TWI330099B

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Publication number: TWI330099B
Application number: TW096129962A
Authority: TW
Priority date: 2007-08-14
Filing date: 2007-08-14
Publication date: 2010-09-11
Also published as: US20090046063A1; US8159459B2; TW200906468A

Description

1330099 九、發明說明：【發明所屬之技術領域】 . 捕8月㈣於影像定位系統之技術領域，尤指—種具 • 有懸空定位功能之座標定位系統及方法。 5 【先前技術】在習知遊戲主機與CRT螢幕的定位系统中，—光線搶 • ㈣置一感應器，該感應器可接收光線搶所指的局部區域内訊號，因此當CRT螢幕掃聪至光線搶所指的局部區域 10内，光線搶的感應器即可感應訊號，加上光線搶裡有一計時益’當CRT螢幕的顯示畫面由左上角開始掃蹈的同時，料器便開始計時，直到整個晝面掃心再重新計時。當、玩家❹紐搶對準H點時，該cm幕掃晦訊號: 左上角開始掃瞄到達該瞄準點之時間，由於計時器可加以 15 =錄，故可據此算出該瞄準點之座標。然而此種定位方式 _ 吊㊉產生極大的誤差，同時習知遊戲主機受限於傳統的交錯式畫面顯示原理，並不適用於液晶電視，故相關定位系統需重新設計。 ” 20 圖1係習知的影像定位系統1 〇〇之示意圖，其係由一影像顯示器110及一影像感測器120所組成。該影像顯示包含分別位於一平面U1上等角度分佈分別且被給定識別碼為「第一」、「第二J 、和「第三」的發光二極體112、 5 1330099 10 15 20 113及114。s玄影像感測器i2〇包含一互補式金氧半導體製成之感光元件121。該感光元件121偵測接收該等發光二極體丨12、丨13、i 14 之光源，並藉由該等發光二極體112、113 ' 114之座標來求 5 得該影像感測器120所指的虛擬座標14〇。該影像顯示器110的該等發光二極體丨12、i 13及i 14是可設置於一大型投影螢幕或液晶螢幕的角落，也就是該平面111可為螢幕的成像面，該影像感測器12〇則可讓操作者作為一投影筆或滑鼠來使用。當操作者將該影像感測器120 指向該螢幕時，該影像感測器120所指向的虛擬座標140即可作為投影筆所指示的光點或滑鼠所操控的游標的位置。而在求得該影像感測器120所指向的虛擬座標140前，必須先區別辨識該等發光二極體112、113、114之識別碼，才能

依識別碼的順序所對應的發光二極體座標，來正確的算出該影像感測器120所指向的虛擬座標14(^ T 該影像感測器120偵測該等發光二極體丨12、113及】14 並產生—如圖2之映射影像。在一般情況下，該影像感測器 12〇_可按該等發光二極體112、113、114之座標辨識該等發光-極體112、113、114之識別碼從右下開始逆時針方向依序為「第一I、「楚-, 弟一」和弟二」。而為方便說明起下將直接稱第一發光二極體112、第二發光二極體113 和第二發光二極體114。當該影像感測器120如圖丨箭頭150 ^之轴線旋轉12G度，將產生如圖3之映射影像，此時圖3 〃頌不相同的映射影像，因此如依圖3之映射影像直接 6 1330099

10 15

由右下開始逆時針方向依序來區分該等第一發光二極體 112 '第二發光二極體丨^和第三發光二極體ιΐ4之識別碼，將發生錯置的情形。例如此時圖3中位於映射影像右下的該第三發光二極體114之識別碼會被誤視為「第一」，且依據逆時向依序的該第—發光二極體112之識別碼會被誤視^帛一」’而该第二發光二極體112之識別瑪會被誤視為:第。所以當該影像感測器120有旋轉角度時，習知的定位系統也就無法正確求得該影像感測器丨2 q所指向的虛擬座標140。 •十對上述問題’另_習知技術使用至少三不共線且分別給定不同辨識碼之可產生光的定位基元及—輔助基元，該辅助基元係、為於第1位基元及第二^位基元的連線 ^ 一影像感測器接收第—定位基it、第二定位基元、第 ς = 、及輔助基元產生的^，依接收之光而得到該 ^基7G及辅助基元之空間座標，依該等定位基元相對於該輔助基元的m關絲得料定位基元㈣別碼，再依照識別碼财所對應的定絲元之座標1正確進行指 3疋位程序。其雖可避免習知定位线也就無法正確求付邊影像感測器12〇所指向的虛擬座標14〇的問題， ::顯：Γ上設置多個定位基元及輔助基元，不僅會影影響。同時亦會對顯示螢幕的影像造成若干圖4係美國專利申社 ^ .. . ^ Τ °月早期公開第20070052177號的影像疋位糸統之方塊圖，复古，、有—紅外線影像裝置56及一影像處 20 1330099 理電路76。該影像處理電路76用以處理該紅外線影像裝置 56所擷取的影像資料。該紅外線影像裝置56包含一固態影像元件56卜一紅外線濾波器562及一透鏡563。該紅外線影像裝置56感測一高亮度區域、偵測該高亮度區域的重心位 5 置及面積大小，並輸出相對應之資料。影像處理電路7 6將該相對應之資料輸出至一處理器66。加速感測器68輸出二維或三維的加速資料至該處理器66。圖5係美國專利申請早期公開第20070052177號的影像定位系統之使用示意圖。其係於一電視機910上方設置LED 1〇模組920A、920B。紅外線影像裝置56感測該LED模組 920A、920B、偵測該該LED模組920A、920B的重心位置及面積大小，並輸出相對應之資料。該影像處理電路76獲取該LED模組920A、920B的重心位置及面積大小之資訊。搖控器900將該LED模組920A、920B的重心位置、面積大小之 15 資訊及二維或三維的加速資料經由一無線模組70傳送至一遊樂機930。該遊樂機930藉此可計算出該搖控器900的位置。然而該定位系統需增加一加速感應器6 8而增加硬體成本。由此可知，習知具有懸空定位功能之系統及方法仍有改善之空間。 20 【發明内容】本發明之目的係在提供一種具有懸空定位功能之座標定位系統及方法，以避免影像感測器有旋轉角度產生時，習知技術無法正確定位的問題。 8 1330099 庙斤ί發明之另—目的係在提供—種具有懸空心立工力能之位系統及方法，以避免習知技術需於顯示登幕上設 1毛光一極體而破壞晝面的問題。依據本發明之一特色，本發明係提出—種具有懸空定 =能：座標定位系統’其包含一發光裝置及一影像感測 .㈣置"發光裝置用以產生具有方向性之光源。該影像感裝置用以接收該發光裝置所產生的具有方 ίο 15 =相對於該具有方向性之光源的一影像，以藉由；析該衫像而獲得該具有方向性之光源的一旋轉角声。 6依據=明之另一特色，本發明係提出—二具有懸空 2位之座標定位方法，其計算一影像感測裝置與—發光裝 J之-旋轉角度’該發光裝置用以產生具有方向性之之光 ==含下列步驟：一接收步驟，係使用該影像感 /擅置以接收該發光裝置所產生的具有方向性之光源一係將該光源轉換為電訊號，再依據該電；;號而目^^具有方向性之㈣的—影像’·—影像處理步驟’疋對該影像執行二階影^處理（bl_levellmage Γ7Γιηβ)，； ==取該二階影像中相對於該具有方向性之光源的影像物件⑽age object)，並產生至少一影像物件；牛用以計算該至少一影像物件的一重心及一方向，以產生忒具有方向性之光源的該旋轉角度。實施方式] 20 1330099 圖6係本發明具有懸空定位功能之座標定位系統的示意圖，該系統包含一發光裝置410及一影像感測裝置42(^ * 該發光裝置410用以產生具有方向性之光源。於本實施 ‘ 例中，該發光裝置410係由一大一小之發光二極體411、412 5所組成，以產生該具有方向性之光源》於其他實施例，該發光裝置410係由一 L形狀之發光二極體所組成，以產生該具有方向性之光源。該發光裝置41 〇亦可由一預定形狀之發光一極體及一非預定形狀之發光二極體所組成，以產生該 ® 具有方向性之光源。 10 如圖6所示，該可產生有方向性光源之發光裝置41〇可置於一顯不螢幕430的上方，而不會影響顯示螢幕43〇上的影像。 3亥景々像感測裝置420用以接收該發光裝置4丨〇所產生的具有方向性之光源，並產生相對於該具有方向性之光源的 15 一影像，以藉由分析該影像而獲得該具有方向性之光源的一旋轉角度。鲁圖7係δ亥影像感測裝置4 2 0的方塊圖，該影像感測裝置 420包含一影像感測單元51 〇及一處理單元52〇 ^該影像感測單元510用以接收該發光裝置所產生的具有方向性之光 20 源，並將該光源轉換為電訊號，再依據該電訊號而產生相對於該具有方向性之光源的該影像。該影像感測單元510較佳為互補式金氧半導體影像感測益（CMOS image sensor) ’該影像感測單元51〇亦可為電荷耗合裝置影像感測器（Charge Couple Device, CCD)。 ίο 1330099 10 15

20 該處理單元520連接至該影像感測單元51〇，以對該影像執行一階影像先處理（bi-level image pre-processing)，以產生一二階影像’並擷取該二階影像中相對於該具有方向 I1生之光源的影像物件（image 〇bject)，再依據該影像物件以產生該具有方向性之光源的該旋轉角度。該處理單元520包含一二階影像處理器521、一影像物件擷取器523及一計算器525。該二階影像處理器521連接至該影像感測單元51〇，以對該影像執行二階影像先處理，以產生該二階影像。該影像物件擷取器5 2 3連接至該二階影像處理器5 2 j，以榻取該二階影像中相對於該具有方向性之光源的影像物件，並產生至少一影像物件。該計算器525連接至該件擷取器523，以計算該至少一影像物件的一重心及一方向以產生5亥具有方向性之光源的該旋轉角度θ。 °亥。十异器525依據該方向與一預設向量另，以產生該具有方向性之光源的該旋轉角度。其令，該旋轉角度0為：當中，2為該方向之向量，及為該預設向量，问為向量長度，网為預設向量長度，•為内積（inner pr〇duct)。圖8係本發明懸空定位之方法的流程圖，其計算一影像感測裝置420與一發光裝置41〇之一旋轉角度:、該發光裝置 410用以產生具有方向性之光源。首先，於步則㈣中使 11 用該影像感測裝置420，用以接收該發光裝置41〇所產生的具有方向性之光源。於步驟S620中，將該光源轉換為電訊號，再依據該電 Λ號而產生相對於该具有方向性之光源的一影像。當該影像感測裝置420如圖6箭頭440所示之軸線逆時針旋轉0度時，該影像則如圖9所示。圖9中兩個白色區域係該發光二極體411、412的影像。圖1〇係圖9中該發光二極體411、412 的放大影像之示意圖。於圖1〇中，該影像感測裝置42〇的感測像素偵測到該發光二極體411、412所產生的光源，則呈現為白色像素，沒有偵測到該發光二極體411、412所產生的光源’則王現為黑、色像素。其中，自色像素其灰階值約大於200 ’黑色像素其灰階值約小於5〇。於步驟S630中，對該影像執行二階影像先處理’以產生一二階影像。其係依據下列虛擬碼（pseud〇 c〇de)以產生該二階影像：〆 if(pix_value > 150) then pixvalue = 255 elseif(pix_value < 70) then pix—value = 0 endif 其中pm—代表像素值，㈣，t_像素值大於i5〇時， =像素值岐為255，當-像素值切乃時，將該像素值设定為〇，藉此產生該二階影像。於步驟S640中，擷取該性之光源的影像物件（image 二階影像中相對於該具有方向 object)，並產生至少一影像物 1330099 像物件主要擷取該發光二極體川、412的影母一影像物件包含一最小長方形影像物件中心像物件面㈣最小長方形係可包含該發光二極體 412的影像之最小長方形。於本實施 :像物件面積以判斷何者為大的發光二極體4ii之影^ 牛何者為小的發光二極體412之影像物件。

10 於步驟⑽中，計算該至少一影像物件的一方向，以產生該具有方向性之光源的該旋轉角度0。於本實施例中’其係利用大的發光二極體411的影像物件中心點為起始點、小的發光二極體412的影像物件中心點為終點而產生該方向，再依據該方向與一預設向量月，以產生該具有方向性之光源的該旋轉角纟Θ。豸預設向量祕鄉像感測裝置 420感測影像的水平線。亦即該旋轉角度0為：

A

B 15當中，2為該方向之向量，芳為該預設向量，μ|為向量長度’ I月為預δ又向直長度’ ·為内積（innerpr〇dUct)〇本發明將大的發光二極體的影像物件中心點定為起始點、小的發光二極體的影像物件中心點定為終點，進而產生該方向，並可利用該起始點及終點之中心點做為一枳心 20點以作為定位之用。本發明技術可利用該影像感測裝置420 旋轉角度（9、核心點位置、及該起始點及終點的距離三者算出最後絕對定位座標，本發明技術利用三角測距法將兮起始點及終點的距離換算為該發光裝置41〇至該影像感測 13 1330099 裝置420相對距離。圖11係圖10的局部放大圖。由圖中可知方向之向量2的長度μ|為^122 +62 = ^/^0個像素距離。圖1 2係計算該發光裝置41 〇至該影像感測裝置42 0相對距離的示意圖。其中’向量6係事先測量該影像感測裝置420與該發光 5 裝置410的向量’其係該影像感測裝置420與該發光裝置41〇一公尺處所擷取之大的發光二極體的影像物件中心點為起始點、小的發光二極體的影像物件中心點為終點的向量。設向量δ的長度為Μ個像素點，大的發光二極體411與小的發光二極體412的距離為L公尺，由於以從〜以凡；，所以 0 了 = ^^ ’ 因此 r = 。由於〜Δ/^C，所以 LiLl，因

+ 1 L~M Μ Y 此Ζ = °故該影像感測裝置420距離該發光裝置410為 I + l = (y-Z) + l。此為三角測距法的應用，熟習該技術者依據本發明說明書的描述所能輕易完成，在此不再贅述。 15 前述實施例中，該可產生方向性光源之發光裝置41〇係由一大一小之發光二極體411、412所組成，以產生該具有方向性之光源。於其他實施例，該發光裝置41〇係由一[ 形狀之發光二極體所組成，以產生該具有方向性之光源。 20該發光裝置410亦可由一預定形狀之發光二極體及一非預定形狀之發光二極體所組成，以產生該具有方向性之光源。而相對應的二階影像處理步驟、影像物件擷取步驟、 14 1330099 及計算步驟為熟習該技術者依據本發明說明書的描述所能 • 輕易完成，在此不再詳述。 - 由先前的描述可知，習知技術需使用至少3個以上的光源且需安置於顯示營幕㈣’方能提供影像感測裝置42〇相 5對於㈣絲43G的旋㈣度及定位純1*僅會影響顯不榮幕430的外觀，亦會干擾到顯示螢幕43q所播放影片的内容。而本發明技術可較習知技術使用更少的光源，即可讓影像感測裝置4顺算出相對於顯示螢幕43〇的旋轉角戶零及定位座標。又 10 15 20 Η時，習知技術需使用2個光源並配合加速感測器，例 ::S_r ’方能達到定位絕對座標的功能。本發明技術使用加速感測器，只需使用可產生方向性光源之發光裝置410,經分析光點的相關位置和面積大小形狀則^ 生一個新的指向座標和相對距離。综上所述’本發明的技術係將一顯示螢幕43〇上方的可源之發光裝置運用影像感測裝置讀取該發光像’經分析光點的相關位置和面積大小形狀，二生個新的指向座標和相㈣器裝置或無線滑鼠的輸入，用以控制榮幕的位置和= 作。當本發明技術運用於遙控器裝置時，本發決遙控器裝置對液晶顯示螢幕打可解題，並可提供雜讀料座標的問 ”遙控J液曰曰顯示螢幕相對距離等有效資訊。

15 上述實施例僅係為了方便說明而舉例而已本發明所 =權：範圍自應以申請專利範圍所述為準而非僅限於上逃貫施例。【圖式簡單說明】圖1係習知的影像定位系統之示意圖。圖2係習知的影像定位系統映射影像之示意圖。圖3係習知的影像定位系統另一映射影像之示意圖。圖4係另-習知的影像定位系統影像定位系統之方塊圖。圖5係習知的影像定位系統之使用示意圖。圖6係本發明具有懸空定位功能之系統的示意圖。圖7係本發明影像感測裝置的方塊圖。圖8係本發明懸空定位之方法的流程圖。圖9係本發明影像感測裝置之感測影像的示意圖。圖10係本發明影像感測裝置之感測影像局部放大的示意圖。圖11係圖10的局部放大圖。圖12係計算發光裝置至影像感測裝置相對距離的示意圖。【主要元件符號說明】影像定位系統 100 影像顯示器 110 影像感測器 120 平面 111 第一發光二極體 112 第一發光二極體 113 1211330099 第三發光二極體 114 感光元件虛擬座標 140 箭頭發光裝置 410 影像感測裝置顯示螢幕 430 發光二極體 411、 412 影像感測單元 510 處理單元二階影像處理器 521 影像物件擷取器計算器 525 步驟 S61(l· -S650 150 420 520 523 17

Claims

十、申請專利範圍： • l —種具有懸空定位功能之座標m统，適用於液晶顯示單元，其包含：一發光裝置’用以產生具有方向性之光源；以及 5 —影像感測裝置，用以擷取該發光裝置所產生該具有方向I·生之光源，並產生該具有方向性之光源相對應的一影像，用以藉由分析該影像，進而獲得該具有方向性之光源 • ㈣應的—旋轉角度，其中，該影像感測裝置包含：衫像感測單元，用以接收該發光裝置所產生 10 ㈣具有方向性之光源’並將其轉換為-電訊號，再依據該電訊號而產生相對於該具有方向性之光源的該影像；以及一處理單元，連接至該影像感測單元，以對該影像執行二階影像先處理，進而產生一二階影像，並 15 擷取該二階影像中相對於該具有方向性之光源的影 • 像物件，再依據該影像物件，用以產生該具有方向性之光源的該旋轉角度。 ’如申吻專利範圍第1項所述之系統，其中，該處理早元包含： 20 ^ 一階影像處理器，連接至該影像感測單元，以對該衫像=彳1二階影像處理，進而產生該二階影像；衫像物件擷取器’連接至該二階影像處理器以擷取該二階旦;W冬 1 株、〜像中相對於該具有方向性之光源的該影像物，並產生至少—影像物件；以及

18 一計算器，一影像物件的方轉角度。連接至該影像物件擷取器，以計算該至少向，進而產生該具有方向性之光源的該旋

-3. 如 4.如申晴專利範圍第3項所述角度為0，其中Θ為：之系統，其中，該旋轉

10 田中74為$方向之向量，及為該預設向量，μΐ為向量長度， |5|為預設向量長度，•為内積。如申請專利範圍第1項所述之系統，其中，該影像感測單70為互補式金氧半導體影像感測器。

^ 6.如申請專利範圍第5項所述之系統，其中，該發光扁置係由大發光二極體與一小發光二極體所組成，進而產生该具有方向性之光源。 7·如申請專利範圍第6項所述之系統，其中，將該大發光二極體的影像物件令心點定為一起始點以及將該小發 20 光二極體的影像物件中心點為一終點，進而產生該方向之向量2。 8.如申請專利範圍第6項所述之系統，其中，該發光裝置係由一L形狀之發光二極體所組成，以產生該具有方向性之光源。

19 9.如申請專利範圍第6項所述之系統，1中該發光裝置係由-衫形狀之發光二極體及—非狀形狀之發光 -極體所組成’以產生該具有方向性之光源。 s 1種具有懸空定位之座標定位方法，適用於液晶頁不單兀，用以計算—影像感測裝置與-發光裝置之一旋 2度，該發光裝置用以產生具有方向性之之㈣，該方法包含下列步驟： -接收步驟，使用該影像感測裝置以接收該發光裝置所產生的該具有方向性之光源； ίο -成像步驟，並將該具有方向性之光源轉換為電訊 …’再依據該電訊號而產生相對於該具有方向性之光源 —影像；一影像處理步驟，對該影像執行二階影像先處理，進而產生一二階影像； 15 一影像物件擷取步驟，擷取該二階影像中相對於該具有方向性之光源的影像物件’並產生至少—影像物件二及一計算步驟’計算該至少一影像物件的方向，進而產生該具有方向性之光源的該旋轉角度。 20 ^ U.如申請專利範圍第10項所述之方法，其中，算步驟依據該方向與一預設向量，以產生該具有=十光源的該旋轉角度。之 12·如申請專利範圍第丨i項所述之方法，轉角度為Θ，其中0為：〃中，該旋 20