TWI730749B - 陣列式3d影像建置裝置及其方法 - Google Patents

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孫書煌
鍾天穎
鍾政儒
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Abstract

一種陣列式3D影像建置裝置，包含一光學單元、一感測單元，及一運算單元。該光學單元由透鏡組所組成，該感測單元設置於該光學單元一側，其包括複數陣列排列之感測器，該運算單元與該感測單元電連接，一待測物的影像通過該光學單元成像至該複數感測器上，再由該運算單元接收該待測物影像並進行影像疊合，以得到一3D影像。

Description

陣列式3D影像建置裝置及其方法
本發明是有關一種陣列式3D影像建置裝置，特別是指一種陣列式3D影像建置裝置及其方法。
目前3D影像建置技術如雨後春筍蓬勃發展，孕育而生相當多的技術，例如飛時測距（Time of  Flight ，縮寫ToF）技術、3D全息影像、結構光技術和三角測量原理等。
ToF 為發出一道經過處理的光，碰到物體以後會反射回來，捕 捉來回的時間，因為已知光速和調製光的波長，所以能快速準確計算出到物體的距離後重製 3D 圖像，此技術需脈衝式雷射和快速之運算器，有價格昂貴之缺點。3D 全息投影技術為利用干涉和繞射記錄並再現物體真實的三維圖像技術，利用光學原理通過空氣或者特殊的立體鏡片上形成立體的影像，此技術的光學元件複雜且調校困難。
結構光 3D 成像為先對物體發射特定圖案的光斑 (Pattern)，再經由攝影機來接收物體表面上的光斑圖案編碼  (Light Coding)，進而比對與原始投射光斑的異同，並利用三角原理計算出物體的三維座標後重製 3D 圖像，此技術有技術光學元件複雜、資料運算繁瑣，及調校困難之缺點。
上述缺點都顯現習知3D影像建置技術所衍生的種種問題，據此，若能提供一種解決目前以機構旋轉或振鏡方式量測物體空間資訊之複雜動作和機構長期動作下零組件磨耗與維護之問題。
本發明之目的，係提供一種陣列式3D影像建置裝置，包含一光學單元、一感測單元，及一運算單元。
該光學單元由透鏡組所組成，該感測單元設置於該光學單元一側，其包括複數陣列排列之感測器，該運算單元與該感測單元電連接，一待測物的影像通過該光學單元成像至該複數感測器上，再由該運算單元接收該待測物影像並進行影像疊合，以得到一3D影像。
較佳地， 該透鏡組由複數個透鏡組成，藉此調整不同的透鏡焦距。
較佳地， 該透鏡組以一維陣列排列，或二維陣列排列。
本發明之另一目的，係提供一種陣列式3D影像建置方法，包含下列步驟。
複數感測器收集一待測物成像於其上的影像訊號；調控一光學單元之透鏡組的焦距，使該複數感測器收集到不同物距之待測物的影像訊號，滿足
Figure 02_image001
，其中，該光學單元與該複數感測器之間距固定稱為像距p，調整透鏡組的焦距f，可得到對應的物距q；及一運算單元接收該待測物的影像訊號並進行影像疊合，以得到一3D影像，其中，定義與該複數感測器平行的一第一方向為X軸，與該複數感測器平行並與該第一方向垂直的一第二方向為Y軸，與該複數感測器垂直的一第三方向為Z軸，根據畢氏定理
Figure 02_image003
並對時間作微分，可得知在Z軸上的移動速度
Figure 02_image005
，其中dt為感測器收集待測物影像訊號的時間間隔，dx為時間間隔內待測物在X軸上投影的位移量，dy為時間間隔內待測物在Y軸上投影的位移量，Lx為待測物在X軸投影長度，Ly為待測物在Y軸投影長度。
較佳地，調整光圈值及光圈大小以改變焦距及控制景深，其中，
Figure 02_image007
，控制景深至最淺，以消除模糊成像的雜訊，該運算單元則接收消除雜訊後之該待測物的影像訊號並進行影像疊合。
較佳地， 利用放大率將所得之3D影像還原為實際尺寸，以得該待測物的X、Y、Z軸實際移動距離。
較佳地， 該透鏡組由複數個透鏡組成，藉此調整不同的透鏡焦距。
較佳地， 該每一透鏡以一維陣列排列，或二維陣列排列。
本發明之有益功效在於，藉由擷取不同距離、位置的待測物影像，堆疊出該待測物A在3維空間中之形狀和大小，以得到該3D影像，且分析該待測物移動距離、形狀、大小等參數，可降低所需之硬體價格，解決目前以機構旋轉或振鏡方式量測物體空間資訊之複雜動作，同時解決機構長期動作下所衍生的零組件磨耗與維護等缺失。
有關本發明之相關申請專利特色與技術內容，在以下配合參考圖式之較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。
參閱圖1、2，為本發明陣列式3D影像建置裝置，其包含一光學單元1、一感測單元2，及一運算單元3。
該光學單元1由透鏡組所組成。較佳地，該透鏡組由複數個透鏡組成，藉此調整不同的透鏡焦距。該透鏡組以一維陣列排列，或二維陣列排列。
該感測單元2，設置於該光學單元1一側，包括複數陣列排列之感測器21。實際實施時，亦可設置一連續式雷射光源至待測物A，使該光線受該待測物A反射，再利用該感測單元2聚焦成像。
該光學單元1及該感測單元2分析該待測物A移動距離、形狀、大小等參數，可降低所需之硬體價格，解決目前以機構旋轉或振鏡方式量測物體空間資訊之複雜動作，同時解決機構長期動作下所衍生的零組件磨耗與維護等缺失，以及降低採用脈衝式雷射之光達系統設備成本昂貴之問題。另外，在不同位置的移動中待測物A成像，可擷取在不同位置的拍攝時間，以瞭解3維物體移動之方向與速度。
該運算單元3與該感測單2元電連接，該待測物A的影像通過該光學單元1之透鏡組成像至該複數感測器21上，再由該運算單元3接收該待測物A影像並進行影像疊合，以得到一3D影像。
該感測單元2如同望遠鏡聚焦成像，本發明藉由擷取不同距離、位置的待測物A影像，堆疊出該待測物A在3維空間中之形狀和大小，以得到該3D影像。較佳地，本發明可運用於暸解污染3維空間分佈之研究、風場分佈、3D 空間建築掃描，以節省可觀之軟硬體經費。
配合參閱圖2、3，依據上述之陣列式3D影像建置裝置，本發明陣列式3D影像建置方法包含下列步驟。
首先，進行步驟91，該複數感測器21收集該待測物A成像於其上的影像訊號。
然後，進行步驟92，調控該光學單元1之透鏡組的焦距，使該複數感測器21收集到不同物距之待測物的影像訊號，滿足
Figure 02_image001
，其中，該光學單元1與該複數感測器21之間距固定稱為像距p，調整該光學單元1之透鏡組的焦距f，可得到對應的物距q。
接著，進行步驟93，調整該透鏡組的光圈值及光圈大小以改變焦距及控制景深，其中，
Figure 02_image007
，控制景深至最淺，以消除模糊成像的雜訊，使焦距附近的影像清晰。
最後，進行步驟94，該運算單元3接收消除雜訊後之該待測物A的影像訊號並進行影像疊合，以得到一3D影像，其中，定義與該複數感測器21平行的一第一方向為X軸，與該複數感測器21平行並與該第一方向垂直的一第二方向為Y軸，與該複數感測器21垂直的一第三方向為Z軸，根據畢氏定理
Figure 02_image003
並對時間作微分，可得知在Z軸上的移動速度
Figure 02_image009
，其中dt為感測器21收集待測物A影像訊號的時間間隔，dx為時間間隔內待測物A在X軸上投影的位移量，dy為時間間隔內待測物A在Y軸上投影的位移量，Lx為待測物A在X軸的投影長度，Ly為待測物A在Y軸的投影長度。
配合參閱圖4，假設一第一次取樣51為第一秒的待測物A位移影像訊號，一第二次取樣52為第二秒的待測物A位移影像訊號，dt為該複數感測器21收集該第一次取樣51與該第二次取樣52的影像訊號時間間隔，Δx為該待測物A由該第一次取樣51移動至該第二次取樣52在X軸上投影的位移量，Δy為該待測物A由該第一次取樣51移動至該第二次取樣52在Y軸上投影的位移量，藉此紀錄第一秒、第二秒….的待測物A隨時間變化的位移影像數據，以得知該待測物的X軸及Y軸位置，之後透過公式
Figure 02_image009
，可得知在Z軸上的移動速度，以計算出該待測物A在空間中移動的位置。
較佳地，利用
Figure 02_image011
將所得之3D影像還原為實際尺寸，以得該待測物A的X、Y、Z軸實際移動距離。其中，h為該待測物A的物像，h’為該複數感測器21收集之待測物影像訊號，以還原該待測物A的原始尺寸。
綜上所述，本發明陣列式3D影像建置裝置及其方法，藉由該光學單元1、該感測單元2，及該運算單元3間相互設置，利用該光學單元1及該感測單元2分析該待測物A移動距離、形狀、大小等參數，可降低所需之硬體價格，解決目前以機構旋轉或振鏡方式量測物體空間資訊之複雜動作，同時解決機構長期動作下所衍生的零組件磨耗與維護等缺失，以及降低採用脈衝式雷射之光達系統設備成本昂貴之問題，另外，在不同位置的移動中待測物A成像，可擷取在不同位置的拍攝時間，以瞭解3維物體移動之方向與速度，故確實可以達成本發明之目的。
1:光學單元 2:感測單元 21:感測器 3:運算單元 51:第一次取樣 52:第二次取樣 91~94:步驟 A:待測物
圖1是一示意圖，說明本發明陣列式3D影像建置裝置的較佳實施例； 圖2是一示意圖，說明該較佳實施例擷取一待測物影像的態樣； 圖3是一示意圖，說明本發明陣列式3D影像建置方法的較佳實施例；及 圖4是一示意圖，說明該較佳實施例中擷取不同時間的待測物態樣。
91~94:步驟

Claims (5)

  1. 一種陣列式3D影像建置方法，包含下列步驟：複數感測器收集一待測物成像於其上的影像訊號；調控一光學單元之透鏡組的焦距，使該複數感測器收集到不同物距之待測物的影像訊號，滿足
    Figure 109114865-A0305-02-0010-1
    ，其中，該光學單元與該複數感測器之間距 固定稱為像距p，調整透鏡組的焦距f，可得到對應的物距q；及一運算單元接收該待測物的影像訊號並進行影像疊合，以得到一3D影像，其中，定義與該複數感測器平行的一第一方向為X軸，與該複數感測器平行並與該第一方向垂直的一第二方向為Y軸，與該複數感測器垂直的一第三方向為Z軸，根據畢氏定理z 2=x 2+y 2並對時間作微分，可得知在Z軸上的移動速度
    Figure 109114865-A0305-02-0010-2
    ，其中dt為感測器收集待測物影像訊號的時間間隔，dx為時間間隔內待測物在X軸上投影的位移量，dy為時間間隔內待測物在Y軸上投影的位移量，Lx為待測物在X軸投影長度，Ly為待測物在Y軸投影長度。
  2. 依據請求項1所述之陣列式3D影像建置方法，其中，調整光圈值及光圈大小以改變焦距及控制景深，其中，光圈值(F#)=
    Figure 109114865-A0305-02-0010-4
    ，控制景深至最淺，以消除模糊成像的雜訊，該運算單元則接收消除雜訊後之該待測物的影像訊號並進行影像疊合。
  3. 依據請求項1所述之陣列式3D影像建置方法，其中，利用放大率將所得之3D影像還原為實際尺寸，以得該待測物的X、Y、Z軸實際移動距離。
  4. 依據請求項1所述之陣列式3D影像建置方法，其中，該透鏡組由複數個透鏡組成，藉此調整不同的透鏡焦距。
  5. 依據請求項4所述之陣列式3D影像建置方法，其中，該等透鏡組以一維陣列排列，或二維陣列排列。
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TW201540066A (zh) * 2014-02-25 2015-10-16 Heptagon Micro Optics Pte Ltd 包括主要高解析度成像器及次要成像器之影像感測器模組
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