TWI645705B - 影像處理方法及其掃描系統 - Google Patents

Abstract

一種掃描系統包含一掃描裝置以及一運算裝置。掃描裝置掃描一物件以產生一原始影像，其中原始影像包含多個色彩。運算裝置與掃描裝置電性連接，且運算裝置執行一影像處理方法，影像處理方法包含：接收掃描裝置所產生之原始影像；指定多個圖層之一數量；分配原始影像之每一色彩至多個圖層其中之一；決定每一圖層之一高度值；以及依據每一圖層所包含之每一色彩，映射每一圖層之高度值至原始影像，以產生一高度影像。

Description

影像處理方法及其掃描系統

本發明是有關一種影像處理方法及其掃描系統，特別是一種可產生高度影像之影像處理方法及其掃描系統。

將平面影像轉換為立體影像有許多種方法，例如：利用視差原理處理對應同一物件之多張平面影像，以產生一立體影像。然而，若使用者只取得一張平面影像，則無法透過上述方式以產生一立體影像。此外，傳統的影像處理方法，需要精確地處理原始影像中每一個像素的影像資訊，包括線條、邊界、色彩、明暗、或影像特徵值等繁雜的影像資訊，以產生貼近原始影像的擬真高度影像。

然而，傳統的影像處理方法可能過於複雜而需要較為複雜的運算系統，因此無法適用於簡單輕便的運算裝置及掃描系統。

綜上所述，可產生高度影像之影像處理方法及其掃描系統便是目前極需努力的目標。

本發明提供一種影像處理方法及其掃描系統，其是利用一運算裝置，依據一原始影像之多個色彩，產生具有不同高度值之多個圖層，以產生一高度影像。

本發明一實施例之影像處理方法包含：輸入一原始影像至一運算裝置，其中原始影像包含多個色彩；指定多個圖層之一數量；運算裝置分配原始影像之每一色彩至多個圖層其中之一；決定每一圖層之一高度值；以及運算裝置依據每一圖層所包含之每一色彩，映射每一圖層之高度值至原始影像，以產生一高度影像。

本發明另一實施例之掃描系統包含一掃描裝置以及一運算裝置。掃描裝置掃描一物件以產生一原始影像，其中原始影像包含多個色彩。運算裝置與掃描裝置電性連接，且運算裝置執行一影像處理方法，影像處理方法包含：接收掃描裝置所產生之原始影像；指定多個圖層之一數量；分配原始影像之每一色彩至多個圖層其中之一；決定每一圖層之一高度值；以及依據每一圖層所包含之每一色彩，映射每一圖層之高度值至原始影像，以產生一高度影像。同時亦揭露一種影像處理方法。

以下藉由具體實施例配合所附的圖式詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。

以下將詳述本發明之各實施例，並配合圖式作為例示。除了這些詳細說明之外，本發明亦可廣泛地施行於其它的實施例中，任何所述實施例的輕易替代、修改、等效變化都包含在本發明之範圍內，並以申請專利範圍為準。在說明書的描述中，為了使讀者對本發明有較完整的瞭解，提供了許多特定細節；然而，本發明可能在省略部分或全部特定細節的前提下，仍可實施。此外，眾所周知的步驟或元件並未描述於細節中，以避免對本發明形成不必要之限制。圖式中相同或類似之元件將以相同或類似符號來表示。特別注意的是，圖式僅為示意之用，並非代表元件實際之尺寸或數量，有些細節可能未完全繪出，以求圖式之簡潔。

請參照圖1，以下說明本發明之一實施例之影像處理方法。首先，輸入一原始影像至一運算裝置，其中原始影像包含多個色彩(S11)。需說明的是，原始影像的意義為不具有高度資訊之二維彩色影像。舉例而言，請參照圖2，原始影像A具有6個色彩A11、A12、A21、A22、A31、A32。於一實施例中，原始影像A是透過一相機或一掃描裝置所獲得。於另一實施例中，使用者可自行匯入原始影像A至運算裝置，例如：由網際網路上抓取可供公眾利用的二維影像，但不以此為限。

於一實施例中，指定多個圖層之一數量(S12)。於一實施例中，圖層之數量可由運算裝置預設或判斷原始影像所產生，或由使用者自行調整/設定等方式加以決定，但不以此為限。請參照圖3，於一實施例中，運算裝置依據原始影像之色彩數量分布圖，選出其中之多個相對極大值(波峰值)，以定義出多個圖層之數量，其中色彩分布圖可為色階數量分布圖或彩度數量分布圖，但不以此為限。舉例而言，圖2所示色彩數量分布圖有6個波峰色彩 C3、C5、C112、C116、C213、C215，因此運算裝置自動判斷可能的圖層數量為6，但運算裝置亦可預設圖層數量為一固定值；或，使用者手動設定多個圖層之數量為3，亦即所指定多個圖層L1、L2、L3之數量為3個，如圖3所示。

於一實施例中，運算裝置分配原始影像之每一色彩至多個圖層其中之一(S13)。請一併參照圖3及圖4，於一實施例中，運算裝置依據原始影像之色彩數量分布圖，以K平均演算法將原始影像之所有色彩分類為多個集群(clustering)以對應至多個圖層L1、L2、L3。舉例而言，在圖3所示之色彩數量分布圖中，左側區域之多個色彩C0、C1、C2、C3、C4、C5是被分配至圖層L1，且中間區域之多個色彩C111、C112、C113、C114是被分配至圖層L2，以及右側之多個色彩C210、C211、C212、C213是被分配至圖層L3，但不以此為限。換言之，運算裝置在步驟S13中，運算裝置使原始影像之所有色彩與多個圖層L1、L2、L3建立關聯，其中每一色彩僅被分配至一個圖層而不可同時被分配至多個圖層。然而，運算裝置亦可依據使用者之指令，調整上述多個色彩與多個圖層之間的分配關係，舉例而言，使用者指定特定色彩C0、C1被分配至圖層L3，而非被自動分配至圖層L1，但不以此為限，其中每一色彩仍僅被分配至一個圖層。

於其他實施例中，運算裝置亦可依據色調分離法，例如：以Photoshop色調分離法，分配原始影像之每一色彩至多個圖層其中之一，建立色彩與圖層之間的分配關係，其中每一色彩僅被分配至一個圖層而不可同時被分配至多個圖層。可以理解的是，色調分離法之集群數量必為 n 的 3 次方，n屬自然數；舉例而言，若 n等於2，則每一色彩成份(R, G, B)之子內容只有為 0以及 255，可得8個集群中心點 (0,0,0)、 (0,0,255)、(0,255,0)、 (255,0,0)、 (0,255,255)、 (255,255,255)、 (255,0,255)以及(255,255,0)；若 n 等於3，則每一色彩成份(R, G, B)之子內容只有 0、85、 255，可得27 個集群中心點 (0,0,0)、(0,0,85)、(0,0,255)…依此類推，在此不再冗述。

於另一實施例中，運算裝置亦可依據直方圖像素(Histogram pixel)分離法分配原始影像之每一色彩至多個圖層其中之一，建立色彩與圖層之間的分配關係，其中每一色彩僅被分配至一個圖層而不可同時被分配至多個圖層。舉例而言，整張圖有900個像素 (pixel)，欲分成 3個集群，可由 900/3 = 300 pixel，以色階分佈值(histogram level) 0 開始計數像素數量，當計數到300時，這些像素都分配至一集群，並在此集群中找出具有最多像素數量之色階分佈值當作集群中心點。具有通常知識者，當可自行修飾變換，但不以此為限。

為了方便使用者判斷是否需要進行手動調整/設定多個圖層與多個色彩之間的分配關係，可以將抽象的圖層與色彩分群概念被轉化為具體的少色影像，以供使用者觀看，詳細說明如下。

於一實施例中，運算裝置依據每一圖層所包含之每一色彩，映射每一圖層之一代表色彩至原始影像，以產生一少色影像(S14)，其中代表色彩是由運算裝置或使用者選自圖層所包含之色彩其中之一，或圖層所包含之色彩以外之其他色彩以作為此圖層之代表色彩，但不以此為限。舉例而言，請一併參照圖2、圖4及圖5，由於原始影像A為具有6個色彩之二維影像，因此原始影像中的每一個像素所帶有的資訊即包含座標值及色彩，例如：第一像素之座標值及色彩表示為 (X1, Y1, C1)、第二像素之座標值及色彩表示為 (X2, Y2, C2)；且，依據原始影像之所有色彩與多個圖層L1、L2、L3之間的對應關係，可以得知每一色彩所屬的圖層，例如：C1是歸屬於圖層L1；又，每一圖層僅具一代表色彩，例如：圖層L1之代表色彩為C5；綜合上述資訊，運算裝置即可計算出少色影像AL之第一像素之座標值及代表色彩為 (X1, Y1, C5) 、少色影像AL之第二像素之座標值及代表色彩為 (X2, Y2, C5)。同理，運算裝置依據每一圖層與所包含之色彩的分配關係，映射每一圖層之代表色彩至原始影像，即可產生具有座標值及代表色彩組成一少色影像AL，如圖5所示。

補充說明的是，原始影像A原本是由6個色彩A11、A12、A21、A22、A31、A32所組成，如圖2所示；少色影像AL是由圖層L1、L2、L3之代表色彩所組成，如圖5所示。因此，比較圖2及圖5得知，原始影像A中部分色彩A11、A12是被分配至少色影像AL中同一圖層L1，而具有相同的代表色彩C5。同理，原始影像A之部分色彩A21、A22是被分配至少色影像AL中同一圖層L2，而具有相同的代表色彩C112，又部分色彩A31、A32是被分配至少色影像AL中同一圖層L3，而具有相同的代表色彩C213。亦即，原始影像A原本包含多個色彩，透過步驟S14之處理，可產生由3個代表色彩C5、C112、C213所組成之一少色影像AL。

於一實施例中，決定每一圖層之一高度值(S15)，其中高度值可由運算裝置自動產生或由使用者設定。一般而言，人的視覺感知會認為暖系色彩 (例如：紅色、橙色) 的色彩較為靠近，而冷系色彩 (例如：藍色、紫色)的色彩距離較遠。或者，人的視覺感知會認為高亮度(高色度)的物件較為靠近，而低亮度(低色度)的物件較為遙遠。因此，彩度或亮度即可作為計算高度的參考指標。於一實施例中，每一圖層之高度值是由運算裝置依據圖層之一代表色彩之彩度值或亮度值決定，其中代表色彩是選自圖層所包含之色彩或由使用者設定。舉例而言，請一併參照圖3及圖4，透過上述分配色彩之影像處理步驟S13，圖層L1包含多個色彩C0、C1、C2、C3、C4、C5，圖層L2包含多個色彩C111、C112、C113、C114，以及圖層L3包含多個色彩C210、C211、C212、C213。然後，運算裝置選出或使用者指定每一個圖層之一代表色彩，例如：圖層L1之代表色彩為色彩C5，圖層L2之代表色彩為色彩C112、圖層L3之代表色彩為色彩C213。然後，依據代表色彩與視覺高度之間的對應關係 (例如但不限於：線性關係、二次曲線關係)，計算出代表色彩相對應之高度值，以產生多個圖層L1、L2、L3之多個高度值H1、H2、H3，如圖4所示。

然而，運算裝置亦可依據使用者之指令，手動設定每一圖層之高度值，以客製化所需之高度影像，而不受限於上述處理方式。因此，在部份實施例中，上述產生少色影像之步驟(S14)是可以選擇性省略的，運算裝置或使用者仍然可以決定每一圖層之一高度值(S15)。具有通常知識者，當可自行修飾變換，但不以此為限。

請參照圖6，於一實施例中，運算裝置依據每一圖層所包含之每一色彩，映射每一圖層之高度值至原始影像，以產生一高度影像(S16)。由於原始影像為具有多個色彩之二維影像，因此原始影像中每一個像素的影像資訊即具有座標值及色彩，例如：第一像素之座標值及色彩表示為 (X1, Y1, C1)；又依據原始影像之所有色彩與多個圖層L1、L2、L3之間的對應關係，可以得知每一色彩所屬的圖層，例如：C1是歸屬於圖層L1；此外，每一圖層僅具有一高度值，例如：圖層L1之高度值為H1；綜合上述資訊，運算裝置即可計算出第一像素之座標值及高度值為 (X1, Y1, H1)。同理，運算裝置依據每一圖層與所包含之色彩的對應關係，映射每一圖層之高度值至原始影像，即可產生具有高度值的高度影像，如圖5所示。於一實施例中，原始影像之多個色彩可不顯示在高度影像中，亦即高度影像僅是由多個像素的座標值及高度值所組成，此時尚未帶入色彩資訊。可以理解的是，高度影像亦可包含原始影像之多個色彩，亦即高度影像之每一像素包含一色彩值以及一高度值。

然而，由圖5所示之高度影像側視圖可知，多個圖層之間的高度差會產生鋸齒狀的外廓，在某些應用領域中可能是需要被調整的。舉例而言，當使用者將上述高度影像輸入至三維列印設備，以輸出具有高度差之一壁紙圖案，可能會在高度方向上產生具有鋸齒狀的壁紙表面，導致其觸感不佳。於一實施例中，運算裝置平滑化處理高度相鄰之多個圖層(S17)，在高度方向上將相鄰之多個圖層進行高度漸變之平滑處理，以產生平滑的高度影像。對於後續的三維列印應用，有助於優化其輸出品質。可以理解的是，上述步驟S17是可以依據使用者需求而選擇性實施或省略，但不以上述實施例為限。

為了提供使用者觀看一三維彩色影像，請一併參照圖7及圖8，於一實施例中，運算裝置依據高度影像，產生一三維影像AS。舉例而言，運算裝置依據高度影像之中多個像素的座標值及高度值，映射原始影像之多個像素的座標值及色彩至高度影像，以產生三維影像AS，其是由多個像素的座標值、高度值及色彩所組成。此時，圖7及圖8所示之三維影像AS已顯示多個色彩A11、A12、A21、A22、A31、A32。

補充說明的是，上述相關實施例中，各步驟的順序可以互相對調而不受限於本文之陳述順序或圖式之標示順序，例如：圖1之步驟S12可以在S11之前實行，或步驟S14可以在步驟S16之後實行。具有通常知識者，當可自行修飾變化，但不以此為限。

請一併參照圖2及圖9，以下說明本發明另一實施例之掃描系統包含一掃描裝置10以及一運算裝置20。掃描裝置10掃描一物件B以產生一原始影像A，其中原始影像A包含多個色彩。於一實施例中，物件B具有平坦之表面或具有高度差之立體表面，但不以此為限。原始影像之技術內容及相關實施例已如前述，在此不再冗述。

掃描裝置10包含一發光單元11、一影像擷取單元12、一驅動單元13、一控制單元14以及一平台15。發光單元11產生一照明光L，以照射一物件B之一表面。舉例而言，影像擷取單元12相對於物件B設置於平台15之同一側，以實現一反射式掃描裝置；或影像擷取單元12相對於物件B設置於平台15之相反側，以實現一穿透式掃描裝置。於一實施例中，影像擷取單元12包含一線形感光元件或一面形感光元件。於一實施例中，影像擷取單元12包含一電荷耦合元件(CCD)或一接觸型影像感應器(CIS)，但不以此為限。驅動單元13驅動影像擷取單元12以及物件B彼此相對移動，以掃描物件B。於一實施例中，驅動單元13與影像擷取單元12連接，且驅動單元13驅動影像擷取單元12以掃描物件B，舉例而言，驅動單元13更包含一連桿組件(未繪示)與影像擷取單元12連接。於另一實施例中，發光單元11透過連桿組件與驅動單元13相連接，可與影像擷取單元12同步掃描物件B。控制單元14與影像擷取單元12電性連接，且控制單元14產生原始影像A。具有通常知識者當可自行修飾變換，但不以上述實施例於限。

運算裝置20與掃描裝置10電性連接，且運算裝置20執行一影像處理方法，影像處理方法包含：接收掃描裝置10所產生之原始影像A；指定多個圖層之一數量；分配原始影像A之每一色彩至多個圖層其中之一；決定每一圖層之一高度值；以及依據每一圖層所包含之每一色彩，映射每一圖層之高度值至原始影像，以產生一高度影像。影像處理方法之詳細步驟及相關實施例已如前述，在此不再冗述。

於一實施例中，運算裝置20包含一處理單元21以及一顯示元件22。處理單元21與掃描裝置10之控制單元14電性連接，且處理單元21接收掃描裝置10所產生之原始影像A。於一實施例中，處理單元21包含中央處理器(CPU)、特殊應用處理器(ASP)、特殊應用晶片(ASIC)或微控制器(MCU)，但不以此為限。處理單元21可執行前述影像處理方法，例如：圖1或圖6所示之影像處理方法。

顯示元件22與處理單元21電性連接，且顯示元件22可顯示圖2之原始影像A、圖3之色彩數量分布圖、圖5之高度影像、圖7之少色影像AL、圖8之三維影像AS，其中各種影像或分布圖之相關技術內容已如前述，在此不再冗述。於一實施例中，顯示元件包含：陰極射線管、發光二極體顯示器、液晶顯示器或觸控面板，但不以此為限。補充說明的是，掃描裝置10以及運算裝置可整合於一體，舉例而言，掃描裝置本身即具有處理單元21以及一顯示元件22，但不以此為限。

可以理解的是，傳統影像處理方法所產生的精細高度影像可能無法適用在某些應用領域中，例如：透過三維列印輸出具有高度差之壁紙圖案，亦即三維列印輸出具有高度差的實體物件。此時，使用者所需要的是，可依據使用者需求而簡化/設整高度值的影像處理方法及掃描系統，而無法直接使用傳統影像處理方法所產生的精細高度影像。

本發明又一實施例之掃描系統包含一掃描裝置10、一運算裝置20以及一三維列印裝置 (未繪示)。三維列印裝置與運算裝置20電性連接，且三維列印裝置依據高度影像或三維影像，輸出具有高度差之一實體物件。於一實施例中，三維列印裝置為擠壓型列印機、粉末噴墨針頭型列印機、層積型列印機或光聚合型列印機。舉例而言，三維列印裝置是紫外光固化型(UV cure) 列印機，但不以此為限。

綜合上述，本發明之影像處理方法及其掃描系統，其是利用一運算裝置，依據一原始影像之多個色彩，產生具有不同之多個高度值之多個圖層，以產生一高度影像。因此，本發明只需依據原始影像之色彩即可產生高度影像，而無需處理其他繁雜的影像資訊，更可依據使用者需求而指定/調整高度值的高度影像，提供更有彈性且實用的影像處理方案。

以上所述之實施例僅是為說明本發明之技術思想及特點，其目的在使熟習此項技藝之人士能夠瞭解本發明之內容並據以實施，當不能以此限定本發明之專利範圍，即大凡依本發明所揭示之精神所作之均等變化或修飾，仍應涵蓋在本發明之專利範圍內。

S11~S17‧‧‧步驟

A‧‧‧原始影像

A11、A12、A21、A22、A31、A32、C0、C1、C2、C3、C4、C5 、C111、C112、C113、C114、C210、C211、C212、C213‧‧‧色彩

AL‧‧‧少色影像

AS‧‧‧三維影像

B‧‧‧物件

H1、H2、H3‧‧‧高度值

L‧‧‧照明光

L1、L2、L3‧‧‧圖層

10‧‧‧掃描裝置

11‧‧‧發光單元

12‧‧‧影像擷取單元

13‧‧‧驅動單元

14‧‧‧控制單元

15‧‧‧平台

20‧‧‧運算裝置

21‧‧‧處理單元

22‧‧‧顯示元件

圖1為一示意圖，顯示本發明一實施例之影像處理方法。 圖2為一示意圖，顯示本發明一實施例之原始影像。 圖3為一示意圖，顯示本發明一實施例之色彩數量分布圖。 圖4為一示意圖，顯示本發明一實施例之多個圖層。 圖5為一示意圖，顯示本發明一實施例之少色影像。 圖6為一示意圖，顯示本發明一實施例之高度影像之側視圖。 圖7為一示意圖，顯示本發明一實施例之三維影像之俯視圖。 圖8為一示意圖，顯示本發明一實施例之三維影像之中央剖面圖。 圖9為一示意圖，顯示本發明一實施例之掃描系統。

Claims (19)

1. 一種影像處理方法，包含： 輸入一原始影像至一運算裝置，其中該原始影像包含多個色彩； 指定多個圖層之一數量； 該運算裝置分配該原始影像之每一該色彩至該多個圖層其中之一； 決定每一該圖層之一高度值；以及 該運算裝置依據每一該圖層所包含之每一該色彩，映射 (mapping)每一該圖層之該高度值至該原始影像，以產生一高度影像。
2. 如請求項1所述之影像處理方法，其中該多個圖層之該數量是由該運算裝置自動產生。
3. 如請求項1所述之影像處理方法，其中該多個圖層之該數量是由使用者設定。
4. 如請求項1所述之影像處理方法，其中分配每一該色彩，包含：依據K平均演算法、色調分離法或直方圖像素分離法進行分配。
5. 如請求項1所述之影像處理方法，更包含： 該運算裝置平滑化處理高度相鄰之該多個圖層。
6. 如請求項1所述之影像處理方法，更包含： 該運算裝置依據每一該圖層所包含之每一該色彩，映射每一該圖層之一代表色彩至該原始影像，以產生一少色影像，其中該代表色彩是選自該圖層所包含之該色彩或由使用者設定。
7. 如請求項1所述之影像處理方法，其中每一該圖層之該高度值是由該運算裝置依據該圖層之一代表色彩之彩度值或亮度值決定，其中該代表色彩是選自該圖層所包含之該色彩或由使用者設定。
8. 如請求項1所述之影像處理方法，其中每一該圖層之該高度值是由使用者設定。
9. 如請求項1所述之影像處理方法，更包含： 該運算裝置依據該高度影像，產生一三維影像。
10. 一種掃描系統，包含： 一掃描裝置，用以掃描一物件以產生一原始影像，其中該原始影像包含多個色彩；以及 一運算裝置，與該掃描裝置電性連接，用以執行一影像處理方法，該影像處理方法包含： 接收該掃描裝置所產生之該原始影像； 指定多個圖層之一數量； 分配該原始影像之每一該色彩至該多個圖層其中之一； 決定每一該圖層之一高度值；以及 依據每一該圖層所包含之每一該色彩，映射每一該圖層之該高度值至該原始影像，以產生一高度影像。
11. 如請求項10所述之掃描系統，其中該多個圖層之該數量是由該運算裝置自動產生。
12. 如請求項10所述之掃描系統，其中該多個圖層之該數量是由使用者設定。
13. 如請求項10所述之掃描系統，其中該運算裝置包含一處理單元，用以依據K平均演算法、色調分離法或直方圖像素分離法分配每一該色彩。
14. 如請求項10所述之掃描系統，其中該運算裝置包含一處理單元，用以平滑化處理高度相鄰之該多個圖層。
15. 如請求項10所述之掃描系統，其中該運算裝置包含一處理單元，用以依據每一該圖層所包含之每一該色彩，映射每一該圖層之一代表色彩至該原始影像，以產生一少色影像，其中該代表色彩是選自該圖層所包含之該色彩或由使用者設定。
16. 如請求項10所述之掃描系統，其中該運算裝置包含一處理單元，用以依據每一該圖層之一代表色彩之彩度值或亮度值決定每一該圖層之該高度值，其中該代表色彩是選自該圖層所包含之該色彩或由使用者設定。
17. 如請求項10所述之掃描系統，其中每一該圖層之該高度值是由使用者設定。
18. 如請求項10所述之掃描系統，其中該運算裝置包含一處理單元，用以依據該高度影像，產生一三維影像。
19. 如請求項10所述之掃描系統，更包含： 一三維列印裝置，與該運算裝置電性連接，用以依據該高度影像，輸出具有高度差之一實體物件。