TW201838408A - 使用光偵測及測距之獨立於駐留角度而追蹤及監測物件 - Google Patents

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Abstract

本發明揭示一種諸如一光偵測及測距(LIDAR)系統之遠端追蹤系統，其可追蹤諸如人臉之物件。在此等物件中，有一看似為實質上垂直於物件之定向之自然對稱軸。然而，因為物件通常在運動中，所以吾人無法期望入射於物件上之光束一直垂直於物件。確切而言，光束趨向於依某一偏斜角駐留於物件上。在一典型情況中，自物件之一給定部分偵測之光束圖案取決於此駐留角。在習知遠端追蹤系統中，歸因於駐留角之變動，難以透過所有可能光束圖案來有效識別物件之部分。本文所描述之改良技術之一目的係無關於駐留角而有效監測及追蹤一物件。

Description

使用光偵測及測距之獨立於駐留角度而追蹤及監測物件
本發明係關於用於使用光偵測及測距(LIDAR)來追蹤及監測物件之系統及方法。
在一些已知系統中，可使用一雷射光偵測及測距(LIDAR)系統與一視訊系統之組合來追蹤物件。一些此等已知系統可能較複雜且難以使用。另外，在一些此等已知系統中，視訊系統需要光來偵測待追蹤之物件。因此，需要系統、方法及裝置來解決目前技術之不足且提供其他創新特徵。
圖1係繪示其中執行追蹤一物件之運動之改良技術之一實例性電子環境100的一圖式。電子環境100包含經組態以追蹤及監測一物件110之一LIDAR系統120。可使用LIDAR系統120來執行物件110之追蹤，同時消除可見光成像硬體(例如視訊攝影機硬體)。因此，LIDAR系統120可經組態以在完全黑暗中、在陽光下等等操作。與習知系統相比，LIDAR系統120可不更易受物件110之運動影響。因此，在一些實施方案中，物件110之運動可僅由LIDAR量測判定且無需(例如)視訊。 本文中假定物件110係具有某一已知或未知形狀之一實質上剛性體。例如，物件110可為一人臉。假定物件110在圍繞一任意軸線性及旋轉運動兩者。應瞭解，在圖1所展示之電子環境中，存在實質上垂直於物件之表面之一自然軸。 沿此自然軸，可經由自物件之各種區域處之一最佳適配平面之偏移來描述物件。此等偏移可儲存於一特徵集庫中，其中將實質上垂直於物件之表面之偏移映射至物件之一區域。 然而，因為物件110通常在運動中，所以吾人無法期望入射於物件上之光束一直垂直於物件。確切而言，光束趨向於依某一偏斜角駐留於物件上。在一典型情況中，自物件110之一給定部分或特徵集偵測之光束圖案取決於此駐留角。歸因於駐留角之變動，難以透過所有可能光束圖案來有效識別物件110之部分。本文所描述之改良系統及技術之一目的係無關於駐留角而有效監測及追蹤物件。 如圖1中所展示，LIDAR系統120係包含處理電路124、記憶體126、一照明系統150及一接收器系統160之一單一整合單元。在一些配置中，LIDAR系統120呈可指向物件110之一手持單元之形式。然而，在其他配置中，LIDAR系統120之組件可分佈於不同單元中(例如，處理電路124及記憶體126可位於與包含照明系統150及接收器系統160之一手持器件分離之一計算器件中)。 處理電路124包含一或多個處理晶片及/或總成。記憶體126包含揮發性記憶體(例如RAM)及非揮發性記憶體(諸如一或多個ROM、磁碟機、固態磁碟及其類似者)。處理單元124及記憶體126之集合一起形成控制電路，其經組態及配置以實施本文所描述之各種方法及功能。 在一些配置中，LIDAR系統120之一或多個組件可為或可包含經組態以處理儲存於記憶體126中之指令之處理器。例如，展示為包含於圖1中之記憶體126內之一偏移獲取管理器130 (及/或其之一部分)及一特徵集獲取管理器170可為經組態以執行與實施一或多個功能之一程序相關之指令之一處理器及一記憶體之一組合。 照明系統150經組態及配置以產生由物件110之表面112反射之照明。如圖1中所展示，此照明呈沿z軸導引之多個輻射光束190(1)…190(N)之形式。照明系統150包含一掃描機構152 (其包含一雷射陣列154)及一孔隙170。 掃描/追蹤機構152經組態及配置以在一掃描及/或追蹤運動中移動雷射陣列154。如圖1中所展示，掃描/追蹤機構152經組態以實質上沿x方向及y方向(即，正交於光束190(1)…190(N)之方向)移動雷射陣列154中之各雷射。掃描/追蹤機構152完全移動雷射陣列154，使得所有移動在一運動中執行。 雷射陣列154經組態及配置以產生雷射輻射之光束(例如光束190(1)…190(N))之一陣列，即，實質上同調準單色光。在諸多配置中，雷射陣列154包含雷射之一矩形陣列，其等各產生某一波長處之雷射輻射。矩形陣列中之各雷射對應於物件110之表面112之一取樣點，由該雷射產生之光束在該取樣點處由表面112反射。在一些配置中，由雷射陣列154產生之各光束190(1)…190(N)中之光之波長係1550 nm。此波長具有適合於例如為人臉之物件之優點。然而，亦可使用其他波長(例如1064 nm、532 nm)。 接收器系統160經組態及配置以接收由物件110之表面112反射之光束且自接收光束產生位移資料集140(1)…140(T)。接收器系統160可使用任何數目個已知技術(例如外差偵測)來產生偏移資料集140(1)…140(T)及/或當前偏移資料172且將不再進一步討論。接收器系統包含經組態及配置以將接收光束轉換為電信號之一偵測器180，接收器系統160可自電信號產生偏移資料集140(1)…140(T)及/或當前偏移資料172。在一些配置中，偵測器180包含一pin光二極體；在其他配置中，偵測器180可包含一光倍增管(PMT)或一電荷耦合器件(CCD)陣列。 偏移獲取管理器130經組態以執行涉及將光束圖案正規化為自法線入射處之照明所見之光束圖案之計算，使得自物件110之一給定部分偵測之光束圖案實質上獨立於駐留角。偏移獲取管理器130包含一中間平面管理器132、一座標系變換管理器134及一偏移產生管理器136。 中間平面管理器132經組態以在入射於表面112上之光束190(1)、192(2)…190(N)附近產生接近於物件110之表面112之一中間平面142。在諸多情況中及在本文所討論之實例中，中間平面142係藉由最小化光束點192(1)、192(2)…192(N)與中間平面142中之對應點之間的最小方差來找到之一最佳適配平面。通常，中間平面142將由物件110占用之空間分成兩半，使得在各半空間中，存在具有與該半空間中之表面之接觸點(例如192(1)、192(2)…192(N))之至少一光束。 中間平面資料142包含界定空間中平面之一定向及一單點之一單位法向量。該單點可被視為平面中最接近表面112上之一定錨點之點。該定錨點可被視為物件之一座標系之原點。因此，一最小平方最小化程序將找到使表面112上之各光束點192(1)、192(2)…192(N)與平面142中之各自點之間沿平面142之法線之距離之平方和最小化之單位法向量及單點。 座標系變換管理器134經組態以在由平面142界定之一座標系中表示光束點192(1)、192(2)…192(N)及表面112上之任何其他點。事實上，座標系變換管理器142經組態以對光束點192(1)、192(2)…192(N)之各者執行一平移操作及一旋轉操作。依此方式，各光束點將具有一水平平面座標、一垂直平面座標及自平面之一偏移。 在執行平移時，座標系變換管理器134經組態以界定中間平面142之原點以使物件110之定錨點沿中間平面142之法線平移等於定錨點與平面中之點之間的距離之一距離。在依一類似方式平移各光束點192(1)、192(2)…192(N)之後，座標系變換管理器134經組態以界定僅取決於物件座標系之垂直單位向量及中間平面142之法線之一旋轉矩陣144。接著，座標系變換管理器134經組態以將旋轉矩陣144應用於經平移光束點之各者。依此方式，光束點192(1)、192(2)…192(N)自中間平面142之偏移係經平移及旋轉座標系中之第三座標。 偏移產生管理器136經組態以在一組理想點174處產生自中間平面142之偏移值172。理想點組174通常為表面112之法線入射處之入射光束圖案之理想點。由於在此等理想點174處產生偏移，可使用特徵集庫140來判定表面112上之光束190(1)、190(2)…190(N)之位置。 偏移產生管理器126經組態以藉由對平面142之座標系中之光束點執行一內插操作(即，平移及旋轉)來產生理想點174處之偏移值172。因為偏移僅為平面142之座標系中之第三座標，所以理想點174處之偏移172僅為理想點174處之一內插函數146之值。 在一些實施方案中，若預先知道物件之形狀，則可無需偏移產生管理器126。 特徵集獲取管理器170經組態以鑑於當前偏移資料172來判定光束190(1)、190(2)…190(N)照射之表面112上之一位置。照此方法，偏移產生管理器126經組態以對特徵集庫140執行一搜尋操作以找到偏移資料集，例如最接近當前偏移資料172之偏移資料集140(2)。在一些實施方案中，搜尋操作係一最近鄰搜尋操作。在一些實施方案中，搜尋操作之結果包含對應於一特定偏移資料集(例如偏移資料集140(2))之一組參數之值。在其他配置中，搜尋操作之結果可為鄰近偏移資料集之參數組之值之一平均數。 特徵集獲取管理器170亦經組態以藉由構造基於物件之一點雲且基於該點雲導出一表面法線來產生特徵集庫140。照此方法，特徵集獲取管理器170經組態以將自各部分之各自偏移值作為偏移資料集140(1)、偏移資料集140(2)…偏移資料集140(T)記錄至記憶體126中。 圖2A及圖2B繪示可由LIDAR系統120觀測(例如，瞄準)之一實例性物件210。物件210可具有任何形狀，但在圖2A及圖2B中表示為一長球體。在圖2A中，物件210上之一點220在時間T1處由LIDAR系統120觀測。在時間T1處，點220定位於(x, y)平面中之(3, 3)處。如圖2B中所繪示，在時間T2處，點220定位於(x, y)平面中之(4, 3)處。點之移動可為物件80之不同類型之移動之結果。例如，物件220可自一位置移動至另一位置(平移移動)或物件220可旋轉(例如，圍繞平行於x-y平面之y軸之一軸)。 如圖2C、圖2D及圖2E中所繪示，一個體之一頭部或臉290可由LIDAR系統120追蹤或觀測。具體而言，可觀測頭部或臉290之一點或位置292。如圖2C中所繪示，在時間T1處，點292定位於(x, y)平面中之(3, 2)處。在時間T2處，點292可被觀測為位於(4, 2)處。 點之移動可為不同類型之運動之結果。例如，個體可旋轉其頭部(例如，圍繞平行於y軸之一軸)，如圖2D中所繪示。替代地，個體可移動其頭部(無任何旋轉)，如圖2E中所繪示。 圖3繪示執行本文所描述之改良技術之一實例性方法300。方法300可由結合圖1所描述之構造執行，其可駐存於LIDAR系統120之記憶體126中且可由處理電路124執行。 在302中，將空間中之一表面(例如表面112 (圖1))上之實際點(複數個光束(例如190(1)、190(2)…190(N))在實際點處輻射表面)之座標記錄於記憶體126中。實際點之實例可為表面112上之光束點192(1)、192(2)…192(N)。 在304中，基於實際點之座標來產生一中間平面，例如具有資料142之一最佳適配平面。中間平面將空間分成一對半空間，使得半空間對之各者包含至少一實際點。 在306中，沿相對於中間平面之一第一方向自表面投影實際點(即，自物件之一座標系平移及旋轉至中間平面之一座標系)以在中間平面內產生各自投影實際點。在大多數實施方案中，第一方向係沿中間平面之法線，但此絕非必需的。 在308中，沿相對於中間平面之一第二方向產生中間平面內之複數個理想點處之表面自中間平面之偏移，偏移係基於中間平面之各自投影實際點。在大多數實施方案中，第二方向係沿中間平面之法線，儘管此絕非必需的。 在310中，將偏移映射至表面之一部分。此映射通常藉由搜尋偏移之一庫(例如庫140)且找到與所產生之偏移之最近匹配來執行。例如，LIDAR系統120可在偏移140(1)…140(T)中執行一最近鄰搜尋以判定表面112上之哪個對應位置最接近所產生之偏移。在一些實施方案中，將使用表面112上之光束之當前位置來識別與所產生之偏移具有最小差值之庫中之項。在其他實施方案中，可識別若干周圍項，且可基於庫140中之該等偏移之對應位置來透過一內插函數判定當前位置。 圖4繪示適配於表面410上之點420之最佳適配平面430之一實例性判定。最佳適配平面430由一法向量440及平面430中之一點450界定。點420具有座標系460中之座標。 點420依通常取決於雷射陣列154 (圖1)之形狀、表面410之局部形狀及表面410上之光束之入射角或駐留角之某一圖案配置於表面上。假定第i點420具有座標系460中之座標。接著，若一平面之方程式係(其中係平面之單位法向量且對於平面中之某一點(即，點450)而言，)，則可藉由通過最小化以下度量找到未知及來判定最佳適配平面：在一些實施方案中，度量可具有用於各點之不同權重。例如，歸因於諸如信號品質及物件外之位置之因數，一些點可被視為具有低於其他點之品質。可使此等點之權重相對較小或甚至為零。 圖5繪示將表面410上之點420 (圖4)實例性地投影至最佳適配平面430上以在平面430中產生投影點520 (圓形)。各此投影涉及自物件410 (圖4)之表面平移至最佳適配平面430及座標系460旋轉至與最佳適配平面430對準之座標系530中。 藉由沿平面430之法線440移動平面410上之定錨點來實現表面410上之各點之平移。平面座標系530之原點由給出。接著，表面410上之各點之平移操作呈形式。 接著，使座標系460旋轉以產生與最佳適配平面430對準之座標系530。由構造如下之一旋轉矩陣實現旋轉。使單位向量成為物件座標系460中指向垂直方向之向量。將最佳適配平面座標系530中之水平方向上之單位向量表示為。將最佳適配平面座標系530中之垂直方向上之單位向量表示為。應注意，座標系530中之第三座標係。接著，旋轉矩陣具有單位向量作為其第一行、單位向量作為其第二行及單位法向量作為其第三行。接著，平面座標系530中之表面410上之各點由給出。 圖5亦繪示最佳適配平面座標系530中放置於投影點520之間的理想點540 (方形)。如圖5中所繪示，投影點520形成一內插函數可由其界定之二維網格。例如，由於三角量測網格以形成三角形區域550，內插函數可呈各三角形區域550內之一分段線性函數之形式。內插函數之輸出係，其表示各理想點處之垂直於最佳適配平面430之偏移。 上述程序導致在最佳適配平面430而非表面410之法線入射處之理想點處找到偏移。因為偏移係相對於最佳適配平面，所以可存在偏移相對於理想點處之實際偏移之一固有誤差。可藉由迭代上述程序直至達成收斂來校正此誤差。圖6中描述此一迭代。 圖6繪示計算自一最佳適配平面之法線入射處之偏移之一實例性迭代方法600。方法600可由結合圖1所描述之構造執行，其可駐存於LIDAR系統120之記憶體126中且可由處理電路124執行。 在602中，LIDAR系統120將光束190(1)、190(2)…190(N)自雷射陣列154 (圖1)發射至物件110之表面112上。來自光束190(1)、190(2)…190(N)之輻射由表面112之一部分反射且由偵測器180偵測。在偵測到反射輻射之後，LIDAR系統120記錄表面112上之駐留點192(1)、192(2)…192(N)之位置。 在604中，LIDAR系統120透過表面112上之駐留點192(1)、192(2)…192(N)來計算最佳適配平面430，如上文參考圖4所描述。 在606中，LIDAR系統120產生旋轉矩陣，如上文參考圖5所描述。 在608中，LIDAR系統120將駐留點192(1)、192(2)…192(N)平移至最佳適配平面430且將旋轉矩陣應用於經平移駐留點以產生最佳適配平面430之座標系530中之點之位置，如上文參考圖5所描述。 在610中，LIDAR系統120基於最佳適配平面430之座標系530中之點來產生一內插函數以找到預定理想點處之自最佳適配平面之偏移，如上文參考圖5所描述。 在612中，LIDAR系統120比較自理想點處之內插計算之偏移與自一最佳適配平面之前一迭代計算之偏移。例如，當LIDAR系統120自一內插函數計算偏移時，LIDAR系統120可自理想點及偏移計算一新最佳適配平面。接著，LIDAR系統120可將此等點投影至新最佳適配平面上且計算新偏移，如606、608及610中所描述。接著，LIDAR系統120判定新偏移是否足夠接近前一偏移。例如，在一些實施方案中，LIDAR系統120計算所有理想點之平均偏移，即：在此情況中，當小於某一臨限容限(例如0.01、0.005或更小或0.02、0.03、0.05或更大)時，在614中，LIDAR系統120基於偏移來識別物件110之表面112之一部分。否則，當大於臨限容限時，LIDAR系統120自604重複程序。 LIDAR系統120使用特徵集庫140來自理想點處所產生之偏移識別表面112之一部分。參考圖7A及圖7B討論如何完成此之進一步細節。 圖7A繪示產生特徵集庫140 (圖1)之一實例性方法700。方法700可由結合圖1所描述之構造執行，其可駐存於LIDAR系統120之記憶體126中且可由處理電路124執行。 在702中，LIDAR系統120掃描物件110以獲得物件110之一點雲以導出物件之表面法線。 在704中，LIDAR系統120在表面112之各部分處之法線入射處量測點自各自最佳適配平面之偏移。 在706中，LIDAR系統120將界定各自表面部分之偏移及其參數作為庫140記錄於記憶體126中。 圖7B繪示基於使用庫140之計算偏移來判定表面112之一部分之一實例性方法750。方法750可由結合圖1所描述之構造執行，其可駐存於LIDAR系統120之記憶體126中且可由處理電路124執行。 在752中，LIDAR系統120在法線入射處之理想點處接收自最佳適配平面之計算偏移。 在754中，LIDAR系統120基於計算偏移來對庫140中自各部分量測之偏移執行一最近鄰搜尋。 在756中，LIDAR系統120判定由最近鄰搜尋所致之表面112之部分。如上文所討論，此最近鄰搜尋允許判定表面112上之光束之當前駐留位置。 在一些實施方案中，針對表面112之特定部分(例如，對應於人臉之耳朵或嘴巴附近)，LIDAR系統120監測由呼吸所致之聲振動。作為一實例，吾人可尋找聲振動且接著由於找到此等聲振動而聚焦於耳朵附近之部分。 LIDAR系統120之組件(例如模組、處理器(例如界定於諸如一矽基板之一基板內之一處理器))(例如偏移獲取管理器130)可經組態以基於可包含一或多個類型之硬體、軟體、韌體、作業系統、運行時庫等等之一或多個平台(例如一或多個類似或不同平台)來操作。在一些實施方案中，LIDAR系統120之組件可經組態以在器件之一叢集(例如一伺服器場)內操作。 在一些實施方案中，圖1之LIDAR系統120中所展示之組件之一或多個部分可為或可包含一基於硬體之模組(例如一數位信號處理器(DSP)、一場可程式化閘陣列(FPGA)、一記憶體)、一韌體模組及/或一基於軟體之模組(例如電腦程式碼之一模組、可在一電腦處執行之一組電腦可讀指令)。例如，在一些實施方案中，LIDAR系統120之一或多個部分可為或可包含經組態以由至少一處理器(圖中未展示)執行之一軟體模組。在一些實施方案中，組件之功能可包含於不同於圖1中所展示之模組及/或組件之模組及/或組件中。 在一些實施方案中，LIDAR系統120之一或多個組件可為或可包含經組態以處理儲存於一記憶體中之指令之處理器。例如，偏移獲取管理器130 (及/或其之一部分)可為經組態以執行與實施一或多個功能之一程序相關之指令之一處理器及一記憶體之一組合。 儘管圖中未展示，但在一些實施方案中，LIDAR系統120之組件(或其部分)可經組態以在(例如)一資料中心(例如一雲端計算環境)、一電腦系統、一或多個伺服器及/或主機器件等等內操作。在一些實施方案中，LIDAR系統120之組件(或其部分)可經組態以在一網路內操作。因此，LIDAR系統120 (或其部分)可經組態以在可包含一或多個器件及/或一或多個伺服器器件之各種網路環境內運行。例如，網路可為或可包含一區域網路(LAN)、一廣域網路(WAN)等等。網路可為或可包含一無線網路及/或使用(例如)閘道器件、橋接器、交換器等等來實施之無線網路。網路可包含一或多個分段及/或可具有基於諸如網際網路協定(IP)及/或專屬協定之各種協定之部分。網路可包含網際網路之至少一部分。 在一些實施方案中，LIDAR系統120可包含一記憶體。記憶體可為諸如一隨機存取記憶體、一磁碟機記憶體、快閃記憶體等等之任何記憶體類型。在一些實施方案中，記憶體可實施為與LIDAR系統120之組件相關聯之一個以上記憶體組件(例如一個以上RAM組件或磁碟機記憶體)。 在一些實施方案中，一LIDAR系統包含一雷射系統，其包含經組態以相對於被追蹤物件依一或若干圖案移動之雷射或雷射束。例如，在一些實施方案中，LIDAR系統120之掃描/追蹤機構152包含經組態以相對於被追蹤物件依一或若干圖案移動之複數個雷射或光束。 例如，在一些實施方案中，LIDAR系統120可具有其中雷射束係固定或靜止之一模式及其中雷射束依諸如一形狀之一或若干圖案移動之一第二模式。在一些實施方案中，當LIDAR系統120係在第二模式中時，兩個或兩個以上雷射束依一或若干圖案移動。在一些實施方案中，不同雷射束可依不同圖案獨立移動。 在其他實施方案中，LIDAR系統120包含一些雷射或產生一些靜止雷射束及經組態以依一(或若干)圖案或形狀移動之一些雷射束。 雷射或光束可依任何圖案或形狀移動。例如，在一些實施方案中，雷射或光束經組態以依橢圓形形狀移動。在其他實施方案中，雷射或光束經組態以依一線形、圓形、方形、矩形、三角形或任何其他形狀移動。在一些實施方案中，雷射或光束移動所依之形狀或圖案由被追蹤物件指定或判定。例如，在一些實施方案中，雷射移動之圖案或形狀可類似於被追蹤物件之形狀。例如，可在追蹤一人臉時使用一橢圓形形狀或圖案，此係因為人臉大體上呈橢圓形形狀。 本文所描述之各種技術之實施方案可實施於數位電子電路中或電腦硬體、韌體、軟體或其等之組合中。實施方案可實施為一電腦程式產品(即，有形地體現於一資訊載體(例如一機器可讀儲存器件(電腦可讀媒體、一非暫時性電腦可讀儲存媒體、一有形電腦可讀儲存媒體))或一傳播信號中之一電腦程式)以由資料處理裝置(例如一可程式化處理器、一電腦或多個電腦)處理或控制資料處理裝置之操作。諸如上述(若干)電腦程式之一電腦程式可以包含編譯或解譯語言之任何形式之程式設計語言書寫且可以任何形式部署，其包含作為一獨立程式或作為一模組、組件、子常式或適合用於一計算環境中之其他單元。一電腦程式可經部署以處理於一個電腦上或位於一個位置處或分佈於多個位置中且由一通信網路互連之多個電腦上。 方法步驟可由一或多個可程式化處理器執行，該一或多個可程式化處理器執行一電腦程式以藉由操作輸入資料且產生輸出來執行功能。方法步驟亦可由專用邏輯電路(例如一FPGA (場可程式化閘陣列)或一ASIC (專用積體電路))執行且一裝置可實施為該專用邏輯電路。 舉例而言，適合於處理一電腦程式之處理器包含通用微處理器及專用微處理器兩者及任何種類之數位電腦之任何一或多個處理器。一般而言，一處理器將自一唯讀記憶體或一隨機存取記憶體或兩者接收指令及資料。一電腦之元件可包含用於執行指令之至少一處理器及用於儲存指令及資料之一或多個記憶體器件。一般而言，一電腦亦可包含用於儲存資料之一或多個大容量儲存器件(例如磁碟、磁光碟或光碟)或經可操作地耦合以自該一或多個大容量儲存器件接收資料或將資料轉移至該一或多個大容量儲存器件或兩者。適合於體現電腦程式指令及資料之資訊載體包含所有形式之非揮發性記憶體，其包含(舉例而言)半導體記憶體器件(例如EPROM、EEPROM及快閃記憶體器件)、磁碟(例如內部硬碟或可抽換式磁碟)、磁光碟及CD-ROM及DVD-ROM磁碟。處理器及記憶體可由專用邏輯電路補充或併入專用邏輯電路中。 為提供與一使用者之互動，實施方案可實施於一電腦上，該電腦具有用於對使用者顯示資訊之一顯示器件(例如一液晶顯示(LCD或LED)監視器、一觸控螢幕顯示器)及使用者可藉由其來將輸入提供至電腦之一鍵盤及一指標器件(例如一滑鼠或一軌跡球)。其他種類之器件亦可用於提供與一使用者之互動；例如，提供給使用者之回饋可為任何形式之感覺回饋，例如視覺回饋、聽覺回饋或觸覺回饋；且來自使用者之輸入可以任何形式接收，其包含聲音、語音或觸覺輸入。 實施方案可實施於一計算系統中，該計算系統包含一後端組件(例如作為一資料伺服器)，或包含一中間軟體組件(例如一應用程式伺服器)，或包含一前端組件(例如具有一圖形使用者介面或一網頁瀏覽器(一使用者可透過其來與一實施方案互動)之一用戶端電腦)或此等後端組件、中間軟體組件或前端組件之任何組合。組件可由任何形式或介質之數位資料通信(例如一通信網路)互連。通信網路之實例包含一區域網路(LAN)及一廣域網路(WAN)，例如網際網路。 在一些實施方案中，LIDAR系統120可針對一主體或個體之移動臉部達成毫米級準確性能。然而，在一些實施方案中，固體物件速度估計需要處理多個樣本以自語音及其他生物分量消除較大速度分量。具有0.05 mm (50微米)之一振幅之一500 Hz振動將具有約16 cm/sec之一最大速度(2*π*500*5E-5=0.157 m/sec)。即使振動之振幅在追蹤一主體或個體之臉部之程序中係一微小範圍變化，但瞬時速度會較大且可消除振動速度。在一些實施方案中，消除振動速度需要在顯著長於消除振動之週期的週期內處理一速度資料樣本且注意避免雜訊或偏壓。例如，速度之雜訊(例如z方向上之速度)會影響或降低偵測或判定物件之旋轉或物件之z速度之能力。在一些實施方案中，振動或速度雜訊相對較小且可經平均以消除其效應。 儘管已如本文所描述般繪示所描述之實施方案之特定特徵，但熟習技術者現可想到諸多修改、取代、改變及等效物。因此，應瞭解，隨附申請專利範圍意欲覆蓋落入實施方案之範疇內之所有此等修改及改變。應瞭解，實施方案僅供例示而非意在限制，且可進行形式及細節之各種改變。除互斥組合之外，本文所描述之裝置及/或方法之任何部分可以任何組合組合。本文所描述之實施方案可包含所描述之不同實施方案之功能、組件及/或特徵之各種組合及/或子組合。
100‧‧‧電子環境
110‧‧‧物件
112‧‧‧表面
120‧‧‧光偵測及測距(LIDAR)系統
124‧‧‧處理電路/處理單元
126‧‧‧記憶體
130‧‧‧偏移獲取管理器
132‧‧‧中間平面管理器
134‧‧‧座標系變換管理器
136‧‧‧偏移產生管理器
140‧‧‧特徵集庫
140(1)至140(T)‧‧‧位移資料集/偏移資料集
142‧‧‧中間平面/中間平面資料
144‧‧‧旋轉矩陣
146‧‧‧內插函數
150‧‧‧照明系統
152‧‧‧掃描/追蹤機構
154‧‧‧雷射陣列
160‧‧‧接收器系統
170‧‧‧特徵集獲取管理器/孔隙
172‧‧‧當前偏移資料/偏移值
174‧‧‧理想點
180‧‧‧偵測器
190(1)至190(N)‧‧‧光束
192(1)至192(N)‧‧‧光束點/駐留點
210‧‧‧物件
220‧‧‧點
290‧‧‧頭部/臉
292‧‧‧點/位置
300‧‧‧方法
302‧‧‧將空間中之表面之座標記錄於記憶體中
304‧‧‧基於實際點之座標來產生中間平面
306‧‧‧沿相對於中間平面之第一方向自表面投影實際點以在中間平面內產生各自投影實際點
308‧‧‧沿相對於中間平面之第二方向產生中間平面內之複數個理想點處之表面自中間平面之偏移
310‧‧‧將偏移映射至表面之部分
410‧‧‧表面
420‧‧‧點
430‧‧‧最佳適配平面
440‧‧‧法向量/法線
450‧‧‧點
460‧‧‧座標系
520‧‧‧投影點
530‧‧‧最佳適配平面座標系
540‧‧‧理想點
550‧‧‧三角形區域
600‧‧‧方法
602‧‧‧將光束自雷射陣列發射至物件之表面上
604‧‧‧透過表面上之駐留點來計算最佳適配平面
606‧‧‧產生旋轉矩陣
608‧‧‧將駐留點平移至最佳適配平面且將旋轉矩陣應用於經平移駐留點以產生最佳適配平面之座標系中之點之位置
610‧‧‧基於最佳適配平面之座標系中之點來產生內插函數以找到預定理想點處之自最佳適配平面之偏移
612‧‧‧比較自理想點處之內插計算之偏移與自最佳適配平面之前一迭代計算之偏移
614‧‧‧基於偏移來識別物件之表面之部分
700‧‧‧方法
702‧‧‧掃描物件以獲得物件之點雲以導出物件之表面法線
704‧‧‧在表面之各部分處之法線入射處量測點自各自最佳適配平面之偏移
706‧‧‧將界定各自表面部分之偏移及其參數作為庫記錄於記憶體中
750‧‧‧方法
752‧‧‧在法線入射處之理想點處接收自最佳適配平面之計算偏移
754‧‧‧基於計算偏移來對庫中自各部分量測之偏移執行最近鄰搜尋
756‧‧‧判定由最近鄰搜尋所致之表面之部分
圖1係繪示其中可執行本文所描述之改良技術之一電子環境內之一實例性LIDAR系統的一方塊圖。 圖2A係繪示圖1中所繪示之電子環境內所追蹤之一實例性物件的一圖式。 圖2B係繪示圖1中所繪示之電子環境內所追蹤之實例性物件的一圖式。 圖2C係繪示圖1中所繪示之電子環境內所追蹤之另一實例性物件的一圖式。 圖2D係繪示圖1中所繪示之電子環境內所追蹤之另一實例性物件的一圖式。 圖2E係繪示圖1中所繪示之電子環境內所進一步追蹤之另一實例性物件的一圖式。 圖3係繪示用於判定圖1中所繪示之電子環境內之一物件之表面上之駐留位置之一實例性方法的一流程圖。 圖4係繪示圖1中所繪示之電子環境內之一最佳適配平面之一實例性判定的一圖式。 圖5係繪示圖4中所繪示之最佳適配平面內所取樣之理想點處之偏移之一實例性內插的一圖式。 圖6係繪示計算圖1中所繪示之電子環境內之法線入射處之偏移之一實例性迭代程序的一流程圖。 圖7A係繪示自圖1中所繪示之電子環境內之一物件表面之一初始掃描提供自法線入射之偏移之一庫之一實例性程序的一流程圖。 圖7B係繪示自由圖7A中所繪示之程序提供之庫判定所追蹤之物件表面之一部分之一實例性程序的一流程圖。

Claims (20)

  1. 一種方法，其包括： 由一遠端追蹤系統之處理電路記錄空間中之一表面上之實際點之座標，複數個光束在該等點處輻射該表面； 由該處理電路基於該等實際點之該等座標來產生一中間平面，該中間平面將該空間分成一對半空間，該對半空間之各者包含該等實際點之至少一者； 由該處理電路沿相對於該中間平面之一第一方向投影該表面上之該等實際點以在該中間平面內產生各自投影實際點； 由該處理電路沿相對於該中間平面之一第二方向產生該中間平面內之複數個理想點處之該表面自該中間平面之偏移，該等偏移係基於該中間平面之該等各自投影實際點；及 由該處理電路將該等偏移映射至該表面之一部分以在該表面上產生由該遠端追蹤系統追蹤之一位置。
  2. 如請求項1之方法，其中該第一方向相對於該中間平面係垂直。
  3. 如請求項1之方法，其中該第二方向相對於該中間平面係垂直。
  4. 如請求項1之方法，其中該中間平面係該等實際點之該等座標之一最佳適配平面；且 其中基於該等實際點之該等座標來產生該中間平面包含：對該等實際點之該等座標執行一最小平方運算以產生該最佳適配平面。
  5. 如請求項1之方法，其進一步包括在該複數個理想點處將該等偏移映射至由另外複數個光束輻射之該表面之該部分之前： 對該等偏移執行一比較運算以產生相對於一臨限差之一差量，該差量指示該複數個理想點處之該等偏移與先前偏移之間的一差值大於該臨限差； 回應於該等偏移之量測大於該臨限差： 基於該等理想點之座標及該等偏移來產生一新中間平面； 沿相對於該新中間平面之一第三方向投影該表面上之該等實際點以在該新中間平面內產生各自新投影實際點；及 沿相對於該中間平面之該第二方向產生該新中間平面內之該複數個理想點處之該表面自該新中間平面之偏移。
  6. 如請求項5之方法，其中執行該比較運算包含： 針對該複數個理想點之各者，產生該理想點處之一偏移與一對應先前偏移之間的一差值以產生複數個差值；及 產生該複數個差值之一平均數。
  7. 如請求項1之方法，其中該表面及該中間平面之各者具有一各自座標系； 其中產生該中間平面包含：產生(i)指示該第一方向之一第一向量及(ii)一中心點，該中心點係沿該第一方向最接近該表面上之一指定實際點之該平面中之一點； 其中沿相對於該中間平面之該第一方向投影該表面上之該等實際點包含： 基於以下二者來產生一旋轉矩陣：(i)指示該第一方向之該第一向量及(ii)指示該表面之該座標系之一垂直軸之一第二向量；及 針對該表面上之該等實際點之各者，形成以下二者之一乘積：(i)該旋轉矩陣及(ii)該實際點與該中心點之間的一差值。
  8. 如請求項7之方法，其中產生該旋轉矩陣包含： 形成該第一向量及該第二向量之一第一交叉乘積以在該中間平面中產生一水平方向向量；及 形成該第一向量及該水平方向向量之一第二交叉乘積以在該中間平面中產生一垂直方向向量；及 形成包含等於該水平方向向量之一第一行、等於該垂直方向向量之一第二行及等於該第一向量之一第三行之一矩陣作為該旋轉矩陣。
  9. 如請求項1之方法，其中沿相對於該中間平面之該第二方向產生該中間平面內之該複數個理想點處之該表面自該中間平面之該等偏移包含： 基於該中間平面之該等投影實際點來產生一內插函數；及 針對該複數個理想點之各者，將該理想點輸入至該內插函數中以在該理想點處產生偏移。
  10. 如請求項9之方法，其中產生該內插函數包含： 在該中間平面中產生一三角形網格，該三角形網格在該中間平面之該等投影實際點處具有形成複數個三角形區域之頂點；及 針對該複數個三角形區域之各者，在該三角形區域內產生座標之一線性函數。
  11. 如請求項1之方法，其進一步包括在記錄該複數個光束輻射該表面時之該表面上之該等實際點之該等座標之前： 在該表面上執行一掃描操作，該掃描操作包含使用另外複數個光束來輻射該表面之複數個部分之各者以產生該表面之該部分之複數個座標，該複數個座標之各者對應於該複數個光束之一各自光束；及 針對該表面之該複數個部分之各者，將該表面之該部分之該複數個座標記錄於表面部分之一庫中。
  12. 如請求項10之方法，其中在該複數個理想點處將該等偏移映射至由另外複數個光束輻射之該表面之該部分包含：基於該等理想點及該等偏移來對表面部分之該庫執行一最近鄰搜尋。
  13. 如請求項1之方法，其進一步包括：監測該等偏移映射至其之該表面之該部分處之聲振動。
  14. 如請求項1之方法，其中該等光束係由一光偵測及測距(LIDAR)系統發射之光束。
  15. 一種遠端追蹤系統，其包括： 一裝置，其經組態及配置以發射電磁輻射之複數個光束；及 一計算器件，其包含記憶體及耦合至該記憶體之控制電路，該控制電路經構造及配置以： 記錄空間中之一表面上之實際點之座標，複數個光束在該等實際點處輻射該表面； 基於該等實際點之該等座標來產生一中間平面，該中間平面將該空間分成一對半空間，該對半空間之各者包含該等實際點之至少一者； 沿相對於該中間平面之一第一方向投影該表面上之該等實際點以在該中間平面內產生各自投影實際點； 沿相對於該中間平面之一第二方向產生該中間平面內之複數個理想點處之該表面自該中間平面之偏移，該等偏移係基於該中間平面之該等各自投影實際點；及 將該等偏移映射至該表面之一部分以在該表面上產生由該遠端追蹤系統追蹤之一位置。
  16. 如請求項15之系統，其中該中間平面係該等實際點之該等座標之一最佳適配平面；且 其中經組態以基於該等實際點之該等座標來產生該中間平面之該控制電路經進一步組態以對該等實際點之該等座標執行一最小平方運算以產生該最佳適配平面。
  17. 如請求項15之系統，其中該控制電路經進一步組態以在該複數個理想點處將該等偏移映射至由另外複數個光束輻射之該表面之該部分之前： 對該等偏移執行一比較運算以產生相對於一臨限差之一差量，該差量指示該複數個理想點處之該等偏移與先前偏移之間的一差值大於該臨限差； 回應於該等偏移之量測大於該臨限差： 基於該等理想點之座標及該等偏移來產生一新中間平面； 沿相對於該新中間平面之一第三方向投影該表面上之該等實際點以在該新中間平面內產生各自新投影實際點；及 沿相對於該中間平面之該第二方向產生該新中間平面內之該複數個理想點處之該表面自該新中間平面之偏移。
  18. 如請求項15之系統，其中該表面及該中間平面之各者具有一各自座標系； 其中經組態以產生該中間平面之該控制電路經進一步組態以產生(i)指示該第一方向之一第一向量及(ii)一中心點，該中心點係沿該第一方向最接近該表面上之一指定實際點之該平面中之一點； 其中經組態以沿相對於該中間平面之該第一方向投影該表面上之該等實際點之該控制電路經進一步組態以： 基於以下二者來產生一旋轉矩陣：(i)指示該第一方向之該第一向量及(ii)指示該表面之該座標系之一垂直軸之一第二向量；及 針對該表面上之該等實際點之各者，形成以下二者之一乘積：(i)該旋轉矩陣及(ii)該實際點與該中心點之間的一差值。
  19. 如請求項15之系統，其中經組態以沿相對於該中間平面之該第二方向產生該中間平面內之該複數個理想點處之該表面自該中間平面之該等偏移之該控制電路經進一步組態以： 基於該中間平面之該等投影實際點來產生一內插函數；及 針對該複數個理想點之各者，將該理想點輸入至該內插函數中以在該理想點處產生偏移。
  20. 如請求項15之系統，其中該控制電路經進一步組態以在記錄該複數個光束輻射該表面時之該表面上之該等實際點之該等座標之前： 在該表面上執行一掃描操作，該掃描操作包含使用另外複數個光束來輻射該表面之複數個部分之各者以產生該表面之該部分之複數個座標，該複數個座標之各者對應於該複數個光束之一各自光束，且 針對該表面之該複數個部分之各者，將該表面之該部分之該複數個座標記錄於表面部分之一庫中。
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