TWI423657B - 影像系統及其干擾消除方法 - Google Patents

影像系統及其干擾消除方法 Download PDF

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Ching Lin Chung
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Chun Yi Lu
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Description

影像系統及其干擾消除方法
本發明係關於一種影像系統及其干擾消除方法，特別係關於一種能夠消除環境光源所造成之閃爍現象的影像系統及其干擾消除方法。
目前影像擷取技術已普遍應用於各式電子產品，包含光學觸控系統、距離量測系統或其他可利用所擷取的影像進行相對應處理之光學應用產品。
一般而言，所述光學應用產品係利用一影像感測器擷取影像，並對所擷取的影像進行後續處理以計算影像內容的變化。然而，由於影像感測器僅能感測能量變化，當環境光源的亮度隨時間改變時，則會對影像感測器所擷取的影像產生直接的影響，進而影響系統的操作精確度。
特別是，當環境光源之亮度並非為一單純的亮度變化或者環境中同時存在不同亮度變化週期之環境光源時，則難以有效消除環境光的影響，進而導致影像系統之運作精確度無法有效的提升。
有鑑於此，本發明提出一種可消除或至少可有效降低上述因環境光源所導致的閃爍問題之影像系統及其干擾消除方法。
本發明之目的在提供一種影像系統及其干擾消除方法，其可有效消除一影像系統中因環境光源之複雜亮度變化所導致的閃爍問題。
本發明提供一種影像系統之干擾消除方法，用以消除具有一亮度變化週期之環境光源的影響，每一亮度變化週期具有不同亮度變化之兩亮度區間，該干擾消除方法包含下列步驟：利用一影像感測器以一取樣頻率於不同亮度變化之兩亮度區間分別擷取不同數目之影像；利用一光源以該取樣頻率之一半頻率同步於該取樣頻率點燈；以及在具有相同亮度變化之兩相鄰該亮度區間中，將較晚之該亮度區間中相對應該光源點燈時所擷取之一第一影像減去較早之該亮度區間中相對應該第一影像之擷取時間所擷取之一第二影像。
本發明另提供一種影像系統，用以消除具有一亮度變化週期之環境光源的影響，每一亮度變化週期具有不同亮度變化之兩亮度區間。該影像系統包含至少一影像感測器、一光源及一處理單元。該影像感測器以一取樣頻率於不同亮度變化之兩亮度區間分別擷取不同數目之影像。該光源以該取樣頻率之一半頻率同步於該取樣頻率點燈。該處理單元在具有相同亮度變化之兩相鄰該亮度區間中，將較晚之該亮度區間中相對應該光源點燈時所擷取之一第一影像減去較早之該亮度區間中相對應該第一影像之擷取時間所擷取之一第二影像。
一種實施例中，該取樣頻率為該亮度變化週期倒數的(2N+1)倍，N為大於等於1的正整數；其中該亮度變化週期例如為1/50秒或1/60秒。
一種實施例中，不同亮度變化之該等亮度區間中擷取之影像數目相差1。
本發明另提供一種影像系統之干擾消除方法，用以消除具有一亮度變化週期之環境光源的影響，每一亮度變化週期具有不同亮度變化之兩亮度區間，該干擾消除方法包含下列步驟：利用一影像感測器以一取樣頻率於每一亮度變化週期擷取奇數個影像；利用一光源以該取樣頻率之一半頻率同步於該取樣頻率點燈；及在具有相同亮度變化之兩相鄰該亮度區間中，將較晚之該亮度區間中相對應該光源點燈時所擷取之一第一影像減去較早之該亮度區間中相對應該第一影像之擷取時間所擷取之一第二影像。
本發明之影像感系統及其干擾消除方法中，該處理單元可進一步根據兩連續之該第一影像及該第二影像之差計算一位移量。由於擷取該第一影像及該第二影像時，環境光源之亮度大致相同，因此本發明可透過計算相同亮度區間中影像間的差值，藉以消除環境光的干擾。
為了讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯，下文將配合所附圖示，作詳細說明如下。此外，於本發明之說明中，相同之構件係以相同之符號表示，於此合先敘明。
本發明關於用以消除具有一亮度變化週期之環境光源對一影像系統之影響，系統外部的環境光源在每一亮度變化週期具有不同亮度變化之兩亮度區間，不同亮度變化之亮度區間可能由單一種環境光源所造成，或者由不同種類的環境光源所共同造成。
請參照第1及2圖所示，第1圖顯示本發明實施例之一影像系統1；第2圖顯示環境光源之亮度隨時間的變化。雖然該影像系統1在此實施例中顯示為一光學觸控系統，其他實施例中該影像系統1亦可為使用至少一影像感測器擷取影像並據以進行系統操控之任何系統，並不限於第1圖所繪示者。
該影像系統1包含一觸控面10、至少一影像感測器(此實施例顯示兩影像感測器11及12)、一光源13以及一處理單元14。此外，第1圖並繪示一環境光源9以顯示該影像系統1所處的操作環境，例如此時該環境光源9為一組日光燈管，每一根日光燈管包含一第一端91及一第二端92，而日光燈管之端部(第一端91及第二端92)之亮度隨時間的變化例如繪示於第2圖；造成日光燈管端部亮度不均勻之原因在於激發電流的方向，例如於交流電流從該第一端91流向該第二端92之半週期期間，該第一端91呈現較高的亮度而該第二端92則呈現較低的亮度；反之，於交流電流從該第二端92流向該第一端91之半週期期間，該第一端91呈現較低的亮度而該第二端92則呈現較高的亮度；因此，該第一端91及該第二端92之個別的亮度變化則如第2圖所示呈現一半週期之亮度變化與另一半週期之亮部變化不同的情形；特別是日光燈管所發出的紅外光更容易因交流電之激發電流方向的不同，而產生不均勻的亮度差。該環境光源9具有一亮度變化週期CL ，例如為(1/60)Hz或(1/50)Hz，其中該亮度變化週期CL 之數值係根據所使用電力系統之交流頻率所決定。第2圖中，每一亮度變化週期CL 均包含一第一亮度區間C1 及一第二亮度區間C2 ，其中該第一亮度區間C1 及該第二亮度區間C2 具有不同的亮度或亮度變化但具有相同的時間區間(time interval)。可以了解的是，雖然第2圖中顯示該第一亮度區間C1 之亮度平均值大於該第二亮度區間C2 之平均值亮度，其他實施例中亦可能為相反。
該觸控面10可由適當材質所形成，一使用者可使用手指或其他觸控件靠近或接觸該觸控面10，以對該影像系統1進行各種操控，其中所操控的動作可為習知觸控系統所能進行者，例如游標控制或物件點選等，但並不限於此。由於一觸控系統的動作已為習知，故於此不再贅述；本發明的精神在於消除如第2圖所示環境光源之亮度變化對該觸控系統操作精確度的負面影響。
該等影像感測器11及12例如可為CCD影像感測器、CMOS影像感測器或習知其他用以感測影像之感測裝置。該等影像感測器11及12的視角較佳至少涵蓋該觸控面10，用以擷取橫跨該觸控面10以及靠近或接觸該觸控面10之至少一觸控件的影像。必須說明的是，影像感測器的數量並不限於2個，且其設置位置亦不限於第1圖所揭示者。
該光源13則用以提供該等影像感測器11及12擷取影像時所需之光，為了能夠實施本發明實施例之干擾消除方法(容詳述於後)，該光源13係於該等影像感測器11及12每擷取兩張影像時才點燈，其他時間則熄燈。換句話說，若該等影像感測器11及12具有一取樣頻率，該光源13則以該取樣頻率之一半頻率進行同步點燈，以使得該等影像感測器11及12依序相對於該光源13點燈時擷取一第一影像及相對於該光源13熄燈時擷取一第二影像。必須說明的是，該光源13可為任何適當光源，例如發光二極體，但不限於此。此外，該光源13所設置的位置及數量並不限於第1圖所揭示者，該光源13可設置於任何適當位置或具有任意數量，只要使該等影像感測器11及12能夠擷取一觸控件遮蔽該光源13所發出之光即可，並無特定限制。
該處理單元14接收該等影像感測器11及12所擷取的影像以進行處理，例如根據影像中觸控件的影像變化計算一位移量或其他操作參數，據以相對控制一主機15所執行的程式，其中該處理單元14根據該等影像感測器11及12所擷取的影像計算操作參數的方式已為習知，例如可利用影像間的相關性(correlation)計算位移量，故於此不再贅述。
由於該等影像感測器11及12的視野範圍亦包含該環境光源9，故該環境光源9的影像亦會包含於該等影像感測器11及12所擷取之影像中，當該環境光源9的亮度變化如同第2圖所示之變化時，該處理單元14如果根據該等影像感測器11及12所擷取之影像計算位移量或控制參數，則會受到該環境光源9的干擾而容易產生誤控制的情形。因此，該處理單元14另透過本發明之干擾消除方法(詳述於後)以消除該環境光源9對影像系統1的影響。
請同時參照第1至3圖所示，第3圖顯示本發明實施例之干擾消除方法之示意圖。在該環境光源9之亮度變化下，該等影像感測器11及12以該亮度變化週期CL 倒數的(2N+1)倍之一取樣頻率擷取影像，例如60Hz×(2N+1)或50Hz×(2N+1)，其中N為大於等於1的正整數，例如第3圖中N=2。必須說明的是，為達成本發明之干擾消除方法，該等影像感測器11及12於該第一亮度區間C1 及該第二亮度區間C2 分別擷取不同數目之影像，較佳不同亮度變化之亮度區間所擷取的影像數目相差1。例如第3圖中該等影像感測器11及12於該等第一亮度區間C1 擷取3張影像而於該等第二亮度區間C2 擷取2張影像。換句話說，該等影像感測器11及12在每一亮度變化週期CL 均擷取奇數個影像。由於影像感測器之取樣頻率及該亮度變化週期CL 均為固定，因此該等影像感測器11及12在具有相同亮度變化之亮度區間的相對應時間點擷取影像。該光源13則於該等影像感測器11及12每擷取兩張影像時同步點燈，以使影像感測器11及12交互的擷取亮影像I1 (例如第3圖中未填滿的矩形，其相對應該光源13點燈)及暗影像I2 (例如第3圖中填滿的矩形，其相對應該光源13熄燈)。可以了解的是，該光源13的發光期間TL 較佳大致等於或略大於該等影像感測器11及12的影像擷取期間TS ，以使該光源13於該等影像感測器11及12擷取影像時能提供足夠的光。
接著，該處理單元14接收該等影像感測器11及12所擷取的影像後以進行處理，包括在具有相同亮度變化之兩相鄰該亮度區間中，將較晚之該亮度區間中相對應該光源點燈時所擷取之一第一影像減去較早之該亮度區間中相對應該第一影像之擷取時間所擷取之一第二影像。例如第3圖中，該處理單元14將兩相鄰第一亮度區間C1 中，影像擷取時間t1 所擷取之亮影像I1 減去影像擷取時間t1 ' 所擷取之暗影像I2 、影像擷取時間t2 所擷取之亮影像I1 減去影像擷取時間t2 ' 所擷取之暗影像I2 及影像擷取時間t4 所擷取之亮影像I1 減去影像擷取時間t4 ' 所擷取之暗影像I2 ，其中光源13於時間t1 、t2 及t4 點燈而於時間t1 ' 、t2 ' 及t4 ' 熄燈。此外，該處理單元14並將兩相鄰第二亮度區間C2 中，影像擷取時間t3 所擷取之亮影像I1 減去影像擷取時間t3 ' 所擷取之暗影像I2 ，其中光源13於時間t3 點燈而於時間t3 ' 熄燈。該處理單元14每次相減完後則可得到一物件影像，並根據兩物件影像中的影像變化以計算一位移量或一控制參數。可以了解的是，當該等影像感測器11及12在該亮度變化週期CL 的不同時間點擷取影像時，也可能在該第一亮度區間C1 擷取2張影像而在該第二亮度區間C2 擷取3張影像。
另一實施例中，當等影像感測器11及12所擷取一影像恰好位於該第一亮度區間C1 及該第二亮度區間C2 之一連接時間Tc時，本發明中該影像可選擇被歸屬於該第一亮度區間C1 或該第二亮度區間C2 。因此，該處理單元14仍能夠根據本發明之干擾消除方法計算位移量或控制參數。
請參照第4圖所示，其顯示本發明實施例之干擾消除方法之另一示意圖。此時，該等影像感測器11及12以一更高的取樣頻率擷取影像且該光源13亦相對的提高點燈頻率，例如此實施例中N=3。此實施例中，該等影像感測器11及12於該第一亮度區間C1 擷取4張影像而於該第二亮度區間C2 擷取3張影像；其他實施例中亦可相反，但同樣於每一亮度變化週期CL 均擷取奇數個影像。該光源13同樣於該等影像感測器11及12每擷取兩張影像時同步點燈，以使該等影像感測器11及12交互的擷取亮影像I1 及暗影像I2 。該處理單元14將兩相鄰第一亮度區間C1 中，影像擷取時間t1 所擷取之亮影像I1 減去影像擷取時間t1 ' 所擷取之暗影像I2 、影像擷取時間t2 所擷取之亮影像I1 減去影像擷取時間t2 ' 所擷取之暗影像I2 、影像擷取時間t5 所擷取之亮影像I1 減去影像擷取時間t5 ' 所擷取之暗影像I2 及影像擷取時間t6 所擷取之亮影像I1 減去影像擷取時間t6 ' 所擷取之暗影像I2 。此外，該處理單元14將兩相鄰第二亮度區間C2 中，影像擷取時間t3 所擷取之亮影像I1 減去影像擷取時間t3 ' 所擷取之暗影像I2 及影像擷取時間t4 所擷取之亮影像I1 減去影像擷取時間t4 ' 所擷取之暗影像I2 。同理，處理單元14每次相減完後可得到一物件影像，並根據兩物件影像中的影像變化計算一位移量或一控制參數。
此外，該影像系統1另包含一儲存單元(未繪示)暫存該等影像感測器11及12擷取一目前影像時相對應亮度變化週期CL 之前一亮度變化週期所擷取之部分影像。例如當該等影像感測器11及12於時間t1 擷取影像時，該儲存單元至少儲存該時間t1 前一個亮度變化週期CL (包含第一亮度區間C1 及第二亮度區間C2 )所擷取的暗影像，第3圖中例如為3張影像而第4圖中例如為4張影像，但其他實施例中該儲存單元亦可儲存該時間t1 前一個亮度變化週期CL 所擷取的所有影像。該儲存單元例如可為圖框緩衝器(frame buffer)，其可設置於該處理單元14中或獨立於該處理單元14外。
請參照第5圖所示，其顯示本發明一實施例之干擾消除方法，包含下列步驟：利用一影像感測器以一取樣頻率於不同亮度變化之兩亮度區間分別擷取不同數目之影像(步驟S11 )；利用一光源以該取樣頻率之一半頻率同步於該取樣頻率點燈(步驟S12 )；以及在具有相同亮度變化之兩相鄰該亮度區間中，將較晚之該亮度區間中相對應該光源點燈時所擷取之一第一影像減去較早之該亮度區間中相對應該第一影像之擷取時間所擷取之一第二影像(步驟S13 )。此外，本發明實施例之干擾消除方法另包含下列步驟：根據該第一影像及該第二影像之差輸出一物件影像；以及根據兩連續輸出之該物件影像計算一位移量。本發明實施例之干擾消除方法的詳細實施方式已詳述於第3及4圖及其相關說明中，故於此不再贅述。
請參照第6圖所示，其顯示本發明另一實施例之干擾消除方法，包含下列步驟：利用一影像感測器以一取樣頻率於每一亮度變化週期擷取奇數個影像(步驟S21 )；利用一光源以該取樣頻率之一半頻率同步於該取樣頻率點燈(步驟S12 )；以及在具有相同亮度變化之兩相鄰該亮度區間中，將較晚之該亮度區間中相對應該光源點燈時所擷取之一第一影像減去較早之該亮度區間中相對應該第一影像之擷取時間所擷取之一第二影像(步驟S13 )。本實施例之實施方式類似於第5圖之實施例，故於此不再贅述。本實施例相較於前一實施例為，即使該等影像感測器11及12於該第一亮度區間C1 及該第二亮度區間C2 之連接時間Tc擷取一影像(如第3圖所示)，該處理單元14仍能據以計算位移量或控制參數。
如上所述，習知影像系統無法完全消除環境光源所造成的負面影響，特別是當環境光源具有較複雜的亮度變化時。因此，本發明另提出一種影像系統(第1圖)及其干擾消除方法(第3至6圖)，當環境光源以具有不同亮度變化之兩亮度區間變化時，仍能夠有效消除其所造成的負面影響，藉以增加系統操作的正確性。
雖然本發明已以前述實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與修改。因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
1．．．影像系統
10．．．觸控面
11、12．．．影像感測器
13．．．光源
14．．．處理單元
15．．．主機
TL ．．．光源發光期間
TS ．．．影像擷取期間
t1 ~t6 、t1 ' ~t6 ' ．．．影像擷取時間
S11 ~S13 、S21 ．．．步驟
Tc．．．亮度區間之連接時間
9．．．環境光源
91、92．．．環境光源之端部
CL ．．．亮度變化週期
C1 ．．．第一亮度區間
C2 ．．．第二亮度區間
第1圖顯示本發明實施例之影像系統之示意圖。
第2圖顯示環境光源之亮度變化之示意圖。
第3圖顯示本發明實施例之干擾消除方法之示意圖。
第4圖顯示本發明實施例之干擾消除方法之另一示意圖。
第5圖顯示本發明一實施例之干擾消除方法之流程圖。
第6圖顯示本發明另一實施例之干擾消除方法之流程圖。
1．．．影像系統
10．．．觸控面
11、12．．．影像感測器
13．．．光源
14．．．處理單元
15．．．主機
9．．．環境光源
91、92．．．環境光源之端部

Claims (15)

  1. 一種影像系統之干擾消除方法，用以消除具有一亮度變化週期之環境光源的影響，每一該亮度變化週期具有不同亮度變化之兩亮度區間，該干擾消除方法包含下列步驟：利用一影像感測器以一取樣頻率於不同亮度變化之兩相鄰亮度區間分別擷取不同數目之影像；利用一系統光源以該取樣頻率之一半頻率同步於該取樣頻率點燈；及在具有相同亮度變化之兩相鄰亮度區間中，將較晚之該亮度區間中相對應該系統光源點燈時所擷取之一第一影像減去較早之該亮度區間中相對應該第一影像之擷取時間所擷取之一第二影像。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之干擾消除方法，其中該取樣頻率為該亮度變化週期倒數的(2N+1)倍，N為大於等於1的正整數。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之干擾消除方法，其中不同亮度變化之該亮度區間擷取之影像數目相差1。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之干擾消除方法，另包含下列步驟：根據該第一影像及該第二影像之差輸出一物件 根據兩連續輸出之該物件影像計算一位移量。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之干擾消除方法，其中該第二影像被擷取時，該系統光源熄燈。
  6. 一種影像系統，用以消除具有一亮度變化週期之環境光源的影響，每一該亮度變化週期具有不同亮度變化之兩亮度區間，該影像系統包含：至少一影像感測器，以一取樣頻率於不同亮度變化之兩相鄰亮度區間分別擷取不同數目之影像；一系統光源，以該取樣頻率之一半頻率同步於該取樣頻率點燈；及一處理單元，在具有相同亮度變化之兩相鄰亮度區間中，將較晚之該亮度區間中相對應該系統光源點燈時所擷取之一第一影像減去較早之該亮度區間中相對應該第一影像之擷取時間所擷取之一第二影像。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之影像系統，其中該取樣頻率為該亮度變化週期倒數的(2N+1)倍，N為大於等於1的正整數。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之影像系統，其中不同亮度變化之該等亮度區間中擷取之影像數目相差1。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之影像系統，其中該處理單元另根據兩連續之該第一影像及該第二影像之差計算一位移量。
  10. 如申請專利範圍第6項所述之影像系統，另包含一儲存單元暫存該影像感測器擷取一目前影像時相對應亮度變化週期之前一亮度變化週期所擷取之部分影像。
  11. 如申請專利範圍第6項所述之影像系統，其中當該影像感測器擷取該第二影像時，該系統光源熄燈。
  12. 如申請專利範圍第6項所述之影像系統，其為一光學觸控系統。
  13. 如申請專利範圍第6項所述之影像系統，其中該亮度變化週期為1/50秒或1/60秒。
  14. 一種影像系統之干擾消除方法，用以消除具有一亮度變化週期之環境光源的影響，每一該亮度變化週期具有不同亮度變化之兩亮度區間，該干擾消除方法包含下列步驟：利用一影像感測器以一取樣頻率於每一該亮度變化週期擷取奇數個影像；利用一系統光源以該取樣頻率之一半頻率同步於該取樣頻率點燈；及 在具有相同亮度變化之兩相鄰亮度區間中，將較晚之該亮度區間中相對應該系統光源點燈時所擷取之一第一影像減去較早之該亮度區間中相對應該第一影像之擷取時間所擷取之一第二影像。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之干擾消除方法，其中當該影像感測器於一亮度變化週期之兩亮度區間之一連接時間擷取一影像時，該影像歸屬為較早之該亮度區間被擷取之影像或歸屬為較晚之該亮度區間被擷取之影像。
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