TW201537512A - 自由空間定位方法及系統 - Google Patents

Abstract

一種自由空間定位方法，適用於估算一物體在空間之姿態角，由一系統執行，該系統包含一燈源模組、一設於該物體上的取像模組，及一包括一處理單元與一儲存單元的計算模組，該燈源模組包括界定出一平面的燈源O、X、Y，以及位於該平面之一側的燈源Z，該儲存單元儲存有多筆燈源方位資訊及對應的預存姿態角，該方法包含：(A)該取像模組對該燈源模組取像產生待判影像；(B)該處理單元分析待判影像得到一待判資訊；(C)篩選出與該待判資訊相類似的一或多筆燈源方位資訊；及(D)根據篩選出的燈源方位資訊所對應的預存姿態角估算該物體的一估算姿態角。

Description

自由空間定位方法及系統

本發明是有關於一種定位方法，特別是指一種自由空間定位方法及系統。

現今利用攝影機取得物體在三維空間中位置的應用相當普及，包括利用結構光投射在物體上的形狀與大小來判斷出物體的位置、利用時差測距(Time of flight,ToF)原理之深度攝影機計算物體與攝影機的距離，以及利用雙鏡頭取得兩張影像經過視差計算處理後得到物體的深度，最終可得到物體的三維空間座標，而這些方法皆無法偵測出物體的姿態角(舉例而言包括偏航角(yaw)、俯仰角(pitch)和滾動角(roll)三個分量)。因此，如何偵測物體的姿態角，就成為一值得研究的主題。

因此，本發明之目的，即在提供一種可偵測物體姿態角的自由空間定位方法及系統。

於是，本發明自由空間定位方法，適用於估算 一物體在空間之姿態角，由一自由空間定位系統執行，該系統包含一燈源模組、一設於該物體上的取像模組，及一與該取像模組資訊連接的計算模組，該計算模組包括相連接的一處理單元與一儲存單元，該燈源模組包括界定出一平面的一燈源O、一燈源X，及一燈源Y，以及位於該平面之一側的一燈源Z，該儲存單元儲存有多筆燈源方位資訊及每一筆燈源方位資訊所對應的一預存姿態角，該方法包含以下步驟：

(A)該取像模組對該燈源模組取像，產生一待判影像，並傳送至該計算模組的該處理單元。

(B)該處理單元分析該待判影像中該燈源O、該燈源X、該燈源Y及該燈源Z的座標，得到一相關於各該燈源在該待判影像中的座標的待判資訊。

(C)該處理單元將該待判資訊與該儲存單元中的各筆燈源方位資訊進行比對，篩選出與該待判資訊相類似的一或多筆燈源方位資訊。

(D)該處理單元根據篩選出的燈源方位資訊所對應的預存姿態角估算該物體的一估算姿態角。

較佳地，其中，步驟(C)中對每一筆燈源方位資訊計算得到一個相關於該待判資訊與該一筆燈源方位資訊間之差異的綜合差異值，並篩選出該綜合差異值小於等於一閾值所對應的燈源方位資訊。

較佳地，其中，該燈源方位資訊是相關於各燈源在一預擷取影像上的位置，當該物體處於該預存姿態角 且設於該物體上之該取像模組對該燈源模組取像而產生該預擷取影像後，分析該預擷取影像可得該燈源方位資訊。

較佳地，其中，該物體處於一預存座標及該預存姿態角且設於該物體上之該取像模組對該燈源模組取像而產生該預擷取影像後，分析該預擷取影像可得該燈源方位資訊。

較佳地，其中，定義該燈源O與該燈源X的連線線段為第一邊L₁、該燈源O與該燈源Y的連線線段為第二邊L₂，該燈源O與該燈源Z的連線線段為第三邊L₃，步驟(B)計算得到的該待判資訊包括該待判影像中該第一邊的長度、第二邊的長度、第三邊的長度、第一邊與第二邊的第一夾角、第二邊與第三邊的第二夾角，及第一邊與第三邊的第三夾角；該燈源方位資訊包括該預擷取影像中該第一邊的長度、該第二邊的長度、該第三邊的長度、該第一邊與該第二邊的夾角、該第二邊與該第三邊的夾角，及該第一邊與該第三邊的夾角；步驟(C)計算該綜合差異值f= 。

較佳地，其中，各該燈源方位資訊還包括該燈源O在該預擷取影像的座標，定義該待判影像中該燈源O的座標為，步驟(C)該處理單元還計算距 離，其中距離dO為該燈源O在該 待判影像中的位置與在該預擷取影像中的位置的距離，並 篩選出該距離dO小於等於一預設距離所對應的燈源方位資訊。

較佳地，其中，該燈源方位資訊包括在該預擷取影像中該燈源O的座標、該燈源X的座標、該燈源Y的座標，及該燈源Z的座標，該待判資訊包括在該待判影像中該燈源O的座標，該燈源X的座標，該燈源Y的座標，該燈源Z的座標，該綜合差異值f為 其中，

較佳地，其中，步驟(D)將篩選出的燈源方位資訊對應的預存姿態角進行平均，得到估算的該物體的一估算姿態角A^E。

較佳地，其中，A^E= ，其中，N為篩 選出來的燈源方位資訊總筆數，篩選出的第k筆燈源方位資訊對應的預存姿態角A^k為。

較佳地，其中，該燈源模組的各該燈源發出的光線之波長彼此相異，步驟(B)中該處理單元是根據該待判影像的畫素值識別各該燈源。

較佳地，還適用於估算該物體在空間之座標，其中，每筆燈源方位資訊還對應一預存座標，步驟(D)還將 篩選出的燈源方位資訊所對應的預存座標進行平均，得到估算的該物體的一估算座標C^E。

較佳地，其中，C^E= ，其中，N為篩選 出來的燈源方位資訊總筆數，篩選出的第k筆燈源方位資訊對應的預存物體座標C^k為。

於是，本發明自由空間定位系統，執行如上所述自由空間定位方法。

本發明之功效在於：透過取像模組對該燈源模組取像，分析得到相關於該等燈源的座標的待判資訊後，篩選出與該待判資訊相類似的一或多筆燈源方位資訊，藉此估算該物體的該估算姿態角。

1‧‧‧燈源模組

11‧‧‧框架

12‧‧‧懸臂

2‧‧‧取像模組

3‧‧‧計算模組

31‧‧‧處理單元

32‧‧‧儲存單元

4‧‧‧顯示器

9‧‧‧物體

O、X、Y、Z‧‧‧燈源

L₁‧‧‧第一邊

L₂‧‧‧第二邊

L₃‧‧‧第三邊

S1~S4‧‧‧步驟

S31~S35‧‧‧步驟

本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的較佳實施例詳細說明中清楚地呈現，其中：圖1是一系統示意圖，說明本發明自由空間定位方法的一較佳實施例；圖2是一流程圖，說明該較佳實施例；圖3是一影像分析示意圖，說明多個燈源的座標及旋轉角；及圖4是一流程圖，說明該較佳實施例的步驟S3。

在本發明被詳細描述之前，應當注意在以下的 說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

參閱圖1與圖2，本發明自由空間定位方法之第 一較佳實施例，適用於估算一物體9在空間之姿態角及座標，由一自由空間定位系統執行，該系統包含一燈源模組1、一設於該物體9上的取像模組2、一與該取像模組2資訊連接的計算模組3，該計算模組3包括相連接的一處理單元31與一儲存單元32。

該燈源模組1包括界定出一平面的一燈源O、 一燈源X，及一燈源Y，以及位於該平面之一側的一燈源Z。在本實施例中，該燈源模組1還包括一連接該等燈源O、X、Y的方型的框架11，以及一連接該框架11與燈源Z的懸臂12，使得燈源O與另三燈源X、Y、Z所形成的三條連線彼此於空間中均相互垂直。但不以此為限，只要燈源O、X、Y不共線以形成該平面，且燈源Z不與燈源O、X、Y所在的該平面共面即可。藉由前述配置燈源O、X、Y、Z的方式，在取像視野能夠涵蓋燈源O、X、Y、Z(不論是否部分燈源被遮蔽)的情況下，在空間中任何位置，以任意姿態取像，只要位置或姿態有任一者不相同，所得的影像便不會相同，而具有唯一性。前述姿態部分可以姿態角表示，容後說明。

該物體9例如是一手持遙控器，用於控制電腦 或電視以執行遊戲及各式功能，並藉由顯示於一顯示器4上來與使用者互動，在本實施例中，該燈源模組1掛置於該顯示器4上，但不以此為限，也可以其他方式裝設或是 嵌入於該顯示器4；燈源O設於顯示器4的左上角，而燈源X、燈源Y分別設於顯示器4的右上角和左下角，但不以此為限，燈源O也可以設於顯示器4任一角或是任何鄰近顯示器4的位置；該等燈源O、X、Y、Z為彼此顏色互不相同的LED燈，例如為紅、藍、綠、黃，但不以此為限，只要所發出的光線之波長不同即可。

該儲存單元32儲存有多筆燈源方位資訊，以及 每一筆燈源方位資訊所對應的一預存姿態角及一預存座標。此部分容後說明。該計算裝置是用以處理取像模組2之資訊而控制前述電腦或電視。

該方法包含以下步驟：步驟S1-取像模組2對燈源模組1取像，產生一待判影像，並傳送至該計算模組3的該處理單元31。

該取像模組2例如是一個具有一個鏡頭及CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，互補式金屬氧化物半導體)感光元件的彩色攝影機，能夠取得不同顏色之該等燈源O、X、Y、Z之影像。

該等燈源O、X、Y、Z之光線理想上是朝向四面八方發出，以便能被該取像模組2在各個方位上取像，但受限於LED技術關係，若是每一燈源僅使用一顆LED，則大致上是以朝向顯示器4前方為主，但不以此為限，也可以是每一燈源使用不只一顆LED，或是使用廣角的LED燈或其他型態的光源，朝各個方向發出光線。

步驟S2-該處理單元31藉由顏色的不同分析 出該待判影像中該燈源O、該燈源X、該燈源Y及該燈源Z的位置，得到各該燈源O、X、Y、Z在該待判影像中的座標。舉例來說，定義該待判影像的影像左上角之畫素的座標為(0,0)，若該燈源O的座標為(100,200)，表示該處理單元31計算出該燈源O的中心畫素需由影像左上角之畫素右移100個畫素，且下移200個畫素才會到達。

步驟S3-該處理單元31將該待判影像中各燈 源的座標與該儲存單元32中的各筆燈源方位資訊進行比對，篩選出符合一比對條件的一或多筆燈源方位資訊。

以下說明預存姿態角、預存座標，及燈源方位 資訊。

預存姿態角代表物體9在空間中的姿態，舉例 而言，在本實施例中使用泰特-布萊恩角(Tait-Bryan angles)，即會包括偏航角(yaw)、俯仰角(pitch)和滾動角(roll)三個分量。

預存座標代表物體9在空間中的位置，舉例而 言，在本實施例中以燈源O為原點，由燈源O朝燈源X、Y、Z延伸成為X軸、Y軸、Z軸之座標系內，在燈源O正前方100公分處的座標即為(0,0,100)。

假設我們量測出該物體9的姿態角及座標，只 要該物體9本身是不會形變的，即確定了該物體9在空間中的全部狀態，比如說，該物體9的幾何中心位於該座標，該物體9軸向延伸的方向可由偏航角(yaw)、俯仰角(pitch)表示，該物體9自身繞其軸向旋轉的狀態則由滾動角(roll) 表示。

該燈源方位資訊是相關於各燈源在一預擷取影 像上的位置，所謂預擷取影像，指的建立燈源方位資訊時，使該物體9處於該預存姿態角及該預存座標後，使設於該物體9上之該取像模組2對該燈源模組1取像而產生該預擷取影像。分析該預擷取影像可得該燈源方位資訊。

在本實施例中，該燈源方位資訊包括該預擷取 影像上各燈源之間的相對關係，詳細而言，定義該燈源O與該燈源X的連線線段為第一邊L₁、該燈源O與該燈源Y的連線線段為第二邊L₂，該燈源O與該燈源Z的連線線段為第三邊L₃，該燈源方位資訊包括該預擷取影像中該第一邊的長度、該第二邊的長度、該第三邊的長度、該第一邊與該第二邊的夾角、該第二邊與該第三邊的夾角，及該第一邊與該第三邊的夾角、該燈源O在該預擷取影像上的座標，以及該第一邊之旋轉角R^P。

參閱圖3，其中，該第一邊之旋轉角，可以理解 為一射線(圖未示)由6點鐘方向以該燈源O為圓心，順時針旋轉至疊合於該第一邊之旋轉角。定義當且為在該預擷取影像中該第一邊之旋轉角等於零的情形，隨著物體9逆時針旋轉，該第一邊順時針旋轉的角度即為該旋轉角，其中，該燈源O的座標為，該燈源X的座標為，此外，影像左上角的座標為(0,0)，影像右上角的座標為(w,0)，影像左下角的座標為(0,h)。

補充說明的是，長度的計算方式舉例來說可利 用畢氏定理計算，假如=(3,6)，=(5,9)，則 ，在儲存單元32中，即儲存為 。夾角的計算方式舉例來說可利用餘弦定理計算，餘弦定理指的是假設三角形的三邊長分別為a、b、c，則a²+b²-2ab．cosθ=c²，其中θ為邊長為a及b的兩邊之夾角。假如該第一邊的長度、該第二邊的長度，並計算X^P與Y^P相距c，即可利用餘弦定理計算該第一邊與該第二邊的夾角。

參閱圖4，本步驟包括該處理單元31執行的以下步驟S31至S35：步驟S31-計算一相關於各該燈源在該待判影像中的座標的待判資訊，包括該待判影像中該第一邊的長度、第二邊的長度、第三邊的長度、第一邊與第二邊的第一夾角、第二邊與第三邊的第二夾角、第一邊與第三邊的第三夾角及第一邊的旋轉角R^Q，其中該旋轉角之定義與前述在處理預擷取影像時相類似。以下進入步驟S32至S34，需說明的是，各步驟的順序不以下述為限。

步驟S32一本步驟可以是對每一筆燈源方位資訊所儲存的旋轉角R^P計算旋轉角絕對差值|R^Q-R^P|，然後篩選出小於一旋轉角閾值者所對應的燈源方位資訊；也可以是將旋轉角分組，舉例而言分成8組，即0°組、45°組、90°組、135°組、180°組、225°組、270°組、315°組，判斷該待判影像中的旋轉角R^Q屬於其中何組後，屬於該組的燈源方位資訊即被篩選出。

步驟S33-與該儲存單元32儲存的每一筆燈源 方位資訊比對，計算一綜合差異值f，f= ，然後篩選出該綜合差異值小於等於一閾值所對應的燈源方位資訊。本步驟的用意在於找出長度與角度方面綜合來說較接近該待判影像的狀態的燈源方位資訊。

步驟S34-計算距離 ，其中距離dO為該燈源O在該待判影像中的位置與在該預擷取影像中的位置的距離。然後篩選出距離dO小於等於一預設距離所對應的燈源方位資訊。

步驟S35-篩選出同時被步驟S32至S34篩選出之燈源方位資訊，此即為最終篩選結果。補充說明的是，為減少運算量，也可以依序執行步驟S32至S34，較後執行的步驟只需在已被篩選出之燈源方位資訊中執行計算及篩選，如此則本步驟可省略。

以下綜合說明步驟S32至S34對於識別物體9在空間中之姿態角與座標的意義。

步驟S32是比對影像所旋轉的角度，來識別物體9的滾動角(roll)。以影像中的一處為基準，計算出旋轉了多少角度，即可得滾動角(roll)。

步驟S33是識別三維空間中長度與角度的變化，篩選出與待判資訊最相似的若干筆燈源方位資訊，若要找最相似的燈源方位資訊，則意謂著要找的是長度差異值是最小且角度差異值也是最小者，故須以綜合的方式做比較。

步驟S34的用意是利用燈源O在影像中的位置 來判斷識別物的偏航角(yaw)與俯仰角(pitch)；在相同的位置與滾動角(roll)下，原點的位置會隨著偏航角(yaw)與俯仰角(pitch)的不同而有所改變，藉由此方法來找出所對應的角度。

還需說明的是，篩選方式不以上述透過閾值的 方式為限，舉例來說，也可以根據步驟S32至S34中計算的旋轉角絕對差值、綜合差異值f及距離dO進行排名，篩選出前3名做為篩選結果，至於排名的方式繁多，例如是以加權總和計算一加權總分進行計算，在此不再贅述。

步驟S4-該處理單元31根據篩選出的燈源方位資訊所對應的預存姿態角及預存座標，估算該物體9的估算姿態角及估算座標。就姿態角方面，估算姿態角 ，其中，N為 篩選出來的燈源方位資訊總筆數，篩選出的第k筆燈源方位資訊對應的預存姿態角A^k為。就座標方面，估算 座標，其中，N 為篩選出來的燈源方位資訊總筆數，篩選出的第k筆燈源方位資訊對應的預存物體9座標C^k為。

本發明自由空間定位方法之第二較佳實施例，與第一實施例大致相同，其差異在於，步驟S3中不以長度、夾角、旋轉角等進行篩選，而是以該等燈源O、X、Y、Z的座標直接進行篩選，也就是該待判資訊不包含長度、夾角、旋轉，而是包含該待判影像上該等燈源O、X、Y、Z 的座標。因此，在儲存單元32中儲存的燈源方位資訊，亦不包含長度、夾角、旋轉角，而是包含該物體9處於該預存姿態角及該預存座標後，該預擷取影像上該等燈源O、X、Y、Z的座標。

詳細而言，該燈源方位資訊包括在該預擷取影像中該燈源O的座標、該燈源X的座標、該燈源Y的座標，及該燈源Z的座標；步驟S2分析得到在該待判影像中該燈源O的座標，該燈源X的座標，該燈源Y的座標，該燈源Z的座標，本實施例之步驟S3比對及篩選的方式為：計算一綜合差異值f，其中 ，其中， ，換言之，即是先分別計算各燈源 O、X、Y、Z在該預擷取影像中與在該待判影像中的距離，再綜合計算其差異。

如此，所篩選出的燈源方位資訊，其燈源O、X、Y、Z之座標O^P、X^P、Y^P、Z^P會與該待判影像所得之座標O^Q、X^Q、Y^Q、Z^Q十分接近，而藉此所估算的估算姿態角及估算座標，也會與該物體9的真實情況十分接近。

綜上所述，透過取像模組2對該燈源模組1取像，分析得到相關於該等燈源O、X、Y、Z的座標的待判資訊後，篩選出與該待判資訊相類似的一或多筆燈源方位 資訊，藉此估算該物體9的該估算姿態角及該估算座標，故確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已 ，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

1‧‧‧燈源模組

11‧‧‧框架

12‧‧‧懸臂

2‧‧‧取像模組

3‧‧‧計算模組

31‧‧‧處理單元

32‧‧‧儲存單元

4‧‧‧顯示器

9‧‧‧物體

O、X、Y、Z‧‧‧燈源

L₁‧‧‧第一邊

L₂‧‧‧第二邊

L₃‧‧‧第三邊

Claims (13)

1. 一種自由空間定位方法，適用於估算一物體在空間之姿態角，由一自由空間定位系統執行，該系統包含一燈源模組、一設於該物體上的取像模組，及一與該取像模組資訊連接的計算模組，該計算模組包括相連接的一處理單元與一儲存單元，該燈源模組包括界定出一平面的一燈源O、一燈源X，及一燈源Y，以及位於該平面之一側的一燈源Z，該儲存單元儲存有多筆燈源方位資訊及每一筆燈源方位資訊所對應的一預存姿態角，該方法包含以下步驟：(A)該取像模組對該燈源模組取像，產生一待判影像，並傳送至該計算模組的該處理單元；(B)該處理單元分析該待判影像中該燈源O、該燈源X、該燈源Y及該燈源Z的座標，得到一相關於各該燈源在該待判影像中的座標的待判資訊；(C)該處理單元將該待判資訊與該儲存單元中的各筆燈源方位資訊進行比對，篩選出與該待判資訊相類似的一或多筆燈源方位資訊；及(D)該處理單元根據篩選出的燈源方位資訊所對應的預存姿態角估算該物體的一估算姿態角。
2. 如請求項1所述自由空間定位方法，其中，步驟(C)中對每一筆燈源方位資訊計算得到一個相關於該待判資訊與該一筆燈源方位資訊間之差異的綜合差異值，並篩選出該綜合差異值小於等於一閾值所對應的燈源方位資訊。
3. 如請求項2所述自由空間定位方法，其中，該燈源方位資訊是相關於各燈源在一預擷取影像上的位置，當該物體處於該預存姿態角且設於該物體上之該取像模組對該燈源模組取像而產生該預擷取影像後，分析該預擷取影像可得該燈源方位資訊。
4. 如請求項3所述自由空間定位方法，其中，該物體處於一預存座標及該預存姿態角且設於該物體上之該取像模組對該燈源模組取像而產生該預擷取影像後，分析該預擷取影像可得該燈源方位資訊。
5. 如請求項3所述自由空間定位方法，其中，定義該燈源O與該燈源X的連線線段為第一邊L₁、該燈源O與該燈源Y的連線線段為第二邊L₂，該燈源O與該燈源Z的連線線段為第三邊L₃，步驟(B)計算得到的該待判資訊包括該待判影像中該第一邊的長度、第二邊的長度、第三邊的長度、第一邊與第二邊的第一夾角、第二邊與第三邊的第二夾角，及第一邊與第三邊的第三夾角；該燈源方位資訊包括該預擷取影像中該第一邊的長度、該第二邊的長度、該第三邊的長度、該第一邊與該第二邊的夾角、該第二邊與該第三邊的夾角，及該第一邊與該第三邊的夾角；步驟(C)計算該綜合差異值f= 。
6. 如請求項3所述自由空間定位方法，其中，各該燈源方位資訊還包括該燈源O在該預擷取影像的座標 ，該待判資訊包括該燈源O在該待判影像中的座標，步驟(C)該處理單元還計算距離dO= ，其中距離dO為該燈源O在該待判 影像中的位置與在該預擷取影像中的位置的距離，並篩選出該距離dO小於等於一預設距離所對應的燈源方位資訊。
7. 如請求項3所述自由空間定位方法，其中，該燈源方位資訊包括在該預擷取影像中該燈源O的座標、該燈源X的座標、該燈源Y的座標，及該燈源Z的座標，該待判資訊包括在該待判影像中該燈源O的座標，該燈源X的座標，該燈源Y的座標，該燈源Z的座標 ，該綜合差異值f為 ，其中，
8. 如請求項1所述自由空間定位方法，其中，步驟(D)將篩選出的燈源方位資訊對應的預存姿態角進行平均，得到估算的該物體的一估算姿態角A^E。
9. 如請求項8所述自由空間定位方法，其中，A^E= ，其中，N為 篩選出來的燈源方位資訊總筆數，篩選出的第k筆燈源方位資訊對應的預存姿態角A^k為。
10. 如請求項1所述自由空間定位方法，其中，該燈源模組的各該燈源發出的光線之波長彼此相異，步驟(B)中該處理單元是根據該待判影像的畫素值識別各該燈源。
11. 如請求項1所述自由空間定位方法，還適用於估算該物體在空間之座標，其中，每筆燈源方位資訊還對應一預存座標，步驟(D)還將篩選出的燈源方位資訊所對應的預存座標進行平均，得到估算的該物體的一估算座標C^E。
12. 如請求項11所述自由空間定位方法，其中，C^E= ，其中，N為篩 選出來的燈源方位資訊總筆數，篩選出的第k筆燈源方位資訊對應的預存物體座標C^k為。
13. 一種自由空間定位系統，執行如請求項1至12中任一請求項所述自由空間定位方法。