專利名稱：三維彩色信息擷取方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及三維彩色信息擷取方法及其裝置，應(yīng)用于高分辨率的立體模型取像，尤其是涉及一種利用超過三種色階來編碼樣型，提高分辨率且維持一定可靠度的三維彩色信息擷取方法及其裝置。
背景技術(shù)：
一般而言，立體模型的三維取像有很多種方式，譬如可將立體模型置于一盒體內(nèi)，利用激光掃瞄整體外型，再配合顏色的抓取，則可完成三維的取像；然而，這樣的作法，不僅設(shè)備昂貴而且耗時，實用性并不大。另外還有一種較普遍的方式，也就是所謂的彩色結(jié)構(gòu)光源，其作法為投射色帶或色塊組合樣型(pattern)至物體上，再從影像上擷取出每一色帶或色塊的位置，與參考樣型做比較，再利用三角測距法計算出物體深度信息。
然而，因為樣型投射于物體上時，會因為物體表面形狀、紋理、材料的因素，使得物體深度信息的取得變得相當(dāng)困難，因此，以往為了穩(wěn)定度的考慮，色帶或色塊的色階數(shù)大約為3或4，因為如果色階數(shù)太多的話，會導(dǎo)致樣型投射至物體上，其顏色不易判斷。但是如果色階數(shù)太少，則無法編碼出高密度及大范圍的樣型，會導(dǎo)致分辨率偏低。如何在分辨率以及穩(wěn)定度之間取舍，則是一門有待解決的課題。
在已公開的WO 00/70303專利申請中，只用三種色階(Red、Green、Blue)編碼，而在US2002/0075456專利申請中，也只用四種色階。因為色階數(shù)少，所以色帶編碼長度會相當(dāng)短，前者小于一百條，后者僅為64條，因應(yīng)現(xiàn)今對于影像的要求來說，其分辨率較低。而為了因應(yīng)這樣的趨勢，在WO 00/70303專利申請中，通過在樣型中央產(chǎn)生一條白線(redundant樣型)來增加編碼長度，且每條色帶需用黑色區(qū)域隔開。但是白線有可能會因為某些因素而消失，這時就無法正確譯碼。同時，對于色帶易受物體本身干擾的問題，兩專利申請都是用降低色階數(shù)來解決，除了不能完全解決問題，也犧牲了分辨率，所能應(yīng)用的材料更是少的可憐。

發(fā)明內(nèi)容
為解決上述問題，本發(fā)明提出一種三維彩色信息擷取方法及其裝置，不僅可提高立體模型的分辨率，且可以克服樣型投射至物體上所造成的色彩失真，提高系統(tǒng)可靠性，進(jìn)而擴展可取像物體的種類。
本發(fā)明所揭露的一種三維彩色信息擷取方法，其特點在于，包含下列步驟分別利用一普通光源以及一樣型光源針對一物體分別擷取一貼圖影像以及一樣型影像，且其中所述的樣型光源是利用超過3種顏色的色階排列組合而成；通過所述貼圖影像分析所述物體的顏色分布；通過邊緣偵測計算所述樣型光源的色帶在所述樣型影像中的位置；判斷所述樣型影像對應(yīng)于所述樣型光源的顏色；校正所述影像顏色對于所述的樣型光源的顏色的影像，從而獲得所述的物體的表面幾何信息；計算所述物體的三維數(shù)據(jù)；以及通過所述的顏色分布、表面紋理以及三維資料獲得所述的物體的三維模型。
上述的三維彩色信息擷取方法，其特點在于，所述的通過邊緣偵測計算所述的樣型光源的色帶在所述的樣型影像中的位置的步驟，還包含有轉(zhuǎn)換所述的樣型影像的色彩空間；低通濾波所述的樣型影像的亮度；梯度偵測所述的亮度并獲取該亮度分布的波峰、波谷位置；以及獲取所述的樣型光源的色帶在所述的樣型影像中的位置。
上述的三維彩色信息擷取方法，其特點在于，所述的轉(zhuǎn)換該樣型影像的坐標(biāo)的步驟，主要是將所述的樣型影像的顏色與亮度分離。
上述的三維彩色信息擷取方法，其特點在于，所述的校正所述的影像顏色對于所述的樣型光源的顏色的影像，而獲得所述的物體的表面紋理的步驟中，其中校正的方式還包含有下列步驟分析所述的顏色誤判的可能性；
校正所述的顏色；修正所述的顏色排列的編碼關(guān)系；及獲取正確的顏色排序。
上述的三維彩色信息擷取方法，其特點在于，所述的校正所述顏色的步驟，是通過所述樣型的分布位置以及顏色排列限制所決定。
本發(fā)明所揭露的一種三維彩色信息擷取裝置，其特點在于，包含有一取像設(shè)備，用以對所述物體分別擷取一貼圖影像以及一樣型影像；一激光定位器，可供定位所述物體與所述取像設(shè)備的相對距離；一普通光源，用以提供所述取像設(shè)備擷取所述貼圖影像所需的光源；一樣型光源，用以提供所述取像設(shè)備擷取所述樣型影像所需的光源，且其中所述樣型光源是利用超過3種顏色的色階排列組合而成；以及一切換模塊，用以選擇性地切換所述普通光源以及所述樣型光源。
上述的三維彩色信息擷取裝置，其特點在于，所述取像設(shè)備為一數(shù)字相機。
上述的三維彩色信息擷取裝置，其特點在于，所述樣型光源包含有一樣型幻燈片以及一樣型投影器，可通過所述樣型投影器照射于該樣型幻燈片，而輸出樣型光源。
上述的三維彩色信息擷取裝置，其特點在于，所述普通光源為一閃光燈。
上述的三維彩色信息擷取裝置，其特點在于，所述樣型光源是利用多種顏色的色階，配合顏色分布位置以及顏色排列限制加以組成。
上述的三維彩色信息擷取裝置，其特點在于，所述樣型光源是利用六種不同顏色的色階所組成。
上述的三維彩色信息擷取裝置，其特點在于，所述顏色分布位置的限制是所述樣型中，每一種顏色的組合僅出現(xiàn)一次。
上述的三維彩色信息擷取裝置，其特點在于，所述顏色排列限制是定義相鄰顏色的連接來限制。
本發(fā)明所揭露的一種三維彩色信息擷取方法，其特點在于，其是分別利用一普通光源以及一樣型光源針對一物體分別擷取一貼圖影像以及一樣型影像，而通過所述貼圖影像與所述樣型影像來完成該物體的三維影像，且其中所述樣型光源是利用超過3種顏色的色階排列組合而成，其中所述樣型是利用下列步驟來產(chǎn)生
供一初始編碼單元；產(chǎn)生接續(xù)的顏色并形成一新的編碼單元；確認(rèn)所述新的編碼單元符合規(guī)定；根據(jù)誤判的可能性將所述編碼單元歸類為所屬的叢集；以及依序完成所有的編碼單元。
上述的三維彩色信息擷取方法，其特點在于，確認(rèn)所述新的編碼單元符合規(guī)定的步驟，是利用接續(xù)顏色的控制來規(guī)范。
上述的三維彩色信息擷取方法，其特點在于，根據(jù)誤判的可能性將所述編碼單元歸類為所屬的叢集的步驟，還包含有判斷同一叢集內(nèi)的編碼單元是相隔一預(yù)定的距離。
上述的三維彩色信息擷取方法，其特點在于，所述樣型是利用六種顏色所構(gòu)成。
根據(jù)本發(fā)明所揭露的三維彩色信息擷取方法及其裝置，其方法主要利用普通光源以及樣型(pattern)光源針對物體分別擷取貼圖影像以及樣型影像，且其中樣型光源是利用超過3種顏色的色階排列組合而成，其中通過貼圖影像分析物體的顏色分布，而通過邊緣偵測計算樣型光源的色帶在樣型影像中的位置，并判斷樣型影像對應(yīng)于樣型光源的顏色并校正影像顏色對于樣型光源的顏色的影像，而獲得物體的表面幾何信息，最后計算物體的三維資料，從而獲得物體的三維模型。
根據(jù)本發(fā)明所揭露的三維彩色信息擷取方法及其裝置，其裝置主要是在一般取像設(shè)備上增加有樣型光源，其可提供上述的利用超過3種顏色的色階排列組合而成的樣型，因為樣型除了利用超過三種顏色的色階來提高分辨率外，還利用顏色分布位置以及顏色排列限制加以組成，提高分析的可靠度。
以下結(jié)合實施例和附圖進(jìn)行詳細(xì)描述，但不作為對本實用新型的限定。


圖1為本發(fā)明的裝置示意圖；圖2為本發(fā)明樣型的編碼方式的步驟流程示意圖；圖3為本發(fā)明從影像中獲取三維信息的步驟流程示意圖；圖4為本發(fā)明邊緣偵測的步驟流程示意圖；
圖5為本發(fā)明樣型影像轉(zhuǎn)換坐標(biāo)的示意圖；圖6為本發(fā)明計算波谷的示意圖；圖7為本發(fā)明校正樣型影像顏色的步驟流程示意圖；圖8為本發(fā)明叢集的組合示意圖；圖9為樣型的位置分布示意圖；圖10為判斷顏色的算法；及圖11為編碼位置關(guān)系的示意圖。
具體實施例方式
本發(fā)明揭露了一種三維彩色信息擷取方法及其裝置，首先，請參閱圖1，主要是在取像設(shè)備102上增加至少一個激光定位器101，用來判斷所欲擷取影像的物體的距離?？烧{(diào)整二個激光點，使其重合于距離取像設(shè)備102的鏡頭Lmm處，L值若較小，其取像范圍較小，L值若較大，其取像范圍較大。取像設(shè)備102可為數(shù)字相機或是彩色CCD相機，機頂閃光燈103在第一次取像時會閃普通光源(白光)106，同時通過切換模塊104切換至另一個樣型光源，供第二次取像用，其可包含有樣型投影器105(可為閃光燈)與樣型幻燈片107，借以投射出樣型光源至物體上。
而關(guān)于本發(fā)明的樣型(pattern)的編碼方式，樣型是由超過三種色階顏色所組成，以本發(fā)明的最佳實施例而言，是由六種顏色組成，分別為R(255，0，0)、G(0，255，0)、B(0，0，255)、C(0，255，255)、M(255，0，255)、Y(255，255，0)(分別為紅色red、綠色green、藍(lán)色blue、青綠色cyan、洋紅色magenta、黃色yellow)。采用六種顏色的原因是為了提高分辨率，但為了確保分析的可靠度，故必須加入數(shù)種限制。首先，為了使邊緣偵測更加準(zhǔn)確，我們限制每一種顏色的排列規(guī)則，請參閱表1，例如R之后只能接G、B、C，G后面只能接R、B、M等等。
如果要利用這些色階編出N條色帶的樣型，N值通常為384或512，最長可為800條。且為了易于分類，可將色帶定義為多個編碼單元，以本發(fā)明最佳實施例而言，每一編碼單元包含六條相鄰顏色，而依序向下位移至下一個色彩就會產(chǎn)生一個新的編碼單元，以此類推，總共產(chǎn)生N-5個基本編碼單元。每一基本編碼單元只能出現(xiàn)一次。這樣一來每一個色帶都能由判斷屬于哪一基本編碼單元而得知其位置。

表1

表2在圖2中，樣型產(chǎn)生的流程如下步驟201首先人工選定初始編碼單元。步驟202接下來加入新的顏色。步驟203選定顏色之后，檢查是否合法主要考慮如表1所述。如果是，則進(jìn)行步驟204產(chǎn)生一組新的基本編碼單元；如果否，則進(jìn)行步驟210更換新的顏色。產(chǎn)生新的基本編碼單元的同時進(jìn)行步驟205檢查是否為出現(xiàn)過的編碼單元。如果是，則需進(jìn)行步驟210重新選擇新的顏色；如果否，則需進(jìn)行步驟206判斷編碼單元是否屬于現(xiàn)有的某一叢集。關(guān)于叢集的定義，請參閱表2并同時配合圖8，顏色在進(jìn)行判定時，會因為算法的關(guān)系而有所誤判(算法請參見圖10)，因此，將可能誤判為相同色帶的編碼單元全部定義為一個叢集(culster)，每一叢集中，每一編碼單元都有可能誤判成另一種組合。但在不同叢集間的色帶組合(編碼單元)不可能誤判成另一叢集的色帶組合。因此，僅需在同一叢集中限制其位置距離，如此一來，每一色帶組合落在影像中特定范圍就不會重疊，就可以利用色帶組合在影像中位置來決定只留下至多一組正確的組合。
因此，若判斷屬于現(xiàn)有的叢集，則進(jìn)行步驟208將其歸入這一叢集內(nèi)。并且進(jìn)行步驟209檢查是否和此叢集中其它基本編碼單元的距離都大于預(yù)定距離。如果否，需進(jìn)行步驟210重新選定新的顏色。若無法歸入現(xiàn)有的所有叢集，則需進(jìn)行步驟207自行產(chǎn)生一新的叢集。以此類推，進(jìn)行步驟211若新的顏色還沒有都用完，則繼續(xù)加入新的顏色，直到無法找到合法顏色為止。如此，則可完成具有高分辨率且有規(guī)則的樣型。
而從影像中獲取三維信息的方式請參閱圖3，其獲取步驟如下步驟301分別利用普通光源以及樣型光源分別擷取貼圖影像以及樣型影像。步驟302利用普通光源所得的貼圖影像來分析物體的顏色分布。步驟303再利用樣型光源所得到的樣型影像通過邊緣偵測計算來求取其位置。求取的方式如圖4所示，其求取的步驟如下步驟401將樣型影像轉(zhuǎn)化為另一坐標(biāo)。譬如將原本為RGB數(shù)值轉(zhuǎn)換至YIQ空間，使顏色與亮度值分離。步驟402為了減輕噪聲對于影像邊緣偵測的影響，影像需經(jīng)過一低通濾波(Low-pass Filter)。對每一條掃瞄線而言，Y(x)、I(x)、Q(x)分別為坐標(biāo)x的YIQ值。經(jīng)過低通濾波其值為YL(x)＝L(x)*Y(x)，IL(x)＝L(x)*I(x)，QL(x)＝L(x)*Q(x)(*為卷積積分convolution)，其中L(x)＝[1，2，3，2，1]。步驟403接著再通過梯度偵測，得到TGL(x)＝G(x)*YL(x)，IGL(x)＝G(x)*IL(x)，QGL(x)＝G(x)*QL(x)其中G(x)＝[-2，-1，0，1，2]。最后得到E(x)＝abs(TGL(x))+abs(IGL(x))+abs(QGL(x))，并將E(x)作標(biāo)準(zhǔn)化(normalize)至
，可得圖5的結(jié)果，其中波峰505為邊界線的所在，波谷506為中心線所在。
另外也可以做到子象素(sub-pixel)精度，假設(shè)有二個波谷508、509，之間有一個波峰510，如果沒有作子象素(sub-pixel)，510為整數(shù)邊緣(edge)所在。步驟404我們可以用下列公式E=∫508509x·f(x)dx/∫508509f(x)dx]]>求得其子象素(sub-pixel)的重心位置511，取得樣型影像中色帶的正確位置。
接著進(jìn)行步驟304判斷樣型影像的顏色。可利用如圖10中所示的算法，首先針對樣型影像上每一像素，將其歸類至6種顏色之一，首先找出rgb值(其顏色值為0~255)的最小值，如果是g，則g值指定為0。然后找出rb值的較大值，如果是r，則r值指定為255。最后衡量b/r值，如果大于臨界值Th(臨界值Th依實驗結(jié)果，訂為0.7)，則b值指定為255，反之則指定為0。其它也可依據(jù)類似規(guī)則判定顏色。
接下來進(jìn)行步驟205需要先校正影像的顏色。因為當(dāng)樣型投射至具有特殊材料物體(例如人臉、上釉的瓷器等)時，樣型的顏色會產(chǎn)生很大的變化，此時樣型顏色誤判的機率會增加許多。為了解決這個問題，我們定義出上述樣型的規(guī)則，并配合校正的步驟，請參閱圖7，加以校正顏色以及位置。其校正步驟如下步驟701首先判斷顏色誤判的可能性。步驟702主要是參照前述的表2以及叢集的規(guī)定來校正顏色。例如判斷為Y，也可能是G或C。假設(shè)一次考慮六條相鄰色帶，例如CMYBYB，也可能是BMYBYB或是CBYBYB等等36種可能的組合，但只有一種是正確的，這時就要進(jìn)入下一步驟來減少可能的組合的數(shù)目。首先，因為樣型的編碼是經(jīng)過特殊設(shè)計，故每一條色帶投射至物體上時，只會出現(xiàn)在影像中特定的范圍。如附件一所示，例如有一條色帶位于樣型中央0.5處，它只會出現(xiàn)在影像中0.38~0.43的范圍內(nèi)。如此輔助判斷就可以找出正確的顏色。
接著進(jìn)行步驟703進(jìn)行編碼關(guān)系的修正。請參閱圖11，每一條色帶都有其編號，例如色帶29~50。通過步驟701、702可找出大部分色帶的正確編號，但是還有遺漏的可能，物體上色帶31及32因為找不到對應(yīng)關(guān)系所以不見了，但是在色帶30和33之間我們知道有二條色帶遺失，所以我們可以確定這二條就是31和32。另外色帶36~40也不見了，因為找錯了，所以變成29~33。但我們知道色帶編號是遞增的，所以29~33不可能在35之后出現(xiàn)，而且35和41間剛好有5條色帶，所以可以確定是36~40。經(jīng)過以上修正，可以確保所有色帶都正確定位。如此即可進(jìn)行步驟704取得正確的顏色排序。
最后進(jìn)行步驟306計算物體表面的三維資料。步驟307綜合上述信息，即可獲得此物體的立體三維模型。
上述僅為本發(fā)明的較佳實施例，并非用來限定本發(fā)明的實施范圍；凡依本發(fā)明申請專利范圍所作的類似變化與修飾，都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)力要求的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種三維彩色信息擷取方法，其特征在于，包含下列步驟分別利用一普通光源以及一樣型光源針對一物體分別擷取一貼圖影像以及一樣型影像，且其中所述的樣型光源是利用超過3種顏色的色階排列組合而成；通過所述貼圖影像分析所述物體的顏色分布；通過邊緣偵測計算所述樣型光源的色帶在所述樣型影像中的位置；判斷所述樣型影像對應(yīng)于所述樣型光源的顏色；校正所述影像顏色對于所述的樣型光源的顏色的影像，從而獲得所述的物體的表面幾何信息；計算所述物體的三維數(shù)據(jù)；以及通過所述的顏色分布、表面紋理以及三維資料獲得所述的物體的三維模型。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維彩色信息擷取方法，其特征在于，所述的通過邊緣偵測計算所述的樣型光源的色帶在所述的樣型影像中的位置的步驟，還包含有轉(zhuǎn)換所述的樣型影像的色彩空間；低通濾波所述的樣型影像的亮度；梯度偵測所述的亮度并獲取該亮度分布的波峰、波谷位置；以及獲取所述的樣型光源的色帶在所述的樣型影像中的位置。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的三維彩色信息擷取方法，其特征在于，所述的轉(zhuǎn)換該樣型影像的坐標(biāo)的步驟，主要是將所述的樣型影像的顏色與亮度分離。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維彩色信息擷取方法，其特征在于，所述的校正所述的影像顏色對于所述的樣型光源的顏色的影像，而獲得所述的物體的表面紋理的步驟中，其中校正的方式還包含有下列步驟分析所述的顏色誤判的可能性；校正所述的顏色；修正所述的顏色排列的編碼關(guān)系；及獲取正確的顏色排序。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的三維彩色信息擷取方法，其特征在于，所述的校正所述顏色的步驟，是通過所述樣型的分布位置以及顏色排列限制所決定。
6.一種三維彩色信息擷取裝置，其特征在于，包含有一取像設(shè)備，用以對所述物體分別擷取一貼圖影像以及一樣型影像；一激光定位器，可供定位所述物體與所述取像設(shè)備的相對距離；一普通光源，用以提供所述取像設(shè)備擷取所述貼圖影像所需的光源；一樣型光源，用以提供所述取像設(shè)備擷取所述樣型影像所需的光源，且其中所述樣型光源是利用超過3種顏色的色階排列組合而成；以及一切換模塊，用以選擇性地切換所述普通光源以及所述樣型光源。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的三維彩色信息擷取裝置，其特征在于，所述取像設(shè)備為一數(shù)字相機。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的三維彩色信息擷取裝置，其特征在于，所述樣型光源包含有一樣型幻燈片以及一樣型投影器，可通過所述樣型投影器照射于該樣型幻燈片，而輸出樣型光源。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的三維彩色信息擷取裝置，其特征在于，所述普通光源為一閃光燈。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的三維彩色信息擷取裝置，其特征在于，所述樣型光源是利用多種顏色的色階，配合顏色分布位置以及顏色排列限制加以組成。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的三維彩色信息擷取裝置，其特征在于，所述樣型光源是利用六種不同顏色的色階所組成。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的三維彩色信息擷取裝置，其特征在于，所述顏色分布位置的限制是所述樣型中，每一種顏色的組合僅出現(xiàn)一次。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的三維彩色信息擷取裝置，其特征在于，所述顏色排列限制是定義相鄰顏色的連接來限制。
14.一種三維彩色信息擷取方法，其特征在于，其是分別利用一普通光源以及一樣型光源針對一物體分別擷取一貼圖影像以及一樣型影像，而通過所述貼圖影像與所述樣型影像來完成該物體的三維影像，且其中所述樣型光源是利用超過3種顏色的色階排列組合而成，其中所述樣型是利用下列步驟來產(chǎn)生提供一初始編碼單元；產(chǎn)生接續(xù)的顏色并形成一新的編碼單元；確認(rèn)所述新的編碼單元符合規(guī)定；根據(jù)誤判的可能性將所述編碼單元歸類為所屬的叢集；以及依序完成所有的編碼單元。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的三維彩色信息擷取方法，其特征在于，確認(rèn)所述新的編碼單元符合規(guī)定的步驟，是利用接續(xù)顏色的控制來規(guī)范。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的三維彩色信息擷取方法，其特征在于，根據(jù)誤判的可能性將所述編碼單元歸類為所屬的叢集的步驟，還包含有判斷同一叢集內(nèi)的編碼單元是相隔一預(yù)定的距離。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的三維彩色信息擷取方法，其特征在于，所述樣型是利用六種顏色所構(gòu)成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種三維彩色信息擷取方法及其裝置，該方法包含以下步驟分別利用一普通光源以及一樣型光源針對一物體分別擷取貼圖影像以及樣型影像，且樣型光源是利用超過3種顏色的色階排列組合而成；通過貼圖影像分析物體的顏色分布；通過邊緣偵測計算樣型光源的色帶在樣型影像中的位置；判斷樣型影像對應(yīng)于樣型光源的顏色；校正影像顏色對于所述的樣型光源的顏色的影像，從而獲得物體的表面幾何信息；計算物體的三維數(shù)據(jù)；以及通過顏色分布、表面紋理以及三維資料獲得物體的三維模型。同時，樣型還加入分布位置以及顏色排列的限制，能在高分辨率的情況下，克服物體顏色干擾的問題，應(yīng)用的物體材料的種類限制更少。
文檔編號H04N15/00GK1568019SQ0314627
公開日2005年1月19日 申請日期2003年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月7日
發(fā)明者葉元豪, 張意政, 黃清隆 申請人:財團(tuán)法人工業(yè)技術(shù)研究院