一處理單元30。另外，亦可以利用一掃描器39將人物之影像40提供至處理單元30，以便將畫素及其對應之影像值儲存在處理單元30。
處理單元30係依據直立影像24之畫素產生一個以上之旋轉影像(本實施例係形成4個旋轉影像)，進而產生鼻子在不同位置的影像25、26、27及28，旋轉角度γ係例如介於正負2度之間。4個旋轉影像係以沿著影像線之畫素位置的影像值之方式儲存於處理單元30中，然後，處理單元30係將各旋轉影像之影像資訊傳送至一寫入裝置31，其包括一雷射及一可傾斜之承載桌，其上係設置有如圖1及圖2所示之影像載體。各旋轉影像之畫素之影像值係由雷射以交錯方式進行燒錄，其係沿著平行於線性透鏡之影像線依序燒錄至影像層，此外，承載桌係對應各旋轉影像之旋轉角度γ分別傾斜一角度。在本實施例中，對應4個旋轉影像可以形成4個影像線之群組，因此，可以得到2個立體影像，以便讓觀看者可以在2個觀看距離V分別觀看到3D影像。在形成m個影像線之群組時，可以觀看到立體影像之距離的數量為m/2。此外，為了提高辨識影像的品質，原始影像24、40亦可以加入交錯之3D影像。
圖11顯示一寫入裝置31，其係用以在設置於承載桌33上之一影像載體1上形成一立體影像，其中，承載桌33可以沿著轉軸35旋轉，而轉軸35係沿著垂直圖面的方向設置；雷射36產生一雷射光束37，其係經由一可傾斜反射鏡38以沿著影像線依序掃瞄整個透鏡表面，其係互相平行且其方向與轉軸35相同；接著，透鏡3-5將雷射光束聚焦於影像載體1之影像層7。其中，雷射36、反射鏡38及承載桌33係由一控制單元34所控制，其係接收由處理單元30產生之影像訊號以作為其輸入訊號。若第一影像之影像線係提供至影像載體1上，其中各影像線係燒錄至各透鏡3-4下方之影像層，則承載桌33產生傾斜，以便依序將旋轉影像利用雷射投射至影像載體並燒錄至影像層，直到所有m個旋轉影像皆處理完為止。
圖12顯示本發明之實施例中，在3D影像中的影像52上提供一標記50，其係例如為一安全標記或一認證碼，在所形成之3D影像52中，標記50係設置於人物23之肖像51的前方。在本實施例中，可以藉由影像處理單元針對影像區域58中的各2D外觀提供標記50，例如位於投影面之z軸座標zp與面部外觀60之z軸座標(如圖6a-6c所示)之間的z軸座標zm，由於2D標記50係位於面部外觀60之旋轉軸(xr,y,zr)與投影面(x,y,zp)之間的固定位置，所以當觀看者的觀看角度相對於肖像51之旋轉而改變時，標記50可以在影像52中移動。
以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。
1．．．影像載體
2．．．基板
3、4、5．．．透鏡
7．．．影像層
8、9、10．．．群組
11．．．區域
12、13．．．影像線
14、15．．．眼睛
16．．．畫素
17、18、19、20、22．．．相機
21、23．．．人物
24、25、26、27、28、40、52．．．影像
29．．．旋轉軸
30．．．處理單元
31．．．寫入裝置
33．．．輸出端/承載桌
34．．．控制單元
35‧‧‧轉軸
36‧‧‧雷射
37‧‧‧雷射光束
38‧‧‧反射鏡
39‧‧‧掃描器
50‧‧‧標記
51‧‧‧肖像
55、56‧‧‧面部端點
57‧‧‧主外觀
58‧‧‧影像區域
59‧‧‧投影面
60‧‧‧面部外觀
A‧‧‧基本影像
B、C‧‧‧旋轉影像
l11~lmn‧‧‧影像線
D‧‧‧距離/高度
L‧‧‧寬度
H‧‧‧高度
T‧‧‧厚度
O、S、V‧‧‧距離
γ‧‧‧旋轉角度
θ‧‧‧夾角
圖1為習知線性透鏡結構的剖面圖，其係用以呈現交錯影像；
圖2為利用圖1所示之透鏡結構以產生立體影像的示意圖；
圖3為顯示基本影像之面部端點的示意圖；
圖4為在影像區域中形成3D主外觀的示意圖；
圖5a及圖5b分別為主外觀的上視圖及側視圖；
圖6a為利用基本影像投影至影像區域之主外觀以得到面部外觀的示意圖；
圖6b及圖6c分別顯示旋轉後之面部外觀並利用投影方式在影像面上形成旋轉影像的示意圖；
圖7為依本發明之3D影像形成方法的流程圖；
圖8顯示利用基本影像及旋轉影像形成3D影像的示意圖，其計算步驟係參照圖3至圖6c所示；
圖9為習知利用從不同角度之4個影像同步產生3D影像之方法的示意圖；
圖10為依本發明之方法產生3D影像的示意圖；
圖11為依本發明之產生3D影像之裝置的示意圖；以及
圖12顯示具有標記之影像的示意圖，其中標記係設置在一成像人物前。

Claims (7)

  1. 一種產生包含人物肖像3D影像之一識別文件之方法，包含下列步驟：使用一單眼相機或掃瞄照片提供一人物之一肖像之一2D之基本影像(A)；將與該基本影像之複數個影像元素相關聯之複數個影像值輸出至一處理裝置；由該處理裝置計算至少二旋轉影像(B、C)，其中該等影像係由該等影像元素所構成，且其係沿著一旋轉點旋轉一旋轉角度；將該等旋轉影像分為複數個影像線((l21...l2n)...(lm1...lmn))；針對該等至少兩個影像(B、C)形成對應影像線((l11...lm1),(l21...lm2),...,(l1n...lmn))之複數個群組；針對該等對應影像線之群組，將與沿該等影像線設置之該等影像元素相關聯的該等影像值輸出至一成像裝置；以及由該成像裝置將對應該等影像值之複數個影像強度及/或顏色提供至一基板，其中該基板具有由複數個線性透鏡所形成之圖案，因此該等對應影像線之各該群組之該等影像強度及/或顏色係提供至與該群組相關聯之一線性透鏡；其特徵在於，該處理裝置係：判斷該2D之基本影像(A)中的複數個面部端點的位 置；依據該等面部端點在一影像區域中形成該人物之一3D主外觀；在該影像區域中，將該基本影像從一投影面(x,y,zp)投影至該3D主外觀以提供一3D面部外觀；及利用旋轉該3D面部外觀並投影至該投影面(x,y,zp)以形成該等旋轉影像(B、C)；而且，對於該基本影像(A)，該等影像線(l11...l1n)係被增加到該等旋轉影像之該等對應影像線((l21...lm1),...,(l2n...lmn))之群組之一部分，且其係由該成像裝置提供至該基板，以為了當該基板以一第一觀看模式被觀看時，將只有該基本影像(A)之一2D視圖呈現給一觀看者，藉此提供該基本影像(A)之驗證之視覺檢驗，並且為了當該基板以離該觀看者一觀看距離V而被觀看時，以一第二觀看模式將從由該基板影像(A)與該等旋轉影像(B、C)所組成之該群組中所選擇之二影像所形成之一靜態立體肖像影像呈現給該觀看者，其中V係界於40公分與70公分之間，其中，於各該等影像(A、B、C)中分別判斷眼睛位置((xo,yo)A、(xo,yo)B、(xo,yo)C)，當提供該等影像至該基板時，該等眼睛位置係以重疊方式提供。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，更包含下列步驟：由一影像記錄裝置在離該人物一距離處產生該基本影 像(A)，其中該距離介於40公分至3公尺，且該旋轉角度介於2至12度。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之方法，其中一旋轉軸(xr,y,zr)係位於該影像區域中，其係介於該等眼睛之間，並位於或鄰近於該面部之表面。
  4. 如申請專利範圍第1項至第3項任一項所述之方法，其中在該處理裝置將該至少兩個影像提供至該基板前，設置一標記於該肖像之前，該標記係相對小於該等影像。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之方法，其中該標記包含數字及/或文字。
  6. 如申請專利範圍第1項至第3項任一項所述之方法，其中影像(A、B、C)之數量係至少為4，且在一影像(D)中之影像線的數量係至少為每公分100個。
  7. 如申請專利範圍第1項至第3項任一項所述之方法，其中該成像裝置包含一雷射及一承載桌，該承載桌具有一影像面，該雷射係可在該影像面上方沿著該等影像線移動，該承載桌係可圍繞沿著該等影像線之方向之一轉軸旋轉，一影像載體(1)係設置於該承載桌上，且該線性透鏡圖案係設置於該影像載體上，該影像線係由該雷射提供，其係經過該透鏡圖案到達該影像載體，在影像成形後，該承載桌係圍繞該轉軸旋轉，然後下一個影像再提供至該影像載體。
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