CN109696656A - 基于相位对焦的定位方法及其系统 - Google Patents

基于相位对焦的定位方法及其系统 Download PDF

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黄士挺
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    • G01S5/00—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations
    • G01S5/16—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations using electromagnetic waves other than radio waves

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Abstract

本发明提供一种基于相位对焦的定位方法及其系统，此方法适用于具有至少三个图像传感器以及处理装置的定位系统，并且包括下列步骤。由第一图像传感器检测目标场景，以产生第一相位检测数据，据以计算目标场景中的目标点相对于第一图像传感器的第一物距。由第二图像传感器检测目标场景，以产生第二相位检测数据，据以计算目标点相对于第二图像传感器的第二物距。由第三图像传感器检测目标场景，以产生第三相位检测数据，据以计算目标点相对于第三图像传感器的第三物距。由处理装置根据第一物距、第二物距以及第三物距，取得目标点的定位坐标。

Description

基于相位对焦的定位方法及其系统
技术领域
本发明涉及一种定位方法及其系统，尤其涉及一种基于相位对焦的定位方法及其系统。
背景技术
一般体感设备由外向内(outside-in)的定位方式是以三组以上的线性图像传感器搭配其各自的柱面透镜(cylindrical lens)为主要架构，再辅以三角函数算法得知目标点位置。因此，传统的定位系统为了达到精确的定位效果而所需的成本会较高。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种基于相位对焦的定位方法及其系统，其可在减少硬体制造成本的前提下达到精准且有效的定位。
在本发明的一实施例中，上述的定位方法适用于具有至少三个图像传感器以及处理装置的定位系统，其中图像传感器包括不共线的第一图像传感器、第二图像传感器以及第三图像传感器并且分别连接于处理装置，而此定位方法包括下列步骤。由第一图像传感器检测目标场景，以产生第一相位检测数据，并且根据第一相位检测数据，计算目标场景中的目标点相对于第一图像传感器的第一物距。由第二图像传感器检测目标场景，以产生第二相位检测数据，并且计算目标点相对于第二图像传感器的第二物距。由第三图像传感器检测目标场景，以产生第三相位检测数据，并且计算目标点相对于第三图像传感器的第三物距。由处理装置根据第一物距、第二物距以及第三物距，取得目标点的定位坐标。
在本发明的一实施例中，上述的定位系统包括至少三个图像传感器以及处理装置。图像传感器包括不共线的第一图像传感器、第二图像传感器以及第三图像传感器。第一图像传感器用以检测目标场景，以产生第一相位检测数据，并且根据第一相位检测数据，计算目标场景中的目标点相对于第一图像传感器的第一物距。第二图像传感器用以检测目标场景，以产生第二相位检测数据，并且计算目标点相对于第二图像传感器的第二物距。第三图像传感器用以检测目标场景，以产生第三相位检测数据，并且计算目标点相对于第三图像传感器的第三物距。处理装置连接于各个图像传感器，用以根据第一物距、第二物距以及第三物距，取得目标点的定位坐标。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。
附图说明
图1为根据本发明一实施例所示出的定位系统的方块图；
图2为根据本发明的一实施例所示出的定位方法的流程图；
图3为根据本发明的一实施例所示出的定位方法的情境示意图。
附图标号说明
100：定位系统；
111～113：图像传感器；
120：处理装置；
S202A、S202B、S202C、S204：步骤；
S1：目标点；
S2：第二目标点；
S3：第三目标点；
R1：第一物距；
R2：第-二物距；
R3：第三物距；
(x1,y1,z1)：第一图像传感器坐标；
(x2,y2,z2)：第二图像传感器坐标；
(x3,y3,z3)：第三图像传感器坐标；
(xi,yi,zi)：目标点的定位坐标。
具体实施方式
本发明的部份实施例接下来将会配合附图来详细描述，以下的描述所引用的元件符号，当不同附图出现相同的元件符号将视为相同或相似的元件。这些实施例只是本发明的一部份，并未揭示所有本发明的可实施方式。更确切的说，这些实施例只是本发明的权利要求中的方法与系统的范例。
图1为根据本发明一实施例所示出的定位系统的方块图。首先图1先介绍定位系统的所有构件以及配置关系，详细功能将配合图2一并揭示。
请参照图1，定位系统100包括三个具有相位对焦(Phase Detection Auto-Focus，PDAF)功能的图像传感器111～113以及处理装置120，其中处理装置120可以是无线或是有线地连接于图像传感器111～113。
各个图像传感器111～113是将感测元件(sensing elements)设置成多个成对的相位检测像素(phase detection pixel)，以利用部份地遮蔽像素的方式(左右遮蔽)进行相位检测。光线到达各个成对的左遮蔽像素与右遮蔽像素之间的偏移量则称之为“相位差”(phase difference)，而藉由相位差可以从而得知拍摄物体相对于图像传感器之间的距离(即，物距)。本领域技术人员应明了利用相位检测数据来计算物距的方式，于此不再说明。值得一提的是，一般具有PDAF功能的图像传感器是搭配音圈马达来做为变焦的应用。然而，在此定位系统100中无须进行对焦程序，因此图像传感器111～113的镜头可以是采用定焦广角镜头来做为取像来源以节省成本。此外，在一实施例中，图像传感器111～113可以是用以检测红外光光源的红外光感测元件来取代传统的RGB可见光取像机制，以避免在暗环境下造成遮蔽像素的进光量不足而影响精确度。
处理装置120可以是具有运算能力并且具有处理器的运算装置，例如是档案伺服器、数据库伺服器、应用程序伺服器、工作站、个人电脑等。处理器可以是北桥(NorthBridge)、南桥(South Bridge)、场式可程序闸阵列(FieldProgrammable Array，FPGA)、可程序化逻辑装置(Programmable LogicDevice，PLD)、特殊应用积体电路(ApplicationSpecific Integrated Circuits，ASIC)或其他类似装置或这些装置的组合。处理器也可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)、应用处理器(Application Processor，AP)，或是其他可程序化的一般用途或特殊用途的微处理器(Microprocessor)、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、图形处理器(Graphics Processing Unit，GPU)或其他类似装置或这些装置的组合。本领域技术人员应明了，处理装置120也具有数据储存装置。数据储存装置可以是任意型式的非暂态性、易失性、非易失性的存储器，其用以储存缓冲数据、永久数据以及用来执行处理装置120的功能的编译程序码。
图2为根据本发明的一实施例所示出的定位方法的流程图。图2的步骤可以是以图1所示出的定位系统100来实现。
请同时参照图1以及图2，首先第一图像传感器111将检测目标场景，以产生第一相位检测数据，进而产生目标场景中的目标点相对于第一图像传感器111的第一物距(步骤S202A)，第二图像传感器112将检测目标场景，以产生第二相位检测数据，进而产生目标点相对于第二图像传感器112的第二物距(步骤S202B)，而第三图像传感器113将检测目标场景，以产生第三相位检测数据，进而产生目标点相对于第三图像传感器113的第三物距(步骤S202C)。也就是说，第一图像传感器111、第二图像传感器112以及第三图像传感器113在检测目标场景后，可分别计算出本身与目标场景中的目标点之间的相对距离，即第一物距、第二物距以及第三物距。
接着，处理装置120将根据第一物距、第二物距以及第三物距，取得目标点的定位坐标(步骤S204)。在此，处理装置120将先取得第一图像传感器111、第二图像传感器112以及第三图像传感器113的已知空间坐标(以下将分别称为“第一图像传感器坐标”、“第二图像传感器坐标”以及“第三图像传感器坐标”)，再一并根据第一物距、第二物距以及第三物距来计算出目标点的定位坐标。以下将以图3根据本发明的一实施例所示出的定位方法的情境示意图来说明目标点的定位坐标的计算方式。
请参照图3，假设S1为目标点，R1为目标点S1相对于第一图像传感器111的第一物距，R2为目标点S1相对于第二图像传感器112的第-二物距，R3为目标点S1相对于第三图像传感器113的第三物距。假设(xi，yi，zi)为所欲计算的目标点S1的定位坐标，(x1，y1，z1)为已知的第一图像传感器坐标，(x2，y2，z2)为已知的第二图像传感器坐标，(x3，y3，z3)为已知的第三图像传感器坐标。因此，目标点S1分别相对于图像获取装置111～113可以下列关系式表示：
(xi-x1)2+(yi-y1)2+(zi-z1)2＝R1 2
(xi-x2)2+(yi-y2)2+(zi-z2)2＝R2 2。
(xi-x3)2+(yi-y3)2+(zi-z3)2＝R3 2
若将上述关系式展开并且移项可以得到以下方程序(1)～(3)：
xi 2+yi 2+zi 2-2x1xi-2y1yi-2z1zi＝R1 2-(x1 2+y1 2+z1 2)＝A....(1)
xi 2+yi 2+zi 2-2x2xi-2y2yi-2z2zi＝R2 2-(x2 2+y2 2+z2 2)＝B....(2)。
xi 2+yi 2+zi 2-2x3xi-2y3yi-2z3zi＝R3 2-(x3 2+y3 2+z3 2)＝C....(3)
接着，若将上述方程序(1)～(3)执行消去法(Elimination Law)，则可以下列关系式表示：
2(x2-x1)xi+2(y2-y1)yi+2(z2-z1)zi＝A-B....(1)-(2)
2(x3-x1)xi+2(y3-y1)yi+2(z3-z1)zi＝A-C....(1)-(3)。
2(x3-x2)xi+2(y3-y2)yi+2(z3-z2)zi＝B-C....(2)-(3)
上述关系式可以进一步地以矩阵形式表示：
基此，处理装置120可以计算出目标点的定位坐标γ为：
γ＝K-1S，
其中
以及
A＝R1 2-(x1 2+y1 2+z1 2)
B＝R2 2-(x2 2+y2 2+z2 2)。
C＝R3 2-(x3 2+y3 2+z3 2)
附带说明的是，处理装置120可以上述的方式取得第二目标点S2的定位坐标以及第三目标点S3的定位坐标，其中目标点S1、第二目标点S2以及第三目标点S3将符合以下空间中的向量关系：
综上所述，本发明所提出的定位方法及其系统，其是基于PDAF取得目标点相对于至少三个图像传感器的物距以定位出目标点的空间坐标，以较少的硬体制造成本的前提下达到精准且有效的定位。
虽然本发明已以实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视权利要求所界定者为准。

Claims (10)

1.一种基于相位对焦的定位方法，其特征在于，适用于具有至少三个图像传感器以及处理装置的定位系统，其中各所述图像传感器包括不共线的第一图像传感器、第二图像传感器以及第三图像传感器并且分别连接于所述处理装置，所述方法包括下列步骤：
由第一图像传感器检测目标场景，以产生第一相位检测数据，并且根据所述第一相位检测数据，计算所述目标场景中的目标点相对于所述第一图像传感器的第一物距；
由第二图像传感器检测所述目标场景，以产生第二相位检测数据，并且计算所述目标点相对于所述第二图像传感器的第二物距；
由第三图像传感器检测所述目标场景，以产生第三相位检测数据，并且计算所述目标点相对于所述第三图像传感器的第三物距；以及
由所述处理装置根据所述第一物距、所述第二物距以及所述第三物距，取得所述目标点的定位坐标。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述第一物距、所述第二物距以及所述第三物距，取得所述目标点的所述定位坐标的步骤包括：
取得第一图像传感器坐标、第二图像传感器坐标以及第三图像传感器坐标，其中所述第一图像传感器坐标、所述第二图像传感器坐标以及所述第三图像传感器坐标分别为所述第一图像传感器的空间坐标、所述第二图像传感器的空间坐标以及所述第三图像传感器的空间坐标；以及
根据所述第一图像传感器坐标、所述第二图像传感器坐标以及所述第三图像传感器坐标、所述第一物距、所述第二物距以及所述第三物距，计算所述目标点的所述定位坐标。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述目标点的所述定位坐标的计算公式为：
γ＝K-1S，
其中
以及
其中γ为所述目标点的所述定位坐标，(x1,y1,z1)为所述第一图像传感器坐标，(x2,y2,z2)为所述第二图像传感器坐标，(x3,y3,z3)为所述第三图像传感器坐标，R1为所述第一物距，R2为所述第二物距，R3为所述第三物距。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括：
由所述处理装置取得所述目标场景中的第二目标点的定位坐标以及第三目标点的定位坐标，其中所述目标点、所述第二目标点以及所述第三目标点符合以下关系式：
其中S1为所述目标点，S2为所述第二目标点，S3为所述第三目标点。
5.一种基于相位对焦的定位系统，其特征在于，包括：
至少三个图像传感器，其中各所述图像传感器包括不共线的第一图像传感器、第二图像传感器以及第三图像传感器，其中：
所述第一图像传感器用以检测目标场景，以产生第一相位检测数据，并且根据所述第一相位检测数据，计算所述目标场景中的目标点相对于所述第一图像传感器的第一物距；
所述第二图像传感器用以检测所述目标场景，以产生第二相位检测数据，并且计算所述目标点相对于所述第二图像传感器的第二物距；
所述第三图像传感器用以检测所述目标场景，以产生第三相位检测数据，并且计算所述目标点相对于所述第三图像传感器的第三物距；以及
处理装置，连接于各所述图像传感器，用以根据所述第一物距、所述第二物距以及所述第三物距，取得所述目标点的定位坐标。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述处理装置取得第一图像传感器坐标、第二图像传感器坐标以及第三图像传感器坐标，并且根据所述第一图像传感器坐标、所述第二图像传感器坐标以及所述第三图像传感器坐标、所述第一物距、所述第二物距以及所述第三物距，计算所述目标点的所述定位坐标，其中所述第一图像传感器坐标、所述第二图像传感器坐标以及所述第三图像传感器坐标分别为所述第一图像传感器的空间坐标、所述第二图像传感器的空间坐标以及所述第三图像传感器的空间坐标。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述处理器计算所述目标点的所述定位坐标的公式为：
γ＝K-1S，
其中
以及
其中γ为所述目标点的所述定位坐标，(x1,y1,z1)为所述第一图像传感器坐标，(x2,y2,z2)为所述第二图像传感器坐标，(x3,y3,z3)为所述第三图像传感器坐标，R1为所述第一物距，R2为所述第二物距，R3为所述第三物距。
8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述处理装置更取得所述目标场景中的第二目标点的定位坐标以及第三目标点的定位坐标，其中所述目标点、所述第二目标点以及所述第三目标点符合以下关系式：
其中S1为所述目标点，S2为所述第二目标点，S3为所述第三目标点。
9.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，各所述图像传感器具有定焦广角镜头。
10.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，各所述图像传感器具有红外光感测元件，所述目标点为红外线光源。
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