CN110579749A - 飞行时间测距装置以及辨识图像的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种飞行时间测距装置以及利用飞行时间测距装置辨识图像的方法，其中飞行时间测距装置包括：一红外光发射器以及一红外光接收器，其中该红外光发射器沿着一第一方向(X轴)发射一红外光，一直角三棱镜，设置于一可动基座上，其中该红外光通过该直角三棱镜，以及一第一致动器以及一第二致动器，分别设置于该可动基座旁，其中藉由启动该第一致动器，使得该直角三棱镜朝着一第二方向(Y轴)倾斜，藉由启动该第二致动器，使得该直角三棱镜朝着一第三方向(Z轴)倾斜，且该第二方向与该第三方向皆与该第一方向垂直。本发明利用致动器来控制直角三棱镜的角度，进而改变红外光的照射角度，使得飞行时间测距装置具有扫描的功能。

Description

飞行时间测距装置以及辨识图像的方法
技术领域
本发明有关于光学领域，尤其是一种改良式的飞行时间测距装置，以及利用上述飞行时间测距装置辨识图像的方法。
背景技术
飞行时间测距(time-of-flight，TOF)装置为一种立体感测装置。其原理在于发射光源(例如红外光)至目标物，再接收经目标物反射回来的红外光，藉由计算红外光发射与接收的时间差，来判定装置与目标物之间的距离。
其中飞行时间测距装置的红外光接收区域包含有许多感光区阵列，每一感光区可以代表一像素(pixel)，也就是说，上述感光区的数量多寡即代表飞行时间测距装置的解析度高低。感光区的数量愈多，则飞行时间测距装置的解析度愈高。
然而，由于上述经目标物反射回来的红外光的光强度将会减弱，因此每一感光区应维持一定面积，方能有效接收反射后的红外光。如此一来在单位总面积不变的情况下，感光区的数量将受到限制，也就是说解析度将无法有效提高。以目前技术来说，飞行时间测距装置的解析度难以超过标准VGA(Video Graphics Array)画质，也就是640×480。而多数飞行时间测距装置的解析度为320×240甚或至更低的解析度。
因此，在目前技术中，飞行时间测距装置的解析度不足，不利于应用在人脸辨识的功能上。举例来说，请参考图1，其绘示一解析度不足的飞行时间测距装置应用于人脸辨识功能所的示意图。如图1所示，提供一飞行时间测距(TOF)装置100设置于一闸门102上，当一目标物104接近闸门102时启动TOF装置100并进行人脸辨识。然而，若目标物104距离闸门较远距离(L1，例如为3米或更远距离)就启动TOF装置100，所辨识的人脸面积过小而且解析度不足，无法清楚得知人脸的细部特征，进而影响后续的身份认证。而另一方面，若等目标物104距离闸门较近距离时(例如L2，假设为1米或更近距离)才启动TOF装置100，虽然可以较清楚判断局部人脸的细部特征，但是此时又可能面临人脸面积超出画面的问题。
因此，若能提高飞行时间测距装置的解析度，将可有效解决上述问题。
发明内容
本发明提供一种飞行时间测距(time-of-flight，TOF)装置，包含一红外光发射器以及一红外光接收器，其中该红外光发射器沿着一第一方向发射一红外光，一直角三棱镜，设置于一可动基座上，其中该红外光通过该直角三棱镜，以及一第一致动器以及一第二致动器，分别设置于该可动基座旁，其中藉由启动该第一致动器，使得该直角三棱镜朝着一第二方向倾斜，藉由启动该第二致动器，使得该直角三棱镜朝着一第三方向倾斜，且该第二方向与该第三方向皆与该第一方向垂直。
本发明另提供一种利用飞行时间测距(time-of-flight，TOF)装置辨识图像的方法。首先，提供一飞行时间测距装置，该飞行时间测距装置包含有一红外光发射器以及一红外光接收器，其中该红外光发射器沿着一第一方向发射一红外光，一直角三棱镜，设置于一可动基座上，其中该红外光通过该直角三棱镜，以及一第一致动器以及一第二致动器，分别设置于该可动基座旁，其中藉由启动该第一致动器，使得该直角三棱镜朝着一第二方向倾斜，藉由启动该第二致动器，使得该直角三棱镜朝着一第三方向倾斜，且该第二方向与该第三方向皆与该第一方向垂直。接着，当一目标物靠近该飞行时间测距装置时，启动该飞行时间测距装置，辨识该目标物的第一范围，并取得一第一立体辨识结果图，然后藉由启动该第一致动器以及该第二致动器，调整该直角三棱镜的角度，并且改变该红外光的照射角度，接下来，在该红外光的照射角度被改变后，辨识该目标物的第二范围，并取得一第二立体辨识结果图。
本发明提供一种改良式的飞行时间测距装置，利用致动器来控制直角三棱镜的角度，进而改变红外光的照射角度，使得飞行时间测距装置具有扫描的功能。原先飞行时间测距装置的解析度与可检测范围为一固定值，若使用扫描功能，将目标物分成不同区域且分别进行扫描辨识，再将不同区域的辨识结果进行合成，即可得到一完整的扫描图案。如此一来解析度与检测范围都会大幅提升。
附图说明
图1为一解析度不足的飞行时间测距装置应用于人脸辨识功能所的示意图。
图2为本发明的飞行时间测距装置结构示意图。
图3为将本发明改良式的飞行时间测距装置应用于人脸辨识的示意图。
图4为本发明利用飞行时间测距装置辨识图像的流程图。
附图标记：
100 飞行时间测距装置
102 闸门
104 目标物
200 飞行时间测距装置
202 主要部分
204 直角三棱镜
206 可动基座
208A 第一致动器
208B 第二致动器
W 横向像素数量
H 纵向像素数量
S1、S2、S3、S4、S5 步骤
具体实施方式
为使熟习本发明所属技术领域的技术人员能更进一步了解本发明，下文特列举本发明的较佳实施例，并配合所附附图，详细说明本发明的构成内容及所欲达成的功效。
为了方便说明，本发明的各附图仅为示意以更容易了解本发明，其详细的比例可依照设计的需求进行调整。在文中所描述对于图形中相对元件的上下关系，本领域技术人员皆应能理解其是指物件的相对位置而言，因此皆可以翻转而呈现相同的构件，此皆应同属本说明书所揭露的范围，在此容先叙明。
本发明提供一种改良式的飞行时间测距装置，可以解决上述背景技术段落中所提到的问题。首先，请参考图2，其为本发明的飞行时间测距装置结构示意图。如图2所示，本发明的飞行时间测距装置200至少包含有一主要部分202以及一直角三棱镜204，直角三棱镜204设置于一可动基座206上，且第一致动器208A与第二致动器208B分别设置于可动基座206旁(例如分别沿着图2中的Y轴以及Z轴设置)。其中，主要部分202包含有一光源发射装置以及一光源接收装置，其中光源发射装置例如为红外光发射装置，而光源接收装置例如为红外光接收装置。红外光发射装置用以发射单一道激光红外光或同时发射多道激光红外光，所发射的红外光照射一目标物后将会被反射。一般来说，红外光接收器包含有感光区阵列，用来接收经目标物反射后的红外光，此外主要部分202还包含有存储器与处理器，用来记录红外光发射与接收的时间差，并且计算出装置与目标物之间的距离。简单来说，本发明所述的飞行时间测距装置200中的主要部分202与一现有的飞行时间测距装置具有相同的功能，也就是利用发射与接收红外光，来计算目标物的距离与深度。由于飞行时间测距装置为目前已知技术，因此在此不多加赘述。
如前所述，为了能有效接收反射后的红外光，目前飞行时间测距装置的解析度将会受到限制。关于本发明中的飞行时间测距装置200的主要部分202，其所拥有的最高解析度为W×H。此处W为飞行时间测距装置的画面的横向像素数量，而H为飞行时间测距装置的画面的纵向像素数量。举例来说，以目前技术来看，本实施例中设定主要部分202所能拥有的最高解析度为320×240，但本发明不限于此。换句话说，在本发明中，改良后的飞行时间测距装置200是由一个解析度为W×H的主要部分202(此部分等于一现有的完整飞行时间测距装置)再加上其他部分(例如直角三棱镜204、可动基座206与致动器)所组成。
其中，直角三棱镜204将会设置在可动基座206上，另包含两个致动器，分别定义为第一致动器208A与第二致动器208B，分别设置于可动基座206旁的两个不同方向。第一致动器208A与第二致动器208B包含音圈电机(Voice Coil Motor，VCM)、微机电系统(MicroElectro Mechanical System，MEMS)、记型合金(Shape Memory Alloys,SMA)或是其他电控装置，包含藉由信号控制产生结构变化的装置。本实施例中藉由启动第一致动器208A或第二致动器208B来改变可动基座206的角度，其中可动基座206的可变动角度较佳大于或等于100度，但不限于此。更详细而言，主要部分202所发射的红外光将会沿着一第一方向(例如图2中的X轴)通过直角三棱镜204，经过直角三棱镜204反射后朝向另一方向(例如Z轴)发射，也就是飞行时间测距装置的镜头(图未示)设置在Z轴方向，如此配置可有效利用空间，有利于整体结构的微型化。第一致动器208A设置在可动基座206旁，当启动第一致动器208A时，直角三棱镜204将可沿着一第二方向(例如Y轴)倾斜或旋转。另一方面，第二致动器208B也设置在可动基座206旁，当启动第二致动器208B时，直角三棱镜204将可沿着一第三方向(例如Z轴)倾斜或旋转。其中第一方向、第二方向还有第三方向都互相垂直。因此，藉由启动第一致动器208A或第二致动器208B，可以改变可动基座206与直角三棱镜204的位置或角度，当主要部分202所发射的红外光沿着X轴方向通过直角三棱镜204时，红外光的照射方向将可由直角三棱镜204所控制。
本发明中，藉由调整第一致动器208A与第二致动器208B，可让主要部分202所发出的红外光的照射方向改变，进而达到类似扫描的功效。更详细而言，原先主要部分202的解析度与可检测范围为一固定区域，若使用扫描功能，将目标物分成不同区域且分别依序进行扫描辨识，再将不同区域的辨识结果进行合成，即可得到一完整的扫描图案。举例来说，若将目标物分成四个区域(例如左上区域、右上区域、左下区域、右下区域)分别依序进行辨识，再将各自的辨识结果合成为一张最终辨识图。如此一来检测范围将是原先检测范围的四倍，而解析度也是原先的四倍(也就是2W×2H，若原先解析度为320×240，以四张图合成后的辨识图其解析度应为640×480)。
图3为将本发明改良式的飞行时间测距装置200应用于人脸辨识的示意图。如图3所示，在一闸门102上设置有飞行时间测距装置200，当一目标物104接近飞行时间测距装置200时，启动飞行时间测距装置200并进行人脸辨识。与图1所示的情况不同的是，本实施例中当目标物104足够接近飞行时间测距装置200时(例如距离为L2)，飞行时间测距装置200将会进行多次的人脸辨识步骤，分别对人脸(目标物)的不同区域依序进行辨识，最终再将各区域的辨识结果进行合成。如图3所示，本实施例中将人脸的范围分别四个不同区域，分别为左上区域、右上区域、左下区域以及右下区域，并且分别进行扫描辨识，每一个区域都各自拥有W×H的解析度。值得注意的是，其中辨识每一个区域的步骤都包含由飞行时间测距装置200发射一红外光，照射人脸的部分范围，然后经人脸反射后的该红外光被飞行时间测距装置200的红外光接收器所接收，以及藉由测量红外光发射与接收的时间差，计算人脸的距离与深度，并得到一立体辨识结果图。此外，上述的不同区域彼此之间可以完全不互相重迭，或是彼此之间有部分重迭(例如靠近边界部分)。以本实施例将人脸范围分成四个不同区域为例，最终的合成辨识结果具有四倍的解析度，等同于2W×2H，而辨识画面也可容纳完整人脸大小，有利于人脸细部特征的判定与后续的身份认证步骤。
可理解的是，上述方法中将目标物(例如人脸)分成四个区域，然后分别依序进行人脸辨识步骤。但在本发明的其他实施例中，可以将目标物分成较多或是较少的区域，区域的数量只需要满足两个以上皆属于本发明的涵盖范围。因此，本发明提供一种具有更高解析度的飞行时间测距装置结构，以及提供利用上述结构辨识一目标物的方法。举例来说，本发明的飞行时间测距装置200的主要部分202原先拥有的最高解析度通常不会超过640×480，例如为320×240，然而经过扫描不同区域，然后再将各区域的辨识结果合成之后，最终辨识结果图案的解析度将会大于或等于640×480，例如为1280×960或更高的解析度。
本发明进行辨识的流程图可以参考图4，其绘示本发明利用飞行时间测距装置辨识图像的流程图，首先如步骤S1，目标物(例如人脸)靠近飞行时间测距装置，接着如步骤S2，启动飞行时间测距装置，检测目标物的一第一范围，并得到一第一立体辨识结果图，再来如步骤S3，藉由启动第一致动器以及第二致动器，调整直角三棱镜的角度，并且改变红外光的照射角度。接下来，如步骤S4，在红外光的照射角度被改变后，启动飞行时间测距装置，辨识目标物的第二范围，并取得一第二立体辨识结果图，之后如步骤S5，将第一立体辨识结果图与第二立体辨识结果图合成为一最终立体辨识结果图。值得注意的是，在图4的流程中将目标物分别两个不同区域分别进行辨识，因此分别产生第一立体辨识结果图与第二立体辨识结果图，但是在本发明的其他实施例中，可以将目标物分成更多区域，而将会产生更多的立体辨识结果图，也就是说在步骤S4与步骤S5之间可能包含有其他的调整直角三棱镜步骤以及人脸辨识步骤，最后再将所有的立体辨识结果图合成。如此一来，最终合成而得到的立体辨识结果图将会有更高的解析度。此步骤也属于本发明的涵盖范围内。
综上所述，本发明提供一种改良式的飞行时间测距装置，利用致动器来控制直角三棱镜的角度，进而改变红外光的照射角度，使得飞行时间测距装置具有扫描的功能。原先飞行时间测距装置的解析度与可检测范围为一固定值，若使用扫描功能，将目标物分成不同区域且分别进行扫描辨识，再将不同区域的辨识结果进行合成，即可得到一完整的扫描图案。如此一来解析度与检测范围都会大幅提升。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (15)

1.一种飞行时间测距装置，其特征在于，包括：
一红外光发射器以及一红外光接收器，其中该红外光发射器沿着一第一方向发射一红外光；
一直角三棱镜，设置于一可动基座上，其中该红外光通过该直角三棱镜；以及
一第一致动器以及一第二致动器，分别设置于该可动基座旁，其中藉由启动该第一致动器，使得该直角三棱镜朝着一第二方向倾斜，藉由启动该第二致动器，使得该直角三棱镜朝着一第三方向倾斜，且该第二方向与该第三方向皆与该第一方向垂直。
2.如权利要求1所述的飞行时间测距装置，其特征在于，该第一致动器与该第二致动器包含音圈电机VCM、微机电系统MEMS或记型合金SMA。
3.如权利要求1所述的飞行时间测距装置，其特征在于，该可动基座的可变动角度大于或等于100度。
4.如权利要求1所述的飞行时间测距装置，其特征在于，该红外光发射器发射的该红外光，经过该直角三棱镜反射后，朝向该第三方向照射。
5.如权利要求4所述的飞行时间测距装置，其特征在于，该红外光照射至外部一目标物，经该目标物反射后的红外光被该红外光接收器所接收。
6.如权利要求1所述的飞行时间测距装置，其特征在于，该飞行时间测距装置的解析度小于或等于640×480。
7.一种利用飞行时间测距装置辨识图像的方法，其特征在于，包括：
提供一飞行时间测距装置，该飞行时间测距装置包含有：
一红外光发射器以及一红外光接收器，其中该红外光发射器沿着一第一方向发射一红外光；
一直角三棱镜，设置于一可动基座上，其中该红外光通过该直角三棱镜；
一第一致动器以及一第二致动器，分别设置于该可动基座旁，其中藉由启动该第一致动器，使得该直角三棱镜朝着一第二方向倾斜，藉由启动该第二致动器，使得该直角三棱镜朝着一第三方向倾斜，且该第二方向与该第三方向皆与该第一方向垂直；
当一目标物靠近该飞行时间测距装置时，启动该飞行时间测距装置，辨识该目标物的第一范围，并取得一第一立体辨识结果图；
藉由启动该第一致动器以及该第二致动器，调整该直角三棱镜的角度，并且改变该红外光的照射角度；
在该红外光的照射角度被改变后，辨识该目标物的第二范围，并取得一第二立体辨识结果图。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，更包含将该第一立体辨识结果图以及该第二立体辨识结果图合成为一最终立体辨识结果图。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，该最终立体辨识结果图的解析度大于或等于640×480。
10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，该飞行时间测距装置的解析度小于或等于640×480。
11.如权利要求7所述的方法，其特征在于，取得该第一立体辨识结果图的步骤包含：
由该红外光发射器发射一红外光，照射该目标物的部分范围；
经该目标物反射后的该红外光被该红外光接收器所接收；以及
藉由测量该红外光发射与接收的时间差，计算目标物的距离与深度，并得到该第一立体辨识结果图。
12.如权利要求7所述的方法，其特征在于，该目标物的第一范围与该目标物的第二范围彼此不重迭。
13.如权利要求7所述的方法，其特征在于，该目标物的第一范围与该目标物的第二范围彼此部分重迭。
14.如权利要求7所述的方法，其特征在于，该第一致动器与该第二致动器包含音圈电机VCM、微机电系统MEMS或记型合金SMA。
15.如权利要求7所述的方法，其特征在于，该可动基座的可变动角度大于或等于100度。
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