TWI724897B - 應變量測方法及應變量測裝置 - Google Patents
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Abstract
一種應變量測方法，其包括配置三維相機模組於第一測量位置；使用三維相機模組對位於第一待測位置的待測物擷取第一三維影像；對位於第一待測位置的待測物擷取第二三維影像；及拼接第一三維影像與第二三維影像以獲取初始三維影像。本方法還包括：從第一測量位置中移動三維相機模組至第二測量位置；使用三維相機模組對位於第二待測位置的待測物擷取第三三維影像；對位於第二待測位置的待測物擷取第四三維影像；及拼接第三三維影像與第四三維影像以獲取變形後三維影像。本方法更包括比較初始三維影像和變形後三維影像以輸出三維變形資訊。
Description
本揭露是有關於一種應變量測方法及應變量測裝置。
應變量測已應用於橋梁、道路、建築物，以監控因時間變化產生的變形、裂縫。此外，應變量測也被應用於大面積織物設計、儀器作動路徑設計等。目前市面上的大範圍應變量測方式主要是使用光學式裝置，例如使用數位影像相關係數（digital image correlation, DIC）法的應變量測裝置。
此類裝置可辨識的最小尺寸會受到量測範圍的影響。在相機解析度固定的情況下，因為網格等於量測範圍除以相機解析度，小於網格的特徵是無法被辨識的，因此當量測範圍越大（即，觀測範圍變大或物體移動距離變大）時，辨識度會降低。然而，依照目前相機解析度的技術，難以達到大範圍移動或大面積的高辨識度應變量測。如何在現有相機技術下，達到大範圍移動或大面積的應變量測，是此領域技術人員致力的目標。
本揭露的範例實施例提供一種應變量測方法及應變量測裝置，其能夠在有限的相機解析度下，達到大範圍移動或大面積的應變量測。
根據本揭露的一範例實施例，提供一種應變量測方法，其包括配置三維相機模組於第一測量位置；使用三維相機模組對位於第一待測位置的待測物擷取第一三維影像；對位於第一待測位置的待測物擷取第二三維影像；及拼接第一三維影像與第二三維影像以獲取初始三維影像。本方法還包括：從第一測量位置中移動三維相機模組至第二測量位置；使用三維相機模組對位於第二待測位置的待測物擷取第三三維影像；對位於第二待測位置的待測物擷取第四三維影像；及拼接第三三維影像與第四三維影像以獲取變形後三維影像。本方法更包括比較初始三維影像和變形後三維影像以輸出三維變形資訊。
根據本揭露的一範例實施例，提供一種應變量測裝置，其包括測量裝置、控制器及影像處理器。測量裝置具有三維相機模組。控制器耦接至測量裝置，用以控制測量裝置的移動與操作三維相機模組。影像處理器耦接至測量裝置。該控制器控制該三維相機模組於第一測量位置對位於第一待測位置的待測物擷取第一三維影像，且控制測量裝置對位於第一待測位置的待測物擷取第二三維影像。影像處理器拼接第一三維影像與第二三維影像以獲取初始三維影像。控制器控制測量裝置以從第一測量位置中移動三維相機模組至第二測量位置，控制三維相機模組對位於第二待測位置的待測物擷取第三三維影像，且控制測量裝置對位於第二待測位置的待測物擷取第四三維影像。影像處理器拼接第三三維影像與第四三維影像以獲取變形後三維影像，並且比較初始三維影像和變形後三維影像以輸出三維變形資訊。
圖1是根據本揭露的一範例實施例所繪示的應變量測裝置的方塊圖。
請參照圖1，應變量測裝置100包括測量裝置102、控制器104、影像處理器106、儲存裝置108與顯示裝置110。
測量裝置102具有三維相機模組102a與三維相機模組102b。三維相機模組102a與三維相機模組102b用以獲取拍攝物的三維影像。例如，三維相機模組102a或三維相機模組102b配置有2個鏡頭，以從2個角度同時拍攝兩個畫面，並且此兩個畫面會被合成以產生三維影像。
控制器104是耦接至測量裝置102，並且用以控制測量裝置102。特別是，控制器104可以根據待測物的位置控制測量裝置102的移動，以調整三維相機模組102a與三維相機模組102b的拍攝位置。並且，在控制三維相機模組102a與三維相機模組102b於測量位置時，啟動三維相機模組102a與三維相機模組102b來獲取待測物的三維影像。
圖2是根據本揭露的一範例實施例所繪示控制測量裝置移動的示意圖。
請參照圖2，控制器104會控制測量裝置102，以使三維相機模組102a與三維相機模組102b的拍攝範圍能夠涵蓋整個待測物（例如，布料）。
之後，當布料縮短並且水平移動時，控制器104會控制測量裝置102跟著布料移動。並且，當布料縮更短並向景深方向移動時，控制器104亦會控制測量裝置102跟著布料移動。
請再參照圖1，影像處理器106耦接至測量裝置102，並且用以處理測量裝置102所獲取的三維影像。影像處理器106例如可以是一般用途處理器、特殊用途處理器、傳統的處理器、數位訊號處理器、多個微處理器（microprocessor）、一個或多個結合數位訊號處理器核心的微處理器、控制器、微控制器、特殊應用集成電路（Application Specific Integrated Circuit，ASIC）、場可程式閘陣列電路（Field Programmable Gate Array，FPGA）、任何其他種類的積體電路、狀態機、基於進階精簡指令集機器（Advanced RISC Machine，ARM）的處理器以及類似品。
儲存裝置108耦接至測量裝置102與影像處理器106，並且用以儲存測量裝置102所獲取的三維影像以及影像處理器106處理後的三維影像。儲存裝置108例如可以是任意型式的固定式或可移動式隨機存取記憶體（Random Access Memory，RAM）、唯讀記憶體（Read-Only Memory，ROM）、快閃記憶體（Flash memory）、硬碟或其他類似裝置或這些裝置的組合。
顯示裝置110耦接至影像處理器106，並且用以顯示三維影像以及經過影像處理器106處理後的資訊。例如，顯示裝置110可以是LED顯示器、OLED顯示器、液晶顯示器、透明顯示器、軟性顯示器或其他適用的顯示器類型等。
在本範例實施例中，三維相機模組102a與三維相機模組102b對待測物進行拍攝以獲取兩個三維影像後，影像處理器106會將所獲得的兩個三維影像進行拼接，以獲取大範圍的三維影像。如上所述，三維相機模組102a與三維相機模組102b的觀測範圍越大，辨識度會越低，因此，在本範例實施例中，控制器104會控制測量裝置102以降低每個三維相機模組的量測範圍，並且影像處理器106是將多個三維相機模組所獲取的三維影像進行拼接來增加整體量測範圍，由此增加待測物的可辨識範圍。
在本範例實施例，影像處理器106會對三維相機模組102a與三維相機模組102b所拍攝的三維影像執行特徵點描述、影像匹配與影像拼接融合等操作來拼接三維影像。
例如，在特徵點描述操作中，影像處理器106可使用BRISK演算法來找出三維影像的特徵點。然而本揭露不限於此，在另一範例實施例中，影像處理器106亦可使用Harris演算法、SIFT演算法、SURF演算法來找出三維影像的特徵點。
例如，在影像匹配操作中，影像處理器106是使用次近鄰居法，以將三維影像中的特徵點置入另一張三維影像中尋找匹配時，除了計算最近的距 離（Closest Neighbor）, 也去計算次近的距離（Second-Closest Neighbor），若是這兩個距離的比例大於0.8時，則表示此組的匹配太過類似而把這組匹配剔除掉。相反地，若這兩個距離的比例小於 0.8時，則表示此組的匹配夠獨特且有區別性(discriminative)，而被保留。必須了解的是，本揭露不限於此，在另一範例實施例中，影像處理器106亦可使用彩色碼比對法、仿射匹配法、交互關連法來進行影像匹配。
例如，在影像拼接融合操作中，影像處理器106是使用幾何校正方法，來將影像匹配操作得到的特徵點計算均方根誤差值，挑選出誤差小的特徵點作為幾何校正轉換模型的參數，再將特徵點代入多項式幾何校正模型以將單張三維影像進行坐標轉換，並且將不同三維影像校正至同一坐標系來拼接影像。同樣地，必須了解的是，本揭露不限於此，在另一範例實施例中，影像處理器106亦可使用互補影像融合法、多重帶混合法來拼接影像。
在本範例實施例中，影像處理器106會將拼接後的三維影像儲存在儲存裝置108中，並且比對在不同時間所拼接的三維影像來判斷待測物的變形。具體來說，影像處理器106會使用數位影像相關係數（digital image correlation, DIC）法來獲取待測物表面個子區域變形前後的三維空間座標移動，進而得到物理表面形貌及三維變形資訊。
例如，假設物體變形前表面子區域中心點為(x
0,y
0)，子區域內部某點變形前為(x,y)，變形後為(x’,y’)，則變形前後相對位置如下式，其中u(x, y)與v(x, y)分別為物體變形水平向與垂直向位移：
將上式泰勒展開後並省略二階以上高階項（因子區域甚小）後得下式，其中dx=x-x
0，dy=y-y
0：
基此，影像處理器106求解6個數位影像相關係數法的參數，即(u
0，v
0，
，
，
，
)，就可獲得待測物的變形資訊，其中(u
0，v
0)是位移參數，(
，
，
，
)是位移梯度參數並可用數值方法（例如，粗-細法或牛頓-拉森福法）求出最佳解。
在本範例實施例中，在獲取待測物的三維變形資訊後，影像處理器106會將此資訊輸出至顯示裝置110，以提醒使用者待測物產生變形情況。
圖3是根據本揭露的一範例實施例所繪示的偵測待測物的示意圖。
請參照圖3，在時間點T1，待測物位於第一待測位置時，控制器104會控制測量裝置102的三維相機模組102a於第一測量位置對待測物300擷取第一三維影像，並且控制測量裝置102的三維相機模組102b於第三測量位置對待測物300擷取第二三維影像。
從測量裝置102中接收到所獲取的第一三維影像與第二三維影像後，影像處理器106會拼接第一三維影像與第二三維影像，以產生待測物在時間點T1的三維影像（以下稱為初始三維影像）。
在本範例實施例中，控制器104會控制測量裝置102對應待測物300的移動而移動。
例如，在本揭露一範例實施例中，應變量測裝置100可更包括光學雷達以及機器手臂。光學雷達會持續偵測待測物300的位移並且將此信息反饋給控制器104。控制器104會根據所接收的信息，控制機器手臂以對應地移動測量裝置102，以維持測量裝置102與待測物300之間的一固定距離。
必須了解的是，使用光學雷達以及機器手臂對應地移動測量裝置102僅唯一個範例，本揭露不限於此。在另一範例實施例中，應變量測裝置100可更包括位置偵測裝置來偵測待測物300的位移，並且控制器104會根據位置偵測裝置的偵測來控制測量裝置102的移動，以保持測量裝置102與待測物300之間的固定距離。再者，在另一範例實施例中，亦可將測量裝置102固定於與待測物之維持一固定距離的剛性固定件上，並且當待測物300移動時測量裝置102可以與待測物300維持一固定距離。又或者可由使用者手持測量裝置102，並目視待測物而對應地移動測量裝置102。
在時間點T2，待測物移動至第二待測位置時，控制器104會控制測量裝置102的三維相機模組102a於第二測量位置對待測物300擷取第三三維影像，並且控制測量裝置102的三維相機模組102b於第四測量位置對待測物300擷取第四三維影像。
從測量裝置102接收到所獲取的第三三維影像與第四三維影像後，影像處理器106會拼接第三三維影像與第四三維影像，以產生待測物在時間點T2的三維影像（以下稱為變形後三維影像）。
此外，影像處理器106會比對初始三維影像與變形後三維影像，以輸出三維變形資訊。
必須了解的是，在本範例實施例中，是在測量裝置102中配置多個三維相機模組的實施例來進行說明，然而本揭露不限於此，在另一範例實施例中，亦可僅使用單一三維相機模組。
圖4是根據本揭露另一範例實施例所繪示的偵測待測物的示意圖。
請參照圖4，在時間點T1，待測物位於第一待測位置時，控制器104會控制測量裝置102的三維相機模組400於第一測量位置對待測物300擷取第一三維影像，並且調整三維相機模組400至第三測量位置對待測物300擷取第二三維影像。類似地，影像處理器106會拼接第一三維影像與第二三維影像，以產生待測物在時間點T1的初始三維影像。
隨著待測物300的移動，控制器104會控制測量裝置102對應地的移動。
在時間點T2，待測物300移動至第二待測位置時，控制器104會控制三維相機模組400於第二測量位置對待測物300擷取第三三維影像，並且調整三維相機模組400至第四測量位置對待測物300擷取第四三維影像。同樣地，影像處理器106會拼接第三三維影像與第四三維影像，以產生待測物在時間點T2的變形後三維影像。基此，影像處理器106可比對初始三維影像與變形後三維影像，以輸出三維變形資訊。
圖5是根據本揭露的一範例實施例所繪示的應變量測方法的流程圖。
請參照圖5，在步驟S501中，配置三維相機模組於第一測量位置，並且在步驟S503中，使用三維相機模組對位於第一待測位置的待測物擷取第一三維影像。
接著，在步驟S505中，對位於第一待測位置的待測物擷取第二三維影像。如上所述，待測物於同一待測位置的涵蓋大範圍的多個三維影像可以使用單一三維相機模組藉由調整不同位置來擷取，或者亦可配置多個三維相機模組來擷取。
在步驟S507中，拼接所擷取的第一三維影像與第二三維影像以獲取初始三維影像。
在步驟S509中，從第一測量位置中移動三維相機模組至第二測量位置，並且使用三維相機模組對位於第二待測位置的待測物擷取第三三維影像。
接著，在步驟S511中，對位於該第二待測位置的該待測物擷取第四三維影像，並且在步驟S513中，拼接第三三維影像與第四三維影像以獲取變形後三維影像。
最後，在步驟S515中，比較初始三維影像和變形後三維影像以輸出三維變形資訊。
綜上所述，本揭露實施例的應變量測裝置與方法，是藉由改變三維相機模組的位置進行動態地量測，並且拼接於不同量測位置所擷取的三維影像，由此在不影響可辨識範圍的情況下擴大觀測範圍。此外，本揭露實施例的應變量測裝置與方法使用多個三維相機模組並根據待測物的位移動態地移動與量測，由此能夠避免待測物晃動而造成拼接錯誤，並且可以解決景深方向位移而無法拼接的問題。
100:應變量測裝置
102:測量裝置
104:控制器
106:影像處理器
108:儲存裝置
110:顯示裝置
102a:三維相機模組
102b:三維相機模組
300:待測物
400:三維相機模組
S501、S503、S505、S507、S509、S511、S513、S515:應變量測方法的步驟
圖1是根據本揭露的一範例實施例所繪示的應變量測裝置的方塊圖。
圖2是根據本揭露的一範例實施例所繪示控制測量裝置移動的示意圖。
圖3是根據本揭露的一範例實施例所繪示的偵測待測物的示意圖。
圖4是根據本揭露的另一範例實施例所繪示的偵測待測物的示意圖。
圖5是根據本揭露的一範例實施例所繪示的應變量測方法的流程圖。
S501、S503、S505、S507、S509、S511、S513、S515:應變量測方法的步驟
Claims (18)
- 一種應變量測方法，包括： 配置一三維相機模組於一第一測量位置； 使用該三維相機模組對位於一第一待測位置的一待測物擷取一第一三維影像； 對位於該第一待測位置的該待測物擷取一第二三維影像； 拼接該第一三維影像與該第二三維影像以獲取一初始三維影像； 從該第一測量位置中移動該三維相機模組至一第二測量位置； 使用該三維相機模組對位於一第二待測位置的該待測物擷取一第三三維影像； 對位於該第二待測位置的該待測物擷取一第四三維影像； 拼接該第三三維影像與該第四三維影像以獲取一變形後三維影像；以及 比較該初始三維影像和該變形後三維影像以輸出一三維變形資訊。
- 如請求項1所述的應變量測方法，其中對位於該第一待測位置的該待測物擷取該第二三維影像的步驟包括： 將該三維相機模組從該第一測量位置調整至一第三測量位置，並且使用該三維相機模組對位於該第一待測位置的該待測物擷取該第二三維影像。
- 如請求項2所述的應變量測方法，其中對位於該第二待測位置的該待測物擷取該第四三維影像的步驟包括： 將該三維相機模組從該第二測量位置調整至一第四測量位置，並且使用該三維相機模組對位於該第二待測位置的該待測物擷取該第四三維影像。
- 如請求項1所述的應變量測方法，其中對位於該第一待測位置的該待測物擷取該第二三維影像的步驟包括： 配置一另一三維相機模組於一第三測量位置，並使用該另一三維相機模組對位於該第一待測位置的該待測物擷取該第二第三維影像。
- 如請求項4所述的應變量測方法，其中對位於該第二待測位置的該待測物擷取該第四三維影像的步驟包括： 從該第三測量位置中移動該另一三維相機模組至一第四測量位置；以及 使用該另一三維相機模組對位於該第二待測位置的該待測物擷取該第四三維影像。
- 如請求項1所述的應變量測方法，更包括： 使用一光學雷達偵測該待測物的一位移， 使用一機器手臂根據該待測物的該位移對應地移動該測量裝置，以維持該測量裝置與該待測物之間的一固定距離。
- 如請求項1所述的應變量測方法，更包括： 使用一位置偵測裝置偵測該待測物的一位移；以及 根據該待測物的該位移對應地移動該測量裝置，以維持該測量裝置與該待測物之間的一固定距離。
- 如請求項1所述的應變量測方法，更包括： 將該三維相機模組安裝於一剛性固定件上，其中該剛性固定件與該待測物之間維持一固定距離。
- 一種應變量測裝置，包括： 一測量裝置，具有一三維相機模組； 一控制器，耦接至該測量裝置，用以控制該測量裝置的移動與操作該三維相機模組；以及 一影像處理器，耦接至該測量裝置， 其中該控制器控制該三維相機模組於一第一測量位置對位於一第一待測位置的一待測物擷取一第一三維影像， 該控制器控制該測量裝置對位於該第一待測位置的該待測物擷取一第二三維影像， 該影像處理器拼接該第一三維影像與該第二三維影像以獲取一初始三維影像， 該控制器控制該測量裝置以從該第一測量位置中移動該三維相機模組至一第二測量位置， 該控制器控制該三維相機模組對位於一第二待測位置的該待測物擷取一第三三維影像， 該控制器控制該測量裝置對位於該第二待測位置的該待測物擷取一第四三維影像， 該影像處理器拼接該第三三維影像與該第四三維影像以獲取一變形後三維影像， 該影像處理器比較該初始三維影像和該變形後三維影像以輸出一三維變形資訊。
- 如請求項9所述的應變量測裝置，其中 該控制器控制該測量裝置的該三維相機模組從該第一測量位置調整至一第三測量位置，並且控制該三維相機模組對位於該第一待測位置的該待測物擷取該第二三維影像。
- 如請求項10所述的應變量測裝置，其中 該控制器控制該測量裝置的該三維相機模組從該第二測量位置調整至一第四測量位置，並且控制該三維相機模組對位於該第二待測位置的該待測物擷取該第四三維影像。
- 如請求項9所述的應變量測裝置，其中該測量裝置更包括一另一三維相機模組， 該控制器控制該另一三維相機模組於一第三測量位置，對位於該第一待測位置的該待測物擷取該第二第三維影像。
- 如請求項12所述的應變量測裝置，其中 該控制器控制該測量裝置以從該第三測量位置移動該另一三維相機模組至一第四測量位置，並且控制該另一三維相機模組對位於該第二待測位置的該待測物擷取該第四三維影像。
- 如請求項9所述的應變量測裝置，更包括： 一光學雷達，耦接該控制器且用以偵測該待測物的一位移；以及 一機器手臂，接該控制器， 其中該控制器根據該待測物的該位移，控制該機器手臂對應地移動該測量裝置，以維持該測量裝置與該待測物之間的一固定距離。
- 如請求項9所述的應變量測裝置，更包括： 一位置偵測裝置，耦接該控制器且偵測該待測物的一位移， 其中該控制器根據該待測物的該位移對應地移動該測量裝置，以維持該測量裝置與該待測物之間的一固定距離。
- 如請求項9所述的應變量測裝置，更包括： 一剛性固定件，用以固定該測量裝置，其中該剛性固定件與該待測物之間維持一固定距離。
- 如請求項9所述的應變量測裝置，更包括： 一儲存裝置，耦接至該測量裝置，用以儲存該初始三維影像與該變形後三維影像。
- 如請求項9所述的應變量測裝置，更包括： 一顯示裝置，耦接至該影像處理器，用以顯示該三維變形資訊。
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