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。

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.

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

參考文獻
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