光學雷達日間光路調校系統開發ir.lib.ksu.edu.tw/bitstream/987654321/24705/2/48-表1-江...2...

經濟部中小企業處

中小企業創新服務憑證補 (捐)助計畫

結案報告

光學雷達日間光路調校系統開發

執行期間：自103年06月01日至103年10月14日止

企業名稱：環資光達股份有限公司

知識服務機構名稱：崑山科技大學

中華民國 1 0 3 年 1 0 月

計畫編號：140104

(本頁僅供計畫書書背使用，毋須列印)

書背(側邊)模式計畫編號：1

40

10

4

計畫名稱：光學雷達日間光路調校系統開發

結案報告

補(

捐)

助企業名稱：環資光達股份有限公司

目錄

壹、審查意見回覆說明表……………………………………………..….……...1

貳、結案報告摘要……..…………………………………………......……………..2

參、執行總報告……………………………………………..……………………….....4

一、緣起………………………………………...…………..….......................4

二、計畫目標………………………………………………………..…………….4

三、執行情形與成果………………….………………………………..….….5

四、結論與建議……………………….……………………..….................42

五、附錄………………………………..…………….…..……………..………...43

(一) 其他補充資料

(二) 知識服務機構具體服務內容與成效之佐證資料

1

壹、審查意見回覆說明表

企業名稱：環資光達股份有限公司

計畫名稱：光學雷達日間光路調校系統開發

申請審查階段：

# 審查意見回覆說明(請另標明修正處之頁碼)

1 本申請案擬利用攝影機影像分析技術結

合3D掃描式光學雷達系統,開發日間光路

調校系統，可以在日間不可視光源之情形

下完成光學系統光路的校正。

2 該產品在市面上罕見，該企業針對現有產

品提出其附加價值的研究及應用，對其產

業提升以及研發能力助益頗大，整體產品

對相關環測人員也可降低人力維修資

源，亦提升該產品的競爭力。

謝謝委員之肯定。

3 企業所提本申請案具可行性，知識服務機

構參與人員專長契合企業需求。惟本申請

案書有關執行效益之描述似乎甚有限，同

時未來衍生效益與本申請案計畫內容完

全相同，建議酌予提升預期效益，並增列

申請專利至少一件，以保護本申請案成果

之智財權。

謝謝委員意見，預期效益已增列於計畫書中

（第 14 頁），並增列申請專利一件。

2

貳、結案報告摘要

一

、

計

畫

基

本

資

料

計畫名

稱光學雷達日間光路調校系統開發

計畫期

間 103 年 6 月 15 日至 103 年 10 月 14 日（計 4 個月）

公司名

稱環資光達股份有限公司

通訊地

址台中市北區進化路 340-2 號

計畫

主持人蘇良軒

聯絡電話 04-22774570 傳真號

碼 04-22783551

電子

信箱 [email protected] 行動

電話 0919677855

計畫

聯絡人江俐嫻

聯絡電話 04-22774570 傳真號

碼 04-22783551

電子

信箱 [email protected] 行動

電話 0921-635435

二、知識服務機構

機構名稱/

聯繫單位崑山科技大學/創新育成中心聯絡人高源嶺

電話 06-2059715/06-2050480 電子信箱 [email protected]

3

三、內容摘要：

1.預定工作目標

本司自行開發 3D 掃瞄式光學雷達（光達）系統，成功改良傳統雷射遙測系統之複雜結構，

建置成本高、維護不易及系統體積龐大等之缺點與不便，用於協助環保相關單位監測環境資

訊。目前全台每年服務已超過 50 站次，3 年來相關計畫執行金額已達 3 千 1 百多萬元。然而於

監測服務過程中，光達系統往返於不同測站間由於搬動等因素，需於每次進行環境監測前進行

光路調校，使雷射光路與接收器同軸，以獲得最佳之訊號強度。由於在戶外進行監測時，對於

遙測之光路調校相當困難，以致增加相關成本與費用。為此本計劃執行目標將開發光學雷達日

間光路調校系統，克服目前光達系統設置時之不便。降低系統維護與人力成本，提升產品附加

價值，創造新的商機和營運獲利。

2.計畫工作項目

光學雷達日間光路調校系統開發，利用攝影機影像分析技術結合 3D 掃描式光學雷達(光達)

系統，在日間不可視光源之情形下，完成光達系統光路調校與掃瞄參數之設定，並實測此日間

光路調校系統於實際運用上與以往夜間時段藉由光達系統之雷射發射光源進行相關光路調校

之差異，工作項目如下。

(1) 開發光達系統日間自動數位化光路調校技術

(2) 建立影像分析技術

(3) 最佳化量測之調校參數分析與演算法

3.重要成果與目標達成情形

1 完成光路軌跡演算法分析與程式編譯。

2 完成光學雷達裝設 CCD機構設計與製造。

3完成影像處理與光路調校整合測試。

4.重要檢討與建議

目前影像處理與光路調校整合測試結果，顯示自行開發之日間光路調校系統與以往夜

間光路參數之設定，距離相對誤差小於 1 公尺，測試成效相當顯著，因此未來規劃將此系

統整合於光學雷達系統中，降低人力成本，提升產品附加價值。

公司及負責人章欄位

4

參、執行總報告

一、緣起

過去監測服務過程中，3D 掃瞄式光學雷達（光達）系統往返於不同測站間由於搬動

等因素，需於每次進行環境監測前進行光路調校，使雷射光路與接收器同軸，以獲得最

佳之訊號強度。由於在戶外進行監測時，對於遙測之光路調校相當困難，主要因為日間

雷射光源無法以目視之方式進行光路調校，而光達系統對光路調校一般採用之方法為，

利用夜間時段藉由光達系統之雷射發射光源進行相關光路調校，然而該作法長久以來困

擾著裝設光達監測系統之工程人員，該人員必須於光達系統架設完畢後，等待至夜間才

能進行相關光路系統調校和設定系統自動化掃瞄參數，過程相當耗時，再者由於光達系

統一般皆設置於工業區至高點之廠房內，進行監控工業區污染排放情形，因此於光達系

統架設過程中，架設地點之廠商人員往往需陪同，並等待相關光達光路校正與參數設定

後使能離開，不僅造成公司人員長工時之加班，也造成提供設置光達場地之廠商困擾。

為此本計劃結合知識服務機構-崑山科技大學機械研究所之精密自動化控制技術團

隊，執行開發光學雷達日間光路調校系統，提升產品附加價值，創造新的商機和營運獲

利。

二、計畫目標：具體敘述本計畫所要完成之工作。

本計劃之主要目標將協助環資光達股份有限公司針對上述光學雷達日間光路調校系統

開發進行研究，共包括三項工作：

（1）、完成光路軌跡演算法分析與程式編譯。

（2）、完成光學雷達裝設 CCD機構設計與製造。

（3）、完成影像處理與光路調校整合測試。

5

三、執行情形與成果：請配合原計畫書之工作項目及查核點進行說明

(一) 創新服務實施架構及方式

影像處理與光路調校

整合測試

光學雷達裝設 CCD機

構設計與製造

光路軌跡之參數設定與

演算法分析

相關理論資料收集與程

式編譯

影像擷取與處理

權重 70%

權重 30%

光學雷達日間光

路調校系統開發

建立影像分析技術

最佳化量測之調校參

數分析與演算法

執行單位：環資、崑山科大(20%)


執行單位：環資、崑山科大 (20%)


執行單位：崑山科大(20%)

權重 100%

6

(二) 創新服務實施進度及查核點

查核點編號預定完成時間查核點內容研發人員編號

A.1 年/月

1. 光學雷達裝設

CCD機構設計

與製造

2. 影像擷取與處

理

3. 影像處理與

光路調校整

合測試

103 年 6 月

103 年 9 月

103 年 9 月

完成光學雷達裝設 CCD 機構設計

與製造，產出光學雷達+CCD 系統

一組。

完成影像擷取與處理流程，產出程

式說明書一份。

完成影像處理與光路調校整合測試

，產出測試報告一份。

1,3

1,3

1,2,3

B.1

1. 相關理論資料

收集程式編譯

103 年 6 月

完成相關理論資料收集與 Aitken 演

算法程式編譯。產出程式說明書一

份。

1,2,3

2. 光路軌跡之參

數設定與演算

法分析

103 年 9 月

完成光路軌跡之參數設定與演算法

分析，產出演算程式與最佳化函數

報告一份。

1

(三) 創新服務規劃內容執行情形及成果

A1. 執行情形

(1) 光學雷達裝設 CCD機構設計與製造

光學雷達直接利用待測位置的介質作為散射體，接收其背向散射光訊號，達到測量

介質特性之目的，基本上所有的光學雷達系統均可分成發射系統、接收系統、控制和數

據處理系統三部分。其中發射部分雷射以反射鏡導引至待測污染物方向，於夜間可藉由

雷射本身之光源進行相關光路調校和設定系統自動化掃瞄參數，但日間受限於太陽光，

則無法以目視之方式進行雷射光路調校，因此利用影像分析技術，結合光學雷達開發光

學雷達日間光路調校系統，降低相關系統維護與人力成本。

光學雷達設備藉由伺服控制和萬向式機構設計，可使光學雷達系統作全方位之掃

瞄，並結合影像攝影機構（如圖 1 所示），用於工業區污染量測。系統中相關機構設計

加工剖面圖如圖 2-9 所示。

7

圖 1. 光學雷達日間光路調校系統

圖 2、光學雷達日間光路調校系統機構設計示意圖

8

圖 3、光學雷達日間光路調校系統機構設計剖面圖

9


10


11


12


13


14


光學雷達日間光路調校系統電控元件與配線說明如下：

元件列表

1. 12V 電源供應器(MeanWell PD-25A)

2. PMT-20CN-3(高壓電源供應器)

3. GALIL-RIO47120

4. MODEL 6904 POWER CONPECTIONS(鑑別器)

5. 24V 電源供應器

註 1 : 鑑別器黑線接 COM (GND)，紅線接+12V，白線接-12V

15

註 2:高壓電接腳 8、11、12 接 RIO 腳 26、5、9

註 3:RIO47120 類比 I/N 為+-10V

註 4: RIO 26 腳為 AO1 電壓(類比)輸出、5 腳為 AI1 電壓(類比)輸入、9 腳為共地(COM)

註 5 : 送電前請務必確認+/-12V 隻腳位之電壓與+/-極性是否正確，避免燒毀電路元件!

註 6 : 24V 電源供應器供 RIO 工作電壓

一、控制器採用 B140 設定

JPEAB：定設為預設

JPECD：定設為變更

JPAB：定設為預設值

二、步進馬達驅動器設定

1.規格大內實業 EXD2020M-N

指撥設定為 1~3 為 on，4、5 為 off

2.馬達規格大內 TS3653N39E8

3.配線

步進馬達驅動器與 B140 的 D 槽(使用 15PIN 母)

步進馬達驅動器線色 B140PIN 位

DIR－藍 7 PIN 位

DIR＋紅 8 PIN 位

PL－灰 14 PIN 位

PL＋黃 15 PIN 位

16

TTL 的訊號接腳

電控箱規格與配件

17

1.風散為 6×6 cm 入電 DCV24

2.步進馬達驅動器為入電 DCV24

3.電源供應器為 110V/220V 切換，在此用 110V，出電為 DCV24

4.入電為 110V 接頭，內入 3A 保險絲

5.開/關

6.B140 為入電 DCV24

7.網路接頭

8.D-SUB 接頭

插座到開關(6PIN)、開關到電源供應器

步進馬達驅動器與 B140 的 D 槽(使用 15PIN 母)

B140 的 I/O(37 腳位)、步進驅動器、電源供應器全接於 9PIN D-SUB(母)

9PIN D-SUB 的腳位接點

9PIN D-SUB PIN 位意義線色

1 驅動器 A 白

2 驅動器/A 紫

3 驅動器 B 橘

4 驅動器/B 綠

5 I/O D-HM 黑

6 －24V 灰兩點黑

7 ＋24V 白一點黑

步進馬達驅動器線色 B140PIN 位

DIR－藍 7 PIN 位

DIR＋紅 8 PIN 位

PL－灰 14 PIN 位

PL＋黃 15 PIN 位

18

8 X X

9 X X

註:

1. B140 I/O D-HM(28PIN)出線，8PIN 與 26PIN 相接短路

2. －24V、＋24V 直接由電源供應器接至 D-SUB

步進馬達與霍爾全接於 9PIN D-SUB(公)

9PIN D-SUB 的腳位接點

9PIN D-SUB PIN 位意義線色

1 驅動器 A 黑

2 驅動器/A 綠

3 驅動器 B 紅

4 驅動器/B 藍

霍爾 5 I/O D-HM 霍爾黑接灰

霍爾 6 －24V 霍爾藍接紫

霍爾 7 ＋24V 霍爾棕接橘

8 X X

9 X X

註:

1. 霍爾訊號線有接過

2. 使用 9 芯電線

(2) 影像擷取與處理：

利用 ADLINK TECHNOLOGY ING.影像擷取卡(型號 GIE62+)搭配 Basler Cameras

acA1280-60gm的攝影鏡頭進行影像紀錄，設備規格如表 1所示。相關軟體安裝與設定

詳見 http://www.baslerweb.com

表 1 數位攝影機規格表

Resolution

(H x V pixels) 1282 px x 1026 px

Pixel Size

horizontal/vertical 5.3 µm x 5.3 µm

Frame Rate 60 fps

19

Mono/Color Mono

Interface GigE

Video Output Format Mono 8, Mono 12, Mono 12 Packed, YUV 4:2:2 Packed,

YUV 4:2:2 (YUYV) Packed

Pixel Bit Depth 12 bits

Synchronization

external trigger

free-run

Ethernet connection

Exposure Control programmable via the camera API

Housing box

Housing Size (L x W x H)

in mm 42 x 29 x 29

Housing Temperature 0 °C - 50 °C

Lens Mount C-mount

Digital Input 1

Digital Output 1

Power Requirements PoE or 12 VDC

Power Consumption

(typical) 2.0 W

Power Consumption PoE 2.4 W

Weight (typical) 90 g

Conformity

CE

RoHS

GenICam

GigE Vision

20

IP30

UL

FCC

IEEE 802.3af (PoE)

Sensor Vendor e2v

Sensor Name EV76C560

Sensor Technology Progressive Scan CMOS, rolling shutter

Shutter rolling shutter

Sensor Size (optical) 1/1.8 inch

Sensor Type CMOS

Sensor Size (mm) 6.80 mm x 5.40 mm

Item Number 106486

影像分析技術乃為本團隊和知識服務機構所自行開發之影像擷取與處理技術，CCD

影像處理之自動數位化光路調校介面開發與程式說明如下：

結合 CCD影像攝影與光學雷達監測模式，開發光路軌跡以十字刻線定位雷射光

源位置，主畫面顯示如下所示。

主要包含一透視窗格及右下角六個操作按鈕

透視窗格

21

程式開始執行後配合 CCD影像擷取軟體，將 CCD顯示畫面移動至前述透明窗格內(預

設透明度為 0.5)，此時移動滑鼠鼠標至光學雷達發射光點上，按下左鍵，畫面上會顯示

一十字刻線，使用者可依需求調整透明窗格之透明度(使用「視窗透明度設定」功能)或

是將鼠標顯示(預設為箭頭)切換為十字顯示(使用「鼠標切換」功能)，待使用者確認十字

刻線位置正確後，可按下「儲存十字線」功能記錄當前位置，若需重新點選位置，則可

按下「重繪十字線」按鈕，此時前次十字刻線將被清除，方便使用者重新設定十字線。

使用者完成十字刻線設定後可按下「視窗穿透」按鈕，將透明窗格穿透，此時可以發現

透明窗格可完全穿透，方便使用者操作透明窗格後的其他應用程式，或是更清楚的顯示

CCD 擷取畫面。

以下為 C#程式語言說明:

<1>顯示十字線：

private void button1_Click_1(object sender, EventArgs e)

{

var X = Properties.Settings.Default.X;//定義 X座標

var Y = Properties.Settings.Default.Y; //定義 X座標

this.Text = X + ":" + Y; //將 X座標及 Y座標存入

Graphics g = panel2.CreateGraphics();

g.DrawLine(new Pen(Color.Red), new Point(X, Y - 10),

new

Point(X, Y + 10)); //畫紅色縱線(20長)

g.DrawLine(new Pen(Color.Red), new Point(X - 10, Y),

new Point(X

<1>

<2>

<3>

<4>

<5>

<6> 視窗透明度設定

22

+ 10, Y)); //畫紅色橫線(20長)

lineShape1.StartPoint = new

System.Drawing.Point(X, Y - 20);

//畫輔助縱線(起始點)

lineShape1.EndPoint = new System.Drawing.Point(X,

Y + 20);

//畫輔助縱線(結束點)

lineShape2.StartPoint = new System.Drawing.Point(X

- 20, Y);

//畫輔助橫線(起始點)

lineShape2.EndPoint = new System.Drawing.Point(X

+ 20, Y);

//畫輔助橫線(結束點)

}

23

<2>儲存十字線：

private void button2_Click(object sender, EventArgs e)

{

string str = this.Text; //將 X座標及 Y座標代入 str

var XY=str.Split(':'); //使用:做分割

var X = XY[0];

var Y = XY[1];

var X2 = this.Text.ToString().Substring(0);

var Y2 = this.Text.ToString().Substring(1);

Properties.Settings.Default.X = int.Parse(X);

//將 X座標存入程式預設值

Properties.Settings.Default.Y = int.Parse(Y);

//將 X座標存入程式預設值

Properties.Settings.Default.Save();

//儲存預設值

}

<3>重繪十字線：


{

using (Graphics g = panel2.CreateGraphics())

//使用繪線功能

{

g.Clear(panel2.BackColor); //清除繪線

panel2.Refresh();//更新 panel2

drawline = true;


System.Drawing.Point(1126, 1);

lineShape1.EndPoint = new




lineShape2.EndPoint = new


}

24

<4>鼠標切換：


{

if (cross == true)

{

this.Cursor = Cursors.Default; //使用預設箭頭鼠標

cross = false;

}

else if (cross == false)

{

this.Cursor = Cursors.Cross; //使用十字鼠標

cross = true;

}

}

<5>視窗穿透：


{

if (transparent == true)

{

panel2.BackColor = Color.Fuchsia;

transparent = false;

button3.Text = "視窗不穿透";//按鈕文字顯示

this.Opacity = 1.0; //視窗不穿透

}

else

{

panel2.BackColor = button1.BackColor;

transparent = true;

button3.Text = "視窗穿透";//按鈕文字顯示

this.Opacity =

double.Parse(comboBox1.Text.ToString());

//視窗穿透

}

}

25

<6>視窗透明度設定：

private void comboBox1_SelectedIndexChanged(object sender,

EventArgs e)

{

this.Opacity =

double.Parse(comboBox1.Text.ToString());

//設定視窗透明度，範圍由 0.1~1.0

}

影像擷取與處理步驟概要敘述如下：

Step1. 利用商業軟體 Matlab 開發影像擷取所需之程式，主要流程為將數位攝影所錄製

之檔案資料存入點腦，將所有同步攝影資料與光學雷達量測資料，按照年月來區

分，以利後續資料分析統計。路徑規則為：磁碟編號:\資料路徑(隨意)\年分\月分

\。其中年分為西元 4 碼，月分為英文兩碼縮寫，對照如下：一月→ja、二月→fe、

三月→mr、四月→ap、五月→ma、六月→jn、七月→jy、八月→au、九月→se、

十月→oc、十一月→no、十二月→de。

Step2. 紀錄每次光學雷達監測得知測站經緯度、高度、掃描起始方位(360 度方位表示)

及掃描角度。

Step3. 開啟處理程式" pr2_ana_02.m "進行參數設定，設定規則如下：idar_path

→ 輸入字串，為 1.5項中的“磁碟編號:\資料路徑(隨意)\”。Blackparameter →

輸入整數，為設定影像 Pixel 與對應光達測線監測值訊號之相關度處理時所選

取分析之寬度。

Step3. 設定完後開始執行程式，依照指示輸入觀測年分、檔案名稱、運算起始標號(設

定為 1)、運算截止編號(觀測一輪的測線數)、檔案平均數(設定為 1)、和起始距

離位置。執行完成後系統會自動產生選取結果的矩陣文字檔(年、月、日、時、

分、測線編號、位置與符合的攝影影像座標 pixel值)。此程式目前設定為無限

迴圈的方式進行，做完一個檔案的分析會自動重覆執行程式，若已分析完所有資

料，可以在指令介面按下 ctrl + c按鍵終止程式即可。

Step4. 統計光學雷達監測操作掃瞄路徑所經過攝影影像在同一位置符合的點數，並將符

合的位置分布標示在影像畫面上。

Step5. 重複相關實驗並統計分析作為數位攝影系統與光學雷達光路之相對誤差分析。開

A、啟 pr2_ana_02.m程式：

雙擊 export資料夾中的 pr2_ana_02.m開啟程式

26

B、設定程式參數：

lidar_path設路徑為 D:\Work\database\Taoyuan\Guanyin\Allied\，程式會

根據之後輸入的檔名去判斷抓取。

27

C、開始執行程式：

程式會開始要你輸入參數

D、輸入年分：

由於前一次分析為 2014的資料，所以括弧有紀錄上一次的輸入內容，如果分

析的年份和上次一樣就直接按 ENTER鍵即可，再輸入一次 2014並不會影響結

果，如果分析年份不同則需要輸入正確年分。

28

E、輸入分析檔案名稱：

這次觀測第一輪的名稱為 au270031，所以在這裡輸入 au270031按 ENTER鍵，

輸入起始檔案編號：

決定從幾 M的檔案開始，因為攝影從 1M開始紀錄，所以輸入”1”，但是之前

記錄也是用”1”所以可以看到括弧內的數字為 1，因此也可甚麼都不輸入直

接按 ENTER鍵。

輸入最終檔案編號：

告訴程式結束的檔案編號，例如光學雷達觀測有 133條測線，因此輸入 133按

ENTER鍵。

輸入計算總和平均的檔案數量，計算每筆資料填入 1按 ENTER鍵即可。

29

F、輸入分析起始距離：

範例欲分析範圍為 1-3000公尺，所以輸入 1按 ENTER鍵即可，而和括弧內的

設定相同也可直接按 ENTER鍵。

輸入分析終點距離：

範例欲分析資料範圍為 1-3000公尺，所以輸入 3000按 ENTER鍵即可，而和括

弧內的設定相同也可直接按 ENTER鍵。

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G、接下來程式會開始執行，並且會在 export資料中產生 peak_2014_

au270031.txt的檔案，檔案記載光學雷達監測操作掃瞄路徑所經過攝影影像

（pixel）在同一位置符合的點數。並程式會自動從頭跑，方便處理下一筆資

料。

H、如果全部處理完後，可以按下 ctrl+c強迫中止程式。將影像與光學雷達同

31

步操作實驗之資料處理完後，會產生許多文字檔案，打開另一個程式

peakdis_sta_02.m，準備對 pr2_ana_02.m輸出的符合的位置分布標示在影像

畫面上。

(3) 影像處理與光路調校整合測試

光路調校整合測試步驟如下：

Step1.於夜間時，將光達系統之雷射光源發射至某距離（500公尺）特徵點C處，先進行

夜間光達系統光路調校，以達最強之回收訊號（確認光路與接收器同軸）。

Step2.利用變焦影攝影機擷取不同距離之影像，固定擷取以320*240 畫素，於所擷取

影像中，利用影像邊緣檢測，求出特徵點C處在影像中的確切位置。

Step3.當影像經過適當的邊緣檢測處理，並於影像中找出欲進行調校光路之特徵物之

像素(Pixel)，由於特徵物並不單單只是一個像素(Pixel)而已，它是由許多

Pixel 所組成，因此可以利用計算Pixel 數的方法來取得此特徵點的起始點和終

止點，找出此特徵中心點C 。紀錄中心點C座標、光達座標、角度等資訊，並於影

像中特徵點C處標示一個十字標示（cursor），如圖10所示。

Step4.將CCD架設於平行光達光軸上，使攝影機之特徵十字標記與光學雷達之雷射在特

徵點C之光點吻合，如圖11所示，光源和十字標示特徵點不一致時調整CCD架設平

台使，光源和十字標示特徵點一致如圖12所示，並紀錄相關參數。

Step5.並將雷射光源發射至某遠距離（1公里）特徵點D處或更多水平特徵點，重複相關

實驗，利用攝影機影像並紀錄十字標記與特徵點D處或其它特徵點相關參數。圖

13為多點特徵點與雷射光源位置之差異相關度分析，結果顯示對近距離(<500m)之

監測，距離相對誤差小於1公尺，距離越遠相對誤差有增加之趨勢。將相關誤差依

據校驗結果修正後，可利用攝影機上之十字標記取代雷射光源，亦即於日間僅需

以螢幕中十字標記所在處即可用於設定光達掃瞄路徑（於掃瞄路徑上避開建物之

阻檔），和瞭解光達系統內部鏡組偏離之程度以利調校修復。

32

圖 10、利用影像邊緣檢測，求出特徵點 C 處在影像中的確切位置示意圖。

33

圖 11、攝影機之特徵十字標記與光學雷達之雷射於日間光路調校系統之顯示結果。

圖 12、攝影機之特徵十字標記（調校後）與光學雷達之雷射於日間光路調校系統之

顯示結果。

34

圖 13、影像處理之多點特徵點與雷射光源位置之差異相關度分析

35

B1. 執行情形

(1) 相關理論資料收集程式編譯

於開發光達系統日間自動數位化光路調校技術中，於光達系統中設置變焦影攝影

機，利用影像處理技術（如 Sobel Operator）之邊緣運算子求出特徵位置點與邊界技術[1-8]

簡述如下。以運算子使輸入的影像產生明顯的平滑邊緣，利用微分方法，以一個 3×3 的

影像方塊為例，使用 Sobel 邊緣偵測方法，如圖 14 所示，I 是遮罩在一影像內任一位置

所覆蓋像素點的灰階值。先計算出遮罩的中心所在像素點梯度，由 (A)和(B)式，就可得

到一個梯度值。把遮罩的中心移到下一個像素點，重複上述計算過程，這樣就得到第二

個點的梯度值。當對所有位置都執行這個過程後，就得到一影像與原來影像同樣大小的

梯度圖。藉由以上的梯度運算就能量化求出影像的邊界。

)()2()2( 321987

' AIIIIIII x

)()2()2( 741963

' BIIIIIII y

圖14、Sobel 遮罩圖

36

(2) 光路軌跡之參數設定與演算法分析

然而實際上無可避免的，由於3D掃瞄之緣故，對於空間中任一點之座標和攝影機

影像處理上會有位移偏差產生（如攝影機光學鏡頭造成像差和座標轉換所造成之差

異）。為修正空間中多點的位移偏差（十字標記與遠距離之特徵點有位置上之偏差），

可再進行位置係數修正，利用多個掃瞄點之差異（十字標記與遠距離之特徵點）以

Aitken演算法將誤差之數據以一序列多項式函數趨近（fitting），得到最佳化修正函

數，往後僅需將攝影機內拍攝之空間某處特徵點X與Y之pixel位置，利用此一最佳化函

數修正即可得較準確之雷射與接受器同軸時光點位置。達到利用十字標記於日間時，取

代夜間利用雷射光源進行之光路調校，達到光學雷達全天候自動數位化光路與掃瞄軌

跡之參數設定。

於開發光學雷達系統日間自動數位化光路調校技術中，最佳化量測之調校參數分析

與演算法（Aitken）簡述如下：

Aitken演算法程序演算步驟如下，以5點誤差數據為例，分別標示為（x1,y1）、

（x2,y2）、（x3,y3）、（x4,y4）和、（x5,y5）。先求直線（及一階多項式）分別通

過點1和2、1和3、1和4及1和5如圖15（a-d）所示。此四條線給予四個估計y*值的程

序，重複利用上述x2、x3、x4、x5和四個估計y*值執行上述程序，但通過{1,2,3}、

{1,2,4}和{1,2,5}之數據點之二階多項式，由此二階多項式將給予3個估計y*值。再由

x3、x4、x5和3個估計y*值執行上述程序，通過{1,2,3,4}和{1,2,3,5}的三階多項式如

圖2（c)所示，這三階多項式給予2個估計y*值，最後可得四階多項式即為最佳化

fitting函數。由於光學雷達系統為3維空間掃瞄將有更多數據，會得到更高階多項

式，組合n階線性方程式需通過n+1個數據點。利用此一最佳化函數即可修正影像標記

（十字標記）和雷射與接受器同軸時光點位置，達到利用影像處理之方式，可於日間取

代夜間利用雷射光源所進行之光路調校，光路軌跡演算法程式編譯（如圖16所示）與分

析結果如圖17和等式（1）所示，往後可利用等式（1）轉換光學雷達掃瞄位置與影像間

偏離之關係以利光路掃瞄參數設定。

37

圖15、Aitken演算法程序示意圖。

38

圖 16、光路軌跡演算法程式編譯(matlab)

39

圖 17：實線分別為 CCD影像與光達位置之差異。符號為以 Aitken 演算法將數據

以一序列多項式函數趨近（fitting）多項式逼近 CCD影像和光學雷達位置。

32.4*76.8*19.6*49.3)(_ 23 RRRRFunFit (1)

40

參考文獻

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Mathematical Morphology for Color Edge Detection,” Application Research Of

Computers, 27(10):3971-3973.

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Pattern Analysis and Machine Intel ligence, 8(6):679-698.

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[7].揚武智(2001)，影像處理與辨認，全華科技圖書股份有限公司

[8].繆紹綱(2002)，數位影像處理，活用－Matlab，全華科技圖書股份有限公司

41

2. 目標、預期成果達成情形與差異分析：

預期成果效益實際達成情形差異分析檢討與改善對策

(1)質化效益：

本計畫利用攝影機影像分

析技術結合 3D 掃描式光學雷達

(光達)系統，開發日間光路調校系

統，在日間不可視光源之情形下

完成光達系統光路調校，將可協

助本公司解決夜間才能進行系統

調校之困境，使本系統更方便操

作，有助於抒解光達架站人員熬

夜辛勞，和解決廠商支援人力之

困擾。並為本公司於污染監測時

除光達資料外，也增加污染影像

記錄資料，拓展本公司光達污染

監測之業務。

(2)量化效益(請依據計畫書原訂

預期成果說明其達成情形)：

增加產值(500 千元)

產出新產品或服務(1 項)

發明專利共(1 件)

投入研發費用(350 千元)

增加就業人數 1 人

期刊論文(1 篇)

(3)外溢效果

此影像分析技術結合 3D

掃描式光學雷達系統，並輔以

後端事件管理平台與錄影系

統，除紀錄當前影像保全證

據，也可於事後調閱事件紀

錄，以達即時偵測通知與紀錄

佐證，不僅對於稽查有立即

性，更可利用紀錄影像做為對

廠商開罰之佐證，提升環保人

員之稽查管制成效。

實際達成項目包括：

（1）、完成光路軌跡演

算法分析與程式編

譯。

（2）、完成光學雷達裝

設 CCD 機構設計與

製造。

（3）、完成影像處理與

光路調校整合測

試。

無無

42

備註：(1)實際達成情形：說明各項預期成果效益之達成程度。

(2)差異分析：詳述「計畫目標」、「預期成果效益」與「實際達成情形」差異原因。

四、結論與建議

在執行此案之後，結果顯示本計畫所開發之軟、硬體設備成效相當顯著，因此將計

畫成果進行商品化，提升光學雷達系統之附加價值，創造新的商機和營運獲利。

光學雷達日間光路調校系統開發ir.lib.ksu.edu.tw/bitstream/987654321/24705/2/48-表1-江...2...

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