TWI722794B - 三維圖像成像方法 - Google Patents

Abstract

一種三維圖像成像方法，包含：透過一攝像裝置擷取一二維圖像，該二維圖像具有一預成像區域及一顏色高度轉換表，並在該預成像區域中設定一二維參考座標；利用該二維參考座標將該預成像區域中的每一像素進行二維相對座標定位，並取得每一像素之顏色值；將該預成像區域中的每一像素進行顏色標準化；將該顏色高度轉換表上之複數高度區段標準化，使得每一高度區段上之顏色分別對應一高度範圍值；依據該顏色高度轉換表使得該預成像區域中每一像素具有一高度範圍值；將該預成像區域中每一像素進行高度平滑化處理程序；及利用該預成像區域中每一像素之三軸座標位置在該攝像裝置之顯示螢幕上顯示成一三維立體圖像。

Description

三維圖像成像方法

本發明係關於一種圖像成像方法，尤其是一種將平面圖像轉換成立體圖像的三維圖像成像方法。

目前將二維平面圖像轉換成三維立體圖像大多透過深度差的方式來進行第三個維度的計算，並藉此產生第三維度的數值再進行三維空間的模擬成像方式。

習知技術公告第I502960號主要透過深度感測方式將一二維影像加入深度數據，轉換成一具有深度感之三維影像。

另，習知技術公告第I524734號，透過二維影像的色差來產生一具有深度感的三維影像，與前述習知技術雷同。

惟，前述習知技術無法提供使用者可以透過自行設定高度顏色的方式來設計三維圖像成形的態樣，所以無法達到具有使用者自行創作之樂趣及產生寓教於樂的功能，因此，該些習知技術有必要加以改良。

本發明之一目的在提供一種三維圖像成像方法，該三維圖像成像方法透過顏色差異進行高度轉換，將一二維圖像轉換成一三維圖像並顯示在一顯示裝置上。

本發明之另一目的在提供一種三維圖像成像方法，該三維圖像成像方法具有調整該三維圖像觀看的角度與方向的功能。

本發明之另一目的在提供一種三維圖像成像方法，該三維圖像成像方法具有寓教於樂之功能，尤其是在地形地物的教學領域。

為達成上述及其他目的，本發明之三維圖像成像方法，包含：透過一攝像裝置擷取一二維圖像，該二維圖像具有一預成像區域及一顏色高度轉換表，並在該預成像區域中設定一二維參考座標，其中，該預成像區域中包含一上色區塊，該顏色高度轉換表具有複數高度區段，該複數高度區段上塗覆有顏色，並分別由不同顏色代表不同高度範圍值，且該顏色高度轉換表上之複數高度區段之顏色與該上色區塊上之顏色相互對應；利用該二維參考座標將該預成像區域中的每一像素進行二維相對座標定位，並取得每一像素之顏色值；將該預成像區域中的每一像素進行顏色標準化，使得在該預成像區域中具有相同顏色之區塊具有一相同顏色值；將該複數高度區段標準化，使得每一高度區段上之顏色分別對應一高度範圍值；依據該顏色高度轉換表分別將該預成像區域中每一像素進行高度範圍值轉換設定，使得該預成像區域中每一像素具有一高度範圍值；將該預成像區域中每一像素進行高度平滑化處理程序，使得每一像素具有一相對高度值，其中，該相對高度值即每一像素的高度座標，係用以做為形成三維圖像之三軸座標；及利用該預成像區域中每一像素之三軸座標位置顯示成一三維立體圖像。

在本發明的一些實施例中，其中，在該上色區塊中每一像素之三軸座標位置顯示成一三維立體圖像時，利用該上色區塊中每一像素座標位置進行上色程序，使得該上色區塊中每一像素依據座標位置不同而形成一具有漸層顏色效果之立體圖像。

在本發明的一些實施例中，其中，在該上色區塊完成上色程序時，同時將該閒置區塊於三維圖像成像時進行補色程序，並設定為與該上色區塊中高度範圍最低之顏色區塊相同之顏色值。

在本發明的一些實施例中，其中，該攝像裝置之顯示螢幕顯示有一高度比例標記，該高度比例標記具有複數高度色塊，每一高度色塊由一顏色代表且標記有一高度範圍值，該高度比例標記上之每一高度色塊之顏色對應該顏色高度轉換表上之顏色。

在本發明的一些實施例中，其中，該三維立體圖像具有變換觀看角度與方向的功能。

在本發明的一些實施例中，其中，該三維立體圖像具有調整觀看比例大小的功能。

其中，在擷取該二維圖像前，另包含一使用者上色步驟，該使用者上色步驟提供具有該預成像區域及該顏色高度轉換表之畫紙或紙張，供使用者依自行在該上色區塊及該顏色高度轉換表塗上顏色。

圖1為本發明之三維圖像成像方法之一實施例之方法流程圖，請參考圖1。本發明之三維圖像成像方法包含一二維圖像擷取步驟S1，透過一攝像裝置10擷取一二維圖像20，該二維圖像20具有一預成像區域21及一顏色高度轉換表22，並在該預成像區域21中設定一二維參考座標，該二維參考作標係用以作為後續進行該預成像區域21中每一像素的二維座標定址之用，其中，該預成像區域21包含一上色區塊211及一閒置區塊212，該顏色高度轉換表22具有複數高度區段221，且該上色區塊211及該顏色高度轉換表22可供塗覆顏色。

圖2為本發明之三維圖像成像方法之一實施例之畫紙參考示意圖，圖3為本發明之三維圖像成像方法之一實施例之使用者上色步驟示意圖，請參考圖2及圖3，並續參考圖1。較佳地，在該二維圖像擷取步驟S1前另包含一使用者上色步驟S0，該使用者上色步驟S0提供使用者自行在該上色區塊211及該顏色高度轉換表22塗上顏色。該二維圖像20可以由拍攝一畫紙或紙張取得，而該上色區塊211由單數或複數封閉曲線以類同心圓方式構成，類似於等高線地形圖之態樣，該封閉曲線可事先印製或由手工繪製，且該封閉曲線所圍成之區塊可供使用者依各區塊塗上相同或不同顏色，而該閒置區塊212則屬未上顏色部份(即空白區域)，另外，該上色區塊211分別由不同顏色代表不同高度範圍值，可以事先印製或由使用者在該上色區塊211中上色，該顏色高度轉換表22上之複數高度區段221上之顏色與該預成像區預21中之該上色區塊211上之顏色相互對應，且該複數高度區段221上之顏色分別對應一高度值範圍，此外，該攝像裝置10可以為一智慧手機或平板電腦，透過該攝像裝置10上的鏡頭拍攝擷取一二維圖像。

圖4為本發明之三維圖像成像方法之一實施例之二維圖像示意圖，請參考圖4，並續參考圖1。續上所述，當使用者在該上色區塊211上色後，可依自己喜好，將該上色區塊211上之顏色分別塗覆於該複數高度區段221上，用以作為後續高度轉換之用。

一影像座標定位步驟S2，利用該二維參考座標將該預成像區域21中的每一像素進行二維相對座標定位，並取得每一像素之顏色值。當該預成像區域21被擷取後，將該預成像區域21中的該上色區塊211依照像素位置(Position of Pixel)依序進行定位，使得每一像素相對於該二維參考座標取得一二維相對座標值，做為後續在轉換成三維圖像時，每一個像素在該攝像裝置10的顯示螢幕上對應呈現的位置。

一顏色標準化步驟S3，將該預成像區域21中的每一像素進行顏色標準化，使得在該預成像區域21中具有相同顏色之區塊具有一相同顏色值(color value)。由於經過該影像座標定位步驟S2後，每一像素取得一顏色值，但由於該上色區塊211中的各區塊顏色可能由於使用者在各區塊上色時因為顏色深淺不均，導致顏色上有深淺之分，雖然使用者可以區分或認定為同一顏色，例如深綠色等於綠色，淺紅色等於紅色，但對於數位資料而言，前述狀況中每一像素的顏色值均被認定為不同顏色。一般以RGB三原色(紅、綠、藍)表示而言，每一像素用24bit（位元）表示的方法，所以三種原色各分到8bit，每一種原色的強度依照8bit的最高值2 ⁸分為256個值。

為了後續高度轉換程序，要解決像每一像素之顏色深、淡的狀況，因此要把同類顏色，例如深綠色、淺綠色等均設定為綠色，所以在該顏色標準化步驟S3中，利用每一像素及其周圍像素進行顏色標準化設定，讓同類顏色定義為同一顏色值，在本發明中利用以下公式進行顏色標準化。 C

其中，假設 V(xi,yj)為像素 V的位置(Position of Pixel)， xi與 yj分別代表二維座標之x軸與y軸位置， n表示像素數( n為整數)，在本實施例中以 n為顆粒大小(Granularity size)，其中 n=4，而所謂顆粒則為一以 V(xi,yj)為中心點之 nX n之矩形，透過 nX n之矩形顆粒範圍來進行 V(xi,yj)週圍像素顏色標準化，則 C(xi,yj)為 V(xi,yj)之顏色值(Color value of V(xi,yj))，其中 (xi+i,yj+j)為 V(xi,yj)週圍之像素座標。

一高度標準化步驟S4，將該複數高度區段211標準化，使得每一高度區段211上之顏色分別對應一高度範圍值。在該高度標準化步驟S4中，由於該顏色高度轉換表22中的複數高度區段221可以數個區段或全部區段被塗上顏色，而每一高度區段221均分別由一種顏色代表一高度範圍值，例如:假設每一區段設定代表100公尺，則0~100公尺代表第一區段，101~200公尺代表第二區段，依此類推，可以依據使用狀況設計區段的數量或每一區段代表的高度範圍值，本發明不加以限制，其中，該顏色高度轉換表22主要乃作為第三個維度座標的參考依據，透過該顏色高度轉換表22可以將原本只有兩個維度的平面圖像增加第三個維度，以利進行三維圖像的轉換，亦即從一般所謂的X-Y軸之二維空間圖像轉換成X-Y-Z軸之三維空間圖像。

續上所述，例如若該顏色高度轉換表22上具有五個高度區段221，而每一個高度區段221代表100公尺高度範圍值，則該顏色高度轉換表22可以表示從0~500公尺的高度，例如，從第一高度區段221到第五高度區段221依序分別塗上，紅色、橙色、黃色、綠色及藍色，則紅色代表0~100公尺，橙色代表101~200公尺，黃色代表201~300公尺，綠色代表301~400公尺，藍色代表401~500公尺，並以此做為該預成像區域21中的每一像素高度轉換依據。而在各高度區段221上之顏色也會進行顏色標準化程序，用以使各該高度區段221上之顏色不會產生顏色深淺的問題而無法對應的狀況，使得該上色區塊211上之顏色值可以分別對應到該高度區段221上之顏色值，因此，該上色區塊211上的顏色將分別代表一高度範圍值，用以作為後續高度轉換的依據，完成高度範圍轉換的前置作業。

一高度範圍轉換步驟S5，依據該顏色高度轉換表22分別將該預成像區域21中每一像素進行高度範圍值轉換設定，使得該預成像區域21中每一像素具有一高度範圍值。當該高度標準化步驟S4完成後，該複數高度區段221上的每一顏色即分別對應到一個高度範圍值，而各該上色區塊211上塗覆的顏色將依照所對應到的每一高度區段221上的顏色進行高度範圍值轉換，如前述範例中，例如該上色區塊211共有五個顏色區塊，各區塊範圍由外向內依序為紅色區塊、橙色區塊、黃色區塊、綠色塊及藍色區塊，在該顏色高度轉換表22中從第一高度區段221到第五高度區段221依序分別塗上紅色、橙色、黃色、綠色及藍色，則紅色代表0~100公尺，橙色代表101~200公尺，黃色代表201~300公尺，綠色代表301~400公尺，藍色代表401~500公尺，則在該上色區塊211中紅色區塊對應高度為0~100公尺，橙色區塊對應高度為101~200公尺，黃色區塊對應高度為201~300公尺，綠色區塊對應高度為301~400公尺，藍色區塊對應高度為401~500公尺。因此，該顏色區塊211上的每一像素將取得一高度範圍值，藉以作為取得三維座標的第三軸(高度)座標的轉換基準。

一高度平滑化步驟S6，將該預成像區域21中每一像素進行高度平滑化處理程序，使得每一像素具有一相對高度值，其中，該相對高度值即每一像素的高度座標，係用以做為形成三維圖像之第三軸座標。由於在該上色區塊211中各顏色代表一高度範圍值，若將各顏色直接轉換成一高度值會形成類似斷層樣不平滑的圖像反而不符合實際狀態的呈現，為了解決各高度(各顏色)間的高度落差所造成的視覺效果，因此需要進行高度平滑化處理程序。

在該高度平滑化步驟S6中，利用每一像素的位置、顏色值及各像素間的距離進行平滑處理，例如該上色區塊211共有五個顏色區塊，各區塊範圍由外向內依序為紅色區塊、橙色區塊、黃色區塊、綠色塊及藍色區塊，因此可以算出高度變化呈現為外低內高的變化，亦即紅色區塊相對最低，藍色區塊相對最高，由於每一區塊所佔的寬度(區塊邊界間的寬度)不同，這也會影響每一像素間高度的變化率(急遽或緩合)，透過計算每一像素的座標及顏色，可以知道屆時進行三維圖像轉換時的曲線變化趨勢，在本發明中利用以下公式進行高度平滑化處理程序。

其中， V(x,y)為 座標(x,y)的像素點，而 Dist (V(xi+i,yj+j),V(xi,yj))為 V(xi+i,yj+j)到 V(xi,yj)的距離， V(xi+i,yj+j)落於以 V(xi,yj)為中心長寬為(2 r+1)的矩形內，則 H(xi,yj)為座標點 V(xi,yj)經平滑運算後的高度，在本實施例中 r預設值為15。

一三維圖像成像步驟S7，利用該預成像區域21中每一像素之三軸座標位置在該攝像裝置10之顯示螢幕上顯示成一三維立體圖像30。當完成該高度平滑化步驟S5後，每一像素將取得一相對高度座標位置，即三維座標(X-Y-Z)的Z軸座標，此時該上色區塊211中每一像素已取得三軸座標，將該上色區塊211中每一像素透過座標點方式轉換成該三維立體圖像30顯示在該攝像裝置10之顯示螢幕上。

較佳地，在一實施例中，其中，在該三維圖像成像步驟S7中另包含一圖像顏色漸層步驟S71，在該上色區塊211中每一像素之三軸座標位置顯示成一三維立體圖像30時，利用該上色區塊211中每一像素座標位置進行上色程序，使得該上色區塊211中每一像素依據座標位置不同而形成一具有漸層顏色效果之立體圖像。為了該三維立體圖像30在高度變化上具有顏色漸層效果，可以依據每一像素位置不同而利用顏色顯示出漸層之視覺效果，透過在該上色區塊21中相鄰色塊間每一像素的顏色值及兩兩像素距離關係進行該三維立體圖像30上色，利用以下公式進行三維圖像上色。

T

其中，Weight為權重參數用以做為進行每一像素顏色值得上色參數，Weight值為0~1，可依據實際狀況調整 ， H(xi,yj)為 V(xi,yj)的高度，而 V(xi,yj)為像素 V的位置( xi與 yj分別代表二維座標之x軸與y軸位置)， T(xi,yj)為 V(xi,yj)點的材質(顏色)，即為此點 V(xi,yj)的像素顏色(Texture of V(xi,yj))，LowerTexture為低高度的材質( the texture of the lower height level)，HigherTexture為高高度的材質 (the texture of the higher height level)。

在該圖像顏色漸層步驟S71中，透過上述公式，每一像素的顏色會因為座標位置而不同，例如:例如該上色區塊211共有五個顏色區塊，各區塊範圍由外向內依序為紅色區塊、橙色區塊、黃色區塊、綠色塊及藍色區塊，在該顏色高度轉換表22中從第一高度區段221到第五高度區段221依序分為紅色、橙色、黃色、綠色及藍色，分別代表0~100公尺，101~200公尺，201~300公尺，301~400公尺，401~500公尺，則在該上色區塊211中之紅色區塊與紅色區塊之間，在轉換成該三維立體圖像30時，此兩區間的像素之顏色變化由低高度至高高度呈現方式是0公尺高度為紅色，100公尺高度為橙色，而在50公尺高度為紅色與橙色各佔百分之五十的比例，所以高度從0公尺至100公尺的顏色變化由紅色與橙色相互依比例混合，越低點紅色所佔比例越高，越高點橙色所佔比例越高，而這裡所說的紅色、橙色是指顏色標準化後所得到的顏色值(由24個bit按顏色比例組成)，該上色區塊211其他各顏色區塊的漸層方式也按照此方式進行。

較佳地，在一實施例中，其中，在該圖像顏色漸層步驟S71中另包含一圖像顏色整合步驟S711，使得該預成像區域21整體進行三維座標轉換後，顯示於該攝像置10之顯示螢幕時更符合實際態樣。由於該閒置區塊212原本不為主要的三維圖像成像標的，因此該閒置區塊212並不會塗覆有顏色，在軟體程式計算中屬於空白區域，但為了讓該預成像區預21整體的視覺效果更加符合使用者觀看效果，該圖像顏色整合步驟S711會將該閒置區塊212視為最低高度， 因此，將該閒置區塊212於三維圖像成像時進行補色，並設定為與該上色區塊211中高度範圍最低之顏色區塊相同之顏色值。

圖5為本發明之三維圖像成像方法之一實施例之三維立體圖像實際成像示意圖，請參考圖5。在本實施例中，該顏色高度轉換表22上具有四個高度區段221，由圖5可以看該三維立體圖像30具有立體視覺效果，且該三維立體圖像30依據像素之座標及顏色分佈，形成平滑且具有漸進色調之地形地貌圖的態樣，對於地理的態樣變化著實具有模擬之效果。

較佳地，在一實施例中，其中，該攝像裝置10之顯示螢幕上顯示有一高度比例標記40，該高度比例標記具有複數高度色塊41，每一高度色塊41由一顏色代表且標記有一高度範圍值，該高度比例標記40上之每一高度色塊41之顏色對應該顏色高度轉換表22上之顏色，方便使用者了解該上色區塊211轉換後的高度狀態變化。

較佳地，在一實施例中，其中，該三維立體圖像30具有變換觀看角度與方向的功能，由於該三維立體圖像30在該攝像裝置10之顯示螢幕上會有一使用者視角角度，讓使用者觀看時有立體效果，使用者可以透過觸碰顯示螢幕進行視角角度的轉動，可以進行左右方向及上下方向的轉動觀看，而在預成像區域21中所有的像素之三軸座標也會因為使用者視角角度的改變，使得所有像素之相對座標相對移動，讓該三維立體圖像30可以透過旋轉角度方式讓使用者觀看到不同角度的立體圖像。

較佳地，在一實施例中，其中，該三維立體圖像30具有調整觀看比例大小的功能，使用者可以透過觸碰該攝像裝置10之顯示螢幕來調整該三維立體圖像30的大小比例效果，透過變換在預成像區域21中所有的像素之三軸座標之相對座標達到縮小或放大該三維立體圖像30之顯示效果。

綜上所述，本發明實施例透過擷取具有一預成像區域及一顏色高度轉換表之一二維圖像，並將該二維平面圖像透過顏色或顏色之賦予，使顏色所代表高度，再經高度轉換平滑化處理方式轉換成一三維立體模擬圖像。因此，透過本發明之三維圖像成像方法，可以提供一種寓教於樂的技術，讓使用者可以了解到二維圖像轉成三維圖像的方式，尤其利用等高線地形圖或是自行塗色的方式，將二維平面圖像經過三維轉換模擬成立體圖像，讓使用者在地形變化的知識學習上能有更多的樂趣。

以上所述之實施例僅係為說明本發明之技術思想及特徵，其目的在使熟習此項技藝之人士均能了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，凡依本發明之精神及說明書內容所作之均等變化或修飾，皆應涵蓋於本發明專利範圍內。

10:攝像裝置 20:二維圖像 21:預成像區域 211:上色區塊 212:閒置區塊 22:顏色高度轉換表 221:高度區塊 30:三維立體圖像 40:高度比例標記 41:高度色塊 S0:使用者上色步驟 S1:二維圖像擷取步驟 S2:影像座標定位步驟 S3:影像高度設定步驟 S4:高度範圍轉換步驟 S5:面積範圍轉換步驟 S6:三維轉換前置步驟 S7:三維圖像成像步驟 S71:圖像顏色漸層步驟 S711:圖像顏色整合步驟

圖1為本發明之三維圖像成像方法之一實施例之方法流程圖； 圖2為本發明之三維圖像成像方法之一實施例之畫紙參考示意圖； 圖3為本發明之三維圖像成像方法之一實施例之使用者上色步驟示意圖； 圖4為本發明之三維圖像成像方法之一實施例之二維圖像示意圖； 圖5為本發明之三維圖像成像方法之一實施例之三維立體圖像實際成像示意圖。

S1:二維圖像擷取步驟

S2:影像座標定位步驟

S3:顏色標準化步驟

S4:高度標準化步驟

S5:高度範圍轉換步驟

S6:高度平滑化處理步驟

S7:三維圖像成像步驟

Claims (7)

1. 一種三維圖像成像方法，包含： 透過一攝像裝置擷取一二維圖像，該二維圖像具有一預成像區域及一顏色高度轉換表，並在該預成像區域中設定一二維參考座標，其中，該預成像區域中包含一上色區塊，該顏色高度轉換表具有複數高度區段，該複數高度區段上塗覆有顏色，並分別由不同顏色代表不同高度範圍值，且該顏色高度轉換表上之複數高度區段之顏色與該上色區塊上之顏色相互對應； 利用該二維參考座標將該預成像區域中的每一像素進行二維相對座標定位，並取得每一像素之顏色值； 將該該預成像區域中的每一像素進行顏色標準化，使得在該預成像區域中具有相同顏色之區塊具有一相同顏色值； 將該複數高度區段標準化，使得每一高度區段上之顏色分別對應一高度範圍值； 依據該顏色高度轉換表分別將該預成像區域中每一像素進行高度範圍值轉換設定，使得該預成像區域中每一像素具有一高度範圍值； 將該預成像區域中每一像素進行高度平滑化處理程序，使得每一像素具有一相對高度值，其中，該相對高度值即每一像素的高度座標，係用以做為形成三維圖像之第三軸座標；及 利用該預成像區域中每一像素之三軸座標位置在該攝像裝置之顯示螢幕上顯示成一三維立體圖像。
2. 如請求項1所述之三維圖像成像方法，其中，在該上色區塊中每一像素之三軸座標位置顯示成一三維立體圖像時，利用該上色區塊中每一像素座標位置進行上色程序，使得該上色區塊中每一像素依據座標位置不同而形成一具有漸層顏色效果之立體圖像。
3. 如請求項2所述之三維圖像成像方法，其中，在該上色區塊完成上色程序時，同時將該閒置區塊於三維圖像成像時進行補色程序，並設定為與該上色區塊中高度範圍最低之顏色區塊相同之顏色值。
4. 如請求項1所述之三維圖像成像方法，其中，該攝像裝置之顯示螢幕上顯示有一高度比例標記，該高度比例標記具有複數高度色塊，每一高度色塊由一顏色代表且標記有一高度範圍值，該高度比例標記上之每一高度色塊之顏色對應該顏色高度轉換表上之顏色。
5. 如請求項1所述之三維圖像成像方法，其中，該三維立體圖像具有變換觀看角度與方向的功能。
6. 如請求項1所述之三維圖像成像方法，其中，該三維立體圖像具有調整觀看比例大小的功能。
7. 如請求項1所述之三維圖像成像方法，其中，在擷取該二維圖像前，另包含一使用者上色步驟，該使用者上色步驟提供具有該預成像區域及該顏色高度轉換表之畫紙或紙張，供使用者依自行在該上色區塊及該顏色高度轉換表塗上顏色。

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