CN110836647A - 三维扫描*** - Google Patents

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Abstract

一种三维扫描***，包含投射光源、影像捕获设备及信号处理装置。投射光源用以对一目标物投射二维光，其中二维光具有一空间频率。影像捕获设备撷取照射有二维光的目标物的影像。信号处理装置耦接投射光源与影像捕获设备，以分析二维光影像的清晰度，若二维光影像的清晰度低于一需求标准，则降低二维光的空间频率。

Description

三维扫描***
技术领域
本发明有关于一种扫描***，特别是关于一种三维扫描***。
背景技术
三维扫描主要用于对目标物进行扫描，以获得该目标物的表面空间坐标，是目前三维建模的主要方式。三维扫描方式可分为接触式及非接触式，以非接触式最为广泛使用。而在非接触式光学测量中，往往因为镜头的景深特性，造成扫描范围受到限制。为了克服此限制，对于较大目标物的三维扫描，有人采取分段扫描的方式。然而，此种方式多了将扫描后的结果进行拼接的后续动作。又，若目标物表面具有易反光材质，容易对三维扫描造成干扰。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种三维扫描***，包含投射光源、影像捕获设备及信号处理装置。投射光源用以对一目标物投射二维光，其中二维光具有一空间频率。影像捕获设备撷取照射有二维光的目标物的影像。信号处理装置耦接投射光源与影像捕获设备，以分析影像的清晰度，若影像的清晰度低于一需求标准，则降低二维光的空间频率。
本发明另提出一种三维扫描***，包含投射光源、影像捕获设备及信号处理装置。投射光源用以对一目标物投射二维光，二维光循时由第一图案变换为第二图案。影像捕获设备分别撷取照射有第一图案的目标物的一第一影像及照射有第二图案的目标物的一第二影像。信号处理装置耦接投射光源与影像捕获设备，并交互参照第一影像与第二影像以生成三维模型。
综上所述，根据本发明的实施例所提出的三维扫描***，能视需求调整二维光的空间频率，以改善获取影像的清晰度，能适用于扫描不同高度的目标物。此外，通过投射不同图案特征的二维光，能对易反光的目标物进行扫描。
附图说明
图1为本发明一实施例的三维扫描***的示意图。
图2为投射光源于焦平面的调制转换函数图。
图3为投射光源离焦靠近一厘米处的调制转换函数图。
图4为投射光源离焦远离一厘米处的调制转换函数图。
图5为不同空间频率在不同的位置的量测结果(一)。
图6为不同空间频率在不同的位置的量测结果(二)。
图7为不同空间频率在不同的位置的量测结果(三)。
图8为本发明一实施例的频率组合示意图。
图9为本发明另一实施例的频率组合示意图。
图10为本发明另一实施例的第一图案与第二图案的示意图。
其中附图标记为：
投射光源 100
发光单元 110
影像捕获设备 200
信号处理装置 300
线 A、B、C
二维光 L、L1、L2、L3
明区域 Z1
暗区域 Z2
第一图案 P1
第二图案 P2
第一方向 k1
第二方向 k2
夹角 θ
具体实施方式
参照图1，为本发明一实施例的三维扫描***的示意图。三维扫描***包含投射光源100、影像捕获设备200及信号处理装置300。
投射光源100用以对一目标物(图未示)投射二维光L。投射光源100可包含一个或多个投影装置。所述二维光L是指能在二维空间上投射形成一照射范围。二维光L具有一空间频率(或称空间分辨率)，也就是说，二维光L包含在每单位长度上重复出现的相同几何结构，重复的频率即为空间频率。如图1所示，二维光L能在一平面上投射出一四边形照射范围，此四边形照射范围中出现重复的明暗条纹。
影像捕获设备200可撷取照射有该二维光L的目标物的影像。影像捕获设备200可包含一个或多个摄影镜头，所述摄影镜头可为感光耦合组件(CCD)或互补性氧化金属半导体(CMOS)影像传感器。
一个或多个投影装置与一个或多个影像捕获设备200可通过时序安排配合运作。例如，投射光源100包含二投影装置时，第一个投影装置输出二维光L的同时，一个或多个摄影镜头同步撷取画面；第二个投影装置输出另一个二维光L的同时，一个或多个摄影镜头同步撷取画面。
信号处理装置300耦接投射光源100与影像捕获设备200，用以控制投射光源100并取得前述影像，以对影像进行分析，并根据影像利用三角测距原理回推得深度信息，据以生成该目标物的三维模型。信号处理装置300可为具有运算能力的计算器装置，如计算机，其包含用以执行前述演算的处理器、储存该演算程序代码的储存媒体等电子器件、内存等。
参照图2至图4，以焦距为50毫米、光圈为F/4、放大率为-0.3x的镜头为例，图2为投射光源100于焦平面的调制转换函数(MTF)图，图3为投射光源100离焦靠近一厘米处的调制转换函数图，图4为投射光源100离焦远离一厘米处的调制转换函数图。可以看到，空间频率的频率愈高，影像清晰度愈容易受离焦距离影响。
参照图5至图7，分别为不同空间频率在不同的位置的量测结果。当输入弦波信号给投射光源100输出，使其输出明暗间隔的二维光L。如图5所示，线A为焦平面的量测结果，线B为距离焦平面5厘米的量测结果，线C为距离焦平面10厘米的量测结果。纵轴为量测到的信号幅值(于此是经过正规化处理后的数值，故以百分比呈现)，横轴为空间长度。可以看到，当空间频率较高时，离焦平面愈远所量测到的影像愈不清晰。再将图5对照图6与图7，可以看到，当空间频率降低时，即便是在偏离焦平面的位置，亦能量测到足够清晰的影像。
由上述量测结果可以知道，通过降低空间频率，能够使得量测范围由不清晰转移至足够清晰而可辨识。因此，信号处理装置300在获取影像捕获设备200撷取的影像之后，会先分析该影像的清晰度。若影像的清晰度低于一需求标准，则降低二维光L的空间频率，藉以提升影像清晰度。在一些实施例中，信号处理装置300自行降低空间频率，再检测降低空间频率后的影像是否符合该需求标准，若仍不符合，则再次降低空间频率。在一些实施例中，由操作人员操作信号处理装置300指定空间频率的下降数值。
在一些实施例中，二维光L的空间频率保持在单一频率。
在一些实施例中，二维光L的空间频率是可变化的，而为一频率组合，该频率组合是循时改变不同的空间频率。参照图8，为本发明一实施例的频率组合示意图。在此示意二维光L可依序的由一个明区域Z1及一个暗区域Z2组成的二维光L1，变化为由交替的二个明区域Z1与二个暗区域Z2组成的二维光L2，再变化为由交替的四个明区域Z1与四个暗区域Z2组成的二维光L3。如此，可对照射范围进行空间编码，据以对照射范围内的每个位置进行追踪。于此，所述明、暗区域的交界可为清晰或渐变。
在一些实施例中，可依次输出不同空间频率的二维光L，并配合影像捕获设备200撷取对应的影像，信号处理装置300自行于所撷取到的该些影像中挑选出合适空间频率的影像。例如，对于具有高低起伏不定的目标物，因较高位置的地方离焦，因此不采用最高空间频率的影像。
图9为本发明另一实施例的频率组合示意图。对照图8，图8是按照第一方向k1上间隔发光的方式产生，图9是按照第二方向k2上间隔发光的方式产生。
在一些情形下，目标物表面可能具有高反光性材质，容易影响三角测距算法的结果。因此，在一些实施例中，二维光是循时由一第一图案变换为一第二图案。例如，第一图案为如图8所示以第一方向k1上间隔发光方式产生具有一空间频率的明暗间隔图案，第二图案为如图9所示以第二方向k2上间隔发光方式产生具有一空间频率的明暗间隔图案。第一图案与第二图案的空间频率可以相同，但本发明的实施例不限于此。影像捕获设备200分别撷取照射有第一图案的目标物的一第一影像及照射有第二图案的目标物的一第二影像。信号处理装置300交互参照第一影像与第二影像，对照两个影像中目标物的同一位置所对应的计算结果，若结果不同，则将之去除，仅留下具有实质相同或接近的计算结果，缺少的部份可通过差值法补足，以生成三维模型。
在一些实施例中，第一图案与第二图案的空间频率是不同的。
参照图10，为本发明另一实施例的第一图案P1与第二图案P2的示意图。于此要说明的是，前述第一方向k1与第二方向k2不必然为垂直与水平方向。第一方向k1与第二方向k2亦可以是其他方向，如±45度。但本发明亦不限制第一方向k1与第二方向k2之间的夹角θ必然是90度，亦可为其他角度，即第一方向k1与第二方向k2的夹角θ在0度至180度的范围内，且不为0度、90度或180度。换言之，于一些实施例中，投射光源100包含二维排列的复数发光单元110，此些发光单元110可为正方形，亦可为其他形状，如菱形。在此，所述第一方向k1与第二方向k2的方向与夹角是指投射光源100输出的二维光在出光面上的第一方向k1与第二方向k2的方向与夹角。
综上所述，根据本发明的实施例所提出的三维扫描***，能视需求调整二维光L的空间频率，以改善获取影像的清晰度，能适用于扫描不同高度的目标物。此外，通过投射不同图案特征的二维光，能对易反光的目标物进行扫描。

Claims (9)

1.一种三维扫描***，其特征在于，包含：
一投射光源，用以对一目标物投射一二维光，其中该二维光具有一空间频率；
一影像捕获设备，撷取照射有该二维光的该目标物的影像；及
一信号处理装置，耦接该投射光源与该影像捕获设备，以分析该影像的清晰度，若该影像的该清晰度低于一需求标准，则降低该二维光的该空间频率。
2.如权利要求1所述的三维扫描***，其特征在于，该二维光的该空间频率为单一频率。
3.如权利要求1所述的三维扫描***，其特征在于，该二维光的该空间频率为一频率组合，该频率组合是循时改变不同的空间频率。
4.如权利要求1所述的三维扫描***，其特征在于，该二维光循时由一第一图案变换为一第二图案，该影像捕获设备分别撷取照射有该第一图案的该目标物的一第一影像及照射有该第二图案的该目标物的一第二影像，该信号处理装置交互参照该第一影像与该第二影像，以生成一三维模型。
5.如权利要求4所述的三维扫描***，其特征在于，该投射光源具有一二维排列的发光单元，该第一图案是按照第一方向上间隔发光的方式产生，该第二图案是按照第二方向上间隔发光的方式产生。
6.一种三维扫描***，其特征在于，包含：
一投射光源，用以对一目标物投射一二维光，该二维光循时由一第一图案变换为一第二图案；
一影像捕获设备，分别撷取照射有该第一图案的该目标物的一第一影像及照射有该第二图案的该目标物的一第二影像；及
一信号处理装置，耦接该投射光源与该影像捕获设备，并交互参照该第一影像与该第二影像以生成一三维模型。
7.如权利要求6所述的三维扫描***，其特征在于，该投射光源具有一二维排列的发光单元，该第一图案是按照第一方向上间隔发光的方式产生，该第二图案是按照第二方向上间隔发光的方式产生。
8.如权利要求7所述的三维扫描***，其特征在于，该第一方向与该第二方向的间的夹角为90度。
9.如权利要求7所述的三维扫描***，其特征在于，该第一方向与该第二方向之间的夹角在0度至180度的范围内，且不为0度、90度或180度。
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