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系統識別號 U0002-1706200617504800
中文論文名稱 運用影像量測技術於三維輪廓量測及重建之研究
英文論文名稱 The Research of Three Dimensional Profile Measurement and Reverse by Using Image Processing Technique
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 航空太空工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Aerospace Engineering
學年度 94
學期 2
出版年 95
研究生中文姓名 彭嘉俊
研究生英文姓名 Chia-Chun Peng
學號 693370180
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2006-06-07
論文頁數 88頁
口試委員 指導教授-陳步偉
委員-沈坤耀
委員-張永康
中文關鍵字 影像處理  對焦外型重建法  量測  逆向工程 
英文關鍵字 Image process,  shape from focus  measurement  reverse engineering 
學科別分類 學科別應用科學航空太空
中文摘要 隨著台灣科技產業的發展,許多產品越做越小,例如微機電產品,或是奈米技術,都顯示出微小化產品已成為未來的發展趨勢。傳統接觸式三次元量床有其限制,較不適用於量測這種微小工件,因此發展出影像量測技術來解決此問題。
本研究之目的在建立一套影像對焦三次元量測系統,可運用於微小元件的尺寸輪廓量測。其中影像最佳對焦位置採用Sum-modified-Laplacian運算子計算影像之聚焦度量值,聚焦度量值成二次曲線分布,利用此種現象,配合數值分析,即能從少數幾張影像預測最佳對焦位置。
由本研究建立的影像對焦三次元量測系統量測待測工件外型尺寸,量測精確度在範圍0.7mm~15mm之尺寸的工件可達98%,量測之結果為點資料格式,可匯入電腦輔助設計繪圖軟體重建外型輪廓。
英文摘要 With the continuous development of scientific and technological industry in Taiwan, many products become smaller, such as micro-electro-mechanical’s products and nanotechnology’s components. All of those show the miniaturized will be the trend of future. Traditional CMM is not very well to measure those kinds of products, due to the limitation of probe’s diameter is too large to fit the size of work piece. For overcome the above mentioned problems, the optical measurement techniques have been developed recently. Image measurement technique is one kind of the optical measurement techniques, that using machine vision can achieve the full scale and real time measuring. Beside, this technique can avoid human’s misjudgment. It is also good for when the change of work piece’s surface is small than contact probe and any unwanted scratch on the work piece.

This study is using shape form focus method for micro-component’s dimensional measurement. The purpose of this research is to establish a non-contact image-measuring system. The image-measuring system utilizes a CCD camera with a fixed focal length. In this research, the Sum-Modified-Laplacian operator is utilized to compute local measures of the quality of image focus. The CCD camera is moved along the z direction, and so is the focus plane. The region, where the focus plane intersects the object, is the best focused area. The quadratic equations are used to model the result and calculate the focused measure values of sequential images captured by this system to obtain the most accurate depth estimates.

The accuracy of this non-contact image-measuring system can be achieved more than 98%. All the points after measurement can be transferred as IBL format, that means the result can be further reconstructed to three dimensional solid models by using CADCAM software.
論文目次 摘要 I
目錄 IV
圖目錄 VII
表目錄 XI
第一章 緒論 1
1-1 前言 1
1-2 研究動機與目的 4
1-3文獻回顧 8
1-4本文架構 10
第二章 實驗方法 11
2-1 三維影像量測演算法 11
2-2 數位影像處理 13
2-2-1 色彩模型 14
2-2-2 空間域分析 15
2-2-3 頻域分析 20
2-3 演算方法 27
第三章 對焦外型重建原理 33
3-1 光學鏡頭成像原理 33
3-2 影像對焦原理 34
3-3 自動對焦技術 35
3-3-1 最佳對焦位置評估方法 36
第四章 實驗設計 39
4-1 影像量測系統硬體架構 39
4-1-1 三軸控制平台 39
4-1-2 影像擷取系統 42
4-2 實驗校驗設備 44
4-3 實驗架構 47
第五章 實驗結果與討論 50
5-1 解析度校正 50
5-1-1 二維影像解析度校正 50
5-1-2 三軸平台移動解析度 53
5-2 高度量測 56
5-2-1 最佳拍攝間距 56
5-2-2 高度量測容差 59
5-2-3 標準件量測 61
5-3 實體工件量測 62
5-3-1 U型鋁質工件 62
5-3-2 S型鋁質工件 67
5-3-3 白光LED 71
第六章 結論 84
參考文獻 87

圖目錄

圖1.1 微小元件量測分類 6
圖1.2 各類型輪廓儀適用尺寸範圍 7
圖2.1 光學成像原理 11
圗2.2 影像對焦失焦示意圖 12
圖2.3 基本3×3 遮罩進行空間濾波之示意圖 17
圖2.4 8個資料點的快速傅立葉轉換 22
圖2.5 未經平移的頻譜圖 24
圖2.6 中心平移後之頻譜 25
圖2.7 清晰的原影像 25
圖2.8 模糊的原影像 25
圖2.9 清晰的原影像經FFT處理之結果 26
圖2.10 模糊的原影像經FFT處理之結果 26
圖2.11 由模糊至清晰再到模糊之影像 27
圖2.12 絕對梯度法 28
圖2.13 平均梯度法 29
圖2.14 拉普拉斯能量法 31
圖3.1 對焦外型重建原理 33
圖3.2 影像擷取過程示意圖 34
圖3.3 對焦評估結果 35
圖3.4 間隔取樣之對焦評估結果 36
圖3.5 修正評估方法示意圖 38
圖4.1 三軸影像量測系統架構圖 39
圖4.2 三維運動機構架設方式 40
圖4.3 系統架設圖(1) 43
圖4.4 系統架設圖(2 43
圗4.5 光學輪廓投影機 44
圗4.6 本實驗使用之石英尺 45
圗4.7 本實驗使用之高度規 45
圗4.8 標準精密鋼質塊規 46
圗4.9 量測待測物尺寸及重建輪廓外型流程 47
圖4.10 本實驗流程圖 49
圖5.1 解析度量測之起始座標 51
圗5.2 解析度量測之結束座標 51
圗5.3 平台解析度測試之起始座標 54
圗5.4 平台解析度測試之向右移動500單位 54
圗5.5 平台解析度測試之向右移動1000單位 54
圗5.6 連續拍攝之對焦強度值 57
圗5.7 精密標準塊規之影像分割 59
圗5.8 U型鋁質工件外型 62
圗5.9 U型鋁質工件藍圖 63
圗5.10 U型鋁質工件分割示意圖Top View 64
圗5.11 U型鋁質工件影像分割示意圖 64
圗5.12 建構U型鋁質工件之八條曲線與藍圖之半徑比較圖 65
圗5.13 U型鋁質工件重建之外型輪廓 66
圗5.14 S型鋁質工件外型 67
圗5.15 S型鋁質工件藍圖 67
圗5.16 S型鋁質工件分割示意圖Top View 68
圗5.17 建構S型鋁質工件之左半圓八條曲線與藍圖比較 69
圗5.18 S型鋁質工件重建之輪廓 70
圗5.19 白光LED外型 71
圗5.20 白光LED藍圖 72
圗5.21 白光LED影像座標圖 73
圗5.22 白光LED之二維尺寸圖 73
圗5.23 白光LED基準面與實體分割 74
圗5.24 白光LED實體之影像分割 75
圗5.25 白光LED影像分割點群示意圖 75
圗5.26 白光LED重建之輪廓 77
圗5.27 白光LED模型之三維尺寸圖 78
圗5.28 白光LED左斜面 80
圗5.29 白光LED右斜面 80
圗5.30 白光LED左斜面之高度值與藍圖比較圖 81
圗5.31 白光LED右斜面之高度值與藍圖比較圖 81
圗5.32 光源因反射造成亮度分布不均 83

表目錄
表1.1 全球光學檢測設備市場 4
表1.2 現行輪廓量測儀器的量測範圍與解析度 6
表4.1 XY線性步進平台規格表 41
表4.2 Z軸伺服馬達規格表 41
表4.3 驅動器規格表 41
表4.4 CCD規格表 42
表4.5 鏡頭規格表 42
表4.6 影像擷取卡規格表 42
表5.1 六種變焦倍率之二維影像解析度 52
表5.2 拍攝間隔之誤差百分比 58
表5.3 量測高度之實驗容差 60
表5.4 精密鋼質塊規量測結果 61
表5.5 白光LED高度量測與藍圖比較 76
表5.6 光學輪廓投影機量測白光LED結果 76
表5.7 白光LED量測三維尺寸結果與藍圖比較表 78
表5.8 使用光學輪廓投影機量測白光LED結果 79
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