行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告
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※ 實驗設計程序對提升水下雷射測距品質之研究 ※
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計畫類別：5個別型計畫 □整合型計畫
計畫編號：NSC90－2611－E－110－007－
執行期間：90 年 08 月 01 日至 90 年 07 月 31 日
計畫主持人：陳信宏
共同主持人：
計畫參與人員：洪福全，楊宗頜
本成果報告包括以下應繳交之附件：
□赴國外出差或研習心得報告一份
□赴大陸地區出差或研習心得報告一份
□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份
□國際合作研究計畫國外研究報告書一份
執行單位：國立中山大學 海下技術研究所
中 華 民 國 九 十 一 年 十 月 十 八 日
行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
實驗設計程序對提升水下雷射測距品質之研究
Quality Improvement on Underwater Laser Range Finding Through
the Design of Experiments Process
計畫編號：NSC 90-2611-E-110-007
執行期限：90 年 8 月 1 日至 91 年 7 月 31 日
主持人：陳信宏 國立中山大學海下技術研究所
共同主持人：
計畫參與人員：洪福全 國立中山大學海下技術研究所
楊宗頜 國立中山大學海下技術研究所
一、中文摘要 本研究擬利用實驗設計程序與田口方 法，以最少的實驗次數來探討相關因子對 水下雷射測距系統性能的影響，並根據實 驗分析結果找出性能最佳的因子水準組 合，以提高測距系統的量測精度與重現 性。本研究首先進行量測實驗所需之軟體 與硬體建構，其次進行水下黑白雷射測距 系統與彩色雷射測距系統之靜態特性量測 與驗證，最後探討影像處理法濾除雜訊因 子的能力。靜態特性測距實驗的目的，是 利用 S/N 比的計算與變異分析來求出一組 最佳因子水準組合，使本測距系統在固定 目標距離下，能夠達到最好的量測精度與 量測穩定度。以影像處理法濾除雜訊因子 的目的，是利用線性最小平方近似原理來 處理測距系統擷取的影像，使本測距系統 能夠動態地因應環境雜訊因子變化與影 響，而保持最好的量測精度與量測穩定 度。研究結果證明實驗設計程序確實能夠 提升水下雷射測距之品質，同時本研究採 用之影像處理法，也可以有效降低濁度以 及照度等環境因子的影響。 關鍵詞：水下、田口方法、雷射、測距 AbstractBy the design of experiments process and the Taguchi method, this project attempted to use the least experiments to find factors that are influential in changing the performance of the underwater laser range
finder. As well, this project tried to determine the preferred combination of factors and levels to optimize the repeatability of underwater laser range finding. First, we constructed hardware and software that are needed to carry out all experiments. Secondly, experiments were performed and then be confirmed to study the static characteristics of both underwater monochrome and color laser range finding systems. At last, we developed a numerical technique for reducing effects of noises on underwater imaging. The purpose of performing static characteristic experiments is to determine the optimum combination of factors and levels from calculating results of S/N ratio and ANOVA. Under the combination of optimum factors and levels of the static characteristic design, the underwater laser range finder could have the best measurement performance at specified range. The purpose of image processing is to make the numerical technique robust against environmental luminance and turbidity. The results of this research had proved that the DOE process does improve the performance of the underwater laser range finding system. As well, the proposed imaging processing method can really improve the measurement quality of the range system and make it robust enough to against noises, such as environmental luminance and turbidity.
Keywords: Underwater, Taguchi Method,
二、緣由與目的 本研究根據1999 年在德基水庫搜尋陸 軍直昇機之經驗 [1]，已發展出一套水下測 距系統 [2-3]，其基本架構如圖一所示。本 系統採用三角測距法，主動光源與接收器 則選用一般常見的半導體雷射與平價的視 訊攝影機，以降低系統製作成本為考量， 而雷射光雖然有容易被水吸收的缺點，但 仍較一般光線具有高穿透率的優點。此系 統具備自動化量測功能，屬於非接觸式的 量測系統，其量測範圍為 1.2m，最佳量測 精度可達1mm，較當前相關研究結果來得 好，此外，本測距系統亦可達到即時動態 追蹤的功能，在不同的目標物動態模式之 下，可達到良好的動態追蹤效果 [2-3]。由 於本測距系統所使用的雷射光收集器為一 般的CCD 視訊攝影機，擷取影像的品質容 易受到周遭環境照度的影響。除了受到照 度的影響之外，本系統的量測品質也會受 到主動式光源的影響，由於本系統所使用 的主動式光源為半導體雷射，其具有價格 低廉的優點，但其投射在物件上的產生的 光點幾何外形並非是完美的輪廓，同時亮 度的分佈也不均勻，所以若以不同的計算 方式來推估雷射光點的位置，其結果將會 產生極大的差異。有鑑於此，本計畫擬利 用品質設計方法，以最少的實驗次數來提 升本測距系統的量測精度與量測穩定度。 目 前 進 行 品 質 改 善 的 方 法 有 許 多 [4-6]，大部分是利用實驗設計（Design of Experiments; DOE）程序來尋找系統最佳參 數 組 合 ， 其 中 又 以 田 口 方 法 （Taguchi method）[7-8] 應用最為普遍。田口方法乃 日本學者田口玄一博士所發展出來的分析 方法，無論是進行實驗設計或是電腦模擬 Rc P f 2θ β BL D receiving lens image plane object plane optical axis laser diode laser beam laser spot I x y 圖一 雷射測距系統示意圖 分析，田口方法均能有效率地提升品質， 以最短的時間找出重現性良好的生產條 件。由於田口方法的哲學是以最少的實驗 次數和最低的成本來達到最佳的品質改 善，而且具有泛用性以及重現性高的特 性，更能對雜訊因素與因子間的交互作用 進行有效率的探討，所以是目前最常被工 業界使用於改善工程品質的方法。有鑑於 此，本研究擬利用實驗設計程序與田口方 法，以最少的實驗次數來探討相關因子對 水下雷射測距系統性能的影響，並根據實 驗分析結果找出性能最佳之因子水準組 合，以改善測距系統的量測精度與重現性。 三、結果與討論 由於水下雷射測距系統可以分為黑白 攝影與彩色攝影兩種，所以本研究利用田 口方法分別找出影響黑白與彩色雷射測距 系統之重要因子。此外，本研究提出二維 最小平方近似法來處理擷取之影像，使得 此影像處理法可以讓測距系統適用於不同 的照度與濁渡環境，同時配合田口方法也 找出了此方法之相關重要因子。實驗設備 配置如圖二所示。以下分別針對這三項結 果加以說明。 （一）黑白雷射測距系統 針對黑白雷射測距系統，本研究選定 以下五個因子利用實驗設計程序以及田口 方法來評估其相對重要性： 1. 亮度：對擷取之影像進行亮度調整。 2. 對比：對擷取之影像進行對比調整。 3. 光點位置演算法：以二次曲線擬合法、 二維二次曲線內插法、以及亮度重心法 來計算光點位置。 4. 像素取樣範圍：配合光點位置演算法， 以一定的像素範圍進行光點位置計算。 圖二 雷射測距系統實驗配置
5. 影像解析度：調整攝影機擷取影像之解 析度。 經實驗設計程序以及田口方法分析之後， 得到以下重要結論： 1. 影響黑白雷射測距系統量測品質的重 要因子為亮度、對比、以及光點位置演 算法。 2. 所有因子中，以光點位置演算法對測距 品質的影響為最大。 3. 使用高影像解析度的攝影機，並不代表 就會產生高量測品質，事實上，高解析 度影像有可能降低定位光點位置的重 現性而降低量測品質。 （二）彩色雷射測距系統 針對彩色雷射測距系統，本研究選定 了八個因子利用實驗設計程序以及田口方 法來評估其相對重要性，這八個因子之中 五個因子與黑白雷射測距系統所使用的五 個因子相同（亮度、對比、光點位置演算 法、像素取樣範圍、影像解析度），其他 三個因子則分別為： 1. 色調：對擷取之影像進行色調調整。 2. 色彩飽和度：對擷取之影像進行色彩飽 和度調整。 3. 影像主色彩：從擷取之影像中分離出三 原色（RGB），分別利用各原色之亮度 值進行光點位置之計算。 經實驗設計程序以及田口方法分析之後， 得到以下重要結論： 1. 影響彩色雷射測距系統量測品質的重 要因子為亮度、對比、光點位置演算 法、像素取樣範圍、以及影像主色彩。 2. 與黑白雷射測距系統結果一致，所有因 子中，以光點位置演算法對測距品質的 影響為最大。 3. 高 像 素 取 樣 範 圍 並 不 代 表 高 量 測 品 質。事實上像素取樣範圍受到影像主色 彩的亮度分佈情況所影響。 4. 使用高影像解析度的攝影機，並不代表 就會產生高量測品質，事實上，影像解 度必須和光點位置演算法互相配合才 能產生最好的結果。 （三）影像處理法 針對環境照度以及濁度對雷射測距品 質的影響，本研究發展出一套二維最小平 方近似的影像處理法，以期降低照度與濁 度的影響。此一影像處理法的主要軸心是 對影像向素強度的資料進行最小平方近似 （Least-squares approximation）處理，使影 像像素的亮度分佈較為均勻而達到降低照 度與濁度影響的效果。此一影像處理法主 要分為四個步驟： 1. 將擷取之影像的每一列像素劃分為數 個區塊，相鄰區塊之間則有部分像素重 疊。 2. 針對每一列上的每一區塊內的像素亮 度分佈值進行最小平方誤差處理，找出 近似之直線I 。由於相鄰區塊間有部r(i) 分像素重疊，所以利用最小平方近似求 出相鄰區塊之近似直線也會有部分重 疊。重疊部分的直線I 和r(i) (i+1) r I 可以利 用權重(Weighting factor)配置來加以平 滑化：
(
)
() ( 1) ) 1 , ( + = 1− + i+ r i r i i r W I WI I 將每一列上所有離散的近似直線平滑 地連結起來，這就是為何相鄰區塊要有 部分像素重疊的目的。 3. 處理完每一列之像素之後，將處理完後 之 影 像 的 每 一 行 像 素 劃 分 為 數 個 區 塊，相鄰區塊之間同樣有部分像素重 疊。 4. 針對每一行上的每一區塊內的像素亮 度分佈值進行最小平方誤差處理，找出 近似之直線I 。由於相鄰區塊間有部c(i) 分像素重疊，所以利用最小平方近似求 出相鄰區塊之近似直線也會有部分重 疊。重疊部分的直線I 和c(i) (i,i+1) c I 亦利用 權重(Weighting factor)配置來加以平滑 化。 經過上述四個步驟處理後之影像，可以直 接運用光點位置演算法來計算光點的位 置。由於此一影像處理法包含四個可控因 子（列區塊數、行區塊數、列區塊重疊率、 行區塊重疊率），此外雷射測距也必須牽 涉到光點位置的計算，所以根據黑白與彩 色雷射測距的結果，直接採用效果最好的 亮度重心法作為計算光點位置的演算法， 唯一影響光點位置的因子是像素取樣範 圍，所以本研究利用實驗設計程序以及田 口方法來求出這些因子的最佳參數值。由於此影像處理法最主要的目的是要增強測 距系統對照度與濁度的強健性，所以在田 口實驗中也將照度與濁度納入考量，利用 L9 直交表的配置，產生 9 種不同的照度與 濁度組合，希望經由田口方法找出能夠適 應各種不同照度與濁度的最佳因子組合與 參數值，其結果與討論如下： 1. 影響雷射測距系統品質的重要因子為 像素取樣範圍、列區塊數、以及列區塊 重疊率。 2. 由於影像列像素的處理已經可以大大 改善測距品質，所以接下來所進行行處 理的效果並不明顯。 3. 影像處理前之平均測距 S/N 比為 46.4 dB，處理後之最佳測距 S/N 比為 57.5 dB，有相當明顯之進步。 四、計畫成果自評 本計畫執行之研究內容與原計畫完全 符合，完成利用田口方法以及實驗設計程 序來評估影響水下雷射測距系統量測品質 之重要因子，此一結果不僅達成預期之目 標，而且其結果極具相當之學術價值，並 已經在SCI 期刊 Ocean Engineering 中發表 [9]，誠如期刊審查委員對此論文的評語： 「實驗方法學在海洋量測相當少見，這篇 論文建立了一個相當好的例子…」，可見 本研究引用田口方法於海洋工程量測的研 究成果是無庸置疑的。 五、參考文獻 [1] 薛憲文、莫顯蕎、王兆璋、陳信宏、楊光哲，” 多音束測深系統及水下遙控載具與水下搜尋 技術之探討－以德基水庫失事AH-1W 直昇機 為例”，海下技術季刊，第九卷第三期，7-14 頁，1999 年。
[2] H. H. Chen and C. J. Lee, “A simple Underwater
Video System for Laser Tracking," OCEANS
2000 MTS/IEEE Conference Proceedings,
September 11-14, Providence, Rhode Island, U.S.A., Vol. 3, pp. 1543-1548, 2000.
[3] H. H. Chen and C. J. Lee, “The Analysis and
Design of an Automated Video System for Underwater Laser Tracking,” accepted for
publication on the Symposium on Coastal Ocean Resources and Environment 2000 (SCORE 2000), Kaohsiung, Taiwan, November 9-10,
2000.
[4] J. Evans and W. Lindsay, The Management and
Control of Quality, 3rd Ed., St. Paul, MN, West,
1996.
[5] E. L. Grant and R. S. Leavenworth, Statical
Quality Control, 7th Ed., New York,
McGraw-Hill, 1996.
[6] V. E. Sower, M. J. Savoie, and S. Renick, An
Introduction to Quality Management and Engineering, Prentice Hall, New Jersey, 1999.
[7] P. J. Ross, Taguchi Techniques for Quality
Engineering, 2nd Ed., McGraw-Hill, 1996.
[8] W. Y. Fowlkes and C. M. Creveling,
Engineering Methods for Robust Product Design: Using Taguchi Method and Product Development, Addison-Wesley, 1995.
[9] H. H. Chen, “Variation Reduction in Quality of
an Optical Triangulation System Employed for Underwater Range Finding,” Ocean Engineering, Vol. 29, No. 15, pp. 1871-1893, 2002.
