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論文中文名稱:機械視覺配合雙CCD三維量測判釋土石軌跡與粒徑分佈之研究 [以論文名稱查詢館藏系統]
論文英文名稱:The Study of Machine Vision with Two CCD Applied on the Track of the Debris Flow and the Particle Size Distribution [以論文名稱查詢館藏系統]
院校名稱:臺北科技大學
學院名稱:工程學院
系所名稱:土木與防災研究所
中文姓名:梁仲志
英文姓名:Chung-Chih Liang
研究生學號:94428056
學位類別:碩士
語文別:中文
口試日期:2007-07-20
論文頁數:71
指導教授中文名:張守陽;陳彥璋
口試委員中文名:林志平;張哲豪
中文關鍵詞:機械視覺雙CCD粒徑分佈三維資訊
英文關鍵詞:machine visiontwo CCD camerassize distribute3D coordinates
論文中文摘要:本研究結合「機械視覺」與「雙CCD三維量測」理論,計算影像點之空間三維座標,針對不同情境之土石影像,求算「特定物運移軌跡」及「粒徑分佈」等土石特性。
本研究首先藉由雷射點標示出雙CCD左右影像控制點,利用控制點之三維資訊,計算出雙CCD內外部參數;進行左右影像裡尋找共同點,依據「立體視覺法」計算待測點之三維座標。繼而針對多顆礫石進行判釋,先於左右影像相同範圍,以特定物形心位置利用「象限法」及「向量法」找出左右影像內之相同特定物,得以求算多顆粒之三維座標資訊。多顆礫石得以判識後,配合機械視覺推求各礫石粒徑大小,並進行角度校正及比例尺校正,繪製粒徑分佈圖,並分析各代表粒徑。最後於判釋礫石流動時之三維運移軌跡上,利用流動方向、最小臨近法與特定物大小,尋找前後張影像相同之礫石,並求得表面礫石之三維軌跡座標。
經由室內實驗結果得知, CCD在距離目標物1公尺進行量測,其X、Y及Z軸座標值之均方根誤差各約為0.11、0.22及0.16公分;傾斜拍攝多顆土石,經角度與比例尺校正後,求算之粒徑誤差由8.56%減少為2.63%,誤差明顯改善。礫石運移軌跡之室內實驗發現,「雙CCD三維量測」系統所計算之最大距離誤差約為-4.89%,誤差範圍尚屬合理。希冀本實驗方法可提供未來土石流特性之監測參考。
論文英文摘要:The study is to calculate stereo coordinates of sediments by using the stereo and machine vision techniques of non-contacted type, and then the characteristics of sediments’ trajectories and grain-size distributions are evaluated based on various sediment pictures of different scenarios.
Laser spots easily to be found in two CCD cameras are used to aid the stereo measures of targets or multiple rocks. The trajectories and grain sizes are also analyzed. The stereo positions of the laser spots are measured based on stereo vision techniques using two CCD cameras. The known coordinates of control points are used to calibrate the parameters of two CCD cameras. The measured point correspondences between pairs of points from the left and the right images are established. The 3D coordinates of the measured point are reconstructed by using stereo vision techniques. In the case of multiple rocks, the point correspondences are first searched in the right and the left images to find the centroids of the specific rocks using a quadrant method and a vector method. The grain-size distributions of the specific rocks will be analyzed. Using the information of flow direction, grain size, 3D coordinates of specific rocks, the trajectories of the specific rocks can be estimated based on the nearest neighbor approach.
According to the laboratory experiments, the stereo vision techniques using two CCD cameras are feasible to estimate the grain-size distributions and trajectories of the specific rocks. The measure errors of 1 m distance are about 0.11cm, 0.22cm and 0.16cm at X, Y and Z axes respectively. The maximum trajectory error is about -4.89%. The system will be improved to detect debris flows and to prevent sediment related disasters.
論文目次:目錄

摘 要 i
Abstract ii
誌 謝 iv
圖目錄 vii
表目錄 ix
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 研究背景 2
1.3 研究目的 2
1.4 研究內容及流程 3
第二章 文獻回顧與理論分析 5
2.1 土石流特性與性狀 5
2.2 土石流監測方式 6
2.2.1 國內之土石流監測研究 7
2.2.2 國外之土石流監測研究 9
2.3 機械視覺影像處理原理 9
2.3.1 機械視覺簡介 10
2.3.2 數位影像處理原理 10
2.4 攝影測量 11
2.4.1 攝影機內外部方位校正 11
2.4.2 方位重建 12
2.4.3 空間前方交會法 14
2.5 土石粒徑分析 16
2.5.1 影像分割 16
2.5.2 影像座標幾何轉換 16
2.5.3 影像傾斜與正拍轉換 18
第三章 實驗設備與研究方法 19
3.1 實驗設備 19
3.2 研究架構 20
3.3 雙CCD三維量測系統分析 21
3.3.1 三維座標判讀 21
3.3.2 土石空間三維座標量測 22
3.4 土砂礫石粒徑分析 24
3.4.1 影像分割及特徵值擷取 24
3.4.2 影像校正 25
3.5 多顆粒土石運移軌跡 28
3.5.1 礫石軌跡追蹤 28
3.5.2 礫石三維空間軌跡追蹤 29
第四章 結果與討論 33
4.1 雙CCD三維量測系統分析 33
4.1.1 影像外方位參數控制點 33
4.1.2 量測精度之探討 35
4.1.3 空間三維座標資訊 40
4.2 雙CCD土石空間三維資訊判讀 43
4.2.1 左右影像重疊區塊設定 43
4.2.2 左右影像相同特定物形心判釋 44
4.3 土石表面粒徑分析 56
4.3.1 比例尺校正 56
4.3.2 三維影像粒徑分佈 58
4.4 特定物運移軌跡 61
4.4.1 前後影像相同點 61
4.4.2 軌跡移動精度探討 64
第五章 結論與建議 67
5.1 結論 67
5.2 建議 68
參考文獻 69


圖目錄

圖1.1論文研究流程圖 4
圖2.1 數位影像處理基本架構與步驟[謬紹綱,2003] 11
圖2.2 攝影機之內方位與外方位 12
圖2.3 光束法中像片與控制點之示意圖 13
圖2.4 空間前方交會法示意圖 16
圖2.5 兩影像中對應點的連接點[劉榮斌,2006] 18
圖2.6 空間透視投影示意圖[劉榮斌,2006] 18
圖3.1 研究設備實體圖 20
圖3.2 研究架構圖 21
圖3.3 空間三維座標判讀步驟 22
圖3.4 表面多顆礫石之空間三維座標判讀流程 24
圖3.5 長短軸示意圖[Matlab Image toolbox, 2002] 25
圖3.6 變形影像的校正[Fujita, 1998] 26
圖3.7 粒徑分析步驟圖 28
圖3.8 礫石軌跡推估示意圖 29
圖3.9 雙CCD三維座標求算軌跡流程圖 31
圖3.10 空間運移軌跡示意圖 32
圖4.1 X軸誤差 34
圖4.2 Y軸誤差 34
圖4.3 Z軸誤差 34
圖4.4 左右CCD雷射點影像 36
圖4.5 控制點分佈圖 37
圖4.6 X、Y與Z軸之均方根誤差 39
圖4.7 雷射點空間三維座標示意圖 40
圖4.8 乒乓球左右影像加入網格 41
圖4.9 投影網格空間三維座標(XZ面) 41
圖4.10 投影網格空間三維座標 42
圖4.11 左右CCD拍攝土石影像 44
圖4.12 左右CCD相同範圍之影像 44
圖4.13 實驗A特定物左右影像 54
圖4.14 實驗B特定物左右影像 54
圖4.15 實驗C特定物左右影像 55
圖4.16 單一比例尺與比例尺校正比較圖 57
圖4.17 垂直正拍時之影像校正及粒徑分佈曲線示意圖 58
圖4.18 垂直正拍時之影像校正及粒徑分佈曲線示意圖 59
圖4.19 粒徑分析影像 60
圖4.20 拍攝角度校正與比例尺角度校正粒徑分佈 60
圖4.21 礫石移動軌跡之推估過程 62
圖4.22 前後影像軌跡圖(未加粒徑資訊) 63
圖4.23 前後影像軌跡圖(加入粒徑資訊) 63
圖4.24 物體之空間三維軌跡 64
圖4.25 物體之空間三維軌跡(XZ平面) 64
圖4.26 特定物行進位置圖 65
圖4.27 特定物之空間三維軌跡 65


表目錄

表3.1 軟體設備 19
表3.2 硬體設備 20
表4.1 控制點佈設方式之比較 35
表4.2 影像共同點取得方法之比較 42
表4.3 實驗A之象限分佈 45
表4.4 實驗B之象限分佈 46
表4.5 實驗C之象限分佈 47
表4.6 實驗B之第二次象限分佈 49
表4.7 實驗C之第二次象限分佈第一象限 50
表4.8 實驗C之第二次象限分佈第二象限 51
表4.9 實驗C之第二次象限分佈第四象限 52
表4.10 實驗C之第二次象限分佈第三象限 53
表4.11 實驗A特定物距離排序 54
表4.12 實驗B特定物距離排序 54
表4.13 實驗C特定物距離排序 55
表4.14 實驗C影像夾角與距離區間表 56
表4.15 垂直正拍之粒徑比較 57
表4.16 代表粒徑誤差百分比 59
表4.17 代表粒徑誤差百分比 60
表4.18 軌跡移動距離判釋結果 66
論文參考文獻:參考文獻
[1] Alasdair McAndrew, “Introduction to Digital Image Processing with Matlab”, United States America, Thomson Course Technology, 2004.
[2] H. Suaw, T. Yamakoshi and K. Sato, “Relationship between debris-flow discharge and ground vibration”, Taipei:Proceeding of the second international conference on debris-flow hazards mitigation, 2000, pp.311-318.
[3] Wolf, P.R. , “Element of Photogrammetry”, McGraw-Hill, Inc, 1983¸pp.351-390.
[4] 尹孝元、黃清哲、連惠邦、李秉乾、周天穎、王晉倫,「自動化土石流觀測系統之發展及應用」,中華水土保持學報,第三十七卷,第二期,2006,第91-110頁。
[5] 何維信,航空攝影測量學,台北:大中國圖書公司,1995。
[6] 吳成柯、戴善榮、程湘君、雲立實,數位影像處理,台北:儒林圖書有限公司,2001。
[7] 吳建興,機械視覺應用於土砂災害監測之可行性研究,碩士論文,國立台北科技大學環境規劃與管理研究所,台北,2004。
[8] 吳榮峰,大尺度質點影像量測法之應用,碩士論文,國立成功大學水利及海洋工程研究所,台南,2003。
[9] 呂珍謀、賴泉基、李明靜、林國暉、李宜靜,「影像辨識法於土石流表面速度估算之研究-PIV與STDSM之比較」,桃園:第十五屆水利工程研討會論文集,2006,第I106-I111頁。
[10] 李明靜,河川表面流速與流量非接觸式量測方法之發展及應用,博士論文,國立成功大學水利及海洋工程研究所,台南,2003。
[11] 李璟芳,機械視覺應用於土石流監測之研究,碩士論文,國立台北科技大學環境規劃與管理研究所,台北,2003。
[12] 邱鴻瑋,雷射掃瞄系統於水利防災與土砂災害監測之研究,碩士論文,國立台北科技大學土木與防災研究所,台北,2005。
[13] 范正成、張守陽,土石流危險區道路橋涵偵測警報系統之研究(三),台北:交通部專題研究計畫報告,2001,第4-12頁。
[14] 張守陽,機械視覺監測土石流發生之研究(Ⅰ),行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告(計畫編號:NSC-90-2627-Z-027-001),2002,第1-62頁。
[15] 張守陽、李伯亨,「土石流事發偵測方法之初步研究」,成都:中國青年學者山地科學與中國中西部開發學術研討會,2000,第76-85頁。
[16] 張守陽、李璟芳,「機械視覺判識土石流流動之研究」,昆明:第三屆兩岸山地災害與環境保育研討會論文集,2002,第154-161頁。
[17] 張守陽、林志平、游勝任,「影像處理應用於土砂災害判識之研究」,台南:電子計算計於土木水利工程應用研討會論文集,2005,第13-18頁。
[18] 張守陽、林志平、黃榮堂,機械視覺判識土石流發生與特性之研究(Ⅰ),行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告 (計畫編號:NSC-93-2625-Z-027-001),2005。
[19] 張守陽、黃榮堂,土石流流速量測方法之研究,行政院農委會水土保持局坡地災害警戒值訂定與土石流觀測示範站之研究期末報告(計畫編號:SWCB-91-63-10),2002。
[20] 張守陽、黃榮堂、李璟芳,「機械視覺之土石流影像分析」,台南:第十二屆水利工程研討會論文集,2001,第J6-J13頁。
[21] 張守陽、黃榮堂、李璟芳,「機械視覺判識土石流發生之初步研究」,台北:第十一屆水利工程研討會論文集,2000,第K5-K10頁。
[22] 張守陽、黃榮堂、李璟芳,「機械視覺判識土石流發生之研究」,中華水土保持學報,第三十六卷,第一期,2005。
[23] 許銘峰,攝影測量在離心模擬試驗之應用-以離心隧道模型之地表沉陷量量測為例,碩士論文,國立中央大學土木工程研究所,桃園,2000。
[24] 連惠邦,「水土保持局土石流之雨量警戒及監測成果探討」,台北:94年度土石流潛勢溪流防災業務管理研習會,2005,第39-46 頁。
[25] 陳孝宇,雷射掃描系統開發與土石位移監測之可行性研究,碩士論文,國立台北科技大環境規劃與管理研究所,台北,2004。
[26] 游勝任,機械視覺應用於土石流監測之整合研究,碩士論文,國立台北科技大學土木與防災研究所,台北,2006。
[27] 游勝任、張守陽、林志平、梁仲志,「防災監測影像前處理之研究」,桃園:第十五屆水利工程研討會論文集,2006,第B96-B101頁。
[28] 詹錢登,土石流及其防治對策,台北:教育部(88-土木防災教材-教材-05),1999,第2-5頁。
[29] 詹錢登,土石流概論,台北:科技圖書,2000,第8-10頁。
[30] 劉虹妤,數位相機率定之自動化,碩士論文,國立成功大學測量工程研究所,台南,2000。
[31] 劉浚育,電腦輔助建築攝影測量之研究,碩士論文,逢甲大學土木工程研究所,台中,2004。
[32] 劉榮斌,機械視覺與攝影測量判讀土石流特性參數之初步研究,碩士論文,國立台北科技大學環境規劃與管理研究所,台北,2006。
[33] 劉榮斌、林志平、張守陽,「機械視覺判識土石流特性之初步研究」,桃園:第十五屆水利工程研討會論文集,2006,第B149-B154頁。
[34] 謝瑞斌,低價位數值相機空間量測實用性之研究,碩士論文,國立台灣大學土木工程研究所,台北,2000。
[35] 謬紹綱,數位影像處理,台北:台灣培生教育,2003。
論文全文使用權限:同意授權於2009-08-27起公開