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研究生: 蘇俊欽
論文名稱: 以Shape-from-Focus (SFF)和Depth-from- Focus (DFF)為基礎之三次元量測系統
Development of 3-D Measurement System by SFF( Shape-from-Focus ) and DFF( Depth-from-Focus )
指導教授: 林士傑
Shin-Chieh Lin
口試委員:
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 動力機械工程學系
Department of Power Mechanical Engineering
論文出版年: 2004
畢業學年度: 92
語文別: 中文
論文頁數: 71
中文關鍵詞: 對焦尋形法一般光源量測齊性轉換矩陣
外文關鍵詞: Shape-from-Focus, homogeneous transformation matrix
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  • 中文摘要

    本研究中,建構出一套以一般光源對微小物件量測之非接觸式光學三次元量測系統。系統以CCD攝影機為取像裝置,搭配一可變倍率鏡頭,並設置一步進馬達來旋轉工件。藉由旋轉工件來減少光學取像之量測死角,以增進系統對非對稱複雜形狀之量測適用性。
    在研究中,利用對焦尋形法來求得工件之三維輪廓資訊。此方法是應用Sum-Modified-Laplacian ( SML )運算子,藉由工件影像在對焦時清晰與失焦時模糊之差異,計算出工件輪廓之深度變化資訊。在SML運算處理前,先使用高斯平滑化濾波之影像處理技術,去除影像中不必要之背景雜訊,以提高SML運算子計算工件深度之精確性。在計算出各角度的XYZ三軸座標後,以齊性轉換矩陣做工件的三維座標旋轉轉換,求得工件之實際三維立體座標資訊,再加以重建工件輪廓及量測尺寸。
    最後,以本研究建構出之量測系統對三種工件,進行實際取像量測,量測結果顯示此一系統之量測精度與接觸式量測系統之量測精度極為相近;且對於凹槽及凸起物等易造成光學取像死角之特徵形狀,能有效地取像量測,故本研究建構之量測系統可運用於實際量測上。

    關鍵字:對焦尋形法,一般光源量測,齊性轉換矩陣。


    Abstract

    In this study, a novel 3D measurement system is developed. In this system, a CCD camera and zoom lens is used to grab object images and a stepping motor is used to rotate the object such that object image can be taken from several different directions. With the rotating device, it is able to reduce the optical limitations when reconstruct the 3D image of an asymmetric object or object with complicated shape.
    In this system, the technology of Shape-from-Focus is adopted to estimate the 3D geometry of examined object. Gaussian smooth filter is adopted to remove the unnecessary background noise first. The Sum-Modified-Laplacian (SML) operator is then used as an index to determine whether the surface section of the examined object is in focus or not. After the coordinates of object surface from various viewing directions are determined, the actual coordinates of the object surface are determined by the homogeneous transformation matrix (HTM).
    It is experimentally shown that the cone angle measured by the proposed system is quite close to that measured using a contact type 3-D coordinate measuring system. Object with complex features, such as grooves and protrusions, can also be observed with the proposed system.

    Key word : Shape-from-Focus, homogeneous transformation matrix.

    目錄 中英文摘要………………………………………………………… Ⅰ 符號表……………………………………………………………… Ⅲ 目錄………………………………………………………………… Ⅴ 表目錄……………………………………………………………… Ⅶ 圖目錄……………………………………………………………… Ⅷ 第一章 簡介……………………………………………………… 01 第二章 文獻回顧………………………………………………… 04 2.1 打光技術………………………………………… 04 2.2 系統相關之影像處理技術……………………… 05 2.3 非接觸式量測…………………………………… 08 2.4 小結……………………………………………… 10 第三章 系統相關之原理介紹………………………………… 13 3.1 鏡頭基本光學…………………………………… 13 3.2 對焦尋形法……………………………………… 15 3.3 聚焦度測量值…………………………………… 16 3.4 座標轉換………………………………………… 18 3.5 尺寸校正………………………………………… 19 第四章 系統軟硬體之規劃與建構…………………………… 24 4.1 CCD攝影機……………………………………… 24 4.2 鏡頭……………………………………………… 25 4.3 照射光源………………………………………… 25 4.4 移動平台及旋轉步進馬達……………………… 27 4.5 系統程式及測試環境…………………………… 27 第五章 系統量測效能驗證…………………………………… 35 5.1 系統取像量測流程……………………………… 35 5.2 系統參數………………………………………… 36 5.3 系統量測精度驗證……………………………… 37 5.4 旋轉取像效能驗證……………………………… 38 第六章 結論與建議…………………………………………… 65 6.1 結論……………………………………………… 65 6.2 建議……………………………………………… 66 參考文獻………………………………………………………… 67 表目錄 表4.1 Basler A101fc CCD 攝影機之規格表………………… 28 表4.2 Kenko KCM-Z 鏡頭之規格表…………………………… 29 表4.3 LED光源之規格表……………………………………… 29 表4.4 HIWIN滾珠導螺桿之規格表…………………………… 30 表4.5 Panasonic 直流伺服馬達之規格表…………………… 30 表4.6 TECO 二相旋轉步進馬達規格表……………………… 31 表5.1 試件一之圓錐角量測結果……………………………… 39 圖目錄 圖2.1 FSM光學系統示意圖…………………………………… 12 圖3.1 對焦影像示意圖……………………………………… 21 圖3.2 景深範圍示意圖……………………………………… 21 圖3.3 對焦尋形法示意圖…………………………………… 22 圖3.4 校正片尺寸圖………………………………………… 22 圖3.5 0.8x校正片影像……………………………………… 23 圖3.6 2x校正片影像………………………………………… 23 圖4.1 系統示意圖…………………………………………… 32 圖4.2 三次元量測系統……………………………………… 32 圖4.3 Kenko KCM-Z鏡頭……………………………………… 33 圖4.4 LED光源………………………………………………… 33 圖4.5 TECO 二相旋轉步進馬達……………………………… 34 圖5.1 試件一(圓錐角加工值60度之鋁製圓錐)………… 40 圖5.2 試件二(RJ-45之網路線接頭)……………………… 40 圖5.3 試件三(電腦主機板之支柱)……………………… 41 圖5.4 本量測系統之量測流程圖…………………………… 42 圖5.5 以步進位移量50μm對試件一取像之量測結果……… 43 圖5.6 以步進位移量200μm對試件一取像之量測結果……… 44 圖5.7 以鏡頭倍率0.8x,步進位移量50μm對試件一 取像之量測結果……………………………………… 45 圖5.8 以鏡頭倍率2x,步進位移量50μm對試件一取 像之量測結果………………………………………… 46 圖5.9 試件一以聚焦閥值5運算之點資料圖………………… 47 圖5.10 試件一以聚焦閥值22運算之點資料圖……………… 47 圖5.11 試件一以聚焦閥值30運算之點資料圖……………… 48 圖5.12 試件二以聚焦閥值0運算之點資料圖………………… 48 圖5.13 試件二以聚焦閥值25運算之點資料圖……………… 49 圖5.14 試件二以聚焦閥值40運算之點資料圖……………… 49 圖5.15 試件一以聚焦閥值5及SML視窗5×5所得之 點資料圖……………………………………………… 50 圖5.16 試件一以聚焦閥值5及SML視窗51×51所得 之點資料圖…………………………………………… 50 圖5.17 試件一以聚焦閥值30及SML視窗5×5所得之 點資料圖……………………………………………… 51 圖5.18 試件一以聚焦閥值30及SML視窗51×51所得 之點資料圖…………………………………………… 51 圖5.19 MITUTOYO 三次元量測系統…………………………… 52 圖5.20 試件二以0度角取像之實物與點資料圖……………… 53 圖5.21 試件二以90度角取像之實物與點資料圖…………… 54 圖5.22 試件二以180度角取像之實物與點資料圖…………… 55 圖5.23 試件二以270度角取像之實物與點資料圖…………… 56 圖5.24 試件二實物圖與點資料圖…………………………… 57 圖5.25 試件二不同視角之三維立體重建圖………………… 58 圖5.26 試件三以0度角取像之實物與點資料圖……………… 59 圖5.27 試件三以90度角取像之實物與點資料圖…………… 60 圖5.28 試件三以180度角取像之實物與點資料圖…………… 61 圖5.29 試件三以270度角取像之實物與點資料圖…………… 62 圖5.30 試件三實物圖,與0度和90度點資料圖……………… 63 圖5.31 試件三不同視角之三維立體重建圖………………… 64

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