CN110519574A - 光学投射系统 - Google Patents

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Abstract

光学投射系统包含图像传感器、发光电路以及处理器。图像传感器用以获取目标物件的图像。处理器电性耦接于图像传感器以及发光电路。处理器用以分析图像以判断目标物件的尺寸，且控制发光电路以发射光学图案，并依据目标物件的尺寸扇出光学图案以覆盖目标物件。

Description

光学投射系统
【技术领域】
本发明涉及一种光学投射系统以及方法，尤为一种用于对象检测的光学投射系统以及光学投射方法。
【背景技术】
脸部检测技术被广泛地应用于许多领域当中。其中，某些脸部检测装置(或系统)仅能在限定的范围内投射光点。应理解，由于脸部检测装置用以检测不同使用者的脸部，这些受限的现有技术亟待改进。
【发明内容】
本发明的一实施例涉及一种光学投射系统。该光学投射系统包含一图像传感器、一发光电路以及一处理器。该图像传感器用以获取一目标物件的一图像。该处理器电性耦接于该图像传感器以及该发光电路。该处理器用以分析该图像以判断该目标物件的一尺寸，还控制该发光电路以发射一光学图案，并依据该目标物件的该尺寸扇出该光学图案以覆盖该目标物件。
本发明的另一实施例涉及一种光学投射方法。该光学投射方法包含下列步骤：通过一图像传感器获取一目标物件的一图像；通过一处理器分析该图像以判断该目标物件的一尺寸；通过该处理器控制一发光电路以发射一光学图案，并依据该目标物件的该尺寸扇出该光学图案以覆盖该目标物件。
应理解，前述的发明内容以及后述的实施方式仅为示例，其旨在专利要求覆盖的内容。
【附图说明】
图1为基于本发明一实施例所绘示的光学投射系统的示意图；
图2为基于本发明一实施例所绘示的光学投射方法的步骤流程图；
图3A为基于本发明一实施例所绘示的该图像传感器获取的一图像的示意图；
图3B为基于本发明一实施例所绘示的该图像传感器获取的一图像的示意图；
图4A为基于本发明一实施例所绘示的图案产出装置的示意图；
图4B为基于本发明图4A的实施例所绘示的图案产出装置以及相位调制装置的设置的示意图；
图4C为基于本发明一实施例所绘示的图案产出装置以及相位调制装置的设置的示意图；
图5A图为基于本发明一实施例所绘示的图案产出装置的示意图；
图5B为基于本发明图5A的实施例所绘示的图案产出装置以及相位调制装置的设置的示意图；
图5C为基于本发明一实施例所绘示的图案产出装置以及相位调制装置的设置的示意图；
图6为基于本发明一实施例所绘示的一投射范例的示意图；以及
图7为基于本发明一实施例所绘示的一投射范例的示意图。
【具体实施方式】
以下将以附图及详细叙述清楚说明本发明的精神，任何所属技术领域中的普通技术人员在了解本发明的实施例后，当可由本发明所教示的技术，加以改变及修饰，其并不脱离本发明的精神与范围。
关于本文中所使用的用词(terms)，除有特别注明外，通常具有每个用词使用在此领域中、在本发明的内容中与特殊内容中的平常意义。某些用以描述本发明的用词将于下面或在此说明书的别处讨论，以提供本领域技术人员在有关本发明的描述上额外的引导。
关于本文中所使用的『包含』、『包括』、『具有』、『含有』等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
关于本文中所使用的『实施例』，是指某一特定的特征、结构、实施方式或技术特点可应用于本发明的至少一实施例当中。因此，本文中所述的『实施例』所指涉的可非同一实施例。此外，前述的特定的特征、结构、实施方式或技术特点可在一或多个实施例之间适当地结合。
关于本文中所使用的『耦接』或『连接』，均可指二或多个组件或装置相互直接作实体接触，或是相互间接作实体接触，亦可指二或多个组件或装置相互操作或动作。
图1为基于本发明一实施例所绘示的光学投射系统100的示意图。该光学投射系统100包含一图像传感器110、一发光电路120、一处理器130以及一红外线传感器140。在一些实施例中，该图像传感器110、该发光电路120以及该红外线传感器140都电性耦接于该处理器130。该发光电路120包含一图案产出装置121以及一相位调制装置122。应注意的是，该处理器130可电性耦接于至少一内存(图中未示)以获取多个指令。通过执行这些指令，该处理器130可与该光学投射系统100当中的其他组件协同运作以执行某些预定程序，由该处理器130执行的这些预定程序将于下面段落中详细解释。
应注意的是，在一些实施例中，该光学投射系统100可整合于一行动装置当中。借此，该图像传感器110、该发光电路120以及该红外线传感器140可被设置以指向该行动装置的某个特定方向。例如，该光学投射系统100可指向该行动装置的前侧，当一用户握持该行动装置时，该图像传感器110、该发光电路120以及该红外线传感器140可指向该使用者的脸部。
图2为基于本发明一实施例所绘示的光学投射方法的步骤流程图。该光学投射方法可由图1图所示的光学投射系统100所实施，因此，请一并参考图1所示的光学投射系统100当中的各部件组成。该光学投射方法的各步骤将于下面段落中详细解释。
步骤S201：通过该图像传感器110获取一目标物件的一图像。
如图1所示的实施例，该图像传感器110可为但不限于一色彩(RGB)传感器(或照相机)，其具有一视角。在该视角中，该图像传感器110可获取具有色彩的多个图像。其获取的这些图像当中包含至少一目标物件，该至少一目标物件可为生物体的一部份(例如，人类的脸部)或者背景的一部份(例如，桌面上的硬币)。在上述实施例中，当该光学投射系统100指向该行动装置上的一方向，由该图像传感器110获取的这些图像中可包含该用户的身体的一部分信息，例如脸部信息。在此实施例中，该使用者的身体的该部分可为这些图像中的该至少一目标物件。为了更佳地理解本发明，请一并参照图3A，其为基于本发明一实施例所绘示的该图像传感器110获取的一图像的示意图。如图3A所示，由该图像传感器110获取的一图像中包含背景部分以及一人类脸部。
步骤S202：通过该处理器130分析该图像以判断该目标物件的一尺寸。
承前所述，该图像传感器110可获取具有色彩的这些图像，由该图像传感器110获取的这些图像可被传输至该处理器130以供分析。详细而言，该处理器130可分析该至少一目标物件的一尺寸。例如，若图像传感器110获取如图3A所示的该图像，该处理器130可选定该使用者的脸部作为该至少一目标物件并判断该至少一目标物件的尺寸。如图3A以及图3B所示，通过可通过下列步骤推算该使用者的脸部的该尺寸。应理解，图3B亦为基于本发明一实施例所绘示的该图像传感器110获取的一图像的示意图。
首先，在被获取的该图像当中，该处理器130可检测该至少一目标物件的多个边缘。承前所述，由该图像传感器110获取的该图像具有色彩信息(例如，各像素对应的数值)。在一些实施例中，该处理器130可辨认该图像中的某些像素(或点)之间的亮度或色彩具有大幅变化或不连续之处，借以检测该目标物件的边缘。举例而言，对象的某些部分，例如人类的肢体或屋前的草地等，应当具相近的色彩或亮度。因此，通过分析该影像中的色彩信息，该处理器130可大致判断该影像中的对象的边缘。如图3B的实施例所示，通过人脸肤色与背景颜色的色彩对比度差异，该处理器130可执行该使用者脸部的边缘检测(亦即，图中的虚线标示部位)。
应理解，前述的边缘检测方法仅是本发明的一示例而已，其他可行的边缘检测方法亦应包含于本发明的保护范围当中。
其次，该处理器130可分析该图像以定位该至少一目标物件。应注意的是，在一些实施例中，当该至少一目标物件的位置被确定时，该处理器130可调整该图像传感器110的焦距以聚焦于该至少一目标物件。借此，该图像传感器110可获取具更高清晰度的该至少一目标物件的多个影像。在此状况下，该处理器130可于更高清晰度的这些影像中再检测该至少一目标物件的多个边缘。
再者，依据该至少一目标物件的这些边缘，该处理器130可进一步计算该至少一目标物件的该尺寸。详细而言，该至少一目标物件的该尺寸可依据该至少一目标物件在这些影像中对应的像素数量计算之。举例而言，当判断出该至少一目标物件的这些边缘后，计算这些边缘的内部区域所覆盖的像素数量为一第一数量，其对应于该至少一目标物件。依据被获取的这些影像的分辨率，可获取这些影像包含的全部像素数量，其为一第二数量。通过计算该第一数量以及该第二数量的一比例，可获取该至少一目标物件的该尺寸。如图3A的实施例所示，依据前述程序，可计算出对应于该使用者的脸部的该尺寸。
步骤S203：通过该处理器130控制该发光电路120以发射一光学图案，并依据该目标物件的该尺寸扇出该光学图案以覆盖该目标物件。
如图1的实施例所示，该发光电路120可用以发射多个光束以形成一光学图案。应注意的是，该发光电路120可用以将该光学图案投射于该至少一目标物件上。该发光电路120可通过若干方式发射这些光束。为了更佳地理解本发明，下面段落中将列出数种示例，然而，应理解，这些示例并非用以限定本发明。
在一些实施例中，为了形成该光学图案，该发光电路120可包含一边射型激光(Edge Emitting Laser,EEL)光源。如图1所示，该发光电路120包含该图案产出装置121以及该相位调制装置122。为了更佳地理解本发明，请一并参照图4A。图4A为基于本发明一实施例所绘示的图1中的该图案产出装置121的示意图。在图4A的实施例中，该发光电路120激光包含一边射型激光源121a、一透镜121b以及一贴砖状衍射光学元件(tile diffractiveoptical element)121c。如图4A激光图所示，该边射型激光源121a、该透镜121b以及该贴砖状衍射光学元件121c三者呈列状设置，在此设置下，由该边射型激光源121a发射出的激光可经由该透镜121b被导引至该贴砖状衍射光学元件121c。应注意的是，该贴砖状衍射光学元件121c是用以将投射于其上的准直激光束衍射为具特定结构形状的若干激光束。当这些激光束被投射于物件时，这些激光束的落点将于该对象的至少一表面上形成该特定结构形状。
图4B为基于本发明一实施例所绘示的图1中的该图案产出装置121以及该相位调制装置122的设置的示意图。如图4B所示的实施例，该相位调制装置122设置于如图4A所示的该贴砖状衍射光学元件121c的一侧。如图4B所示，该边射型激光源121a、该透镜121b、该贴砖状衍射光学元件121c以及该相位调制装置122四者呈列状设置。该相位调制装置122是用以调制投射于其上的激光束。因此，通过该相位调制装置122，由该贴砖状衍射光学元件121c衍射出的该光学形状可被扇出，成为对应该光学形状的多个复制图案，如图4B所示。
图4C为基于本发明另一实施例所绘示的图1中的该图案产出装置121以及该相位调制装置122的设置的示意图。在一些实施例中，该发光电路120可仅包含该边射型激光源121a以及该贴砖状衍射光学元件。如图4C所示，该边射型激光源121a以及该贴砖状衍射光学元件121c两者呈列状设置，在此设置下，由该边射型激光源121a发射出的非准直激光可直接被导引至该贴砖状衍射光学元件121c。该贴砖状衍射光学元件121c可将该非准直激光束衍射为具特定结构形状的若干激光束。该相位调制装置122用以扇出该光学形状为相应的多个复制图案，如图4C所示。
在一些实施例中，为了形成该光学图案，该发光电路120可包含一垂直腔面发射激光(vertical cavity surface emitting laser,VCSEL)阵列。为了更佳地理解本发明，请一并参照图5A。图5A为基于本发明一实施例所绘示的图1中的该发光电路120的示意图。如图5A所示的实施例，该发光电路120包含一垂直腔面发射激光阵列121d以及一透镜121e。如图5A所示，该垂直腔面发射激光阵列121d以及该透镜121e两者呈列状设置，在此设置下，由该垂直腔面发射激光阵列121d发射出的激光可被导引至该透镜121e。应注意的是，该垂直腔面发射激光阵列121d用以依据特定结构形状发射激光束，当这些激光束经由该透镜121e被投射于物件时，这些激光束的落点将于该对象的至少一表面上形成该特定结构形状。
图5B为基于本发明一实施例所绘示的图1中的该图案产出装置121以及该相位调制装置122的设置的示意图。图5B所示的实施例，该相位调制装置122设置于如图5A所示的该透镜121e的一侧。如图5B所示，该垂直腔面发射激光阵列121d、该透镜121e以及该相位调制装置122三者呈列状设置，该相位调制装置122用以扇出投射于其上的激光束。因此，通过该相位调制装置122，由该垂直腔面发射激光阵列121d发射出的该光学形状可被扇出为对应该光学形状的多个复制图案，如图5B所示。
图5C为基于本发明另一实施例所绘示的图1中的该图案产出装置121以及该相位调制装置122的设置的示意图。在一些实施例中，该发光电路120可仅包含该垂直腔面发射激光阵列121d。如图5C所示，由该垂直腔面发射激光阵列121d激光发射的非准直激光可直接被导引至该相位调制装置122，该相位调制装置122可将该非准直激光束衍射为具特定结构形状的若干激光束。因此，通过该相位调制装置122，由该垂直腔面发射激光阵列121d发射的该光学形状可被扇出为相应的多个复制图案，如图5C所示。
应注意的是，在如图4B-4C以及图5B-5C所示的实施例中，该相位调制装置122用以沿一水平方向扇出该光学形状为相应的这些复制图案，然而本发明并不以此为限。在一些实施例中，该光学形状可沿一垂直方向被扇出为相应的多个复制图案。因此，应当理解，在本发明的不同实施例中，通过设置多个相位调制装置122，该光学形状可同时于水平方向以及垂直方向上被扇出为相应的多个复制图案。
此外，在如图4B-4C以及图5B-5C所示的实施例中，该相位调制装置122可具有若干种不同的实施方式。在一些实施例中，该相位调制装置122可由间距可调式(tunablepitches)的光学衍射组件所实施，在此设置下，投射于该相位调制装置122的激光束将经特定间距的光栅而衍射。在一些实施例中，该相位调制装置122可由一迭代傅立叶变换算法(iterative Fourier transform algorithm,IFTA)所实施，在此设置下，投射于该相位调制装置122的激光束将因特定电场分布的影响而衍射。
如图3A以及图3B所示的实施例，该处理器130可选定该使用者的脸部作为该至少一目标物件并判断该至少一目标物件的该尺寸。在一些实施例中，该处理器130可用以控制该发光电路120，借以向该行动装置前侧的该用户扇出对应于该光学形状的这些复制图案。应理解，为了更佳的能源效率，由该发光电路120扇出的这些复制图案应当仅投射于该使用者的脸部即可，而非散布于整体空间中。在一些实施例中，对应于该光学形状的这些复制图案具有一尺寸，该尺寸可匹配(大致上等于)于该使用者的脸部的该尺寸。换言之，若能控制该发光电路120的一投射视角(field of view,FOV)仅聚焦于该至少一目标物件上，应为较佳的光束投射方式。
如前述实施例所示，该目标物件的该尺寸可通过计算该目标物件的边缘内部与整体影像所包含的像素数的比值而获取之。如图3A以及图3B所示的实施例，若该图像传感器110的一视角大致为60度，该影像的一宽度为720像素，而该使用者的脸部的一宽度为360像素。在此实施例中，可依据以下公式计算用以覆盖该使用者的脸部的一投影视角大致为32.2度，该计算公式可表示为：θ＝2*arctan(tan(FOV/2)*h/H)，其中，θ为该投影视角，h为该目标物件的该宽度，H为该影像的该宽度。亦即，若以该发光电路120完全覆盖该影像获取范围的一完整视角为60度，可推算该发光电路120用以覆盖该用户的脸部的该投影视角大致为32.2度，大约为该完整视角的一半数值。
应理解，前述的各数值仅为本发明的一示例而已，在一些实施例中，投射视角范围、该目标物件的宽度以及长度可包含其他数值。
为了更佳地理解本发明，请一并参照图6。图6为基于本发明一实施例所绘示的一投射范例的示意图。如图6所示的该图像类似于图3A以及图3B的实施例，该处理器130选定该使用者的脸部作为该至少一目标物件。在一些实施例中，若该发光电路120配置的为垂直腔面发射激光光源，如图5A-5B所示，，由该发光电路120发射的该光学图案大致可覆盖的角度为10.61度。承前所述，该发光电路120可覆盖该用户的脸部的该投影视角大致为32.2度。亦即，若欲以不相互重叠的这些复制图案覆盖该用户的脸部，所需的复制图案数量大致为3个，该复制图案的数量可依据以下公式计算：N＝sin(θ/2)/sin其中，N为初步结果，θ为该投影视角，为单一光学图案所能覆盖的视角。应注意的是，该复制图案的数量应为大于该初步结果N的最小整数值。亦即，为了覆盖该使用者的脸部，该处理器130可控制该发光电路120以沿该水平方向扇出该光学图案为三个复制图案，借此，由该发光电路120投射出的光点可有效地覆盖于该使用者的脸部上。
承前所述，在一些实施例中，通过多个相位调制装置122的设置，该光学形状可同时于水平方向以及垂直方向上被扇出为相应的多个复制图案。因此，若该处理器130判断须沿两个方向扇出这些复制图案方能匹配该至少一目标物件的该尺寸，进而覆盖该至少一目标物件，该处理器130可控制该光电路120当中的这些相位调制装置122以沿两个方向扇出这些复制图案。在此配置下，无论该至少一目标物件的该尺寸为何，该处理器130皆可判断出有效的投射方式，使这些复制图案得以覆盖该至少一目标物件。
为了更佳地理解本发明，请一并参照图7。图7为基于本发明一实施例所绘示的一投射范例的示意图。应注意的是，在一些实施例中，由该发光电路120投射的这些复制图案为可相互重叠的。详细而言，依据应用的需求或该目标物件的该尺寸，该发光电路120可发射激光束以形成相互重叠的这些复制图案，借此，可较佳地以密度更高的光点散布来覆盖该目标物件。例如，如图中所示，若判断一目标物件(例如用户脸部)须以两个半的复制图案方能覆盖，该发光电路120仍可发射激光以形成三个部分重叠的复制图案。借此，形成这些复制图案的光点将更紧密的散布于该目标物件上。应理解，以更高密度的光点散布覆盖该使用者的脸部有助于提升脸部辨识的准确率。
步骤S204：通过一红外线传感器140接收投射于该至少一目标物件上的该光学图案，并通过该处理器130计算该红外线传感器140与该至少一目标物件之间的一距离，或依据接收的该光学图案的一形变量来计算该目标物件的一深度图。
如前述实施例，该发光电路120可用以沿该水平方向扇出该光学图案为三个复制图案。激光在此状况下，位于该行动装置前侧的该用户的脸部将由激光点所覆盖。换言之，本发明可有效地将该光学图案散布于该用户的脸部上。借此，该红外线传感器140可检测这些光学图案投射于该用户的脸部上的一结构形状。由于该使用者的脸部为具有复杂轮廓的一表面，投射于该使用者的脸部的这些光学图案可能产生形变，该红外线传感器140可获取这些光学图案的该形变。依据这些光学图案的该形变，该处理器130可计算投射于使用者的脸部上的各激光点的深度。借此，该处理器130可获取该使用者的脸部几何并据以建构一深度图。应注意的是，本发明的技术亦可实施于除人脸辨识之外的其他领域。承前所述，该处理器130可控制该发光电路120以更有效率的方式扇出这些光学图案，使这些光学图案仅覆盖于感兴趣对象(例如，人物脸部)上。相较于现有技术，以本发明实施对象辨识的效率可大幅提升。
虽然本发明以实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的权利要求所界定者为准。
【符号说明】
100：光学投射系统
110：图像传感器
120：发光电路
121：图案产出装置
122：相位调制装置
130：处理器
140：红外线传感器
S201～S204：步骤流程
121a：边射型激光源
121b：透镜
121c：贴砖状衍射光学元件
121d：垂直腔面发射激光阵列
121e：透镜

Claims (11)

1.一种光学投射系统，包含：
一图像传感器，用以获取一目标物件的一图像；
一发光电路；以及
一处理器，电性耦接于所述图像传感器以及所述发光电路，所述处理器用以：
分析所述图像以判断所述目标物件的一尺寸；以及
控制所述发光电路以发射一光学图案，并依据所述目标物件的所述尺寸扇出所述光学图案以覆盖所述目标物件。
2.根据权利要求1所述的光学投射系统，其特征在于，所述发光电路包含：
一图案产出装置，包含一光源，所述光源用以发射多个光束以形成所述光学图案；以及
一相位调制装置，用以调制这些光束以形成对应所述光学图案的多个复制图案，以扇出所述光学图案。
3.根据权利要求2所述的光学投射系统，其特征在于，对应所述光学图案的这些复制图案当中至少两者相互重叠。
4.根据权利要求2所述的光学投射系统，其特征在于，所述光源为一边射型激光源，且所述图案产出装置还包含：
一贴砖状衍射光学元件，用以衍射这些光束以形成所述光学图案，并导引由这些光束形成的所述光学图案至所述相位调制装置，
其中这些光束为多个非准直光束。
5.根据权利要求2所述的光学投射系统，其特征在于，所述光源为一边射型激光源，且所述图案产出装置还包含：
一透镜，用以导引这些光束为多个准直光束；以及
一贴砖状衍射光学元件，用以衍射这些准直光束以形成所述光学图案，并导引由这些光束形成的所述光学图案至所述相位调制装置。
6.根据权利要求2所述的光学投射系统，其特征在于，所述光源为一垂直腔面发射激光阵列，且这些光束为多个激光非准直激光束。
7.根据权利要求2所述的光学投射系统，其特征在于，所述光源为一垂直腔面发射激光阵列，且所述图案产出装置还包含：
一透镜，用以导引由这些光束形成的所述光学图案至所述相位调制装置。
8.根据权利要求2所述的光学投射系统，其特征在于，所述处理器分析所述图像以判断所述目标物件的所述尺寸至少包含：
依据所述图像检测所述目标物件的多个轮廓；以及
依据所述目标物件的这些轮廓计算所述目标物件的所述尺寸。
9.根据权利要求2所述的光学投射系统，其特征在于，所述处理器控制所述发光电路以扇出所述光学图案至少包含：
判断以所述光学图案覆盖所述目标物件的所述尺寸的一投射视角；以及
控制所述发光电路调制这些光束，以依据所述投射视角形成对应所述光学图案的这些复制图案。
10.根据权利要求1所述的光学投射系统，还包含：
一红外线传感器，用以接收投射于所述目标物件上的所述光学图案，
其中所述处理器还用以计算所述红外线传感器与所述目标物件之间的一距离，或依据接收的所述光学图案的一形变量计算所述目标物件的一深度图。
11.根据权利要求1所述的光学投射系统，其特征在于，被扇出的所述光学图案的一尺寸匹配于所述目标物件的所述尺寸。
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