TWI604411B - 基於結構光的曝光控制方法及曝光控制裝置 - Google Patents

Description

基於結構光的曝光控制方法及曝光控制裝置

本發明是有關於一種曝光控制方法及曝光控制裝置，且特別是有關於一種基於結構光的曝光控制方法及曝光控制裝置。

在電腦圖學的領域中，針對物體外觀輪廓的幾何量測技術在現今的應用上，舉凡工業設計、逆向工程、製造零件檢測、數位文物典藏、文物遺跡考古等均有三維取像與資料分析的需求。

以現有基於時間編碼的結構光（time-coded structured light）而言，其可提供相當精細的立體掃描結果。此種掃描方式是利用不同相位移以及頻率的結構光投射到物體表面，再利用影像擷取裝置擷取因物體表面輪廓而造成變形的結構光的多張影像，以藉由影像分析得到物體的完整表面資訊。然而，在投射具有結構光的圖樣到物體表面時可能因為曝光過度造成錯誤立體資訊，或因為曝光不足而造成信心度過低而計算出錯誤率高的立體資訊。

本發明提供一種基於結構光的曝光控制方法及曝光控制裝置，用以控制曝光條件以提升立體掃描的影像品質。

本發明的基於結構光的曝光控制方法適用於具有投影機及影像擷取裝置的曝光控制裝置，上述曝光控制方法包括：根據多個曝光條件對物體進行結構光掃描操作以產生對應的多個影像組；從所述曝光條件中決定最佳曝光條件，其中最佳曝光條件對應的影像組的曝光不合格值小於其他影像組的曝光不合格值，曝光不合格值是藉由每一影像組中的過度曝光畫素的個數及信心度過低畫素的個數來決定；以及根據最佳曝光條件對應的影像組計算物體的立體影像。

本發明的基於結構光的曝光控制裝置包括投影機、影像擷取裝置及處理器。處理器耦接投影機及影像擷取裝置。處理器指示投影機及影像擷取裝置根據多個曝光條件對物體進行結構光掃描操作以產生對應的多個影像組。處理器從所述曝光條件中決定最佳曝光條件。最佳曝光條件對應的影像組的曝光不合格值小於其他影像組的曝光不合格值。曝光不合格值是藉由每一影像組中的過度曝光畫素的個數及信心度過低畫素的個數來決定。處理器根據最佳曝光條件對應的影像組計算物體的立體影像。

基於上述，本發明的曝光控制方法及曝光控制裝置會從多個曝光條件中決定最佳曝光條件，並根據最佳曝光條件對應的影像組計算物體的立體影像。

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。

本發明的部份實施例接下來將會配合附圖來詳細描述，以下的描述所引用的元件符號，當不同附圖出現相同的元件符號將視為相同或相似的元件。這些實施例只是本發明的一部份，並未揭示所有本發明的可實施方式。更確切的說，這些實施例只是本發明的專利申請範圍中的方法及裝置的範例。

圖1是根據本發明一實施例所繪示的曝光控制裝置的方塊圖。圖2是根據本發明一實施例所繪示的曝光控制裝置的示意圖。但此僅是為了方便說明，並不用以限制本發明。

請參照圖1及圖2，曝光控制裝置100包括投影機110、影像擷取裝置120及處理器130。處理器130耦接至投影機110及影像擷取裝置120。曝光控制裝置100可針對物體T進行掃描，以獲得物體T的立體資訊。在本實施例中，影像擷取裝置120可設置於投影機110上方，如圖2所示。然而，本發明並不限制於圖2中的設置方式。例如，投影機110及影像擷取裝置120可以彼此水平設置或以其他方式設置。

在本實施例中，影像擷取裝置120用以擷取物體T的影像。影像擷取裝置120包括鏡頭以及感光元件。鏡頭由透鏡所構成，而感光元件用以分別感測進入鏡頭的光線強度，進而分別產生影像。感光元件可以例如是電荷耦合元件（charge coupled device，CCD）、互補性氧化金屬半導體（complementary metal-oxide semiconductor，CMOS）元件或其他元件，本發明不在此設限。

在本實施例中，處理器130耦接至投影機110及影像擷取裝置120。處理器130可以例如是中央處理單元（central processing unit，CPU），或是其他可程式化之一般用途或特殊用途的微處理器（microprocessor）、數位訊號處理器（digital signal processor，DSP）、可程式化控制器、特殊應用積體電路（Application Specific Integrated Circuits，ASIC）、可程式化邏輯裝置（programmable logic device，PLD）或其他類似裝置或這些裝置的組合。

本領域具通常知識者應明瞭，曝光控制裝置100更包括可耦接至投影機110、影像擷取裝置120及處理器130的資料儲存裝置（未繪示於圖中），用以儲存影像以及資料。資料儲存裝置可以例如是任意型式的固定式或可移動式隨機存取記憶體（random access memory，RAM）、唯讀記憶體（read-only memory，ROM）、快閃記憶體（flash memory）、硬碟或其他類似裝置或這些裝置的組合。

在本實施例中，處理器130可指示投影機110對物體T進行結構光掃描操作，也就是指示投影機110依序投射具有多個掃描圖樣的結構光於物體T以掃描物體T。舉例來說，投影機110可依序投射具有掃描圖樣1-6的結構光於物體T。掃描圖樣1-3可具有第一空間頻率且掃描圖樣4-6可具有不同於第一空間頻率的第二空間頻率。掃描圖樣1-3及掃描圖樣4-6可為正弦波圖樣或餘弦波圖樣，並且各可具有三種不同的相位移(例如，-120度、0度及120度)。當具有掃描圖樣1-6的結構光投射在物體T時，處理器130指示影像擷取裝置120擷取物體T的多個影像。因此，掃描圖樣1-3及掃描圖樣4-6的三種不同的相位移可分別對應到影像擷取裝置120所擷取的多個影像的其中之一，更精確來說，當具有掃描圖樣1的結構光投射在物體T時，影像擷取裝置120會擷取物體T對應掃描圖樣1的影像，當具有其他掃描圖樣的結構光投射在物體T時則以此類推。值得注意的是，雖然在本實施例中是以兩組不同空間頻率的掃描圖樣的結構光掃描物體T，但本發明並不以此為限。在另一實施例中，也可以三組或更多組不同空間頻率的掃描圖樣的結構光掃描物體T，以達到更精確的掃描效果。此外，雖然在本實施例中的相同空間頻率下的掃描圖樣具有三種不同的相位移，但本發明並不以此為限。在另一實施例中，相同空間頻率下的掃描圖樣也可具有四種或其他不同的相位移。

圖3是根據本發明一實施例所繪示的曝光控制方法的流程圖。

在步驟S301中，根據多個曝光條件對物體T進行結構光掃描操作以產生對應的多個影像組。曝光條件可為投影機110的亮度大小、影像擷取裝置120的光圈大小、投影機110及影像擷取裝置120的同步曝光時間或掃描圖樣的變化強度範圍(例如，曝光值為0-255的掃描圖樣或曝光值為0-127的掃描圖樣)。以曝光條件是投影機110的亮度大小為例，處理器130可指示投影機110以不同亮度投射具有掃描圖樣1-6的結構光於物體T，因此在每一個投影機110投射亮度下影像擷取裝置120都可擷取出一個影像組(例如，對應掃描圖樣1-6的影像1-6)。

在步驟S303中，從上述曝光條件中決定最佳曝光條件。其中最佳曝光條件對應的影像組的曝光不合格值小於其他影像組的曝光不合格值。曝光不合格值是藉由每一影像組中的過度曝光畫素的個數及信心度過低畫素的個數來決定。

具體來說，處理器130會計算每一個影像組的過度曝光地圖並標記過度曝光地圖中的過度曝光區塊。以圖4為例，當處理器130在計算一個影像組的過度曝光地圖400時，處理器130可根據預設的曝光門檻值來尋找過度曝光區塊410。詳細來說，當一個畫素在此影像組中的任一影像中的曝光值大於曝光門檻值時，則處理器130判斷此畫素為過度曝光畫素，並將此畫素標記在過度曝光區塊410中。以八位元曝光值為例，曝光門檻值可設定為250。過度曝光地圖400可利用下列方程式來實作：

過度曝光地圖=(影像1＞曝光門檻值)*…*(影像n＞曝光門檻值)。其中影像1到影像n代表了影像1到影像n所有畫素的曝光值。

在上述方程式中，n為相同空間頻率的掃描圖樣的個數的倍數。例如，在本實施例中，n可為3或6。

也就是說，處理器130可藉由上述方程式判斷影像組中的每一個畫素是否過度曝光並計算出包括過度曝光區塊410的過度曝光地圖400。

另外，處理器130還會計算每一個影像組的信心度不足地圖並標記信心度不足地圖中的信心度不足區塊。以圖5為例，當處理器130在計算一個影像組的信心度不足地圖500時，處理器130可根據預設的信心度門檻值來尋找信心度不足區塊510。詳細來說，當一畫素在一個影像組中的信心度小於信心度門檻值時，則判斷此畫素為信心度過低畫素並將此畫素標記在信心度過低區塊510中，其中信心度為此畫素在此影像組中的曝光值的變化度。信心度不足地圖500可利用下列方程式來實作：

信心度不足地圖=(I ²+Q ²) ^1/2，其中I=(2*影像2-影像1-影像3)，Q=tan(120/360*π)*(影像1-影像3)。其中影像1-3代表了影像1-3所有畫素的曝光值。

詳細來說，影像1-3中畫素的曝光值可以下列方程式(1)、(2)、(3)來表示：

………(1)

………(2)

………(3)

在方程式(1)-(3)中， 、 、 分別為影像1-3中畫素的曝光值觀測強度， 為對應環境光強度而 對應投影機所投射的結構光亮度， 為相位角， 為相位移。在本實施例中， 為120度。

………(4)

在方程式(4)中，藉由等號左半部的運算可消除相位角 與環境光強度對應值 及投影機所投射的結構光亮度對應值 的相依性，並得到相位角 與 、 、 及相位移 的關係，如方程式(5)所示，最後再從方程式(5)推導出方程式(6)。

)………(5)

………(6)

如此一來，信心度不足地圖的I即為 ，且Q即為 ，而上述信心度就可視為三角形斜邊長度，如圖6所示。

從上述方程式可得知，當一個畫素在一個影像組中的變化度越低時，計算出的信心度也會越低。當一畫素在一個影像組中的信心度小於信心度門檻值(例如，10)時，則處理器130將此畫素標記在信心度過低區塊510中。

當處理器130計算出過度曝光區塊410及信心度不足區塊510之後，就可從過度曝光區塊410及信心度不足區塊510中獲得過度曝光的畫素個數及信心度過低的畫素個數。在本實施例中，處理器130可將曝光不合格值設定為過度曝光畫素的個數及信心度過低畫素的個數的總合。然而，本發明並不以此為限。在另一實施例中，處理器130可將曝光不合格值設定為過度曝光畫素的個數乘以第一權重參數及信心度過低畫素的個數乘以第二權重參數的總合。

接著，處理器130可計算出每個曝光條件所對應的曝光不合格值，並將具有最小曝光不合格值的曝光條件設定為最佳曝光條件，如圖7所示。

在步驟S305中，根據最佳曝光條件對應的影像組計算物體的立體影像。

值得注意的是，在本實施例中計算曝光不合格值的區域為影像的整個畫面，但本發明並不以此為限。在另一實施例中，也可僅對感興趣區域(Region of Interest，ROI)來計算曝光不合格值，以減少運算時間。

綜上所述，本發明的曝光控制方法及曝光控制裝置可根據對應每一曝光條件的影像組中的過度曝光畫素的個數及信心度過低畫素的個數來計算初對應每一曝光條件曝光不合格值，再從多個曝光條件中尋找出曝光不合格值最小的最佳曝光條件，並利用對應最佳曝光條件的影像組產生立體影像，以有效提升立體掃描的精確度。

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。

100‧‧‧曝光控制裝置
110‧‧‧投影機
120‧‧‧影像擷取裝置
130‧‧‧處理器
T‧‧‧物體
S301、S303、S305‧‧‧曝光控制方法的步驟
400‧‧‧過度曝光地圖
410‧‧‧過度曝光區塊
500‧‧‧信心度不足地圖
510‧‧‧信心度不足區塊

圖1是根據本發明一實施例所繪示的曝光控制裝置的方塊圖。 圖2是根據本發明一實施例所繪示的曝光控制裝置的示意圖。 圖3是根據本發明一實施例所繪示的曝光控制方法的流程圖。 圖4是根據本發明一實施例所繪示的過度曝光地圖的示意圖。 圖5是根據本發明一實施例所繪示的信心度不足地圖的示意圖。 圖6是根據本發明一實施例所繪示的相位角與信心度關係的示意圖。 圖7是根據本發明一實施例所繪示的曝光條件與曝光不合格值的關係的示意圖。

S301、S303、S305‧‧‧曝光控制方法的步驟

Claims (14)

1. 一種基於結構光的曝光控制方法，適用於具有一投影機及一影像擷取裝置的一曝光控制裝置，該曝光控制方法包括： 根據多個曝光條件對一物體進行一結構光掃描操作以產生對應的多個影像組； 從該些曝光條件中決定一最佳曝光條件，其中該最佳曝光條件對應的影像組的一曝光不合格值小於其他該些影像組的該曝光不合格值，該曝光不合格值是藉由每一該些影像組中的一過度曝光畫素的個數及一信心度過低畫素的個數來決定；以及 根據該最佳曝光條件對應的影像組計算該物體的一立體影像。
2. 如申請專利範圍第1項所述的曝光控制方法，其中該結構光掃描操作包括： 利用該投影機依序投射具有多個掃描圖樣的結構光於該物體以掃描該物體；以及 當具有該些掃描圖樣的結構光投射在該物體時，利用該影像擷取裝置擷取該物體的多個影像。
3. 如申請專利範圍第2項所述的曝光控制方法，其中當一畫素在每一該些影像組中的任一影像中的一曝光值大於一曝光門檻值時，則判斷該畫素為該過度曝光畫素。
4. 如申請專利範圍第2項所述的曝光控制方法，其中當一畫素在每一該些影像組中的一信心度小於一信心度門檻值時，則判斷該畫素為該信心度過低畫素，其中該信心度為該畫素在每一該些影像組中的一曝光值的變化度。
5. 如申請專利範圍第2項所述的曝光控制方法，其中該些曝光條件為該投影機的亮度、該影像擷取裝置的光圈、該投影機及該影像擷取裝置的曝光時間或該些掃描圖樣的變化強度。
6. 如申請專利範圍第2項所述的曝光控制方法，其中該些掃描圖樣包括一第一空間頻率以及一第二空間頻率的特定圖樣。
7. 如申請專利範圍第2項所述的曝光控制方法，其中每一該些掃描圖樣的結構光具有至少三種不同相位移，而各所述相位移分別對應於該些影像的其中之一。
8. 一種基於結構光的曝光控制裝置，包括： 一投影機； 一影像擷取裝置；以及 一處理器，耦接該投影機及該影像擷取裝置， 其中該處理器指示該投影機及該影像擷取裝置根據多個曝光條件對一物體進行一結構光掃描操作以產生對應的多個影像組， 其中該處理器從該些曝光條件中決定一最佳曝光條件，其中該最佳曝光條件對應的影像組的一曝光不合格值小於其他該些影像組的該曝光不合格值，該曝光不合格值是藉由每一該些影像組中的一過度曝光畫素的個數及一信心度過低畫素的個數來決定， 其中該處理器根據該最佳曝光條件對應的影像組計算該物體的一立體影像。
9. 如申請專利範圍第8項所述的曝光控制裝置，其中該處理器指示該投影機依序投射具有多個掃描圖樣的結構光於該物體以掃描該物體，其中當具有該些掃描圖樣的結構光投射在該物體時，該處理器指示該影像擷取裝置擷取該物體的多個影像。
10. 如申請專利範圍第9項所述的曝光控制裝置，其中當一畫素在每一該些影像組中的任一影像中的一曝光值大於一曝光門檻值時，則判斷該畫素為該過度曝光畫素。
11. 如申請專利範圍第9項所述的曝光控制裝置，其中當一畫素在每一該些影像組中的一信心度小於一信心度門檻值時，則判斷該畫素為該信心度過低畫素，其中該信心度為該畫素在每一該些影像組中的一曝光值的變化度。
12. 如申請專利範圍第9項所述的曝光控制裝置，其中該些曝光條件為該投影機的亮度、該影像擷取裝置的光圈、該投影機及該影像擷取裝置的曝光時間、或者該些掃描圖樣的變化強度。
13. 如申請專利範圍第9項所述的曝光控制裝置，其中該些掃描圖樣包括一第一空間頻率以及一第二空間頻率的特定圖樣。
14. 如申請專利範圍第9項所述的曝光控制裝置，其中每一該些掃描圖樣的結構光具有至少三種不同相位移，而各所述相位移分別對應於該些影像的其中之一。