專利名稱：數位激光探頭及其測量方法
技術領域：
本發明是有關于一種數位激光探頭，尤指一種于激光探頭內部內建一數位信號處理器，并利用該數位信號處理器的強大浮點運算能力，以快速將二維影像資料計算轉換成三維影像資料再傳輸至電腦進行后續處理，以節省資料傳輸量的數位激光探頭及其量測方法。
背景技術：
傳統激光探頭是以CCD攝像裝置取得二維影像資料后，直接將二維影像資料傳送至電腦進行二維資料轉換成三維資料的處理，但此方式的激光探頭具有下列缺點(1)一般CCD傳輸使用類比影像信號，在傳輸過程中容易受外界的干擾，所以很容易影響影像資料的品質；(2)CCD傳輸影像資料量龐大，電腦處理時間過久，浪費處理器資源，也占存儲器容量過多；以及(3)必須使用一片影像檢索卡，做影像界面傳輸處理等。
例如臺灣第91119879號發明專利案『微流場量測裝置』即提供一種微流場量測裝置，是配合一量測樣本，主要包括一激光單元，用以提供一脈沖光源；至少一分光單元，是將該脈沖光源分為一物件光與一參考光，該物件光用以照射該量測樣本；一光折變媒體，用以接收該參考光以及由該量測樣本反射的物件光，并記錄復數組由該參考光與該反射的物件光形成的流場影像；以及一影像檢索單元，用以檢索該光折變媒體記錄的復數組流場影像。其中，該復數組流場影像即為類比影像，其具有如上所述的眾多缺點，誠屬美中不足之處。
因此，本發明是提供一種數位激光探頭及其量測方法，其通過由于激光探頭內部內建一數位信號處理器，并利用該數位信號處理器的強大浮點運算能力，以快速將二維影像資料計算轉換成三維影像資料再傳輸至電腦進行后續處理，以節省資料傳輸量的數位激光探頭及其量測方法。
發明內容
本發明是提供一種數位激光探頭及其量測方法，其通過由于激光探頭內部內建一數位信號處理器，并利用該數位信號處理器的強大浮點運算能力，以快速將二維影像資料計算轉換成三維影像資料再傳輸至電腦進行后續處理，以節省資料傳輸量的數位激光探頭及其量測方法。
本發明的數位激光探頭，是用于檢索二維影像資料及轉換成三維影像資料后輸出，該數位激光探頭包括激光光源，用以提供一脈沖光源；至少一攝像裝置，是置于該激光光源的旁邊，用以攝取一物體的二維影像；以及影像處理單元，耦接至該攝像裝置，用以檢索、儲存二維影像并依據一演算法對該二維影像執行二維至三維的座標轉換，并于轉換后輸出該三維影像資料。
此外，本發明的數位激光探頭的量測方法，是用于檢索二維影像資料及轉換成三維影像資料后輸出，該數位激光探頭包括下列步驟(a)提供一激光光源，用以提供一脈沖光源；(b)提供至少一攝像裝置，其中，該攝像裝置是置于該激光光源的旁邊，用以攝取一物體的二維影像；以及(c)提供一影像處理單元，用以檢索、儲存該二維影像并依據一演算法對該二維影像執行二維至三維的座標轉換，并于轉換后輸出該三維影像資料。
為能進一步了解本發明的結構、特征及其目的，茲附以圖式及較佳具體實施例的詳細說明如后。
圖1是一示意圖，其繪示本發明的數位激光探頭1的方塊示意圖；圖2是一示意圖，其繪示本發明的數位激光探頭1的細部方塊示意圖；圖3是一示意圖，其繪示本發明的影像分離電路311的動作示意圖；圖4是一示意圖，其繪示本發明的同步分離電路312的動作示意圖；圖5(a)及(b)是一示意圖，其分別繪示本發明的水平計數器315以及垂直計數器316的方塊示意圖；圖6是一示意圖，其繪示本發明的數位激光探頭10使用一個CCD攝像裝置20時其二維空間至三維空間的對應示意圖；圖7是一示意圖，其繪示本發明的數位激光探頭10使用二個CCD攝像裝置20時其二維空間至三維空間的對應示意圖；圖8是一示意圖，其繪示本發明的數位激光探頭使用二個CCD攝像裝置時的量測示意圖；圖9(a)、(b)及(c)是一示意圖，其分別繪示本發明的數位激光探頭1使用二個CCD攝像裝置20時其空間網格示意圖。
具體實施例方式
請參照圖1，其繪示根據本發明的數位激光探頭的方塊示意圖。如圖所示，本發明的數位激光探頭1是用于檢索二維影像資料及轉換成三維影像資料后輸出，該數位激光探頭1包括激光光源10；至少一攝像裝置20；以及影像處理單元30所組成。
其中，該激光光源10，是用以提供一脈沖光源；該至少一攝像裝置20，是置于該激光光源10的旁邊，用以攝取一物體的二維影像，其較佳但不限于為一CCD攝像裝置；以及影像處理單元30，耦接至該攝像裝置20，用以檢索、儲存二維影像并依據一演算法對該二維影像執行二維至三維的座標轉換，并于轉換后輸出該三維影像資料至一電腦40進行后續的處理。
請參照圖2，其繪示根據本發明的數位激光探頭的細部方塊示意圖。如圖所示，本發明的影像處理單元30進一步包括影像檢索電路31；影像儲存電路32；數位信號處理器33以及一界面34。
其中，該影像檢索電路31是耦接至該攝像裝置20，用以由該二維影像資料中分離出一影像資料信號、一水平同步信號及一垂直同步信號，并依據該水平同步信號及該垂直同步信號轉換成一位址信號；影像儲存電路32，耦接至該影像檢索電路31，用以將該影像資料信號儲存至該位址信號所對應的位址；數位信號處理器33，耦接至該影像檢索電路31及該影像儲存電路32，由該影像儲存電路32中取得該二維影像資料并依據該演算法將其轉換成該三維影像資料；以及該界面34，是耦接至該數位信號處理器33，其較佳但不限于為一USB2.0標準的界面，用以將該三維影像資料輸出至該電腦40。
此外，本發明的影像檢索電路31可進一步包括影像分離電路311，耦接至該攝像裝置20，用以自該二維影像資料中分離出該影像資料信號；同步分離電路312，耦接至該攝像裝置20，用以自該二維影像資料中分離出該水平同步信號及該垂直同步信號；類比至數位轉換電路(ADC)313，耦接至該影像分離電路311，用以將類比形式的該影像資料信號轉換成一數位影像資料信號；時序信號產生電路314，耦接至該同步分離電路312及該類比至數位轉換電路313，根據水平同步信號及該垂直同步信號產生一時序信號，并輸出至該類比至數位轉換電路313及該數位信號處理器33為其時基(time-base)信號；水平計數器315，耦接至該同步分離電路312，用以計數該水平同步信號；以及垂直計數器316，耦接至該同步分離電路312，用以計數該垂直同步信號。
此外，本發明的影像儲存電路32可進一步包括資料緩沖器321，是耦接至該類比至數位轉換電路313，用以暫存該數位影像資料信號，其較佳具有8位元的資料匯流排；位址緩沖器322，耦接至該水平計數器315、該垂直計數器316及該數位信號處理器33，用以儲存該位址信號，其較佳具有8位元的位址匯流排；以及存儲器323，耦接至該資料緩沖器321、該位址緩沖器322及該數位信號處理器33，用以根據該位址信號儲存該數位影像資料信號。
請參照圖3，其繪示根據本發明的影像分離電路311的動作示意圖。如圖所示，本發明的影像分離電路311可將攝像裝置20所輸出類比形式的影像復合信號分離出一影像信號、一水平同步信號及一垂直同步信號。
請參照圖4，其繪示根據本發明的同步分離電路312的動作示意圖。本發明的同步分離電路312可將攝像裝置20所輸出類比形式的影像復合信號分離出一水平同步信號及一垂直同步信號，其較佳但不限于為美國國家半導體公司所生產的LM1881影像同步信號分離器。
請參照圖5(a)及(b)，其分別繪示本發明的水平計數器315以及垂直計數器316的方塊示意圖。本發明的水平計數器315(丫軸)及垂直計數器316(X軸)是將水平同步信號輸出的信號作為水平計數器315的脈波輸入，而垂直同步信號的低電位到高電位作為水平計數器315的觸發緣并作為垂直計數器316脈波輸入，其較佳但不限于為使用美國Altera公司的高速數位邏輯電路設計成水平為10位元的計數器，垂直為9位元的計數器，計數器的內部程式用VHDL撰寫。
請參照圖6，其繪示本發明的數位激光探頭1使用一個CCD攝像裝置時其二維空間至三維空間的對應示意圖。本發明將CCD攝像裝置20取得的二維影像資料轉換成三維座標的影像資料的演算法是交由數位信號處理器33來處理，以減輕資料的傳輸量及電腦40的中央處理器的負擔，本發明的數位信號處理器33較佳但不限于使用美國TEXAS INSTRUMENTS公司的TMS320C67XX系列，其處理指令最高可以達到1200MFLOPs(MillionFloating-Point Operations Per Second)每秒可以處理百萬個浮點數指令，在本發明的數位激光探頭1上必須有浮點運算的能力來作二維影像平面座標映射函數，對應成二維的空間座標，利用二維映射函數在空間平面上的座標，對應至CCD攝影機影像20位置，得到二維空間座標的對應表，將對應表儲存于該存儲器323中。
其中，本發明的數位激光探頭1當使用一個CCD攝像裝置20時，其二維影像資料轉換成三維座標的影像資料的演算法可以是二維平面映射函數或二維半曲面映射函數，其中該二維平面映射函數的原理為三維空間的物體經CCD攝像裝置20的鏡頭折射后，將會成像在CCD的二維感測面上，其三維空間點與二維影像點的相對關系，若以多項式表示，即為二維平面映射函數，其可以下列多項式表示Y=g(xk,yk)Σj=0Σi=0bijxiyi]]>(多項式1)Z=h(xk,yk)Σj=0Σi=0cijxiyi]]>(多項式2)其中，空間座標(X，Y，Z)，攝像裝置20的座標(X，Y)則其Y、Z的座標值可由上述的多項式1及2求出。
若使用二維半曲面映射函數則其原理為三維空間的物體經CCD攝像裝置20鏡頭折射后，將會成家在CCD的二維感測面上，其三維空間點與二維影像點的相對關系若以多項式表示，即為二維半曲面映射函數，其可以下列多項式表示
X=f(xk,yk)Σj=0Σi=0aijxiyj]]>(多項式3)Y=g(xk,yk)Σj=0Σi=0bijxiyj]]>(多項式4)Z=h(xk,yk)Σj=0Σi=0cijxiyj]]>(多項式5)其中，空間座標(X，Y，Z)，攝像裝置20的座標(X，Y)則其X、Y、Z的座標值可由上述的多項式3、4及5求出。
請參照圖7，其繪示本發明的數位激光探頭使用二個CCD攝像裝置時其二維空間至三維空間的對應示意圖。本發明的數位激光探頭1當使用二個CCD攝像裝置20時，是將二個CCD攝像裝置20分置于該激光光源10的兩側，如圖7所示，三維映射函數的原理為三維空間體的一點與其在三維感測面上的成像位置存在著某種關系，此種關是即為『三維空間點與二維影像點的相對關系』，若以函數表示即為『三維空間映射函數』，其可以下列多項式表示X=f(xL,yL,xR,yR)Σl=0Σk=0Σj=0Σi=0aijklxLixLjxkRyIR]]>(多項式6)Y=g(xL,yL,xR,yR)Σl=0Σk=0Σj=0Σi=0bijklxLixLjxkRyIR]]>(多項式7)Z=h(xL,yL,xR,yR)Σl=0Σk=0Σj=0Σi=0cijklxLixLjxkRyIR]]>(多項式8)其中，空間座標(X，Y，Z)，左CCD座標(XL，YL)，右CCD座標(XR，YR)則其X、Y、Z的座標值可由上述的多項式6、7及8求出。
此外，本發明亦提供一種數位激光探頭的量測方法，是用于檢索一二維影像資料及轉換成一三維影像資料后輸出，該量測方法包括下列步驟(a)提供一激光光源10，用以提供一脈沖光源；(b)提供至少一攝像裝置20，其中，該攝像裝置20是置于該激光光源10的旁邊，用以攝取一物體的二維影像；以及(c)提供一影像處理單元30，用以檢索、儲存該二維影像并依據一演算法對該二維影像執行二維至三維的座標轉換，并于轉換后輸出該三維影像資料。
其中，步驟(b)中的攝像裝置20較佳但不限于為CCD攝像裝置；而步驟(c)中的演算法，如上所述亦可以為二維平面映射函數、二維半曲面映射函數或三維映射函數，視其使用一個或兩個CCD攝像裝置20而定，該演算法的原理請參照上義，在此不擬贅述。
請配合參照圖8及圖9，其分別繪示本發明的數位激光探頭10使用二個CCD攝像裝置20時的量測示意圖及其空間網格示意圖。本發明的數位激光探頭1當使用二個CCD攝像裝置20時，是將二個CCD攝像裝置20分置于該激光光源10的兩側，如圖8所示，左、右CCD攝像裝置20可分別攝得物體的特征點，再將左右CCD攝像裝置20攝得的影像特征點代入三維映射函數可求得左右CCD攝影機的三維空間網格座標點，并擬合成為兩直線(曲線)(請參照圖9(a)及9(b))，并計算兩直線(曲線)的交點(請參照圖9(c))，其所使用的原理如下利用二維映射函數在空間平面上的校正網格特征點對應至CCD攝像裝置20影像位置得到Y＝d 0的左右CCD平面校正函數，重復前步驟求得Y＝d1…Y＝d4，左右CCD平面的校正函數所得到的校正函數如下XL=fL(XL,YL)d=0=Σj=0Σi=0CijXILYjL]]>(多項式9)YL＝d0(多項式10)ZL=HL(XL,YL)d=0=Σj=0Σi=0CijXLIYjL]]>(多項式11)利用多項式9、10及11即可計算出兩直線(曲線)的交點Y＝d(請參照圖9(c))。
本發明所揭示的，乃較佳實施例，舉凡局部的變更或修飾而源于本發明的技術思想而為熟習該項技藝的人所易于推知者，俱不脫本發明的專利權范疇。
權利要求
1.一種數位激光探頭，是用于檢索一二維影像資料及轉換成一三維影像資料后輸出，其特征在于，該數位激光探頭包括一激光光源，用以提供一脈沖光源；至少一攝像裝置，是置于該激光光源的旁邊，用以攝取一物體的二維影像；以及一影像處理單元，耦接至該攝像裝置，用以檢索、儲存二維影像并依據一演算法對該二維影像執行二維至三維的座標轉換，并于轉換后輸出該三維影像資料。
2.如權利要求1所述的數位激光探頭，其特征在于，所述該影像處理單元進一步包括一影像檢索電路，耦接至該攝像裝置，用以由該二維影像資料中分離出一影像資料信號、一水平同步信號及一垂直同步信號，并依據該水平同步信號及該垂直同步信號轉換成一位址信號；一影像儲存電路，耦接至該影像檢索電路，用以將該影像資料信號儲存至該位址信號所對應的位址；一數位信號處理器，耦接至該影像檢索電路及該影像儲存電路，由該影像儲存電路中取得該二維影像資料并依據該演算法將其轉換成該三維影像資料；以及一界面，耦接至該數位信號處理器，用以將該三維影像資料輸出至一電腦。
3.如權利要求2所述的數位激光探頭，其特征在于，所述該影像檢索電路進一步包括一影像分離電路，耦接至該攝像裝置，用以自該二維影像資料中分離出該影像資料信號；一同步分離電路，耦接至該攝像裝置，用以自該二維影像資料中分離出該水平同步信號及該垂直同步信號；一類比至數位轉換電路，耦接至該影像分離電路，用以將類比形式的該影像資料信號轉換成一數位影像資料信號；一時序信號產生電路，耦接至該同步分離電路及該類比至數位轉換電路，根據水平同步信號及該垂直同步信號產生一時序信號，并輸出至該類比至數位轉換電路及該數位信號處理器為其時基信號；一水平計數器，耦接至該同步分離電路，用以計數該水平同步信號；以及一垂直計數器，耦接至該同步分離電路，用以計數該垂直同步信號。
4.如權利要求2所述的數位激光探頭，其特征在于，所述該其中該界面為一USB2.0界面。
5.如權利要求1所述的數位激光探頭，其特征在于，所述該演算法是采用二維平面映射函數，其中，空間座標(X，Y，Z)，攝像裝置的座標(X，Y)則其Y、Z的座標值可由下列多項式求出Y=g(xk,yk)Σj=0Σi=0bijxiyj]]>Z=h(xk,yk)Σj=0Σi=0cijxiyi.]]>
6.如權利要求1所述的數位激光探頭，其特征在于，所述該演算法是采用三維映射函數，其中，空間座標(X，Y，Z)，左攝像裝置的座標(XL，YL)，右攝像裝置的座標(XR，YR)，則其X、Y、Z的座標值可由下列多項式求出X=f(xL,yL,xR,yR)Σl=0Σk=0Σj=0Σi=0aijklxLiyLjxkRyIR]]>Y=g(xL,yL,xR,yR)Σl=0Σk=0Σj=0Σi=0bijklxLiyLjxkRyIR]]>Z=h(xL,yL,xR,yR)Σl=0Σk=0Σj=0Σi=0aijklxLiyLjxkRyIR.]]>
7.一種數位激光探頭的量測方法，是用于檢索一二維影像資料及轉換成一三維影像資料后輸出，其特征在于，該量測方法包括下列步驟(a)提供一激光光源，用以提供一脈沖光源；(b)提供至少一攝像裝置，其中，該攝像裝置是置于該激光光源的旁邊，用以攝取一物體的二維影像；以及(c)提供一影像處理單元，用以檢索、儲存該二維影像并依據一演算法對該二維影像執行二維至三維的座標轉換，并于轉換后輸出該三維影像資料。
8.如權利要求7所述的方法，其特征在于，所述該步驟(c)中的影像處理單元進一步包括一影像檢索電路，耦接至該攝像裝置，用以由該二維影像資料中分離出一影像資料信號、一水平同步信號及一垂直同步信號，并依據該水平同步信號及該垂直同步信號轉換成一位址信號；一影像儲存電路，耦接至該影像檢索電路，用以將該影像資料信號儲存至該位址信號所對應的位址；一數位信號處理器，耦接至該影像檢索電路及該影像儲存電路，由該影像儲存電路中取得該二維影像資料并依據該演算法將其轉換成該三維影像資料；以及一界面，耦接至該數位信號處理器，用以將該三維影像資料輸出至一電腦。
9.如權利要求8所述的方法，其特征在于，所述該影像檢索電路進一步包括一影像分離電路，耦接至該攝像裝置，用以自該二維影像資料中分離出該影像資料信號；一同步分離電路，耦接至該攝像裝置，用以自該二維影像資料中分離出該水平同步信號及該垂直同步信號；一類比至數位轉換電路，耦接至該影像分離電路，用以將類比形式的該影像資料信號轉換成一數位影像資料信號；一時序信號產生電路，耦接至該同步分離電路及該類比至數位轉換電路，根據水平同步信號及該垂直同步信號產生一時序信號，并輸出至該類比至數位轉換電路及該數位信號處理器為其時基信號；一水平計數器，耦接至該同步分離電路，用以計數該水平同步信號；以及一垂直計數器，耦接至該同步分離電路，用以計數該垂直同步信號。
10.如權利要求7所述的方法，其特征在于，所述該演算法是采用三維映射函數，其中，空間座標(X，Y，Z)，左攝像裝置的座標(XL，YL)，右攝像裝置的座標(XR，YR)，則其X、Y、Z的座標值可由下列多項式求出X=f(xL,yL,xR,yR)Σl=0Σk=0Σj=0Σi=0aijklxLiyLjxkRyIR]]>Y=g(xL,yL,xR,yR)Σl=0Σk=0Σj=0Σi=0bijklxLiyLjxkRyIR]]>Z=h(xL,yL,xR,yR)Σl=0Σk=0Σj=0Σi=0aijklxLiyLjxkRyIR.]]>
全文摘要
本發明是提供一種數位激光探頭，是用于檢索二維影像資料及轉換成三維影像資料后輸出，該數位激光探頭包括激光光源，用以提供一脈沖光源；至少一攝像裝置，是置于該激光光源的旁邊，用以攝取一物體的二維影像以及影像處理單元，耦接至該攝像裝置，用以檢索、儲存二維影像并依據一演算法對該二維影像執行二維至三維的坐標轉換，并于轉換后輸出該三維影像資料。此外，本發明亦揭露一種數位激光探頭的測量方法。
文檔編號G06T1/00GK1621930SQ20031011793
公開日2005年6月1日 申請日期2003年11月26日 優先權日2003年11月26日
發明者許智欽, 陳家興, 黃國忠, 蔡毓和, 潘熙光 申請人:智泰科技股份有限公司