CN101968624A - 物体检测系统及物体检测方法 - Google Patents

物体检测系统及物体检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了物体检测系统及物体检测方法，该物体检测系统包括：光发射部，它用于向物体发射呈二维图案的光；光扫描块，它用于通过在预先确定的空间内连续地改变所述呈二维图案的光的发射方向来执行扫描操作；光反射体，它附设在所述物体上的预定位置处以用作检测对象，并用于将所述呈二维图案的光沿着与所述呈二维图案的光的所述发射方向相反的方向反射；反射光检测部，它用于检测被所述光反射体反射而成为到达所述反射光检测部的光的所述光；以及反射光分析部，它用于基于代表着被所述反射光检测部检测到的所述反射光的信号，来计算所述光反射体的垂直方向角度和水平方向角度。本发明的系统及方法能够更简单且更精确地对物体的移动进行检测。

Description

物体检测系统及物体检测方法
相关申请的交叉参考
本申请包含与2009年7月27日在日本专利局提交的日本优先权专利申请案JP 2009-174328中所揭露的内容相关的主题，在此将该日本优先权专利申请案的全部内容以引用方式并入本文中。
技术领域
大体而言，本发明涉及一种物体检测系统和一种由该物体检测系统采用的物体检测方法。更具体而言，本发明涉及一种与已知物体检测系统相比能够更简单且更精确地对物体的移动进行检测的物体检测系统，并且涉及一种在该物体检测系统中所采用的物体检测方法。
背景技术
在例如用于创建CG(计算机图形)图像的领域等各个领域中，为了表达人类的自然动作，在拍摄操作中用照相机摄取人类的实际运动的图像，然后从作为拍摄操作的结果而获得的图像中获取人体部位(例如人类的关节)的移动来作为数据。
为了在物体检测操作中检测出人体部位(例如人类的关节)的移动，采用了一种方法，在该方法中，将探针(光接受器)附设在作为物体检测操作的目标的那个部位上，并且使用光对该目标进行扫描操作，从而获得由探针接收到的光学信号。另外，在日本专利申请特开第2000-270203号中揭露了另一种方法，该方法通过色度键(chromakey)技术来确定和检测人体部位(例如关节)的位置。例如，穿戴黑色衣料的用作测量操作对象的人员将橙色的标记附着在人体部位(例如该人员的关节)上，该人体部位是物体检测操作中所进行的测量的目标。然后，该人员在黑色背景前面使带有橙色标记的关节移动。使用用作立体照相机的两台照相机来摄取正在经受物体检测操作的该人员的图像并检测上述标记的移动。
然而，在使用探针的方法中，需要通过有线通信或无线电通信来传送由探针接收到的光学信号。因此，采用了上述方法的物体检测系统变得复杂，从而不能以低的成本制造出该系统。另外，在基于色度键技术的方法中，背景以及正在经受测量操作的人员需要具有统一的颜色，在上述示例中，该统一的颜色是黑色。因此，在实施环境上存在很大的制约。
曾经提供了这样一种方法：通过该方法，在没有黑色衣料的普通环境中，通过立体照相机来摄取正在经受测量操作的人员的运动图像，并且通过鼠标等将特定的人体部位(例如关节)指定为用作测量对象的区域，上述测量是在为了检测该指定区域的移动而执行的物体检测操作中进行的测量。然而，在检测通过在这种普通环境中进行拍摄操作而摄取的图像上的指定区域(以用作在物体检测操作中所进行的测量的对象)的移动的过程中，难以以高的稳定度来跟踪所述测量对象。
另外，还存在一种用于获得三维物体的整个形状的方法。然而，在采用这种用于获得三维物体的整个形状的方法时，难以以高的精度及高的稳定度来提取与关节等的位置有关的信息。这种用于获得三维物体的整个形状的方法的代表性示例是所谓的往返传播时间方法(round-trip propagation time method)以及所谓的编码化光投影方法(encoding light projection method)。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的发明人发明了一种与已知物体检测系统相比能够更简单且更精确地对物体的移动进行检测的物体检测系统，并发明了一种在该物体检测系统中所要采用的物体检测方法。
本发明实施例的物体检测系统(例如图1中及图4的框图中所示的物体检测系统1)包括：光发射部(例如光图案投影部11)，它用于向物体发射呈二维图案的光；光扫描块(例如光扫描块23)，它用于通过在预先确定的空间(例如发射范围4)内连续地改变所述呈二维图案的发射光的发射方向来执行扫描操作；光反射体(例如光反射体3)，它附设在所述物体上的预定位置处(或预定构件处)以用作检测对象，并用于将所述呈二维图案的光沿着与所述呈二维图案的光的所述发射方向相反的方向反射；反射光检测部(例如反射光检测部12)，它用于检测被所述光反射体反射而成为到达所述反射光检测部的光的所述光；以及反射光分析部(例如反射光分析部13)，它基于代表着被所述反射光检测部检测到的所述反射光的信号，来计算所述光反射体的垂直方向角度和水平方向角度，所述垂直方向角度和所述水平方向角度分别是由从所述光发射部到所述光反射体的连线与分别位于垂直方向和水平方向上的基准线形成的。
本发明另一实施例的物体检测方法(例如由图10所示的流程图表示的方法)包括以下步骤：向物体发射呈二维图案的光(代表性地，在该流程图的步骤S1中)；通过在预先确定的空间内连续地改变所述呈二维图案的光的发射方向来执行扫描操作；使附设在物体上的预定位置处(或预定构件处)的检测对象将所述呈二维图案的光沿着与所述呈二维图案的光的所述发射方向相反的方向反射；检测来自所述检测对象的所述反射光(代表性地，在该流程图的步骤S2中)；以及基于代表着被检测到的所述反射光的信号，计算所述检测对象的垂直方向角度和水平方向角度，所述垂直方向角度和所述水平方向角度分别是由用于发射所述呈二维图案的光的光发射部到所述检测对象的连线与分别位于垂直方向或水平方向上的基准线形成的(代表性地，在该流程图的步骤S3中)。
根据本发明的各实施例，进行了以下的处理，该处理包括以下步骤：向物体发射呈二维图案的光；通过在预先确定的空间内连续地改变呈二维图案的光的发射方向来执行扫描操作；使附设在物体上的预定位置处(或预定构件处)的检测对象将所述呈二维图案的光沿着与所述呈二维图案的光的所述发射方向相反的方向反射；检测来自检测对象的反射光；以及基于代表着被检测到的所述反射光的信号，计算各个角度，这些角度分别是由从用于发射所述呈二维图案的光的光发射部到检测对象的连线与位于垂直方向和水平方向上的基准线形成的。
根据本发明的各实施例，可以提供一种与已知物体检测系统相比能够更简单且更精确地对物体的移动进行检测的物体检测系统，并提供一种在该物体检测系统中所要采用的物体检测方法。
附图说明
根据下文中参照附图对优选实施例进行的说明，本发明的上述这些及其它优点以及特征将变得很清楚，在附图中：
图1是本发明实施例的物体检测系统的轮廓的说明图。
图2A与图2B是本发明实施例的物体检测系统的轮廓的说明图；其中，图2A是显示了角度θ的图，该角度θ形成于沿水平方向定向的平面上，以用作光反射体所处的角度；图2B是显示了角度δ的图，该角度δ形成于沿垂直方向定向的平面上，以用作光反射体所处的角度。
图3A与图3B是本发明实施例的物体检测系统的轮廓的说明图；其中，图3A是显示了由方位检测器发射的光的二维图案的图；图3B是显示了通过放大图3A中所示的二维图案而获得的图案的图。
图4是显示了用于构成本发明实施例的物体检测系统的各功能块的功能块图。
图5是显示了本发明实施例的物体检测系统中所采用的发射图案生成块与光扫描块的代表性配置的图。
图6是显示了本发明实施例的物体检测系统中所采用的光反射体的代表性配置的图。
图7A与图7B是分别显示了本发明实施例的物体检测系统中所采用的反射光检测部与光反射体的位置的图；其中，图7A是显示了其中反射光检测部直接接收由光反射体3反射的光的配置的图；图7B是显示了其中反射光检测部接收在光穿过偏振分束器和1/4波片之后由光反射体3反射的该光的配置的图。
图8是由反射光检测部进行的处理的说明图。
图9是由反射光分析部进行的处理的说明图。
图10显示了由图1中所示的物体检测系统进行的方位检测处理的流程图。
图11是显示了物体检测系统的另一代表性配置的说明图。
图12A与图12B是分别显示了发射图案生成块与光扫描块的另一代表性配置的图；其中，图12A是显示了其中使用圆形全息图薄片作为发射图案生成块、且使用图中未示出的电动机作为光扫描块的代表性配置的图；图12B是显示了其中使用圆柱体作为发射图案生成块、且使用图中未示出的电动机作为光扫描块的代表性配置的图。
图13是显示了用于进行处理以计算光反射体的方位和位置的计算机的代表性配置的框图。
具体实施方式
物体检测系统1的轮廓
在下文中，将参照图1至图3B，对本发明实施例的物体检测系统1的轮廓进行解释。
图1是本发明实施例的物体检测系统1的轮廓的说明图。图1所示的物体检测系统1用作用于检测物体的系统，该物体检测系统1采用了方位检测器2以及光反射体3。光反射体3被置于物体上的某一位置处或物体的某一构件处。该位置或该构件是预先确定的。在图1所示的作为代表性示例的物体检测系统1的情形中，光反射体3由两个光反射体3-1和3-2组成，这两个光反射体3-1和3-2被分别置于两个不同的位置处作为检测对象。
方位检测器2通过在预先确定的角度的范围内沿水平方向和垂直方向中的每一者连续地改变呈已知的二维图案的光的发射方向来进行扫描操作。因此，光扫描操作是使呈二维图案的光(如稍后所要说明的图3A所示)沿预先确定的方向移动的操作。应注意，在本实施例中，水平方向是平行于地球表面的任何方向，而垂直方向则是垂直于地球表面的方向。方位检测器2通过以下方式进行扫描操作：沿水平方向和垂直方向中的每一者，在预先确定的角度的范围4内连续地改变呈二维图案的光的发射方向，以在范围4内发射光。在以下的说明中，方位检测器2发射呈二维图案的光时的范围4被称为发射范围4。
由于呈二维图案的光的发射方向在沿水平方向进行的扫描操作中被连续改变，因而用作存在于发射范围4内的检测对象的光反射体3-1经受具有如下图案阵列的光的照射，该图案阵列沿上述发射光的二维图案的水平方向排列着。如图1所示，光反射体3-1把发射至光反射体3-1的光沿着与该光被发射至光反射体3-1的方向相反的方向反射。因此，方位检测器2仅接收作为呈二维图案的发射光的一部分而被光反射体3-1反射的光部分。然后，方位检测器2从所接收的光部分中检测光反射体3-1的移动。
对由方位检测器2发射到光反射体3-1的光以及由光反射体3-1反射到方位检测器2的光部分的上述说明也适用于光反射体3-2。在以下的说明中，在无需对光反射体3-1和3-2进行相互区分时，将光反射体3-1和3-2简称为光反射体3，光反射体3是光反射体3-1和3-2的通称。
参照图2A与图2B，在以下说明中对作为由方位检测器2产生的检测结果而获得的各个值进行解释。
作为检测结果，方位检测器2输出稍后所述的在沿水平方向定向的平面上形成的角度θ的大小，以用作光反射体3的定位角度。作为另一检测结果，方位检测器2输出稍后所述的在沿垂直方向定向的平面上形成的角度δ的大小，以用作光反射体3所处的角度。也就是说，方位检测器2检测出光反射体3在发射范围4中所处的方位。另外，通过在预先确定的时间段内连续接收从光反射体3反射的光，方位检测器2也能够检测出光反射体3所处方位的移动(或改变)。
如图2A所示，角度θ是沿光轴方向所画的用作预先确定的基准线的线与从方位检测器2到光反射体3的连线之间的角度。在图2A所示的沿水平方向进行的光扫描操作的情形中，基准线是从方位检测器2到发射范围4的右端的连线。另一方面，如图2B所示，角度δ是沿光轴方向所画的用作预先确定的基准线的线与从方位检测器2到光反射体3的连线之间的角度。在图2B所示的沿垂直方向进行的光扫描操作的情形中，基准线是从方位检测器2到发射范围4的上端的连线。
如上所述，方位检测器2检测光反射体3的位置(即通过将沿光轴方向所画的线用作预先确定的基准线而分别形成的角度)。应注意，稍后将参照图11的说明图来说明用于对光反射体3的位置进行检测以作为在三维坐标系中的位置的方法。
图3A是显示了由方位检测器2发射的光的二维图案的图，而图3B则是显示了通过放大图3A所示的二维图案而获得的图案的图。
图3A的说明图中所示的二维图案被配置成包括多个代码序列，这些代码序列是利用表示正方形图案的有无的二维M序列随机数而生成的。
图3A的说明图中所示的二维图案具有沿垂直方向排列的K个代码序列p1至pk。符号p表示图案。代码序列p1至pk中的每一者均是沿水平方向定向的图案行。也就是说，沿水平方向定向的图案行是构成二维图案的代码序列p1至pk的单位。
如上所述，图3B显示了通过放大图3A中所示的二维图案而获得的图案。
如图3B的说明图中所示，分别沿水平方向定向的K个代码序列pi(其中i＝1，2，…至K)中的每一者均独立于沿着与被分配给代码序列pi的那一行不同的行延伸的任何其它代码序列pj，其中j≠i。另外，这K个代码序列pi中的每一者均呈现出与任何其它代码序列pj正交的特性。因此，方位检测器2能够通过识别存在于所检测的K个代码序列p1至pk中的代码序列pi来检测出方位(即角度δ)。
应注意，如上所述，图3A的说明图中所示的二维图案是利用二维M序列随机数而产生的。因此，如果将二维图案视为沿垂直方向排列的K个代码序列pi至pk，则该二维图案呈现为如下的图案：在该图案中，分别沿水平方向定向的这K个代码序列pi中的每一者均与沿着与被分配给该代码序列pi的那一行不同的行延伸的任何其它代码序列pj正交。然而，在其中沿垂直方向进行光扫描操作的配置情形中，分别沿水平方向定向的这K个代码序列pi中的每一者均不需要呈现出与沿着与被分配给该代码序列pi的那一行不同的行延伸的任何其它代码序列pj正交的特性。
另一方面，至于水平方向，方位检测器2在沿水平方向进行光扫描操作的同时向物体发射呈二维图案的光，使得代码序列pj(其中j＝1，2，…或K)的光被依序发射至在发射范围4内沿水平方向排列的各个位置(即各个方位)。如果光反射体3存在于与代码序列pj的光的较早发射开始时间相对应的方位处，则代码序列pj的光也会以较早时间被光反射体3反射而到达方位检测器2。另一方面，如果光反射体3存在于与代码序列pj的光的较晚发射开始时间相对应的方位处，则代码序列pj的光也会以较晚时间被光反射体3反射而到达方位检测器2。也就是说，可检测光反射体3的水平方向角度θ作为代码序列pj的光的相移。因此，方位检测器2能够通过计算延迟时间来检测光反射体3的水平方向角度θ(即光反射体3的水平方向位置)。延迟时间是从发射开始时间至当检测到代码序列pj的光时的时间的时间段。
物体检测系统1的代表性配置
图4是显示了构成图1所示的物体检测系统(本发明实施例的物体检测系统1)的功能块的功能块图。
如图所示，物体检测系统1中所采用的方位检测器2具有光图案投影部11、反射光检测部12以及反射光分析部13，且光图案投影部11包括光源21、发射图案生成块22以及光扫描块23。
光源21是用于发射波长为633nm的激光(即氦氖激光)的光源。然而，应注意，激光的波长不是必须为633nm。也就是说，光源21也可发射具有633nm以外的波长的激光。另外，光图案投影部11可采用例如氙灯、卤素灯或发光二极管(1ight-emitting diode；LED)等另一种光源来代替光源21。
发射图案生成块22是这样的块：其用于通过利用由光源21产生的激光(其是平行激光光线)来生成图3A所示呈二维图案的光，并用于把所生成的光提供给光扫描块23。光扫描块23则是这样的块：其用于通过连续改变作为呈二维图案的光而从发射图案生成块22接收到的光的发射方向，来在预定的角度范围内沿水平方向和垂直方向进行光扫描操作。
反射光检测部12通常是光电二极管。反射光检测部12是这样的部件：其用于检测作为由光图案投影部11发射到光反射体3的光的一部分而被光反射体3反射且被反射光检测部12接收的光。反射光检测部12向反射光分析部13输出检测信号。由反射光检测部12输出至反射光分析部13的检测信号是电信号，其指示着是否已检测到被光反射体3反射的光部分。
反射光分析部13是这样的部件：其用于基于从反射光检测部12接收的检测信号来计算反射体3的水平方向角度θ和垂直方向角度δ，该水平方向角度θ和该垂直方向角度δ指示着光反射体3的位置。
接着，参照附图对构成方位检测器2的各部分的配置进行如下解释。
发射图案生成块22与光扫描块23的代表性配置
图5是显示了本发明实施例的物体检测系统1的方位检测器2中所采用的发射图案生成块22和光扫描块23的代表性配置的图。
在图5所示的配置中，全息图薄片22A用作发射图案生成块22。全息图薄片22A具有平面的平整形状，在该平面上形成有图3A所示的二维图案。图5中未示出的电流镜(galvano mirror)用作光扫描块23。通过使用光扫描块23，全息图薄片22A通过以约100Hz的频率在所确定的角度范围内在前后运动中改变呈二维图案的光的发射方向来进行光扫描操作。结果，发射出呈二维图案的光。
光反射体3的代表性配置
图6是显示了本发明实施例的物体检测系统1中所采用的光反射体3的代表性配置的图。
如图6所示，光反射体3是由3个圆形光发射板构成，这3个圆形光发射板分别具有圆形形状且共享这三个圆形光发射板所共有的中心。这三个圆形光发射板中的每一者均具有镜面前表面和镜面后表面。这三个圆形光发射板被组装成使这些板互相垂直。因此，光反射体3对于所有方位均起到角锥棱镜(corner cube)的作用。光反射体3把到达的光沿着与该到达的光的方向相反的方向反射。
应注意，作为呈二维图案的光而从光图案投影部11发射出来的光的传播距离越长，则二维图案的尺寸越大。二维图案的尺寸取决于与代码序列中的值0或1对应的每一正方形图案的尺寸。也就是说，二维图案的尺寸取决于单位代码宽度。光反射体3的理想尺寸是这样的尺寸：当光被发射至光反射体3时，光反射体3的尺寸正好容纳与代码序列中的值0或1对应的正方形图案。
反射光检测部12的位置
图7A与图7B是各自都显示了反射光检测部12的位置和光反射体3的位置的图。
如图7A所示，反射光检测部12被置于如下的位置处：该位置紧邻于光图案投影部11且处于由光图案投影部11发射的光束与由光反射体3反射的光束之间的光分布范围内。在这样的位置处，反射光检测部12能够接收到由光反射体3反射的光。
如图7B所示，另一方面，在光图案投影部11的前表面的前方设置有偏振分束器31和1/4波片32。在此种配置中，反射光检测部12被置于与光图案投影部11在垂直于光轴(该光轴连接光图案投影部11与光反射体3)的方向上相分离的位置处。在这样的位置处，反射光检测部12能够接收到由光反射体3反射的光。应注意，可在物体检测系统1中采用半反射镜来代替偏振分束器31和1/4波片32。
由反射光检测部12进行的处理
接着，在下文中，参照图8的说明图对由反射光检测部12检测到的信号进行解释。
图8显示了如下的代表性情形：该情形中，在垂直方向上，光反射体3-1的位置处于代码序列p10的光被发射至的方位处，而光反射体3-2的位置则处于代码序列p15的光被发射至的方位处。
另一方面，在水平方向上，光反射体3-2的位置处于与发射范围4的右端对应的方位处，且如果通过连续改变呈二维图案的光的发射方向而进行的光扫描操作是从发射范围4的右端开始的，则光反射体3-1的位置处于代表着以二维图案的扫描速度在Δt的时间段内所到达的位置的方位处。
应注意，假定往返传播时间是可被忽略的时间段。
在垂直方向上，当光图案投影部11发射呈二维图案的光时，呈二维图案的代码序列的光部分被光反射体3反射到反射光检测部12，并且根据光反射体3的位置就可确定是哪一代码序列发射出该由光反射体3反射到反射光检测部12的光部分。也就是说，反射光检测部12接收作为代码序列p10的光部分而由光反射体3-1反射的光部分。另一方面，反射光检测部12接收作为代码序列p15的光部分而由光反射体3-2反射的光部分。
至于水平方向，当通过连续改变呈二维图案的光的发射方向而进行的光扫描操作是从发射范围4的右端开始时，由代码序列p15发射的光部分被立即发射至光反射体3-2。因此，反射光检测部12立即检测到作为代码序列p15的光部分而由光反射体3-2反射的光部分。另一方面，代码序列p10的光部分在如下的时间点被发射至光反射体3-1：该时间点比二维图案的光扫描操作的开始点滞后了前述延迟时间Δt。因此，在比通过连续改变呈二维图案的光的发射方向而进行的光扫描操作的开始点滞后了延迟时间Δt的时间点处，反射光检测部12检测到作为代码序列p10的光部分而由光反射体3-1反射的光部分。
因此，在延迟时间Δt流逝之前，反射光检测部12仅检测到代码序列p15的光部分。然而，在经过延迟时间Δt后，反射光检测部12检测到作为代码序列p15的光部分与代码序列p10的光部分的合成的光。在既能接收到接收代码序列p15的光部分又能接收到代码序列p10的光部分的时刻，代表着被反射光检测部12检测到的光的信号水平加倍。因此，在由设于反射光检测部12的后一级处的反射光分析部13执行的用于对从反射光检测部12接收到的合成信号进行分析的处理之前，反射光分析部13需要从合成信号(该合成信号是作为代表着被反射光检测部12检测到的合成光的信号而从反射光检测部12接收到的)中分离出代表着代码序列p15的光部分的信号及代表着代码序列p10的光部分的信号。
反射光分析部13的处理
图9是由反射光分析部13执行的处理的说明图。
反射光分析部13求出从反射光检测部12接收到的检测信号s(t)的傅立叶变换信号S(w)。另外，反射光分析部13还预先求出每一已知代码序列pi(t)的傅立叶变换代码序列Pi(w)。
然后，反射光分析部13计算检测信号s(t)的傅立叶变换信号S(w)的复共轭S*(w)与每一代码序列pi(t)的傅立叶变换代码序列Pi(w)的内积。随后，反射光分析部13对该内积进行逆傅立叶变换(InverseFourier)处理。
详细而言，对于每一代码序列pi(t)(其中i＝1至K)，反射光分析部13均根据以下方程式进行逆傅立叶变换处理：
pi(t)＝InverseFourier[Pi(w)·S*(w)][t]
该逆傅立叶变换处理的结果表明：光反射体3存在时的代码序列pi(t)具有峰值，而光反射体3不存在时的代码序列pi(t)不具有峰值。如果代码序列pi(t)具有峰值，则该峰值在时间轴上的位置对应于光反射体3沿水平方向的位置(或方位)。
图9显示了针对图8所示示例中的代码序列p10而进行的逆傅立叶变换处理的结果。如图9所示，代码序列p10(t)在水平轴上的某一位置处具有峰值。这个在水平轴上的位置代表着时间段Δt。另外，作为进行逆傅立叶变换处理的结果，图9中未示出的代码序列p15(t)也具有峰值。
如果例如光反射体3-1存在于与代码序列p10(t)和代码序列p11(t)之间的代码序列相对应的位置处，则反射光检测部12会检测到是代码序列p10(t)的信号的输出水平的一半水平的信号和是代码序列p11(t)的输出水平的一半水平的信号这二者。因此，根据作为逆傅立叶变换处理的结果而获得的代码序列p10(t)的输出水平(即峰值)与作为逆傅立叶变换处理的结果而获得的代码序列p11(t)的输出水平(即峰值)的比率，反射光分析部13能够求出光反射体3-1在垂直方向上的方位。通过将代码序列取为用于表示光反射体3-1的位置的单位，由反射光分析部13求出的用作表示光反射体3-1的方位的值的上述值是由数字代表的，该数字包括用于使该数字的整数部分与小数部分相互分离的小数点。该数字的小数部分代表着跟代码序列p10(t)与代码序列p11(t)之间的代码序列对应的位置。因此，能够以更高的精度检测光反射体3-1的垂直方向方位。
即使如上所述同时由多个光反射体3反射各个光部分并从这些光反射体3接收到这些光部分，也可求出傅立叶变换信号与傅立叶变换代码序列的内积并对这些内积中的每一者进行逆傅立叶变换处理，从而识别这些光反射体3。因此，可检测出每一光反射体3在垂直方向上和水平方向上的方位(即位置)。
接着，参照图10所示的流程图对由物体检测系统1进行的方位检测处理进行解释。
如该图所示，该流程图开始于步骤S1，在步骤S1中，光图案投影部11向光反射体3发射呈二维图案的光。详细而言，在光图案投影部11中，由光源21发出的激光被发射至全息图薄片22A，在全息图薄片22A上已形成有二维图案。全息图薄片22A用作发射图案生成块22。全息图薄片22A使用电流镜作为光扫描块23，从而通过以某一速度(即某一角速度)在所确定的角度范围内在前后运动中改变呈二维图案的光的发射角度来进行光扫描操作。因此，呈二维图案的光被光扫描块23发射至光反射体3。
通过获得例如电流镜的角度，光图案投影部11能够获得各代码序列中任何特定的一者进行发射光束的时间和该特定代码序列进行发射光束的方向。反射光检测部12向反射光分析部13提供来自代码序列的光的发射时间与反射该光的光反射体3的方位之间的关系。
然后，在下一步骤S2中，反射光检测部12检测从光图案投影部11发射到光反射体3并由光反射体3反射到反射光检测部12的光。反射光检测部12把由光反射体3反射过来的检测光转换成电信号，并将该电信号作为检测信号提供给反射光分析部13。
随后，在下一步骤S3中，反射光分析部13根据从反射光检测部12接收到的检测信号，计算水平方向角度θ和垂直方向角度δ，该水平方向角度θ和该垂直方向角度δ指示着光反射体3的位置。详细而言，反射光分析部13进行分析，以确定被反射光检测部12检测到的光是由哪个代码序列发射的。通过确定被反射光检测部12检测到的光是由哪个代码序列发射的，反射光分析部13能够计算出光反射体3的垂直方向角度δ。另外，根据与光图案投影部11中来自各代码序列的光的发射时间和已反射该光的光反射体3的方位之间的关系有关的信息，反射光分析部13辨别在这些方位处来自代码序列的光的发射时间。因此，反射光分析部13能够根据延迟时间来计算出光反射体3的水平方向角度θ。该延迟时间是从发射开始时间至当由预先确定的代码序列发射出的光被反射光检测部12检测到时的时间之间的时间段。
然后，在下一步骤S4中，反射光分析部13把水平方向角度θ和垂直方向角度δ存储在例如半导体存储器等记录媒体中以作为分析的结果。
例如，当用户通过通常是对操作按钮(各图中均未示出)进行操作来输入命令以开始方位检测处理时，方位检测器2开始由图10所示的流程图所表示的方位检测处理，并反复地进行该处理直到用户输入命令以停止该处理为止。
根据上述物体检测系统1，光反射体3被附设在用作方位检测对象的物体的预定位置上。然后，通过连续改变呈已知的二维图案的光的发射方向来进行光扫描操作。因此，能够以高的精度来检测用作光发射目标的光反射体3的水平方向方位和垂直方向方位。
根据上述物体检测系统1，光图案投影部11向用作方位检测对象的物体发射呈已知的二维图案的光，并且光反射体3仅被附设在该物体上以用作上述光发射的目标。因此，无需如同采用了色度键技术的物体检测方法的情况那样要求经受测量的人员呆在专门环境中。也就是说，光反射体3仅需要被附设在物体上以用作光发射的目标。因此，可容易地检测该目标。
另外，根据上述物体检测系统1，光反射体3用于把上述发射光沿着与该光被发射至光反射体3的方向相反的方向反射。因此，当呈已知的二维图案的光被发射到物体时，由附设在该物体上的光反射体3反射的光被聚焦在一个点上。因此，无需在反射光检测部12中利用例如CCD(电荷耦合器件)等二维图像摄取器件。例如，简单的光接收器件(例如光电二极管)就足以很好地用作反射光检测部12。因此，通过使用小尺寸且低成本的光学系统，能够以高的精度出检测光反射体3的方位。另外，即使如上所述同时由多个光反射体3反射各个光部分并从这些光反射体3接收到这些光部分，也可识别出光反射体3中的每一者并检测出每一光反射体3在垂直方向上和水平方向上的方位(即位置)。
此外，通过向物体发射呈已知的二维图案的光，可以以冗余方式提供光发射并减少该发射光的输出。也就是说，所发射的是一系列的冗余代码序列，这使得即使该系列中的一部分丢失，仍可识别出该系列中剩余的代码序列。因此，即使采用激光源作为光源21，该光源21所产生的低水平输出也将是足够的。因此，可避免对用作测量对象的人员的身体造成不良影响。
应注意，在目前为止所述的实施例中，可由物体检测系统1检测到的仅是附设在用作测量对象的物体上的目标的方位。然而，通过采用图11中所示的配置，可检测出分别由为该目标提供的三维坐标系中的坐标表示的各位置。
用于实施物体检测系统1的其它实施例
图11是显示了物体检测系统1的另一代表性配置的说明图。
具有图11的说明图中所示配置的物体检测系统1采用了两个方位检测器，即方位检测器2-1和2-2。3个光反射体3-1至3-3分别附设在用作测量对象的人员的身体的通常是关节上，以用作方位检测的目标。另外，方位检测器2-1和2-2都连接至位置检测器50。
预先将与方位检测器2-1和2-2的位置之间的关系有关的信息输入到位置检测器50中。方位检测器2-1和2-2向位置检测器50提供光反射体3-1至3-3中每一者的角度δ和角度θ。根据作为光反射体3-1至3-3中每一者的角度而从方位检测器2-1和2-2接收到的角度δ和角度θ，位置检测器50根据所谓的三角测量原理来计算出光反射体3-1至3-3在三维坐标系中的位置的坐标。
应注意，由位置检测器50进行的位置检测(计算)处理也可留给方位检测器2-1或2-2来进行。
如上所述，通过采用这2个方位检测器2-1和2-2，可检测出每一光反射体3在三维坐标系中的位置。
用于检测物体在三维坐标系中的位置的操作可应用于以下处理：该处理通过利用CG图像和用于摄取拍摄对象的图像的专门操作，来获得人体部位的移动以作为表示该人在通常是游戏中的自然动作的移动。另外，为了把由于患者的康复而引起的机能改善作为该患者的预定部位的改善进行指标化，可将用于检测物体在三维坐标系中的位置的操作应用于用来获得该预定部位的移动的处理。
其它变形例
在上面参照图5所解释的实施例中，发射图案生成块22和光扫描块23的配置是这样的配置：该配置中，全息图薄片22A通过使用电流镜来进行光扫描操作。
此外，也可采用如同图12A和图12B所示各配置那样的每一种配置来作为发射图案生成块22和光扫描块23的配置。
图12A显示了其中使用圆形全息图薄片22B作为发射图案生成块22、且使用该图中未示出的电动机作为光扫描块23的代表性配置。在图12A所示的代表性配置中，电动机通过以圆形全息图薄片22B的中心作为旋转轴来旋转该圆形全息图薄片22B。
光源21向圆形全息图薄片22B的预定范围发射激光。用作光扫描块23的电动机通过以圆形全息图薄片22B的中心作为旋转轴来旋转该圆形全息图薄片22B，以便向光反射体3发射呈二维图案的光。
另一方面，在图12B所示的代表性配置中，用作发射图案生成块22的圆柱体22C在其侧表面上具有全息图薄片。电动机通过以圆柱体22C的中心作为旋转轴来旋转该圆柱体22C。
光源21向圆柱体22C的侧表面上的预定范围发射激光。用作光扫描块23的电动机通过以圆柱体22C的中心作为旋转轴来旋转该圆柱体22C，以便向光反射体3发射呈二维图案的光。
应注意，当具有图5所示的平面形状的全息图薄片22A正在进行光扫描操作时，发射到光反射体3的代码序列光在经过沿该扫描方向定向的往返路径而传播的期间内被反转。相反，在图12A和12B所示的配置的情形中，当通过以共用轴为中心进行单向旋转来发射呈二维图案的光时，每一代码序列的光均被固定在一个方向上且不会被反转。在这两种情形中的任一情形中，光图案投影部11均能够获得与代码序列的光的发射时间有关的信息以及与代码序列的光的发射方向有关的信息。因此，不存在任何问题。另外，在图5所示的代表性配置的情形中，具有平面形状的全息图薄片22A也能够沿垂直方向进行光扫描操作。在此种情形中，方位检测器2通过识别沿垂直方向排列的各代码序列中的特定一者来计算出水平方向位置(即水平方向方位)。另外，方位检测器2通过识别沿垂直方向排列的各代码序列中的特定一者来计算出垂直方向位置(即垂直方向方位)。
此外，光图案投影部11可具有与目前为止所述的那些配置不同的配置。例如，光图案投影部11可采用二维LED作为光源21并采用遮光滤光器作为发射图案生成块22。在此种配置中，该遮光滤光器消除某些光从而输出与呈二维图案的光相对应的光。然后，光扫描块23对附设在遮光滤光器的前表面上的二维LED进行光扫描操作，以便向光反射体3发射呈二维图案的光。
作为光扫描块23，除了可以采用电流镜外，也可采用MEMS(微机电系统；Micro Electro Mechanical Systems)等。
另外，光反射体3决不是仅限于如前所述的具有球面形状的隅角棱镜。例如，光反射体3可以是具有平面形状的光反射板。
此外，可在反射光检测部12的前表面上设置有仅使具有预先确定的波长的光通过的滤光器，以便增大所检测信号的信噪比(S/N比值)。更具体而言，上述预先确定的波长是633nm，它与激光的波长相同。
前面所解释的用于计算角度θ和角度δ的处理过程可在反射光分析部13中通过硬件及/或通过软件的执行来进行。同样地，前面所解释的用于计算在三维坐标系中的位置的处理过程可在位置检测器50中通过硬件及/或通过软件的执行来进行。如果上述处理过程是在反射光分析部13或位置检测器50中通过软件的执行来进行，则可将构成该软件的程序从通常是网络或可移动记录媒体安装到内置于专门硬件中的计算机、或者通用个人电脑等中。在此种情形中，计算机或个人电脑用作反射光分析部13或位置检测器50。通用个人电脑是这样一种个人电脑：它可通过将各种程序安装到该个人电脑中而使该个人电脑能够执行各种功能。在以下的说明中，内置于专门硬件中的计算机和通用个人电脑这二者都简称为计算机。
图13是显示了用于通过执行程序来进行处理以计算出由光反射体3的角度θ和角度δ所表示的方位或计算出光反射体3的位置的计算机的代表性硬件配置的框图。
图13的框图中所示的计算机采用了CPU(中央处理器)101、ROM(只读存储器)102及RAM(随机存取存储器)103，且CPU 101、ROM102及RAM 103通过总线104相互连接。
将CPU 101、ROM 102和RAM 103相互连接起来的总线104还连接至输入/输出接口105。输入/输出接口105进一步连接至输入部106、输出部107、上述存储部108、通信部109及驱动器110。
输入部106包括键盘、鼠标及麦克风，而输出部107则包括显示单元及扬声器。存储部108包括硬盘及/或非易失性存储器。通信部109是用于通过网络(图未示出)与除了此计算机之外的其它装置也进行通信处理的单元。
如上所述，输入/输出接口105还连接至驱动器110，在驱动器110上安装有可移动记录媒体111。可移动记录媒体111可以是磁盘、光盘、磁光盘或半导体存储器。CPU 101所要执行的计算机程序是从可移动记录媒体111安装到存储部108中的。
在具有上述配置的计算机中，CPU 101通常经由输入/输出接口105和总线104将存储于存储部108中的程序加载到RAM 103，从而执行所加载的程序以便进行用于计算方位或位置的处理。
上述用于记录程序(该程序要被安装于计算机中作为该计算机中所配置的CPU 101将要执行的程序)的可移动记录媒体111通常是与图13的框图中所示的计算机的主机分离地而被提供给用户的包记录媒体(package recording medium)。可以代替将程序从可移动记录媒体111安装到计算机中的是，也可利用传输媒体将程序从程序供应方下载到计算机，该传输媒体可以是有线通信或无线电通信。更具体而言，通过例如LAN(局域网)或因特网等网络，利用有线通信将程序从程序供应方下载到计算机。作为另外一种可选方案，通过数字卫星利用无线电通信将程序从程序供应方下载到计算机。
在计算机中，当把可移动记录媒体111安装于驱动器110上时，可移动记录媒体111中预先记录的程序经由输入/输出接口105被安装到存储部108中。另一方面，通过利用作为有线通信或无线电通信而实现的传输媒体从程序供应方下载到计算机的程序被通信部109接收到，从而安装到存储部108中。作为另外一种可选方案，可预先将程序安装于ROM102及/或存储部108中。
还值得注意的是，计算机所要执行的程序可以是在被执行时如本说明书中所解释的沿时间轴以预定顺序进行前述各处理步骤的程序，但也可以是在被执行时按照必要的时机进行前述各处理步骤的程序，所述必要的时机可以是同时发生的时机或分别触发的时机。
还应注意的是，本说明书中所使用的技术术语“系统”意指包括多个装置的组合体的结构。
本发明的实施方式决不仅限于上述各实施例及前述其它变形例。换句话说，可进一步将这些实施例及其它变形例中的每一者改变成各种实施方式中的任何一种，只要这些实施方式处于不背离本发明实质的范围内即可。
本领域的技术人员应当理解的是，可根据设计要求及其它因素，在本发明随附权利要求或其等同物的范围内做出各种修改、组合、子组合及改变。

Claims (7)

1.一种物体检测系统，其包括：
光发射部，它用于向物体发射呈二维图案的光；
光扫描块，它用于通过在预先确定的空间内连续地改变所述呈二维图案的光的发射方向来执行扫描操作；
光反射体，它附设在所述物体上的预定位置处以用作检测对象，并用于将所述呈二维图案的光沿着与所述呈二维图案的光的所述发射方向相反的方向反射；
反射光检测部，它用于检测被所述光反射体反射而成为到达所述反射光检测部的光的所述光；以及
反射光分析部，它用于基于代表着被所述反射光检测部检测到的所述反射光的信号，来计算所述光反射体的垂直方向角度和水平方向角度，所述垂直方向角度和所述水平方向角度分别是由从所述光发射部到所述光反射体的连线与分别处于垂直方向或水平方向上的基准线形成的。
2.如权利要求1所述的物体检测系统，其中所述二维图案被配置成包括代码序列，所述代码序列是通过使用表示正方形图案的有无的二维M序列随机数而生成的。
3.如权利要求1所述的物体检测系统，其中所述反射光分析部进行如下计算：
通过识别所述代码序列，计算所述光反射体的所述垂直方向角度和所述水平方向角度之中的一者；以及
通过检测被识别的所述代码序列的相移，计算所述光反射体的所述垂直方向角度和所述水平方向角度之中的另一者。
4.如权利要求1所述的物体检测系统，其中所述反射光分析部通过以下方式来计算所述垂直方向角度和所述水平方向角度：
针对所述代码序列中的每一者，求出代表着被检测到的所述光的所述信号的傅立叶变换信号的复共轭与对应于被检测到的所述光的所述代码序列的傅立叶变换代码序列之间的内积；以及
对所述内积中的每一者进行逆傅立叶变换处理。
5.如权利要求1所述的物体检测系统，其中所述反射光分析部根据由所述代码序列之中的特定一者所产生的光的输出水平与由所述代码序列之中的另一者所产生的光的输出水平的比率，通过内分来计算出值以求出所述光反射体的垂直方向方位。
6.如权利要求1所述的物体检测系统，其中所述物体检测系统包括：
两对构件，其中每一对均由所述光发射部和所述光扫描块构成；以及
位置检测构件，它用于对于各自都由所述光发射部和所述光扫描块构成的所述两对构件之中的每一对，根据作为所述光反射体的所述垂直方向角度和所述水平方向角度而从代表着所述反射光的所述信号求出的垂直方向角度和水平方向角度，来计算所述光反射体在三维坐标系中的位置。
7.一种物体检测方法，其包括以下步骤：
向物体发射呈二维图案的光；
通过在预先确定的空间内连续地改变所述呈二维图案的光的发射方向来执行扫描操作；
使附设在所述物体上的预定位置处的检测对象将所述呈二维图案的光沿着与所述呈二维图案的光的所述发射方向相反的方向反射；
检测来自所述检测对象的所述反射光；以及
基于代表着被检测到的所述反射光的信号，计算所述检测对象的垂直方向角度和水平方向角度，所述垂直方向角度和所述水平方向角度分别是由从用于发射所述呈二维图案的光的光发射部到所述检测对象的连线与分别位于垂直方向或水平方向上的基准线形成的。
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