CN104061901B - 立体距离测定方法及其系统 - Google Patents

Abstract

一种立体距离测定方法及其系统，主要通过步骤包含有提供至少一形成一投射平面的光线组以投射至一待测物体表面，该光线组包含有多个分别以一预设的第一路径函数并沿一直线排列射出至该待测物体表面形成检测点的光束线；由该待测物体表面反射的该光线组的光束线通过一聚焦元件的焦点而于一感光记忆元件形成一感测影像；根据该感光记忆元件上每个该光束线成像位置与该聚焦元件的焦点位置得到相对应的第二路径函数；以及计算该每一相对应第一路径函数与该第二路径函数的交点位置即该待测物体的检测点的空间位置。

Description

立体距离测定方法及其系统

技术领域

本发明涉及一种距离测定方法及其系统，尤其涉及一种利用光学影像运算的立体距离测定方法及其系统。

背景技术

常用的距离测量方式，包含有直接测量法以及间接测量法。在直接测量法方面，量测者可以直接以尺具量测物体与物体之间的距离，而此种测量方法往往因为量测者的操作方式不同而产生误差。而间接测量法方面，可以使用标竿配合仪器来进行测量，通过计算其对应角度推算出物体与物体之间的距离。虽然此种方式的准确度较直接使用尺具量测高，但仍因场地以及两个量测者等限制，在实际操作上仍有不便的地方。

近年来，许多其他距离检测方式被开发出来，例如使用声波、无线电波或者激光等。其中，激光距离测量方式因为具有准确度高、能清楚标定检测点、量测方便等优点，被广泛应用于交通、建筑、地形勘测等方面。以激光测距仪(laser rangefinder)为例，其基本原理是以一激光发射器对目标物射出一激光束，再通过一激光接收器以接收由该目标物反射回来的信号，将取得的信号进行计算分析发出激光束与接收反射信号之间的时间差，可求得激光测距仪与目标物之间的距离。然而，一般激光测距仪一次只能测量单一目标点与激光测距仪的距离，无法针对多个检测点进行检测点之间的距离测量，仍限制了激光测距方式的应用领域。

发明内容

本发明的主要目的，在于解决传统激光测距仪无法进行多个检测点之间进行距离测量的问题。为达上述目的，本发明提供一种立体距离测定系统，包括有一光源发射装置，一聚焦元件，一感光记忆元件，以及一电性连接于该感光记忆元件的运算单元。该光源发射装置发射至少一形成一投射平面的光线组以 投射至一待测物体表面，该光线组包含有多个分别以一预设的第一路径函数并沿一直线排列射出至该待测物体表面形成检测点的光束线。该聚焦元件包含有一供该待测物体表面反射的该光线组的光束线通过的焦点。该感光记忆元件接收通过该聚焦元件的焦点的光线组的光束线并形成一感测影像。该运算单元取得该感光记忆元件的感测影像，根据该感光记忆元件上每个该光束线成像位置与该聚焦元件的焦点位置得到相对应的第二路径函数，计算该每一相对应第一路径函数与该第二路径函数的交点位置。

于一实施例中，该光源发射装置包含有一以一发光路径射出该光线组的发光源，以及一位于该发光路径上的第一绕射光学元件。该光源发射装置包含有一位于该发光源与该第一绕射光学元件之间发光路径的第二绕射光学元件。

于一实施例中，该光线组投射出的光束线具有一供该运算单元解读的图形码。

于一实施例中，该聚焦元件的焦点位于该投射平面上。

于一实施例中，该多个该光线组所形成的多个投射平面相互交集于一相交轴上，该相交轴通过该聚焦元件的焦点。该光源发射装置包含有一以一发光路径射出该光线组的发光源，以及一位于该发光路径的第一绕射光学元件，该投射平面相互交集的相交轴通过该第一绕射光学元件。

于一实施例中，该立体距离测定系统更包含有一设置于该聚焦元件与该待测物体表面之间的滤镜，该滤镜容许只有该光束线频率的光线进入该聚焦元件。

于一实施例中，该立体距离测定系统更包含有一容设该光源发射装置、该聚焦元件、该感光记忆元件以及该运算单元的壳体。

本发明更提供一种立体距离测定方法，包含步骤有：

步骤a)：提供至少一形成一投射平面的光线组以投射至一待测物体表面，该光线组包含有多个分别以一预设的第一路径函数并沿一直线排列射出至该待测物体表面形成检测点的光束线；

步骤b)：由该待测物体表面反射的该光线组的光束线通过一聚焦元件的焦点而于一感光记忆元件形成一感测影像；

步骤c)：根据该感光记忆元件上每个该光束线成像位置与该聚焦元件的焦点位置得到相对应的第二路径函数；以及

步骤d)：计算该每一相对应第一路径函数与该第二路径函数的交点位置即该待测物体的检测点的空间位置。

于一实施例中，该步骤b)中更包含有容许只有该光束线频率的光线进入该聚焦元件的步骤。

于一实施例中，该立体距离测定方法更包含步骤f)：通过该感光记忆元件取得由该待测物体表面反射的自然光影像。

于一实施例中，该立体距离测定方法于该步骤b)与该步骤c)之间更包含有比对步骤f)该感光记忆元件的自然光影像以及步骤b)该感光记忆元件的感测影像，取得一只有该光线组的影像的步骤。

于一实施例中，该立体距离测定方法更包含步骤e)：根据不同该待测物体检测点的空间位置以计算出该不同检测点之间的距离。

本发明立体距离测定方法及其系统的特点在于：

1、通过射出具有多个一直线排列的光束线以形成一投射平面的光线组至一待测物体表面，该一直线排列的光束线反射通过一聚焦元件的焦点而于一感光记忆元件形成一感测影像，该感测影像中，单一光线组的光束线仍以相同顺序一直线排列。

2、藉由光束线预设的该第一路径函数，以及根据该感光记忆元件上该光束线成像位置与该聚焦元件的焦点位置得到相对应的第二路径函数，计算出该第一路径函数与该第二路径函数的交点位置即可取得该待测物体的检测点的空间位置。

3、本发明仅须利用单次将感测影像成像于该感光记忆元件，即可取得该待测物体的每个检测点的空间位置，进而取得每个检测点之间的相对距离，而达到立体距离测量的效果。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1，为本发明立体距离测定方法一实施例的步骤流程示意图；

图2，为本发明立体距离测定系统一实施例的平面光路架构示意图；

图3，为本发明立体距离测定系统一提高分辨率实施例的光源发射装置元 件示意图；

图4，为本发明立体距离测定系统一实施例的坐标化单一光束线光路架构示意图；

图5，为本发明立体距离测定系统一实施例的立体光路架构示意图；

图6，为本发明立体距离测定系统一实施例的感光记忆元件的感测影像成像示意图。

具体实施方式

涉及本发明的详细说明及技术内容，现就配合附图说明如下：

请参阅图1，为本发明立体距离测定方法的步骤流程示意图，如图所示：本发明揭露一种立体距离测定方法，包含步骤有：步骤a)：投射一光线组至一待测物体表面(S10)；将至少一形成一投射平面的光线组投射至一待测物体表面，该光线组包含有多个分别以一预设的第一路径函数并沿一直线排列射出至该待测物体表面形成检测点的光束线。步骤b)：反射该光线组通过一焦点而成像于一感光记忆元件(S20)；由该待测物体表面反射的该光线组的光束线通过一聚焦元件的焦点而于一感光记忆元件形成一感测影像。步骤c)：得到每个光束线反射的路径函数(S30)；根据该感光记忆元件上每个该光束线成像位置与该聚焦元件的焦点位置得到相对应的第二路径函数。步骤d)：计算出该待测物体的检测点的空间位置(S40)；计算该每一相对应第一路径函数与该第二路径函数的交点位置即该待测物体的检测点的空间位置。当完成步骤d)后，使用者可以选择性进行步骤e)：根据不同该待测物体检测点的空间位置以计算出该不同检测点之间的距离(S50)。

另一方面，请参阅图2，为本发明立体距离测定系统的平面光路架构示意图，如图所示：本发明揭露一种立体距离测定系统，包括有一光源发射装置10，一聚焦元件，一感光记忆元件30，以及一电性连接于该感光记忆元件30的运算单元40。该光源发射装置10发射至少一形成一投射平面的光线组11以投射至一待测物体50表面，该光线组11包含有多个分别以一预设的第一路径函数并沿一直线排列射出至该待测物体50表面形成检测点P1、P2的光束线12a、12b。于本实施例中，该光源发射装置10包含有一以一发光路径R射出该光线组11的发光源13，以及一位于该发光路径R上的第一绕射光学元件 14。该发光源13所射出的光线为激光。该聚焦元件包含有一供该待测物体50表面反射的该光线组11的光束线12a、12b通过的焦点21。该感光记忆元件30接收通过该聚焦元件焦点21的光线组11的光束线12a、12b并形成一感测影像。该运算单元40取得该感光记忆元件30接收的该感测影像，该运算单元40可以通过数码影像的影像处理方法找出各每个该光束线12a、12b在该感测影像的光点，根据该感光记忆元件30上每个该光束线12a、12b成像位置与该聚焦元件焦点21位置得到相对应的第二路径函数，计算该每一相对应第一路径函数与该第二路径函数的交点位置。本发明的立体距离测定系统的各元件可以分开设置，亦可以通过一壳体将该光源发射器、该聚焦元件、该感光记忆体以及该运算单元整合于一手持式测定装置中。

于本发明中，该感光记忆元件30亦可取得由该待测物体50表面反射的自然光影像。当进行立体距离测定时，该感光记忆元件30可以连续取得两张感测影像，一者为无投射出光线组的自然光影像，另一者则是具有反射后通过该焦点21的光线组11的感测影像。该运算单元40将接收自该感光记忆元件30的自然光实景影像以及具有该光线组11成像的该感测影像相互比对，取得一只有该光线组11中光束线12a、12b的光点信息。或者，本发明的立体距离测定系统，更可包含一设置于该聚焦元件与该待测物体50表面之间的滤镜，该滤镜容许只有该光束线12a、12b频率的光线进入该聚焦元件，因此，只有符合该光束线12a、12b频率的光线可以成像于该感光记忆元件30上，让该运算单元40轻易取得光线组11中光束线12a、12b的光点信息。在取得每个光束线12a、12b的光点信息后，可以利用自然光实景影像，来判断每个光点相对应检测点在实际影像，进而协助使用者选择不同检测点之间或者单一检测点距离的依据。

另一方面，本发明为了能提高分辨率，请参阅图3所示，该光源发射装置10包含有一位于该发光源13与该第一绕射光学元件14之间发光路径的第二绕射光学元件15以及一折射镜16。举例来说，该第一绕射光学元件14可以绕射出4倍光束线12，该第二绕射光学元件15则可绕射出2倍光束线，当该发光源13射出的激光束至该第二绕射光学元件15后产生4道激光束，由该第二绕射光学元件15产生的激光束经过该折射镜16折射成平行光束后再进入该第一绕射光学元件14，最后在投射出8道激光束至一待测物体50的表面，因 此能有效提升测量的分辨率。

为了能更进一步说明本发明的量测原理，请参阅图4所示，为本发明坐标化单一光束线光路架构示意图。已知该光线组11的一光束线12的起始坐标为(0,0,0)，该光束线12于YZ平面上以第一路径函数(1)投射至一待测物体50表面上的检测点P。该第一路径函数(1)为：

$Z=Ta\underset{}{n}��\×Y=(b/a)\×Y......\left(1\right)$

由该待测物体50表面反射的该光束线12通过一位于坐标(0,0,zf)的聚焦元件焦点21而成像于该感光记忆元件30，其成像位置的坐标为(0,-a,z)。根据该焦点21坐标(0,0,zf)以及该成像位置坐标(0,-a,z)取得一第二路径函数(2)。该第二路径函数(2)为：

Z＝〔(zf-z)/a〕×Y+zf……(2)

将该第一路径函数(1)与该第二路径函数(2)解联立，即可取得该检测点P的坐标(0,A,B)。

其中将第一路径函数(1)的Z带入第二路径函数(2)中，可以得到A(3.1)：

A＝a×zf/(z+b-zf)……(3.1)

再将第一路径函数(1)的Y带入第二路径函数(2)中，可以得到B(3)：

B＝b×zf/(z+b-zf)……(3.2)

因此，该检测点P的坐标为(0,a×zf/(z+b-zf),b×zf/(z+b-zf))。由此可知，每一个光束线12投射于该待测物体50表面的检测点P都可以依此方法得知其空间坐标。

本发明可以应用于多的光线组11a、11b(本实施例仅以两个光线组为例)，每一个光线组11a、11b，因为分别具有多个以一直线排列射出的光束线12所形成的相对应投射平面S1、S2，请参阅图5所示。该些投射平面S1、S2彼此相交交集于一相交轴上，于图5中设定该相交轴叠合于Z轴上。该聚焦元件的焦点21位于该投射平面S1、S2上，且该相交轴通过该聚焦元件的焦点21，以及该光源发射装置10的该第一绕射光学元件14。每个光线组11a、11b的光束线12自该待测物体表面反射后，皆通过该相交轴上的焦点21，并成像于该感光记忆元件30上形成一感测影像。每个光线组11a、11b的光束线12成像于该感光记忆元件30将以颠倒顺序的方式完成一直线排列，也就是说，每一光线组11a、11b的光束线12于该感光记忆元件30上排列成一直线。与该 感光记忆元件30电性连接的该运算单元40，如图2所示，将可依照排序的规律性辨识出该光线组11a、11b的每一光束线，并取得每一光束线的第一路径函数。为了能加速该运算单元40辨识每一光束线的速度，以及加强该运算单元40辨识每一光束线的准确度，该光线组11a、11b投射出的光束线具有一供该运算单元40解读的图形码，该图形码可为不同形状，不同面积或者不同亮点的方式呈现，例如方块型、圆形、高亮度菱形等。或者，在经过该第一绕射光学元件14时可将不同的激光束改变为不同频率，通过在光束线反射路径上增设的滤光镜亦可达到快速辨识光束线的效果。

于另一实施例中，当M个光线组，每个光线组内分别具有N个光束线时，该感光记忆元件30上的感测影像将呈现一M×N矩阵，其中M、N为大于1的整数，请参阅图6所示。N个光束线呈现于该感光记忆元件30上的光点，成一直线排列。该运算单元取得该感测影像的M×N矩阵，并分析每个光束线反射投影于该感光记忆元件30的位置坐标，即可利用前述测量原理得到每个光束线投射至该待测物体表面检测点的空间位置。

本发明立体距离测定方法及其系统，仅须利用单次拍摄的方式，将感测影像成像于该感光记忆元件，即可取得该待测物体的每个检测点的空间位置，进而取得任两点检测点之间的相对距离，而达到立体距离测量的效果，对于测量者而言是相当便利且有效率的。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (16)

1.一种立体距离测定系统，其特征在于，包括有：

一光源发射装置，发射至少一形成一投射平面的光线组以投射至一待测物体表面，该光线组包含有多个分别以一预设的第一路径函数并沿一直线排列射出至该待测物体表面形成检测点的光束线；

一聚焦元件，包含有一供该待测物体表面反射的该光线组的光束线通过的焦点；

一感光记忆元件，接收通过该聚焦元件的焦点的光线组的光束线并形成一感测影像；以及

一运算单元，电性连接于该感光记忆元件以取得该感测影像，根据该感光记忆元件上每个该光束线成像位置与该聚焦元件的焦点位置得到相对应的第二路径函数，计算该每一相对应第一路径函数与该第二路径函数的交点位置。

2.根据权利要求1所述的立体距离测定系统，其特征在于，该光源发射装置包含有一以一发光路径射出该光线组的发光源，以及一位于该发光路径上的第一绕射光学元件。

3.根据权利要求2所述的立体距离测定系统，其特征在于，该光源发射装置包含有一位于该发光源与该第一绕射光学元件之间发光路径的第二绕射光学元件。

4.根据权利要求1所述的立体距离测定系统，其特征在于，该光线组投射出的光束线具有一供该运算单元解读的图形码。

5.根据权利要求1所述的立体距离测定系统，其特征在于，该聚焦元件的焦点位于该投射平面上。

6.根据权利要求1所述的立体距离测定系统，其特征在于，由多个该光线组所形成的多个投射平面相互交集于一相交轴上，该相交轴通过该聚焦元件的焦点。

7.根据权利要求6所述的立体距离测定系统，其特征在于，该光源发射装置包含有一以一发光路径射出该光线组的发光源，以及一位于该发光路径的第一绕射光学元件，该投射平面相互交集的相交轴通过该第一绕射光学元件。

8.根据权利要求1所述的立体距离测定系统，其特征在于，更包含有一设置于该聚焦元件与该待测物体表面之间的滤镜，该滤镜容许只有该光束线频率的光线进入该聚焦元件。

9.根据权利要求1所述的立体距离测定系统，其特征在于，更包含有一容设该光源发射装置、该聚焦元件、该感光记忆元件以及该运算单元的壳体。

10.一种立体距离测定方法，其特征在于，包含步骤有：

步骤a)：提供至少一形成一投射平面的光线组以投射至一待测物体表面，该光线组包含有多个分别以一预设的第一路径函数并沿一直线排列射出至该待测物体表面形成检测点的光束线；

步骤b)：由该待测物体表面反射的该光线组的光束线通过一聚焦元件的焦点而于一感光记忆元件形成一感测影像；

步骤c)：根据该感光记忆元件上每个该光束线成像位置与该聚焦元件的焦点位置得到相对应的第二路径函数；以及

步骤d)：计算该每一相对应第一路径函数与该第二路径函数的交点位置即该待测物体的检测点的空间位置。

11.根据权利要求10所述的立体距离测定方法，其特征在于，该聚焦元件的焦点位于该投射平面上。

12.根据权利要求10所述的立体距离测定方法，其特征在于，由多个该光线组所形成的多个投射平面相互交集于一相交轴上，该相交轴通过该聚焦元件的焦点。

13.根据权利要求10所述的立体距离测定方法，其特征在于，更包含有步骤e)：根据该待测物体不同检测点的空间位置以计算出该不同检测点之间的距离。

14.根据权利要求10所述立体距离测定方法，其特征在于该步骤b)中，更包含步骤有：容许只有该光束线频率的光线进入该聚焦元件。

15.根据权利要求10所述的立体距离测定方法，其特征在于更包含步骤f)：通过该感光记忆元件取得由该待测物体表面反射的自然光影像。

16.根据权利要求15所述的立体距离测定方法，其特征在于，该步骤b)与该步骤c)之间更包含步骤有：比对步骤f)该感光记忆元件的自然光影像以及步骤b)该感光记忆元件的感测影像，取得一只有该光线组的影像。