专利名称：数位激光探头及其测量方法
技术领域：
本发明是有关于一种数位激光探头，尤指一种于激光探头内部内建一数位信号处理器，并利用该数位信号处理器的强大浮点运算能力，以快速将二维影像资料计算转换成三维影像资料再传输至电脑进行后续处理，以节省资料传输量的数位激光探头及其量测方法。
背景技术：
传统激光探头是以CCD摄像装置取得二维影像资料后，直接将二维影像资料传送至电脑进行二维资料转换成三维资料的处理，但此方式的激光探头具有下列缺点(1)一般CCD传输使用类比影像信号，在传输过程中容易受外界的干扰，所以很容易影响影像资料的品质；(2)CCD传输影像资料量庞大，电脑处理时间过久，浪费处理器资源，也占存储器容量过多；以及(3)必须使用一片影像检索卡，做影像界面传输处理等。
例如台湾第91119879号发明专利案『微流场量测装置』即提供一种微流场量测装置，是配合一量测样本，主要包括一激光单元，用以提供一脉冲光源；至少一分光单元，是将该脉冲光源分为一物件光与一参考光，该物件光用以照射该量测样本；一光折变媒体，用以接收该参考光以及由该量测样本反射的物件光，并记录复数组由该参考光与该反射的物件光形成的流场影像；以及一影像检索单元，用以检索该光折变媒体记录的复数组流场影像。其中，该复数组流场影像即为类比影像，其具有如上所述的众多缺点，诚属美中不足之处。
因此，本发明是提供一种数位激光探头及其量测方法，其通过由于激光探头内部内建一数位信号处理器，并利用该数位信号处理器的强大浮点运算能力，以快速将二维影像资料计算转换成三维影像资料再传输至电脑进行后续处理，以节省资料传输量的数位激光探头及其量测方法。
发明内容
本发明是提供一种数位激光探头及其量测方法，其通过由于激光探头内部内建一数位信号处理器，并利用该数位信号处理器的强大浮点运算能力，以快速将二维影像资料计算转换成三维影像资料再传输至电脑进行后续处理，以节省资料传输量的数位激光探头及其量测方法。
本发明的数位激光探头，是用于检索二维影像资料及转换成三维影像资料后输出，该数位激光探头包括激光光源，用以提供一脉冲光源；至少一摄像装置，是置于该激光光源的旁边，用以摄取一物体的二维影像；以及影像处理单元，耦接至该摄像装置，用以检索、储存二维影像并依据一演算法对该二维影像执行二维至三维的座标转换，并于转换后输出该三维影像资料。
此外，本发明的数位激光探头的量测方法，是用于检索二维影像资料及转换成三维影像资料后输出，该数位激光探头包括下列步骤(a)提供一激光光源，用以提供一脉冲光源；(b)提供至少一摄像装置，其中，该摄像装置是置于该激光光源的旁边，用以摄取一物体的二维影像；以及(c)提供一影像处理单元，用以检索、储存该二维影像并依据一演算法对该二维影像执行二维至三维的座标转换，并于转换后输出该三维影像资料。
为能进一步了解本发明的结构、特征及其目的，兹附以图式及较佳具体实施例的详细说明如后。
图1是一示意图，其绘示本发明的数位激光探头1的方块示意图；图2是一示意图，其绘示本发明的数位激光探头1的细部方块示意图；图3是一示意图，其绘示本发明的影像分离电路311的动作示意图；图4是一示意图，其绘示本发明的同步分离电路312的动作示意图；图5(a)及(b)是一示意图，其分别绘示本发明的水平计数器315以及垂直计数器316的方块示意图；图6是一示意图，其绘示本发明的数位激光探头10使用一个CCD摄像装置20时其二维空间至三维空间的对应示意图；图7是一示意图，其绘示本发明的数位激光探头10使用二个CCD摄像装置20时其二维空间至三维空间的对应示意图；图8是一示意图，其绘示本发明的数位激光探头使用二个CCD摄像装置时的量测示意图；图9(a)、(b)及(c)是一示意图，其分别绘示本发明的数位激光探头1使用二个CCD摄像装置20时其空间网格示意图。
具体实施例方式
请参照图1，其绘示根据本发明的数位激光探头的方块示意图。如图所示，本发明的数位激光探头1是用于检索二维影像资料及转换成三维影像资料后输出，该数位激光探头1包括激光光源10；至少一摄像装置20；以及影像处理单元30所组成。
其中，该激光光源10，是用以提供一脉冲光源；该至少一摄像装置20，是置于该激光光源10的旁边，用以摄取一物体的二维影像，其较佳但不限于为一CCD摄像装置；以及影像处理单元30，耦接至该摄像装置20，用以检索、储存二维影像并依据一演算法对该二维影像执行二维至三维的座标转换，并于转换后输出该三维影像资料至一电脑40进行后续的处理。
请参照图2，其绘示根据本发明的数位激光探头的细部方块示意图。如图所示，本发明的影像处理单元30进一步包括影像检索电路31；影像储存电路32；数位信号处理器33以及一界面34。
其中，该影像检索电路31是耦接至该摄像装置20，用以由该二维影像资料中分离出一影像资料信号、一水平同步信号及一垂直同步信号，并依据该水平同步信号及该垂直同步信号转换成一位址信号；影像储存电路32，耦接至该影像检索电路31，用以将该影像资料信号储存至该位址信号所对应的位址；数位信号处理器33，耦接至该影像检索电路31及该影像储存电路32，由该影像储存电路32中取得该二维影像资料并依据该演算法将其转换成该三维影像资料；以及该界面34，是耦接至该数位信号处理器33，其较佳但不限于为一USB2.0标准的界面，用以将该三维影像资料输出至该电脑40。
此外，本发明的影像检索电路31可进一步包括影像分离电路311，耦接至该摄像装置20，用以自该二维影像资料中分离出该影像资料信号；同步分离电路312，耦接至该摄像装置20，用以自该二维影像资料中分离出该水平同步信号及该垂直同步信号；类比至数位转换电路(ADC)313，耦接至该影像分离电路311，用以将类比形式的该影像资料信号转换成一数位影像资料信号；时序信号产生电路314，耦接至该同步分离电路312及该类比至数位转换电路313，根据水平同步信号及该垂直同步信号产生一时序信号，并输出至该类比至数位转换电路313及该数位信号处理器33为其时基(time-base)信号；水平计数器315，耦接至该同步分离电路312，用以计数该水平同步信号；以及垂直计数器316，耦接至该同步分离电路312，用以计数该垂直同步信号。
此外，本发明的影像储存电路32可进一步包括资料缓冲器321，是耦接至该类比至数位转换电路313，用以暂存该数位影像资料信号，其较佳具有8位元的资料汇流排；位址缓冲器322，耦接至该水平计数器315、该垂直计数器316及该数位信号处理器33，用以储存该位址信号，其较佳具有8位元的位址汇流排；以及存储器323，耦接至该资料缓冲器321、该位址缓冲器322及该数位信号处理器33，用以根据该位址信号储存该数位影像资料信号。
请参照图3，其绘示根据本发明的影像分离电路311的动作示意图。如图所示，本发明的影像分离电路311可将摄像装置20所输出类比形式的影像复合信号分离出一影像信号、一水平同步信号及一垂直同步信号。
请参照图4，其绘示根据本发明的同步分离电路312的动作示意图。本发明的同步分离电路312可将摄像装置20所输出类比形式的影像复合信号分离出一水平同步信号及一垂直同步信号，其较佳但不限于为美国国家半导体公司所生产的LM1881影像同步信号分离器。
请参照图5(a)及(b)，其分别绘示本发明的水平计数器315以及垂直计数器316的方块示意图。本发明的水平计数器315(丫轴)及垂直计数器316(X轴)是将水平同步信号输出的信号作为水平计数器315的脉波输入，而垂直同步信号的低电位到高电位作为水平计数器315的触发缘并作为垂直计数器316脉波输入，其较佳但不限于为使用美国Altera公司的高速数位逻辑电路设计成水平为10位元的计数器，垂直为9位元的计数器，计数器的内部程式用VHDL撰写。
请参照图6，其绘示本发明的数位激光探头1使用一个CCD摄像装置时其二维空间至三维空间的对应示意图。本发明将CCD摄像装置20取得的二维影像资料转换成三维座标的影像资料的演算法是交由数位信号处理器33来处理，以减轻资料的传输量及电脑40的中央处理器的负担，本发明的数位信号处理器33较佳但不限于使用美国TEXAS INSTRUMENTS公司的TMS320C67XX系列，其处理指令最高可以达到1200MFLOPs(MillionFloating-Point Operations Per Second)每秒可以处理百万个浮点数指令，在本发明的数位激光探头1上必须有浮点运算的能力来作二维影像平面座标映射函数，对应成二维的空间座标，利用二维映射函数在空间平面上的座标，对应至CCD摄影机影像20位置，得到二维空间座标的对应表，将对应表储存于该存储器323中。
其中，本发明的数位激光探头1当使用一个CCD摄像装置20时，其二维影像资料转换成三维座标的影像资料的演算法可以是二维平面映射函数或二维半曲面映射函数，其中该二维平面映射函数的原理为三维空间的物体经CCD摄像装置20的镜头折射后，将会成像在CCD的二维感测面上，其三维空间点与二维影像点的相对关系，若以多项式表示，即为二维平面映射函数，其可以下列多项式表示Y=g(xk,yk)Σj=0Σi=0bijxiyi]]>(多项式1)Z=h(xk,yk)Σj=0Σi=0cijxiyi]]>(多项式2)其中，空间座标(X，Y，Z)，摄像装置20的座标(X，Y)则其Y、Z的座标值可由上述的多项式1及2求出。
若使用二维半曲面映射函数则其原理为三维空间的物体经CCD摄像装置20镜头折射后，将会成家在CCD的二维感测面上，其三维空间点与二维影像点的相对关系若以多项式表示，即为二维半曲面映射函数，其可以下列多项式表示
X=f(xk,yk)Σj=0Σi=0aijxiyj]]>(多项式3)Y=g(xk,yk)Σj=0Σi=0bijxiyj]]>(多项式4)Z=h(xk,yk)Σj=0Σi=0cijxiyj]]>(多项式5)其中，空间座标(X，Y，Z)，摄像装置20的座标(X，Y)则其X、Y、Z的座标值可由上述的多项式3、4及5求出。
请参照图7，其绘示本发明的数位激光探头使用二个CCD摄像装置时其二维空间至三维空间的对应示意图。本发明的数位激光探头1当使用二个CCD摄像装置20时，是将二个CCD摄像装置20分置于该激光光源10的两侧，如图7所示，三维映射函数的原理为三维空间体的一点与其在三维感测面上的成像位置存在着某种关系，此种关是即为『三维空间点与二维影像点的相对关系』，若以函数表示即为『三维空间映射函数』，其可以下列多项式表示X=f(xL,yL,xR,yR)Σl=0Σk=0Σj=0Σi=0aijklxLixLjxkRyIR]]>(多项式6)Y=g(xL,yL,xR,yR)Σl=0Σk=0Σj=0Σi=0bijklxLixLjxkRyIR]]>(多项式7)Z=h(xL,yL,xR,yR)Σl=0Σk=0Σj=0Σi=0cijklxLixLjxkRyIR]]>(多项式8)其中，空间座标(X，Y，Z)，左CCD座标(XL，YL)，右CCD座标(XR，YR)则其X、Y、Z的座标值可由上述的多项式6、7及8求出。
此外，本发明亦提供一种数位激光探头的量测方法，是用于检索一二维影像资料及转换成一三维影像资料后输出，该量测方法包括下列步骤(a)提供一激光光源10，用以提供一脉冲光源；(b)提供至少一摄像装置20，其中，该摄像装置20是置于该激光光源10的旁边，用以摄取一物体的二维影像；以及(c)提供一影像处理单元30，用以检索、储存该二维影像并依据一演算法对该二维影像执行二维至三维的座标转换，并于转换后输出该三维影像资料。
其中，步骤(b)中的摄像装置20较佳但不限于为CCD摄像装置；而步骤(c)中的演算法，如上所述亦可以为二维平面映射函数、二维半曲面映射函数或三维映射函数，视其使用一个或两个CCD摄像装置20而定，该演算法的原理请参照上义，在此不拟赘述。
请配合参照图8及图9，其分别绘示本发明的数位激光探头10使用二个CCD摄像装置20时的量测示意图及其空间网格示意图。本发明的数位激光探头1当使用二个CCD摄像装置20时，是将二个CCD摄像装置20分置于该激光光源10的两侧，如图8所示，左、右CCD摄像装置20可分别摄得物体的特征点，再将左右CCD摄像装置20摄得的影像特征点代入三维映射函数可求得左右CCD摄影机的三维空间网格座标点，并拟合成为两直线(曲线)(请参照图9(a)及9(b))，并计算两直线(曲线)的交点(请参照图9(c))，其所使用的原理如下利用二维映射函数在空间平面上的校正网格特征点对应至CCD摄像装置20影像位置得到Y＝d 0的左右CCD平面校正函数，重复前步骤求得Y＝d1…Y＝d4，左右CCD平面的校正函数所得到的校正函数如下XL=fL(XL,YL)d=0=Σj=0Σi=0CijXILYjL]]>(多项式9)YL＝d0(多项式10)ZL=HL(XL,YL)d=0=Σj=0Σi=0CijXLIYjL]]>(多项式11)利用多项式9、10及11即可计算出两直线(曲线)的交点Y＝d(请参照图9(c))。
本发明所揭示的，乃较佳实施例，举凡局部的变更或修饰而源于本发明的技术思想而为熟习该项技艺的人所易于推知者，俱不脱本发明的专利权范畴。
权利要求
1.一种数位激光探头，是用于检索一二维影像资料及转换成一三维影像资料后输出，其特征在于，该数位激光探头包括一激光光源，用以提供一脉冲光源；至少一摄像装置，是置于该激光光源的旁边，用以摄取一物体的二维影像；以及一影像处理单元，耦接至该摄像装置，用以检索、储存二维影像并依据一演算法对该二维影像执行二维至三维的座标转换，并于转换后输出该三维影像资料。
2.如权利要求1所述的数位激光探头，其特征在于，所述该影像处理单元进一步包括一影像检索电路，耦接至该摄像装置，用以由该二维影像资料中分离出一影像资料信号、一水平同步信号及一垂直同步信号，并依据该水平同步信号及该垂直同步信号转换成一位址信号；一影像储存电路，耦接至该影像检索电路，用以将该影像资料信号储存至该位址信号所对应的位址；一数位信号处理器，耦接至该影像检索电路及该影像储存电路，由该影像储存电路中取得该二维影像资料并依据该演算法将其转换成该三维影像资料；以及一界面，耦接至该数位信号处理器，用以将该三维影像资料输出至一电脑。
3.如权利要求2所述的数位激光探头，其特征在于，所述该影像检索电路进一步包括一影像分离电路，耦接至该摄像装置，用以自该二维影像资料中分离出该影像资料信号；一同步分离电路，耦接至该摄像装置，用以自该二维影像资料中分离出该水平同步信号及该垂直同步信号；一类比至数位转换电路，耦接至该影像分离电路，用以将类比形式的该影像资料信号转换成一数位影像资料信号；一时序信号产生电路，耦接至该同步分离电路及该类比至数位转换电路，根据水平同步信号及该垂直同步信号产生一时序信号，并输出至该类比至数位转换电路及该数位信号处理器为其时基信号；一水平计数器，耦接至该同步分离电路，用以计数该水平同步信号；以及一垂直计数器，耦接至该同步分离电路，用以计数该垂直同步信号。
4.如权利要求2所述的数位激光探头，其特征在于，所述该其中该界面为一USB2.0界面。
5.如权利要求1所述的数位激光探头，其特征在于，所述该演算法是采用二维平面映射函数，其中，空间座标(X，Y，Z)，摄像装置的座标(X，Y)则其Y、Z的座标值可由下列多项式求出Y=g(xk,yk)Σj=0Σi=0bijxiyj]]>Z=h(xk,yk)Σj=0Σi=0cijxiyi.]]>
6.如权利要求1所述的数位激光探头，其特征在于，所述该演算法是采用三维映射函数，其中，空间座标(X，Y，Z)，左摄像装置的座标(XL，YL)，右摄像装置的座标(XR，YR)，则其X、Y、Z的座标值可由下列多项式求出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.]]>
7.一种数位激光探头的量测方法，是用于检索一二维影像资料及转换成一三维影像资料后输出，其特征在于，该量测方法包括下列步骤(a)提供一激光光源，用以提供一脉冲光源；(b)提供至少一摄像装置，其中，该摄像装置是置于该激光光源的旁边，用以摄取一物体的二维影像；以及(c)提供一影像处理单元，用以检索、储存该二维影像并依据一演算法对该二维影像执行二维至三维的座标转换，并于转换后输出该三维影像资料。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述该步骤(c)中的影像处理单元进一步包括一影像检索电路，耦接至该摄像装置，用以由该二维影像资料中分离出一影像资料信号、一水平同步信号及一垂直同步信号，并依据该水平同步信号及该垂直同步信号转换成一位址信号；一影像储存电路，耦接至该影像检索电路，用以将该影像资料信号储存至该位址信号所对应的位址；一数位信号处理器，耦接至该影像检索电路及该影像储存电路，由该影像储存电路中取得该二维影像资料并依据该演算法将其转换成该三维影像资料；以及一界面，耦接至该数位信号处理器，用以将该三维影像资料输出至一电脑。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述该影像检索电路进一步包括一影像分离电路，耦接至该摄像装置，用以自该二维影像资料中分离出该影像资料信号；一同步分离电路，耦接至该摄像装置，用以自该二维影像资料中分离出该水平同步信号及该垂直同步信号；一类比至数位转换电路，耦接至该影像分离电路，用以将类比形式的该影像资料信号转换成一数位影像资料信号；一时序信号产生电路，耦接至该同步分离电路及该类比至数位转换电路，根据水平同步信号及该垂直同步信号产生一时序信号，并输出至该类比至数位转换电路及该数位信号处理器为其时基信号；一水平计数器，耦接至该同步分离电路，用以计数该水平同步信号；以及一垂直计数器，耦接至该同步分离电路，用以计数该垂直同步信号。
10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述该演算法是采用三维映射函数，其中，空间座标(X，Y，Z)，左摄像装置的座标(XL，YL)，右摄像装置的座标(XR，YR)，则其X、Y、Z的座标值可由下列多项式求出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
本发明是提供一种数位激光探头，是用于检索二维影像资料及转换成三维影像资料后输出，该数位激光探头包括激光光源，用以提供一脉冲光源；至少一摄像装置，是置于该激光光源的旁边，用以摄取一物体的二维影像以及影像处理单元，耦接至该摄像装置，用以检索、储存二维影像并依据一演算法对该二维影像执行二维至三维的坐标转换，并于转换后输出该三维影像资料。此外，本发明亦揭露一种数位激光探头的测量方法。
文档编号G06T1/00GK1621930SQ20031011793
公开日2005年6月1日 申请日期2003年11月26日 优先权日2003年11月26日
发明者许智钦, 陈家兴, 黄国忠, 蔡毓和, 潘熙光 申请人:智泰科技股份有限公司