本发明涉及一种纤维三维测量的装置及方法，且特别是涉及一种纤维所含的卷曲数(crimpnumber)及其相关数值的测量装置及方法。
背景技术：
在纺织产业中有许多指标可以反应纤维的质量，其中以纤维所含的卷曲数及其相关数值，例如纤维的弯折长度、弯折角度等，为影响纤维的摩擦力、抱合力及成纱质量的关键。
一般，依据纤维的用途而会采用不同丹尼(denier)数的规格，在高机能布料需求的提升下，极细丹尼纤维的产能逐渐提升，而目前纺织产业多以人工方式取样纤维，并以人眼逐根计算纤维在单位距离内的卷曲数。然而以人眼进行纤维检测会有以下几个问题：(1)人眼疲累或人为因素易使测量结果产生误差；(2)检查速度缓慢导致测量效率差；(3)需定期确认人员之间所采用的鉴定计算标准是否一致，以降低因人为误差而使不同批次的纤维卷曲数不一致；(4)需人工手动记录数据，耗时也增加记录错误的机率；(5)纤维经破坏性测量后，例如纤维经挂载荷重等，难以再次检视纤维的测量结果是否正确。
因此，如何能快速进行纤维测量、提升纤维的品检效率及节省人力，是本领域技术人员共同致力于研究的。
技术实现要素：
本发明提供一种纤维三维测量的装置及方法。此三维测量的装置及方法可提供出纤维的三维模型，且可提供纤维所含的卷曲数及其相关数值。
本发明提出一种纤维三维测量装置，适于提供纤维的三维模型。纤维三维测量装置包括一纤维承载平台、至少两组影像捕获装置、一处理器以及一储存单元。纤维承载平台用于挂载至少一待测纤维。至少两组影像捕获装置用于获取至少一待测纤维的二维影像。处理器接收影像捕获装置获取的二维影像并依据该二维影像建立一纤维三维模型。储存单元用于储存该纤维三维模型。其中影像捕获装置还包括一二维影像取像单元及一投光单元。二维影像取像单元用于取得该二维影像。投光单元与二维影像取像单元以纤维承载平台为中心相对应进行配置。
本发明另提出一种纤维的三维模型测量方法，包括挂载至少一待测纤维至一纤维承载平台上的步骤、以至少两组不同拍摄视角的二维影像取像单元获取该至少一待测纤维的二维影像的步骤、依据该些不同拍摄视角的二维影像建立一三维模型的步骤、利用该三维模型的三维坐标转换为一坐标序列并对该坐标序列进行二阶微分计算并生成一二阶微分计算结果的步骤、以及利用该二阶微分计算结果决定该至少一待测纤维的卷曲位置，并依据该些卷曲位置计算该至少一待测纤维的卷曲数、弯折长度及弯折角度的步骤。
基于上述，在本发明的纤维三维测量的装置及方法中，通过建立纤维的三维模型可快速获得低错误率且标准一致的纤维卷曲数及其相关数值，并可直接储存三维模型以避免人为记录错误及无法再次检视纤维的测量结果的问题。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特别列举实施例，并配合所附附图作详细说明如下。
附图说明
图1为本发明一实施例的纤维三维测量装置的示意图；
图2为本发明另一实施例的纤维三维测量装置的示意图；
图3为本发明一实施例的纤维三维测量的步骤流程图；
图4为本发明一实施例的依据不同拍摄视角的二维影像，建立纤维三维模型的示意图；
图5为本发明一实施例定义纤维的卷曲位置及弯折角度的示意图。
【附图标记说明】
1100：影像捕获装置
1102：二维影像取像单元
1104：投光单元
1200：纤维承载平台
1202：待测纤维
1300：处理器
1400：储存单元
1500：显示装置
s3100～s3500：步骤
p1：x-z平面
p2：y-z平面
500：候选位置
θ：弯折角度
a、b：卷曲位置
f：纤维三维模型
具体实施方式
图1为本发明一实施例的纤维三维测量装置的示意图。请参考图1，在本实施例中，纤维三维测量装置包括两组影像捕获装置1100、一纤维承载平台1200、一处理器1300以及一储存单元1400。纤维承载平台1200用于挂载待测纤维1202，在本实施例中为便于说明仅挂载一待测纤维1202，但本发明并不限于此，本发明还可同时挂载多根待测纤维，以便进行批次测量。影像捕获装置1100用于获取待测纤维1202的二维影像，处理器1300接收影像捕获装置1100获取的二维影像后，再依据该二维影像建立纤维三维模型并对此纤维三维模型进行分析，而储存单元1400将纤维三维模型及相关分析结果进行储存。其中储存单元1400可为直接与处理器电性连接的储存器、串联至后端的外部数据库、或是利用无线传输的云端数据库，本发明并不限于此。
各组影像捕获装置1100包括一二维影像取像单元1102及一投光单元1104，其中同一组影像捕获装置1100的投光单元1104与二维影像取像单元1102以纤维承载平台1200为中心相对应进行配置，意即投光单元1104向纤维承载平台1200进行投光，而二维影像取像单元1102以面对投光方向来进行二维影像的取像，如图1所示，相同的虚线样式圈选的投光单元1104与二维影像取像单元1102代表同一组的影像捕获装置1100。二维影像取像单元1102例如为彩色相机或单色相机，投光单元1104投射的光束可为平行光束，以突显纤维影像轮廓，而纤维承载平台1200可为一透明平板，以使投光单元1104投射的光束通过，但本发明并不限于此。纤维三维测量装置更可包括一显示装置1500，用于将纤维三维模型及相关分析结果同步显示于显示装置1500上，以供测量人员检视测量结果。此外，影像捕获装置1100还可包括一控制单元(图未绘示)，用于控制二维影像取像单元1102进行取像及控制投光单元1104进行投光。在一实施例中，控制单元控制投光单元1104在二维影像取像单元1102进行取像期间持续投光，在另一实施例中，控制单元控制投光单元1104在同一组的二维影像取像单元1102进行取像时同步投光，或是其他近似的取像投光控制方式，但本发明并不以此为限。或者，此控制单元的功能还可直接由处理器1300执行，由处理器1300控制投光单元1104及二维影像取像单元1102的投光与取像，但本发明不限于此。投光单元1104朝向纤维承载平台1200进行投光，例如投射一平行光束；而二维影像取像单元1102以面对投光方向对该至少一待测纤维来进行二维影像的取像。
在本实施例中，两组影像捕获装置1100中的二维影像取像单元1102的视角差为90度，但在另一实施例中，两组影像捕获装置1100中的二维影像取像单元1102的视角差不为90度，本发明并不以此为限。
图2为本发明另一实施例的纤维三维测量装置示意图，图2的纤维三维测量装置与图1的纤维三维测量装置相近，差别在于图2的实施例中，纤维三维测量装置包括三组影像捕获装置1100，各组影像捕获装置1100包含一二维影像取像单元1102及一投光单元1104，同一组影像捕获装置1100的投光单元1104与二维影像取像单元1102以纤维承载平台1200为中心相对应进行配置，相同的虚线样式所圈选的投光单元1104与二维影像取像单元1102为同一组的影像捕获装置1100，然而本发明并不限于此。本发明的影像捕获装置可依需求进行更多组数的配置，值得一提的是，本发明只需要至少有两组影像捕获装置且其拍摄视角不同即可。
图3为本发明一实施例的纤维三维测量方法的步骤流程图。请同时参考图1、图2及图3，图3的纤维三维测量方法至少可应用于上述任一实施例的纤维三维测量装置，以下说明将以应用于图1的纤维三维测量装置为例。在图3的实施例中，在步骤s3100中，挂载一待测纤维1202至一纤维承载平台1200上，挂载待测纤维1202可以人工方式挂载或是搭配自动机构进行挂载纤维，本实施例中挂载一根纤维，但还可依此挂载多根纤维进行测量。接着，在步骤s3100完成之后，执行步骤s3200，以两组不同拍摄视角的二维影像取像单元1102获取待测纤维1202的二维影像。在步骤s3200中，可控制投光单元1104在二维影像取像单元1102的取像期间持续投光，或是控制投光单元1104在其对应的二维影像取像单元1102取像时才进行同步投光，以避免不同组的影像捕获装置1100互相干扰。
在步骤s3200完成之后，执行步骤s3300，依据不同视角的二维影像建立一纤维三维模型。在本步骤中，可先对二维影像进行如噪声滤除、纤维轮廓探测等的图像处理，再获取各视角二维影像中纤维的二维坐标信息，再利用将各视角的二维影像视为三维空间中不同的投影平面，而将纤维的二维坐标信息组合成一纤维三维模型。图4为本发明一实施例的依据不同视角的二维影像建立纤维三维模型的示意图，在图4的实施例中，两组二维影像取像单元1102的视角差为90度，将左侧的二维影像取像单元1102取像的平面视为三维空间中的一投影平面(例如y-z平面p2)，而右侧的二维影像取像单元1102取像的平面视为三维空间中的另一投影平面(例如x-z平面p1)。因此，左侧的二维影像取像单元1102取像的二维影像中，纤维的二维坐标为(x1，y1)，而右侧的二维影像取像单元1102取像的二维影像中，纤维的二维坐标为(xr，yr)。利用空间投影概念，将纤维的上述二维坐标的xr值作为纤维三维模型的x值，将纤维的上述二维坐标x1值作为纤维三维模型的y值，而纤维的上述二维坐标y1或yr作为纤维三维模型的z值，即可建立出含有三维信息(x，y，z)的纤维三维模型。
在另一实施例中，两组二维影像取像单元的视角差不为90度，可先将两个二维影像的影像空间转置至视角差为90度，例如可依据二维影像取像单元的空间坐标计算出视角差，再将其中一个二维影像依据视角差进行空间转置而使得两个二维影像的视角差为90度，再依据前述建立纤维三维模型的流程生成含有三维信息(x，y，z)的纤维三维模型。
在再一实施例中，纤维测量装置以多组任意视角差的二维影像取像单元进行取像，在二维影像取像单元取得不同视角的二维影像后，进行二维影像的特征点获取，并将各视角的二维影像的特征点进行匹配运算。接着，依据匹配的特征点获得二维影像的平面转换矩阵，并进而获得相机矩阵(cameramatrix)，最后依据相机矩阵及多个二维影像建立一纤维三维模型f。处理器1300可依据纤维三维模型f进行待测纤维的卷曲数、弯折长度及弯折角度的计算，如以下步骤s3400、步骤s3500及相关章节所载。
在步骤s3300完成之后，执行步骤s3400。在步骤s3400中，处理器1300可利用纤维三维模型f的三维坐标转换为一坐标序列并对此坐标序列进行二阶微分计算并生成一二阶微分计算结果。首先，将纤维三维模型f的三维坐标转换成一坐标序列，再对此坐标序列进行二阶微分计算如式(1)，以针对x及y坐标变化进行分析，并生成二阶微分结果以进行后续纤维的卷曲数的计算。
在步骤s3400完成之后，执行步骤s3500，利用二阶微分计算结果决定待测纤维的卷曲位置，并依据卷曲位置计算待测纤维的卷曲数、弯折长度及弯折角度。纤维三维模型f的坐标在x及y方向上变化的局部极值，例如极大值或极小值即为纤维卷曲的候选位置500，如图5所示，图5为本发明一实施例定义纤维的卷曲位置及弯折角度的示意图。当候选位置500的二阶微分数值超过一预定阀值即可定义该候选位置为纤维的卷曲位置，利用是否超过一预定阀值的方式可弹性地筛选出用户认定的有效卷曲。接着，便可依据纤维的卷曲位置计算单位高度内的卷曲数量，并将单位高度内的卷曲数量定义为纤维的卷曲数。而每一卷曲位置的两侧纤维的切线的夹角为该有效卷曲对应的弯折角度θ，此外，相邻两个卷曲位置之间的纤维长度定义为弯折长度，每一卷曲位置最多可对应至两个弯折长度。弯折长度的计算例如两卷曲位置a、b在纤维三维模型的坐标序列的索引为ia、ib，计算上述坐标序列其间所有相邻坐标的俩俩距离总和视为弯折长度l，如式(2)。
综上所述，在本发明的纤维三维测量装置及其方法中，以至少两组不同拍摄视角的二维影像取像单元获取至少一待测纤维的二维影像，并依据不同视角的二维影像建立一纤维三维模型，处理器可依据该纤维三维模型决定待测纤维的卷曲位置，并可进一步计算出待测纤维的卷曲数、弯折长度及弯折角度，且储存单元可将测量的结果储存下来。
以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
1.一种纤维三维测量装置，包括：
一纤维承载平台，用于挂载至少一待测纤维；
至少两组影像捕获装置，用于获取该至少一待测纤维的二维影像；
一处理器，接收该些影像捕获装置获取的该些二维影像并依据该些二维影像建立一纤维三维模型；以及
一储存单元，用于储存该纤维三维模型；
其中各组影像捕获装置分别包括：
一二维影像取像单元，用于取得该二维影像；及
一投光单元，该投光单元与该二维影像取像单元以该纤维承载平台为中心相对应进行配置。
2.如权利要求1所述的纤维三维测量装置，其中该投光单元投射出一平行光束，且该投光单元的投光方向与该二维影像取像单元的取像方向相反。
3.如权利要求1所述的纤维三维测量装置，其中该影像捕获装置更包括一控制单元，用于控制该投光单元在该对应的二维影像取像单元进行取像期间持续投光或是控制该投光单元在该对应的二维影像取像单元进行取像时进行同步投光。
4.如权利要求1所述的纤维三维测量装置，其中该处理器依据该纤维三维模型进行该至少一待测纤维的卷曲数、弯折长度及弯折角度的计算。
5.如权利要求4所述的纤维三维测量装置，其中该纤维三维测量装置更包括一显示装置，用于显示该纤维三维模型以及该至少一待测纤维的卷曲数、弯折长度及弯折角度的计算结果。
6.如权利要求1所述的纤维三维测量装置，其中该储存单元为直接与该处理器电性连接的一储存器、一外部数据库或是一云端数据库。
7.一种纤维的三维模型测量方法，包括：
挂载至少一待测纤维至一纤维承载平台上；
以至少两组不同拍摄视角的二维影像取像单元获取该至少一待测纤维的二维影像；
依据该些不同视角的二维影像建立一纤维三维模型；
利用该纤维三维模型的三维坐标转换为一坐标序列并对该坐标序列进行二阶微分计算并生成一二阶微分计算结果；以及
利用该二阶微分计算结果决定该至少一待测纤维的卷曲位置，并依据该些卷曲位置计算该至少一待测纤维的卷曲数、弯折长度及弯折角度。
8.如权利要求7所述的测量方法，其中利用该二阶微分计算结果决定该至少一待测纤维的卷曲位置的步骤更包括依据二阶微分的局部极值是否超过一预定阀值来决定该至少一待测纤维的卷曲位置。
9.如权利要求7所述的测量方法，其中依据该些卷曲位置计算该至少一待测纤维的卷曲数的步骤更包括依据该些卷曲位置计算单位高度内的卷曲数量，并将该单位高度内的卷曲数量定义为该至少一待测纤维的卷曲数。
10.如权利要求7所述的测量方法，其中依据该些卷曲位置计算该至少一待测纤维的卷曲数的步骤更包括将该些卷曲位置的总数除以该至少一待测纤维的总长度定义为至少一待测纤维的卷曲数。
11.如权利要求7所述的测量方法，其中依据该些卷曲位置计算该至少一待测纤维的弯折角度的步骤更包括将该些卷曲位置的每一卷曲位置的两侧纤维的切线的夹角定义为弯折角度。
12.如权利要求7所述的测量方法，其中依据该些卷曲位置计算该至少一待测纤维的弯折长度的步骤更包括依据该些卷曲位置的坐标，将该坐标序列中相邻两个卷曲位置之间所有相邻坐标的俩俩距离总和定义为弯折长度。
13.如权利要求7所述的测量方法，其中依据该些不同视角的二维影像建立一纤维三维模型的步骤还包括：
当该至少两组二维影像取像单元中两组二维影像取像单元的拍摄视角相差90度时，将第一组二维影像取像单元取像的第一二维影像中该至少一待测纤维的第一方向坐标值作为该纤维三维模型的第一方向坐标值；
将第二组二维影像取像单元取像的第二二维影像中该待测纤维的第一方向坐标值作为该纤维三维模型的第二方向坐标值；以及
将该第一二维影像或该第二二维影像中该至少一待测纤维的第二方向坐标值作为该三维模型的第三方向坐标值。
14.如权利要求7所述的测量方法，其中依据该些不同视角的二维影像建立一纤维三维模型的步骤还包括：
当该至少两组二维影像取像单元中两组二维影像取像单元的拍摄视角相差不为90度时，将该些二维影像经过空间转换转置至拍摄视角差为90度；
将第一组二维影像取像单元取像的第一二维影像中该至少一待测纤维的第一方向坐标值作为该纤维三维模型的第一方向坐标值；
将第二组二维影像取像单元取像的第二二维影像中该至少一待测纤维的第一方向坐标值作为该纤维三维模型的第二方向坐标值；以及
将该第一二维影像或第二二维影像中该至少一待测纤维的第二方向坐标值作为该纤维三维模型的第三方向坐标值。
15.如权利要求7所述的测量方法，其中依据该些不同视角的二维影像建立一纤维三维模型的步骤还包括：
获取该些不同视角的该些二维影像的特征点，并将该些特征点进行匹配运算；
依据匹配的的特征点取得该些二维影像的平面转换矩阵，进而取得该些二维影像取像单元的相机矩阵；以及
依据该些二维影像取像单元的相机矩阵及该些二维影像，建立该纤维三维模型。
16.如权利要求7所述的测量方法，其中获取该至少一待测纤维的二维影像的步骤更包括自该二维影像取像单元朝向该纤维承载平台投射一平行光束，使该二维影像取像单元以面对投光方向对该至少一待测纤维进行取像。
17.如权利要求16所述的测量方法，其中投射该平行光束为持续投射。
18.如权利要求16所述的测量方法，其中投射该平行光束为在该二维影像取像单元取像时进行同步投光。
技术总结