CN102346020B - 用于互动介面的三维信息产生装置与三维信息产生方法 - Google Patents

用于互动介面的三维信息产生装置与三维信息产生方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种用于互动介面的三维信息产生装置，包含：微机电系统(MEMS)光束产生装置，具有至少一光源用以提供一点状光源，以及一微镜面(MEMS mirror)用以根据该点状光源投射可移动的一扫描光束至一待测物；影像感测元件，用以感测该待测物的影像而产生二维影像信息；以及处理器，其根据该扫描光束自该待测物反射结果，以三角测距(triangulation)法产生一距离信息，该距离信息与上述二维影像信息整合而产生与该待测物相关的三维信息。

Description

用于互动介面的三维信息产生装置与三维信息产生方法
技术领域
本发明涉及一种用于互动介面的三维信息产生装置，特别是指一种利用三角测距(triangulation)法产生一距离信息的三维信息产生装置。本发明也涉及一种三维信息产生方法。
背景技术
根据影像辨识以侦测位移的装置，例如鼠标或游戏控制器，通常只能产生二维信息。此种二维信息产生装置包含光源、影像传感器、及处理器；光源发射一光束至待测物表面，影像传感器接收待测物表面反射的光并转换为电讯号，而处理器则根据之计算二维位移。如需产生三维信息，通常需要使用到加速度计或陀螺仪(gyro-sensor)等，在硬件与处理器运算上均较为复杂。另外，亦有现有技术利用反射光的飞行时间(time of flight，TOF)来取得待测物的三维形貌，其装置的成本较高。
有关三维信息产生装置，另有相关现有技术可见：美国专利US20060269896、US20080007722、US20090262363等，其中直接以单一点状激光扫描待测物，需要较长时间来完成扫描，就需要处理较大范围影像的应用(如互动游戏等)而言，画面取样率(frame rate)太慢，无法实时产生需要的三维信息。
有鉴于此，本发明即针对上述先前技术的不足，提出一种用于互动介面的三维信息产生装置与三维信息产生方法，其三维信息是利用三角测距方式产生，且解决此方式中画面取样率的问题，而得以实时产生三维信息。
发明内容
本发明目的之一在于克服现有技术的不足与缺陷，提出一种用于互动介面的三维信息产生装置。
本发明的另一目的在于，提出一种三维信息产生方法。
为达上述目的，就其中一个观点言，本发明提供了一种用于互动介面的三维信息产生装置，包含：微机电系统(MEMS)光束产生装置，具有一光源用以提供至少一点状光束，以及一微镜面(MEMS mirror)用以根据该光源投射可移动的一扫描光束至一待测物；影像感测元件，用以感测该待测物的影像而产生二维影像信息；以及处理器，其根据该扫描光束自该待测物反射结果，以三角测距(triangulation)法产生一距离信息，该距离信息与上述二维影像信息整合而产生与该待测物相关的三维信息。
上述用于互动介面的三维信息产生装置中，该微机电系统光束产生装置可更包含一光转换元件用以将前述光源所提供该点状光束转换为一线状光束，而该微镜面则反射该线状光束至该待测物，并通过该微镜面的镜面的一维转动使该反射的线状光束成为前述扫描光束，且该扫描光束具有一特定图案，而该处理器则根据该特定图案产生该距离信息。
上述用于互动介面的三维信息产生装置中，该微机电系统光束产生装置可更包含一光转换元件用以将前述光源所提供该点状光束转换为一面状光束，而该微镜面则反射该面状光束至该待测物，并通过该微镜面的镜面的一维转动使该反射的面状光束成为前述扫描光束，且该扫描光束具有一特定图案，而该处理器则根据该特定图案产生该距离信息。
上述用于互动介面的三维信息产生装置中，该点状光源宜发射一具有小于5度视域(Field of View，FOV)的脉冲光束。
上述用于互动介面的三维信息产生装置可更包含一透镜，设置于该影像感测元件前方，以调整该影像感测元件所接收的光信息。
上述用于互动介面的三维信息产生装置可更包含另一感测元件，其感测该待测物的颜色、声音、密度、或水平高度，用以输入该处理器。
在其中一种实施型态中，该微机电系统光束产生装置具有可分别控制明灭的多个点状光源，该多个点状光源组合发射一线状光束至该微镜面，而该微镜面反射该线状光束至该待测物，并通过该微镜面的镜面的一维转动使该反射的线状光束成为前述扫描光束，且该扫描光束具有一特定图案，而该处理器则根据该特定图案产生该距离信息。
在另一种实施型态中，该微镜面反射该点状光束至该待测物，并通过该微镜面的镜面的二维转动使该反射的点状光束成为前述扫描光束，且该扫描光束具有一特定图案，而该处理器则根据该特定图案产生该距离信息。
在又一种实施型态中，该微镜面反射前述光源所提供该点状光束，并通过该微镜面的镜面的一维转动调整该点状光束的角度，且该微机电系统光束产生装置进一步包含一光转换元件用以将该微镜面所反射该点状光束转换为一线状光束，并将该线状光束形成前述扫描光束而投射至该待测物，且该扫描光束具有一特定图案，而该处理器则根据该特定图案产生该距离信息。
上述用于互动介面的三维信息产生装置中，该光转换元件为一柱透镜或一衍射光学元件。
在另一种实施型态中，其中该微镜面包含分别可独立旋转的多个镜面。
就再另一个观点言，本发明提供了一种三维信息产生方法，包含：投射可移动的一扫描光束至一待测物，该扫描光束具有一特定图案；感测该待测物的影像而产生二维影像信息；以及根据该扫描光束在该待测物所形成该特定图案，以三角测距法产生一距离信息，该距离信息与上述二维影像信息整合而产生与该待测物相关的三维信息。
上述三维信息产生方法中，该投射一扫描光束的步骤包括：发射一线状光束；以及以微机电系统(MEMS)镜反射该线状光束至该待测物，并通过该微镜面的镜面的一维转动使其反射的光束成为前述扫描光束。
上述三维信息产生方法中，该投射一扫描光束的步骤包括：发射一点状光束；以及以微镜面反射该点状光束至该待测物，并通过该微镜面的镜面的二维转动使该反射的光束成为前述扫描光束。
上述三维信息产生方法中，该投射一扫描光束的步骤包括：发射一点状光束；以光转换元件将该点状光束转换为一线状光束或一面状光束；以及以微镜面反射该线状光束或面状光束至该待测物，并通过该微镜面的镜面的一维转动使其反射的线状光束或面状光束成为前述扫描光束。
上述三维信息产生方法中，该投射一扫描光束的步骤包括：发射一点状光束；以微镜面反射该点状光束，并通过该微镜面的镜面的一维转动调整该点状光束的角度；以及以光转换元件将该微镜面所反射的该点状光束转换为一线状光束或一面状光束，并进而形成前述扫描光束而投射至该待测物。
下面通过具体实施例详加说明，当更容易了解本发明的目的、技术内容、特点及其所达成的功效。
附图说明
图1A标出本发明的一个实施例；
图1B说明三角测距法；
图1C说明误判的可能性；
图1D-1F举例说明图案信息的安排方式；
图2-5标出本发明的MEMS光束产生装置的四个实施例；
图6-7标出本发明的另两个实施例；
图8标出本发明以光转换元件将点状光束转换为一面状光束的五个实施例。
图中符号说明
100三维信息产生装置
110MEMS光束产生装置
111光源
113微镜面
115光转换元件
1151几何平面光束
1152线状光束
1153矩阵平面光束
1154字形平面光束
1155变密度平面光束
120影像感测元件
121感测元件
130处理器
140透镜
210待测物
B亮区
D暗区
P1，P2路径
X微镜面X轴
Y微镜面Y轴
具体实施方式
本发明中的图式均属示意，主要意在表示各装置以及各元件之间的功能作用关系，至于形状、厚度与宽度则并未依照比例绘制。
请参阅图1A，显示本发明的一个实施例，本实施例举例说明本发明提出的三维信息产生装置100，其包含微机电系统(MEMS)光束产生装置110，该MEMS光束产生装置110以分别可控制明灭的多点状光源，组合为一光源111，光源111发射一线状光束至一微镜面(MEMSmirror)113，并由微镜面113反射该线状光束至一待测物210，由带有箭号的粗实线线段所表示，且微镜面113可依其镜面X轴作一维转动，使线状光束依其转动角度，形成扫描光束以扫描待测物210，如带有箭号的粗虚线线段所表示。三维信息产生装置100另包含一影像感测元件120，用以接收该待测物二维影像信息，与来自待测物210的反射扫描光束，处理器130接收该待测物的二维影像信息，并根据扫描光束自该待测物210反射结果，以三角测距(triangulation)法产生一距离信息，该距离信息与上述二维影像信息整合而产生与该待测物相关的三维信息。
以三角测距(triangulation)法产生距离信息的方式，简单说明如图1B，光线自微镜面113反射到达待测物210之后，再反射而为影像感测元件120所接收，根据反射光线投射到影像感测元件120上的位置，就可判断出待测物210的距离。
其中，该点状光源宜为准直(collimated)光源，其例如可发射具有小于5度视域(Field of View，FOV)的脉冲光束。在较佳实施例中，扫描光束可带有图案信息，以便于辨识出正确的距离。请参阅图1C，当扫描光束不具备图案信息时，有可能将路径P1误判为路径P2(或反之)而得出错误的距离，但如扫描光束带有图案信息，便可正确辨识出光线是来自哪一路径。所述图案信息有多种安排方式，例如图1D，可安排使亮区B具有不同的大小，或如图1E，可安排使暗区D具有不同的大小，或如图1F，可安排使图案具有不同的色彩、形状、排列等等。总之，可根据亮度、色彩、形状、大小、纹理、密度等等各种方式，赋予扫描光束图案信息。图案信息可由光源111产生(例如安排光源的排列、明灭频率、亮度、色彩等)，或通过控制微镜面113的转动，使扫描光束形成特定图案，当然两者亦可以同时采用。特定图案中，各局部图案和其它部分不需要具有相关性；例如图1F中具有重复的图案，此仅为举例，并非必要。
图2标出MEMS光束产生装置110的另一个实施例，光源111可包含一个但不限于一个点状光源，其中微镜面113反射该单或多点状光束至待测物210，并通过微镜面113依其镜面的X轴与Y轴作镜面二维转动使该反射的点状光束成为扫描光束，投射于待测物210表面；处理器130(未示出)根据扫描光束自待测物210反射结果，以三角测距法产生一距离信息，并与二维影像信息整合而产生与该待测物相关的三维信息。与前一实施例相似地，扫描光束宜带有图案信息，此图案信息例如可由光源111产生，或通过控制微镜面113的转动而产生。
图3标出MEMS光束产生装置110的又一个实施例，光源111可包含一个但不限于一个点状光源，其中MEMS光束产生装置110可更包含至少一个光转换元件115(光转换元件115的细节容后说明)，用以将光源111所提供的单或多点状光束转换为一线状光束，而微镜面113则反射该线状光束至待测物，并通过微镜面113的镜面依其镜面X轴作一维转动，使该反射的线状光束成为扫描光束，以扫描待测物210；处理器130(未示出)根据扫描光束自待测物210反射结果，以三角测距法产生一距离信息，并与二维影像信息整合而产生与该待测物相关的三维信息。其中，扫描光束宜带有图案信息，此图案信息例如可由光源111产生，或通过控制微镜面113的转动而产生，或可通过安排光转换元件115的结构而产生。
图4标出MEMS光束产生装置110的再一个实施例，光源111可包含一个但不限于一个点状光源，其中MEMS光束产生装置110可更包含至少一个光转换元件115设置于微镜面113与待测物210之间，微镜面113反射光源111所提供的单或多点状光束至光转换元件115，光转换元件115将单或多点状光束转换为一线状光束，以投射至待测物210，并通过微镜面113的镜面依其镜面X轴作一维转动，使该转换后的线状光束成为扫描光束，以扫描待测物210。与前述实施例相似地，扫描光束宜带有图案信息，此图案信息例如可由光源111产生，或通过控制微镜面113的转动而产生，或可通过安排光转换元件115的结构而产生。
图5标出MEMS光束产生装置110的又另一个实施例，光源111可包含一个但不限于一个点状光源，其中MEMS光束产生装置110可更包含至少一个光转换元件115用以将光源111所提供该点状光束转换为一线状光束，而微镜面113则可包含分别可独立旋转的多个镜面；如图所示，这些镜面例如(但不限于)可各自于其共同的X轴上作一维转动，以反射该线状光束至待测物210，使该反射的线状光束成为扫描光束，以扫描待测物210。当然，这些镜面亦可设计成可各自于另一轴上作一维转动、或可二维转动。与前述实施例相似地，扫描光束宜带有图案信息，此图案信息例如可由光源111产生，或通过控制微镜面113的转动而产生，或可通过安排光转换元件115的结构而产生。
图6标出MEMS光束产生装置110的再另一个实施例，与图3所示的实施例不同的是，三维信息产生装置100于影像感测元件120与待测物210之间，可更设置一透镜140，以根据所需，调整该影像感测元件120所接收的光信息。
图7标出MEMS光束产生装置110的再又一个实施例，与图3所示的实施例不同的是，三维信息产生装置100于影像感测元件120外，可更包含另一感测元件121，根据实际需要，感测待测物210的颜色、声音、密度、或水平高度等信息，用以输入处理器130。
需说明的是，在以上具有光转换元件115的实施例中，该光转换元件115例如可为柱透镜(cylinder lens)或衍射光学元件(diffractiveoptical element，DOE)。
此外，在以上具有光转换元件115的实施例中，该光转换元件115可将点状光束转换为线状光束或面状光束，如图8所示，由光源111所发射，或由微镜面113所反射(未示出)的光束，经过光转换元件115，可以转换为但不限于为图中所示的光束形状，经过光转换元件115所转换的光束，可为一几何平面光束1151、或线状光束1152、或矩阵平面光束1153、或字形平面光束1154、或变密度平面光束1155，当然亦可以为以上不同光束形状的组合。
以上已针对较佳实施例来说明本发明，只是以上所述，仅为使本领域技术人员易于了解本发明的内容，并非用来限定本发明的权利范围。在本发明的相同精神下，本领域技术人员可以思及各种等效变化。例如，除待测物210外，本发明可另设置一参考校正目标，使距离信息更加准确；再如，感测元件121可整合至影像感测元件120中；又如，面状光束图案的形状与大小，并不限于实施例所举的种类，可以为任意的图案；再如，待测物不限于人手或身体的部分或全部，可为任意物体配置或不配置于人体上；另外，实施例中的微镜面113一维转动为依其镜面的X轴转动，当然亦可以依其镜面的Y轴转动；还有，点状光源所发射的点状光束不限于激光，亦可以为如红外线或其它可聚焦的电磁波。因此，本发明的范围应涵盖上述及其它所有等效变化。

Claims (21)

1.一种用于互动介面的三维信息产生装置，其特征在于，包含：
微机电系统光束产生装置，具有一光源用以提供至少一点状光束，以及一微镜面用以根据该光源投射可移动的一扫描光束至一待测物；
影像感测元件，用以感测该待测物的影像而产生二维影像信息；以及
处理器，其根据该扫描光束自该待测物反射结果，以三角测距法产生一距离信息，该距离信息与上述二维影像信息整合而产生与该待测物相关的三维信息。
2.如权利要求1所述的用于互动介面的三维信息产生装置，其中，该微机电系统光束产生装置具有可控制明灭的至少一个点状光源。
3.如权利要求1所述的用于互动介面的三维信息产生装置，其中，该扫描光束具有一特定图案，而该处理器则根据该特定图案产生该距离信息。
4.如权利要求1所述的用于互动介面的三维信息产生装置，其中，该微机电系统光束产生装置具有可分别控制明灭的多个点状光源，该多个点状光源组合发射一线状光束至该微镜面，而该微镜面反射该线状光束至该待测物，并通过该微镜面的镜面的一维转动使该反射的线状光束成为前述扫描光束。
5.如权利要求1所述的用于互动介面的三维信息产生装置，其中，该微镜面反射该点状光束至该待测物，并通过该微镜面的镜面的二维转动使该反射的点状光束成为前述扫描光束。
6.如权利要求1所述的用于互动介面的三维信息产生装置，其中，该微机电系统光束产生装置进一步包含一光转换元件用以将前述光源所提供该点状光束转换为一线状光束，而该微镜面则反射该线状光束至该待测物，并通过该微镜面的镜面的一维转动使该反射的线状光束成为前述扫描光束。
7.如权利要求1所述的用于互动介面的三维信息产生装置，其中，该微机电系统光束产生装置进一步包含一光转换元件用以将前述光源所提供该点状光束转换为一面状光束，而该微镜面则反射该面状光束至该待测物，并通过该微镜面的镜面的一维转动使该反射的面状光束成为前述扫描光束。
8.如权利要求1所述的用于互动介面的三维信息产生装置，其中，该微镜面反射前述光源所提供该点状光束，并通过该微镜面的镜面的一维转动调整该点状光束的角度，且该微机电系统光束产生装置进一步包含一光转换元件用以将该微镜面所反射该点状光束转换为一线状光束，并将该线状光束形成前述扫描光束而投射至该待测物。
9.如权利要求7或8所述的用于互动介面的三维信息产生装置，其中，该光转换元件为一柱透镜或一衍射光学元件。
10.如权利要求1所述的用于互动介面的三维信息产生装置，其中，该微镜面包含分别可独立旋转的多个镜面。
11.如权利要求1所述的用于互动介面的三维信息产生装置，其中，该点状光源发射一具有小于5度视域的脉冲光束。
12.如权利要求1所述的用于互动介面的三维信息产生装置，其中，还包含一透镜，设置于该影像感测元件前方，以调整该影像感测元件所接收的光信息。
13.如权利要求1所述的用于互动介面的三维信息产生装置，其中，还包含另一感测元件，其感测该待测物的颜色、声音、密度、或水平高度，用以输入该处理器。
14.一种三维信息产生方法，其特征在于，包含：
投射可移动的一扫描光束至一待测物，该扫描光束具有一特定图案；
感测该待测物的影像而产生二维影像信息；以及
根据该扫描光束自该待测物的反射光，以三角测距法产生一距离信息，该距离信息与上述二维影像信息整合而产生与该待测物相关的三维信息。
15.如权利要求14所述的三维信息产生方法，其中，该投射一扫描光束的步骤包括：
发射一线状光束；以及
以微机电系统镜反射该线状光束至该待测物，并通过该微镜面的镜面的一维转动使其反射的光束成为前述扫描光束。
16.如权利要求14所述的三维信息产生方法，其中，该投射一扫描光束的步骤包括：
发射一点状光束；以及
以微镜面反射该点状光束至该待测物，并通过该微镜面的镜面的二维转动使该反射的光束成为前述扫描光束。
17.如权利要求14所述的三维信息产生方法，其中，该投射一扫描光束的步骤包括：
发射一点状光束；
以光转换元件将该点状光束转换为一线状光束或一面状光束；以及
以微镜面反射该线状光束或面状光束至该待测物，并通过该微镜面的镜面的一维转动使其反射的线状光束或面状光束成为前述扫描光束。
18.如权利要求14所述的三维信息产生方法，其中，该投射一扫描光束的步骤包括：
发射一点状光束；
以微镜面反射该点状光束，并通过该微镜面的镜面的一维转动调整该点状光束的角度；以及
以光转换元件将该微镜面所反射的该点状光束转换为一线状光束或一面状光束，并进而形成前述扫描光束而投射至该待测物。
19.如权利要求17或18所述的三维信息产生方法，其中，该光转换元件为一柱透镜或一衍射光学元件。
20.如权利要求14所述的三维信息产生方法，其中，该微镜面包含分别可独立旋转的多个镜面。
21.如权利要求14所述的三维信息产生方法，其中，还包含：感测该待测物的颜色、声音、密度、或水平高度，而与该三维信息组成一立体对象信息。
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