TWI834493B - 基於多組編碼圖案的三維重建系統及方法 - Google Patents
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Abstract
基於多組編碼圖案的三維重建方法包括:投影機投影不同的編碼圖案至目標物體,第一相機和第二相機拍攝目標物體產生多個照片集合,處理器解碼這些照片集合產生多個解碼圖集合,處理器在每個解碼圖集合中找到具有相同解碼值的多個像素對,每個像素對包括第一像素及第二像素,依據第一(二)像素的座標在非當前解碼圖集合的第一(二)照片中找到第一(二)對應像素,當第一對應像素及第二對應像素具有不同的解碼值時,累加錯誤計數,當錯誤計數超過閾值時,刪除當前像素對,以未被刪除的多個可用像素對進行三維重建。
Description
本發明係關於結構光、立體視覺及光學檢測,特別是一種基於多組編碼圖案的三維重建系統及方法。
現有的結構光三維重建技術是藉由投影機主動投影編碼圖案於目標物體上,接著以相機擷取因物體表面形貌而變形的投影圖案,再藉由相機與投影機的相對位置,以三角量測法計算出物體形貌的三維點雲。
然而,現有的結構光三維重建技術的空間解析度取決於投影機的解析度,當目標物體的細節小於投影機的解析度時,就無法重建出正確的形貌。例如:若目標物體的尺寸過小,且投影機因焦距限制而無法拉近拍攝距離,造成投影至目標物體上的編碼圖案相對目標物體過大,導致採樣不足,從而無法重建目標物體的原始樣貌。例如:為了拍攝完整的大型物體,使相機及投影機工作距離拉遠,讓物體本身的小細節無法被重建。另一方面,如果使用高解析度的投影機,則會增加硬體成本。因此,現有的結構光三維重建技術的精度受限於投影機的解析度以及投影機、相機的校正結果,以致於量測精度難以提升。
有鑑於此,本發明提出一種基於多組編碼圖案的三維重建系統及方法,在不增加硬體成本及計算成本的前提下,提高空間解析度及三維重建精度。
依據本發明一實施例的一種基於多組編碼圖案的三維重建方法,包括:在多個時間點,以投影機分別投影多組編碼圖案至目標物體,這些編碼圖案係以不同編碼方式產生或依據基本編碼圖案的平移或旋轉而產生;在投影所述多組編碼圖案於目標物體時,以第一相機及第二相機拍攝目標物體以產生多個照片集合;以處理器依據所述多個照片集合進行解碼產生多個解碼圖集合,所述多個解碼圖集合的每一者包括對應第一相機的第一解碼圖及對應第二相機的第二解碼圖;以處理器在所述多個解碼圖集合的每一者取得多個像素對,所述多個像素對的每一者包括位於第一解碼圖的第一像素及位於第二解碼圖的第二像素,第一像素及第二像素具有相同的解碼值;以及以處理器基於所述多個解碼圖集合的每一者的所述多個像素對進行三維重建。
依據本發明一實施例的一種基於多組編碼圖案的三維重建方法,包括:在多個時間點,以投影機分別投影多組編碼圖案至目標物體;在所述多個時間點,以第一相機及第二相機拍攝目標物體以產生多個照片集合;以處理器依據所述多個照片集合進行解碼產生多個解碼圖集合,所述多個解碼圖集合的每一者包括對應第一相機的第一解碼圖及對應第二相機的第二解碼圖;以處理器在所述多個解碼圖集合的每一者取得多個像素對,所述多個像素對的每一者包括位於第一解碼圖的第一像素及位
於第二解碼圖的第二像素,第一像素及第二像素具有相同的解碼值;以處理器依據候選解碼圖集合執行一篩選程序,其中候選解碼圖集合為所述多個解碼圖集合的每一者,且篩選程序包括:在候選像素對中,取得第一像素的第一座標及第二像素的第二座標,其中候選像素對是候選解碼圖集合的所述多個像素對的每一者;依據第一座標在非候選解碼圖集合的第一解碼圖中找到第一對應像素,依據第二座標在非候選解碼圖集合的第二解碼圖中找到第二對應像素,其中非候選解碼圖集合包括所述多個解碼圖集合中除了候選解碼圖集合以外的每一者;當第一對應像素及第二對應像素具有不同的解碼值時,累加一錯誤計數;及當錯誤計數超過一閾值時,刪除候選像素對;以及以處理器基於所述多個解碼圖集合的每一者的多個可用像素對進行三維重建,其中所述多個可用像素對包括未被刪除的所述多個像素對。
依據本發明一實施例的一種基於多組編碼圖案的三維重建方法,包括:在多個時間點,以投影機分別投影多組編碼圖案至目標物體;在所述多個時間點,以第一相機及第二相機拍攝目標物體以產生多個照片集合;以處理器依據所述多個照片集合進行解碼產生多個解碼圖集合,所述多個解碼圖集合的每一者包括對應第一相機的第一解碼圖及對應第二相機的第二解碼圖;以處理器在所述多個解碼圖集合的每一者取得多個像素對,所述多個像素對的每一者包括位於第一解碼圖的第一像素及位於第二解碼圖的第二像素,第一像素及第二像素具有相同的解碼值;以處理器依據候選解碼圖集合執行一篩選程序,其中候選解碼圖集合為所述多個解碼圖集合的每一者,且篩選程序包括:在候選像素對中,依據第一像素在候選解碼圖集合的第二解碼圖中找到第一極
線,或依據第二像素在候選解碼圖集合的第一解碼圖中找到第二極線;及當第二像素與第一極線之間的距離超過一距離閾值時,或當第一像素與第二極線之間的距離超過距離閾值時,刪除候選像素對;以及以處理器基於所述多個解碼圖集合的每一者的多個可用像素對進行三維重建,其中所述多個可用像素對包括未被刪除的所述多個像素對。
本發明可增加三維空間中的點雲解析度,同時去除不當的雜訊干擾以改善三維重建的結果。本發明提出的方法不需要昂貴的設備及複雜的合併演算法,但依然可以達成工業上檢測所需要的高精度、高空間解析度及低雜訊的要求。
以上之關於本揭露內容之說明及以下之實施方式之說明係用以示範與解釋本發明之精神與原理,並且提供本發明之專利申請範圍更進一步之解釋。
100:基於多組編碼圖案的三維重建系統
10:投影機
20:第一相機
30:第二相機
40:處理器
50:目標物體
52:待重建的部分
S1~S6:步驟
x mn :第一像素(的座標)
C l ,C r :相機中心
l mn :第一極線
圖1是依據本發明一實施例的基於多組編碼圖案的三維重建系統及其運作示意圖;圖2是依據本發明一實施例的基於多組編碼圖案的三維重建方法的流程圖;圖3是依據本發明一實施例的多組編碼圖案的示意圖;圖4是像素對在多組編碼圖集合的範例;以及圖5是像素與其對應極線的示意圖。
以下在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點,其內容足以使任何熟習相關技藝者了解本發明之技術內容並據以實施,且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式,任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明相關之目的及優點。以下之實施例係進一步詳細說明本發明之觀點,但非以任何觀點限制本發明之範疇。
圖1是依據本發明一實施例的基於多組編碼圖案的三維重建系統及其運作示意圖。所述系統100包括投影機10、第一相機20、第二相機30以及處理器40。所述系統100基於結構光技術對目標物體50進行三維重建,待重建的部分52是投影機投射至目標物體50的光線、第一相機20的拍攝視角(field of view,FOV)以及第二相機30的拍攝視角等三者重疊的區域。
在一實施例中,處理器40例如為個人電腦、平板電腦、智慧型手機、微控制器、特殊應用積體電路(Application specific integrated circuit,ASIC)或任何可以透過指令執行本發明一實施例的基於多組編碼圖案的三維重建方法,並且控制投影機10及相機20,30的電子裝置。本發明不限制用於實現處理器40的硬體類型。
圖2是依據本發明一實施例的基於多組編碼圖案的三維重建方法的流程圖,包括步驟S1至步驟S6。所述方法可使用圖1的系統100執行,以下說明每個步驟及其執行裝置。
步驟S1,處理器40產生多組彼此不同的編碼圖案。
在一實施例中,以多個角度旋轉基本編碼圖案組可滿足產生不同編碼圖案的需求。圖3是依據本發明一實施例的多組(三組)編
碼圖案的示意圖,其中第一列的多個圖案代表基本編碼圖案組,將基本編碼圖案組旋轉10度可產生第二列的編碼圖案組,旋轉20度可產生第三列的編碼圖案組。在一實施例中,基本編碼圖案組中的圖案可採用二元結構光序列,或是格雷碼(Gray code)結構光序列等多種編碼方法。本發明不限制旋轉角度的數值、編碼方法或是編碼圖案組的數量。
步驟S2,投影機10在多個時間點分別投影多組編碼圖案至目標物體50,第一相機20和第二相機30拍攝目標物體50以產生多個照片集合。
在一實施例中,投影機10開始投影第i組編碼圖案組中的所有圖案,其中i=1,2,3,...,M,M代表編碼圖案組的數量。每當投影機10投影一組圖案至目標物體50,處理器40便控制第一相機20拍攝第一組照片,控制第二相機30拍攝第二組照片。依據相同編碼圖案組拍攝的第一組照片及第二組照片合稱為一個照片集合。如果所述多組編碼圖案是採用旋轉方式生成,則旋轉角度與編碼圖案組為一對一對應關係。
步驟S3,處理器40依據多組照片集合產生多組解碼圖集合。如果在步驟S2中投影機10投影M組編碼圖案,則步驟S3中將產生M×2個解碼圖。依據相同編碼圖案組解碼得到的第一解碼圖和第二解碼圖合稱為一個解碼圖集合。
在一實施例中,處理器40採用適應性二值化(adaptive binarization)技術對照片進行二值化,並使用中值濾波器剔除隨機雜訊,最後對畫面中每個像素進行解碼以產生解碼圖。每個解碼圖包括多個像素,每個像素具有處理器40從編碼圖案解碼得到的解碼值。解碼圖
的資料結構例如是矩陣形式,矩陣中的每個元素是解碼值,每個元素所在的位置對應照片中的座標。
步驟S4,處理器40從解碼圖取得多個像素對。一個像素對(pixel pair)具有兩個像素,分別是對應第一相機20的第一解碼圖及第二相機30的第二解碼圖中具有相同解碼值的區域的中心點,這兩個像素分別為彼此的匹配點。在一實施例中,處理器40例如使用查表法,即比對矩陣中相同元素並取得其位置的方式,來實現步驟S4。
步驟S5,處理器40對所述多個像素對執行篩選程序,藉此刪除屬於雜訊的像素對。
在一實施例中,篩選程序包括第一篩選程序及第二篩選程序中的至少一者,但本發明不限制第一篩選程序及第二篩選程序的執行順序。在其他實施例中,可省略篩選程序,從步驟S4取得多個像素對之後進行步驟S6的三維重建。
第一篩選程序的實施細節如下:假設解碼圖集合有M個,則處理器40需要執行M次第一篩選程序。每次執行第一篩選程序時,處理器40選擇一個解碼圖集合作為候選解碼圖集合。假設被選擇的第m個候選解碼圖集合中的解碼圖具有Nm個像素對,則處理器40需要執行Nm次判斷。在每次判斷中,處理器40選擇一個像素對作為候選像素對。在候選像素對中,處理器40取得第一像素的第一座標及第二像素的第二座標。處理器40依據第一(二)座標在非候選解碼圖集合的第一(二)解碼圖中找到第一(二)對應像素,其中非候選解碼圖集合是所有解碼圖集合中除了候選解碼圖集合以外的任一解碼圖集合。當第一對應像素及
第二對應像素具有不同的解碼值時,處理器40累加一錯誤計數。當錯誤計數超過一閾值時,處理器40刪除候選像素對。
整體而言,第一篩選程序是透過比對多個解碼圖集合來驗證當前像素對是否為雜訊。理論上,解碼圖中匹配的像素對具有相同的解碼值,代表第一相機中第一像素與第二相機中第二像素在三維空間中具有相同的空間座標,因此,第一相機中第一像素座標與第二相機中第二像素座標的解碼值即使在不同的編碼圖中仍會彼此相同。具體來說,如下方式一所示:
其中代表第一相機20對應的第i個解碼圖;代表在第二相機30對應的第i個解碼圖;x mn 代表在中第n個像素對的第一像素的座標;代表在中第n個像素對的第二像素的座標;m代表在M組解碼圖中的第m個解碼圖,即m=1,2,3,...,M;N m 代表第m個解碼圖共有N m 個像素對;n代表在N m 個像素對中的第n個像素對,即n=1,2,3,...,N m ;以及i代表在M個解碼圖中,除了第m個解碼圖以外的其他解碼圖,i={1,2,3,...,M}-{m}。
因此,在找出每個解碼圖集合的像素對後,第一篩選程序將候選像素對及其他解碼圖集合代入式一進行檢查。如果式一的相等關係不成立,則標記候選像素對,最後再根據被標記的次數決定候選像素對的異碼率(different code rate,DCR)。異碼率代表候選像素對在M個解碼圖集合有中M’個錯誤的比率,即DCR=M'/M。因此,使用者可以
指定一個閾值T D ,當任一個像素對的DCR超過閾值T D 時,則不以該像素對進行重建,反之則以該像素對進行重建。
總結上述,第一篩選程序基於多個解碼圖及計算每個像素對的異碼率,並刪除異碼率超過指定閾值的像素對。
圖4是像素對在多個解碼圖集合的範例。如圖4所示,第一座標和第二座標在前兩個解碼圖集合中對應到相同的解碼值(解碼圖中每個區塊代表一種解碼值)。然而,由於解碼圖案旋轉的關係,第一座標在第三個解碼圖集合的第一解碼圖中位於區塊的邊界的交點。這代表第一座標可能被解碼成交點周邊的任一個解碼值,從而相異於第二座標的解碼值。而上述的第一篩選程序則可刪除這種情況的像素對。
第二篩選程序的實施細節如下:假設解碼圖集合有M個,則處理器40需要執行M次第二篩選程序。每次執行第二篩選程序時,處理器40選擇一個解碼圖集合作為候選解碼圖集合。假設被選擇的第m個候選解碼圖集合中的解碼圖具有Nm個像素對,則處理器40需要執行Nm次判斷。在每次判斷中,處理器40選擇一個像素對作為候選像素對。在候選像素對中,處理器40依據第一像素在第二解碼圖中找到第一極線,或是依據第二像素在第一解碼圖中找到第二極線。當第一像素與第二極線之間的距離超過一距離閾值時,或當第二像素與第一極線之間的距離超過該距離閾值時,處理器40刪除候選像素對。
整體而言,第二篩選程序是基於極線幾何(epipolar)的原理來驗證當前像素對是否為雜訊。如圖5所示,第一像素x mn 的匹配點
位於第二解碼圖的第一極線l mn 上,而第二像素的匹配點x mn 位於第一解碼圖的第二極線上。
一組良好的像素對x mn 和必須符合極線幾何的特性。然而,考慮到相機立體校正上的誤差,導致匹配點不一定位於對應的極線上。因此,在本發明一實施例的第二篩選程序中,提出距離閾值T E 作為匹配點與對應極線的距離限制,如果匹配點與對應極線的距離大於T E ,則該匹配點被視為雜訊。
總結上述,第二篩選程序基於極線幾何驗證每個像素對,並刪除匹配點與對應極線距離太遠的像素對。
步驟S6,處理器40依據多個可用像素對進行三維重建。步驟S4取得的多個像素對經過步驟S5刪除了一部分,剩下的部分稱為可用像素對。雖然,依據不同的編碼圖案會產生不同的解碼圖以及不同的像素對,但是它們具有相同的坐標系。因此,僅需直接將點雲疊合即可。在一實施例中,可使用三角量測法進行點雲重建
綜上所述,本發明提出的基於多組編碼圖案的三維重建系統及方法,使用者可根據需求增加編碼圖案的數量以提升空間解析度,再藉由本發明提出的篩選程序刪除異常的匹配點,從而取得更高的重建精度。本發明提出的方法不需要昂貴的設備及複雜的合併演算法,但依然可以達成工業上檢測所需要的高精度、高空間解析度及低雜訊的要求。本發明適用於數位3D掃描機及數位光學3D列印機,此外也適用於產品檢測,如汽車、工具機加工零組件等三維尺寸量測,以及模具開發。
雖然本發明以前述之實施例揭露如上,然其並非用以限定本發明。在不脫離本發明之精神和範圍內,所為之更動與潤飾,均屬本發明之專利保護範圍。關於本發明所界定之保護範圍請參考所附之申請專利範圍。
S1~S6:步驟
Claims (2)
- 一種基於多組編碼圖案的三維重建方法,包括:在多個時間點,以投影機分別投影多組編碼圖案至目標物體;在該些時間點,以第一相機及第二相機拍攝該目標物體以產生多個照片集合;以處理器依據該些照片集合進行解碼產生多個解碼圖集合,該些解碼圖集合的每一者包括對應該第一相機的第一解碼圖及對應該第二相機的第二解碼圖;以處理器在該些解碼圖集合的每一者取得多個像素對,該些像素對的每一者包括位於該第一解碼圖的第一像素及位於該第二解碼圖的第二像素,該第一像素及該第二像素具有相同的解碼值;以該處理器依據候選解碼圖集合執行一篩選程序,其中該候選解碼圖集合為該些解碼圖集合的每一者,且該篩選程序包括:在候選像素對中,取得該第一像素的第一座標及該第二像素的第二座標,其中該候選像素對是該候選解碼圖集合的該些像素對的每一者;依據該第一座標在非候選解碼圖集合的該第一解碼圖中找到第一對應像素,依據該第二座標在該非候選解碼圖集合的該第二解碼圖中找到第二對應像素,其中該非候選解碼圖集合包括該些解碼圖集合中除了該候選解碼圖集合以外的每一者;當該第一對應像素及該第二對應像素具有不同的解碼值時,累加一錯誤計數;及當該錯誤計數超過一閾值時,刪除該候選像素對;以及以該處理器基於該些解碼圖集合的每一者的多個可用像素對進行三維重建, 其中該些可用像素對包括未被刪除的該些像素對。
- 如請求項1所述基於多組編碼圖案的三維重建方法,其中該些編碼圖案係以不同編碼方式產生或依據一基本編碼圖案的平移或旋轉而產生。
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