CN102313515A - 三维数字影像相关法的校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种三维数字影像相关法的校正方法，其步骤包含：提供一三维数字影像相关法***；提供一校正片，将校正片固定设置于与一待侧物相同的位置；进行一***校正程序：将一第一影像撷取装置以及一第二影像撷取装置视为同一单元而同时摆动，取得校正片的多个校正影像；每一校正影像皆包含校正片上相同的多个圆点，而该些圆点之间的间距为相等且该间距为预定间距，通过该些间距以计算出多个***参数，以供该待测物的测量运算使用。因本发明无需摆动校正片，因此可适用于距离较长且范围较广的校正程序。

Description

三维数字影像相关法的校正方法

技术领域

本发明涉及一种三维数字影像相关法的校正方法；特别涉及一种无需摆动校正片，故适用微观测量或距离较长、范围较广且无需限定校正片刚性的三维数字影像相关法的校正方法。

背景技术

随着各项科技的进步，测量技术于工业制造以及土木建筑的精确度验证上有广泛的应用。依照接触与否，测量技术可区分为接触式以及非接触式，其中的接触式测量技术因测量时间较长，且具有破坏性，因此应用上受到限制；而非接触式测量，例如超音波式测量、光学式测量，因其测量速度快，处理速度高，且未直接接触待测物，因而获得广泛的应用。

在光学式测量技术中，三维数字影像相关法(three dimensionaldigital image correlation，简称3D-DIC)为一种三维数字影像测量分析***，其具有非接触和非破坏的特性。图1显示了已知三维数字影像相关法***的架设图，其包括一第一影像撷取装置1、一第二影像撷取装置2、一光源设备3以及一处理器4。该些影像撷取装置1、2可为CCD相机或摄影机。一待测物5设置于该第一影像撷取装置1以及第二影像撷取装置2镜头的聚焦点(focus)，所述光源设备3投射均匀的光线于该待测物5，由第一影像撷取装置1以及第二影像撷取装置2同时取得待测物5的表面影像，并将影像输入处理器4进行数据处理以及分析。

在分析的过程，三维数字影像相关法将所撷取的影像分割为多个较小的子区域(subset)，图2的左侧图显示待测物5变形前(un-deformed)经过分割的其中一变形前子区域50，一般为增加比对效果以及分析的准确度，经常于待测物5的表面随机制作不规则斑点图纹(speckle patterns)，如图2在变形前子区域50所显示的灰阶图纹。图2的右侧图显示于变形后，通过该些影像撷取装置1、2所撷取的待测物5的影像。利用变形理论以及相关算法，并且比对变形前后待测物5的图纹，可求得对应变形前子区域50的变形后子区域51，并且求出变形后子区域51的位移以及应变，经进一步分析并运算比对所有子区域，则可建立出待测物5的全域形变。

在三维数字影像相关法的数据处理以及分析前，必须先校正***，以确认后续程序的准确度。请回到图1，已知技术提供一校正片6，该校正片6上提供多个圆点61，因这些圆点61的间距为等距且各项尺寸为预设已知，因此通过将校正片6设置于该些影像撷取装置1、2前，进行任意角度的摆动(如图1箭头所示)，并且撷取校正片6的圆点61的影像进行分析，由该些圆点61之间的固定间距计算，而完成校正的程序。

为确保校正片6在摆动的过程中，不致于轻易产生变形而影响校正的准确性，校正片6经常以具有厚度及不易变形的金属平板实施，以实现较佳的刚性，而不致于轻易变形。另外，亦有一种型态的校正片6，利用制造加工开设该些圆点61。然而，此等校正片6因金属平板成本高昂，且若以加工开孔方式实现圆点61通常须较高的精密度，实施不易。

此外，三维数字影像相关法的应用范围相当广，较大范围上可应用于土木相关建筑。然而，对于该些大范围建筑物上的应用，因该些影像撷取装置1、2必须架设于距离待测物5相当远的距离外，因此摆动校正片6实施上较为困难。此外，对于微观尺寸的测量(如毫米、微米尺寸)来说，校正试片的尺寸也相对地微小许多，如此更会大幅加深摆动较正式片时的困难度。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种三维数字影像相关法的校正方法，其无须摆动校正片，因此可使用于微观测量或是范围较大或者距离较远的校正程序，且无需限定校正片的刚性。

本发明为一种三维数字影像相关法的校正方法，其步骤包含：提供一三维数字影像相关法***：该***将一待测物设置于一第一影像撷取装置以及一第二影像撷取装置的一聚焦点，并以一光源设备投影均匀的光线于待测物，***与一处理器连接，该处理器可提供数据处理以及分析工作；提供一校正片，将校正片固定设置于与该待侧物相同的位置；进行一***校正程序：将该第一影像撷取装置以及该第二影像撷取装置视为同一单元而同时摆动，取得校正片的多个校正影像；每一校正影像皆包含校正片上相同的多个圆点，而该些圆点之间的间距为相等且该间距为预定间距，通过该些间距以计算出多个***参数，以供该待测物的测量运算使用。因本发明无需摆动校正片，因此可适用于微观测量或是距离较长且范围较广的测量。

相较于已知技术，因无需摆动校正片，因此可应用校正范围距离较大。此外，于本发明的一实施例中，因无需限定校正片的刚性，校正片可为片状材质，因此制作上相对容易且成本低廉。

有关本发明的详细技术内容及优选实施例，配合附图说明如后。

附图说明

本发明的实施方式为结合图式予以描述：

图1显示已知三维数字影像相关法***的架设图；

图2显示待测物变形前(un-deformed)经过分割的其中一子区域，以及显示通过影像撷取装置所撷取的变形后的对应子区域影像；

图3显示三维数字影像测量***的模型示意图；

图4显示本发明的三维数字影像相关法的一实施例；

图5显示以已知校正方法所得到的一待测物表面形貌分析图；

图6显示以本发明的校正方法所得到的一待测物表面形貌分析图；以及

图7为根据本说明书中表1以及表2的数据所绘制的比较图。

具体实施方式

以下的说明以及范例用以解释本发明的细节。但是，本领域的技术人员应该轻易了解，于本发明的实施例所涵盖下，所述及的该些实施例应有相当的变化以及改良。因此，后载的实施例并非用于限制本发明的保护范畴。

有关本发明的详细说明及技术内容，现配合附图说明如下：

图3显示三维数字影像相关法***的模型示意图；其包括该第一影像撷取装置1以及该第二影像撷取装置2，其中，该第一影像撷取装置1的镜头中心设置于一装置坐标轴(x₁，y₁，z₁)的原点，而第二影像撷取装置2的镜头中心则设置于另一装置坐标轴(x₂，y₂，z₂)的原点；第一影像撷取装置1的z₁轴或是第二影像撷取装置2的z₂轴皆与其所对应的光学主轴(optical axis)相重合。影像撷取装置1、2的理想成像平面将呈现于其对应镜头的前方，其中，第一影像撷取装置1的第一成像平面10的中心定义为一影像坐标轴(x₁’，y₁’)的原点，而第二摄影机2的第二成像平面20的中心则定义为另一影像坐标轴(x₂’，y₂’)的原点。该待测物5上的某一点可设置于一参考坐标轴(X_R，Y_R，Z_R)，第一影像撷取装置1以及第二影像撷取装置2可以本身的装置坐标(x，y，z)与参考坐标(X_R，Y_R，Z_R)进行转换，则参考坐标(X_R，Y_R，Z_R)与装置坐标(x，y，z)的关系可表示为以下公式(1)：

$\left[\begin{array}{c}{X}_R\\ Y_R\\ Z_R\end{array}\right]=\left[R\right]\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right]+\left[T\right]...\left(1\right)$

其中[R]为一包含θ_x、θ_y、θ_z三个***参数的3x3旋转矩阵(rotation matrix)；而[T]为一包含T_x、T_y、T_z三个***参数的平移矩阵(translation matrix)。借由相似三角形的函数关系，进一步地，影像坐标(x’，y’)可由装置坐标(x，y，z)利用以下的公式转换：

$x^{\′}=f\frac{x}{z};$ $y^{\′}=f\frac{y}{z}...\left(2\right)$

其中f为镜头的焦距。

借由公式(1)以及公式(2)，于已知θ_x、θ_y、θ_z、T_x、T_y、T_z以及f七个***参数的情况下，则可将三维参考坐标***转换为二维的影像坐标***。

前述所揭示的相关公式(1)以及公式(2)为一理想模型，如需进一步考虑摄影机镜头的畸变(lens distortion)，则影像坐标须根据畸变而修正转换；其中，畸变坐标(x_d’，y_d’)与影像坐标(x’，y’)的转换关系可表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_d^{\′}\\ y_d^{\′}\end{array}\right\}=\left\{\begin{array}{c}\frac{2x^{\′}}{\mathrm{\Ω}}\\ \frac{2y^{\′}}{\mathrm{\Ω}}\end{array}\right\}...\left(3\right)$

其中

而k_i为一径向畸变系数(radialdistortion coefficient)。

于影像撷取后，储存于处理器4的数字影像坐标(h，v)，其坐标轴单位为画素(pixel)。图3显示对应第一影像撷取装置1所撷取影像的数字影像坐标(h1，v1)以及对应第二影像撷取装置2所撷取影像的数字影像坐标(h2，v2)。而数字影像坐标(h，v)与畸变坐标(x_d’，y_d’)的关系可表示为公式(4)：

h＝x_d′+C_x

            ....................................(4)

v＝λy_d′+C_y

其中(C_x，C_y)为所撷取影像的中心位置于数字影像坐标(h，v)的坐标位置，而λ为影像的纵横比(aspect ratio)。

于此，可利用公式(1)至公式(4)，将影像坐标(x’，y’)撷取到的所有点，于取得θ_x、θ_y、θ_z、T_x、T_y、T_z、f、k_i、C_x、C_y、λ共11个***参数后，可加以转换为数字影像坐标(h，v)。

在应用三维数字测量相关法测量之前，须经由校正的程序，进一步取得θ_x、θ_y、θ_z、T_x、T_y、T_z、f、k_i、C_x、C_y、λ等***参数，取得该些***参数后，方可借由比对与运算，取得待测物5的测量结果。

本发明为一种三维数字影像相关法的校正方法，于该校正方法中提供一三维数字影像相关法***；如图4所示，该***包括：一第一影像撷取装置1、一第二影像撷取装置2、一光源设备3以及一处理器4。一待测物5设置于该第一影像撷取装置1以及该第二影像撷取装置2镜头的聚焦点，并以该光源设备3投射均匀的光线于待测物5。该***将由该影像撷取装置1、2所撷取的影像输入该处理器4，由该处理器4提供数据处理以及分析工作。

于本发明的一实施例中，提供一校正片6，并将校正片6固定设置于与待测物5的相同位置。为取得θ_x、θ_y、θ_z、T_x、T_y、T_z、f、k_i、C_x、C_y、λ等***参数，而完成校正的程序，于本发明的一实施例中，以同时摆动第一影像撷取装置1以及第二影像撷取装置2的方式，来取得校正影像。以上所述的“同时摆动”是将第一影像撷取装置1以及第二影像装置2当成同一单元改变位置，进行三个轴向的转动或/以及位置改变(如图4箭头所示意)，在第一影像撷取装置1与第二影像撷取装置2的相对位置不改变的情况下，而取得不同取像位置的影像。

上述11个***参数中，其中的θ_x、θ_y、θ_z、T_x、T_y、T_z为外部参数，而f、k_i、C_x、C_y、λ为内部参数；因5个“内部参数”仅相关于影像撷取装置，因此在校正程序中的影像撷取装置的改变位置将不会改变内部参数，而仅会改变其它6个外部参数。假设在校正程序中，至少须同时摆动第一影像撷取装置1以及第二影像撷取装置2，而取得M个校正影像，因每一个校正影像与6个未知的外部参数相关，因此M个校正影像将相关于6M(6倍的M)个外部参数。假设每一个校正影像皆相同撷取到校正片6上的N个圆点61，因每一个圆点61的位置设置还相关于X_R、Y_R、Z_R三个坐标轴参数，因此N个圆点61将产生3N(3倍N)的未知数。再考虑内部参数共有5个，其并未受到校正摆动的影响，因此与M或N皆无关。因此，M个校正影像皆撷取到N个圆点61将产生6M+3N+5个未知数。于每一个校正影像，校正片(6)的每一个圆点61将提供一个数值供方程式求解，因此M个影像将提供MN(M倍的N)个数值求解，于M个校正影像满足MN＞6M+3N+5的情况下，则所撷取到的校正影像足够解出校正程序的所有***参数。解MN＞6M+3N+5如下：

M＞(3N+5)/(N-6)-------------------------------------(5)

换言之，校正影像个数M必须满足公式(5)方可得到所有***参数。

请回到图1，如前所述，现有技术中考虑到校正片6进行校正摆动，因此需维持校正片6的刚性，因此已知的校正片6经常使用刚性材质或/且通过精密加工开设该些圆点61。因本发明所提供的三维数字影像相关法的校正方法无需摆动校正片6，因此于本发明的另一实施例中，校正片6可使用片状材质，例如以纸张或者塑料板取代，将以印刷的方式将校正片6的圆点61印出。在使用上，仅需将包含圆点61的片状材质以一黏贴方式固定设置于待测物5表面，即可进行校正工作。如此，校正片6不占据大空间，并且容易制作且成本低廉。

在验证本发明所提供的校正方法的准确度，分别使用已知校正方法以及本发明的校正方法对测量***进行校正，再进行后续测量程序。图5与图6显示分别以已知校正方法以及本发明的校正方法对一宏观待测物所得到的待测物表面形貌分析图，影像撷取装置拍摄的视野大小约为50mm*50mm，其显示两者十分相近。实务上，失败的校正程序将得到非常扭曲的表面形貌图，因此可验证本发明所提供的校正方法的可行性。以下的表1以及表2显示已知校正方法以及本发明的校正方法下，对宏观物体刚体平移实验所得到的数据，其中的误差百分比是以不同校正方法下所得的测量与实际位移的差值，比较于实际位移的百分比。图7为根据表1以及表2的数据所绘制的比较图，两者的实验结果几乎一致。表3则是本发明应用于微观物体测量的刚体平移实验数据，其使用的影像撷取装置包括一高分辨率镜头，其拍摄视野大小约为3mm*3mm，结果显示经本发明校正后的误差极小，可用于微观的测量。

表1已知校正方法下的刚体平移测量

真实位移	已知校正法的刚体平移测量(mm)	误差(％)
			0.1	0.099382	0.62
0.2	0.198629	0.69
			0.3	0.298717	0.43
0.4	0.397927	0.52
			0.5	0.496397	0.72
0.6	0.59466	0.89
			0.7	0.692633	1.05
0.8	0.791698	1.04
			0.9	0.891195	0.98
1	0.988782	1.12
			2	1.98091	0.95

表2本发明校正方法下的刚体平移测量

真实位移	本发明校正方法下的刚体平移测量	误差％
			0.1	0.0986577	1.34
0.2	0.198158	0.92
			0.3	0.297187	0.94
0.4	0.398678	0.33
			0.5	0.498635	0.27
0.6	0.596883	0.52
			0.7	0.696831	0.45
0.8	0.796599	0.43
			0.9	0.895341	0.52
1	0.994967	0.50
			2	1.99524	0.24

表3本发明的校正方法下的微观刚体平移测量

真实位移(mm)	本发明校正方法下的刚体平移测量	误差％
			0.01	0.010296	2.96
0.02	0.020165	0.83
			0.03	0.030205	0.68
0.04	0.040402	1
			0.05	0.050442	0.88
0.06	0.060681	1.14
			0.07	0.070779	1.11
0.08	0.080421	0.53
			0.09	0.091522	1.69
0.10	0.101509	1.51
				平均	1.23

以上所述，仅为本发明的优选实施例，非欲局限本发明专利的专利保护范围，故举凡运用本发明说明书及附图内容所为的等效变化与修饰，均同理包含于本发明的权利保护范围。

Claims (7)

1.一种三维数字影像相关法的校正方法，其特征在于，所述校正方法的步骤包含：

(a)提供一三维数字影像相关法***：所述***将一待测物设置于一第一影像撷取装置以及一第二影像撷取装置的一聚焦点，并通过一光源设备向所述待测物投影均匀的光线，所述***与一处理器连接，所述处理器可提供数据处理以及分析工作；

(b)提供一校正片，将所述校正片固定设置于与所述待侧物(5)相同的位置；

(c)进行一***校正程序：将所述第一影像撷取装置以及所述第二影像撷取装置视为同一单元而同时摆动，取得校正片的多个校正影像；所述多个校正影像皆包含校正片上的多个圆点，而所述圆点之间的间距为相等且所述间距为预定间距，借助所述间距计算出多个***参数，以供所述待测物的测量运算使用。

2.根据权利要求1所述的三维数字影像相关法的校正方法，其特征在于，所述第一影像撷取装置与所述第二影像撷取装置的同时摆动是在两者的相对位置不改变的情况下，而进行三个轴向的转动或/以及位置改变。

3.根据权利要求1所述的三维数字影像相关法的校正方法，其特征在于，所述校正片为一片状材质，且以印刷方式将所述圆点打印于所述校正片，其中，所述校正片以一黏贴方式固定设置于与所述待测物相同的位置。

4.根据权利要求3所述的三维数字影像相关法的校正方法，其特征在于，所述片状材质可为纸张或是塑料。

5.根据权利要求1所述的三维数字影像相关法的校正方法，其特征在于，(c)步骤后还包含一(d)步骤：进行一测量程序。

6.根据权利要求1所述的三维数字影像相关法的校正方法，其特征在于，所述***参数的数量为11个。

7.根据权利要求6所述的三维数字影像相关法的校正方法，其特征在于，当校正影像为M个，而每一个校正影像皆包含校正片的N个圆点，则M必须在大于(3N+5)/(N-6)的情况下下，所撷取的校正影像才足够解出所述多个***参数。

Images