方格角點建構非接觸式互動立體展示模型

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姓名

柯成橋(Cheng-Chiao Ke) 查詢紙本館藏

畢業系所

光電科學與工程學系

論文名稱

方格角點建構非接觸式互動立體展示模型
(Construction of Interactive 3D Display Model Using Corner Detection)

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摘要(中)

本研究透過「張氏標定法」存取參數，藉此建構具有方向性之3D立體展示模型。利用Python-OpenCV創建使用者介面，其目的是為了控制模型的移動，以便使用者利於觀測。最後搭配現有的光路系統將模型投影至人眼前方4公尺處，以達成立體展示效果。投影系統設計規格如表3。
本文詳細說明立體模型建構的過程、運算及模型移動方式，解決了VR（Virtual Reality，虛擬實境）需穿戴而造成不適感的問題，其解決方法為透過黑白方格作為基底創建了虛擬展示模型，並將模型過光路統呈現至人眼4公尺處，並藉由偵測手部來控制模型的移動。透過光路系統投影，使呈現的立體模型具有立體感，使觀測者有更好的AR體驗。

摘要(英)

This study aims to construct a 3D display model with orientation using Zhang′s calibration method to access the parameter. A user interface is created using Python-OpenCV for the purpose of controlling the movement of the model for user-friendly viewing. Finally, the model is projected 4 meters in front of the human eye with the existing optical system to achieve the stereoscopic display effect. The design specifications of the projection system are shown in Table 3.
The solution is to create a virtual display model by using a black and white square as the base, present the model to 4 meters in front of the human eye through the optical system, and control the movement of the model by detecting the hand. By projecting the model through the optical system, the three-dimensional model is presented with a sense of three-dimensionality, allowing the viewer to have a better AR experience.

關鍵字(中)

★ 張氏標定法
★ 虛擬實境
★ 擴增實境

關鍵字(英)

★ Zhang′s calibration method
★ VR
★ AR

論文目次

目錄
中文摘要 i
AbStract i
誌謝 iii
目錄 iv
圖目錄 viii
表目錄 xi
一、緒論 1
1-1 研究背景 1
1-2 研究動機 1
1-3 論文貢獻 2
1-4 論文架構 2
二、理論 3
2-1 軟體簡介 3
2-1-1 Python簡介 3
2-1-2 Mediapipe簡介 3
2-1-3 CVZone簡介 4
2-2 ZEMAX簡介 4
2-3 TracePro簡介 4
2-4 張氏標定法 5
2-5 角點檢測 6
2-6 相機標定 6
2-7 幾何光學 7
2-7-1 Fermat principle 7
2-7-2 反射定律 8
2-7-3 高斯成像 11
2-7-4 拉格朗日不變量以及放大倍率 12
2-7-5 偏心(Decenter)及離軸(Off-axis) 13
2-8 自由曲面 13
2-8-1 雙軸多項式曲面 14
2-8-2 擴展多項式(Extended Polynomial) 14
2-9 像差理論 14
2-9-1 像散(Astigmatism) 15
2-9-2 畸變(Distortion) 16
2-10 光度學 17
2-10-1 光通量（Luminous Flux） 18
2-10-2 發光強度（Luminous Intensity） 19
2-10-3 照度（Illuminance） 20
三、研究方法 21
3-1 研究內容 21
3-1-1 投影系統 21
3-1-2 座標建構 22
3-1-3 模型建構 23
3-2 研究方法 24
3-2-1 世界座標系轉換相機座標系 24
3-2-2 相機座標轉圖像座標系 26
3-2-3 圖像座標系轉像素座標系 28
四、實驗部分 32
4-1 實驗設備 32
4-1-1 設備項目 32
4-1-2 光路架構系統 34
4-1-3 投影規格 35
4-2 步驟說明 36
4-2-1 基底建構 36
4-2-2 坐標系建構 37
4-2-3 模型建構 38
4-2-4 模型控制介面 40
4-2-5 模型投影 43
4-3 結果討論 44
五、結論與未來展望 45
5-1 實驗設備 45
5-2 未來展望 46
參考文獻 47
附件(論文投稿) 51

圖目錄
圖 1 TracePro輻照圖 5
圖2張氏標定測量示意圖 5
圖3角點檢測像素放大圖 6
圖4光傳遞路徑圖 8
圖 5光傳遞至介質介面處示意圖 9
圖6反射示意圖 9
圖7反射球面鏡的高斯成像[8] 12
圖8偏心及離軸[17] 13
圖 9高斯光學系統示意圖[23] 15
圖 10像散示意圖[24] 16
圖 11畸變示意圖 17
圖 12發光強度示意圖 19
圖 13光照度示意圖 20
圖 14簡化光路架構示意圖 21
圖 15方格棋盤座標示意圖 22
圖 16分別建立4個單獨的面 23
圖 17將4個面同時建構形成的模型 23
圖 18世界座標系轉換相機座標系示意圖 24
圖 19繞Z軸旋轉示意圖 25
圖20相機座標系轉圖像座標系示意圖 27
圖21圖像座標轉像素座標示意圖 29
圖22抓取角點所需設備 32
圖23運算立體模型及非接觸式控制模型所需設備 33
圖24光路系統架構所需設備 33
圖25光路系統架構示意圖 34
圖26抓取角點示意圖 36
圖27各方向所抓取之角點圖 37
圖28基本模型建構圖 38
圖29模型建構至8個基點內模型圖 39
圖30利用基點做延伸建構模型圖 39
圖31方格繪製示意圖 40
圖32手部對應點圖 41
圖33觸發方格表之模型座標圖 42
圖34 X軸方向平移後之模型座標圖 42
圖35將螢幕所有畫面投影結果圖 43
圖36 3D模型單一投影結果圖 43
圖37實驗流程圖 44

表目錄
表 1 高斯成像公式 11
表 2燈泡對應表 18
表 3 投影系統設計規格表 35

參考文獻

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指導教授

張榮森(Rong-Seng Chang)

審核日期

2022-7-21

推文