第一章 緒論
1.3 文獻回顧
1.3.2 光學影像量測研究
質點影像測速法(Particle Image Velocimetry，PIV)為一種非侵入 式影像分析處理技術，因量測方式不會侵入干擾流場，因此多用於量 測流場之流速剖面、雷諾剪應力、迴流區、流體經過結構物造成之特 殊物理性質，亦對於真實流場中之流況，有極佳觀察特性。在質點影 像測速法應用於防災監測部分，林千翔(2011)使用便宜之市售網路攝 影機結合質點影像測速法(Particle Image Velocimetry，PIV)，監測模 擬自然災害下 LED 燈源之瞬時位移，並藉由觀測此位移變化即可進 行即時災害預警與警報發佈，而提出災害偵測預警系統(Disaster Detection Alarming System，DDAS)。其系統中，儀器具有設備成本 低、硬體設備取得容易、架設容易、偵測準確度高，及具有預警功能 等優點。質點影像測速法僅適用於二維災害位移監測，對本研究之三 維位移判斷適用性低。為克服計算三維座標之變化，提出非聚焦數位 質點影像法及全畫素質點影像測速法，以下進行其文獻回顧。
(1) 非聚焦數位質點影像測速法
Rosenfeld (1976) 認為一個由數位攝影機所拍攝下之數位影像，
9 (Defocusing Digital Particle Image Velocimetry，DDPIV)方面，Pereira and Gharib (2002)認為若參考平面(不管光罩如何變化依然成像相同
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(1-3) (1-4) 其中：
及 為光點 B 散射之光點座標；
M 為幾何光學放大倍率；
(1-5) b 為改變光罩所造成分離向量；由質點影像分析可得，相關公式為：
(1-6) K 為 M 及 L 乘積倒數；以常數表示：
K
(1-7) Zmin為感測器最小物距；
f：鏡頭焦距；
d：光罩至中心光軸之距離；
L：參考平面至光罩所在平面之距離；
a：特徵體積長度。
Pereira et al. (2000)聚焦數位質點顯像測速法，量測三維二相氣泡 流流場，量測氣泡大小位置及氣泡破裂產生之特殊軌跡線；而誤差範 圍僅在 0.025 pixels，因此，可以有效描繪出整個流場之流速以及氣泡 (1-8)
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位移程度。Kajitani et al. (2005)認為 Pereira and Gharib 所推導出方程 式是由二維觀念延伸至三維，有些不恰當之假設，因此使用不同光軸 上之目標點位置，重新以正三角形體積，修正原本提出之正立方體觀 測空間方法。Dejiao et al. (2008)發現若是前後二組試驗之光軸方向位 移甚小時，會發生前後二質點影像重合，降低判斷質點移動能力；如 使用同心圓環狀特殊光罩，改變非聚焦質點形狀，而可以有效處理光 軸方向質點 0.023mm~10mm 微小位移造成質點影像重合之情況。
(2) 全畫素質點影像測速法
一般攝影器材所擷取出之圖片，多為平面影像，並無現實環境中 之立體感，不易透過影像取得空間中所有訊息。而在雷射光被發明之 後，人類才突破這項限制取得了第一張全畫素 (Holographic)照片；
而全畫素質點影像測速法(Holographic Particle Image Velocimetry，
HPIV)是使用二個以上之雷射脈衝光，記錄瞬間全畫素流場質點，或 三維流場圖像；三維圖像可以重新顯示現實空間中，三維流場粒子形 狀大小及位移情形 。因此，僅須使用連續二張短時間、重複曝光之 照片便能夠獲得三維流場粒子向量位移，及三維觀測區域內之速度場 變化。Okamoto et al. (2003)使用高速攝影機，結合全畫素質點影像測 速法，量測噴流衝擊平板之三維速度場，發現深度方向之速度變化量 測不佳。因此，Takahiro et al. (2006)利用時空導數法(STDM)修正全畫
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素質點影像測速法(HPIV)，量測三維立方體穴流情形，改善深度方向 量測不佳之缺點，可將其均方根誤差(RSM)降低至 0.025mm 以下。
2. 雷射光學測距法
雷射光學測距法最早係為美國國家航空暨太空總署（National Aeronautics and Space Administration，NASA）於 1980 年代為了航太 安全而率先使用，直至 1990 年代初期，雷射光學測距法被用於一般 之距離量測計算。雷射測距一般可細分為：飛行時間量測(Time of Flight，TOF)、三角測距量測(Triangulation Method)等二種方法。雷射 光源集中不易發散及不易受目標物接觸面角度散射影響，量測精密度 高。由不同角度所發射之雷射光，即可取得目標物外型資料，且對目 標物辨識較雷達波優良。Nitzan et al. (1977)即使用雷射光學測距法，
量測物體三維形變及推算其張力變化，並討論飛行時間量測及三角測 距量測之適用性比較。
(1) 飛行時間量測法
飛行時間量測法，係為一般雷射測距儀及雷射式水位計所使用之 量測方法，係由雷射光發射器射出一脈衝波後，擊中待測物體後反射 波依原路徑回到接收器，依據發射脈衝波與收到反射波時間間隔，可 推算出物體距離雷射光發射器之距離。由於雷射光以光速行式傳遞，
因此在溫度變化劇烈環境下，不需考慮都普勒效應影響所導致紀錄延
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時遲滯情形，唯一僅需考慮天氣不佳因素造成折射使其量測偏差。目 前國內外多應用於機械及電機方面，進行機器人或自動車輛測距導航 之研究。
(2) 三角測距量測法
1970 年代三角測距量測法(Optical Triangulation Method)在結合 電腦運算後，因觀察範圍廣闊、高準確度、檔案易存取、計算即時性 強等優點而逐漸被使用。其原理為使用雷射光或直線條紋投射於待測 物表面，藉由待測物表面起伏及曲度變化，追蹤雷射光光源像點在空 間上之移動，再經由光學系統圖像取得前後之相對關係，推導出待測 物表面不同位置之角位移量，並以三角幾何關係，計算出光源像點之 三維座標，進而推算出整個空間情形。如圖 1-13 所示：
(1-9) (1-10) 上二式中，
Z：初始觀測點光源位置與感測器之距離；
B：LED 光源至光軸之距離為定值；
U1：光源成像與光軸間之距離；
I：光學系統之成像距離為定值；
Y：欲量測之水位；
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：水位抬升後，觀測點光源位置與感測器之距離；
U1'：水位抬升後，光源成像與光軸間之距離。
當光源位置位移至 時，其成像會移動至 U1'，因此，只要量測光源 成像與光軸間之距離，即可推論出觀測點之深度變化。
陳郁鴻(2005)使用 CMOS sensor 配合雷射光及三角測距量測法，
觀測感測器上之雷射光形心位移，計算家蠶肌肉組織因注射刺激性化 學藥劑，造成疼痛之肌肉振動與脈搏變化。吳軒孝(2007)使用相同三 角測距量測法，將雷射點光源透過圓柱透鏡，形成雷射光頁投射於待 測物體表面，重複測試至消除誤差後，即可獲得該測試體特定縱斷面、
形狀及位置，最後利用此技術感測人體脈搏之微小血管收縮振動情 形。