TWI421794B - 重新建構物件三維模型的裝置 - Google Patents

Description

重新建構物件三維模型的裝置

一種重新建構物件三維模型的裝置，尤其是指一種由旋轉平台的旋轉以及雷射感測儀藉由直進馬達進行垂直直線移動，以佔格地圖演算法對測試物件進行多個感測平面的物件資訊收集，將多個感測平面的物件資訊進行整合以取得測試物件的三維模型的重新建構物件三維模型的裝置。

現有的三維超音波系統的三維模型建構技術，係藉由磁相式與機械式的三維定位系統的輔助來執行三維影像資料的重建與描繪工作，因需額外的定位輔助系統導致整體裝備價格較為昂貴，並且軟體處理速度也較為緩慢。

而對三維超音波系統(如，超音波儀器)的操作人員來說，不需定位系統的輔助，而以徒手握持操音波探頭來掃瞄待測物，便能在顯示螢幕上獲得具有高準確度影像的三維影像資料，將會使操作程序更為便利，但是因徒手掃瞄時操作速度可能不一致，因而三軸比例尺可能不斷的改變，所以徒手掃瞄造成影像失真的狀況極為普遍，並造成三維模型建構的誤差過大。

針對上述的情況目前雖已有Speckle Tracking、Registration等不需三維定位系統的影像重建技術，但是上述技術的演算法需要較長的處理時間，或是需藉助硬體裝置加快處理速度，無形中便增加了操作系統的複雜度以及檢驗設備的成本。

綜上所述，可知先前技術中長期以來一直存在現有三維模型建構裝置其結構複雜、成本高且工作效率低的問題，因此有必要提出改進的技術手段，來解決此一問題。

有鑒於先前技術存在現有三維模型建構裝置其結構複雜、成本高且工作效率低的問題，本發明遂揭露一種重新建構物件三維模型的裝置，其中：

本發明所揭露的重新建構物件三維模型的裝置，其包含：基座、旋轉馬達、直進馬達、旋轉平台、雷射感測儀以及遮光組件。

旋轉馬達固定於基座上；直進馬達固定於基座上；旋轉平台被固定於旋轉馬達上，且旋轉平台藉由旋轉馬達進行水平旋轉，旋轉平台用以承載測試物件；該雷射感測儀被固定於直進馬達上，且雷射感測儀藉由直進馬達進行垂直直線移動，其中雷射感測儀與旋轉平台之間的距離需要大於雷射感測儀最小感測距離；遮光組件被固定於基座上，且遮光組件至少圍繞於旋轉平台與雷射感測儀，且遮光組件的高度需要大於雷射感測儀藉由直進馬達進行垂直直線移動的最大距離。

其中，測試物件藉由旋轉平台的旋轉以及雷射感測儀藉由直進馬達進行垂直直線移動，雷射感測儀以佔格地圖演算法(occupancy-grid-map algorithm)對測試物件進行多個感測平面的物件資訊收集，將多個感測平面的物件資訊進行整合以取得測試物件的三維模型。

本發明所揭露的裝置如上，與先前技術之間的差異在於本發明的測試物件藉由旋轉平台的旋轉以及雷射感測儀藉由直進馬達進行垂直直線移動，以佔格地圖演算法對測試物件進行多個感測平面的物件資訊收集，將多個感測平面的物件資訊進行整合以取得測試物件的三維模型。

透過上述的技術手段，本發明可以達成提供構造簡單、成本低且可快速建構三維模型資訊的技術功效。

以下將配合圖式及實施例來詳細說明本發明的實施方式，藉此對本發明如何應用技術手段來解決技術問題並達成技術功效的實現過程能充分理解並據以實施。

以下首先要說明本發明所揭露的重新建構物件三維模型的裝置，並請參考「第1圖」以及「第2圖」所示，「第1圖」繪示為本發明重新建構物件三維模型的裝置的立體分解示意圖；「第2圖」繪示為本發明重新建構物件三維模型的裝置的立體組合示意圖。

本發明所揭露的重新建構物件三維模型的裝置，重新建構物件三維模型的裝置10包含：基座11、旋轉馬達12、直進馬達13、旋轉平台14、雷射感測儀15以及遮光組件16。

基座11是用以將旋轉馬達12、直進馬達13以及遮光組件16分別進行固定，除此之外，旋轉馬達12、直進馬達13以及雷射感測儀15所需要的電源供應、驅動電路、控制電路以及處理電路都可以被內嵌於基座11。

而基座11一般是聚碳酸酯(Polycarbonate，PC)、聚鄰苯二甲醯胺(Polyphthalamide，PPA)或其他常用來作為基座11的熱塑性樹脂材質所構成，在此僅為舉例說明基座11的常用材質，並不以此侷限本發明的應用範疇，另外，並且基座11更可具有非反射光光線以及非透光的性質，藉以避免由於基座11的光反射造成雷射感測儀15在感測時的干擾。

旋轉平台14是被固定於旋轉馬達12上，且旋轉平台14藉由旋轉馬達進12行水平旋轉，並且旋轉馬達12旋轉角度介於0度至360度之間的順時針旋轉與逆時針旋轉，即旋轉馬達12可由0度逆時針旋轉至360度，且可由360度順時針旋轉至0度，或是旋轉馬達12可由0度順時針旋轉至360度，且可由360度逆時針旋轉至0度，並且旋轉馬達進12須注意扭矩的大小與旋轉時的速度/加速度以避免旋轉平台14上承載的測試物件20可能會因為旋轉平台14的抖動或旋轉平台14的旋轉離心力所造成的位移，以影響到雷射感測儀15感測到錯誤結果。

旋轉平台14用以承載測試物件20所使用，並且旋轉平台14亦可由聚碳酸酯、聚鄰苯二甲醯胺或其他的熱塑性樹脂材質所構成，在此僅為舉例說明，並不以此侷限本發明的應用範疇，另外，並且旋轉平台14更可具有非反射光光線以及非透光的性質，藉以避免由於旋轉平台14的光反射造成雷射感測儀15在感測時的干擾。

而在旋轉平台14承載測試物件20平面上更可以設置止滑元件141，止滑元件141是提供測試物件20止滑的效果，即止滑元件141可以避免測試物件20在旋轉平台14透過旋轉馬達12旋轉時，造成測試物件20所產生的移動，而測試物件20的移動即會造成雷射感測儀15感測到錯誤結果。

雷射感測儀15被固定於直進馬達13上，且雷射感測儀15藉由直進馬達13進行垂直直線移動，值得注意的是，雷射感測儀15與旋轉平台14彼此之間的設置距離需要大於雷射感測儀15最小感測距離，即當雷射感測儀15與旋轉平台14彼此之間的設置距離小於雷射感測儀15最小感測距離時，會造成雷射感測儀15無法正確的感測到旋轉平台14上的測試物件20，進而造成雷射感測儀15感測到錯誤結果。

遮光組件16除了是固定於基座11上，並且遮光組件16至少圍繞於旋轉平台14與雷射感測儀15，「第1圖」以及「第2圖」圖式中的遮光組件16是以不同的遮光組件16分別圍繞於旋轉平台14與雷射感測儀15，在此僅為舉例說明之，亦可以直接使用單一遮光組件16將旋轉平台14與雷射感測儀15進行圍繞。

遮光組件16亦可由聚碳酸酯、聚鄰苯二甲醯胺或其他的熱塑性樹脂材質所構成，在此僅為舉例說明，並不以此侷限本發明的應用範疇，而值得注意的是，並且遮光組件16必須是具有非反射光光線以及非透光的性質，由於雷射感測儀15一般是以紅外線光進行感測，當遮光組件16是由玻璃、金屬或其他鏡面材質製成時，會部分反射雷射感測儀15的紅外線光，造成雷射感測儀15感測得到錯誤的感測結果，藉以避免由於遮光組件16的光反射造成雷射感測儀15在感測時的干擾，以及同時可以避免外界的光線造成雷射感測儀15在感測時的干擾。

而遮光組件16的高度需要大於雷射感測儀15藉由直進馬達進行垂直直線移動的最大距離，當遮光組件16的高度小於雷射感測儀15藉由直進馬達進行垂直直線移動的最大距離時，當雷射感測儀15垂直移動到最大距離，則遮光組件16無法對雷射感測儀15阻隔外界的光線，進而造成雷射感測儀15在感測時的干擾。

因此，由上述可知，測試物件20亦需要進行限制，即測試物件20不能超出旋轉平台14的範圍，並且測試物件20的高度亦需要小於雷射感測儀15藉由直進馬達進行垂直直線移動的最大距離，藉此，在雷射感測儀15在對測試物件20進行感測時，可以同時避免測試物件20會位於雷射感測儀15最小感測距離內，所造成雷射感測儀15所感測到錯誤結果，以及雷射感測儀15可以完整對測試物件20進行感測，並且在雷射感測儀15對測試物件20進行感測時，可以受到遮光組件16避免外界的光線造成雷射感測儀15在感測時的干擾。

將基座11、旋轉馬達12、直進馬達13、旋轉平台14、止滑元件141、雷射感測儀15以及遮光組件16進行組合後，即可構成本發明重新建構物件三維模型的裝置10，重新建構物件三維模型的裝置10組合後的結果請參考「第2圖」所示。

請同時參考「第2圖」、「第3圖」以及「第4圖」所示，「第3圖」以及「第4圖」繪示為本發明重新建構物件三維模型的裝置的測試物件感測結果示意圖。

雷射感測儀15對於放置於旋轉平台14上的測試物件20感測方式是採用佔格地圖演算法(occupancy-grid-map algorithm)來判斷可能的物件資訊，即是將雷射感測儀15的感測平面範圍離散化為二維的格點，雷射感測儀15的感測平面範圍即會包含測試物件20與測試物件20的週遭空間，而對每個格點估測實際感測可能是測試物件20的機率，每一個格點經過雷射感測儀15的感測後以0至1的範圍來對確認該格點的機率，該格點的機率可透過Bayesian所提出的二元貝式濾波器或是Dempster-Shafer法則所決定，在此僅為舉例說明之，並不以此侷限本發明的應用範疇，當該格點機率為0時，即表示該格點不為測試物件20，而當該格點機率為1 時，即表示該格點為測試物件20，而當該格點機率為0.5時，即表示該格點有百分之五十的機率是測試物件20，當然機率越高表示該格點是測試物件20的機會越高，反之機率越低表示該格點是測試物件20的機會越低。

而每一個格點的機率將以灰階表示機率0至1的範圍已進行感測平面範圍的呈現，即機率0即對應白色色彩，機率1即對應黑色色彩，機率0至1之間則會以對應不同的灰階色彩，機率越高灰階色彩即會越偏向黑色色彩，機率越低灰階色彩即會越偏向白色色彩。

在「第3圖」以及「第4圖」中，雷射感測儀15的感測平面範圍31將測試物件20與測試物件20的週遭空間離散化為8個格點，並且雷射感測儀15透過Bayesian所提出的二元貝式濾波器或是Dempster-Shafer法則感測的結果在第一格點311以及第八格點311的機率為“0”，因此，第一格點311以及第八格點311將會以白色表示；而第二格點312以及第七格點317的機率為“0.5”且第二格點312以及第七格點317距離雷射感測儀15橫向3格格點縱向8格格點，且依據離散的格點可以計算出第一格點311以及第八格點311距離雷射感測儀15的深度為“8”，因此，第二格點312以及第七格點317將會機率“0.5”對應的灰階色彩表示；而第三格點313以及第六格點316的機率為“0.75”且第三格點313以及第六格點316距離雷射感測儀15橫向2格格點縱向8格格點，且依據離散的格點可以計算出第一格點311以及第八格點311距離雷射感測儀15的深度為“8”，因此，第三格點313以及第六格點316將會機率“0.75”對應的灰階色彩表示；而第四格點314以及 第五格點315的機率為“1”且第四格點314以及第五格點315距離雷射感測儀15橫向1格格點縱向8格格點，且依據離散的格點可以計算出第一格點311以及第八格點311距離雷射感測儀15的深度為“8”，因此，第四格點314以及第五格點315將會以黑色表示，在此僅為舉例說明之，並不以此侷限本發明的應用範疇。

雷射感測儀15採用佔格地圖演算法是用以增加感側測試物件20的準確率，即難以避免雷射感測儀15在感測測試物件20時會出現不正確的雜訊干擾，透過佔格地圖演算法可以消除雷射感測儀15在感測時產生的雜訊干擾所造成的誤差，可以得到精確的測試物件20平面的物件資訊，即可以得到測試物件20於該平面的每一個格點的精準深度。

由於雷射感測儀15所採用的佔格地圖演算法是將雷射感測儀15的感測平面範圍離散化為二維的格點，雷射感測儀15所取得的是一個感測平面的物件資訊，即取得感測平面每一個格點的精準深度，當旋轉馬達12對旋轉平台14進行特定角度的旋轉時，承載於旋轉平台14上的測試物件20亦會隨著旋轉平台14的轉動而轉動特定角度，藉此雷射感測儀15可以再以佔格地圖演算法取得旋轉特定角度後感測平面的物件資訊，即取得旋轉特定角度後感測平面每一個格點的精準深度，特定角度最佳的角度為18度，即旋轉馬達12需要對旋轉平台14進行20次的旋轉，而當旋轉馬達12旋轉一次時，雷射感測儀15即可以取得1次感測平面的物件資訊，即取得1次感測平面每一個格點的精準深度，而在雷射感測儀15相同高度即可以取得20次感測平面的物件資訊，即取得20次感測平面每一個格點的精準深度。

接著，雷射感測儀15可藉由直進馬達13進行直線的移動，藉以調整雷射感測儀15的高度，在雷射感測儀15調整完高度之後，旋轉馬達12再次對旋轉平台14進行20次的旋轉，以取得雷射感測儀15另外一個高度的20次感測平面的物件資訊，即取得另外一個高度20次感測平面每一個格點的精準深度。

即可以依據旋轉平台14轉動的特定角度、雷射感測儀15的高度以及每一個感測平面每一個格點的精準深度，將每一個感測平面的每一個格點轉換為三維座標。

重複進行雷射感測儀15的高度調整，以及旋轉平台14進行20次的旋轉，即可以收集到測試物件20所有的感測平面的物件資訊，並將所有的感測平面的物件資訊轉換為對應的三維座標，並且將雷射感測儀15所取得的多個感測平面的物件資訊即轉換後的三維座標透過matlab、autocad、pro-e…等軟體進行座標的整合，即可以取得測試物件20的三維模型。

綜上所述，可知本發明與先前技術之間的差異在於本發明的測試物件藉由旋轉平台的旋轉以及雷射感測儀藉由直進馬達進行垂直直線移動，以佔格地圖演算法對測試物件進行多個感測平面的物件資訊收集，將多個感測平面的物件資訊進行整合以取得測試物件的三維模型。

藉由此一技術手段可以來解決先前技術所存在現有三維模型建構裝置其結構複雜、成本高且工作效率低的問題，進而達成提供構造簡單、成本低且可快速建構三維模型資訊的技術功效。

雖然本發明所揭露的實施方式如上，惟所述的內容並非用以直接限定本發明的專利保護範圍。任何本發明所屬技術領域中具 有通常知識者，在不脫離本發明所揭露的精神和範圍的前提下，可以在實施的形式上及細節上作些許的更動。本發明的專利保護範圍，仍須以所附的申請專利範圍所界定者為準。

10‧‧‧裝置

11‧‧‧基座

12‧‧‧旋轉馬達

13‧‧‧直進馬達

14‧‧‧旋轉平台

15‧‧‧雷射感測儀

16‧‧‧遮光組件

20‧‧‧測試物件

31‧‧‧感測平面範圍

311‧‧‧第一格點

312‧‧‧第二格點

313‧‧‧第三格點

314‧‧‧第四格點

315‧‧‧第五格點

316‧‧‧第六格點

317‧‧‧第七格點

318‧‧‧第八格點

第1圖繪示為本發明重新建構物件三維模型的裝置的立體分解示意圖。

第2圖繪示為本發明重新建構物件三維模型的裝置的立體組合示意圖。

第3圖繪示為本發明重新建構物件三維模型的裝置的測試物件感測結果示意圖。

第4圖繪示為本發明重新建構物件三維模型的裝置的測試物件感測結果示意圖。

10．．．重新建構物件三維模型的裝置

11．．．基座

12．．．旋轉馬達

13．．．直進馬達

14．．．旋轉平台

15．．．雷射感測儀

16．．．遮光組件

20．．．測試物件

Claims (6)

1. 一種重新建構物件三維模型的裝置，其包含：一基座；一旋轉馬達，該旋轉馬達固定於該基座上；一直進馬達，該直進馬達固定於該基座上；一旋轉平台，該旋轉平台被固定於該旋轉馬達上，且該旋轉平台藉由該旋轉馬達進行水平旋轉，該旋轉平台用以承載一測試物件；一雷射感測儀，該雷射感測儀被固定於該直進馬達上，且該雷射感測儀藉由該直進馬達進行垂直直線移動，其中該雷射感測儀與該旋轉平台之間的距離需要大於該雷射感測儀最小感測距離；一遮光組件，該遮光組件被固定於該基座上，且該遮光組件至少圍繞於該旋轉平台與該雷射感測儀，且該遮光組件的高度需要大於該雷射感測儀藉由該直進馬達進行垂直直線移動的最大距離；及其中，該測試物件藉由該旋轉平台的旋轉以及該雷射感測儀藉由該直進馬達進行垂直直線移動，該雷射感測儀以佔格地圖演算法(occupancy-grid-map algorithm)對該測試物件進行多個感測平面的物件資訊收集，將多個感測平面的物件資訊進行整合以取得該測試物件的三維模型。
2. 如申請專利範圍第1項所述的重新建構物件三維模型的裝置，其中該旋轉馬達旋轉角度介於0度至360度之間的順時針旋轉與逆時針旋轉。
3. 如申請專利範圍第1項所述的重新建構物件三維模型的裝置，其中該旋轉平台以及該遮光組件具有非反射光光線以及非透光的性質。
4. 如申請專利範圍第1項所述的重新建構物件三維模型的裝置，其中該雷射感測儀以佔格地圖演算法對該測試物件進行多個感測平面的物件資訊收集是以機率統計方式呈現在佔格地圖上，佔格地圖上具有機率的位置即是該測試物件平面的物件資訊。
5. 如申請專利範圍第1項所述的重新建構物件三維模型的裝置，其中該旋轉平台更包含一止滑元件，該止滑元件設置於該旋轉平台承載該測試物件的平面上。
6. 如申請專利範圍第1項所述的重新建構物件三維模型的裝置，其中該測試物件具有非反射光光線以及非透光的性質。