TWI705413B - 改善重建三維模型效率的方法及裝置 - Google Patents

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TWI705413B TW107116987A TW107116987A TWI705413B TW I705413 B TWI705413 B TW I705413B TW 107116987 A TW107116987 A TW 107116987A TW 107116987 A TW107116987 A TW 107116987A TW I705413 B TWI705413 B TW I705413B
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Abstract

本揭露提出一種改善重建三維模型效率的方法，包括：將一系列不同的格雷碼二進位照明圖案分為複數群組；將每一群組內的格雷碼二進位照明圖案之二進位值轉換為複數組二特定數值，以產生對應上述特定數值之十進位照明圖案；疊合每一群組內的十進位照明圖案為一灰階照明圖案；使用一投影機從一投影方向將疊合後的每一灰階照明圖案投影到一目標物上；使用一相機捕捉上述目標物的一或多個目標物影像；將上述目標物影像還原至對應上述目標物影像未疊合的格雷碼二進位影像；以及將上述未疊合的格雷碼二進位影像重建上述目標物的深度。

Description

改善重建三維模型效率的方法及裝置
本揭露一般涉及重建三維模型的領域，且更加具體地說係有關於一種利用重疊照明圖案改善重建三維模型效率的方法及裝置。
3D模型量測技術包含有輪廓量測技術，其包括灰階編碼方式。現有的灰階編碼方式係利用投影條紋光且投影不同的灰階條紋以擷取影像，以使各像素點產生一獨特的灰階編碼。但若欲提高使用灰階編碼方式的精度，則要投影相當數量之灰階條紋影像，故灰階編碼方式相當耗時。
因此，需要一種改善重建三維模型效率的方法及裝置，以減少投影灰階條紋影像的數量，提昇效率。
以下揭露的內容僅為示例性的，且不意指以任何方式加以限制。除所述說明方面、實施方式和特徵之外，透過參照附圖和下述具體實施方式，其他方面、實施方式和特徵也將顯而易見。即，以下揭露的內容被提供以介紹概念、重點、益處及本文所描述新穎且非顯而易見的技術優勢。所選擇，非 所有的，實施例將進一步詳細描述如下。因此，以下揭露的內容並不意旨在所要求保護主題的必要特徵，也不意旨在決定所要求保護主題的範圍中使用。
本揭露提供一種改善重建三維模型效率的方法及裝置。
本揭露提出一種改善重建三維模型效率的方法，包括：將一系列不同的格雷碼二進位照明圖案分為複數群組；將每一群組內的格雷碼二進位照明圖案之二進位值轉換為複數組二特定數值，以產生對應上述特定數值之十進位照明圖案；疊合每一群組內的十進位照明圖案為一灰階照明圖案；使用一投影機從一投影方向將疊合後的每一灰階照明圖案投影到一目標物上；使用一相機捕捉上述目標物的一或多個目標物影像；將上述一或多個目標物影像還原至對應上述目標物影像未疊合的格雷碼二進位影像；以及將上述未疊合的格雷碼二進位影像重建上述目標物的深度。
在一些實施例中，上述組二特定數值須滿足以下條件：將每一組二特定數值其中之一相加以產生不同組合之總和，其中上述不同組合之總和彼此間不相同；以及將每一組二特定數值中之一最大特定數值相加之一最大總和低於上述相機之一灰階值分辨率。
在一些實施例中，上述複數組之數量係等於每一群組內的格雷碼二進位照明圖案之數量。
在一些實施例中，當上述複數組之數量為2組時，上述複數組二特定數值係為(0及50)及(100及200)。
在一些實施例中，當上述複數組之數量為3組時，上述複數組二特定數值係為(0及512)、(64及1088)以及(192及2240)。
本揭露提出一種改善重建三維模型效率的裝置，包括：一或多個處理器；以及一或多個電腦儲存媒體，儲存電腦可讀取指令，其中上述處理器使用上述電腦儲存媒體以執行：將一系列不同的格雷碼二進位照明圖案分為複數群組；將每一群組內的格雷碼二進位照明圖案之二進位值轉換為複數組二特定數值，以產生對應上述特定數值之十進位照明圖案；疊合每一群組內的十進位照明圖案為一灰階照明圖案；使用一投影機從一投影方向將疊合後的每一灰階照明圖案投影到一目標物上；使用一相機捕捉上述目標物的一或多個目標物影像；將上述一或多個目標物影像還原至對應上述目標物影像未疊合的格雷碼二進位影像；以及將上述未疊合的格雷碼二進位影像重建上述目標物的深度。
100‧‧‧系統
110‧‧‧目標物
120‧‧‧照明/捕捉裝置
122‧‧‧光投影機
124‧‧‧照相機
126‧‧‧匯流排
130‧‧‧計算裝置
150‧‧‧網路
201、202、203、204‧‧‧格雷碼二進位照明圖案
300‧‧‧方法
S305、S310、S315、S320、S325、S330、S335‧‧‧步驟
401、402、403、404‧‧‧十進位照明圖案
501‧‧‧第一灰階照明圖案
502‧‧‧第二灰階照明圖案
601、602、603‧‧‧十進位照明圖案
701‧‧‧第一灰階照明圖案
附圖被包括以提供本揭露進一步理解且被合併並組成本揭露的一部分。附圖係說明本揭露的實施例且連同描述一起用以解釋本揭露的原理。其可理解附圖不一定按比例描繪，一些元件可以超過在實際實施方式的大小來顯示，以清楚地說明本揭露的概念。
第1圖係顯示根據本揭露一實施例中以結構光照射一目標物並且隨後捕捉及處理由目標物反射結構光的系統。
第2A圖係顯示十進位數值轉換至4位元格雷碼之表格。
第2B圖係顯示4位元格雷碼二進位照明圖案的示例。
第3圖係顯示根據本揭露一實施例所述之改善重建三維模型效率的方法之流程圖。
第4圖係顯示根據本揭露一實施例之格雷碼二進位照明圖案被轉換為十進位照明圖案之示意圖。
第5A~5B圖係顯示根據本揭露一實施例所述之計算裝置疊合每一群組內的十進位照明圖案為一灰階照明圖案之示意圖。
第6圖係顯示根據本揭露一實施例之格雷碼二進位照明圖案被轉換為十進位照明圖案之示意圖。
第7圖係顯示根據本揭露一實施例所述之計算裝置疊合第一群組內的十進位照明圖案為一灰階照明圖案之示意圖。
在下文中將參考附圖對本揭露的各方面進行更充分的描述。然而，本揭露可以具體化成許多不同形式且不應解釋為侷限於貫穿本揭露所呈現的任何特定結構或功能。相反地，提供這些方面將使得本揭露周全且完整，並且本揭露將給本領域技術人員充分地傳達本揭露的範圍。基於本文所教導的內容，本領域的技術人員應意識到，無論是單獨還是結合本揭露的任何其它方面實現本文所揭露的任何方面，本揭露的範圍旨在涵蓋本文中所揭露的任何方面。例如，可以使用本文所提出任意數量的裝置或者執行方法來實現。另外，除了本文所提出本揭露的多個方面之外，本揭露的範圍更旨在涵蓋使用其它結構、功能或結構和功能來實現的裝置或方法。應可理解，其可透過 申請專利範圍的一或多個元件具體化本文所揭露的任何方面。
詞語「示例性」在本文中用於表示「用作示例、實例或說明」。本揭露的任何方面或本文描述為「示例性」的設計不一定被解釋為優選於或優於本揭露或設計的其他方面。此外，相同的數字在所有若干圖示中指示相同的元件，且除非在描述中另有指定，冠詞「一」和「上述」包含複數的參考。
可以理解，當元件被稱為被「連接」或「耦接」至另一元件時，該元件可被直接地連接到或耦接至另一元件或者可存在中間元件。相反地，當該元件被稱為被「直接連接」或「直接耦接」至到另一元件時，則不存在中間元件。用於描述元件之間的關係的其他詞語應以類似方式被解釋(例如，「在…之間」與「直接在…之間」、「相鄰」與「直接相鄰」等方式)。
第1圖係顯示根據本揭露一實施例中以結構光照射一目標物110並且隨後捕捉及處理由目標物110反射結構光的系統100。目標物110可以是任何三維(3D)物件，像是人的臉部或口腔、無生命的結構或可被帶入系統100視野內其他感興趣的物件。
系統100包括一計算裝置130及照明/捕捉裝置120。計算裝置130可使用網路150連接至照明/捕捉裝置120。網路150可提供有線和/或無線網路。網路150也可包括區域網路(Local Area Network，LAN)(例如，內聯網)、無線區域網路(Wireless Local Area Network，WLAN)或Wi-Fi網路、第三代 (3G)或第四代(4G)移動電信網路、廣域網路(Wide Area Network，WAN)、網際網路(Internet)、藍牙或其任何適當的組合。
在所示的實施例中，計算裝置130係與照明/捕捉裝置120分開，但在另一實施例中，其可透過電纜(圖未顯示)物理連接在一起。然而，在其他實施例中，計算裝置130和照明/捕捉裝置120可被整合至一單一裝置中。
照明/捕捉裝置120至少包括一光投影機122及一照相機124。一匯流排126可電性連接至光投影機122和照相機124。此外，在本揭露中，光投影機122及照相機124的相對位置對於計算裝置130係為已知。
光投影機122能夠投影二維圖像。在一實施例中，光投影機122可為商業現成的數位光投影機(Digital Light Projector，DLP)，或是可以使用能顯示期望圖案各種技術中一或多種的其他光投影機。因此，在本文中，術語「光投影機」旨在涵蓋採用DLP、LED、光纖系統、雷射光照明甚至幻燈片投影機的投影裝置。
照相機124可以是任何可捕捉感興趣目標物110反射的光之裝置或設備，例如具二個鏡頭的照相機、單一鏡頭可連續拍攝二張照片的照相機等。在一實施例中，照相機124具有CCD陣列、CMOS陣列等，其配置用以捕捉沿著對應聚焦平面的一影像。然而，應可理解的是，其他照相機也可以用以取代。
計算裝置130可創建由光投影機122投射到目標物110上的二維照明圖案，並處理照相機124所傳送的影像，以執 行對目標物110重建三維模型。在一實施例中，上述二維照明圖案係為結構光圖案。
更詳細地說明，為了創建照明圖案，計算裝置130僅需生成一行像素值，接著在垂直維度上複製此行。在一實施例中，照明圖案可被儲存在計算裝置130的記憶體內。儲存在記憶體中的二維照明圖案可被傳送至投射光線在目標物110上的光投影機122。
在一些實施例中，對於每一照明圖案，計算裝置130中之處理器可編程以建立單行像素，接著在圖案儲存在記憶體之前複製該行像素。在其他實施例中，照明圖案可事先建立並儲存在計算裝置130的記憶體中，故計算裝置130無須建立照明圖案。
在一些實施例中，照明圖案係基於格雷碼(Gray Code)而產生。第2A圖係顯示十進位數值轉換至4位元格雷碼之表格。第2B圖係顯示4位元格雷碼二進位照明圖案的示例。如第2A~2B圖所示，由於相鄰格雷碼僅一位元不同，因此格雷碼比其他的二進位碼(像是，自然二進位碼)更具優勢。在格雷碼發生還原錯誤的情況下，錯誤可能僅限於一位元。換句話說，使用格雷碼的三維重建誤差往往較低。
在格雷碼中，已考慮到當捕捉用格雷碼二進位照明圖案投影照亮的物體時，物體被單色(例如，灰階)相機捕捉。分析捕捉的影像接著在每個影像點還原格雷碼。
第3圖係顯示根據本揭露一實施例所述之改善重建三維模型效率的方法300之流程圖。此方法可執行於如第1圖 所示之計算裝置130的處理器中。
在步驟S305中，計算裝置將一系列不同的格雷碼二進位照明圖案分為複數群組。在步驟S310中，計算裝置將每一群組內的格雷碼二進位照明圖案之二進位值轉換為複數組二特定數值，以產生對應上述特定數值之十進位照明圖案，其中二特定數值之組數量係等於每一群組內的格雷碼二進位照明圖案之數量。舉例來說，計算裝置可隨機選取兩張格雷碼二進位照明圖案作為一群組，而計算裝置將每一群組內的兩張格雷碼二進位照明圖案之二進位值分別轉換為兩組二特定數值。在舉另一例說明，計算裝置可隨機選取三張格雷碼二進位照明圖案作為一群組，而計算裝置將每一群組內的三張格雷碼二進位照明圖案之二進位值分別轉換為三組二特定數值。
在步驟S315中，計算裝置疊合每一群組內的十進位照明圖案為一灰階照明圖案。接著，在步驟S320中，計算裝置使用一投影機從一投影方向將疊合後的每一灰階照明圖案投影到一目標物上。在步驟S325中，計算裝置使用一相機捕捉上述目標物的一或多個目標物影像。再來，在步驟S330中，計算裝置將上述一或多個目標物影像還原至對應上述目標物影像未疊合的格雷碼二進位影像。在步驟S335中，計算裝置將上述未疊合的格雷碼二進位影像重建上述目標物的深度。
在一實施例中，上述複數組二特定數值須滿足以下條件：(1)將每一組二特定數值其中之一相加以產生不同組合之總和，其中上述不同組合之總和彼此間不相同；以及(2)將每一組二特定數值中之一最大特定數值相加之一最大總和 低於上述相機之一灰階值分辨率。
因此，透過第3圖中之方法300，計算裝置可疊合複數張十進位照明圖案為一灰階照明圖案，而投影機僅需將疊合後的灰階照明圖案投影到目標物上，達到減少投影照明圖案數量的效果。
下方將詳細說明計算裝置如何在步驟S310中將每一群組內的格雷碼二進位照明圖案轉換為十進位照明圖案。在一例子中，假設格雷碼二進位照明圖案係表示4位元的格雷碼。如第2B圖所示，4位元的格雷碼可分為4張格雷碼二進位照明圖案201、202、203、204。假設計算裝置疊合每一群組內的格雷碼二進位照明圖案之數量係為2張，而二特定數值的組數係為2組。在此例子中，此2組二特定數值被設計為(0及50)及(100及200)。更詳細地說明，計算裝置將每一群組內的2張格雷碼二進位照明圖案之二進位值(0及1)分別用十進位數值(0及50)及(100及200)取代，如表格1所示。
Figure 107116987-A0101-12-0009-1
 假設格雷碼二進位照明圖案201及202係一第一群組，而格雷碼二進位照明圖案203及204係為第二群組。由上述表格1可知，格雷碼二進位照明圖案201之二進位值(0及1)可用十進位數值(0及50)取代，而格雷碼二進位照明圖案202之二進位值(0 及1)可用十進位數值(100及200)取代。同理，在第二群組中，格雷碼二進位照明圖案203之二進位值(0及1)可用十進位數值(0及50)取代，而格雷碼二進位照明圖案204之二進位值(0及1)可用十進位數值(100及200)取代。因此，對應上述特定數值之十進位照明圖案401、402、403、404可被產生出，如第4圖所示。在十進位照明圖案401、402、403、404下方所標示之數值即為計算裝置轉換後的十進位數值。
在計算裝置產生十進位照明圖案之後，計算裝置接著疊合每一群組內的十進位照明圖案為一灰階照明圖案。第5A~5B圖係顯示根據本揭露一實施例所述之計算裝置疊合每一群組內的十進位照明圖案為一灰階照明圖案之示意圖，並參考第4圖。如第5A圖所示，計算裝置疊合第一群組內的十進位照明圖案401及402，並產生第一灰階照明圖案501。同樣地，如第5B圖所示，計算裝置疊合第二群組內的十進位照明圖案403及404，並產生第二灰階照明圖案502。在第一灰階照明圖案501及第二灰階照明圖案502下方所標示之數值即為計算裝置疊合後的灰階值，100、150、200及250。更詳細地說明，這些灰階值係為計算裝置在每一組二特定數值中選擇一特定數值相加所產生之不同組合之總和。明顯地，上述不同組合之總和彼此間不相同。此外，計算裝置將每一組二特定數值中之一最大特定數值相加之一最大總和係為250。為了使相機能分辨出灰階照明圖案的每個數值，相機的灰階值分辨率必須大於250。在此例子中，相機可為一8位元的相機，其具有0~28-1的深度範圍。
再舉另一例子說明，假設格雷碼二進位照明圖案係表示9位元的格雷碼。前3位元的格雷碼可如第2B圖所示分為格雷碼二進位照明圖案201、202、203。假設計算裝置疊合每一群組內的格雷碼二進位照明圖案之數量係為3張，而二特定數值的組數係為3組。在此例子中，此3組二特定數值被設計為(0及512)、(64及1088)以及(192及2240)。更詳細地說明，計算裝置將每一群組內的3張格雷碼二進位照明圖案之二進位值(0及1)分別用十進位數值(0及512)、(64及1088)以及(192及2240)取代，如表格2所示。
Figure 107116987-A0101-12-0011-2
 假設格雷碼二進位照明圖案201、202、203係一第一群組。由上述表格3可知，格雷碼二進位照明圖案201之二進位值(0及1)可用十進位數值(0及512)取代，格雷碼二進位照明圖案202之二進位值(0及1)可用十進位數值(64及1088)取代，而格雷碼二進位照明圖案203之二進位值(0及1)可用十進位數值(192及2240)取代。因此，對應上述特定數值之十進位照明圖案601、602、603可被產生出，如第6圖所示。在十進位照明圖案601、602、603下方所標示之數值即為計算裝置轉換後的十進位數值。需注意的是，在第6圖中僅示出第一群組的十進位照明圖案601、602、603，其餘群組的十進位照明圖案可根據前述過程推得，在此不再贅述。
在計算裝置產生十進位照明圖案之後，計算裝置接著疊合每一群組內的十進位照明圖案為一灰階照明圖案。第7圖係顯示根據本揭露一實施例所述之計算裝置疊合第一群組內的十進位照明圖案為一灰階照明圖案之示意圖，並參考第6圖。如圖所示，計算裝置疊合第一群組內的十進位照明圖案601、602及603以產生第一灰階照明圖案701，其中在第一灰階照明圖案701下方所標示之數值即為計算裝置疊合後的灰階值，256、768、1280、1792、2304、2816、3328及3840。更詳細地說明，這些灰階值係為計算裝置在每一組二特定數值中選擇一特定數值相加所產生之不同組合之總和。明顯地，上述不同組合之總和彼此間不相同。此外，計算裝置將每一組二特定數值中之一最大特定數值相加之一最大總和係為3840。為了使相機能分辨出灰階照明圖案的每個數值，相機的灰階值分辨率必須大於3840。在此例子中，相機可為一12位元的相機，其具有0~212-1的深度範圍。
在一實施例中，由於目標物各區域的表面材質有可能均不相同，因此目標物各區域的反射係數也可能有所不同。在光投影機投影二維照明圖案前，光投影機係可先投射均勻光線至目標物上。接著，藉由相機拍攝目標物取得表面亮度(或稱為影像灰階值)，以推得目標物各區域表面材質的反射係數，其中反射係數r(x,y)係可由下列公式求得。
f(x,y)=i(x,y)r(x,y) 0<i(x,y)<∞,0<r(x,y)<1其中，均勻光線i(x,y)係為一常數，而f(x,y)係為表面亮度。計算裝置可紀錄反射係數r(x,y)於記憶體中。當計算裝置後續還原與每一目標物影像相關的格雷碼時，計算裝置可利用表面亮度f(x,y)與反射係數r(x,y)推得原始的光源照度i original(x,y)，以降低計算裝置還原格雷碼發生錯誤的機率。
如上所述，本揭露之改善重建三維模型效率的方法及裝置係疊合複數張格雷碼二進位影像為一灰階照明圖案，以減少投影機投影照明圖案之數量，且達到降低運作時間且不影響量測精度之目的。
在此所揭露程序之任何具體順序或分層之步驟純為一舉例之方式。基於設計上之偏好，必須了解到程序上之任何具體順序或分層之步驟可在此文件所揭露的範圍內被重新安排。伴隨之方法權利要求以一示例順序呈現出各種步驟之元件，也因此不應被此所展示之特定順序或階層所限制。
申請專利範圍中用以修飾元件之「第一」、「第二」、「第三」等序數詞之使用本身未暗示任何優先權、優先次序、各元件之間之先後次序、或方法所執行之步驟之次序，而僅用作標識來區分具有相同名稱(具有不同序數詞)之不同元件。
雖然本揭露已以實施範例揭露如上，然其並非用以限定本案，任何熟悉此項技藝者，在不脫離本揭露之精神和範圍內，當可做些許更動與潤飾，因此本案之保護範圍當視後 附之申請專利範圍所界定者為準。
300‧‧‧方法
S305、S310、S315、S320、S325、S330、S335‧‧‧步驟

Claims (8)

  1. 一種改善重建三維模型效率的方法，包括：將一系列不同的格雷碼二進位照明圖案分為複數群組；將每一群組內的格雷碼二進位照明圖案之二進位值轉換為複數組二特定數值，以產生對應上述特定數值之十進位照明圖案，其中上述複數組之數量係等於每一群組內的格雷碼二進位照明圖案之數量；疊合每一群組內的十進位照明圖案為一灰階照明圖案；使用一投影機從一投影方向將疊合後的每一灰階照明圖案投影到一目標物上；使用一相機捕捉上述目標物的一或多個目標物影像；將上述一或多個目標物影像還原至對應上述目標物影像未疊合的格雷碼二進位影像；以及將上述未疊合的格雷碼二進位影像重建上述目標物的深度。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之改善重建三維模型效率的方法，其中上述組二特定數值須滿足以下條件：將每一組二特定數值其中之一相加以產生不同組合之總和，其中上述不同組合之總和彼此間不相同；以及將每一組二特定數值中之一最大特定數值相加之一最大總和低於上述相機之一灰階值分辨率。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之改善重建三維模型效 率的方法，其中當上述複數組之數量為2組時，上述複數組二特定數值係為(0及50)及(100及200)。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之改善重建三維模型效率的方法，其中當上述複數組之數量為3組時，上述複數組二特定數值係為(0及512)、(64及1088)以及(192及2240)。
  5. 一種改善重建三維模型效率的裝置，包括：一或多個處理器；以及一或多個電腦儲存媒體，儲存電腦可讀取指令，其中上述處理器使用上述電腦儲存媒體以執行：將一系列不同的格雷碼二進位照明圖案分為複數群組；將每一群組內的格雷碼二進位照明圖案之二進位值轉換為複數組二特定數值，以產生對應上述特定數值之十進位照明圖案，其中上述複數組之數量係等於每一群組內的格雷碼二進位照明圖案之數量；疊合每一群組內的十進位照明圖案為一灰階照明圖案；使用一投影機從一投影方向將疊合後的每一灰階照明圖案投影到一目標物上；使用一相機捕捉上述目標物的一或多個目標物影像；將上述一或多個目標物影像還原至對應上述目標物影像未疊合的格雷碼二進位影像；以及將上述未疊合的格雷碼二進位影像重建上述目標物的深度。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之改善重建三維模型效率的裝置，其中上述組二特定數值須滿足以下條件：將每一組二特定數值其中之一相加以產生不同組合之總和，其中上述不同組合之總和彼此間不相同；以及將每一組二特定數值中之一最大特定數值相加之一最大總和低於上述相機之一灰階值分辨率。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之改善重建三維模型效率的裝置，其中當上述複數組之數量為2組時，上述複數組二特定數值係為(0及50)及(100及200)。
  8. 如申請專利範圍第5項所述之改善重建三維模型效率的裝置，其中當上述複數組之數量為3組時，上述複數組二特定數值係為(0及512)、(64及1088)以及(192及2240)。
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