CN108616726A - 基于结构光的曝光控制方法及曝光控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于结构光的曝光控制方法及曝光控制装置。曝光控制方法包括：根据多个曝光条件对物体进行结构光扫描操作以产生对应的多个影像组；从所述曝光条件中决定最佳曝光条件，其中最佳曝光条件对应的影像组的曝光不合格值小于其他影像组的曝光不合格值，曝光不合格值是藉由每一影像组中的过度曝光像素的个数及信心度过低像素的个数来决定；以及根据最佳曝光条件对应的影像组计算物体的立体影像。本发明的曝光控制方法及曝光控制装置会从多个曝光条件中决定最佳曝光条件，并根据最佳曝光条件对应的影像组计算物体的立体影像。

Description

基于结构光的曝光控制方法及曝光控制装置

技术领域

本发明涉及一种曝光控制方法及曝光控制装置，且特别涉及一种基于结构光的曝光控制方法及曝光控制装置。

背景技术

在计算机图学的领域中，针对物体外观轮廓的几何量测技术在现今的应用上，例如工业设计、逆向工程、制造零件检测、数字文物典藏、文物遗迹考古等均有三维取像与数据分析的需求。

以现有基于时间编码的结构光(time-coded structured light)而言，其可提供相当精细的立体扫描结果。此种扫描方式是利用不同相位移以及频率的结构光投射到物体表面，再利用影像捕获设备捕获因物体表面轮廓而造成变形的结构光的多张影像，以藉由影像分析得到物体的完整表面信息。然而，在投射具有结构光的图样到物体表面时可能因为曝光过度造成错误立体信息，或因为曝光不足而造成信心度过低而计算出错误率高的立体信息。

发明内容

本发明提供一种基于结构光的曝光控制方法及曝光控制装置，用以控制曝光条件以提升立体扫描的影像质量。

本发明的基于结构光的曝光控制方法适用于具有投影机及影像捕获设备的曝光控制装置，上述曝光控制方法包括：根据多个曝光条件对物体进行结构光扫描操作以产生对应的多个影像组；从所述曝光条件中决定最佳曝光条件，其中最佳曝光条件对应的影像组的曝光不合格值小于其他影像组的曝光不合格值，曝光不合格值是藉由每一影像组中的过度曝光像素的个数及信心度过低像素的个数来决定；以及根据最佳曝光条件对应的影像组计算物体的立体影像。

本发明的基于结构光的曝光控制装置包括投影机、影像捕获设备及处理器。处理器耦接投影机及影像捕获设备。处理器指示投影机及影像捕获设备根据多个曝光条件对物体进行结构光扫描操作以产生对应的多个影像组。处理器从所述曝光条件中决定最佳曝光条件。最佳曝光条件对应的影像组的曝光不合格值小于其他影像组的曝光不合格值。曝光不合格值是藉由每一影像组中的过度曝光像素的个数及信心度过低像素的个数来决定。处理器根据最佳曝光条件对应的影像组计算物体的立体影像。

基于上述，本发明的曝光控制方法及曝光控制装置会从多个曝光条件中决定最佳曝光条件，并根据最佳曝光条件对应的影像组计算物体的立体影像。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所示附图作详细说明如下。

附图说明

图1是根据本发明一实施例所显示的曝光控制装置的方块图；

图2是根据本发明一实施例所显示的曝光控制装置的示意图；

图3是根据本发明一实施例所显示的曝光控制方法的流程图；

图4是根据本发明一实施例所显示的过度曝光地图的示意图；

图5是根据本发明一实施例所显示的信心度不足地图的示意图；

图6是根据本发明一实施例所显示的相位角与信心度关系的示意图；

图7是根据本发明一实施例所显示的曝光条件与曝光不合格值的关系的示意图。

附图标记说明：

100：曝光控制装置

110：投影机

120：影像捕获设备

130：处理器

T：物体

S301、S303、S305：曝光控制方法的步骤

400：过度曝光地图

410：过度曝光区块

500：信心度不足地图

510：信心度不足区块

具体实施方式

本发明的部分实施例接下来将会配合附图来详细描述，以下的描述所引用的组件符号，当不同附图出现相同的组件符号将视为相同或相似的组件。这些实施例只是本发明的一部分，并未揭示所有本发明的可实施方式。更确切的说，这些实施例只是本发明的权利要求中的方法及装置的范例。

图1是根据本发明一实施例所显示的曝光控制装置的方块图。图2是根据本发明一实施例所显示的曝光控制装置的示意图。但仅是为了方便说明，并不用以限制本发明。

请参照图1及图2，曝光控制装置100包括投影机110、影像捕获设备120及处理器130。处理器130耦接至投影机110及影像捕获设备120。曝光控制装置100可针对物体T进行扫描，以获得物体T的立体信息。在本实施例中，影像捕获设备120可设置于投影机110上方，如图2所示。然而，本发明并不限制于图2中的设置方式。例如，投影机110及影像捕获设备120可以彼此水平设置或以其他方式设置。

在本实施例中，影像捕获设备120用以捕获物体T的影像。影像捕获设备120包括镜头以及感光组件。镜头由透镜所构成，而感光组件用以分别感测进入镜头的光线强度，进而分别产生影像。感光组件可以例如是电荷耦合组件(charge coupled device，CCD)、互补性氧化金属半导体(complementary metal-oxide semiconductor，CMOS)组件或其他组件，本发明不在此设限。

在本实施例中，处理器130耦接至投影机110及影像捕获设备120。处理器130可以例如是中央处理单元(central processing unit，CPU)，或是其他可程序化的一般用途或特殊用途的微处理器(microprocessor)、数字信号处理器(digital signal processor，DSP)、可程序化控制器、特殊应用集成电路(Application Specific IntegratedCircuits，ASIC)、可程序化逻辑设备(programmable logic device，PLD)或其他类似装置或这些装置的组合。

本领域具通常知识者应明了，曝光控制装置100还包括可耦接至投影机110、影像捕获设备120及处理器130的数据储存装置(未显示于图中)，用以储存影像以及数据。数据储存装置可以例如是任意型式的固定式或可移动式随机存取内存(random accessmemory，RAM)、只读存储器(read-only memory，ROM)、闪存(flash memory)、硬盘或其他类似装置或这些装置的组合。

在本实施例中，处理器130可指示投影机110对物体T进行结构光扫描操作，也就是指示投影机110依序投射具有多个扫描图样的结构光于物体T以扫描物体T。举例来说，投影机110可依序投射具有扫描图样1-6的结构光于物体T。扫描图样1-3可具有第一空间频率且扫描图样4-6可具有不同于第一空间频率的第二空间频率。扫描图样1-3及扫描图样4-6可为正弦波图样或余弦波图样，并且各可具有三种不同的相位移(例如，-120度、0度及120度)。当具有扫描图样1-6的结构光投射在物体T时，处理器130指示影像捕获设备120捕获物体T的多个影像。因此，扫描图样1-3及扫描图样4-6的三种不同的相位移可分别对应到影像捕获设备120所捕获的多个影像的其中之一，更精确来说，当具有扫描图样1的结构光投射在物体T时，影像捕获设备120会捕获物体T对应扫描图样1的影像，当具有其他扫描图样的结构光投射在物体T时则以此类推。值得注意的是，虽然在本实施例中是以两组不同空间频率的扫描图样的结构光扫描物体T，但本发明并不以此为限。在另一实施例中，也可以三组或更多组不同空间频率的扫描图样的结构光扫描物体T，以达到更精确的扫描效果。此外，虽然在本实施例中的相同空间频率下的扫描图样具有三种不同的相位移，但本发明并不以此为限。在另一实施例中，相同空间频率下的扫描图样也可具有四种或其他不同的相位移。

图3是根据本发明一实施例所显示的曝光控制方法的流程图。

在步骤S301中，根据多个曝光条件对物体T进行结构光扫描操作以产生对应的多个影像组。曝光条件可为投影机110的亮度大小、影像捕获设备120的光圈大小、投影机110及影像捕获设备120的同步曝光时间或扫描图样的变化强度范围(例如，曝光值为0-255的扫描图样或曝光值为0-127的扫描图样)。以曝光条件是投影机110的亮度大小为例，处理器130可指示投影机110以不同亮度投射具有扫描图样1-6的结构光于物体T，因此在每一个投影机110投射亮度下影像捕获设备120都可捕获出一个影像组(例如，对应扫描图样1-6的影像1-6)。

在步骤S303中，从上述曝光条件中决定最佳曝光条件。其中最佳曝光条件对应的影像组的曝光不合格值小于其他影像组的曝光不合格值。曝光不合格值是藉由每一影像组中的过度曝光像素的个数及信心度过低像素的个数来决定。

具体来说，处理器130会计算每一个影像组的过度曝光地图并标记过度曝光地图中的过度曝光区块。以图4为例，当处理器130在计算一个影像组的过度曝光地图400时，处理器130可根据预设的曝光门槛值来寻找过度曝光区块410。详细来说，当一个像素在此影像组中的任一影像中的曝光值大于曝光门槛值时，则处理器130判断此像素为过度曝光像素，并将此像素标记在过度曝光区块410中。以八位曝光值为例，曝光门槛值可设定为250。过度曝光地图400可利用下列方程式来实作：

过度曝光地图＝(影像1>曝光门槛值)×…×(影像n>曝光门槛值)。其中影像1到影像n代表了影像1到影像n所有像素的曝光值。

在上述方程式中，n为相同空间频率的扫描图样的个数的倍数。例如，在本实施例中，n可为3或6。

也就是说，处理器130可藉由上述方程式判断影像组中的每一个像素是否过度曝光并计算出包括过度曝光区块410的过度曝光地图400。

另外，处理器130还会计算每一个影像组的信心度不足地图并标记信心度不足地图中的信心度不足区块。以图5为例，当处理器130在计算一个影像组的信心度不足地图500时，处理器130可根据预设的信心度门槛值来寻找信心度不足区块510。详细来说，当一像素在一个影像组中的信心度小于信心度门槛值时，则判断此像素为信心度过低像素并将此像素标记在信心度过低区块510中，其中信心度为此像素在此影像组中的曝光值的变化度。信心度不足地图500可利用下列方程式来实作：

信心度不足地图＝(I²+Q²)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所有像素的曝光值。

详细来说，影像1-3中像素的曝光值可以下列方程式(1)、(2)、(3)来表示：

在方程式(1)-(3)中，I-、I₀、I₊分别为影像1-3中像素的曝光值观测强度，I_base为对应环境光强度而I_var对应投影机所投射的结构光亮度，为相位角，θ为相位移。在本实施例中，θ为120度。

在方程式(4)中，藉由等号左半部的运算可消除相位角与环境光强度对应值I_base及投影机所投射的结构光亮度对应值I_var的相依性，并得到相位角与I_-、I₀、I₊及相位移θ的关系，如方程式(5)所示，最后再从方程式(5)推导出方程式(6)。

如此一来，信心度不足地图的I即为2I₀-I_--I₊，且Q即为而上述信心度就可视为三角形斜边长度，如图6所示。

从上述方程式可得知，当一个像素在一个影像组中的变化度越低时，计算出的信心度也会越低。当一像素在一个影像组中的信心度小于信心度门槛值(例如，10)时，则处理器130将此像素标记在信心度过低区块510中。

当处理器130计算出过度曝光区块410及信心度不足区块510之后，就可从过度曝光区块410及信心度不足区块510中获得过度曝光的像素个数及信心度过低的像素个数。在本实施例中，处理器130可将曝光不合格值设定为过度曝光像素的个数及信心度过低像素的个数的总合。然而，本发明并不以此为限。在另一实施例中，处理器130可将曝光不合格值设定为过度曝光像素的个数乘以第一权重参数及信心度过低像素的个数乘以第二权重参数的总合。

接着，处理器130可计算出每个曝光条件所对应的曝光不合格值，并将具有最小曝光不合格值的曝光条件设定为最佳曝光条件，如图7所示。

在步骤S305中，根据最佳曝光条件对应的影像组计算物体的立体影像。

值得注意的是，在本实施例中计算曝光不合格值的区域为影像的整个画面，但本发明并不以此为限。在另一实施例中，也可仅对感兴趣区域(Region of Interest，ROI)来计算曝光不合格值，以减少运算时间。

综上所述，本发明的曝光控制方法及曝光控制装置可根据对应每一曝光条件的影像组中的过度曝光像素的个数及信心度过低像素的个数来计算初对应每一曝光条件曝光不合格值，再从多个曝光条件中寻找出曝光不合格值最小的最佳曝光条件，并利用对应最佳曝光条件的影像组产生立体影像，以有效提升立体扫描的精确度。

虽然本发明已以实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更改与润饰，故本发明的保护范围当视权利要求所界定的为准。

Claims (14)

1.一种基于结构光的曝光控制方法，其特征在于，适用于具有投影机及影像捕获设备的曝光控制装置，该曝光控制方法包括：

根据多个曝光条件对一物体进行结构光扫描操作以产生对应的多个影像组；

从所述多个曝光条件中决定最佳曝光条件，其中该最佳曝光条件对应的影像组的曝光不合格值小于其他所述多个影像组的该曝光不合格值，该曝光不合格值是藉由每一所述多个影像组中的过度曝光像素的个数及信心度过低像素的个数来决定；以及

根据该最佳曝光条件对应的影像组计算该物体的立体影像。

2.根据权利要求1所述的曝光控制方法，其特征在于，该结构光扫描操作包括：

利用该投影机依序投射具有多个扫描图样的结构光于该物体以扫描该物体；

以及当具有所述多个扫描图样的结构光投射在该物体时，利用该影像捕获设备捕获该物体的多个影像。

3.根据权利要求2所述的曝光控制方法，其特征在于，当一像素在每一所述多个影像组中的任一影像中的曝光值大于曝光门槛值时，则判断该像素为该过度曝光像素。

4.根据权利要求2所述的曝光控制方法，其特征在于，当一像素在每一所述多个影像组中的信心度小于信心度门槛值时，则判断该像素为该信心度过低像素，其中该信心度为该像素在每一所述多个影像组中的曝光值的变化度。

5.根据权利要求2所述的曝光控制方法，其特征在于，所述多个曝光条件为该投影机的亮度、该影像捕获设备的光圈、该投影机及该影像捕获设备的曝光时间或所述多个扫描图样的变化强度。

6.根据权利要求2所述的曝光控制方法，其特征在于，所述多个扫描图样包括第一空间频率以及第二空间频率的特定图样。

7.根据权利要求2所述的曝光控制方法，其特征在于，每一所述多个扫描图样的结构光具有至少三种不同相位移，而各所述相位移分别对应于所述多个影像的其中之一。

8.一种基于结构光的曝光控制装置，其特征在于，包括：

投影机；

影像捕获设备；以及

处理器，耦接该投影机及该影像捕获设备，

其中该处理器指示该投影机及该影像捕获设备根据多个曝光条件对一物体进行结构光扫描操作以产生对应的多个影像组，

其中该处理器从所述多个曝光条件中决定最佳曝光条件，其中该最佳曝光条件对应的影像组的曝光不合格值小于其他所述多个影像组的该曝光不合格值，该曝光不合格值是藉由每一所述多个影像组中的过度曝光像素的个数及信心度过低像素的个数来决定，

其中该处理器根据该最佳曝光条件对应的影像组计算该物体的立体影像。

9.根据权利要求8所述的曝光控制装置，其特征在于，该处理器指示该投影机依序投射具有多个扫描图样的结构光于该物体以扫描该物体，其中当具有所述多个扫描图样的结构光投射在该物体时，该处理器指示该影像捕获设备捕获该物体的多个影像。

10.根据权利要求9所述的曝光控制装置，其特征在于，当一像素在每一所述多个影像组中的任一影像中的曝光值大于曝光门槛值时，则判断该像素为该过度曝光像素。

11.根据权利要求9所述的曝光控制装置，其特征在于，当一像素在每一所述多个影像组中的信心度小于信心度门槛值时，则判断该像素为该信心度过低像素，其中该信心度为该像素在每一所述多个影像组中的曝光值的变化度。

12.根据权利要求9所述的曝光控制装置，其特征在于，所述多个曝光条件为该投影机的亮度、该影像捕获设备的光圈、该投影机及该影像捕获设备的曝光时间、或者所述多个扫描图样的变化强度。

13.根据权利要求9所述的曝光控制装置，其特征在于，所述多个扫描图样包括第一空间频率以及第二空间频率的特定图样。

14.根据权利要求9所述的曝光控制装置，其特征在于，每一所述多个扫描图样的结构光具有至少三种不同相位移，而各所述相位移分别对应于所述多个影像的其中之一。