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TWI638136B - 三維影像量測系統 - Google Patents

三維影像量測系統 Download PDF

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TWI638136B
TWI638136B TW106128064A TW106128064A TWI638136B TW I638136 B TWI638136 B TW I638136B TW 106128064 A TW106128064 A TW 106128064A TW 106128064 A TW106128064 A TW 106128064A TW I638136 B TWI638136 B TW I638136B
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optical
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陳郁文
汪德美
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財團法人工業技術研究院
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Abstract

一種三維影像量測系統包括第一光學系統以及第二光學系統。第一光學系統適於輸出結構光束以及中心光束，兩者之間具有夾角。第一光學系統進行一光學操作以將結構光束投射至立體物件從而取得立體物件的三維資訊。第二光學系統適於接收中心光束，並且利用中心光束進行另一光學操作。第一光學系統包括多個光學元件。結構光束與中心光束之間的夾角的大小是依據元件的位置參數來決定。

Description

三維影像量測系統
本發明是有關於一種三維影像量測系統。
近年來，利用三維掃描重建模型技術來量測目標物件的立體影像已廣泛地被應用到各個層面。三維掃描重建模型技術大致上可以分作以下幾類：被動式立體重建(passive stereo)、主動式立體重建(active stereo)、光影重建表面(shape from shading)與光度立體重建(photometric stereo)。其中，主動式立體重建法是利用額外的光源或是雷射投射器(laser projector)來對要重建三維影像的物體作掃描，相較於被動式立體顯現法，主動式立體重建法對於影像中對應點的計算較容易，並且其影像的正確性也較高。
然而，在現有的三維影像量測系統中，額外的光源或是雷射投射器所提供的光束經過繞射元件後，所述光束會產生結構光束以及中心光束。並且，中心光束會在結構光束的投影畫面中產生中心亮點。此中心亮點會影響投影畫面的品質，並且中心光束無法加以利用，造成能量的浪費。
本發明提供一種複合式三維影像量測系統，其投影畫面品質良好，可整合不同的光學操作在同一系統中。
本發明的三維影像量測系統包括第一光學系統以及第二光學系統。第一光學系統適於輸出結構光束(Structured light beam)以及中心光束，兩者之間具有夾角。第一光學系統進行一光學操作以將結構光束投射至立體物件從而取得立體物件的三維資訊。第二光學系統適於接收中心光束，並且利用中心光束進行另一光學操作。第一光學系統包括多個光學元件。結構光束與中心光束之間的夾角的大小是依據元件的位置參數來決定。
基於上述，在本發明的示範實施例中，第一光學系統輸出結構光束以及中心光束，並且利用結構光束進行一光學操作。第二光學系統接收中心光束，並且利用中心光束進行另一光學操作。中心光束不影響結構光束的投影畫面，因此，本發明的示範實施例之三維影像量測系統，其投影畫面品質良好，可整合不同的光學操作在同一量測系統中。
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。
100A、100B、200A、200B、300‧‧‧三維影像量測系統
110、210A、210B‧‧‧第一光學系統
112、212‧‧‧繞射光學元件
114、214‧‧‧光束整型元件
116、216‧‧‧投射光源模組
118‧‧‧準直鏡
120、220‧‧‧第二光學系統
122、222‧‧‧掃描鏡元件
211‧‧‧光閘元件
213‧‧‧反射鏡元件
218‧‧‧第一接收器
224‧‧‧第二接收器
400‧‧‧車輛
710‧‧‧駕駛
810、820‧‧‧立體物件
910、920‧‧‧目標物件
A‧‧‧光軸
D、d‧‧‧距離
D1、D2‧‧‧方向
E‧‧‧下邊緣
EL‧‧‧邊緣光束
IL1、IL2‧‧‧光束
P‧‧‧中心位置
R1‧‧‧第一參考平面
R2‧‧‧第二參考平面
ROI‧‧‧感興趣區域
SL‧‧‧結構光束
SM‧‧‧結構光圖案
X、Y、Z‧‧‧座標軸
ZOL‧‧‧中心光束
θ‧‧‧夾角
圖1繪示本發明一示範實施例之反向複合式的三維影像量測系統的概要示意圖。
圖2繪示本發明一示範實施例之同向複合式的三維影像量測系統的概要示意圖。
圖3繪示本發明一示範實施例之複合式的三維影像量測系統的概要示意圖。
圖4繪示圖3示範實施例之光束整型元件在第二參考平面上的投影與結構光圖案的概要示意圖。
圖5繪示本發明一示範實施例之汽車駕駛輔助裝置的概要示意圖。
圖6繪示本發明另一示範實施例之複合式的三維影像量測系統的概要示意圖。
圖7繪示圖6示範實施例之投影在第二參考平面上的結構光圖案的概要示意圖。
在本發明的示範實施例中，三維影像量測系統包括兩個光學系統。第一光學系統進行一光學操作並且輸出中心光束，第二光學系統利用第一光學系統所輸出中心光束進行另一光學操作。舉例而言，三維影像量測系統包括離軸式(Off-axis)的結構光投影系統以及微機電系統掃描系統。離軸式的結構光投影系統可將中心亮點(zero order)與結構光圖案(Structured light pattern) (可作為投影畫面)分離，並且，將中心光束輸出給微機電系統掃描系統。微機電系統掃描系統再利用中心光束對相同或不同的目標物件進行掃描操作，從而與離軸式的結構光投影系統形成複合式的三維影像量測系統進行三維影像量測與重建。所述三維影像量測系統可排除在現有技術中中心亮點對結構光圖案所造成的影像，並且可針對不同的應用情境選用離軸式的結構光投影系統及/或微機電系統掃描系統對目標物件進行。以下將例示多個示範實施例以說明本發明的三維影像量測系統。
圖1繪示本發明一示範實施例之反向複合式的三維影像量測系統的概要示意圖。請參考圖1，本實施例之三維影像量測系統100A包括第一光學系統110以及第二光學系統120。第一光學系統110包括投射光源模組116、繞射光學元件(Diffractive Optical Element，DOE)112以及光束整型元件(Beam Shaping Element，BSE)114。投射光源模組116輸出光束IL1給繞射光學元件112。在本實施例中，投射光源模組116與繞射光學元件112之間有一元件118為準直鏡(collimator)，可與投射光源模組116合稱投射光源模組。在本實施例中，繞射光學元件112可依不同的應用設計成不同的功能，例如包括分光功能、聚光功能及折光功能等功能。在本實施例中，投射光源模組116例如包括雷射二極體，以提供雷射光束做為光束IL1。光束IL1傳遞至繞射光學元件112且被繞射。繞射光學元件112將光束分為結構光束SL以及中心光束ZOL。結構光束SL投射至目標物件910(立體物件)，在其表面產 生結構光圖案，作為投影畫面，以取得目標物件910的三維資訊，並且量測與重建目標物件910的三維影像。中心光束ZOL傳遞至光束整型元件114，其係對應光束IL1經繞射後在結構光圖案之外產生的中心亮點。
在本實施例中，結構光束SL的功率約占光束IL1的功率的85%至90%，中心光束ZOL的功率約占光束IL1的功率的10%至15%。結構光束SL以及中心光束ZOL相對於光束IL1的功率占比僅用以例示說明，不用以限定本發明。在本實施例中，第二光學系統120例如包括時差測距(Time-of-flight，TOF)系統、相位移位(Phase Shift)系統、三角測距(Triangulation)系統或微機電系統掃描(Microelectromechanical Systems scanning，MEMS scanning)系統。本實施例以微機電系統掃描系統為例，第二光學系統120包括微機電系統掃描系統的掃描鏡(scanning mirror)元件122。第一光學系統110的光束整型元件114重整中心光束ZOL的光形，並且將中心光束ZOL折射、聚焦至第二光學系統120中的掃描鏡元件122。掃描鏡元件122再對目標物件920進行掃描操作，以量測與重建目標物件920的三維影像。在本實施例中，第二光學系統120可包括其他適合的元件與掃描鏡元件122協同完成三維影像的量測與重建，其詳細步驟及實施方式可以由所屬技術領域的通常知識獲致足夠的教示、建議與實施說明。
在本實施例中，從繞射光學元件112輸出的結構光束SL以及中心光束ZOL大致上沿著方向D1傳遞，從掃描鏡元件122 輸出的光束IL2大致上沿著方向D2傳遞。方向D1與方向D2反向。在一實施例中，光束IL2的傳遞方向也可與方向D1相同。
圖2繪示本發明一示範實施例之同向複合式的三維影像量測系統的概要示意圖。請參考圖1及圖2，在同向複合式的三維影像量測系統100B中，光束整型元件114重整中心光束ZOL的光形，並且將中心光束ZOL反射、聚焦至第二光學系統120中的掃描鏡元件122。掃描鏡元件122再對目標物件920進行掃描操作，以量測與重建目標物件920的三維影像。在本實施例中，從掃描鏡元件122輸出的光束IL2大致上沿著方向D1傳遞，其傳遞方向與結構光束SL以及中心光束ZOL相同。
在圖1及圖2的實施例中，中心光束ZOL都在作為投影畫面的結構光圖案之外，因此光束IL1經繞射後產生的中心亮點不會影響投影畫面的品質。並且，中心光束ZOL可被第二光學系統120再利用，例如作為進行時差測距操作、相位移位操作、三角測距操作或者微機電系統掃描操作時所需要的光源。在本發明的示範實施例中，第二光學系統120可包括適合的光學元件來進行時差測距操作、相位移位操作、三角測距操作、微機電系統掃描操作或者結構光三維影像量測操作，其詳細步驟及實施方式可以由所屬技術領域的通常知識獲致足夠的教示、建議與實施說明。
圖3繪示本發明一示範實施例之複合式的三維影像量測系統的概要示意圖。本實施例之三維影像量測系統200A包括第一光學系統210A以及第二光學系統220。第一光學系統210A包括 投射光源模組216、繞射光學元件212、光束整型元件214以及第一接收器218。繞射光學元件212及光束整型元件214設置在光軸A上。第二光學系統220包括掃描鏡元件222以及第二接收器224。在本實施例中，第一光學系統210A輸出結構光束SL以及中心光束ZOL。結構光束SL與中心光束ZOL之間具有一夾角θ。第一光學系統210A進行一光學操作以將結構光束SL投射至立體物件810從而取得立體物件810的三維資訊，並且量測及重建其三維影像。第二光學系統220接收中心光束ZOL，並且利用中心光束ZOL進行另一光學操作，例如對立體物件820進行微機電系統掃描操作。在一實施例中，第二光學系統220也可包括其他適合的光學元件，以進行時差測距操作、相位移位操作、三角測距操作或者結構光三維影像量測操作。
在本實施例中，結構光束SL與中心光束ZOL之間的夾角θ的大小是依據第一光學系統210A中的光學元件的位置參數來決定，例如依據繞射光學元件212及光束整型元件214的位置參數來決定。具體而言，圖4繪示圖3示範實施例之光束整型元件在第二參考平面上的投影與結構光圖案的概要示意圖。請同時參考圖3及圖4，在本實施例中，繞射光學元件212設置在第一參考平面R1上。結構光束SL投射在第二參考平面R2上並且產生結構光圖案。光軸A垂直第一參考平面R1與第二參考平面R2。第一參考平面R1與第二參考平面R2之間的距離為D。光束整型元件214在第二參考平面R2上的投影的中心位置與結構光圖案 SM之間的距離為d。結構光束SL與中心光束ZOL之間的夾角為θ。在本實施例中，距離D、距離d以及夾角θ符合第一關係式d=D×tan θ。此外，在本實施例中，光束整型元件214在第二參考平面R2上的投影高度為h。投影高度h以及距離d符合第二關係式d>h/2。距離D、距離d以及投影高度h例如是微米或毫米大小的數量級，本範例實施例並不加以限制。
在本實施例中，結構光束SL包括對應結構光圖案SM的下邊緣E的邊緣光束EL。結構光束SL與中心光束ZOL之間的夾角θ是邊緣光束EL與光軸A之間的夾角。光束整型元件214在第二參考平面R2上的投影與結構光圖案SM之間的距離d是光束整型元件214在第二參考平面R2上的投影的中心位置P與結構光圖案SM的下邊緣E之間的距離。
在本實施例中，結構光束SL被立體物件810反射並且從立體物件810朝向第一接收器218傳遞(第一方向)，入射第一接收器218。中心光束ZOL投射至立體物件820(目標物件)。中心光束ZOL被立體物件820反射，並且從立體物件820朝向第二接收器224傳遞(第二方向)，入射第二接收器224。因此，在本實施例中，結構光束SL與中心光束ZOL以不同的傳遞方向入射至其對應的接收器。在本實施例中，第一接收器218以及第二接收器224例如分別包括電荷耦合元件影像感測器(charge coupled device image sensor，CCD image sensor)或互補式金屬氧化物半導體(complementary metal oxide semiconductor，CMOS)影像感 測器等類似的裝置，本發明並不加以限制。
圖5繪示本發明一示範實施例之汽車駕駛輔助裝置的概要示意圖。請參考圖5，本實施例之複合式的三維影像量測系統300可應用在車輛400中，作為汽車駕駛輔助裝置。三維影像量測系統300配置在車輛400中。三維影像量測系統300的第一光學系統適於偵測車輛400的駕駛710的臉部表情及/或肢體動作等狀態，以作為近距離(車內)駕駛行為監控系統。第二光學系統適於利用中心光束ZOL對車輛前方的物體及車外場景進行三維影像量測，例如與另一車輛(未繪示)進行時差測距操作，以作為遠距離(車外)安全測距系統，偵測車輛400與前方車輛之間的距離與相對的運動狀態。
圖6繪示本發明另一示範實施例之複合式的三維影像量測系統的概要示意圖。圖7繪示圖6示範實施例之投影在第二參考平面上的結構光圖案的概要示意圖。本實施例之三維影像量測系統200B包括第一光學系統210B以及第二光學系統220。第一光學系統210B包括投射光源模組216、繞射光學元件212、光束整型元件214、第一接收器218、光閘(shutter)元件211以及反射鏡元件213。投射光源模組216、繞射光學元件212、光束整型元件214、光閘元件211以及反射鏡元件213設置在光軸A上。第二光學系統220包括掃描鏡元件222以及第二接收器224。
在本實施例中，第一接收器218、光閘元件211以及第二接收器224例如受控於控制器(未繪示)。當所述控制器控制光閘 元件211關閉時，來自光束整型元件214的中心光束ZOL無法通過光閘元件211。於此同時，所述控制器致能第一接收器218，並且禁能第二接收器224，從而控制第一光學系統210B在此時進行結構光三維影像量測操作，以量測並且重建立體物件810的三維影像。另一方面，當所述控制器控制光閘元件211開啟時，來自光束整型元件214的中心光束ZOL可通過，並且傳遞至反射鏡元件213。反射鏡元件213將中心光束ZOL反射至掃描鏡元件222，從而第二光學系統220在此時進行微機電系統掃描操作。於此同時，所述控制器禁能第一接收器218，並且致能第二接收器224，以接收來自立體物件810所反射的中心光束ZOL。在本實施例中，所述控制器控制第一光學系統210B以及第二光學系統220分別在不同的時間區間進行結構光三維影像量測操作以及微機電系統掃描操作的步驟可隨著時間的進行交替進行，本發明並不加以限制。
在本實施例中，結構光束SL被立體物件810反射並且從立體物件810朝向第一接收器218傳遞(第一方向)，入射第一接收器218。中心光束ZOL投射至立體物件810。中心光束ZOL被立體物件810反射，並且從立體物件810朝向第二接收器224傳遞(第一方向)，入射第二接收器224。因此，在本實施例中，結構光束SL與中心光束ZOL以相同的傳遞方向入射至其對應的接收器。
在本實施例中，結構光束SL投射在第二參考平面R2上的結構光圖案SM，如圖7所示。掃描鏡元件222可將中心光束 ZOL投射至結構光圖案SM上的感興趣區域(Region of Interest，ROI)ROI，以針對結構光圖案SM特定的區域作解析。
綜上所述，在本發明的示範實施例中，第一光學系統將來自投射光源模組分離為結構光束以及中心光束。中心光束與結構光束之間距有一夾角，因此，中心光束形成的中心亮點不會影響結構光束的投影畫面。第一光學系統利用結構光束進行一光學操作。第二光學系統接收中心光束，並且利用中心光束進行另一光學操作。中心光束不影響結構光束的投影畫面，因此，本發明的示範實施例之三維影像量測系統，其投影畫面品質良好，可整合不同的光學操作在同一量測系統中。
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。

Claims (13)

  1. 一種三維影像量測系統，包括： 一第一光學系統，適於輸出一結構光束以及一中心光束，兩者之間具有一夾角，其中該第一光學系統進行一光學操作以將該結構光束投射至一立體物件從而取得該立體物件的三維資訊；以及 一第二光學系統，適於接收該中心光束，並且利用該中心光束進行另一光學操作， 其中該第一光學系統包括多個光學元件，該結構光束與該中心光束之間的該夾角的大小是依據該些光學元件的位置參數來決定。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的三維影像量測系統，其中該第一光學系統包括一繞射光學元件以及一光束整型元件，以及該結構光束與該中心光束之間的該夾角的大小是依據該繞射光學元件的位置參數以及該光束整型元件的位置參數來決定。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的三維影像量測系統，其中該繞射光學元件設置在一第一參考平面上，該結構光束投射在一第二參考平面上並且產生一結構光圖案，該第一參考平面與該第二參考平面之間的距離為D，該光束整型元件在該第二參考平面上的投影與該結構光圖案之間的距離為d，以及該結構光束與該中心光束之間的該夾角為θ，其中該距離D、該距離d以及該夾角θ符合第一關係式d=D×tanθ。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的三維影像量測系統，其中該光束整型元件在該第二參考平面上的投影高度為h，並且該投影高度h以及該距離d符合第二關係式d＞h/2。
  5. 如申請專利範圍第3項所述的三維影像量測系統，其中該繞射光學元件以及該光束整型元件設置在該第一光學系統的一光軸上，以及該光軸垂直該第一參考平面與該第二參考平面。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的三維影像量測系統，其中該結構光束包括對應該結構光圖案的邊緣的一邊緣光束，該結構光束與該中心光束之間的該夾角θ是該邊緣光束與該光軸之間的夾角，以及該光束整型元件在該第二參考平面上的投影與該結構光圖案之間的該距離d是該光束整型元件在該第二參考平面上的投影的一中心位置與該結構光圖案的邊緣之間的距離。
  7. 如申請專利範圍第2項所述的三維影像量測系統，其中該第一光學系統更包括一投射光源模組，適於輸出一光束，該光束傳遞至該繞射光學元件且被繞射，該繞射光學元件將該光束分為該結構光束以及該中心光束，以及該光束整型元件將該中心光束聚焦至該第二光學系統中的一光學元件。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的三維影像量測系統，其中該第一光學系統包括一第一接收器，該結構光束被該立體物件反射並且從一第一方向入射該第一接收器，以及該第二光學系統包括一第二接收器，該中心光束投射至一目標物件並且被該目標物件反射從該第一方向入射該第二接收器。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的三維影像量測系統，更包括： 一光閥元件，設置在該光束整型元件的一光束輸出側，其中該中心光束從該光束整型元件的該光束輸出側傳遞至該光閥元件並且該光閥元件適於控制該中心光束通過或不通過；以及 一控制器，電性連接至該第一接收器、該光閘元件以及該第二接收器，適於控制該第一接收器、該光閘元件以及該第二接收器，其中當該控制器控制該光閥元件關閉的同時，該控制器致能該第一接收器並且禁能該第二接收器，以及當該控制器控制該光閥元件開啟的同時，該控制器禁能該第一接收器並且致能該第二接收器。
  10. 如申請專利範圍第8項所述的三維影像量測系統，其中該結構光束投射在一參考平面並且產生一結構光圖案，以及該中心光束投射至該結構光圖案上的一感興趣區域。
  11. 如申請專利範圍第1項所述的三維影像量測系統，其中該第一光學系統包括一第一接收器，該結構光束被該立體物件反射並且從一第一方向入射該第一接收器，以及該第二光學系統包括一第二接收器，該中心光束投射至一目標物件並且被該目標物件反射從一第二方向入射該第二接收器，其中該第一方向與該第二方向不相同。
  12. 如申請專利範圍第11項所述的三維影像量測系統，其中該第一光學系統以及該第二光學系統配置在一車輛中，該第一光學系統適於偵測該車輛的駕駛的臉部表情及/或肢體動作，以及該第二光學系統適於利用該中心光束對該車輛前方的物體及環境進行三維影像量測操作，以偵測該車輛與其前方的物體之間的距離與相對運動狀態。
  13. 如申請專利範圍第1項所述的三維影像量測系統，其中該第二光學系統利用該中心光束所進行的該另一光學操作是選自時差測距操作、相位移位操作、三角測距操作以及微機電系統掃描操作四者其中之一。
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