TWI510052B - 掃描裝置 - Google Patents

Description

掃描裝置

本發明是有關於一種掃描裝置，且特別是有關於一種可進行三維及二維掃描的掃描裝置。

由於電腦技術的日新月異，多媒體的發展，電腦已慢慢地成為現代人日常生活中不可或缺的必需品，而影像處理的進展一日千里，帶動許多電腦周邊影像處理器的進步，掃描裝置即是一例。

在一般二維掃描器的基本構造中，掃描模組皆會包含一個光學感測器，是用以擷取待掃描物件之影像。每一次掃描完畢，掃描模組需要回到定位，等待下一次掃描作業開始。而在目前市面上的三維模型掃描技術中，一般主要包括「拍攝」與「整合」物件影像的兩項核心步驟。舉例來說，在「拍攝」步驟中，拍攝物件的拍攝角度必須盡量覆蓋所有可能角度，才能保證最終成果的完整性，而當完成「拍攝」步驟後，「整合」步驟則是需把不同角度所拍攝到的畫面整合成一個三維模型。

舉例來說，其中之一現有技術是藉由使用單台旋轉式的 攝影機，以記錄拍攝當下轉盤的旋轉角度，並整合此攝影機在每個角度上所取得的拍攝結果，藉以建立物件的三維模型。或者，另一現有技術是架設多台攝影機敷蓋所有拍攝角度，並同時取得物件的拍攝結果。其中，由於所有攝影機的位置是固定不動，所以只要取得每台攝影機的位置與拍攝方向，即可整合多台攝影機的拍攝資料，以建立物件的三維模型。

然而，目前的掃描裝置通常只能進行二維掃描或是只能進行三維掃描，整合二維以及三維掃描技術的掃描裝置的研發仍是本領域技術人員的一大課題。

本發明提供一種掃描裝置，其可透過偵測一物件而自動切換於三維掃描模式以及二維掃描模式之間。

本發明的掃描裝置適於對一物件進行一二維掃描工作或一三維掃描工作。掃描裝置包括一旋轉盤、一支撐架、一調整機構、一感測元件以及一控制單元。旋轉盤具有一承載面，並經配置以沿一旋轉軸旋轉。物件適於設置於承載面上。支撐架的一端配置旋轉盤。調整機構配置於支撐架相對於旋轉盤的另一端。感測元件設置於調整機構上，用以感測而產生一第一感測訊號以及一第二感測訊號。控制單元耦接感測元件、調整機構以及旋轉盤，以依據第一感測訊號驅動旋轉盤旋轉，並驅動感測元件對物件進行三維掃描工作，或依據該第二感測訊號控制調整機構帶動感測 元件旋轉一特定角度，使感測元件朝向承載面，以對物件進行二維掃描工作。

在本發明的一實施例中，上述的掃描裝置，更包括一屏幕，設置於旋轉盤的一端，且屏幕與支撐架分別位於旋轉盤的相對兩端。

在本發明的一實施例中，上述的感測元件經配置以旋轉於一第一位置以及一第二位置之間。當感測元件旋轉至第一位置時，感測元件朝向屏幕。當感測元件旋轉至第二位置時，感測元件朝向承載面。

在本發明的一實施例中，上述的當物體設置於承載面上時，若感測元件感測到屏幕的一屏幕影像改變，則產生第一感測訊號。若感測元件感測到屏幕影像未改變，則產生第二感測訊號。

在本發明的一實施例中，上述的三維掃描工作包括控制單元驅動旋轉盤旋轉物件至多個方位，並控制感測元件擷取物件於上述的方位的多個物件影像，以依據物件影像對應方位而建立關聯於物件的一數位三維模型。

在本發明的一實施例中，上述的旋轉盤沿著旋轉軸依序旋轉多個預設角度，以將物件依序旋轉至方位。

在本發明的一實施例中，上述的預設角度的總和為180度。

在本發明的一實施例中，上述的控制單元比對物件於旋轉盤的一初始方位所對應的一初始物件影像與物件旋轉至一最終 方位所對應的一最終物件影像而獲得物件影像的一中心軸。

在本發明的一實施例中，上述的掃描裝置更包括一光源，用以沿著平行承載面的方向發出一光束。屏幕設置於光束的一傳遞路徑上。旋轉盤位於光源與屏幕之間。

在本發明的一實施例中，上述的三維掃描工作更包括控制單元驅動旋轉盤旋轉物件至多個方位，以於屏幕上形成物件分別對應於方位的多個物件輪廓影像，並控制感測元件擷取物件輪廓影像，以依據物件輪廓影像對應方位而建立關聯於物件的一數位三維模型。

在本發明的一實施例中，上述的感測元件為一黑白感測元件。

在本發明的一實施例中，上述的二維掃描工作包括控制單元控制感測元件擷取物件的一物件影像，以依據物件影像而建立關聯於物件的一數位二維掃描檔案。

在本發明的一實施例中，上述的屏幕包括一投影面。投影面垂直於承載面。

在本發明的一實施例中，上述的掃描裝置更包括一光源，用以沿著平行承載面的方向發出一光束。

在本發明的一實施例中，上述的當物件設置於承載面上時，若感測元件感測到光束的反射，則產生第一感測訊號。若感測元件未感測到光束的反射，則產生第二感測訊號。

基於上述，本發明將感測元件可旋轉地設置於一旋轉盤 的上方，用以感測而產生一第一感測訊號以及一第二感測訊號。如此，控制單元依據第一感測訊號驅動旋轉盤旋轉，並驅動感測元件對物件進行三維掃描。控制單元依據第二感測訊號控制感測元件旋轉至朝向旋轉盤，以對物件進行二維掃描。因此，本發明的掃描裝置可自動偵測物件以判斷物件為立體物件或是平面物件，並據此進行對應的三維掃描工作或二維掃描工作，因而增加了掃描裝置的使用方便度。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

10‧‧‧物件

100、100a‧‧‧掃描裝置

110‧‧‧旋轉盤

112‧‧‧承載面

120‧‧‧屏幕

122‧‧‧投影面

130‧‧‧感測元件

140‧‧‧控制單元

150‧‧‧光源

152‧‧‧光束

160‧‧‧調整機構

170‧‧‧支撐架

A1‧‧‧旋轉軸

圖1是依照本發明的一實施例的一種掃描裝置的部份方塊示意圖。

圖2是依照本發明的一實施例的一種掃描裝置的影像擷取裝置於第一位置的示意圖。

圖3是依照本發明的一實施例的一種屏幕影像的示意圖。

圖4是依照本發明的一實施例的另一種屏幕影像的示意圖。

圖5是依照本發明的一實施例的一種掃描裝置的影像擷取裝置於第二位置的示意圖。

圖6是依照本發明的另一實施例的一種掃描裝置的影像擷取裝置於第一位置的示意圖。

圖7是依照本發明的另一實施例的一種掃描裝置的影像擷取裝置於第二位置的示意圖。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之各實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。以下實施例中所提到的方向用語，例如：「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用來說明，而並非用來限制本發明。並且，在下列各實施例中，相同或相似的元件將採用相同或相似的標號。

圖1是依照本發明的一實施例的一種掃描裝置的部份方塊示意圖。圖2是依照本發明的一實施例的一種掃描裝置的影像擷取裝置於第一位置的示意圖。請同時參照圖1以及圖2，在本實施例中，掃描裝置100適於偵側一物件10，以判斷應對此物件10進行一二維掃描工作或是一三維掃描工作。若掃描裝置100判斷此物件10為一平面物件，則可針對此物件10進行二維掃描，以產生一數位二維掃描檔案。若掃描裝置100判斷此物件10為一立體物件，則可針對此物件10進行三維建模(three dimensional model construction,3D model construction)，以建立關聯於此物件10的一數位立體模型。此外，掃描裝置100可例如耦接一立體列印裝置，使立體列印裝置讀取此數位立體模型，並依據此數位立體模型列印出此物件10的例如一複製品。當然，掃描裝置100亦可例 如耦接一平面列印裝置，使此平面列印裝置讀取此數位二維掃描檔案，並依據此數位二維掃描檔案列印出此平面物件的例如一複製紙本。

具體來說，掃描裝置100包括一旋轉盤110一支撐架170、一調整機構160、一感測元件130以及一控制單元140。旋轉盤110具有一承載面112，並經配置以沿一旋轉軸A1旋轉。待掃描的物件10即適於設置於承載面112上。支撐架170的一端配置旋轉盤110，而調整機構160則配置於支撐架170相對於旋轉盤110的另一端，換句話說，旋轉盤110與調整機構160分別位於支撐架170的相對兩端處。感測元件130則設置於調整機構160上，用以感測物件10而產生一第一感測訊號以及一第二感測訊號。控制單元140耦接感測元件130以及旋轉盤110，以依據第一感測訊號驅動旋轉盤110旋轉，並驅動感測元件130對物件進行三維掃描工作，或依據第二感測訊號控制調整機構160帶動感測元件130旋轉一特定角度，使感測元件130朝向承載面112，以對物件10進行二維掃描工作。

在本實施例中，掃描裝置100更包括一屏幕120，其設置於旋轉盤110的一端。更具體而言，屏幕120與支撐架170分別設置於旋轉盤110的相對兩端，且皆為獨立設置而不會隨著旋轉盤110而旋轉。屏幕120可如圖2所示包括一投影面122，且投影面122垂直於承載面112。感測單元130藉由調整機構160的帶動而旋轉於如圖2所示的一第一位置以及如圖5所示的一第二位置 之間。控制單元140耦接調整機構160，以控制調整機構160帶動感測元件130旋轉。如此，當感測元件130旋轉至第一位置時，感測元件130如圖2所示朝向屏幕120。當感測元件130旋轉至第二位置時，感測元件130則朝向旋轉盤110。

圖3是依照本發明的一實施例的一種屏幕影像的示意圖。圖4是依照本發明的一實施例的一種屏幕影像的示意圖。請同時參照圖2至圖4，在本實施例中，控制單元140耦接感測元件130以及旋轉盤110。當物件10設置於旋轉盤110的承載面112上時，若物件10為如圖2所示的一厚度相對明顯的立體物件，則當物件10設置於旋轉盤110上時，物件10會遮蔽部份的屏幕120，而使感測元件130所感測到的屏幕120的一屏幕影像由原本如圖3所示的屏幕影像轉變為如圖4所示的屏幕影像。也就是說，若物件10為一立體物件時，感測元件130所感測到的屏幕影像會產生改變，換句話說，當感測元件130感測到屏幕120的屏幕影像改變，則代表物件10為一立體物件，此時，感測元件130可據此產生第一感測訊號，控制單元140接收到第一感測訊號而據此驅動旋轉盤110以及感測元件130開始對物件10進行一三維掃描工作。

詳細而言，旋轉盤110用以承載物件10，並適於沿著旋轉軸A1旋轉物件10至多個方位。當感測元件130感測到屏幕120的屏幕影像改變時，控制單元140即驅動旋轉盤110旋轉物件10至上述多個方位，並控制感測元件130擷取物件10於上述的方位的多個物件影像，以依據擷取到的多個物件影像對應上述多個方 位而建立關聯於物件10的數位三維模型。

進一步來說，控制單元140可控制旋轉盤110沿著旋轉軸A1依序旋轉多個預設角度，以將物件10依序旋轉至上述的多個方位。此外，在本實施例中，旋轉盤110可例如具有一編碼器，用於記錄旋轉盤110旋轉的方位，並供控制單元140讀取。如此，旋轉盤110每將物件10旋轉一預設角度後，感測元件130即擷取其物件影像。如此重複上述步驟至獲得物件10各角度的物件影像後，再透過控制單元140將這些物件影像分別對應所述多個方位的座標，以據此建造出關聯於物件10的數位三維模型。

在本實施例中，控制單元140控制旋轉盤110沿著旋轉軸A1旋轉的多個預設角度的總和為180度。也就是說，旋轉盤110每次將物件10旋轉一預設角度直至物件10總共旋轉了180度為止。在此需說明的是，旋轉盤110每次轉動的預設角度的大小取決於旋轉盤110的表面輪廓的複雜度。當旋轉盤110具有複雜度較高的表面輪廓時，旋轉盤110每次所需轉動的預設角度則可設定較小，也就是說，感測元件130會產生較多的物件影像。

一般而言，放置物件10時，理想上會將物件10放置於旋轉盤110的中心，以使物件10的中心軸與旋轉盤110的旋轉軸A1實質上重合。因此，物件10於旋轉盤110的一初始方位所對應的初始物件輪廓影像理論上應與物件10旋轉180度後的一最終方位所對應的最終物件輪廓影像實質上重合。

然而，在現實情況中，物件10的設置可能會有所偏移而 使物件10的中心軸未能與旋轉盤110的旋轉軸A1重合。如此，物件10於旋轉盤110的初始方位所對應的初始物件影像則無法與物件10在旋轉盤110旋轉180度後的最終方位所對應的最終物件影像完全重合。在此情況下，控制單元140可將此初始物件影像與此最終物件影像進行比對，以得到物件10位於此方位時真實的物件影像，並獲得物件影像的中心軸。

在本發明的另一實施例中，掃描裝置100更可包括一光源150，用以沿著平行承載面112的方向發出一光束152。屏幕120即設置於光束152的一傳遞路徑上。旋轉盤110則位於光源150與屏幕120之間，使物件10位於光束152的傳遞路徑上而阻擋光束152的傳遞，而可於屏幕120上產生對比清晰的物件陰影。而此物件陰影的尺寸與物件10的尺寸具有一固定比例。在本實施例中，上述的固定比例可實質上大於1。也就是說，物件陰影的尺寸可成比例地大於物件10的尺寸。掃描裝置100可例如透過調整光源150至物件10的距離以及物件10至屏幕120的距離，來控制物件陰影與物件10之間的尺寸比例關係，以於屏幕120上形成尺寸比物件10大且與物件10有比例性的物件陰影，因而可得到更精密的物件輪廓影像。

如此，當感測元件130感測到屏幕120的屏幕影像改變，代表物件10為立體物件時，控制單元140據此驅動旋轉盤110以及感測元件130開始對物件10進行三維掃描工作。詳細而言，控制單元140驅動旋轉盤110旋轉物件至多個方位，以於屏幕上形 成物件10分別對應於方位的多個物件輪廓影像，並在旋轉盤110旋轉物件10的同時，控制單元140控制感測元件130擷取所述的多個物件輪廓影像，以依據物件輪廓影像對應方位而建立關聯於物件10的數位三維模型。在本實施例中，感測元件130可為一電荷耦合元件(charge coupled device,CCD)。當然，本發明不侷限於此。在本實施例中，感測元件130可例如為一黑白感測元件，亦即，其獲得的物件輪廓影像為黑白影像，以減輕控制單元140進行影像處理及計算上的負擔(loading)。

除此之外，在本實施例的掃描裝置100中，當物件10設置於旋轉盤110的承載面112上時，若物件10為如圖5所示之厚度相對可忽略的一平面物件(例如一紙張)，則當物件10設置於旋轉盤110上時，由於物件10的厚度極薄而不會遮蔽屏幕120，因此，感測元件130所感測到的屏幕120的屏幕影像不會改變，而仍舊為原本如圖3所示的屏幕影像。也就是說，若物件10為一平面物件時，感測元件130所感測到的屏幕影像不會產生改變，換句話說，當物件10設置於旋轉盤110上而感測元件130感測到屏幕120的屏幕影像並未改變時，則代表物件10為一平面物件，此時，感測元件130可據此產生一第二感測訊號，控制單元140接收到第二感測訊號而據此驅動感測元件130旋轉至如圖5所示的第二位置，以對物件10進行二維掃描工作。進一步而言，當物件10設置於旋轉盤110上而感測元件130感測到屏幕120的屏幕影像並未改變時，控制單元140驅動感測元件130旋轉至如圖5 所示的第二位置，並擷取物件10的一物件影像，以依據此物件影像而建立關聯於物件的一數位二維掃描檔案。

圖6是依照本發明的另一實施例的一種掃描裝置的影像擷取裝置於第一位置的示意圖。圖7是依照本發明的另一實施例的一種掃描裝置的影像擷取裝置於第二位置的示意圖。在此必須說明的是，本實施例之掃描裝置100a與圖2及圖5所示之掃描裝置100相似，因此，本實施例沿用前述實施例的元件標號與部分內容，其中採用相同的標號來表示相同或近似的元件，並且省略了相同技術內容的說明。關於省略部分的說明可參考前述實施例，本實施例不再重複贅述。請參照圖1、圖6以及圖7，以下將針對本實施例之掃描裝置100a與圖2及圖5所示之掃描裝置100的差異做說明。

本實施例的掃描裝置100a可如圖6所示包括一光源150，其用以沿著平行承載面112的方向發出一光束152。光源150設置於支撐架170上，然而，在本實施例中，旋轉盤110的另一端並不設置有如圖2所示的屏幕120。在此配置下，若物件10為如圖6所示的一厚度相對明顯的立體物件，則當物件10設置於旋轉盤110上時，物件10會阻擋光束152的傳遞而使光束152產生反射，感測元件130即可用以感測此反射的光束152。也就是說，若設置於旋轉盤110上的物件10為一立體物件，感測元件130會感測到光束152的反射，換句話說，當感測元件130光束152的反射，則代表物件10為一立體物件，此時，感測元件130可據此 產生第一感測訊號，控制單元140接收到第一感測訊號而據此驅動旋轉盤110以及感測元件130開始對物件10進行三維掃描工作。

詳細來說，旋轉盤110用以承載物件10，並適於沿著旋轉軸A1旋轉物件10至多個方位。當物件10設置於旋轉盤110上時，若感測元件130感測到光束152的反射，控制單元140即驅動旋轉盤110旋轉物件10至上述多個方位，並控制感測元件130擷取物件10於上述的方位的多個物件影像，以依據擷取到的多個物件影像對應上述多個方位而建立關聯於物件10的數位三維模型。

反之，若物件10為如圖7所示之厚度相對可忽略的一平面物件(例如一紙張)，則當物件10設置於旋轉盤110上時，由於物件10的厚度極薄而不會阻擋光束152的傳遞，因此，光束152會繼續沿著平形承載面112的方向傳遞而不會產生反射。也就是說，若物件10為一平面物件時，感測元件130便不會感測到光束152的反射，換句話說，當物件10設置於旋轉盤110上而感測元件130並未感測到光束152的反射，則代表物件10為一平面物件，此時，感測元件130可據此產生第二感測訊號，控制單元140接收到第二感測訊號而據此驅動感測元件130沿一旋轉方向R1旋轉至如圖7所示的第二位置，以對物件10進行二維掃描工作。進一步而言，當物件10設置於旋轉盤110上而感測元件130並未感測到光束152的反射時，控制單元140驅動感測元件130旋轉至如圖7所示的第二位置，並擷取物件10的一物件影像，以依據此物 件影像而建立關聯於物件的一數位二維掃描檔案。

綜上所述，本發明將感測元件可旋轉地設置於一旋轉盤的上方，用以感測而產生一第一感測訊號以及一第二感測訊號。如此，控制單元依據第一感測訊號驅動旋轉盤旋轉，並驅動感測元件對物件進行三維掃描。控制單元依據第二感測訊號控制感測元件旋轉至朝向旋轉盤，以對物件進行二維掃描。因此，本發明的掃描裝置可自動偵測物件以判斷物件為立體物件或是平面物件，並據此進行對應的三維掃描工作或二維掃描工作，因而增加了掃描裝置的使用方便度。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

10‧‧‧物件

100‧‧‧掃描裝置

110‧‧‧旋轉盤

112‧‧‧承載面

120‧‧‧屏幕

122‧‧‧投影面

130‧‧‧感測元件

150‧‧‧光源

152‧‧‧光束

160‧‧‧調整機構

170‧‧‧支撐架

A1‧‧‧旋轉軸

Claims (15)

1. 一種掃描裝置，適於對一物件進行一二維掃描工作或一三維掃描工作，該掃描裝置包括：一旋轉盤，具有一承載面，並經配置以沿一旋轉軸旋轉，該物件適於設置於該承載面上；一支撐架，其一端配置該旋轉盤；一調整機構，配置於該支撐架相對於該旋轉盤的另一端；一感測元件，設置於該調整機構上，用以產生一第一感測訊號或一第二感測訊號；以及一控制單元，耦接該感測元件、該調整機構以及該旋轉盤，以依據該第一感測訊號驅動該旋轉盤旋轉，並驅動該感測元件對該物件進行該三維掃描工作，或依據該第二感測訊號控制該調整機構帶動該感測元件旋轉一特定角度，使該感測元件朝向該承載面，以對該物件進行該二維掃描工作。
2. 如申請專利範圍第1項所述的掃描裝置，更包括一屏幕，設置於該旋轉盤的一端，且該屏幕與該支撐架分別位於該旋轉盤的相對兩端。
3. 如申請專利範圍第2項所述的掃描裝置，其中該感測元件經配置以旋轉於一第一位置以及一第二位置之間，當該感測元件旋轉至該第一位置時，該感測元件朝向該屏幕，當該感測元件旋轉至該第二位置時，該感測元件朝向該承載面。
4. 如申請專利範圍第2項所述的掃描裝置，其中當該物體設 置於該承載面上時，若該感測元件感測到該屏幕的一屏幕影像改變，則產生該第一感測訊號，若該感測元件感測到該屏幕影像未改變，則產生該第二感測訊號。
5. 如申請專利範圍第2項所述的掃描裝置，其中該屏幕包括一投影面，該投影面垂直於該承載面。
6. 如申請專利範圍第1項所述的掃描裝置，其中該三維掃描工作包括該控制單元驅動該旋轉盤旋轉該物件至多個方位，並控制該感測元件擷取該物件於該些方位的多個物件影像，以依據該些物件影像對應該些方位而建立關聯於該物件的一數位三維模型。
7. 如申請專利範圍第6項所述的掃描裝置，其中該旋轉盤沿著該旋轉軸依序旋轉多個預設角度，以將該物件依序旋轉至該些方位。
8. 如申請專利範圍第7項所述的掃描裝置，其中該些預設角度的總和為180度。
9. 如申請專利範圍第6項所述的掃描裝置，其中該控制單元比對該物件於該旋轉盤的一初始方位所對應的一初始物件影像與該物件旋轉至一最終方位所對應的一最終物件影像而獲得該些物件影像的一中心軸。
10. 如申請專利範圍第2項所述的掃描裝置，其中該掃描裝置更包括：一光源，用以沿著平行該承載面的方向發出一光束，該屏幕 設置於該光束的一傳遞路徑上，該旋轉盤位於該光源與該屏幕之間。
11. 如申請專利範圍第10項所述的掃描裝置，其中該三維掃描工作更包括該控制單元驅動該旋轉盤旋轉該物件至多個方位，以於該屏幕上形成該物件分別對應於該些方位的多個物件輪廓影像，並控制該感測元件擷取該些物件輪廓影像，以依據該些物件輪廓影像對應該些方位而建立關聯於該物件的一數位三維模型。
12. 如申請專利範圍第1項所述的掃描裝置，其中該感測元件為一黑白影像感測元件。
13. 如申請專利範圍第1項所述的掃描裝置，其中該二維掃描工作包括該控制單元控制該感測元件擷取該物件的一物件影像，以依據該物件影像而建立關聯於該物件的一數位二維掃描檔案。
14. 如申請專利範圍第1項所述的掃描裝置，其中該掃描裝置更包括：一光源，用以沿著平行該承載面的方向發出一光束。
15. 如申請專利範圍第14項所述的掃描裝置，其中當該物件設置於該承載面上時，若該感測元件感測到該光束的反射，則產生該第一感測訊號，若該感測元件未感測到該光束的反射，則產生該第二感測訊號。