國立臺灣師範大學機電科技學系 - 72 -
第五章 第五章 第五章
第五章 實驗結果與討論 實驗結果與討論 實驗結果與討論 實驗結果與討論
為了驗證三維重建系統的重建性能，本實驗主要是採用 Borland C++ Builder 6.0 程式語言撰寫三維建模系統。經由自行設計的介面，從顯 示影像的畫面到影像處理，再到最後的三維重建系統，全由介面來操作，
並達到重建三維物體模型要求。在本節中將進行一系列的重建物體模型測 試與實驗，依序對重建實驗的結果進行討論。
5.1 系統系統系統系統設備設備設備設備描述描述描述描述
圖 5-1 是本研究之系統硬體的架構概觀，其硬體設備如下列所述 :
CCD Camera #1
( )
CCD Camera #2
( )
L 15W
圖 5-1 三維重建系統配置圖
1.個人電腦個人電腦個人電腦：個人電腦：： 使用 CPU 為 PentiumIV 2.4GHz 的個人電腦，作為三維重建： 系統之操作介面，並搭配 BCB 程式語言作為開發系統的工具，來達成三 維重建的目的。
2.影像擷取卡影像擷取卡影像擷取卡 : 本研究選用之影像擷取卡為泰洛公司代理 MATROX 之影像擷取卡 SOL 6M CL 圖 5-2 所示，Solios 為全方位型的影像擷取卡，可支援類比
第五章 實驗結果與討論
國立臺灣師範大學機電科技學系 - 73 -
(Solios XA)或數位(SoliosXCL)攝影機，其中 XA 版可提供 4 組獨立標準或 非標準類比輸出,每組頻道取樣率高達 65MHZ.而數位型的 XCL，可支援兩 組 CameraLink base 或壹組 medium 標準攝影機,這款即將登場的多功能影 像卡,可相容於 PCI-X 匯流排技術、具備由 Matrox 專屬設計的 Oasis ASIC 客製化晶片處理組、即時像素編排(image formatting)、具備前處理能力(不 佔用 CPU 的效能)與 680MB/sec 的進像速度。同時為搭配我們所選取 CCD 的設備規格，所以此影像擷取卡選用數位型的 XCL，相當適合於本實驗。
圖 5-2 SOL 6M CL 影像擷取卡
3.CCD 攝影機攝影機攝影機：攝影機：： 使用 CCD(型號為 TM-6740CL)來擷取待測模型的影像，： 同時將 CCD 所記錄的圖形訊號送到顯視器和影像擷取卡(型號為 Matrox Solios XCL)，藉由自行設計的操作介面，我們可調整 CCD 的解析度，除 此之外，另可設定影像暫存、擷取數據速度。提及上述功能只是為了系統 的完整性，在我們三維重建系統中，並非會使用到這些功能。我們實驗的 設定通常為：256 灰階記錄光強度、640×480 的圖片大小與 30fps 的顯示速 度，另外，系統使用的兩台 CCD Camera 規格須一致，例如:像素、顯示速 度。如果兩 CCD Camera 的規格不同，相對重建三維模型的比例也會受到 影響。例如我們前視圖 CCD Camera 的圖片大小取 640×480，但側視圖的 圖片大小取 320×240，在影像處理完之後，三維座標上的匹配，相對會失 去原有模型的比例，故系統需同規格的 CCD Camera，方可重建出三維模 型。
第五章 實驗結果與討論
國立臺灣師範大學機電科技學系 - 74 -
4.純白純白純白 L 型壓克力板純白 型壓克力板型壓克力板：型壓克力板：：： 藉由純白 L 型壓克力板，將不必要的背景隔離，
使 CCD 攝影機所擷取到的影像僅剩下待測物體模型的部份，達到簡化影 像處理的繁雜程序。
5.光學光學光學桌光學桌桌桌板板板板：：：： 固定 CCD 攝影機與實驗平台，使 CCD 攝影機與實驗平台 牢固地佇立在光學板上。
6.光光光源光源源源：：：：光源為 15W 的汞燈，對待測物體進行打光，使影像的特徵更加明 顯。
5.2 三維重建系統架設操作流程三維重建系統架設操作流程三維重建系統架設操作流程三維重建系統架設操作流程
圖 5-3 三維重建系統實體圖 該三維重建系統架設描述如下：
1.首先調整待測平台高度(14 公分)，同時以水平儀校正平台的平整度，可 參考圖 5-3。
2.將 CCD Camera # 1 及 CCD Camera # 2 的高度調整至與平台切齊的位 置，並且對準待測模型，可參考圖 5-3。
CCD Camera#1
待測物放置平台 待測物放置平台待測物放置平台 待測物放置平台
CCD Camera#2
第五章 實驗結果與討論
國立臺灣師範大學機電科技學系 - 75 -
3.將待測物體擺放位置調整至最適當位置，如第三章圖 3-6 與 3-7 所示的 位置，亦即待測模型可以讓 CCD Camera #1 與 Camera #2 擷取到整體輪廓 為主。
4.調整 Camera #1 與 Camera #2 的光圈、焦距至適當的位置，使所擷取到 的影像為最佳。
5.透過電腦執行 BCB 所設計的操作介面，進行影像擷取、影像處理與三維 建模。
5.3 規劃規劃規劃操作介面規劃操作介面操作介面 操作介面
由於我們所採用的擷取卡為 Matrox Solios，其影像顯示介面可透過同 一廠家所提供的軟體操作介面執行擷取影像，儲存影像。但為了在操作上 的方便性，我們把所有的功能全部整合在一起，包括即時顯示影像、畫面 擷取影像，儲存影像，影像尋邊、反白、濾波、三維建模、網格...等，並 採用 BCB 來開發本實驗所需要的操作介面，而系統操作介面，如圖 5-4 所 示。影像擷取卡公司所提供的取像軟體為 Mil-Lite 8.0，其功能除取像之
圖 5-4 以 Borland C++ Builder6.0 設計的操作介面概觀
第五章 實驗結果與討論
國立臺灣師範大學機電科技學系 - 76 -
外，本身還有搭配影像處理的功能，但並不是我們本研究所想要用的功 能。因此，必須自行設計介面。在這裡，我們需要引用到 Mil-Lite 8.0 本身 的 ActiveX 元件，故需事先做相關的配置，待相關的設定調整完後，即可 在 BCB 上使用控制項來建置操作介面，圖 5-5 為我們三維系統建模的操作 介面。
圖 5-5 三維建模系統操作介面
5.4 系統建模執行結果系統建模執行結果系統建模執行結果 系統建模執行結果
A.選用建模對象選用建模對象選用建模對象選用建模對象的材質的材質的材質的材質
首先我們必須選定所要重建的模型，我們採用積木來做為我們建模的 對象，如圖 5-6(b)。以積木為建模的對象其目的是積木本身的材質為木頭，
其表面光線反射的量比較少，且在影像處理上可以重現物體原本的輪廓，
若採用金屬或是會有光線反射的模型，如圖 5-6(a)，在建模系統上將會增 加重建上的困難度，即使採用擴散式背光源，其反光仍然還是存在，故系 統以積木作為建模式是最適合。
第五章 實驗結果與討論
國立臺灣師範大學機電科技學系 - 77 -
圖 5-6 (a) 鋁製金屬 (b) 玩具積木 B.重建對象重建對象重建對象重建對象
在這裡，我們選用了五種形狀的單一積木，六種複合積木來進行實驗，
如圖 5-7
圖 5-7 (a)圓柱(b)拱橋(c)三角柱(d)半圓柱(e)寶塔(f)立方體(g)複合積木 1(h) 複合積木 2(i)複合積木 3(j)複合積木 4(k)複合積木 5(h)複合積木 6
(a) (b)
第五章 實驗結果與討論
國立臺灣師範大學機電科技學系 - 78 -
C.執行重建與重建結果執行重建與重建結果執行重建與重建結果執行重建與重建結果 (a) 圓柱
圓柱的部份，我們對其二維影像執行高通濾波與 Sobel 邊緣檢測，並且重 建三維模型，其結果如下:
圖 5-8 圓柱影像處理與重建結果
(b) 拱橋
拱橋的部份，我們對其二維影像執行高通濾波與 Sobel 邊緣檢測，並且重 建三維模型，其結果如下:
圖 5-9 拱橋影像處理與重建結果
第五章 實驗結果與討論
國立臺灣師範大學機電科技學系 - 79 -
(c) 三角柱
三角柱的部份，我們對其二維影像執行高通濾波與 Sobel 邊緣檢測，並且 重建三維模型，其結果如下:
圖 5-10 三角柱影像處理與重建結果
(d) 半圓柱
寶塔的部份，我們對其二維影像執行高通濾波與 Sobel 邊緣檢測，並且重 建三維模型，其結果如下:
圖 5-11 半圓形影像處理與重建結果
第五章 實驗結果與討論
國立臺灣師範大學機電科技學系 - 80 -
(e) 寶塔
半圓柱的部份，我們對其二維影像執行高通濾波與 Sobel 邊緣檢測，並且 重建三維模型，其結果如下:
圖 5-12 寶塔影像處理與重建結果
(f) 立方體
立方體的部份，我們對其二維影像執行高通濾波與 Sobel 邊緣檢測，並且 重建三維模型，其結果如下:
圖 5-13 立方體影像處理與重建結果
第五章 實驗結果與討論
國立臺灣師範大學機電科技學系 - 81 -
(g) 複合積木 1
複合積木 1 的部份，我們對其二維影像執行高通濾波與 Sobel 邊緣檢測，
並且重建三維模型，其結果如下:
圖 5-14 複合積木 1 影像處理與重建結果
(h) 複合積木 2
複合積木 2 的部份，我們對其二維影像執行高通濾波與 Sobel 邊緣檢測，
並且重建三維模型，其結果如下:
圖 5-15 複合積木 2 影像處理與重建結果
第五章 實驗結果與討論
國立臺灣師範大學機電科技學系 - 82 -
(i) 複合積木 3
複合積木 3 的部份，我們對其二維影像執行高通濾波與 Sobel 邊緣檢測，
並且重建三維模型，其結果如下:
圖 5-16 複合積木 3 影像處理與重建結果
(j) 複合積木 4
複合積木 4 的部份，我們對其二維影像執行高通濾波與 Sobel 邊緣檢測，
並且重建三維模型，其結果如下:
圖 5-17 複合積木 4 影像處理與重建結果
第五章 實驗結果與討論
國立臺灣師範大學機電科技學系 - 83 -
(k) 複合積木 5
複合積木 5 的部份，我們對其二維影像執行高通濾波與 Canny 邊緣檢測，
並且重建三維模型，其結果如下:
圖 5-18 複合積木 5 影像處理與重建結果
(l) 複合積木 6
複合積木 6 的部份，我們對其二維影像執行高通濾波與 Sobel 邊緣檢測，
並且重建三維模型，其結果如下:
圖 5-19 複合積木 6 影像處理與重建結果
第五章 實驗結果與討論
國立臺灣師範大學機電科技學系 - 84 -
5.5 三維重建結果分析三維重建結果分析三維重建結果分析三維重建結果分析
我們由重建的結果可知，當重建的模型是一個非對稱的模型，其重建 出來的模型一定會不齊全，如複合積木 2。另外，以複合積木來說，模型 本身的顏色，也會影像重建的結果，如圖 5-14 與 15 的比較，圖 5-14 在做 完尋邊後兩積木的疊合線不見，圖 5-15 在做完尋邊後兩積木的疊合線是存 在的，這樣的差異就會導致重建結果的差別，圖 5-14 是整個模型一體成 行，圖 5-16 是分別形成兩個部份的區塊。然而在做二維影像處理的時候，
我們由重建的結果可知，當重建的模型是一個非對稱的模型，其重建 出來的模型一定會不齊全，如複合積木 2。另外，以複合積木來說，模型 本身的顏色，也會影像重建的結果，如圖 5-14 與 15 的比較，圖 5-14 在做 完尋邊後兩積木的疊合線不見，圖 5-15 在做完尋邊後兩積木的疊合線是存 在的，這樣的差異就會導致重建結果的差別，圖 5-14 是整個模型一體成 行，圖 5-16 是分別形成兩個部份的區塊。然而在做二維影像處理的時候，