TWI662694B - 三維影像攝取方法及系統 - Google Patents

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Abstract

一種三維影像攝取方法，包含選取複數個不同的影像攝取裝置組合，分別決定一物體的距離誤差，其為物體的量測位置與實際位置之間的距離；選取最小距離誤差所相應的一個影像攝取裝置組合；及根據所選取之影像攝取裝置組合的間距及相應視角，以得到三維資訊。

Description

三維影像攝取方法及系統
本發明係有關影像攝取，特別是關於一種三維影像攝取系統及方法。
傳統相機僅能拍攝二維(2D)影像，無法顯示第三維的資訊，例如景深(depth)。雖然有人使用拍攝的二維影像，模擬得出三維的景深，但是誤差太大，無法使用於準確度要求較高的應用當中，例如自駕車、無人機、虛擬實境(virtual reality, VR)或擴增實境(augmented reality, AR)的控制應用。
為了得到準確的景深資訊，需使用三維(3D)相機。雙鏡頭相機(dual camera)是三維相機的一種，其使用二個相機拍攝影像，依據視角差(disparity)以計算出景深資訊。第一A圖顯示三維相機的結構示意圖，其包含左相機L與右相機R。每一相機L/R包含鏡頭11與感光元件12(例如互補式金屬氧化物半導體(CMOS)影像感測器)。左相機L與右相機R的間距為D，左相機L相對於物體O的視角為θ1，且右相機R相對於物體O的視角為θ2。藉由三角數學(trigonometry)方法可得到物體O的景深資訊。
第一B圖顯示另一種三維相機的結構示意圖，其包含紅外線投射器(IR projector)13與紅外線相機14。紅外線相機14包含鏡頭141與感光元件142(例如紅外線感測器)。紅外線投射器13與紅外線相機14的間距為D，紅外線相機14相對於物體O的視角為θ1，且紅外線投射器13相對於物體O的投射角為θ2。藉由三角數學方法可得到物體O的景深資訊。
無論是雙鏡頭相機(第一A圖)或紅外線三維相機(第一B圖)，其可拍攝區域較傳統二維相機的可拍攝區域來得小。第一C圖顯示三維相機之可拍攝區域的示意圖。A代表左相機L或紅外線相機14，B代表右相機R或紅外線投射器13。A處之裝置的視場(field of view, FOV)與B處之裝置的視場(或投射區)的重疊區域(如所示陰影區)即為三維相機之可拍攝區域。A處之裝置與B處之裝置的間距大小會影響可拍攝區域的大小。例如，間距愈大，則重疊區域愈小，因此可拍攝區域即愈小。
傳統雙鏡頭相機(第一A圖)或紅外線三維相機(第一B圖)具有系統誤差。此外，雙鏡頭相機當中二個相機的間距，或者紅外線三維相機當中紅外線投射器與紅外線相機的間距，也是造成系統誤差的因素之一。
因此亟需提出一種準確度更高的三維相機，以便使用於準確度要求較高的應用。
鑑於上述，本發明實施例的目的之一在於提出一種三維影像攝取系統及方法，有效降低系統誤差，以提升三維資訊的準確度。
根據本發明實施例，選取複數個不同的影像攝取裝置組合，分別決定一物體的距離誤差，其為物體的量測位置與實際位置之間的距離。選取最小距離誤差所相應的一個影像攝取裝置組合。根據所選取之影像攝取裝置組合的間距及相應視角，以得到三維資訊。
第二圖顯示本發明第一實施例之三維影像攝取系統200的方塊圖。在本實施例中，三維影像攝取系統200包含處理器21(例如影像處理器(image processor))及至少三個(可見光)影像攝取裝置，例如第一影像攝取裝置22A、第二影像攝取裝置22B及第三影像攝取裝置22C。處理器21控制第一影像攝取裝置22A、第二影像攝取裝置22B及第三影像攝取裝置22C以攝取影像，據以得到三維資訊。本實施例之三維影像攝取系統200還可包含記憶單元23，儲存處理器21所需執行的程式及所得到的三維資訊。記憶單元23可包含記憶體，例如動態隨機存取記憶體(DRAM)、靜態隨機存取記憶體(SRAM)或其他可用以儲存程式、資訊的記憶體。
第三A圖顯示本發明第一實施例之三維影像攝取方法300A的流程圖。於步驟31，選取第一影像攝取裝置22A，進行攝取以得到第一影像。於步驟32，選取第二影像攝取裝置22B，進行攝取以得到第二影像。接著，於步驟33，根據所得到的第一影像、第二影像，分別決定得到相應影像攝取裝置的第一量測視角、第二量測視角。此外，根據第一影像攝取裝置22A與第二影像攝取裝置22B的間距及第一量測視角、第二量測視角，藉由三角數學方法(如第一A圖所示)可得到一物體的景深資訊(例如位置)。然而，由於受到攝取系統誤差的影響，步驟33所得到物體的量測位置會異於實際位置。
根據本實施例的特徵之一，於步驟34，決定該物體的量測位置與實際位置的距離誤差。第四A圖顯示決定物體的距離誤差的方法之一。第一影像攝取裝置22A位於A處(該處設為原點)，第二影像攝取裝置22B位於B處，兩者間距為D。物體實際位於P1(X1,Y1)處，因此第一影像攝取裝置22A與第二影像攝取裝置22B的實際視角分別為θ1與 1。由於受到攝取系統誤差的影響，步驟33所得到的量測視角分別為θ與 ，因此所得到物體的量測位置為P(X,Y)。
由於間距D、量測視角θ及量測視角 為已知，根據三角數學可得到以下關係： 其中物體的量測位置P(X,Y)可由D、θ及 而得到。
同理，所得到物體的實際位置P1(X1,Y1)可表示為: 其中θ1=θ+Δθ， 1＝ ＋Δ ，Δθ為第一視角誤差，Δ 為第二視角誤差。
如第四A圖所示，距離誤差ΔP相當於實際位置P1(X1,Y1)與量測位置P(X,Y)之間的距離，可表示如下： …(5) 其中**為指數(exponent)符號。
將式(1)、(2)、(3)、(4)代入式(5)，可得到距離誤差ΔP為θ及 的函數，簡寫為f(θ, )。該函數f(θ, )因Δθ、Δ 產生的誤差比即為一微分式子。當Δθ、Δ 趨近於0時之導數即為其微分： 其中於式(6)代入D、θ及 可得到物體的量測位置P與實際位置P1的距離誤差，其值愈大表示準確度愈小。
如果第一視角誤差Δθ與第二視角誤差Δ 為已知，則可以使用式(5)直接計算距離誤差ΔP，而非使用微分。亦即，將式(1)、(2)、(3)、(4)代入式(5)，其中 。
第四B圖顯示決定物體的距離誤差的另一種方法，其中一個影像攝取裝置的量測視角為直角(例如 =90∘)。在此例子中，距離誤差可由式(5)來計算。上述式(1)至式(4)可分別整理得到如下：
第四C圖顯示決定物體的距離誤差的又一種方法，其中影像攝取裝置的量測基準沒有位在同一線上。如圖所示，位於A處的影像攝取裝置的第一量測視角為θ，位於B處的影像攝取裝置的第二量測視角為 ，兩者間距為D。以A、B的連線作為新座標的基準線，將原座標旋轉α度，則新的第一量測視角為θ+α，新的第二量測視角為 +α，新的間距為 ，其中旋轉角α= ，d為旋轉角α相對的一邊長，且邊長d與間距D的夾角為直角，其他的計算方法同於前述方法。
回到第三A圖，選取不同組合的二個影像攝取裝置(例如第一影像攝取裝置22A及第三影像攝取裝置22C)，分別決定該物體的距離誤差。影像攝取裝置的不同組合的數目至少為二，可根據三維影像攝取系統200當中影像攝取裝置之數目與實際應用的需求而決定組合的數目。
於步驟35，選取最小距離誤差所相應的一組影像攝取裝置，進行攝取以得到相應的影像。接著，於步驟36，分別決定得到相應影像攝取裝置的視角。此外，根據二個影像攝取裝置的間距及相應視角，藉由三角數學方法(如第一A圖所示)以得到三維景深資訊。
在另一實施例中，將三維影像攝取系統200的視場(field of view, FOV)劃分為複數個區域。對於每一個區域，決定不同組合之影像攝取裝置的距離誤差(步驟34)，再選取最小距離誤差所相應(亦即最準確)的一組影像攝取裝置(步驟35)。第五A圖例示一個表格，其包含複數個區域及其座標，每一區域對應一組最準確的影像攝取裝置。當使用者要對某一區域進行量測時，即可依據第五A圖的表格作為查表(lookup table)，使用該區域最準確的一組影像攝取裝置。
根據影像攝取的特性，(主體的)距離誤差與(影像攝取裝置的)間距成正比。例如，當二影像攝取裝置的間距為D，主體距影像攝取裝置為d，得到主體的距離誤差為Δd。如果二影像攝取裝置的間距增為4D，主體距影像攝取裝置為4d，則得到主體的距離誤差為4Δd。但是距離4d處物體，若以間距為D之影像攝取裝置量測時，其誤差大於4Δd。根據此特性可以得知，對於一組影像攝取裝置，如果所要攝取的主體位於該組的二個影像攝取裝置的視場重疊區域，且愈接近該組影像攝取裝置，則得到的距離誤差愈小(亦即愈準確)。鑑於此，於本發明的又一個實施例中，決定各種組合之影像攝取裝置的視場重疊區域(亦即可拍攝區域)的頂點。當使用者要對一主體進行影像攝取時，使用最接近該主體之視場重疊區域頂點所相應的一組影像攝取裝置。第五B圖例示複數個影像攝取裝置(例如A、B、C、D)的視場及各種組合的視場重疊區。如果使用者要對主體X進行影像攝取時，由於最接近主體X之重疊區域之頂點(亦即區域1)相應於影像攝取裝置組合(A,B)，因此使用者使用該組影像攝取裝置對主體X進行影像攝取。同理，如果使用者要對(區域2的)主體Y進行影像攝取時，則使用影像攝取裝置組合(A,C)對主體Y進行影像攝取。如果使用者要對(區域3的)主體Z進行影像攝取時，則使用影像攝取裝置組合(A,D)對主體Z進行影像攝取。在這個實施例中，不需要決定各種組合的影像攝取裝置的距離誤差(步驟34)。
第三B圖顯示本發明第一實施例變化型之三維影像攝取方法300B的流程圖。本實施例類似於第三A圖所示實施例，不同的地方在於物體的位置是由其他途徑或技術方法所提供的，因此沒有相應的步驟31~33。本實施例的步驟34~36相同於第三A圖所示實施例，因此不予贅述。
第三C圖顯示本發明第一實施例另一變化型之三維影像攝取方法300C的流程圖。本實施例類似於第三A圖所示實施例，不同的地方說明如下。在本實施例中，於步驟30，使用所有影像攝取裝置進行攝取，分別得到相應影像。接著，於步驟33，根據其中二影像裝置的間距及相應量測視角，藉由三角數學方法(如第一A圖所示)可得到一物體的景深資訊(例如位置)。於步驟34，決定該物體的量測位置與實際位置的距離誤差。接著，於步驟35B，選取最小距離誤差所相應的一組影像攝取裝置的影像。由於本實施例已於步驟30攝取了所有影像攝取裝置的影像，因此在本步驟35B中不需再進行攝取。接著，於步驟36，根據二個影像攝取裝置的間距及相應視角，藉由三角數學方法(如第一A圖所示)以得到三維景深資訊。
第六圖顯示本發明第二實施例之三維影像攝取系統600的方塊圖。在本實施例中，三維影像攝取系統600包含處理器61(例如影像處理器)、紅外線(IR)掃描投射裝置62及至少二個紅外線影像攝取裝置，例如第一紅外線影像攝取裝置63A及第二紅外線影像攝取裝置63B。處理器61控制紅外線掃描投射裝置62以掃描投射紅外線光束，並控制第一紅外線影像攝取裝置63A及第二紅外線影像攝取裝置63B以攝取影像，據以得到三維資訊。本實施例之三維影像攝取系統600還可包含記憶單元64，儲存處理器61所需執行的程式及所得到的三維資訊。記憶單元64可包含記憶體，例如動態隨機存取記憶體(DRAM)、靜態隨機存取記憶體(SRAM)或其他可用以儲存程式、資訊的記憶體。
第七A圖顯示本發明第二實施例之三維影像攝取方法700A的流程圖。於步驟71，使用紅外線掃描投射裝置62投射紅外線光束。於步驟72，選取一紅外線影像攝取裝置(例如第一紅外線影像攝取裝置63A)，進行攝取以得到一紅外線影像。接著，於步驟73，根據所得到的紅外線影像，決定得到相應紅外線影像攝取裝置的視角。此外，根據紅外線掃描投射裝置62與選取的紅外線影像攝取裝置的間距、(紅外線掃描投射裝置62的)投射角及(選取的紅外線影像攝取裝置的)視角，藉由三角數學方法(如第一B圖所示)可得到指定物體的景深資訊(例如位置)。然而，由於受到攝取系統誤差的影響，步驟73所得到指定物體的位置會異於實際位置。根據本實施例的特徵之一，於步驟74，選取不同的紅外線影像攝取裝置(例如第二紅外線影像攝取裝置63B)並與紅外線掃描投射裝置62形成不同的組合，並分別決定物體的量測位置與實際位置的距離誤差，距離誤差的決定方法同前所述。紅外線掃描投射裝置62與紅外線影像攝取裝置形成的不同組合的數目至少為二，可根據三維影像攝取系統600當中紅外線影像攝取裝置之數目與實際應用的需求而決定組合的數目。
於步驟75，選取最小距離誤差所相應的一組紅外線影像攝取裝置，進行攝取以得到相應的紅外線影像。接著，於步驟76，根據所得到的紅外線影像，決定得到相應紅外線影像攝取裝置的視角。此外，根據紅外線掃描投射裝置62與紅外線影像攝取裝置的間距、(紅外線掃描投射裝置62的)投射角及(紅外線影像攝取裝置的)視角，藉由三角數學方法(如第一B圖所示)以得到三維景深資訊。
第七B圖顯示本發明第二實施例變化型之三維影像攝取方法700B的流程圖。本實施例類似於第七A圖所示實施例，不同的地方在於物體的位置是由其他途徑或技術方法所提供的，因此沒有相應的步驟71~73。本實施例的步驟74~76相同於第七A圖所示實施例，因此不予贅述。
第七C圖顯示本發明第二實施例變化型之三維影像攝取方法700C的流程圖。本實施例類似於第七A圖所示實施例，不同的地方說明如下。在本實施例中，於步驟71，使用紅外線掃描投射裝置62投射紅外線光束。於步驟70，使用所有紅外線影像攝取裝置進行攝取，分別得到相應紅外線影像。接著，於步驟73，根據紅外線掃描投射裝置62與其中一紅外線影像攝取裝置的間距、(紅外線掃描投射裝置62的)投射角及(紅外線影像攝取裝置的)視角，藉由三角數學方法(如第一B圖所示)可得到指定物體的景深資訊(例如位置)。於步驟74，決定該物體的量測位置與實際位置的距離誤差。接著，於步驟75B，選取最小距離誤差所相應的紅外線影像攝取裝置的影像。由於本實施例已於步驟70攝取了所有紅外線影像攝取裝置的影像，因此在本步驟75B中不需再進行攝取。接著，於步驟76，根據紅外線掃描投射裝置62與紅外線影像攝取裝置的間距、(紅外線掃描投射裝置62的)投射角及(紅外線影像攝取裝置的)視角，藉由三角數學方法(如第一B圖所示)以得到三維景深資訊。
第八圖顯示顯示本發明第三實施例之三維影像攝取系統800的方塊圖。在本實施例中，三維影像攝取系統800包含處理器81(例如影像處理器)、至少二個(可見光)影像攝取裝置(例如第一影像攝取裝置82A及第二影像攝取裝置82B)。處理器81控制第一影像攝取裝置82A及第二影像攝取裝置82B以攝取影像，據以得到三維資訊。本實施例之三維影像攝取系統800還可包含記憶單元84，儲存處理器81所需執行的程式及所得到的三維資訊。記憶單元84可包含記憶體，例如動態隨機存取記憶體(DRAM)、靜態隨機存取記憶體(SRAM)或其他可用以儲存程式、資訊的記憶體。根據本實施例的特徵之一，三維影像攝取系統800包含位置調整裝置83，用以調整第二影像攝取裝置82B的位置，因而得到不同間距的影像攝取裝置組合。相較於第一實施例(第二圖)，本實施例可達到相同的功能，且能節省至少一個影像攝取裝置。
第九圖顯示顯示本發明第四實施例之三維影像攝取系統900的方塊圖。在本實施例中，三維影像攝取系統900包含處理器91(例如影像處理器)、紅外線(IR)掃描投射裝置92及至少一個紅外線影像攝取裝置93。處理器91控制紅外線掃描投射裝置92以掃描投射紅外線光束，並控制紅外線影像攝取裝置93以攝取影像，據以得到三維資訊。本實施例之三維影像攝取系統900還可包含記憶單元95，儲存處理器91所需執行的程式及所得到的三維資訊。記憶單元95可包含記憶體，例如動態隨機存取記憶體(DRAM)、靜態隨機存取記憶體(SRAM)或其他可用以儲存程式、資訊的記憶體。根據本實施例的特徵之一，三維影像攝取系統900包含位置調整裝置94，用以調整紅外線影像攝取裝置93的位置，因而得到不同間距的影像攝取裝置組合。相較於第二實施例(第六圖)，本實施例可達到相同的功能，且能節省至少一個紅外線影像攝取裝置。
以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明之申請專利範圍；凡其它未脫離發明所揭示之精神下所完成之等效改變或修飾，均應包含在下述之申請專利範圍內。
11‧‧‧鏡頭
12‧‧‧感光元件
13‧‧‧紅外線投射器
14‧‧‧紅外線相機
141‧‧‧鏡頭
142‧‧‧感光元件
200‧‧‧三維影像攝取系統
21‧‧‧處理器
22A‧‧‧第一影像攝取裝置
22B‧‧‧第二影像攝取裝置
22C‧‧‧第三影像攝取裝置
23‧‧‧記憶單元
300A‧‧‧三維影像攝取方法
300B‧‧‧三維影像攝取方法
300C‧‧‧三維影像攝取方法
30‧‧‧使用所有影像攝取裝置分別得到相應影像
31‧‧‧選取第一影像攝取裝置以得到第一影像
32‧‧‧選取第二影像攝取裝置以得到第二影像
33‧‧‧根據間距及視角以得到物體的位置
34‧‧‧決定不同組合的物體的距離誤差
35‧‧‧選取最小距離誤差的一組影像攝取裝置以得到相應影像
35B‧‧‧選取最小距離誤差的一組影像攝取裝置之影像
36‧‧‧根據間距及視角以得到三維景深資訊
600‧‧‧三維影像攝取系統
61‧‧‧處理器
62‧‧‧紅外線掃描投射裝置
63A‧‧‧第一紅外線影像攝取裝置
63B‧‧‧第二紅外線影像攝取裝置
64‧‧‧記憶單元
700A‧‧‧三維影像攝取方法
700B‧‧‧三維影像攝取方法
700C‧‧‧三維影像攝取方法
70‧‧‧使用所有IR影像攝取裝置分別得到相應IR影像
71‧‧‧使用IR掃描投射裝置投射IR光束
72‧‧‧選取IR影像攝取裝置以得到IR影像
73‧‧‧根據間距、投射角及視角以得到物體的位置
74‧‧‧決定不同組合的物體的距離誤差
75‧‧‧選取最小距離誤差的IR影像攝取裝置以得到相應IR影像
75B‧‧‧選取最小距離誤差的IR影像攝取裝置之IR影像
76‧‧‧根據間距、投射角及視角以得到三維景深資訊
800‧‧‧三維影像攝取系統
81‧‧‧處理器
82A‧‧‧第一影像攝取裝置
82B‧‧‧第二影像攝取裝置
83‧‧‧位置調整裝置
84‧‧‧記憶單元
900‧‧‧三維影像攝取系統
91‧‧‧處理器
92‧‧‧紅外線掃描投射裝置
93‧‧‧紅外線影像攝取裝置
94‧‧‧位置調整裝置
95‧‧‧記憶單元
O‧‧‧物體
L‧‧‧左相機
R‧‧‧右相機
D‧‧‧間距
θ1‧‧‧視角/實際視角
θ2‧‧‧視角
P‧‧‧量測位置
P1‧‧‧實際位置
θ‧‧‧量測視角
量測視角
1‧‧‧實際視角
α‧‧‧旋轉角
IR‧‧‧紅外線
d‧‧‧邊長
第一A圖顯示三維相機的結構示意圖。 第一B圖顯示另一種三維相機的結構示意圖。 第一C圖顯示三維相機之可拍攝區域的示意圖。 第二圖顯示本發明第一實施例之三維影像攝取系統的方塊圖。 第三A圖顯示本發明第一實施例之三維影像攝取方法的流程圖。 第三B圖顯示本發明第一實施例變化型之三維影像攝取方法的流程圖。 第三C圖顯示本發明第一實施例另一變化型之三維影像攝取方法的流程圖。 第四A圖顯示決定物體的距離誤差的方法之一。 第四B圖顯示決定物體的距離誤差的另一種方法。 第四C圖顯示決定物體的距離誤差的又一種方法。 第五A圖例示一個表格，每一區域對應一組最準確的影像攝取裝置。 第五B圖例示複數個影像攝取裝置的視場及各種組合的視場重疊區。 第六圖顯示本發明第二實施例之三維影像攝取系統的方塊圖。 第七A圖顯示本發明第二實施例之三維影像攝取方法的流程圖。 第七B圖顯示本發明第二實施例變化型之三維影像攝取方法的流程圖。 第七C圖顯示本發明第二實施例變化型之三維影像攝取方法的流程圖。 第八圖顯示顯示本發明第三實施例之三維影像攝取系統的方塊圖。 第九圖顯示顯示本發明第四實施例之三維影像攝取系統的方塊圖。

Claims (8)

  1. 一種三維影像攝取方法，包含：選取複數個不同的影像攝取裝置組合，分別決定一物體的距離誤差，其為該物體的量測位置與實際位置之間的距離；選取最小距離誤差所相應的一個影像攝取裝置組合，且使用最小距離誤差所相應的該影像攝取裝置組合進行攝取，以得到相應的影像；及根據所選取之該影像攝取裝置組合的間距及相應視角，以得到三維資訊；其中該距離誤差決定步驟之前，更包含：選取該複數個影像攝取裝置組合當中的一個，並根據其間距與相應量測視角，以得到該物體的量測位置。
  2. 根據申請專利範圍第1項所述之三維影像攝取方法，其中每一個影像攝取裝置組合包含二可見光影像攝取裝置。
  3. 根據申請專利範圍第1項所述之三維影像攝取方法，其中每一個影像攝取裝置組合包含一紅外線掃描投射裝置及一紅外線影像攝取裝置。
  4. 一種三維影像攝取方法，包含：提供一物體的量測位置；選取複數個不同的影像攝取裝置組合，分別決定該物體的距離誤差，其為該物體的量測位置與實際位置之間的距離；選取最小距離誤差所相應的一個影像攝取裝置組合，且使用最小距離誤差所相應的該影像攝取裝置組合進行攝取，以得到相應的影像；及根據所選取之該影像攝取裝置組合的間距及相應視角，以得到三維資訊。
  5. 一種三維影像攝取方法，包含：選取複數個不同的影像攝取裝置組合，分別決定一物體的距離誤差，其為該物體的量測位置與實際位置之間的距離；選取最小距離誤差所相應的一個影像攝取裝置組合；及根據所選取之該影像攝取裝置組合的間距及相應視角，以得到三維資訊；其中該距離誤差決定步驟之前，更包含：使用所有該複數個影像攝取裝置組合進行攝取，分別得到相應影像；及根據其中一個影像攝取裝置組合的間距及相應量測視角，以得到該物體的量測位置。
  6. 根據申請專利範圍第5項所述之三維影像攝取方法，更包含：將一視場劃分為複數個區域；對於每一個區域，決定不同之影像攝取裝置組合的距離誤差；及對於每一個區域，選取最小距離誤差所相應的一個影像攝取裝置組合。
  7. 根據申請專利範圍第5項所述之三維影像攝取方法，更包含：決定該複數個影像攝取裝置組合的視場重疊區域的頂點；及當使用者要對一主體進行影像攝取時，使用最接近該主體之視場重疊區域之頂點所相應的一個影像攝取裝置組合進行影像攝取。
  8. 根據申請專利範圍第5項所述之三維影像攝取方法，更包含：調整其中至少一個影像攝取裝置的位置。
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