TWI627380B - 三維物件之曲面輪廓的估計方法與系統 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種三維物件之曲面輪廓的估計方法。首先，擷取相關於該曲面的影像；接著，判斷出在影像中的曲面的輪廓，且在影像中決定出位於該曲面的輪廓內的參考點，及位於該曲面的輪廓上的多個輪廓點；接著，獲得每一輪廓點在該物件上所對應的高度與該高度對應的影像比例；接著，對於每一輪廓點，至少根據該輪廓點相對於參考點的影像位置及該輪廓點所對應的影像比例計算出對應的實際距離；接著，根據該等輪廓點所分別對應的實際距離及分別相對於參考點的方位計算出該曲面的實際輪廓。此外，本發明還提供一種三維物件之曲面輪廓的估計系統。

Description

三維物件之曲面輪廓的估計方法與系統

本發明是有關於一種估計物件之曲面輪廓的方法與系統，特別是指一種適於估計三維物件之曲面輪廓的方法與系統。

目前來說，射出成型(injection moulding)已經廣泛用於製造各種塑膠製品。然而，射出成型的製品常因為在製造過程有誤差而使得該製品的外形尺寸與原先的設計之間也產生了誤差。因此，對於一由複數個以射出成型製造的零件所組成的產品而言，若其中有一零件的外形尺寸與原先的設計之間的誤差過大，可能就會造成無法組合出該產品的情況。

舉例來說，圖1所示的高爾夫球頭1是由利用射出成型所製造的一承載件11與一碳纖板材熱壓形成的蓋合件12所組合而成，若該承載件11的一曲面13的輪廓131與原先的設計之間的誤差過大，則會使得蓋合件12與承載件11的外形尺寸不匹配，因而無法被組合起來。

然而，若可估計出承載件11的曲面13的輪廓131，則可利用所估計出的輪廓131做為反饋資訊來修正成型的製程，例如修正使用來製作承載件11或蓋合件12的模具。

因此，本發明之目的，即在提供一種三維物件之曲面輪廓的估計方法。

於是，本發明三維物件之曲面輪廓的估計方法，用於估計該三維物件的一曲面的一實際輪廓，並由一距離量測單元、一影像擷取單元，及一計算單元實施。該三維物件之曲面輪廓的估計方法包含一步驟(a)、一步驟(b)、一步驟(c)、一步驟(d)，及一步驟(e)。

該步驟(a)是藉由該影像擷取單元擷取一相關於該曲面的影像。

該步驟(b)是藉由該計算單元判斷出在該影像中的該曲面的輪廓，且在該影像中決定出一位於該曲面的輪廓內的參考點，及多個位於該曲面的輪廓上的輪廓點。

該步驟(c)是藉由該距離量測單元獲得每一輪廓點在該三維物件上所對應的一高度，其中該高度對應一影像比例。

該步驟(d)是藉由該計算單元，對於每一輪廓點，至少根據該輪廓點相對於該參考點的影像位置及該輪廓點所對應的影像比例，計算出一對應該輪廓點的實際距離。

該步驟(e)是藉由該計算單元，根據該等輪廓點所分別對應的實際距離及分別相對於該參考點的方位計算出該曲面的該實際輪廓。

因此，本發明之另一目的，即在提供一種三維物件之曲面輪廓的估計系統。

於是，本發明三維物件之曲面輪廓的估計系統，用於估計該三維物件的一曲面的一實際輪廓，並包含一影像擷取單元、一距離量測單元，及一計算單元。

該影像擷取單元用於擷取一相關於該曲面的影像。

該距離量測單元用於量測該三維物件的一高度，其中該高度對應一影像比例。

該計算單元用於判斷出在該影像中的該曲面的輪廓，且在該影像中決定出一位於該曲面的輪廓內的參考點，及位於該曲面的輪廓上的多個輪廓點，且用於對於每一輪廓點，至少根據該輪廓點相對於該參考點的影像位置及該輪廓點在該三維物件上所對應的高度對應的影像比例，計算出一對應該輪廓點的實際距離，並根 據該等輪廓點所分別對應的實際距離及分別相對於該參考點的方位計算出該曲面的該實際輪廓。

本發明之功效在於：能估計出一個三維物件的曲面輪廓。

1‧‧‧高爾夫球頭

11‧‧‧承載件

12‧‧‧蓋合件

13‧‧‧曲面

131‧‧‧輪廓

21~27‧‧‧步驟

3‧‧‧水平面

41‧‧‧影像擷取單元

42‧‧‧距離量測單元

5‧‧‧影像

51‧‧‧曲面的輪廓

511‧‧‧輪廓點

6‧‧‧立方體

7‧‧‧影像

71‧‧‧面積

8‧‧‧封閉曲線

91~97‧‧‧步驟

p‧‧‧輪廓點

p₁‧‧‧內部點

p₂‧‧‧內部點

o‧‧‧參考點

H‧‧‧預定高度

M‧‧‧標誌物件

θ‧‧‧角度/極角

本發明的其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是一立體分解圖，說明一高爾夫球頭是由一承載件與一蓋合件組成；圖2是一流程圖，說明本發明三維物件之曲面輪廓的估計方法的一第一實施方式所包含的步驟；圖3是一示意圖，說明利用一影像擷取單元由上往下拍攝該承載件；圖4是一示意圖，示意利用該影像擷取單元由上往下拍攝該承載件所獲得的一影像；圖5是一示意圖，示意利用一距離量測單元來量測該物件的高度資訊；圖6是一前視示意圖，示意利用該影像擷取單元由上往下對多個不同高度的立方體拍攝影像；圖7是一示意圖，示意該等立方體的上表面的影像；圖8是一剖視示意圖，示意該承載件對應一角度θ的剖面； 圖9是一流程圖，說明本發明三維物件之曲面輪廓的估計方法的一第二實施方式所包含的步驟；及圖10是一示意圖，說明該影像中的一輪廓點所對應的二內部點。

本發明三維物件之曲面輪廓的估計方法用於估計一個三維物件的一曲面的輪廓，並由一包含一影像擷取單元41、一計算單元(圖未示)，及一距離量測單元42的系統來實施。在此，以圖1所示的高爾夫球頭1的承載件11做為該三維物件來說明；且影像擷取單元41為一照相機，該計算單元為一具有一般計算功能的電腦，距離量測單元42為一雷射測距儀。

參閱圖2至圖8，以下詳述本發明三維物件之曲面輪廓的估計方法的一第一實施方式。

首先在步驟21，如圖3示，將承載件11置放於一水平面3並使得承載件11的曲面13朝上；然後，將影像擷取單元41設置於水平面3上方的一預定高度H處，並利用影像擷取單元41由上往下拍攝曲面13而獲得一相關於曲面13的影像5，如圖4所示。

接著在步驟22，如圖4所示，藉由該計算單元，利用現有的邊緣偵測(edge detection)演算法，例如坎尼邊緣偵測器(Canny edge detector)，判斷出在影像5中的曲面的輪廓51。

接著在步驟23，如圖4所示，藉由該計算單元，在影像5中決定出一位於曲面13的輪廓51內的參考點o，及位於曲面13的輪廓51上的多個輪廓點511。其中，決定出參考點o的方式不唯一，例如，如圖3所示，可在拍攝曲面13之前在曲面13上設置一標誌物件M(marker)，而使得在步驟21所獲得的影像5中，標誌物件M位於曲面13的輪廓51內，如此，即可利用標誌物件M在影像5中的位置做為參考點o。在決定出參考點o之後，如圖4所示，進一步以參考點o為原點在影像5上定義出一個二維的極座標系(polar coordinate system)，然後，在影像5中每隔一固定角度θ由參考點o向外發出一射線，則該射線與輪廓51的交點即為一輪廓點511，如此，可利用輪廓點511的極角，也就是輪廓點511相對於參考點o的方位，及輪廓點511與參考點o之間的影像距離來描述輪廓點511在影像5中相對於參考點o的位置，其中該影像距離的單位為像素(pixel)。例如，如圖4所示，輪廓點p對應的極角為θ，且對應的影像距離為其與參考點o之間的線段op的像素數量。

接著，在步驟24，藉由距離量測單元42來獲得在影像5中的每一輪廓點511在承載件11上所對應的高度。詳言之，參閱圖4與圖5，對於輪廓點p來說，可根據標誌物件M在承載件11上的位置與輪廓點p在該極座標系上對應的極角θ，人工測量出輪廓點p在曲面13的輪廓131上所對應的一點位q，並操作距離量測單元42 量測出點位q與距離量測單元42的距離；距離量測單元42與水平面3的距離減去距離量測單元42與點位q的距離即為點位q的高度，而點位q的高度即為輪廓點p所對應的高度。

接著，在步驟25，藉由該計算單元計算出每一輪廓點511所對應的高度對應的一影像比例，其中該影像比例的單位例如為「微米/像素」、「公厘/像素」、「公分/像素」、「公尺/像素」等。

詳言之，在實施此步驟之前，需先計算出多個不同高度所對應的影像比例。在實施上，參閱圖6與圖7，可設置n個高度分別是d₁、d₂，...，及d_n，且長度與寬度均為W的立方體6於水平面3上，其中d₁<d₂<...<d_n且n為大於二的整數，並利用影像擷取單元41從距離水平面3預定高度H處由上往下分別拍攝各立方體6而獲得每一立方體6的上表面的影像7，接著再針對每一影像7，計算出影像7所對應的立方體6的高度對應的影像比例。如圖7所示，高度愈高的立方體6，其上表面與影像擷取單元41的距離愈小，故其上表面在影像中的面積71愈大，所以其高度對應的影像比例也愈大。

特別地，因為每一輪廓點511所對應的高度不一定相同於d₁、d₂，...，d_n的其中一者，所以在此利用內插法來求得輪廓點511所對應的高度對應的影像比例。例如，令輪廓點p所對應的高度為h且d₁<h<d₂，且d₁、d₂及h所對應的影像比例分別為a₁、a₂及 s，則運用內插法可得(s-a₁)/(h-d₁)=(a₂-a₁)/(d₂-d₁)。

接著在步驟26，藉由該計算單元，對於每一輪廓點511，根據輪廓點511相對於參考點o的影像位置及輪廓點511所對應的影像比例，計算出一對應輪廓點511與參考點o之間的實際距離。詳言之，參閱圖4，對輪廓點p而言，若輪廓點p與參考點o之間的影像距離為k(像素)，且輪廓點p所對應的影像比例為s，則輪廓點p所對應與參考點o之間的實際距離為k×s。

接著在步驟27，參閱圖8，以參考點o在承載件11所對應的位置做為原點而定義出一個由X軸、Y軸及Z軸構成且對應真實空間的三維座標系，如此對於影像5中的每一輪廓點511而言，可根據輪廓點511所對應的實際距離與極角計算出輪廓點511在該三維座標系的X-Y平面上的一個二維座標；例如，對於輪廓點p而言，其對應的實際距離與極角分別為k×s與θ，則輪廓點p所對應的二維座標為(k×s×cosθ,k×s×sinθ)；而所有輪廓點511所對應的所有二維座標所形成的封閉曲線8即為承載件11的曲面13在該X-Y平面上的實際輪廓。此外，對於每一輪廓點511而言，其對應的二維座標搭配其所對應的高度後可在該三維座標系對應出一個三維座標；而所有輪廓點511所對應的所有三維座標所形成的封閉曲線即為曲面13在該三維座標系上的實際輪廓。當然，若輪廓點511的數量愈多，則所求得的實際輪廓的精確度也愈高。

由此，可利用曲面13在該X-Y平面上的實際輪廓或在該三維座標系上的實際輪廓做為反饋資訊來修正針對承載件11的成型製程。

參閱圖9，以下說明本發明三維物件之曲面輪廓的估計方法的一第二實施方式。該第二實施方式包含步驟91~97，其中步驟91、92、97分別相同於第一實施方式的步驟21、22、27。

在步驟93中，該計算單元除了如同第一實施方式地在影像5中決定出參考點o與各輪廓點511之外，對於每一輪廓點511，還在輪廓點511與參考點o之間的線段上決定出至少一內部點，其中該至少一內部點將該線段區分成多個子線段。

在步驟94中，除了如同第一實施方式地求取影像5中的每一輪廓點511所對應的高度之外，還求取每一內部點所對應的高度。

參閱圖10，在此以輪廓點p與該參考點o的之間有兩個內部點p₁與p₂來說明，其中內部點p₁與p₂將線段op三等分成子線段op₁、子線段p₁p₂，及子線段p₂p。求取內部點p₁或內部點p₂所對應高度的方式不唯一，例如可先估計出子線段op₁所對應的實際距離，再根據所估計出的實際距離與內部點p₁的極角判斷出內部點p₁在承載件11上所對應的點位，並利用距離量測單元42量測出該點位的高度；其中，估計子線段op₁所對應實際距離的方式也不唯一， 例如可用圖7所示的d₁至d_n所對應的該等影像比例的平均值與子線段op₁的影像長度的乘積做為該實際距離的估計值，其中子線段op₁的影像長度也就是子線段op₁的像素數量。類似地，內部點p₂所對應高度也可利用前述的方式求取。

在步驟95中，該計算單元除了如同該第一實施方式地計算出每一輪廓點511所對應影像比例之外，還針對每一內部點，根據該內部點所對應的高度計算出該內部點所對應的影像比例，在此也是利用前述的內插法來計算出每一內部點所對應的影像比例。

在步驟96中，藉由該計算單元，對於每一輪廓點511，計算輪廓點511所對應的實際距離，其中該實際距離為該輪廓點所對應的每一子線段對應的實際距離的總和，其中該子線段所對應的實際距離為該子線段的影像長度與其兩端點中較鄰近所對應輪廓點者對應的影像比例的乘積，其中該子線段的影像長度也就是該子線段的像素數量。

再參閱圖10，承前述兩內部點p₁、p₂之例來說明。令輪廓點p、內部點p1及p2所對應的影像比例分別為s、s₁及s₂，則輪廓點p所對應的實際距離為「子線段op₁的像素數量×s₁+子線段p₁p₂的像素數量×s₂+子線段p₂p的像素數量×s」。

在步驟97中，如同第一實施方式的步驟27，可根據所有輪廓點511所對應的實際距離與極角計算出承載件11的曲面13在 該三維座標系的X-Y平面上的實際輪廓，與在該三維座標系的實際輪廓。

綜上所述，本發明三維物件之曲面輪廓的估計方法，藉由擷取該曲面的影像，並在該影像中決定出一參考點，及多個輪廓點與每一輪廓點所對應的內部點，且根據該等輪廓點與該等內部點所分別對應的影像比例與分別相對於該參考點的影像位置估計出該影像中的每一輪廓點所對應的實際距離，並進一步根據該等輪廓點所分別對應的實際距離與相對於該參考點的方位估計出該曲面的二維輪廓與三維輪廓，故確實能達成本發明的目的。

惟以上所述者，僅為本發明的實施例而已，當不能以此限定本發明實施的範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作的簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋的範圍內。

Claims (10)

1. 一種三維物件之曲面輪廓的估計方法，用於估計該三維物件的一曲面的一實際輪廓，並由一估計系統實施，在該曲面上設置有一標誌物件，該方法包含以下步驟：(a)擷取一相關於該曲面的影像；(b)判斷出在該影像中的該曲面的輪廓，且在該影像中決定出一位於該曲面的輪廓內的參考點，及位於該曲面的輪廓上的多個輪廓點，其中該參考點對應該影像中的該標誌物件，且每一輪廓點為一通過該參考點的直線與該輪廓的一交點；(c)獲得每一輪廓點在該三維物件上所對應的一高度，並計算出該高度對應的一影像比例，其中該影像比例是根據該高度，及預先準備的多個不同的高度與多個分別對應該等高度的影像比例所計算出來的；(d)對於每一輪廓點，至少根據該輪廓點相對於該參考點的影像位置及該輪廓點在該三維物件上所對應的高度對應的影像比例，計算出一對應該輪廓點的實際距離；及(e)根據該等輪廓點所分別對應的實際距離及分別相對於該參考點的方位計算出該曲面的該實際輪廓。
2. 如請求項1所述的三維物件之曲面輪廓的估計方法，其中，在該步驟(d)，該對應該輪廓點的實際距離為該輪廓 點與該參考點之間的影像距離，與該輪廓點所對應的影像比例的乘積。
3. 如請求項1所述的三維物件之曲面輪廓的估計方法，其中，在該步驟(b)，對於每一輪廓點，決定出該輪廓點與該參考點之間的一線段並在該線段上決定出至少一內部點，且在該步驟(c)，還獲得每一內部點在該三維物件上所對應的一高度，並計算出該高度對應的一影像比例，其中該影像比例是根據該高度，及該等預先準備的高度與影像比例所計算出來的，且在該步驟(d)，對於每一輪廓點，根據該輪廓點相對於該參考點的影像位置與該輪廓點所對應的影像比例，以及該輪廓點所對應的每一內部點相對於該參考點的影像位置與該內部點所對應的影像比例，計算出該對應該輪廓點的實際距離。
4. 如請求項3所述的三維物件之曲面輪廓的估計方法，其中，在該步驟(b)，該至少一內部點將該線段區分成多個子線段，且在該步驟(d)，對於每一輪廓點，該輪廓點所對應的實際距離為該輪廓點所對應的每一子線段對應的實際距離的總和，其中該子線段所對應的實際距離為該子線段的影像長度與其兩端點的其中一者所對應的影像比例的乘積。
5. 如請求項4所述的三維物件之曲面輪廓的估計方法，其中，在該步驟(d)，該子線段所對應的實際距離為該子線 段的影像長度與其兩端點中較鄰近所對應輪廓點者對應的影像比例的乘積。
6. 一種三維物件之曲面輪廓的估計系統，用於估計該三維物件的一曲面的一實際輪廓，在該曲面上設置有一標誌物件，該系統包含：一影像擷取單元，用於擷取一相關於該曲面的影像；一距離量測單元，用於量測該三維物件的一高度；及一計算單元，用於判斷出在該影像中的該曲面的輪廓，且在該影像中決定出一位於該曲面的輪廓內的參考點，及位於該曲面的輪廓上的多個輪廓點，其中該參考點對應該影像中的該標誌物件，且每一輪廓點為一通過該參考點的直線與該輪廓的一交點；且用於計算出該距離量測單元所量測的該高度所對應的一影像比例，其中該影像比例是根據預先準備的多個不同的高度與多個分別對應該等高度的影像比例所計算出來的；且用於對於每一輪廓點，至少根據該輪廓點相對於該參考點的影像位置及該輪廓點在該三維物件上所對應的高度對應的影像比例，計算出一對應該輪廓點的實際距離，並根據該等輪廓點所分別對應的實際距離及分別相對於該參考點的方位計算出該曲面的該實際輪廓。
7. 如請求項6所述的三維物件之曲面輪廓的估計系統，其中，每一輪廓點所對應的實際距離為該輪廓點與該參考點 之間的影像距離，與該輪廓點所對應的影像比例的乘積。
8. 如請求項6所述的三維物件之曲面輪廓的估計系統，其中該計算單元還用於對於每一輪廓點，決定出該輪廓點與該參考點之間的一線段並在該線段上決定出至少一內部點，且是用於根據該輪廓點相對於該參考點的影像位置與該輪廓點所對應的影像比例，以及每一內部點相對於該參考點的影像位置與該內部點在該三維物件上所對應的高度對應的影像比例，計算出該對應該輪廓點的實際距離，其中每一內部點所對應的影像比例是根據該內部點在該三維物件上所對應的高度，及該等預先準備的高度與影像比例所計算出來的。
9. 如請求項8所述的三維物件之曲面輪廓的估計系統，其中該至少一內部點將該線段區分成多個子線段，且對於每一輪廓點，該輪廓點所對應的實際距離為該輪廓點所對應的每一子線段對應的實際距離的總和，其中該子線段所對應的實際距離為該子線段的影像長度與其兩端點的其中一者所對應的影像比例的乘積。
10. 如請求項9所述的三維物件之曲面輪廓的估計系統，其中該子線段所對應的實際距離為該子線段的影像長度與其兩端點中較鄰近所對應輪廓點者對應的影像比例的乘積。