TWI428569B - 測距方法、測距系統與其處理軟體 - Google Patents

測距方法、測距系統與其處理軟體 Download PDF

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TWI428569B
TWI428569B TW099130084A TW99130084A TWI428569B TW I428569 B TWI428569 B TW I428569B TW 099130084 A TW099130084 A TW 099130084A TW 99130084 A TW99130084 A TW 99130084A TW I428569 B TWI428569 B TW I428569B
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Ren Hau Gu
Hsin Chia Chen
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    • G—PHYSICS
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    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
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Description

測距方法、測距系統與其處理軟體
本發明是有關於一種測距技術，且特別是有關於一種的三維的測距技術。
目前的測距儀器可以分為接觸是和非接觸式。其中，所謂的接觸式測距儀器，也就是傳統的測距技術，例如座標量測機(Coordinate Measuring Machine，簡稱CMM)。雖然接觸式量測技術相當精確，但是由於必須接觸待測物的本體，有可能會導致待測物遭到測距儀器之探針的破壞。因此，接觸式測距裝置不適用於高價值物件的量測。
相較於傳統的接觸式測距儀器，非接觸測距儀器由於運作頻率高達數百萬，因此被使用的領域相當廣泛。非接觸測距技術又分為主動式與被動式。所謂的主動式非接觸測距技術，就是將一能量波投射至待測物，再藉由能量波反射來計算待測物與一參考點之間的距離。常見的能量波包括一般的可見光、高能光束、超音波與X射線。
本發明提供一種測距系統和一種測距系統，可以對一待測物進行非接觸的三維測距。
另外，本發明也提供一種處理軟體，可以處理測距系統中的資料，並且更精確地計算一待測物的位置。
本發明提供一種測距系統，包括一光源模組、一影像擷取裝置和一處理模組。光源模組會向在多個位置點上的參考平面和一待測物投射具有一斑點圖樣的面光源，使得在每一位置點的參考平面和待測物朝向光源模組的表面都會呈現斑點圖樣的影像，而此斑點圖樣具有多個斑點。此時，影像擷取裝置會擷取各位置點上之參考平面上所呈現之斑點圖樣的影像，而產生多個參考影像資訊。另外，影像擷取裝置也會擷取待測物上所呈現之斑點圖樣的影像，而產生一待測物影像資訊。而這些參考影像資訊和待測物影像資訊會送至處理模組，使得處理模組會將這些參考影像資訊和待測物影像資訊進行比對，而獲得多個比對結果。藉此，處理模組就可以將這些比對結果進行內插法運算，以計算出待測物的位置。
從另一觀點來看，本發明還提供一種測距方法，包括投射具有一斑點圖樣的面光源到在多個位置點上的參考平面和一待測物上，以使在這些位置點上的參考表面和待測物朝向面光源的表面上呈現斑點圖樣的影像，而此斑點圖樣具有多個斑點。接著，擷取每一位置點之參考平面上之斑點圖樣的影像，以獲得多個參考影像資訊，並且擷取待測物上之斑點圖樣的影像，以獲得一待測影物像資訊。藉此，本發明會將這些參考影像資訊與待測物影像資訊進行比對，而獲得多個比對結果。此時，將這些比對結果進行一內插法運算，以計算出待測物的位置。
從另一觀點來看，本發明更提供一種處理軟體，包括接收多個參考影像資訊，是由在多個位置點上之參考平面反射一面光源所投射之斑點圖樣而呈現的影像，而此斑點圖樣具有多個斑點。另外，接收一待測物影像資訊，其是一待測物朝向面光源之表面上所呈現斑點圖樣的影像。接著，將此待測物影像資訊與每一參考影像資訊進行比對，而獲得多個比對結果。此 時，本發明可以將這些比對結果進行內插法運算，以計算出待測物的位置。
由於本發明是依據投射在參考平面和待測物上之斑點圖樣的影像來進行測距，因此可以實現非接觸的三維測距技術。另外，本發明會將待測物影像資訊與參考影像資訊進行比對，而獲得多個比對結果，並且將這些比對結果進行內插法運算。藉此，就可以更精確地測量待測物的位置。
為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
圖1繪示為依照本發明第一實施例的一種測距系統的示意圖。請參照圖1，本實施例所提供的測距系統100，包括光源模組102、影像擷取裝置104和處理模組106。光源模組102可以提供一面光源，並且向一偵測範圍投射一斑點圖樣。另外，影像擷取裝置104可以耦接處理模組106。
在本實施例中，光源模組102包括雷射光源112和擴散元件114。其中，雷射光源112可以是氣體雷射，例如是氦氖雷射，亦或是半導體雷射。另外，擴散元件114可以是擴散片、毛玻璃或其它的繞射元件。當雷射光源112所發出的雷射光束116打在擴散元件114上時，會在擴散元件114中產生繞射和干射，而產生一面光源。
請繼續參照圖1，在本實施例中，光源模組102可以將斑點圖樣投射在至少一參考平面上。在本實施例中，光源模組102會將斑點圖樣投射在參考平面122、124和126上，而這些參考平面122、124和126分別位於不同的位置點。在一些 實施例中，這些參考平面在一可視範圍內彼此會互相平行。而在一些選擇實施例中，每一參考平面所在的位置點與下一參考平面所在的位置點之間的距離都是相同的，惟本發明並不以此為限。另外，在本實施例中，參考平面122、124和126大致上可以垂直雷射光束116，也就是光源模組102所產生之面光源的光軸AX-AX’。
當斑點圖樣被投射到這些參考平面上時，每一參考平面就會反射面光源而呈現斑點圖樣的影像，就如圖2所示。圖2A-2D是繪示與一參考點相距70、75、80和85公分之參考平面上所呈現之斑點圖樣的影像。從圖2中可以看出，斑點圖樣的影像具有多個斑點。此時，影像擷取裝置104就會擷取在每一參考平面122、124和126上所呈現之斑點圖樣的影像，並且產生多個參考影像資訊IMGr [1：n]給處理模組106，其中n為大於1正整數。在本實施例中，影像擷取裝置104可以是攝影機或是電荷耦合元件。另外，處理模組106可以是一電腦系統或是一處理軟體，可以用來解析一待測物的位置，詳細的原理在以下各段中將有說明。
在一些實施例中，影像擷取裝置104的位置是放置在參考點O上，並放置在光軸AX-AX’的一側。從圖2A-2D中可以得知，每一斑點在不同參考平面上的位置會不一樣。為了能夠確認每一斑點的位置，本實施例是利用各斑點在不同參考平面上的亮度當作參考。也就是說，當斑點愈靠近光軸AX-AX’，則亮度愈亮。相對地，當斑點的位置隨著不同的參考平面而漸漸遠離光軸AX-AX’時，則亮度也會隨之降低。藉由量測每一參考平面上各斑點的亮度，就可以獲得各斑點在不同參考平面上的位置。
由於環境光會對斑點的亮度造成影響，而使處理模組106造成誤判。因此，在一些實施例中，處理模組106可以先將所有斑點的亮度進行正規化運算，以去除環境亮度的影響。而在另外一些實施例中，處理模組106也可以先計算每一斑點與周圍斑點的亮度關係，而建立各斑點的亮度資訊。接著，利用各斑點的亮度資訊來取代亮度值進行運算，同樣也可以去除環境亮度的影響。
請回頭參照圖1，當一待測物132進入偵測範圍中時，其朝向面光源的表面上會反射面光源，而呈現斑點圖樣的影像，如圖3所示。圖3繪示為依照本發明之一較佳實施例的一種在待測物之一表面上所呈現之斑點圖樣影像的示意圖。在圖3中，區域302和304中的影像，即是待測物132朝向面光源之表面上所呈現之斑點圖樣的影像。此時，影像擷取裝置104會擷取待測物132上所呈現之斑點圖樣的影像，並且產生一待測物影像資訊IMGOB 給處理模組106。
當處理模組106收到待測物影像資訊IMGOB 後，會將其與之前所獲得的參考影像資訊IMGr [1：n]比對，並且獲得多個相似度值，當作多個比對結果。此時，處理模組106會從所獲得的相似度值中取最高的M個來進行運算，其中M為大於等於2的正整數。在本實施例中，處理模組106是從所獲得的相似度值中取三個最高值當作候選值，並且計算出這三個候選值的比例。接著，處理模組106可以依據這三個候選值的比例，來進行內插法運算。在一些選擇實施例中，內插法運算式可以如下所示：
其中，P是待測物132與參考點O之間的距離；p1和p2分別是三個候選值對應之參考平面與參考點O之間的最短距離和最遠距離；而x、y和z則是三個候選值的比例值。
以一個實際的例子來作說明。當處理模組106判斷待測物影像資訊IMGOB 是分別與75、80和85公分所對應的參考影像資訊IMGr [k-1]、IMGr [k]和IMGr [k+1]相比，具有最高的相似度值。其中，k是大於1，而小於n的整數。當待測物影像資訊IMGOB 與參考影像資訊IMGr [k-1]、IMGr [k]和IMGr [k+1]這三個候選值的比例為2:8:5時，則可獲得以下資訊：p1=75；p2=85；以及x=2、y=8、z=5，此時，將以上的值代入第(1)式進行運算，可以獲得P值大約為80.33。換句話說，待測物132與參考點O之間的距離大約是80.33公分。
雖然在以上提出了第(1)式來進行內插法運算，惟本發明並不以此為限。本領域具有通常知識者當知，將任何不同於第(1)式的內插法運算應用於本發明，並不影響本發明的精神。例如，由於第(1)式僅適合線性運算。因此，在其它的實施例中，可以將第(1)式中的x、y和z值進行相同的運算，例如取平方運算或是對數運算後，在進行內插法運算，本發明都不加限制。
請繼續參照圖1，在另外一些實施例中，當處理模組106獲得參考影像資訊IMGr [1:n]時，會依據每一斑點在各參考平面上之位置的變動量，而計算出各斑點的位移向量。例如，處理單元106可以依據各斑點在每一參考平面與下一參考平面上之位置的變化，而計算各斑點的位移向量。由於各斑點在每一參考平面上之位置的變化量可能是非線性變化，因此依據每一參考平面與下一參考平面所計算出來各班點的位移向量可能不一樣。
接著，當處理模組106接收到待測物影像資訊IMGOB 時，可以將此待測物影像資訊IMGOB 與參考影像其中之一進行比對，再依據每一斑點的位移向量進行運算，而獲得待測物的估測位置。由於各斑點可能具有多個位移向量，因此處理模組106就會獲得多個估測位置，以當作上述的比對結果。此時，處理模組106在將這些估測位置進行內插法運算，就可以計算出待測物132的位置。此實施例的優點在於，當計算出各斑點的位移向量後，處理模組106只需要儲存參考影像資訊IMGr [1:n]其中之一即可，因此可以節省儲存空間，並降低運算的複雜度。
圖4繪示為依照本發明第二實施例的一種測距系統的示意圖。請參照圖4，在第一實施例中，影像擷取裝置104是放置光軸AX-AX’之一側的位置，並且介於雷射光源112和第一平面122之間的位置。然而本實施例所提供的測距系統400中，影像擷取裝置104的鏡頭中心，則是對準光軸AX-AX’。另外，在本實施例中，雷射光源112和擴散元件114之間，會配置一透鏡402。當雷射光束116通過透鏡402時會被擴散，然後再到達擴散元件114。而在擴散元件114和參考平面122之間，則會配置一分光元件404。因此，被參考平面122、124、126和待測物132反射之光線的部分，會被分光元件404送到影像擷取裝置104。藉此，影樣擷取裝置104的鏡頭中心就可以對準光軸AX-AX’。
圖5繪示為依照本發明第三實施例的一種測距系統的示意圖。請參照圖5，在本實施例所提供測距系統500中，影像擷取裝置104可以被放置在與雷射光源112相對應的位置。而其餘的裝置，在以上的各段中都有對應的闡述，因此不再贅述。
圖6繪示為依照本發明第一實施例的一種測距方法的步驟流程圖。請參照圖6，在本實施例中，可以先如步驟S602所述，投射具有斑點圖樣的面光源到多個參考平面和一待測物上。接著，擷取每一參考平面上之斑點圖樣的影像，以獲得多個參考影像資訊，就如步驟S604所述。另一方面，如步驟S606所述，從待測物上擷取其朝向面光源之表面上斑點圖樣的影像，而獲得一待測物影像資訊。
此時，本實施例可以進行步驟S608，就是將待測物影像資訊與每一參考影像資訊比對，而獲得多個相似度值當作比對結果。接著，如步驟S610所述，找出相似度值中最高的至少二者，以進行步驟S612，就是依據找出來最高相似度值間的比例進行內插法運算，以計算出待測物的位置。
圖7繪示為依照本發明第二實施例的一種測距方法的步驟流程圖。請參照圖7，在本實施例中，步驟S702和步驟S704，與第一實施例中的步驟S602和步驟S604相同。不同的是，在本實施例中，當進行完步驟S704後，會如步驟S706所述，將每一參考影像資訊彼此進行比對，以獲得每一斑點的多個位移向量。此外，本實施例也會進行步驟S708，就是擷取待測物朝向面光源之表面上斑點圖樣的影像，而獲得一待測物影像資訊。接著，將待測物影像資訊與參考影像資訊其中之一比對，並且依據各斑點的位移向量，而計算出待測物的多個估測位置當作比對結果，就如步驟S710所述。藉此，就可以進行步驟S712，就是將這些估測位置進行內插法運算，以計算出待測物的位置。
綜上所述，本發明可以在獲得待測物影像資訊與參考影像資訊的比對結果時，將這些比對結果進行內插法運算。藉此，本發明可以更精確地計算出待測物的位置。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100、400、500‧‧‧測距系統
102‧‧‧光源模組
104‧‧‧影像擷取裝置
122、124、126‧‧‧參考平面
132‧‧‧待測物
302、304‧‧‧待測物的一表面
402‧‧‧透鏡
404‧‧‧分光元件
AX-AX’‧‧‧光軸
IMGOB ‧‧‧待測物影像資訊
IMGr [1：n]、IMGr [k-1]、IMGr [k]、IMGr [k+1]‧‧‧參考影像資訊
O‧‧‧參考點
S602、S604、S606、S608、S610、S612、S702、S704、S706、S708、S710、S712‧‧‧測距方法的步驟流程
圖1繪示為依照本發明第一實施例的一種測距系統的示意圖。
圖2A-2D是繪示與一參考點相距70、75、80和85公分之參考平面上所呈現之斑點圖樣的影像。
圖3繪示為依照本發明之一較佳實施例的一種在待測物之一表面上所呈現之斑點圖樣影像的示意圖。
圖4繪示為依照本發明第二實施例的一種測距系統的示意圖。
圖5繪示為依照本發明第三實施例的一種測距系統的示意圖。
圖6繪示為依照本發明第一實施例的一種測距方法的步驟流程圖。
圖7繪示為依照本發明第二實施例的一種測距方法的步驟流程圖。
S602、S604、S606、S608、S610、S612．．．測距方法的步驟流程

Claims (8)

  1. 一種測距方法，包括下列步驟：投射具有一斑點圖樣的面光源到多個位置點上之參考平面和一待測物上，以使該些位置點上之參考表面和該待測物朝向該面光源的表面上呈現該斑點圖樣的影像，而該斑點圖樣具有多個斑點；擷取每一該些位置點上之參考平面上之斑點圖樣的影像，以獲得多個參考影像資訊；擷取該待測物上之斑點圖樣的影像，以獲得一待測影物像資訊；將該待測物影像資訊分別與該些參考影像資訊進行比對，而獲得多個相似度值，以當作多個比對結果；找出該些相似度值最高的至少二個；以及將該些最高的相似度值之間的比例進行一內插法運算，而計算出該待測物的位置。
  2. 一種測距方法，包括下列步驟：投射具有一斑點圖樣的面光源到多個位置點上之參考平面和一待測物上，以使該些位置點上之參考表面和該待測物朝向該面光源的表面上呈現該斑點圖樣的影像，而該斑點圖樣具有多個斑點；擷取每一該些位置點上之參考平面上之斑點圖樣的影像，以獲得多個參考影像資訊；比較每一該些斑點分別在各該位置點之參考平面上的位置，而獲各該斑點的多個位移向量； 擷取該待測物上之斑點圖樣的影像，以獲得一待測影物像資訊；將該待測物影像資訊分別與該些參考影像資訊比對，以依據每一該些斑點的位移向量，而計算出該待測物的多個估測位置，並將該些估測位置當作多個比對結果；以及將該些比對結果進行一內插法運算，而計算出該待測物的位置。
  3. 一種測距方法，包括下列步驟：投射具有一斑點圖樣的面光源到多個位置點上之參考平面和一待測物上，以使該些位置點上之參考表面和該待測物朝向該面光源的表面上呈現該斑點圖樣的影像，而該斑點圖樣具有多個斑點；擷取每一該些位置點上之參考平面上之斑點圖樣的影像，以獲得多個參考影像資訊；將該些斑點的亮度進行正規化的處理，以去除環境亮度的影響；依據每一該些斑點在不同位置點之參考平面上的亮度，而計算出各斑點在該些參考影像資訊中的位置；擷取該待測物上之斑點圖樣的影像，以獲得一待測影物像資訊；將在該待測物影像資訊中每一該些斑點的位置，與該些參考影像資訊中各斑點的位置進行比對，而獲得多個比對結果；以及將該些比對結果進行一內插法運算，而計算出該待測物的位置。
  4. 一種測距方法，包括下列步驟：投射具有一斑點圖樣的面光源到多個位置點上之參考平面和一待測物上，以使該些位置點上之參考表面和該待測物朝向該面光源的表面上呈現該斑點圖樣的影像，而該斑點圖樣具有多個斑點；擷取每一該些位置點上之參考平面上之斑點圖樣的影像，以獲得多個參考影像資訊；比對每一該些斑點與周圍斑點之亮度關係，而建立各斑點的亮度資訊；依據該些亮度資訊，而計算出各斑點在該些參考影像資訊中的位置；擷取該待測物上之斑點圖樣的影像，以獲得一待測影物像資訊；將在該待測物影像資訊中每一該些斑點的位置，與該些參考影像資訊中各斑點的位置進行比對，而獲得多個比對結果；以及將該些比對結果進行一內插法運算，而計算出該待測物的位置。
  5. 一種處理軟體，適於在一測距系統中解析一待測物的位置，而該處理軟體包括執行下列步驟：接收多個參考影像資訊，是由在多個位置點上的參考平面反射一面光源所投射之斑點圖樣而呈現的影像，而該斑點圖樣具有多個斑點；接收一待測物影像資訊，是該待測物朝向該面光源之表面 上所呈現該斑點圖樣的影像；將該待測物影像資訊分別與該些參考影像資訊進行比對，而獲得多個相似度值，以當作多個比對結果；找出該些相似度值最高的至少二個；以及將該些最高的相似度值之間的比例進行一內插法運算，而計算出該待測物的位置。
  6. 一種處理軟體，適於在一測距系統中解析一待測物的位置，而該處理軟體包括執行下列步驟：接收多個參考影像資訊，是由在多個位置點上的參考平面反射一面光源所投射之斑點圖樣而呈現的影像，而該斑點圖樣具有多個斑點；比較每一該些斑點分別在各該位置點之參考平面上的位置，而獲得各斑點的多個位移向量；接收一待測物影像資訊，是該待測物朝向該面光源之表面上所呈現該斑點圖樣的影像；將該待測物影像資訊分別與該些參考影像資訊比對，以依據每一該些斑點的位移向量，而計算出該待測物的多個估測位置，並將該些估測位置當作多個比對結果；以及將該些比對結果進行一內插法運算，而計算出該待測物的位置。
  7. 一種處理軟體，適於在一測距系統中解析一待測物的位置，而該處理軟體包括執行下列步驟：接收多個參考影像資訊，是由在多個位置點上的參考平面 反射一面光源所投射之斑點圖樣而呈現的影像，而該斑點圖樣具有多個斑點；將該些斑點的亮度進行正規化的處理，以去除環境亮度的影響；依據每一該些斑點在不同位置點上之參考平面上的亮度，而計算出各斑點在該些參考影像資訊中的位置；接收一待測物影像資訊，是該待測物朝向該面光源之表面上所呈現該斑點圖樣的影像；將在該待測物影像資訊中每一該些斑點的位置，與該些參考影像資訊中各斑點的位置進行比對，而獲得多個比對結果；以及將該些比對結果進行一內插法運算，而計算出該待測物的位置。
  8. 一種處理軟體，適於在一測距系統中解析一待測物的位置，而該處理軟體包括執行下列步驟：接收多個參考影像資訊，是由在多個位置點上的參考平面反射一面光源所投射之斑點圖樣而呈現的影像，而該斑點圖樣具有多個斑點；比對每一該些斑點與周圍斑點之亮度關係，而建立各斑點的亮度資訊；依據該些亮度資訊，而計算出各斑點在該些參考影像資訊中的位置；接收一待測物影像資訊，是該待測物朝向該面光源之表面上所呈現該斑點圖樣的影像；將在該待測物影像資訊中每一該些斑點的位置，與該些參 依據該些亮度資訊，而計算出各斑點在該些參考影像資訊中的位置；接收一待測物影像資訊，是該待測物朝向該面光源之表面上所呈現該斑點圖樣的影像；將在該待測物影像資訊中每一該些斑點的位置，與該些參考影像資訊中各斑點的位置進行比對，而獲得多個比對結果；以及將該些比對結果進行一內插法運算，而計算出該待測物的位置。
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