TWI419012B - A method of positioning an optical beacon device for interaction of a large display device - Google Patents

A method of positioning an optical beacon device for interaction of a large display device Download PDF

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用於大型顯示裝置互動的光學信標裝置的定位方法
本發明主要係揭示一種用於大型顯示裝置互動的光學信標裝置的定位方法，尤指一種由顯示屏上定位光點的相對位置定位出光源信標發射位置的大型顯示裝置互動的光學信標裝置及其定位方法。
定位系統(positioning system)用於決定物件或使用者在特定空間中的位置及方向，這個系統普遍使用在今日互動式遊戲及虛擬實境等應用上。
一般定位系統多依賴於機械裝置陀螺儀、超音波、無線電波或光學等特殊光電裝置以測量訊號傳輸端及接收端的傳遞時間差以推導距離並藉以得到彼此相對位置，如互動式遊戲機就是使用光學訊標與影像處理方法，其主要讓使用者透過一手持式控制器與遊戲互動，但是前述這些方法使用的特殊裝置為精密的設備，其不僅價錢昂貴，無法有效降低售價。
再者，前述這些定位系統容易受環境干擾，而且一旦定位系統偏差後，使用者對於設置調校困難的問題也隨之產生，讓消費者必須要花費額外的費用請專業人士進行調整，相當麻煩，對於上述問題，亟有待於改良之必要。
有鑑於上述習知結構之缺失，本發明人乃發明出一種用於大型顯示裝置互動的光學信標裝置的定位方法，其係可克服上述習知結構之所有缺點。
本發明所欲解決之技術問題在於針對現有技術存在的上述缺失，提供一種用於大型顯示裝置互動的光學信標裝置的定位方法。
本發明主要目的在於，以一般可見光或不可見光發光二極體搭配視訊擷取相機實施，擷取光源信標在顯示屏上的相對位置後，經由計算機以軟體方式演算定位出光源信標的發射位置及方向，因此相較於一般定位系統具有價廉、彈性、通用及容易設置等優點。
本發明次要目的在於，方向性光源間的θ與ψ角度值不需固定，可視應用需求如顯示設備外觀幾何、定位空間大小、定位精度需求及光源聚焦性等彈性調整以求最佳化。
其他目的、優點和本發明的新穎特性將從以下詳細的描述與相關的附圖更加顯明。
有關本發明所採用之技術、手段及其功效，茲舉一較佳實施例並配合圖式詳述如後，此僅供說明之用，在專利申請上並不受此種結構之限制。
參照圖一，為本發明用於大型顯示裝置互動的光學信標裝置定位方法的流程圖。本發明用於大型顯示裝置互動的光學信標裝置定位方法包括有以下步驟：光源信標投射數個方向性光源在顯示屏上產生數個定位光點；攝影機擷取顯示屏的影像並傳遞至計算機作處理；計算機計算各定位光點相對於顯示屏中心的座標值；計算機依各定位光點的座標值計算光源信標的發射位置及方向；計算機依光源信標的發射位置及方向在顯示屏上顯示對應光源信標的顯示位置及方向。
參照圖二及圖三，為本發明用於大型顯示裝置互動的光學信標裝置的示意圖。本發明之光學信標裝置包括有一個顯示屏10、一個光源信標(optical beacon)20、一個攝影機30及一個計算機40，且本發明定義有X軸、Y軸及Z軸的空間坐標軸，顯示屏10為大尺寸顯示設備，該光源信標20將定位光點投射到顯示屏10上。其中：該顯示屏10為大尺寸的顯示設備，以供受測物觀看，該顯示屏10位於X軸與Y軸所構成的X-Y平面，且X軸與Y軸的相交處為中心O。
該光源信標20是用來裝設在受測者的頭部，該光學信標20能夠投射出五個方向性光源201、202、203、204、205，所述五個方向性光源201、202、203、204、205如雷射或經聚焦的紅外線以特殊幾何排列投射在顯示屏10上產生呈十字形狀的五個定位光點21、22、23、24、25，且該光源信標20相對於顯示屏10具有一個發射位置Ov 、一個轉角α及一個仰角β，該發射位置Ov 的坐標為(xv ,yv ,zv )。依照這些光源依設計的定位功能細分為水平定位光點組H及垂直定位光點組V，水平定位光點組H包括有三個呈水平排列的定位光點22、21、24，垂直定位光點V包括有三個呈垂直排列的定位光點23、21、25，且該水平定位光點H與垂直定位光點V共有一個位於中心位置的定位光點21，水平定位光點組H與X軸平行，垂直定位光點組V與Y軸平行。
該水平定位光點組H的方向性光源202、201、204朝著-Z軸方向行進，且所述的方向性光源202、201、204在X-Z平面上各以相距等角角度θ相隔。該垂直定位光點組V的方向性光源203、204、205亦朝著-Z軸方向行進，且所述的方向性光源203、201、205在Y-Z平面上各以相距等角角度ψ相隔。其中θ與ψ角度值不需固定，可視應用需求如顯示設備外觀幾何、定位空間大小、定位精度需求及光源聚焦性等彈性調整以求最佳化。
該攝影機30以影像方式擷取顯示屏10上的定位光點21、22、23、24、25，以取得各定位光點21、22、23、24、25相對於顯示屏10的幾何位置，並將擷取到的顯像傳遞到計算機40中作處理。
該計算機40將依定位光點21、22、23、24、25相對於顯示屏10的幾何位置計算光源信標20相對於顯示屏10的空間位置及方向；當得知光源信標20的位置後，計算機40可依光源信標20的位置及方向作顯示屏10對應顯示位置的變化，以達互動效果。
該顯示屏10構造除提供光源安置並確保光源間幾何關係外，並無材質及形狀等特殊限制，可視應用需求而有不同設計。
同時參照圖三至圖六，當計算機40接收到攝影機30所擷取到的影像後，計算機40會將影像中對應光點分類為水平定位光點組H(22,21,24)及垂直定位光點組V(23,21,25)，並求出各定位光點21、22、23、24、25相對於顯示屏10中心O的座標值。然後計算機40將依幾何關係分別將水平定位光點組H(23,21,25)投影到X軸上形成A、B、C三個投影點，以及垂直定位光點組V(23,21,25)投影到Y軸上形成A' 、B' 及C' 三個投影點。待完成定位光點21、22、23、24、25在X軸及Y軸上的投影後，計算機40將依A、B、C在X軸上的座標值及A' 、B' 、C' 在Y軸上的座標值計算光源信標20的發射位置Ov (xv ,yv ,zv )，以及轉角α與仰角β。
圖四是圖三在X-Z平面上的投影。其中OvX-Z 是光源信標20發射位置Ov 在X-Z平面上的投影位置。已知A,B,C三點在X軸上的座標，我們可以求出線段AB,BC,及AC長度。同時我們亦已知預先設定的θ角度值。以下我們將利用上述已知條件及幾何定律推導得知光源信標20在X-Y平面上的投影位置OvX-Z (xv ,0,zv )的座標與轉角α：
公式推導計算
根據正弦定律，任意三角形三邊為R,S,T且對應角度分別是ρ,σ,τ則以下關係式成立：
R /SIN ρ=S /SIN σ=T /SIN τ　…………………………………(1)
從上述正弦定律(1)及圖五中三角形ABOvX-Z 可得：
同樣從上述正弦定律(1)及圖五中三角形ACOvX-Z 可得：
將方程式(2)/(3)可得：
經由方程式(4)可計算受測者在X-Z平面上的轉角α。
接著將找尋光源信標20的投影位置OvX-Z (xv ,0,zv )。
由(4)得到的轉角α代換到方程式(2)中可得(5)：
圖五中FOvX-Z 是由OvX-Z 到X軸的垂線，其長度即為zv 。由圖五中直角三角形AFOvX-Z 可得：
方程式(6)給的是光源信標20的投影位置OvX-Z (xv ,0,zv )中的zv 值。
同方程式(6)，我們亦可得到線段AF值。而OvX-Z (xv ,0,zv )中的xv 值為線段AOvX-Z 及AF的差，即：
最後，因為在X-Z平面上，所以OvX-Z (xv ,0,zv )中的yv 值為0，而真實的yv 值需透過Y-Z平面幾何求得，如圖六所示。因圖五及圖六兩者有相同幾何，所以求取OvY-Z (0,yv ,zv )座標及仰角β的步驟相似於圖五X-Z平面使用過程如同方程式(1)-(8)，因此此處我們省略推導步驟而直接將結果條列於下：
方程式(10)是仰角β的角度值，而方程式(11)是Ov :(xv ,yv ,zv )中的yv 值。總和方程式(4)，(6)，(8)，(9)，(10)，(11)，我們可以得到光源信標20相對於顯示屏10幾何中心O所在的發射位置Ov (xv ,yv ,zv )，以及轉角α及仰角β的角度值。
計算機40依光源信標20的發射位置Ov (xv ,yv ,Zv )，以及轉角α及仰角β的方向在顯示屏10上顯示對應光源信標20的顯示位置及方向。
參照圖七，當光源信標20向右改變轉角α時，水平定位光點組H相對於X軸的位置產生變化，水平定位光點組H中與Z軸夾角鄰近Z軸的兩定位光點24、21的投影距離小於與Z軸夾角遠離Z軸的兩定位光點21、22的投影距離。
參照圖八，當光源信標20沿著X軸向右平移時，所有定位光點21、22、23、24、25跟著光源信標20沿著X軸右移，且各定位光點21、22、23、24、25間的投影距離不變。
參照圖九，當光源信標20向下改變仰角β時，垂直定位光點組V相對於Y軸的位置產生變化，垂直定位光點組V中與Z軸夾角鄰近Z軸的兩定位光點23、21的投影距離小於與Z軸夾角遠離Z軸的兩定位光點21、25的投影距離。
參照圖十，當光源信標20沿著Y軸向下平移時，所有定位光點21、22、23、24、25跟著光源信標20沿著Y軸下移，且各定位光點21、22、23、24、25間的投影距離不變。
由上述各種光源信標20相對於顯示屏10的位置及方向發射方向性光源201、202、203、204、205，會在顯示屏10上產生不同相對位置的定位光點21、22、23、24、25，利用攝影機30擷取光源信標20在顯示屏10上的相對位置後，經由計算機40以軟體方式演算定位出光源信標20的發射位置及方向。
就以上所述可以歸納出本發明具有以下之優點：
1.本發明『用於大型顯示裝置互動的光學信標裝置的定位方法』，其中擷取光源信標在顯示屏上的相對位置後，經由計算機以軟體方式演算定位出光源信標的發射位置及方向，因此相較於一般定位系統具有價廉、彈性、通用及容易設置等優點。
2.本發明『用於大型顯示裝置互動的光學信標裝置的定位方法』，其中方向性光源間的θ與ψ角度值不需固定，可視應用需求如顯示屏外觀幾何、定位空間大小、定位精度需求及光源聚焦性等彈性調整以求最佳化。
惟上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以之限定本發明實施之範圍，故舉凡數值之變更或等效元件之置換，或依本發明申請專利範圍所作之均等變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範疇。
10．．．顯示屏
20．．．光源信標
201、202、203、204、205．．．方向性光源
21、22、23、24、25．．．定位光點
30．．．攝影機
40．．．計算機
O．．．中心
H．．．水平定位光點組
V．．．垂直定位光點組
Ov ．．．發射位置
OvX-Z ．．．投影位置
α．．．轉角
β．．．仰角
θ．．．角度
ψ．．．角度
圖一：為本發明用於大型顯示裝置互動的光學信標裝置的定位方法之流程圖。
圖二：為本發明用於大型顯示裝置互動的光學信標裝置之示意圖。
圖三A：為本發明用於大型顯示裝置互動的光學信標裝置投射在顯示屏於X-Y平面之示意圖。
圖三B：為本發明用於大型顯示裝置互動的光學信標裝置投射在顯示屏於X-Z平面之示意圖。
圖三C：為本發明用於大型顯示裝置互動的光學信標裝置投射在顯示屏於Y-Z平面之示意圖。
圖四：為本發明用於大型顯示裝置互動的光學信標裝置運作原理示意圖。
圖五：為本發明用於大型顯示裝置互動的光學信標裝置運作原理投影於X-Z平面之示意圖。
圖六：為本發明用於大型顯示裝置互動的光學信標裝置運作原理投影於Y-Z平面之示意圖。
圖七A：為本發明用於大型顯示裝置互動的光學信標裝置改變轉角時投射在顯示屏於X-Y平面之示意圖。
圖七B：為本發明用於大型顯示裝置互動的光學信標裝置改變轉角時投射在顯示屏於X-Z平面之示意圖。
圖七C：為本發明用於大型顯示裝置互動的光學信標裝置改變轉角時投射在顯示屏於Y-Z平面之示意圖。
圖八A：為本發明用於大型顯示裝置互動的光學信標裝置向右平移時投射在顯示屏於X-Y平面之示意圖。
圖八B：為本發明用於大型顯示裝置互動的光學信標裝置向右平移時投射在顯示屏於X-Z平面之示意圖。
圖八C：為本發明用於大型顯示裝置互動的光學信標裝置向右平移時投射在顯示屏於Y-Z平面之示意圖。
圖九A：為本發明用於大型顯示裝置互動的光學信標裝置改變仰角時投射在顯示屏於X-Y平面之示意圖。
圖九B：為本發明用於大型顯示裝置互動的光學信標裝置改變仰角時投射在顯示屏於X-Z平面之示意圖。
圖九C：為本發明用於大型顯示裝置互動的光學信標裝置改變仰角時投射在顯示屏於Y-Z平面之示意圖。
圖十A：為本發明用於大型顯示裝置互動的光學信標裝置向下平移時投射在顯示屏於X-Y平面之示意圖。
圖十B：為本發明用於大型顯示裝置互動的光學信標裝置向下平移時投射在顯示屏於X-Z平面之示意圖。
圖十C：為本發明用於大型顯示裝置互動的光學信標裝置向下平移時投射在顯示屏於Y-Z平面之示意圖。

Claims (7)

  1. 一種用於大型顯示裝置互動的光學信標裝置的定位方法，所述裝置包括一個光源信標、一個顯示屏、一個攝影機及一個計算機，所述定位方法包括有以下步驟：光源信標投射五個方向性光源在顯示屏上產生五個定位光點，所述數個定位光點呈十字形狀，這些光源依設計的定位功能細分為水平定位光點組及垂直定位光點組，水平定位光點組包括有至少三個呈水平排列的定位光點，垂直定位光點包括有至少三個呈垂直排列的定位光點，且該水平定位光點與垂直定位光點共有一個位於中心位置的定位光點，光源信標的發射方向包括有一個轉角及一個仰角；攝影機擷取顯示屏的影像並傳遞至計算機作處理；計算機計算各定位光點相對於顯示屏中心的座標值；計算機依各定位光點的座標值計算光源信標的發射位置及方向；計算機依光源信標的發射位置及方向在顯示屏上顯示對應光源信標的顯示位置及方向。
  2. 如請求項1所述之用於大型顯示裝置互動的光學信標裝置的定位方法，其該水平定位光點組的方向性光源各以相距等角角度相隔，該垂直定位光點組的方向性光源各以相距等角角度相隔。
  3. 如請求項2所述之用於大型顯示裝置互動的光學信標裝置的定位方法，其中當光源信標改變轉角時，水平定位光點組中與Z軸夾角鄰近Z軸的兩定位光點的投影距離 小於與Z軸夾角遠離Z軸的兩定位光點的投影距離。
  4. 如請求項2所述之用於大型顯示裝置互動的光學信標裝置的定位方法，其中當光源信標改變仰角時，垂直定位光點組中與Z軸夾角鄰近Z軸的兩定位光點的投影距離小於與Z軸夾角遠離Z軸的兩定位光點的投影距離。
  5. 如請求項2所述之用於大型顯示裝置互動的光學信標裝置的定位方法，其中當光源信標沿著X軸平移時，所有定位光點跟著光源信標沿著X軸右移，且各定位光點間的投影距離不變。
  6. 如請求項2所述之用於大型顯示裝置互動的光學信標裝置的定位方法，其中當光源信標沿著Y軸平移時，所有定位光點跟著光源信標沿著Y軸下移，且各定位光點間的投影距離不變。
  7. 如請求項1所述之用於大型顯示裝置互動的光學信標裝置的定位方法，其中方向性光源如雷射或經聚焦的紅外線投射在顯示屏。
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