TWI388360B - 三點式定位裝置與方法 - Google Patents

Description

三點式定位裝置與方法

本發明係有關於一種定位裝置，更明確地說，係有關於一種三點式定位裝置。

先前技術之定位裝置已應用於電視遊戲或電腦遊戲，以使玩家具有更佳的互動式體驗。舉例而言，在任天堂(Nintendo)公司之Wii遊樂器中，Wii控制手把包含先前技術之定位裝置，以使Wii主機可得到Wii控制手把相對於待測物(如顯示器或顯示屏幕)所移動的移動距離與移動方向，並根據該移動距離與移動方向以控制遊戲的進行。以網球遊戲為例，當使用者揮動Wii控制手把時，Wii主機可藉由先前技術之定位裝置，以得到Wii控制手把相對移動之距離與方向，以讓使用者所控制的角色，作出對應的揮動網球拍的動作來擊球。舉例而言，當Wii主機所得到之單位時間內之相對移動之距離較大時，使用者所控制的角色擊球的力量較強，而使被擊中的球飛得較快；反之，當Wii主機所得到之單位時間內之相對移動之距離較小時，使用者所控制的角色擊球的力量較弱，而使被擊中的球飛得較慢。除此之外，Wii主機可根據所得到之相對移動之方向，而讓使用者所控制的角色作出正手拍或反手拍的動作。

為了讓使用者有更佳的互動式體驗，本發明提供一三點式定位裝置，可計算出使用者的絕對位置。如此，遊樂器可根據本發明之三點式定位裝置所測得之絕對位置，而提供給使用者更逼真的互動式體驗。

本發明提供一種三點式定位裝置。該三點式定位裝置包含一輔助定位模組、一影像感測器，以及一位置計算電路。該輔助定位模組包含一第一輔助定位單元、一第二輔助定位單元，以及一第三輔助定位單元。該第一輔助定位單元與該第二輔助定位單元之間形成一第一輔助定位直線。該第一輔助定位直線之長度係等於一第一預定距離。該第二輔助定位單元與該第三輔助定位單元之間形成一第二輔助定位直線。該第二輔助定位直線之長度係等於一第二預定距離。該第一輔助定位直線與該第二輔助定位直線之間的夾角係為一預定夾角。該影像感測器用來感測範圍涵蓋該第一輔助定位單元、該第二輔助定位單元以及該第三輔助定位單元之一場景，以據以產生一感測影像。該場景之範圍係取決於該影像感測器之一預定視角。該位置計算電路，用來接收該感測影像，以從該感測影像中辨識出對應該第一輔助定位單元之該影像感測器之一第一感測單元、對應於該第二輔助定位單元之該影像感測器之一第二感測單元，以及對應於該第三輔助定位單元之該影像感測器之一第三感測單元，並根據該第一感測單元、該第二感測單元，以及該第三感測單元，以計算出該輔助定位模組與該影像感測器之間之一待測距離與一待測角度，以據以輸出一距離/角度訊號。

本發明另提供一種三點式定位之方法。該方法包含提供一輔助定位模組之一第一輔助定位單元、一第二輔助定位單元及一第三輔助定位單元與一影像感測器、該影像感測器感測一場景，以據以產生一感測影像、根據該感測影像，辨識出對應該第一輔助定位單元之該影像感測器之一第一感測單元、對應於該第二輔助定位單元之該影像感測器之一第二感測單元，以及對應於該第三輔助定位單元之該影像感測器之一第三感測單元，以及根據該第一感測單元、該第二感測單元，以及該第三感測單元，以計算出該影像感測器與該輔助定位模組之一待測距離與一待測角度。該第一輔助定位單元與該第二輔助定位單元之間形成一第一輔助定位直線。該第一輔助定位直線之長度係等於一第一預定距離。該第二輔助定位單元與該第三輔助定位單元之間形成一第二輔助定位直線。該第二輔助定位直線之長度係等於一第二預定距離。該第一輔助定位直線與該第二輔助定位直線之間的夾角係為一預定夾角。該第一輔助定位單元、該第二輔助定位單元及該第三輔助定位單元位於該場景之範圍內。

請參考第1圖。第1圖係為說明根據本發明之第一實施例之三點式定位裝置100之示意圖。三點式定位裝置100包含一影像感測器110、一位置計算電路120(未圖示)，以及一輔助定位模組130。三點式定位裝置100用來量測輔助定位模組130與影像感測器110之間的待測距離D_M 與待測角度θ_M 。當輔助定位模組130與一待測物MO設置於同一位置時，三點式定位裝置100係可用來量測待測物MO與三點式定位裝置100之間的待測距離D_M 與待測角度θ_M 。舉例而言，待測物MO可為顯示器或顯示屏幕。當影像感測器110與使用者位於同一位置時(如使用者手持三點式定位裝置100之影像感測器110)時，可藉由三點式定位裝置100而得到使用者與顯示器(待測物MO)之距離。

輔助定位模組130包含輔助定位單元131、132，以及133。輔助定位單元131、132及133具有可偵測之明顯特徵。舉例而言，輔助定位單元131、132及133係為具有特定波長或特定頻段之發光二極體(如紅外光之發光二極體)，或是具有特定圖案(pattern)或特定顏色之物體，其目的係在於讓影像感測器110能夠辨識輔助定位單元131~133在影像感測器110上被感測出來的影像訊號。於本實施例中，設輔助定位單元131、132及133係設置於待測物MO上。其中輔助定位單元131與132之間形成輔助定位直線L₁₁₂ 。輔助定位直線L₁₁₂ 之長度係等於預定距離D₁₂ ；輔助定位單元132與133之間形成輔助定位直線L₁₂₃ 。輔助定位直線L₁₂₃ 之長度係等於預定距離D₂₃ 。輔助定位直線L₁₁₂ 係平行於與輔助定位直線L₁₂₃ 。此外，在第1圖中之待測距離D_M 係以感測單元CS₂ 與輔助定位單元132之間的距離作舉例說明。然而，待測距離D_M 也可為感測單元CS₁ 與輔助定位單元131之間的距離，或是感測單元CS₃ 與輔助定位單元133之間的距離。同理，在第1圖中之待測角度θ_M 係以感測單元CS₃ 以及輔助定位單元133間之連線與輔助定位直線L₁₂₃ 之間的夾角作舉例說明。然而，待測角度θ_M 也可為感測單元CS₂ 以及輔助定位單元132間之連線與輔助定位直線L₁₂₃ 、感測單元CS₂ 以及輔助定位單元132間之連線與輔助定位直線L₁₁₂ 之間的夾角，或是感測單元CS₁ 以及輔助定位單元131間之連線與輔助定位直線L₁₁₂ 之間的夾角。

影像感測器110用來感測場景SC，以據以產生感測影像I。其中感測影像I包含影像訊號S_I1 ~S_IM 。如第1圖所示，影像感測器110可感測之場景SC之範圍係取決於影像感測器110之預定視角θ_FOV 。影像感測器110之預定視角θ_FOV 係對應於影像感測器110之視野(Field of View,FOV)。影像感測器110包含感測單元CS₁ ~CS_M ，其中M代表正整數。影像感測器110中之各感測單元CS₁ ~CS_M ，會感測場景SC之一對應部分以產生感測影像I之影像訊號S_I1 ~S_IM 。舉例而言，如第1圖所示，輔助定位模組130位於場景SC之範圍內。感測單元CS₁ 係感測場景SC之範圍內之輔助定位單元131，以產生影像訊號S_I1 ；感測單元CS₂ 係感測場景SC之範圍內之輔助定位單元132，以產生影像訊號S_I2 ；感測單元CS₃ 係感測場景SC之範圍內之輔助定位單元133，以產生影像訊號S_I3 。此外，於第1圖中之鏡頭LENS係用來聚光至影像感測器110，以利於影像感測器110產生感測影像I。

位置計算電路120用來接收感測影像I(影像訊號S_I1 ~S_IM )，以從感測影像I中辨識出對應於輔助定位單元131之感測單元CS₁ 、對應於輔助定位單元132之感測單元CS₂ ，以及對應於輔助定位單元133之感測單元CS₃ ，並根據感測單元CS₁ 、CS₂ ，以及CS₃ ，以計算出待測距離D_M 與待測角度θ_M ，以據以輸出距離/角度訊號S_D/A 。以下將更進一步地說明位置計算電路120之工作原理。

在第1圖中，感測單元CS₁ 與輔助定位單元131之間形成投影直線L₁₃₁ ；感測單元CS₂ 與輔助定位單元132之間形成投影直線L₁₃₂ ；感測單元CS₃ 與輔助定位單元133之間形成投影直線L₁₃₃ 。待測距離D_M 係為感測單元CS₂ 與輔助定位單元132之間的距離，且待測角度θ_M 係為投影直線L₁₃₃ 與輔助定位直線L₁₂₃ 之間的夾角。投影直線L₁₃₁ 、L₁₃₂ 與L₁₃₃ 相交於一相交點O_F 。其中相交點O_F 之位置大約位於鏡頭LENS之中心。相交點O_F 與影像感測器110之間的距離為D_F 。此外，由於感測單元CS₂ 以及輔助定位單元132之間的距離與相交點O_F 以及輔助定位單元132之間的距離大略相等，因此待測距離D_M 除了可用來表示感測單元CS₂ 以及輔助定位單元132之間的距離之外，也可用來表示相交點O_F 以及輔助定位單元132之間的距離。投影直線L₁₃₁ 與L₁₃₂ 之間所夾的角度為投影夾角θ₁₂ ；投影直線L₁₃₂ 與L₁₃₃ 之間所夾的角度為投影夾角θ₂₃ 。由於投影直線L₁₃₁ 、L₁₃₂ 與待測物MO(或輔助定位直線L₁₁₂ 與L₁₂₃ )形成一個三角形，因此投影直線L₁₃₁ 與待測物MO(或輔助定位直線L₁₁₂ 與L₁₂₃ )之間的夾角θ_X 之大小會等於(π-θ_M -θ₁₂ -θ₂₃ )，其中π係代表一個三角形之三個內角的總和。

根據正弦定理(sine theorem)，待測距離D_M 、預定距離D₁₂ 與D₂₃ 以及待測角度θ_M 、投影夾角θ₁₂ 及θ₂₃ 之間的關係可以下式表示：D₁₂ /sinθ₁₂ =D_M /sinθ_X =D_M /sin(π-θ_M -θ₁₂ -θ₂₃ )...(1)；D₂₃ /sinθ₂₃ =D_M /sinθ_M =D_M /sinθ_M ...(2)；因此，只要位置計算電路120可得到投影夾角θ₁₂ 與θ₂₃ 之大小，即可根據式(1)與(2)計算出待測距離D_M 與待測角度θ_M 。

請參考第2圖、第3圖、第4圖，以及第5圖。第2圖、第3圖、第4圖，以及第5圖係為說明本發明計算投影夾角θ₁₂ 與θ₂₃ 之方法之示意圖。相交點O_F 投影在影像感測器110上之端點係為影像感測器110之中點P_F 。相交點O_F 與中點P_F 之間形成中線L_F ，且中線L_F 之長度等於預定距離D_F 。中線L_F 係與影像感測器110之平面垂直。

在第2圖中，中點P_F 介於感測單元CS₁ 與CS₂ 之間。感測單元CS₁ 與中點P_F 之間的距離為D_S1F ，且距離D_S1F 係可藉由相加感測單元CS₁ 與中點P_F 之間的感測單元之寬度而得；感測單元CS₂ 與中點P_F 之間的距離為D_S2F ，且距離D_S2F 係可藉由相加感測單元CS₂ 與中點P_F 之間的感測單元之寬度而得；感測單元CS₃ 與中點P_F 之間的距離為D_S3F ，且距離D_S3F 係可藉由相加感測單元CS₃ 與中點P_F 之間的感測單元之寬度而得。此外，距離D_FOV /₂ 係為影像感測器110之寬度之一半，且距離D_FOV/2 可藉由相加位於影像感測器110之中點P_F 之左側的感測單元之寬度而得，或是藉由相加位於影像感測器110之中點P_F 之右側的感測單元之寬度而得。因此，中線L_F 分別與投影直線L₁₃₁ 、L₁₃₂ 、L₁₃₃ 之間所夾的中線夾角θ_A 、θ_B 與θ_C 可以下式表示：

θ_A =tan^-1 Ftan(θ_FOV /2)×(D_S1F /D_FOV/2 )]...(3)；

θ_B =tan^-1 [tan(θ_FOV /2)×(D_S2F /D_FOV/2 )]...(4)；

θ_C =tan^-1 [tan(θ_FOV /2)×(D_S3F /D_FOV/2 )]...(5)；

因此，位置計算電路120可藉由影像I以辨識出分別對應於輔助定位單元131、132與133之感測單元CS₁ 、CS₂ 與CS₃ 。接著，位置計算電路120根據感測單元CS₁ 、CS₂ 與CS₃ 之位置以得知距離D_S1F 、D_S2F 以及D_S3F 。最後根據式(3)、(4)與(5)，以計算得到中線夾角θ_A 、θ_B 與θ_C 。又由第2圖可看出投影夾角θ₁₂ 係等於(θ_A +θ_B )，而投影夾角θ₂₃ 係等於(θ_C -θ_B )。因此，位置計算電路120可計算出投影夾角θ₁₂ 與θ₂₃ 。如此一來，根據式(1)與(2)，位置計算電路120可計算出待測距離D_M 與待測角度θ_M 。

在第3圖中，計算中線夾角θ_A 、θ_B 與θ_C 之方法與第2圖之說明類似。然而，相較於第2圖，在第3圖中，中點P_F 係介於感測單元CS₂ 與感測單元CS₃ 之間。此時，投影夾角θ₁₂ 係等於(θ_A -θ_B )，而投影夾角θ₂₃ 係等於(θ_C +θ_B )。如此，位置計算電路120可根據式(3)、(4)與(5)，以計算得到中線夾角θ_A 、θ_B 與θ_C 。然後，再根據式(1)與(2)計算出待測距離D_M 與待測角度θ_M 。

在第4圖中，計算中線夾角θ_A 、θ_B 與θ_C 之方法與第2圖之說明類似。然而，相較於第2圖，在第4圖中，感測單元CS₁ 、CS₂ 與CS₃ 皆在中點P_F 之左側，且中線夾角θ_C ＜θ_B ＜θ_A 。此時，投影夾角θ₁₂ 係等於(θ_A -θ_B )，而投影夾角θ₂₃ 係等於(θ_B -θ_C )。如此，位置計算電路120可根據式(3)、(4)與(5)，以計算得到中線夾角θ_A 、θ_B 與θ_C 。然後，再根據式(1)與(2)計算出待測距離D_M 與待測角度θ_M 。

在第5圖中，計算中線夾角θ_A 、θ_B 與θ_C 之方法與第2圖之說明類似。然而，相較於第2圖，在第5圖中，感測單元CS₁ 、CS₂ 與CS₃ 皆在中點P_F 之右側，且中線夾角θ_A ＜θ_B ＜θ_C 。此時，投影夾角θ₁₂ 係等於(θ_B -θ_A )，而投影夾角θ₂₃ 係等於(θ_C -θ_B )。如此，位置計算電路120可根據式(3)、(4)與(5)，以計算得到中線夾角θ_A 、θ_B 與θ_C 。然後，再根據式(1)與(2)計算出待測距離D_M 與待測角度θ_M 。

請參考第6圖。第6圖係為說明根據本發明之第二實施例之三點式定位裝置600之示意圖。三點式定位裝置600之結構以及工作原理與三點式定位裝置100類似。然而，相較於三點式定位裝置100，在三點式定位裝置600之中，輔助定位單元631、632與633並非設置於同一直線。輔助定位單元631與632之間的輔助定位直線L₆₁₂ 係不平行於輔助定位單元632與633之間的輔助定位直線L₆₂₃ 。輔助定位直線L₆₁₂ 與L₆₂₃ 之間所夾的角度係為預定角度θ_Y 。由於輔助定位直線L₆₁₂ 與L₆₂₃ 以及投影直線L₆₃₁ 與L₆₃₃ 形成一四邊形，因此投影直線L₆₃₁ 與輔助定位直線L₆₁₂ 之間的夾角θ_X 之大小會等於(2×π-θ_M -θ₆₁₂ -θ₆₂₃ -θ_Y )。如此，根據正弦定理(sine theorem)，待測距離D_M 、預定距離D₆₁₂ 與D₆₂₃ 以及待測角度θ_M 、投影夾角θ₆₁₂ 及θ₆₂₃ 之間的關係可以下式表示：

D₆₁₂ /sinθ₆₁₂ =D_M /sinθ_X =D_M /sin(2×π-θ_M -θ₆₁₂ -θ₆₂₃ -θ_Y )...(6)；

D₆₂₃ /sinθ₆₂₃ =D_M /sinθ_M =D_M /sinθ_M ...(7)；

由於角度θ₆₁₂ 與θ₆₂₃ 係可藉由第2圖、第3圖、第4圖與第5圖所說明之方法以計算得到，且預定距離D₆₁₂ 與D₆₂₃ 係為已知之預定距離，因此根據式(6)與(7)，三點式定位裝置600可藉由位置計算電路620以計算出待測距離D_M 與待測角度θ_M 。

此外，當三點式定位裝置600中之預定夾角θ_Y 等於π時，輔助定位直線L₆₁₂ 與L₆₂₃ 互相平行。此時，三點式定位裝置600之結構與三點式定位裝置100類似。且在式(6)中之預定夾角θ_Y 帶入π，則會使得式(6)與式(1)類似。由此可知，三點式定位裝置100係等於預定夾角θ_Y 等於π時之三點式定位裝置600。

請參考第7圖。第7圖係為說明根據本發明之第三實施例之三點式定位裝置700之示意圖。三點式定位裝置700包含一影像感測器710、一位置計算電路720(未圖示)，以及一輔助定位模組730。三點式定位裝置700用來量測影像感測器710與輔助定位模組730之間之待測距離D_M 與待測角度θ_M 。當輔助定位模組730與一待測物MO設置於同一位置時，三點式定位裝置700係可用來量測三點式定位裝置700與待測物MO之間之待測距離D_M 與待測角度θ_M 。影像感測器710之結構以及工作原理與影像感測器610、110類似，故不再贅述。此外，在第7圖中，鏡頭LENS係用來聚光至影像感測器710，以利於影像感測器710產生感測影像。輔助定位模組730包含輔助定位單元731、732與733。於本實施例中，設輔助定位單元731、732與733係設置於待測物MO上。輔助定位直線L₇₁₂ 與L₇₂₃ 之長度皆等於預定距離D_A 。輔助定位單元731、732與733係為發光二極體(如紅外光之發光二極體)，且輔助定位單元731、732與733所發射之光具有相同的功率PW_LD 。輔助定位單元731、732與733所發射之光係為等向(isotropic)。也就是說，輔助定位單元731、732與733係均勻地發光。此外，在第7圖中，由於感測單元CS₂ 以及輔助定位單元732之間的距離與相交點O_F 以及輔助定位單元732之間的距離大略相等，因此D_M 除了可用來表示感測單元CS₂ 以及輔助定位單元732之間的距離之外，也可用來表示相交點O_F 以及輔助定位單元732之間的距離。同理，D₇₃₁ 除了可用來表示感測單元CS₁ 以及輔助定位單元731之間的距離之外，也可用來表示相交點O_F 以及輔助定位單元731之間的距離；且D₇₃₃ 除了可用來表示感測單元CS₃ 以及輔助定位單元733之間的距離之外，也可用來表示相交點O_F 以及輔助定位單元733之間的距離。因此，對應於輔助定位單元731、732與733之感測單元CS₁ 、CS₂ 與CS₃ 所接收之光之功率PW₇₃₁ 、PW₇₃₂ 、PW₇₃₃ 係分別與感測單元CS₁ 與輔助定位單元731之間的距離D₇₃₁ 、感測單元CS₂ 及輔助定位單元732之間的待測距離D_M 、感測單元CS₃ 與輔助定位單元733之間的距離D₇₃₃ 有關，可以下列公式表示：

[(PW₇₃₁ /PW_LD )/(PW₇₃₂ /PW_LD )]=D_M ² /D₇₃₁ ² ...(8)；

[(PW₇₃₃ /PW_LD )/(PW₇₃₂ /PW_LD )]=D_M ² /D₇₃₃ ² ………(9)；根據式(8)可得到距離D₇₃₁ 係等於[D_M ×(PW₇₃₂ /PW₇₃₁ )^0.5 ]，且根據式(9)可得到距離D₇₃₃ 係等於[D_M ×(PW₇₃₂ /PW₇₃₃ )^0.5 ]。其中(PW₇₃₂ /PW₇₃₁ )與(PW₇₃₂ /PW₇₃₃ )可藉由感測影像I中對應於感測單元CS₁ 、CS₂ 、CS₃ 之影像訊號S_I1 、S_I2 、S_I3 而得。舉例而言，影像訊號S_I1 、S_I2 、S_I3 分別代表亮度B₇₃₁ 、B₇₃₂ 、B₇₃₃ 。如此，(PW₇₃₁ /PW₇₃₂ )係等於(B₇₃₁ /B₇₃₂ )，且(PW₇₃₃ /PW₇₃₂ )係等於(B₇₃₃ /B₇₃₂ )。因此根據中線定理(Apollonius' theorem)以及投影直線L₇₃₁ 、L₇₃₃ 與輔助定位直線L₇₁₂ 、L₇₂₃ 所形成之三角形，待測距離D_M 、距離D₇₃₁ 與D₇₃₃ 可以下式表示三角形之面積：(D₇₃₁ )² +(D₇₃₃ )² =2×[(D_A )² +(D_M )² ]………(10)；如此根據式(8)、(9)及(10)，位置計算電路720可計算得到待測距離D_M 。又根據海龍公式(Heron’s formula)以及投影直線L₇₃₂ 、L₇₃₃ 與輔助定位直線L₇₂₃ 所形成之三角形，可將待測距離D_M 、距離D₇₃₁ 與D₇₃₃ 、預定距離D_A 以及待測角度θ_M 以下式表示：(1/2)×D_A ×D₇₃₃ ×sinθ_M =√{[V×(V-D_A )×(V-D₇₃₃ )×(V-D_M )]}………(11)；其中V係為投影直線L₇₃₁ 、L₇₃₃ 與輔助定位直線L₇₁₂ 、L₇₂₃ 所形成之三角形之半周長，且V等於[(1/2)×(D_A +D_M +D₇₃₃ )]。如此，根據式(11)，位置計算電路720可計算得到待測角度θ_M 。

此外，當本發明之三點式定位裝置被應用於遊樂器時，可提供給使用者較佳的互動式體驗。以前述之網球遊戲為例，當使用者握住 利用本發明之三點式定位裝置之影像感測器之遊戲控制手把，且本發明之三點式定位裝置之輔助定位模組設置與待測物(如顯示器或顯示屏幕)同一位置時，遊戲主機可得到使用者與待測物(如顯示器或顯示屏幕)之間的待測距離D_M 與待測角度θ_M 。當使用者移動位置時，由於待測距離D_M 會隨之有明顯的變化，因此遊戲主機可據以控制於遊戲中使用者所控制之角色的移動。而當使用者揮動遊戲控制手把時，由於待測角度θ_M 會隨之有明顯的變化，因此遊樂器可據以控制遊戲中使用者所控制之角色做對應的揮拍動作。如此，藉由應用本發明之三點式定位裝置之遊戲控制手把，可讓使用者同時控制角色的移動與揮拍動作，以提供給使用者更逼真的互動式體驗。

另外，於本發明之三點式定位裝置(如100、600與700)中，影像感測器110、610以及710與輔助定位模組130、630以及730之間之待測距離並不限定為感測單元CS₂ 與輔助定位單元132、632以及732之間的距離D_M 。舉例而言，待測距離可為感測單元CS₁ 與輔助定位單元131、631以及731之間的距離，或是感測單元CS₃ 與輔助定位單元133、633以及733之間的距離，且此時仍可利用前述所說明之方法以計算出待測距離。同理，影像感測器110、610以及710與輔助定位模組130、630以及730之間之待測角度並不限定為感測單元CS₃ 以及輔助定位單元133、633以及733間之連線(投影直線L₁₃₃ 、L₆₃₃ 以及L₇₃₃ )與輔助定位直線L₁₂₃ 、L₆₂₃ 以及L₇₂₃ 之間的夾角θ_M 。舉例而言，影像感測器110、610以及710與輔助定位模組130、630以及730之間之待測角度可為感測單元CS₂ 以及輔助定位單元 132、632以及732間之連線(投影直線L₁₃₂ 、L₆₃₂ 以及L₇₃₂ )與輔助定位直線L₁₂₃ 、L₆₂₃ 以及L₇₂₃ 之間的夾角、感測單元CS₂ 以及輔助定位單元132、632以及732間之連線(投影直線L₁₃₂ 、L₆₃₂ 以及L₇₃₂ )與輔助定位直線L₁₁₂ 、L₆₁₂ 以及L₇₁₂ 之間的夾角，或是感測單元CS₁ 以及輔助定位單元131、631以及731間之連線(投影直線L₁₃₁ 、L₆₃₁ 以及L₇₃₁ )與輔助定位直線L₁₁₂ 、L₆₁₂ 以及L₇₁₂ 之間的夾角，且此時仍可利用前述所說明之方法以計算出待測角度。

請參考第8圖。第8圖係為說明本發明之揚聲系統800之示意圖。揚聲系統800包含一三點式定位裝置801、一音量控制器802，以及揚聲器SP₁ 與SP₂ 。三點式定位裝置801之結構及工作原理係與三點式定位裝置100、600或700類似，故不再贅述。其中輔助定位模組830係設置於揚聲器SP₁ 與SP₂ 之間，且位置計算電路820會根據所計算得到之待測距離D_M 與待測角度θ_M ，以據以輸出距離/角度訊號S_D/A 。音量控制器802，用來接收距離/角度訊號S_D/A ，並根據待測距離D_M 與待測角度θ_M ，以輸出音量控制訊號S_VC1 與S_VC2 。揚聲器SP₁ 與SP₂ ，用來輸出聲音，並分別根據音量控制訊號S_VC1 與S_VC2 ，以調整所輸出之聲音之音量之大小。舉例而言，影像感測器810與使用者之位置相同(如使用者手持對應於揚聲系統800之遙控器，且影像感測器810設置於遙控器內)，因此當使用者位置改變時，音量控制器可根據使用者之位置(影像感測器810之位置)，以調整揚聲器SP₁ 與SP₂ 所輸出之音量。當使用者與揚聲器之間之待測距離D_M 越長時，音量控制器802會將揚聲器SP₁ 與SP₂ 所輸出 之音量增加；反之，當使用者與揚聲器之間之待測距離D_M 越短時，音量控制器802會將揚聲器SP₁ 與SP₂ 所輸出之音量降低。如此，使用者所感受到之音量不會因使用者之位置而改變。除此之外，音量控制器802可根據待測距離D_M 與待測角度D_M ，以判斷使用者(影像感測器810)之位置相對於輔助定位模組830，與揚聲器相對於輔助定位模組830為同一側或不同側(如第8圖所示，使用者與揚聲器相對於輔助定位模組830為同一側)。當音量控制器802判斷使用者與揚聲器相對於輔助定位模組830為同一側時，表示使用者與揚聲器SP₁ 之間的距離比使用者與揚聲器SP₂ 之間的距離短，此時音量控制器802將揚聲器SP₁ 所輸出之聲音之音量降低，且將揚聲器SP₂ 所輸出之聲音之音量增加，以維持揚聲系統800之立體音效之效果；反之，當音量控制器802判斷使用者與揚聲器相對於輔助定位模組830為不同側時，表示使用者與揚聲器SP₁ 之間的距離比使用者與揚聲器SP₂ 之間的距離長，此時音量控制器802將揚聲器SP₁ 所輸出之聲音之音量增加，且將揚聲器SP₂ 所輸出之聲音之音量降低，以維持揚聲系統800之立體音效之效果。

此外，如第8圖所示，於三點式定位裝置801之中，影像感測器810與位置計算電路820係可整合於同一晶片(chip)或於不同晶片中實施。同理，於三點式定位裝置100、600與700之中，影像感測器110、610及710與位置計算電路120、620及720係可整合於同一晶片(chip)或於不同晶片中實施。

綜上所述，本發明所提供之三點式定位裝置，藉由影像感測器感測範圍涵蓋輔助定位模組之場景，以據以產生感測影像。再藉由感測影像，辨識出對應於輔助定位模組之感測單元。因此，本發明可根據對應於輔助定位模組之感測單元之位置或對應於輔助定位模組之感測單元所接收之功率，以計算出輔助定位模組之絕對位置。除此之外，利用本發明所提供之三點式定位裝置，遊樂器可根據所測得之待測距離與待測角度，而提供給使用者更逼真的互動式體驗。另外，本發明所提供之揚聲系統，可根據使用者之位置，以調整揚聲器所輸出之音量，而維持揚聲系統之立體音效之效果，且讓使用者所感受到之音量不會隨使用者之位置而改變，帶給使用者更大的方便。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

100、600、700、801‧‧‧三點式定位裝置

110、610、710、810‧‧‧影像感測器

130、630、730、830‧‧‧輔助定位模組

131~133、631~633、731~733‧‧‧輔助定位單元

800‧‧‧揚聲系統

802‧‧‧音量控制器

820‧‧‧位置計算電路

CS₁ ~CS₃ ‧‧‧感測單元

D₁₂ 、D₂₃ 、D_F 、D_M 、D_A 、D_S1F ~D_S3F 、D_FOV/2 、D₆₁₂ 、D₆₂₃ 、D₇₃₁ 、D₇₃₃ ‧‧‧距離

L₁₃₁ ~L₁₃₃ 、L₆₃₁ ~L₆₃₃ 、L₇₃₁ ~L₇₃₃ ‧‧‧投影直線

L₁₁₂ 、L₁₂₃ 、L6₁₂ 、L₆₂₃ 、L₇₁₂ 、L₇₂₃ ‧‧‧輔助定位直線

L_F ‧‧‧中線

LENS‧‧‧鏡頭

LENS‧‧‧鏡頭

MO‧‧‧待測物

O_F ‧‧‧相交點

P_F ‧‧‧中點

SC‧‧‧場景

S_D/A ‧‧‧距離/角度訊號

S_I1 ~S_IM ‧‧‧影像訊號

S_VC1 、S_VC2 ‧‧‧音量控制訊號

SP₁ 、SP₂ ‧‧‧揚聲器

θ₁₂ 、θ₂₃ 、θ_X 、θ_M 、θ_FOV 、θ_A 、θ_B 、θ_C 、θ_Y 、θ₆₁₂ 、θ₆₂₃ ‧‧‧角度

第1圖係為說明根據本發明之第一實施例之三點式定位裝置之示意圖。

第2圖、第3圖、第4圖，以及第5圖係為說明本發明計算投影夾角之方法之示意圖。

第6圖係為說明根據本發明之第二實施例之三點式定位裝置之示意圖。

第7圖係為說明根據本發明之第三實施例之三點式定位裝置之示意 圖。

第8圖係為說明本發明之揚聲系統之示意圖。

100．．．三點式定位裝置

110．．．影像感測器

130．．．輔助定位模組

131、132、133．．．輔助定位單元

CS₁ ~CS₃ ．．．感測單元

D₁₂ 、D₂₃ 、D_F 、D_M ．．．距離

L₁₃₁ 、L₁₃₂ 、L₁₃₃ ．．．投影直線

L₁₁₂ 、L₁₂₃ ．．．輔助定位直線

LENS．．．鏡頭

MO．．．待測物

O_F ．．．相交點

SC．．．場景

θ₁₂ 、θ₂₃ 、θ_X 、θ_M 、θ_FOV ．．．角度

Claims (28)

1. 一種三點式定位裝置，包含：一輔助定位模組，包含：一第一輔助定位單元；一第二輔助定位單元；以及一第三輔助定位單元；其中該第一輔助定位單元與該第二輔助定位單元之間形成一第一輔助定位直線；其中該第一輔助定位直線之長度係等於一第一預定距離；其中該第二輔助定位單元與該第三輔助定位單元之間形成一第二輔助定位直線；其中該第二輔助定位直線之長度係等於一第二預定距離；其中該第一輔助定位直線與該第二輔助定位直線之間的夾角係為一預定夾角；一影像感測器，用來感測範圍涵蓋該第一輔助定位單元、該第二輔助定位單元以及該第三輔助定位單元之一場景，以據以產生一感測影像；其中該場景之範圍係取決於該影像感測器之一預定視角；以及一位置計算電路，用來接收該感測影像，以從該感測影像中辨識出對應該第一輔助定位單元之該影像感測器之一第一感測單元、對應於該第二輔助定位單元之該影像感測器之一第 二感測單元，以及對應於該第三輔助定位單元之該影像感測器之一第三感測單元，並根據該第一感測單元、該第二感測單元，以及該第三感測單元，以計算出該輔助定位模組與該影像感測器之間之一待測距離與一待測角度，以據以輸出一距離/角度訊號。
2. 如請求項1所述之三點式定位裝置，其中該第一輔助定位單元、該第二輔助定位單元，以及該第三輔助定位單元係為具有特定波長或特定頻段之發光二極體，或是具有特定圖案或特定顏色之物體。
3. 如請求項1所述之三點式定位裝置，其中該第一感測單元與該第一輔助定位單元之間形成一第一投影直線；該第二感測單元與該第二輔助定位單元間形成一第二投影直線；該第三感測單元與該第三輔助定位單元之間形成一第三投影直線；該第一投影直線、該第二投影直線，以及該第三投影直線可共交於一相交點；該相交點投影於該影像感測器之一中點；該相交點與該影像感測器之該中點之間形成一中線；該中線係垂直於該影像感測器之一平面。
4. 如請求項3所述之三點式定位裝置，其中該位置計算電路根據下列方程式，以計算出該待測距離與該待測角度：D₆₁₂ /sinθ₆₁₂ =D_M /sin(2×π-θ_M -θ₆₁₂ -θ₆₂₃ -θ_Y )；以及 D₆₂₃ /sinθ₆₂₃ =D_M /sinθ_M ；其中D₆₁₂ 代表該第一預定距離、D₆₂₃ 代表該第二預定距離、D_M 代表該待測距離、θ_M 代表該待測角度、π代表一個三角形之三個內角的總和、θ₆₁₂ 代表該第一投影直線與該第二投影直線之間之一第一投影夾角、θ₆₂₃ 代表該第二投影直線與該第三投影直線之間之一第二投影夾角、θ_Y 代表該預定夾角。
5. 如請求項4所述之三點式定位裝置，其中該位置計算電路根據下列公式以計算出該第一投影直線與該中線之間之一第一中線夾角、該第二投影直線與該中線之間之一第二中線夾角及該第三投影直線與該中線之間之一第三中線夾角：θ_A =tan^-1 [tan(θ_FOV /2)×(D_S1F /D_FOV/2 )]；θ_B =tan^-1 [tan(θ_FOV /2)×(D_S2F /D_FOV/2 )]；以及θ_C =tan^-1 [tan(θ_FOV /2)×(D_S3F /D_FOV/2 )]；其中θ_A 代表該第一中線夾角、θ_B 代表該第二中線夾角、θ_C 代表該第三中線夾角、θ_FOV 代表該預定視角、D_S1F 代表該中點與該第一感測單元之間之距離、D_S2F 代表該中點與該第二感測單元之間之距離、D_S3F 代表該中點與該第三感測單元之間之距離、D_FOV/2 代表該影像感測器之一寬度之一半。
6. 如請求項5所述之三點式定位裝置，其中當該中點介於該第一感測單元與該第二感測單元之間時，該位置計算電路根據下列公式以計算出該第一中線夾角與該第二中線夾角： θ₆₁₂ =θ_A +θ_B ；以及θ₆₂₃ =θ_C -θ_B 。
7. 如請求項5所述之三點式定位裝置，其中當該中點介於該第二感測單元與該第三感測單元之間時，該位置計算電路根據下列公式以計算出該第一中線夾角與該第二中線夾角：θ₆₁₂ =θ_A -θ_B ；以及θ₆₂₃ =θ_C +θ_B 。
8. 如請求項5所述之三點式定位裝置，其中當該第一感測單元、該第二感測單元以及該第三感測單元位於該中點之同一側，且該第一中線夾角大於該第二中線夾角、該第二中線夾角大於該第三中線夾角時，該位置計算電路根據下列公式以計算出該第一中線夾角與該第二中線夾角：θ₆₁₂ =θ_A -θ_B ；以及θ₆₂₃ =θ_B -θ_C 。
9. 如請求項5所述之三點式定位裝置，其中當該第一感測單元、該第二感測單元以及該第三感測單元位於該中點之同一側，且該第三中線夾角大於該第二中線夾角、該第二中線夾角大於該第一中線夾角時，該位置計算電路根據下列公式以計算出該第一中線夾角與該第二中線夾角：θ₆₁₂ =θ_B -θ_A ；以及 θ₆₂₃ =θ_C -θ_B 。
10. 如請求項1所述之三點式定位裝置，其中該第一預定距離等於該第二預定距離；該預定夾角係等於一個三角形之三個內角的總和；該第一輔助定位單元、該第二輔助定位單元及該第三輔助定位單元係為發光二極體，且該第一輔助定位單元、該第二輔助定位單元及該第三輔助定位單元所發射之光具有相同的功率。
11. 如請求項10所述之三點式定位裝置，其中該位置計算電路根據下列方程式，以得出該待測距離與該待測角度：PW₇₃₂ /PW₇₃₁ =(D₇₃₁ )² /(D_M )² ；PW₇₃₂ /PW₇₃₃ =(D₇₃₃ )² /(D_M )² ；(D₇₃₁ )² +(D₇₃₃ )² =2×[(D_A )² +(D_M )² ]；(1/2)×D_A ×D₇₃₃ ×sinθ_M =√{[V×(V-D_A )×(V-D₇₃₃ )×(V-D_M )]}；以及V=(1/2)×(D_A +D₇₃₃ +D_M )；其中D_M 代表該待測距離、θ_M 代表該待測角度、D_A 代表該第一預定距離或該第二預定距離、D₇₃₁ 代表該第一感測單元與該第一輔助定位單元之間的距離、D₇₃₃ 代表該第三感測單元與該第三輔助定位單元之間的距離、V係為該第二輔助定位直線、該第二投影直線及該第三投影直線所圍成之三角形之半周長、PW₇₃₁ 係為對應於該第一感測單元所接收之光之功率、PW₇₃₂ 係為對應於該第二感測單元所接收之光之功率、 PW₇₃₃ 係為對應於該第三感測單元所接收之光之功率。
12. 如請求項1所述之三點式定位裝置，其中該待測距離係為該第一感測單元與該第一輔助定位單元之間的距離、該第二感測單元與該第二輔助定位單元之間的距離，或是該第三感測單元與該第三輔助定位單元之間的距離；該待測角度係為該第二感測單元以及該第二輔助定位單元間所形成之連線與該第一輔助定位直線之間的夾角、該第二感測單元以及該第二輔助定位單元間所形成之連線與該第二輔助定位直線之間的夾角、該第一感測單元以及該第一輔助定位單元間所形成之連線與該第一輔助定位直線之間的夾角，或是該第三感測單元以及該第三輔助定位單元間所形成之連線與該第二輔助定位直線之間的夾角。
13. 一種揚聲系統，包含：如請求項1所述之三點式定位裝置；一第一揚聲器，用來根據一第一音量控制訊號以輸出聲音；一第二揚聲器，用來根據一第二音量控制訊號以輸出聲音；以及一音量控制器，用來接收該距離/角度訊號，並根據該待測距離與該待測角度，以輸出該第一音量控制訊號與該第二音量控制訊號，來調整該第一揚聲器與該第二揚聲器所輸出之聲音之音量之大小。
14. 如請求項13所述之揚聲系統，其中當待測距離越長時，該音量控制器增加該第一揚聲器與該第二揚聲器所輸出之聲音之音量；當待測距離越短時，該音量控制器降低該第一揚聲器與該第二揚聲器所輸出之聲音之音量。
15. 如請求項13所述之揚聲系統，其中該輔助定位模組係設置於該第一揚聲器與該第二揚聲器之間；當該音量控制器根據該待測距離與該待測角度，判斷該影像感測器與該第一揚聲器相對於該輔助定位模組為同一側時，該音量控制器降低該第一揚聲器所輸出之聲音之音量，且增加該第二揚聲器所輸出之聲音之音量；當該音量控制器根據該待測距離與該待測角度，判斷該影像感測器與該第一揚聲器相對於該輔助定位模組為不同側時，該音量控制器增加該第一揚聲器所輸出之聲音之音量，且降低該第二揚聲器所輸出之聲音之音量。
16. 一種三點式定位之方法，包含：提供一輔助定位模組之一第一輔助定位單元、一第二輔助定位單元及一第三輔助定位單元與一影像感測器；其中該第一輔助定位單元與該第二輔助定位單元之間形成一第一輔助定位直線；其中該第一輔助定位直線之長度係等於一第一預定距離；其中該第二輔助定位單元與該第三輔助定位單元之間形成一第二輔助定位直線； 其中該第二輔助定位直線之長度係等於一第二預定距離；其中該第一輔助定位直線與該第二輔助定位直線之間的夾角係為一預定夾角；該影像感測器感測一場景，以據以產生一感測影像；其中該第一輔助定位單元、該第二輔助定位單元及該第三輔助定位單元位於該場景之範圍內；根據該感測影像，辨識出對應該第一輔助定位單元之該影像感測器之一第一感測單元、對應於該第二輔助定位單元之該影像感測器之一第二感測單元，以及對應於該第三輔助定位單元之該影像感測器之一第三感測單元；以及根據該第一感測單元、該第二感測單元，以及該第三感測單元，以計算出該影像感測器與該輔助定位模組之一待測距離與一待測角度。
17. 如請求項16所述之方法，其中該第一輔助定位單元、該第二輔助定位單元，以及該第三輔助定位單元係為具有特定波長或特定頻段之發光二極體，或是具有特定圖案或特定顏色之物體。
18. 如請求項17所述之方法，其中該第一感測單元與該第一輔助定位單元之間形成一第一投影直線；該第二感測單元與該第二輔助定位單元間形成一第二投影直線；該第三感測單元與該第三輔助定位單元之間形成一第三投影直線；該第一投影直線、該第二投影直線，以及該第三投影直線可共交於一相交點；該相 交點投影於該影像感測器之一中點；該相交點與該影像感測器之該中點之間形成一中線；該中線係垂直於該影像感測器之一平面；該該場景之範圍係取決於該影像感測器之一預定視角。
19. 如請求項18所述之方法，其中根據該第一感測單元、該第二感測單元，以及該第三感測單元，以計算出該影像感測器與該輔助定位模組之該待測距離與該待測角度包含：根據該預定視角、該中線、該第一感測單元、該第二感測單元，以及該第三感測單元，以計算出該第一投影直線與該中線之間之一第一中線夾角、該第二投影直線與該中線之間之一第二中線夾角及該第三投影直線與該中線之間之一第三中線夾角；根據該第一中線夾角、該第二中線夾角及該第三中線夾角，以計算出該第一投影直線與該第二投影直線之間之一第一投影夾角與該第二投影直線與該第三投影直線之間之一第二投影夾角；以及根據該預定夾角、該第一預定距離、該第二預定距離、該第一投影夾角及該第二投影夾角，以計算出該待測距離與該待測角度。
20. 如請求項19所述之方法，其中根據下列公式以計算出該待測距離與該待測角度：D₆₁₂ /simθ₆₁₂ =D_M /sim(2×π-θ_M -θ₆₁₂ -θ₆₂₃ -θ_Y )；以及 D₆₂₃ /sinθ₆₂₃ =D_M /sinθ_M ；其中D₆₁₂ 代表該第一預定距離、D₆₂₃ 代表該第二預定距離、D_M 代表該待測距離、θ_M 代表該待測角度、π代表一個三角形之三個內角的總和、θ₆₁₂ 代表該第一投影直線與該第二投影直線之間之一第一投影夾角、θ₆₂₃ 代表該第二投影直線與該第三投影直線之間之一第二投影夾角、θ_Y 代表該預定夾角。
21. 如請求項20所述之方法，其中根據下列公式以計算出該第一中線夾角、該第二中線夾角及該第三中線夾角：θ_A =tan^-1 [tan(θ_FOV /2)×(D_S1F /D_FOV/2 )]；θ_B =tan^-1 [tan(θ_FOV /2)×(D_S2F /D_FOV/2 )]；以及θ_C =tan^-1 [tan(θ_FOV /2)×(D_S3F /D_FOV/2 )]；其中θ_A 代表該第一中線夾角、θ_B 代表該第二中線夾角、θ_C 代表該第三中線夾角、θ_FOV 代表該預定視角、D_S1F 代表該中點與該第一感測單元之間之距離、D_S2F 代表該中點與該第二感測單元之間之距離、D_S3F 代表該中點與該第三感測單元之間之距離、D_FOV/2 代表該影像感測器之一寬度之一半。
22. 如請求項21所述之方法，其中當該中點介於該第一感測單元與該第二感測單元之間時，根據下列公式以計算出該第一中線夾角與該第二中線夾角：θ₆₁₂ =θ_A +θ_B ；以及θ₆₂₃ =θ_C -θ_B 。
23. 如請求項21所述之方法，其中當該中點介於該第二感測單元與該第三感測單元之間時，根據下列公式以計算出該第一中線夾角與該第二中線夾角：θ₆₁₂ =θ_A -θ_B ；以及θ₆₂₃ =θ_C +θ_B 。
24. 如請求項21所述之方法，其中當該第一感測單元、該第二感測單元以及該第三感測單元位於該中點之同一側，且該第一中線夾角大於該第二中線夾角、該第二中線夾角大於該第三中線夾角時，根據下列公式以計算出該第一中線夾角與該第二中線夾角：θ₆₁₂ =θ_A -θ_B ；以及θ₆₂₃ =θ_B -θ_C 。
25. 如請求項21所述之方法，其中當該第一感測單元、該第二感測單元以及該第三感測單元位於該中點之同一側，且該第三中線夾角大於該第二中線夾角、該第二中線夾角大於該第一中線夾角時，根據下列公式以計算出該第一中線夾角與該第二中線夾角：θ₆₁₂ =θ_B -θ_A ；以及θ₆₂₃ =θ_C -θ_B 。
26. 如請求項16所述之方法，其中該第一預定距離等於該第二預定距離；該預定夾角係等於一個三角形之三個內角的總和；該第一輔助定位單元、該第二輔助定位單元及該第三輔助定位單元係為發光二極體，且該第一輔助定位單元、該第二輔助定位單元及該第三輔助定位單元所發射之光具有相同的功率。
27. 如請求項26所述之方法，其中根據下列方程式，以得出該待測距離與該待測角度：PW₇₃₂ /PW₇₃₁ =(D₇₃₁ )² /(D_M )² ；PW₇₃₂ /PW₇₃₃ =(D₇₃₃ )² /(D_M )² ；(D₇₃₁ )² +(D₇₃₃ )² =2×[(D_A )² +(D_M )² ]；(1/2)×D_A ×D₇₃₃ ×sinθ_M =√{[V×(V-D_A )×(V-D₇₃₃ )×(V-D_M )]}；以及V=(1/2)×(D_A +D₇₃₃ +D_M )；其中D_M 代表該待測距離、θ_M 代表該待測角度、D_A 代表該第一預定距離或該第二預定距離、D₇₃₁ 代表該第一感測單元與該第一輔助定位單元之間的距離、D₇₃₃ 代表該第三感測單元與該第三輔助定位單元之間的距離、V係為該第二輔助定位直線、該第二投影直線及該第三投影直線所圍成之三角形之半周長、PW₇₃₁ 係為對應於該第一感測單元所接收之光之功率、PW₇₃₂ 係為對應於該第二感測單元所接收之光之功率、PW₇₃₃ 係為對應於該第三感測單元所接收之光之功率。
28. 如請求項16所述之方法，其中該待測距離係為該第一感測單元與該第一輔助定位單元之間的距離、該第二感測單元與該第二輔助定位單元之間的距離，或是該第三感測單元與該第三輔助定位單元之間的距離；該待測角度係為該第二感測單元以及該第二輔助定位單元間所形成之連線與該第一輔助定位直線之間的夾角、該第二感測單元以及該第二輔助定位單元間所形成之連線與該第二輔助定位直線之間的夾角、該第一感測單元以及該第一輔助定位單元間所形成之連線與該第一輔助定位直線之間的夾角，或是該第三感測單元以及該第三輔助定位單元間所形成之連線與該第二輔助定位直線之間的夾角。