KR20120101520A - 범위 기초 감지 - Google Patents

Abstract

측정 장치들은 특정 범위들 또는 깊이 체계에서 사용하도록 맞추어진 구조화된 광의 패턴들을 투영할 수 있다. 무대에서 검출된 광 지점들은 예컨대 스마트폰 또는 PDA에 대한 인터페이스로서 간단하고 저비용의 제스처 인식 시스템을 제공하도록 소정 패턴 원형들과 비교될 수 있다. 구조화된 광 발생기는 타이밍 제어에 따라서 자동으로 또는 조사된 무대로부터 감지된 정보에 반응하는 적응식으로 상기 제 1 및 제 2 구조화된 패턴들 사이에서 전후로 전환되도록 적응될 수 있다. 대안으로 구조화된 광 발생기는 제 1 및 제 2 패턴들을 동시에 투영하도록 적응될 수 있다. 개별 광 발생기들은 상이한 패턴들에 대해서 사용되거나 또는 대안으로 구성요소들은 공유될 수 있다.

Description

범위 기초 감지{RANGE BASED SENSING}

본 발명은 범위 기초 감지에 관한 것이며, 특히 비-배타적으로 다중의 상이한 작업 범위에서의 범위 기초 감지에 관한 것이다.

구조화된 광 투영을 사용하는 측정 디바이스(ranging device)의 유효 작업 범위는 통상적으로 여러 설계 변수들에 의해서 결정되고, 이러한 작업 범위 정확성 및 일치성 밖은 감소되거나, 또는 디바이스의 실행에 의존하는 유효 측정이 가능할 수 없다.

출원인의 WO 2004/0044525는 상이한 범위들 사이의 불명료성을 해결하기 위하여 배열된 스폿 보호기 및 검출기를 사용하는 측정 장치에 대해서 기술하고 있다.

본 발명의 목적은 개선된 측정 장치 및 관련 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 제 1 형태에 따라서, 측정 장치가 제공되며, 이 측정 장치는

무대를 광 지점들의 제 1 구조화된 패턴 및 광 지점들의 제 2 구조화된 패턴으로 조사하도록 적응된 구조화된 광 발생기로서, 상기 제 1 및 제 2 패턴은 상이한 범위들에서 작동하도록 구성되는 상기 광 발생기;

무대에 투영된 광 지점들의 위치를 검출하기 위한 검출기; 및

상기 무대에 투영된 지점의 검출된 위치로부터 상기 지점까지의 범위를 결정하기 위한 프로세서를 포함한다.

상이한 작용 범위에 걸쳐 유효 측정 또는 깊이 결정을 제공하도록 최적화된 상이한 구조화된 광 패턴들을 제공함으로써, 전체 작용 범위가 증가된다. 2개의 상이한 광 패턴들의 상이한 작용 범위 또는 체계(regime)는 중복, 연속되거나 또는 상이한 실시예들에 따른 사용되지 않은 영역 또는 세트 범위에 의해서 분리될 수 있다. 제 3 또는 더욱 상이한 광 패턴들은 주어진 적용예에 적합하게 맞추어지는데 필요할 때 사용될 수 있다.

또한, 양 패턴들로부터 투영된 광 지점들을 검출할 수 있는 단일 검출기를 사용함으로써, 임의의 실시예에 추가 장점이 제공된다. 다시, 임의의 실시예들은 유리하게는 단일 프로세서를 사용할 것이다.

광 지점들의 구조화된 패턴들은 알려진 소정 기하학적 형태에서 복수의 인식가능한 형태를 갖는 패턴들을 지칭하는 것을 이해할 수 있다. 공통 구조화된 광 패턴들은 스폿들의 어레이, 평행 라인들 또는 그리드 라인들을 포함한다. 임의의 실시예에서, 구조화된 광 패턴은 대략의 측정을 제공하기 위하여 단일 광 지점을 포함할 수 있다. 본원에 사용된 용어 "광 지점(light points)"은 이러한 패턴의 임의의 인식가능한 형태를 지칭한다.

구조화된 광 발생기는 타이밍 제어에 따라서 자동으로 또는 조사된 무대로부터의 감지된 정보에 적응식으로 반응하여, 상기 제 1 및 제 2 구조화된 패턴들 사이에서 전후로 전환되도록 적응될 수 있다. 대안으로, 구조화된 광 발생기는 제 1 및 제 2 패턴들을 동시에 투영하도록 적응될 수 있다. 하나 보다 많은 패턴이 동시에 투영되는 실시예에서, 상이한 패턴들에 대응하는 광 지점들은 바람직하게는, 형상, 컬러, 양극화 또는 구성에 의해서 구별가능하다. 개별 광 지점들의 형상은 예로서, 사각형 또는 원형일 수 있고, 컬러는 가시 스펙트럼 내에서 그리고 가시 스펙트럼을 초과하여 모두 변화될 수 있으므로, 검출기에서 파장 변별이 사용될 수 있게 한다. 광 지점들의 구성은 예컨대 사각형 또는 육각형 어레이, 각형성 또는 경사진 어레이에서 지점들의 배열 관점에서 또는 라인 또는 곡선과 같은 추가 패턴 형태들의 도입에 의해서 변화될 수 있다. 모든 패턴 또는 패턴의 일부를 검출함으로써 한 패턴을 다른 패턴으로부터 구별할 수 있게 하는 상이한 패턴들의 광대한 어레이가 가능하다는 것을 이해할 수 있다. 따라서, 검출된 광 지점들 또는 형태들의 이미지 및/또는 파장 분석이 실행될 수 있고, 이 정보는 검출된 지점들, 세트 지점들 또는 형태들이 속하는 패턴을 결정할 때 사용하기 위하여 프로세서로 통과될 수 있다.

단지 하나의 단일 패턴이 일정한 시간에 투영되는 실시예에서, 프로세서는 유리하게는 패턴이 활성인지를 결정할 수 있고, 따라서 투영된 패턴을 제어하는 신호, 예컨대 타이밍 제어 신호로부터 또는 예컨대 구조화된 광 발생기로부터의 상태 출력으로부터 현재 검출된 광 지점들이 속하는 패턴을 결정할 수 있다.

제 1 및 제 2 패턴의 구성은 하기 첨부 도면을 참조하여 더욱 상세하게 기술되는 바와 같이, 시야, 각형성 광 지점 분리, 광 지점들의 수 및 광 출력 파워를 포함하는 변수들의 범위를 적당하게 선택함으로써 양호한 실시예에서 달성될 수 있다. 이들 및 기타 변수들은 광원으로부터 광을 수광하여 구조화된 광의 바람직한 패턴을 출력하도록 적응된 하나 이상의 광원 및 하나 이상의 광 조절기 또는 패턴 발생기를 선택함으로써 적절하게 변화될 수 있다.

일 실시예에서, 상이한 구조화된 패턴들을 생성하도록 제 1 상태 및 제 2 상태 사이에서 구성가능한 패턴 발생기가 사용된다. 그러나, 대안 실시예들은 상이한 구조화된 패턴들을 생성하도록 적응된 제 1 및 제 2 개별 패턴 발생기들을 사용한다. 어느 한 경우에, 동일 광원이 사용되거나 또는 2개 이상의 상이한 광원들이 상이한 구조화된 패턴들이 요구될 때 제공되어서 선택될 수 있다. 따라서, 상이한 구조화된 광 패턴들의 제공은 동일한 구조화된 광 발생기 구성요소들의 일부, 모두를 공유하거나 또는 이중 어느 것도 공유하지 않음으로서 실행될 수 있다.

본 발명의 특정 양호한 실시예는 내부 반사 측면들을 갖는 프리즘형 광 가이드(prismatic light guide)의 입력면을 조사하도록 배열된 광원을 갖는 구조화된 광 발생기를 사용한다. 여기서, 양호하게는 정다각형 단면을 갖는 프리즘형 광 가이드는 그 출력부에서 광원의 다중 이미지들을 생성하기 위하여, 만화경(kaleidoscope)으로서 작용한다. 바람직하게는, 예컨대 조준 렌즈와 같은 투영 광학부는 광 가이드의 출력 단부에 제공되거나 또는 통합되어서 무대 안으로 구조화된 광을 투영한다. 바람직하게는, 광원은 LED 또는 LED들의 어레이를 포함한다. 이렇게 구조화된 광 발생기의 형태는 참조되는 출원인의 WO 2004/044523에서 더욱 상세하게 설명된다.

이러한 실시예에서, 일부 또는 모든 프리즘형 광 가이드는 제 1 및 제 2 광 패턴들의 투영시에 공통으로 사용될 수 있다. 예컨대, 단일 프리즘형 광 가이드는 2개의 상이한 패턴들을 생성하도록 2개의 상이한 광원들에 의해서 조사될 수 있다. 대안으로, 단일의 구성가능한 광원은 상이한 광 입력 패턴들을 생성하도록 제어될 수 있다.

만화경 광 가이드 및 조준 렌즈 구성을 사용하는 일 실시예에서, 파이프의 전체 단면은 조준 렌즈를 위한 유효 광원 방출 영역이다. 인접 비임들은 명확하게 개별적으로 분해되도록 조준 렌즈로부터 적당한 거리로 전파될 때까지 연속적으로 개시된다. 이는 일부 실시예에서 10cm 이상일 수 있는 3D 카메라에 대한 최소 작동 거리를 부여한다.

이러한 제한사항을 극복하기 위하여, 실시예에서 예컨대 도파관 및 조준 렌즈 사이에서 프리즘형 광 가이드의 출력부에 결합된 개구 마스크가 도입될 수 있다. 이는 렌즈 또는 도파관 상의 증착된 금속 코팅을 사용하여 형성될 수 있고 예를 들어 사각형 또는 원형과 같은 다양한 형상일 수 있다. 개구를 원형으로 만들고 파이프 단면의 ~ 50% 직경을 갖는 것이 바람직할 수 있다. 이는 인접 비임들이 투영기를 떠난 후에 즉시 분해될 수 있게 하는, 인접 비임들을 위한 2의 마크-공간비(mark-space ratio)를 제공한다.

광학 손실을 방지하기 위하여, 개구는 반사성 예를 들어 증착된 금속으로 제조되는 것이 바람직할 수 있다. 따라서, 이 개구를 통해서 나오지 않는 임의의 광은 도파관 안으로 뒤로 반사되고 재순환될 수 있다. 개구 마스크는 원하는 광 출력 패턴에 따라서 동작 내에서 그리고 동작으로부터 유리하게 전환될 수 있다.

주어진 단면에 대한 광 가이드의 길이를 짧게 하면, 밀도 감소를 허용하고 따라서 시스템의 시계에서 스폿의 총수를 감소시킬 수 있고 그 반대도 가능하다. 스폿들의 총수(다시 스폿 밀도)는 또한 LED 상의 방출 지점들의 수를 변화시킴으로써 변화될 수 있다. 도파관의 이면(즉, LED 면) 상의 방출 지점들이 더욱 많아지면, 중복된 단위 셀에 비례하여 스폿들의 수를 증가시킬 수 있다. 이러한 기술은 파이프의 오프-세트 축소하는데 사용될 수 있다. 주어진 단면에 대해서 도파관을 축소하는 것은 또한 투영된 스폿 비임 안으로 조준된 광의 집광 각도를 증가시키고 그에 의해서 스폿 광도를 증가시킨다. 즉, 동일한 LED 출력이 지금 더욱 작은 LED 스폿들을 가로질러 분배된다.

임의의 실시예들은 선택가능한 방출 지점들 또는 패턴들의 어레이를 갖는 LED 방출기를 가질 수 있다. 이는 픽셀레이트 어레이(pixelated array)를 사용하여 사전규정되거나 또는 임의로 프로그램될 수 있다. 이는 상이한 3D 스캐닝 범위 또는 대상물의 유형들에 대해서 상이한 투영 패턴을 허용한다. 다수의 투영된 패턴들로 스캐닝하는 것은 스캔 성능의 정확도 및 스캐너 견고성의 개선을 제공한다. 유사한 결과는 예를 들어, 상이한 범위들에 대해서 최적화되는 상이한 패턴을 투영하도록 설계되는 제 2 투영기로써 달성될 수 있다. 이는 상이한 이미지 프레임들에서 수동으로 선택되거나 또는 연속으로 작동할 수 있다. 투영기가 상이한 컬러들이 상이한 패턴들을 갖는 상이한 컬러 LED를 사용하면, 단일 비디오 프레임에서 스캐닝의 인기가 가능할 수 있다. 다수의 이들 형태들은 또한 투영된 패턴 광원으로서 LED 비디오 투영기를 사용하여 달성될 수 있다.

다중 방출 지점들을 갖는 LED는 결과적으로 큰 LED로 귀결되고 또한 전류를 저하시키는 방출 지점들 사이의 데드 스페이스(dead space)의 결과로서 상당한 전력을 소비한다. 크기, 비용 및 전력 효율성을 최적화하기 위하여, 따라서 단일 지점 방출기가 되도록 LED를 축소시키는 것이 유익하다. 스폿 카운트(spot count)를 복구하기 위하여, 도파관의 모양비를 개정하는 것이 필요할 수 있다. 예를 들어, 총면적 2mm x 2mm, 100㎛ 직경 방출기의 4x4 어레이를 갖는 LED가 제안될 수 있다. 이는 LED 면적의 0.0079/4 = 0.002. 99.8%의 총 사용면적이 원칙적으로 광을 방출하지 않고 전류를 당겨서 열을 발생시킨다는 것을 나타낸다. 사실상, 상부 전극 및 접합 패드가 아직 필요하므로, 모든 상기 반도체 면적이 복구되는 것은 아니다.

더욱 많은 광 방출을 얻는 다른 효과적인 방식은 LED 방출 면적을 증가시키는 것이다. 따라서, 무대에 필요한 스폿 전력은 LED 크기를 결정한다. 이는 방출기 면적이 스폿들이 무대에 확실하게 도입될 수 있는 것을 보장하기 위하여 도파관의 폭의 30% 이하인 것이 바람직하므로, 교대로 만화경 파이프 폭을 결정한다.

본질적으로, 반도체 레이저는 LED보다 더욱 효율적이다. LED는 레이저, 선택적으로 확산기 또는 광학부를 대체하여서 만화경 도파관으로 스폿들의 어레이를 형성하기 위하여, 원하는 발산 특성들을 갖는 광 스폿을 생성할 수 있다. 이는 엄격한 촛점맞춤형 렌즈로서 달성될 수 있다. 발산 정도는 타겟 스폿 투영기 패턴과 정합하도록 광학부를 사용하여 최적화되고, 그에 의해서 효율을 극대화할 수 있다. 레이저를 사용하면 또한 출력 전력 및 광 가이드 단면 사이의 의존성을 피할 수 있다.

본 발명의 실시예들은 광원 및 회절 요소를 포함하는 구조화된 광 발생기를 추가로 또는 대안으로 사용할 수 있다. 광원은 양호하게는 레이저 다이오드이다. 일부 실시예에서, 회절 요소 또는 회절 어레이 격자(DAG)는 제 1 상태 및 제 2 상태 사이에서 광 출력을 변화시키도록 제어가능하므로, 결과적으로 제 1 및 제 2 투영 광 패턴을 얻는다. 회절 요소는 기계적으로 전환가능하며, 예를 들어, 하나 이상의 요소들은 제어 신호에 반응하여 광원의 경로 안으로 그리고 광원의 경로로부터 밖으로 이동할 수 있거나 또는 회절 요소는 전자-광학적으로 구성가능할 수 있다. 이는 참조되는 WO 2000/75698에 기재된 프로그램가능한 공간 광 변조기 또는 다중 액세스 컴퓨터 발생 홀로그램을 사용함으로써 가능할 수 있다.

상술한 바와 같이, 투영 기초 범위 감지는 별칭에 의한 유한 범위 능력 또는 깊이 모호성에 국한될 수 있고 그에 의해서 투영된 광 지점 또는 형태의 검출이 하나 이상의 가능한 깊이 또는 범위값에 대응할 수 있다. 상이한 작동 범위들에서 사용하기에 적합한 다중의 상이한 투영 패턴들의 사용에 기초하는 해결방안이 위에 제안되었다. 추가적으로 또는 대안으로, 이에 의해서 동일한 구조화된 광 발생기 및 검출기를 사용함으로써 상이한 작동 범위들에 대한 측정 장치를 눈금교정하는 것이 제안된다. 이는 결과적으로 동일 하드웨어에 대한 다중 눈금교정 파일들이 얻어지게 한다. 소프트웨어 해결방안은 상이한 눈금교정 파일들로써 검출된 스폿 이미지들을 처리하여, 잠재적으로 무대에 대한 다중 범위 맵들을 생성하는데 사용될 수 있다. 알고리즘 방법들, 예컨대 노이즈 여과는 무대의 각 부분에 대한 가장 적당한 데이터를 선택하는데 선택될 수 있다. 각 작동 범위는 한정되지만, 스폿 궤도들이 명확하게 추정되고 사전-눈금교정된 데이터와 상관되는 명확한 작동 윈도우가 있다.

본 발명의 다른 형태에 따라서, 범위 검출 방법이 제공되며, 이 방법은

광 지점들의 적어도 하나의 구조화된 패턴으로 무대를 조사하는 단계; 조사된 무대 내의 광 지점들을 검출하는 단계; 눈금교정 데이터의 복수의 소정 세트로부터 한 세트를 선택하는 단계로서, 상기 데이터 세트가 상이한 깊이 범위들에 대응하는 단계; 및 투영된 지점의 검출 위치로부터 선택된 눈금교정 데이터 세트에 따른 상기 지점에 대한 범위를 결정하는 단계를 포함한다.

양호하게, 데이터 세트는 대충의 평가 범위에 반응하여 선택된다. 깊이 범위는 연속되고, 중첩되거나 또는 눈금교정 데이터가 존재하지 않는 대역폭에 의해서 분리될 수 있다.

소프트웨어 해결방안은 검출된 스폿 이미지를 상이한 눈금교정 파일들로 처리하여, 잠재적으로 무대에 대한 다중 범위 맵들을 생성하는데 사용될 수 있다. 이러한 형태에 따라 작동하는 디바이스의 상이한 작동 모드는 사용되는 깊이 범위를 갖는 시스템으로 신호를 보낼 수 있다. 예를 들어, 상이한 모드는 제스처 인터페이스를 포함하고, 그에 의해서 근접 범위의 손 제스처가 인식되고, 안면 스캔 모드가 중간 범위에서 작동하고, 3D 대상물 스캔이 긴 범위에서 작동한다. 또한, 알고리즘 방법들 예컨대 노이즈 여과를 사용하여 무대의 각 부분에 대한 가장 적당한 범위를 선택할 수 있다. 이들 작동 윈도우는 중첩될 수 있다. 중첩 깊이 윈도우는 여과 알고리즘을 보조할 수 있는 연속 형상 데이터를 밝힐 수 있다.

상술한 개념들은 특히 실시간 제스처 검출에 적합하고, 그리고 그에 따른 제스처 형태 검출 및 인식은 본원에 기술된 다른 개념들과 조합되거나 또는 본 발명의 독립 형태로서 제공될 수 있다.

종래의 2D 카메라 또는 3D 입체 카메라 시스템을 사용하는 손 제스처의 검출은 중요한 이미지 처리를 필요로 한다. 검출 면적 내의 대상물의 존재를 검출하고, 이것이 손 또는 손가락인지를 결정하고, 그리고 제스처를 검출하기 위하여 추적되는 손 또는 손가락의 형태의 에지들, 핵심사항들을 결정하는 것이 필요하다.

2D 센서들은 대상물의 범위 또는 절대 크기를 결정할 수 없다는 즉, 단순히 대상물의 각도 크기를 검출할 수 없다는 점에서 근본적인 문제를 가지고 있다. 따라서, 2D 센서에게, 큰 거리에 있는 큰 대상물은 센서에 근접한 작은 대상물로부터 구별하는 것이 매우 어렵다. 이는 무대의 대상물이 검출 영역에 있는 손인지를 확실하게 결정하는 것을 매우 어렵게 한다. 깊이 정보의 부족은 또한 제스처들을 결정하는 것을 매우 어렵게 한다.

입체 카메라 시스템은 단일 2D 센서에 대해서 중요한 개선사항을 제공한다. 일단 손 또는 손가락 상의 핵심 사항들이 결정되었으면, 센서들로부터 그 범위를 증명하는데 삼각검증 기법(triangulation technique)이 사용될 수 있다. 그러나, 각 카메라로부터의 이미지들은 상기 대략 기술된 바와 같이, 삼각검증 및 범위 결정이 이루어지기 전에 여러 단계들을 통해서 처리되어야 한다. 이는 결과적으로 특히 이동전화기와 같은 소형의 저비용 이동 전자 디바이스 상의 실시간 동작을 위한 중요한 이미지 처리 도전을 유도한다.

본 발명의 다른 형태에 따라서, 제스처 검출 방법이 제공되며, 이 방법은

광 지점들의 적어도 하나의 구조화된 패턴으로 검출 영역을 조사하는 단계; 상기 검출 영역 내의 대상물 상에 입사하는 복수의 광 지점들을 검출하는 단계; 제스처 정합 조건을 결정하기 위하여, 검출된 광 지점들의 패턴을 소정의 복수의 패턴 원형과 비교하는 단계; 및 상기 정합된 원형을 표시하는 제스처 정합 신호를 출력하는 단계를 포함한다.

본 발명의 실시예들의 검출 영역은 200mm이하, 더욱 양호하게는 150mm이하 또는 100mm이하이다. 본 발명의 이 양태에 따른 검출 지점들에 대한 절대 범위값은 필요하지 않고, 오히려 검출된 광 스폿들(지점들의 상대 범위들을 표시하는)의 패턴이 사용될 수 있다는 것을 주목해야 한다. 그러나, 예를 들어, 특정 범위값에 대한 게이팅(gating) 및 큰 범위에서 검출된 지점들에 대한 구별의 목적을 위해서, 일부 또는 모든 검출 지점들에 대한 절대 범위값들이 계산될 수 있다.

검출된 광 스폿들의 패턴 및 원형들은 동적일 수 있다. 즉, 시간에 걸쳐 변화하는 광 스폿들의 패턴을 나타낼 수 있다. 검출된 영역에서 신규 광 스폿들의 나타남 또는 역으로 기존의 광 스폿들의 사라짐, 또는 광 스폿들의 이동은 검출되고 비교될 수 있는 인식가능한 형태들을 포함할 수 있다.

양호하게는, 광 지점들의 구조화된 패턴은 격자 패턴에 형성된 스폿들 또는 라인들의 정규 어레이를 포함한다.

이러한 방식에서 인식가능한 제스처들은 예를 들어, 제 1, 개방 손바닥(open palm), 연장된 손가락 지시 및 '엄지손가락(thumbs up)' 표시를 포함한다. 인식되어야 하는 각 제스처는 예를 들어 실험적으로 또는 컴퓨터 모의실험을 통해서 얻어질 수 있는 관련 원형을 가진다. 한 세트의 제스처들은 높은 개연성의 구별을 제공하도록 선택될 수 있다. 이러한 제스처들은 예를 들어 이동전화기 또는 PDA와 같은 핸드 모바일 디바이스에 대한 사용자 인터페이스를 위한 기초로서 사용될 수 있고, 본 발명의 제스처 인식 방법은 특정 제스처에 대응하는 규정된 신호들을 제공한다.

임의의 양태들에서, 본 방법은 시간 간격에 걸쳐 상기 복수의 광 지점들을 검출하는 단계를 추가로 포함한다. 이는 검출된 지점들의 운동이 손 동작(hand wave) 또는 스와이프(swipe)와 같은 운동 기초 제스처를 주어진 방향으로 결정하기 위하여 분석될 수 있도록 허용한다. 먼저 꼭잡는 것 또는 펴는 것과 같은 더욱 복잡한 제스처들도 인식할 수 있다.

본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 본원에 기술된 바와 같이, 실질적으로 방법, 장치 및/또는 용도까지 연장된다.

본 발명의 일 양태에서 임의의 형태는 임의의 조합으로 본 발명의 다른 양태에 적용될 수 있다. 특히, 방법 양태들은 장치 양태에 적용될 수 있고, 그 반대도 가능할 수 있다.

또한, 하드웨어에서 실행된 형태들은 일반적으로 소프트웨어에서 실행되고, 그 반대로 실행될 수 있다. 본원에서 소프트웨어 및 하드웨어에 대한 임의의 설명은 그에 따라 해석되어야 한다.

본 발명의 양호한 형태들은 첨부된 도면을 참조하여 단지 예를 통해서 하기에 기술된다.

도 1은 상이한 범위에서 사용하도록 최적화된 2개의 구조화된 광 발생기를 갖는 측정 디바이스를 도시한다.
도 2는 단일 광 가이드와 협력하여 상이한 광 패턴들을 생성하도록 적응된 구성가능한 광원을 도시한다.
도 3은 상이한 작동 모드를 갖는 2개의 구조화된 광 보호기들을 갖는 측정 디바이스를 도시한다.
도 4는 상이한 광 패턴들을 생성하는데 사용되는 레이저 및 적응가능한 회절 소자를 도시한다.
도 5는 측정 디바이스에서 가능한 불명료함을 도시한다.
도 6은 상이한 작업 범위들과 연계된 스폿 트랙들을 도시한다.
도 7은 임의의 범위들에 특정한 적용과 연계된 상이한 눈금교정 파일들을 도시한다.
도 8은 손 제스처 및 연계된 스폿 패턴을 도시한다.

도 1에는, 디스플레이 바로 앞에서 근접 작업 예를 들어 손 제스처 검출을 위해 최적화된 한 스폿 투영기 디바이스(104), 예를 들어 안면과 같은 일반적인 3D 스캐닝, 3D 비디오 화상회의 또는 대상물의 3D 사진촬영을 위해 최적화된 다른 스폿 투영기 디바이스(106)를 갖는 디바이스(102)가 도시되어 있다. 양 투영기들은 동일 카메라 센서(108)를 사용할 수 있다.

손 및 손가락 제스처 인터페이스로서 짧은 범위의 이행을 위하여, 우선사항들은 스폿을 갖는 넓은 시계(110)(예를 들어, +/- 45°) 또는 예를 들어 50mm의 통상적인 작업 거리에서 ~2mm의 형태 분리(112)를 갖는 광 패턴(142)를 가지는 것이다. 이 스폿 분리는 개별 손가락 이동, 잠재적으로 각 손가락 상에 놓여지는 1보다 많은 스폿을 기록하는 것이 필요하다. 이는 ~ 2°의 각도 스폿 분리와 같고, 따라서 +/- 45°의 시계를 커버하며, 투영기는 ~ 50x50 스폿들을 출력하는데 필요하다. 근접 작업 범위로 인하여, 각 스폿은 단지 저출력을 필요로 한다. 근접 작업 범위는 카메라 렌즈에서 근접 초점 또는 매크로 함수(macro function)와 함께 사용될 수 있다.

다수의 스폿들을 출력하도록 패턴되는 LED 광원(120)을 사용하는 것은 파이프의 전체 길이를 감소시키는 것을 보조한다. 예를 들어, 방출기들의 4x4 어레이, 각 개별 방출기는 소형이고 예를 들어 50㎛이다. 이는 짧고 좁은 도파관(104), 예를 들어 1x1x20mm 및 소형 출력 렌즈의 사용을 가능하게 한다. 이 스폿 투영기가 출력 렌즈에 결합되는 만화경의 단부에서 개구 마스크(130)를 사용하는 것은 추가의 장점이 있다. 이 개구는 근접 작업 범위에서 스폿 분리를 개선한다.

긴 작업 범위 이행을 위하여, 좁은 시계(114)를 갖는 패턴(144) 및 더 작은 각도 스폿 분리가 스폿 투영기로부터 요구된다. 통상적으로, 이는 +/- 30°이하의 시계일 수 있고 500mm의 범위에서 ~ 10mm의 형태 분리(116) 또는 스폿을 갖는다(여기서, 격자 패턴이 도시되지만, 형태를 형성하는 것으로서 라인 교차들이 선택된다). 이는 ~ 1 °의 스폿 각도 분리 및 -30x30의 어레이 크기와 동일하다. 연장된 작업 범위들로 인하여, 각 스폿은 높은 출력을 필요로 한다. 카메라 렌즈에서 자동 초점 또는 줌 기능과 연계하여 긴 범위의 성능이 사용될 수 있다.

높은 파워 출력을 위하여, 예를 들어, 300㎛의 큰 방출기 영역이 필요하다. 이는 단면이 1mm이고 길이가 ~50mm인 만화경(106)과 함께 사용될 수 있다. 스폿들이 200mm보다 작은 범위로부터 확실히 분해될 때, 상술한 바와 같이 개구 마스크를 사용할 필요가 없다. 대안으로, 2x2 어레이 LED는 유사 단면의 25mm 만화경과 함께 사용될 수 있다. 개별적인 방출기 크기는 동등한 스폿 파워를 달성하기 위하여, 150㎛으로 감소될 수 있다.

도 2b에 있어서, 양 스폿 패턴(142 및 144)을 생성하기 위하여, 동일한 광학 구성요소들[만화경 또는 광 가이드(204) 및 렌즈(208)]을 사용할 수 있다. 이 해결방안은 다수의 선택가능한 출력 패턴들을 출력할 수 있는 LED(202)로부터 장점을 얻을 수 있다. 이러한 방식에서, 상이한 방출기 패턴들은 상이한 측정 조건들을 위한 필요사항을 충족하도록 개별적으로 최적화되는 출력 파워들 및 2 이상의 스폿 패턴들을 제공하도록 선택될 수 있다. 도 2a는 원(220)으로서 표시된 2x2 LED 구성 및 교차부(222)로 표시된 4x4 구성을 도시한다. 이는 또한 단일 큰 영역 방출기 및 선택가능한 또는 프로그램가능한 광학 셔터 배열을 사용하여 달성될 수 있다. 도파관의 출력면 상의 전환가능한 개구(206)는 인근 및 원근 사용 모드에서 성능을 최적화하는 것을 보조하는데 유익할 수 있다.

도 3은 디스플레이 바로 앞에서 근접 작업 예를 들어 손 제스처 검출을 위해 최적화된 한 스폿 투영기 디바이스, 예를 들어 안면과 같은 일반적인 3D 스캐닝, 3D 비디오 화상회의 또는 대상물의 3D 사진촬영을 위해 최적화된 다른 스폿 투영기 디바이스가 있는 예를 도시한다. 양 투영기들은 동일 카메라 센서(308)를 사용할 수 있다.

손 및 손가락 제스처 인터페이스로서 짧은 범위의 이행을 위하여, 우선사항들은 예를 들어 50mm의 통상적인 작업 거리에서 ~2mm 만큼 분리된 스폿을 갖는 넓은 시계(예를 들어, +/- 45°)를 갖는 것이다. 또한 이 스폿 분리는 개별 손가락 이동, 잠재적으로 각 손가락 상에 놓여지는 1보다 많은 스폿을 기록하는 것이 필요하다. 이는 ~ 2°의 각도 스폿 분리와 같고, 따라서 +/- 45°의 시계를 커버하며, 투영기는 ~ 50x50 스폿들을 출력하는 것을 필요로 한다. 근접 작업 범위로 인하여, 각 스폿은 단지 저출력을 필요로 한다.

다수의 스폿들을 출력하도록 패턴되는 LED 광원(310)을 사용하는 것은 도파관(312)의 전체 길이를 감소시키는 것을 보조한다. 예를 들어, 방출기들의 4x4 어레이, 각 개별 방출기는 소형이고 예를 들어 50㎛이다. 이는 짧고 좁은 도파관, 예를 들어 1x1x20mm 및 소형 출력 렌즈의 사용을 가능하게 한다. 이 스폿 투영기가 출력 렌즈에 결합되는 만화경의 단부에서 개구 마스크를 사용하는 것은 추가의 장점이 있다. 이 개구는 근접 작업 범위에서 스폿 분리를 개선한다.

긴 작업 범위 이행을 위하여, 좁은 시계 및 더 작은 각도 스폿 분리가 스폿 투영기로부터 요구된다. 통상적으로, 이는 +/- 30°이하의 시계일 수 있고 500mm의 범위에서 ~ 10mm의 스폿 분리를 갖는다. 이는 ~ 1 °의 스폿 각도 분리 및 -30x30의 어레이 크기와 동일하다. 이 긴 범위의 성능은 균일한 강도 스폿들의 어레이를 생성하는 회절 요소(322) 및 레이저 다이오드(320)를 사용하여 달성될 수 있다. 이 요소는 회절 어레이 발생기(DAG)로서 알려져 있다. 소형 조준된 레이저 다이오드 - 종래의 에지 방출기 기초 또는 수직 캐비티 표면 방출 레이저는 그 패턴이 적당한 각도 분리를 갖는 원하는 균일한 스폿 어레이를 생성하도록 설계되는 소형 DAG에 결합된다. 제조를 단순하게 하기 위하여 더욱 소형인 시계들을 필요로 하는 시스템들을 갖는 DAG를 사용하는 것이 유익하다. 예를 들어, 30°의 회절 각도를 달성하기 위하여, DAG는 2x 파장 치수의 유닛 셀 즉, 650nm 레이저에 대한 1300nm을 필요로 한다. 이러한 통상적인 상세사항의 DAG은 독립 공급자들로부터 구매가능하다.

레이저 소스 및 DAG의 사용은 1 m 초과의 연장 범위에 대해서 소형 시스템 체적에서 높은 광학 파워를 전달할 기회를 제공한다. 협대역 레이저는 또한 원거리 대상물 상의 스폿 패턴의 검출 시에 노이즈에 대한 신호를 개선하도록 정합된 협대역 광학적 여과를 사용할 기회를 제공한다.

도 4는 디스플레이 바로 앞에서 근접 작업 예를 들어 손 제스처 검출을 위해 최적화된 한 스폿 투영기 디바이스, 예를 들어 안면과 같은 일반적인 3D 스캐닝, 3D 비디오 화상회의 또는 대상물의 3D 사진촬영을 위해 최적화된 다른 스폿 투영기 디바이스를 구비한 한 디바이스의 제 3 예를 도시한다. 양 투영기들은 동일 카메라 센서(도시생략)를 사용할 수 있다.

손 및 손가락 제스처 인터페이스로서 짧은 범위의 이행을 위하여, 우선사항들은 예를 들어 50mm의 통상적인 작업 거리에서 ~2mm 만큼 분리된 스폿을 갖는 넓은 시계(예를 들어, +/- 45°)를 갖는 것이다. 이 스폿 분리는 개별 손가락 이동, 잠재적으로 각 손가락 상에 놓여지는 1보다 많은 스폿을 기록하는 것이 필요하다. 이는 ~ 2°의 각도 스폿 분리와 같고, 따라서 +/- 45°의 시계를 커버하며, 투영기는 ~ 50x50 스폿들을 출력하는 것을 필요로 한다. 근접 작업 범위로 인하여, 각 스폿은 단지 저출력을 필요로 한다.

이 스폿 어레이는 균일한 강도 스폿들(410,412)의 어레이를 생성하도록 설계된 회절 요소(404) 및 조준된 레이저 다이오드(402)를 사용하여 달성될 수 있다. 이 요소는 회절 어레이 발생기(DAG) - 그 패턴이 그때 에칭되거나 또는 광학 기판 안으로 에보싱처리되는 컴퓨터 설계된 회절 격자로서 알려져 있다. 소형 조준된 레이저 다이오드 - 종래의 에지 방출기 기초 또는 수직 캐비티 표면 방출 레이저는 그 패턴이 적당한 각도 분리를 갖는 원하는 균일한 스폿 어레이를 생성하도록 설계되는 소형 DAG를 조사한다. DAG를 사용하는 것이 유익하다. 예를 들어, 45°의 회절 각도를 달성하기 위하여, DAG는 ~1.5x 파장 치수의 유닛 셀 즉, 650nm 레이저에 대한 1000nm을 필요로 한다.

긴 범위 이행을 달성하기 위하여 회절 요소를 다른 설계로 교체할 수 있다. 이는 레이저 출력 파워를 정합하도록 변화시키는 것이 적절할 수 있지만, 동일한 조준 레이저 소스(402)를 사용할 수 있다. 회절 요소(404)를 교체하는 것은 기계적으로 또는 전자-광학적으로 이루어질 수 있다. 기계적 수단은 레이저 비임으로부터 DAG를 간단하게 제거하고 단일 스폿을 무내 안으로 투영할 수 있다. 이는 긴 거리 예컨대 룸 등의 측정 크기를 측정하는데 유용할 수 있다. 대안으로, DAG는 그 사용을 위하여 최적화된 상이한 스폿 패턴을 달성하기 위하여 다른 설계중 하나로 교체될 수 있다.

전환가능한 회절 전자-광학부를 달성하는 가능한 방식들은 프로그램가능한 공간 광 변조기, 상이한 회절 결과들을 액세스하도록 영국적 복소 위상 격자(permanent complex phase grating)의 상단에서 전기적으로 조율될 수 있는 멀티 액세스 컴퓨터 발생 홀로그램(MACH)을 사용하는 것을 포함할 수 있다. 다른 방법은 위상 회절 패턴을 들어내거나 또는 인덱스 매칭하도록 전자-습식 기술을 사용할 수 있다.

상기 예들에서, 단일 검출기 또는 카메라는 상이한 범위들을 사용하기 위하여 적응된 상이한 패턴들을 감지하는데 사용된다. 다중 스폿 투영기들을 사용하는 이러한 3D 카메라 다양한 수단을 통해서 상이하게 투영된 패턴들 사이를 구별할 수 있으며, 상기 다양한 수단은

- 투영기들이 연속적으로 발사되어서 각 스폿 투영기에 대해서 얻어진 이미지들을 분리시키는 시분할 멀티플렉싱;

- 컬러 엔코딩, 예컨대 한 투영기는 적색에서 작동하고, 다른 투영기는 녹색에서 방출한다. 컬러 카메라는 2 스폿 패턴들을 동시에 검출하는데 사용되지만, 패턴들은 개별적으로 분리되고 처리될 수 있다;

- 편광 엔코딩(polarisation encoding) - 하나는 선형 또는 원형으로 편광되고 제 2 투영기는 직교 편광 엔코딩을 가진다. 편광기 또는 편광 빔분할기는 2 이미지들을 구별하기 위하여 카메라 앞에서 사용될 수 있다;

- 공간 패턴 엔코딩- 2개의 투영기들은 특징 형상, 예컨대 좌측 및 우측 대각선 패턴들을 갖는 방출 소스들을 가진다. 이들 패턴들은 그때 카메라에서 동시에 검출되고 패턴 정합 알고리즘을 사용하여 구별될 수 있다. 중첩으로 문제가 발생할 수 있다; 및

- 다른 코딩 기술 또는 그 조합을 포함한다.

도 5에서, 구조화된 광 투영기(502)는 분기 라인(504)에 의해서 표시된 형태부들의 어레이를 투영한다. 카메라(506)는 대상물(520,522) 상으로 각각 투영된 광(508, 510)의 대응하는 스폿들을 검출한다. 카메라의 시계에서, 광(508 및 510)의 지점들은 동일 위치에서 나타나지만, 상이한 깊이에서 대상물을 나타낸다. 이는 다른 구별 형태부들의 부재시에 모호함을 유발한다. 본 발명의 임의의 형태들에서, 이는 도면에서 A 및 B로 도시된 상이한 작업 범위를 규정함하고 개별 및 상이한 눈금교정 데이터를 각 범위로 할당함으로써 해결된다. 도 6은 센서로부터의 대상물의 거리가 변화할 때, 어떻게 스폿 트랙들이 카메라 센서(직사각형으로 표시됨)를 가로질러 이동하고 어떻게 스폿 트랙의 상이한 섹션들(상이한 점선으로 표시됨)이 상이한 작업 범위들과 연계될 수 있는 지를 도시한다. 이들 상이한 범위들과 연계된 상이한 눈금교정 파일들 및 동작의 상이한 모드들의 예들이 도 7에 도시된다.

상술한 바와 같이, 스폿 데이터로부터 대상물의 3D 모델을 작성하는데 요구되는 컴퓨터 처리를 수행할 필요성없이, 어떻게 투영된 형태 또는 스폿들이 무대에서 이동하는 지를 검출함으로써, 손 제스처들이 검출되고 해석될 수 있다. 이러한 결과로 인하여 단순하고 확고한 검출 알고리즘이 얻어진다. 예컨대, 횡방향 이동으로 인하여, 검출 영역에서 대상물의 선단 에지 상에 나타나는 한 라인의 스폿들과, 동시에 검출 영역의 대상물의 후미 에지로부터 사라지는 한 라인의 스폿들이 얻어진다. 높이에서의 변화로 인하여, 범위에서의 변화에 대응하게 검출기 상에서 유사 방식으로 이동하는 대상물들 상에서 한 그룹의 스폿들이 얻어진다. 대상물 이동 또는 제스처들은 연속 이미지들을 비교함으로써 효율적으로 검출될 수 있다. 예를 들어, 연속 이미지들을 차감하는 단순한 프로세서는 이동하지 않는 무대에 있는 대상물 상의 스폿들을 제거하지만, 대상물 즉, 손에서 변화되는 영역들을 강조한다. 이들 변화들을 분석하면 제스처들을 밝힐 수 있다.

도 8에 있어서, 검출 영역에 있는 평탄한 손을 고려해야 한다. 이로 인해서 결과적으로 센서로부터 대상물에 대한 공통 거리에 대응하는 스폿들의 패치가 얻어진다. 손은 센서 가장자리 위에 있을 때까지 회전된다는 것을 고려해야 한다. 이 동작중에, 손의 한 측부의 스폿들은 검출기에 더욱 인접해지는 것과 일치하는 방식으로 이동하고, 손의 다른 측부는 다른 방식으로 이동한다. 이동 정도는 회전축으로부터의 거리 함수로서 변화된다. 결국, 손에 의해 맞주대하는 각도가 감소할 때, 일부 스폿들은 관심 구역으로부터 효과적으로 사라질 것이다.

본 발명은 단지 예를 통해서 기술되었고, 본 발명의 범주 내에서 세부구성의 변형이 이루어질 수 있다는 것을 이해할 수 있다.

설명에 개시된 각 형태 및 (적당한 곳에서) 청구범위 및 도면이 독립적으로 또는 임의의 적당한 조합으로 제공될 수 있다.

Claims (23)

1. 제스처 검출 방법으로서,
   광 지점들의 적어도 하나의 구조화된 패턴으로 검출 영역을 조사하는 단계;
   상기 검출 영역 내의 대상물 상에 입사하는 복수의 광 지점들을 검출하는 단계;
   제스처 정합 조건을 결정하기 위하여, 검출된 광 지점들의 패턴을 소정의 복수의 패턴 원형들과 비교하는 단계; 및
   상기 정합된 원형을 표시하는 제스처 정합 신호를 출력하는 단계를 포함하는, 제스처 검출 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 검출 영역은 400cm² 이하인, 제스처 검출 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 검출 영역은 100cm² 이하인, 제스처 검출 방법.
4. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서,
   상기 검출 영역 밖에 있도록 결정된 광 지점들은 거절되는, 제스처 검출 방법.
5. 제 1 항 내지 제 4 항중 어느 한 항에 있어서,
   상기 복수의 지점들을 시간 간격에 걸쳐 검출하는 단계를 추가로 포함하는, 제스처 검출 방법.
6. 제 5 항에 있어서,
   검출된 광 지점들의 이동 패턴들을 상기 시간 간격에 걸쳐 결정하는 단계를 추가로 포함하는, 제스처 검출 방법.
7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
   상기 복수의 패턴 원형들은 동적 원형들을 포함하는, 제스처 검출 방법.
8. 측정 장치로서,
   무대를 광 지점들의 제 1 구조화된 패턴 및 광 지점들의 제 2 구조화된 패턴으로 조사하도록 적응된 구조화된 광 발생기로서, 상기 제 1 및 제 2 패턴은 상이한 범위들에서 작동하도록 구성되는 상기 광 발생기;
   상기 무대에 투영된 광 지점들의 위치를 검출하기 위한 검출기; 및
   상기 무대에 투영된 지점의 검출된 위치로부터 상기 지점까지의 범위를 결정하기 위한 프로세서를 포함하는 측정 장치.
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 구조화된 광 발생기는 상기 제 1 및 제 2 구조화된 패턴들 사이에서 전환되도록 적응되는 측정 장치.
10. 제 8 항에 있어서,
    상기 구조화된 광 발생기는 상기 제 1 및 제 2 패턴들을 동시에 투영하도록 적응되는 측정 장치.
11. 제 8 항 내지 제 10 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 패턴들의 광 지점들은 형상, 컬러 또는 구성에 의해서 구별될 수 있는 측정 장치.
12. 제 8 항 내지 제 11 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프로세서는 검출된 광 지점이 대응하는 구조화된 패턴을 결정하도록 적응되는 측정 장치.
13. 제 8 항 내지 제 12 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구조화된 광 발생기는 광원으로부터 광을 수광하고 구조화된 광의 한 패턴을 출력하도록 적응된 패턴 발생기를 포함하고,
    상기 패턴 발생기는 상기 제 1 및 제 2 구조화된 패턴들을 생성하도록 제 1 및 제 2 상태들 사이에서 구성가능한 측정 장치.
14. 제 8 항 내지 제 13 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구조화된 광 발생기는 광원으로부터 광을 수광하고 구조화된 광의 한 패턴을 출력하도록 적응된 제 1 및 제 2 개별 패턴 발생기들을 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 패턴 발생기들은 상기 제 1 및 제 2 구조화된 패턴들을 각각 생성하도록 적응되는 측정 장치.
15. 제 8 항 내지 제 14 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구조화된 광 발생기는 상기 제 1 및 제 2 패턴들을 각각 생성하기 위한 제 1 및 제 2 광원들을 포함하는 측정 장치.
16. 제 8 항 내지 제 15 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구조화된 광 발생기는 광원 및 내부 반사측면들을 갖는 프리즘형 광 가이드를 포함하는 측정 장치.
17. 제 16 항에 있어서,
    상기 광원은 LED 또는 LED 어레이를 포함하는 측정 장치.
18. 제 8 항 내지 제 17 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구조화된 광 발생기는 광원 및 회절 격자(diffraction grating)를 포함하는 측정 장치.
19. 제 18 항에 있어서,
    상기 회절 격자는 기계적으로 또는 전기-광학적으로 구성될 수 있는 측정 장치.
20. 제 16 항, 제 18 항 또는 제 19 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광원은 레이저 다이오드를 포함하는 측정 장치.
21. 범위 검출 방법으로서,
    무대를 광 지점들의 적어도 하나의 구조화된 패턴으로 조사하는 단계;
    조사된 무대에서 광 지점들을 검출하는 단계;
    눈금교정 데이터의 복수의 소정 세트로부터 한 세트를 선택하는 단계로서, 상기 데이터 세트는 상이한 깊이의 범위들에 각각 대응하는, 상기 선택 단계;
    투영된 지점의 검출된 위치로부터 선택된 눈금교정 데이터 세트에 따른 상기 지점까지의 범위를 결정하는 단계를 포함하는 범위 검출 방법.
22. 제 21 항에 있어서,
    상기 데이터 세트는 대충의 범위 측정에 따라 선택되는 범위 검출 방법.
23. 제 21 항 또는 제 22 항에 있어서,
    상기 데이터 세트는 사용자 선택가능한 작동 모드에 따라서 선택되는 범위 검출 방법.
    
    
    
    
    
    
    
    

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