第三章 第三章
第三章 系統 系統 系統 系統設計 設計 設計 設計概念 概念 概念與配置 概念 與配置 與配置 與配置
本章節將依據第二章理論基礎，發展本研究目的所需之系統架構，其 中包含有三維重建系統架構、三維重建系統設計概念分析…等。
3.1 三維重建三維重建三維重建系統三維重建系統系統系統設計設計設計設計實現目標實現目標實現目標實現目標
本論文之研究目的為達成自動重建三維模型，根據上述第二章之投影 理論基礎，配合 CCD 擷取系統達成三維自動重建之要求。本研究預計達 成下列各項條件
1. 無需複雜校正系統 2. 適用於各種環境 3. 系統架構簡易 4. 低建構成本
3.2 三維重建三維重建三維重建系統三維重建系統系統系統架構架構架構架構
本研究三維重建系統如圖 3-1 所示，依結構部份主要可分為:個人電 腦、CCD 攝影機、L 型壓克力與光學板，以這些結構發展出一套三維重 建系統，並重建出我們想重建的物體模型。
接下來的幾個章節，將說明整個系統架設的目的及想法，並且說明此 系統設置上的一些校正跟調整的原因與理由。
第三章 系統組成設計與配置
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圖 3-1 三維重建系統配置圖
3.3 三維重建三維重建三維重建系統三維重建系統系統系統架設概念架設概念架設概念架設概念
在第二章的投影原理中，透過正投影的方式，可將空間中物體的任意 平面，投影至投影面，我們稱投影面為正投影視圖。若將物體投影至第二 章圖 2-21 四個象限中的第一象限，則我們可以得到如圖 2-23 的前視圖與 俯視圖。而以前視圖與俯視圖，便可以描述出空間中的物體模型，在本研 究的三維重建技術上，將引用此概念，來作為物體模型的三維重建。而前 視圖就是代表第一象限中的直立投影面 V；俯視圖就是代表第一象限中的 水平投影面 H[31]。
在本研究中，我們將 CCD Camera #1 模擬成第一象限中的前視圖，CCD Camera #2 模擬成第一象限中的俯視圖。在系統結構上，CCD Camera 所擷 取到的影像，是一張二維序列的影像，透過數位影像前處理把二維序列影 像轉成如同圖 2-23 的投影輪廓，最後，以本研究的重建系統把投影輪廓做 合併，即可得到物體模型的三維形狀。
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3.4.三維重建三維重建三維重建系統三維重建系統系統系統配置配置配置配置 A.系統光源
光源的架設主要在突顯檢測的特徵，常用的光源架設方式如下：
前照式 (Front Illumination)
直向型前光源 (Directional Front Lighting)，如圖 3-2(a)。
擴散型前光源 (Diffuse Front Lighting)，如圖 3-2(b)。
環形前光源 (Ring Front Lighting)，如圖 3-2(c)。
低角度前光源 (Oblique Front Lighting)，如圖 3-2(d)。
同軸前光源 (Coaxial Front Lighting)，如圖 3-2(e)。
背照式 (Back Illumination)
直向型背光源 (Direction Back Lighting)，如圖 3-3(a)。
擴散式背光源 (Diffuse Back Lighting)，如圖 3-3(b)。
圖 3-2 (a)直向型前光源；(b)擴散型前光源
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圖 3-2 (c)環形前光源；(d)低角度前光源
圖 3-2 (e)同軸前光源
圖 3-3 (a)直向型背光源；(b)擴散式背光源
第三章 系統組成設計與配置
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若 CCD Camera 本身的光圈調至 f/1.5，光源所採用的是 15W 的汞燈，
在各種光源擺放位置的比較下，以「低角度前光源」、「直向型背光源」、「擴 散式背光源」等所擷取到的影像最完整，如圖 3-4 所示，其餘方式所擷取 到的影像，都因光源強度太強導致影像均呈現一片空白。
圖 3-4 (a)採低角度前光源方式所擷取到的影像；(b) 採直向型背光源方式 所擷取到的影像；(c) 採擴散式背光源方式所擷取到的影像
「低角度前光源」、「直向型背光源」、「擴散式背光源」等三種打光的 方式中，又以擴散式背光源的方式為最佳，其所擷取到的影像輪廓是最完 整，故在我們實驗的測試中，決定採用擴散式背光源作為我們系統的打光 型式。
B.CCD Camera 鏡頭調整
在調整 CCD Camera 與平台之間的距離前，我們需先確定 CCD Camera 的光圈與焦距。鏡頭對焦到物體會產生一個清晰的距離，在此距離平面內 的物體，均可看到清晰銳利的影像。在這段距離範圍內，會受到鏡頭與物 體間之距離、光圈大小的影響。而光圈直徑越小，清晰的範圍越廣。鏡頭 跟物體間距離越遠，能在物體產生清晰的距離也越廣，反之類推。在此，
我們將 CCD Camera 的光圈調整為 f/1.5，而焦距為 0.3M。
C.CCD Camera 與平台的安排
調整完 CCD Camera 鏡頭相關參數，接著就是確定 CCD Camera 與平 台之間的距離。若 CCD Camera 與平台之間的距離太過靠近的話，則 CCD
(a) (b) (c)
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Camera 所擷取到的影像，可能會切到所要重建的物體，若太遠的話，則 所要重建的物體將會太小，所以待測物平台與 CCD Camera 之間須取得適 當的距離，才能擷取到完整的影像資料。而 CCD Camera 與待測物平台之 間最適當的距離為 30 公分，在此距離所擷取到的影像是最恰當的。當然，
前視圖的 CCD Camera 與側視圖的 CCD Camera 兩者與平台之間的距離須 一致(30 公分) ，如圖 3-8 所示，且前視圖 CCD Camera、側視圖 CCD Camera 與待測物平台三者位置的關係是成 90 度的直角，如圖 3-5 所示，亦即通過 側視圖 CCD Camera 的線段 AB與通過前視圖 CCD Camera 的線段 CD成直 角，並相交於待測物平台的 E 點，E 點即放置待測物的中心位置。
圖 3-5 CCD Camera 與待測物平台之間的相對位置
D.CCD Camera 與待測物之間的校正
為了更確定待測物的前視角平面、側視角平面與 CCD Camera 的透鏡 光軸成垂直，我們可透過準直雷射槍與平面鏡來做校正，如圖 3-6 所示。
當雷射光射向物體上的平面鏡時，若反射回雷射槍的光點與雷射光發射點 重疊，則我們可以確定物體與透鏡光軸是垂直的，如圖 3-7 所示；反之，
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若反射回雷射槍的光點與雷射光發射點無重疊，則表示物體前視角平面、
側視角平面與透鏡光軸的夾角是大於或小於 90 度。物體前視角平面、側 視角平面與透鏡光軸的夾角若是大於或小於 90 度，則我們所擷取到的影 像，並非是真正的影像輪廓，因此，我們需將物體的平面校正至正確的位 置，才符合我們所採用的正投影概念。校正完後，我們再將 CCD Camera 與待測物平台的高度全調高至 14 公分，如圖 3-8 所示，完成以上的步驟後，
我們便可開始取像。
圖 3-6 CCD Camera 與待測物之間的校正示意圖
CCD Camera #2
CCD Camera #1 90
90
圖 3-7 CCD Camera 透鏡光軸與物體各角平面垂直正交示意圖
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圖 3-8 CCD Camera 與待測平台間的距離及高度示意圖
E.影像的背景處理
為了簡化影像處理上的步驟，我們可以讓影像的背景更單純一點，以方便 之後重建模型。因此我們將待測物平台以不透光的白色 A4 紙，全部包起 來，讓原本的顏色能夠隱藏起來，如圖 3-9。另外，我們為了配合打光所 採用的「擴散式背光源」，故我們以 L 型的壓克力板來作為我們打光的遮 光面板，如圖 3-9 所示。雖然壓克力板本身具有反光效果，但本系統光源 是採用擴散式背光源，因此，壓克力板的反光效果並不影像我們影像擷取 的結果。經過以上的處理，我們所擷取到的影像就只剩下待測物本身的影 像，如圖 3-10。
圖 3-9 待測物平台與背景處理方式
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圖 3-10 待測物影像(a)前視圖；(b)側視圖
3.5 重建重建重建系統重建系統系統概念上的特色系統概念上的特色概念上的特色概念上的特色
在重建硬體設備上，我們不需要多台相機作為資料擷取的來源，僅需 兩台 CCD Camera 即可重建出三維模型。因此，在資源的使用上是最符合 經濟效益，而且整體重建系統架構簡單，同時在成本上具有優勢。另一方 面，本論文在重建技術上，我們並不使用立體視覺法或是外型剪影法執行 三維重建，由於該技術需搭配多台相機或是 CCD Camera，且需經過繁複 的校準步驟才能實現。若台數越多，其校正的困難度也相對提高，故本系 統透過自行設計的三維重建演算法，即可重建出三維模型，在執行重建上 也可以達到一樣的效果。
3.6 三維重建三維重建三維重建系統三維重建系統系統系統流程描述流程描述流程描述流程描述
本論文三維重建模型整體架構的流程圖如圖 3-11，整體的流程我們總共分 為六個階段，如下所述:
第一階段(擷取影像):由前視圖及側視圖 CCD Camera 擷取二維灰階影像，
(a) (b)
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並將影像送回電腦做處理。
第二階段(影像處理):透過各種影像處理，包括:反白、二值化、濾波、尋邊 等等…，將灰階影像作處理，並且完成待測物的邊緣輪廓影像。
第三階段(提取二維點座標):針對輪廓影像作掃描，並且提取二維影像輪廓 之點座標。
第四階段(定義三維座標):為了執行三維重建，我們必需先定義三維座標系 統，並將前視圖與側視圖所提取到的點座標轉換成三維座標系統。
第五階段(結合前視圖與側視圖點座標):我們將其前視圖與側視圖的點座 標重新整合在一起，並且算出三維點座標。最後，將整合完的三維點座標 重新標示在三維座標系統中。
第六階段(重建三維模型):我們透過三維重建演算法，並執行每個待測物的 三維模型重建，最後將所得到的三維模型粗略圖，進行打光與上色的動作。
圖 3-11 三維重建模型流程圖
第四章 重建三維模型系統設計原理
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