TWI452322B - 使用聲波測量物體空間位置的方法及系統 - Google Patents

Description

使用聲波測量物體空間位置的方法及系統

本發明是有關於一種測量物體空間位置的方法及系統，且特別是有關於一種使用聲波測量物體空間位置的方法及系統。

傳統的電容式、電阻式以及表面聲波觸控技術等，只能對於位處螢幕表面的觸控進行偵測，且因為電子元件良率的限制，在大面積觸控的應用上會倒置成本快速上升。另一種運用深度攝影機進行位置判斷的技術則因光學限制之故，僅能在30公分以外才有效，並不適於近距離的觸控應用；此外因為攝影機視角問題，在大面積觸控時所能涵蓋的區域偏小，故同樣不適於大面積觸控的應用。

有鑑於此，一種被稱為脈波-迴聲超音波(pulse-echo ultrasound)的技術便開始被使用於近距離且大面積的觸控環境上。此種技術是根據聲音傳遞的速度來計算待測物體與感應器之間的距離，然後透過幾何關係而獲知待測物體的位置。然而，欲使用此技術必須先克服兩個問題：其一是需要知道聲音速度的大小，但因為聲音速度會隨著溫度與濕度而有所改變，所以必須隨時校正才能維持精準度；其二是如何利用反射時間資訊來計算待測物體的三度空間座標，亦即，用來計算待測物體三度空間座標的計算方式的複雜度將很大程度的影響到物體偵測的運作流暢程度。

本發明的目的之一就是在提供一種使用聲波測量物體空間位置的方法與系統，其不需要確認聲音速度即可進行物體位置的量測。

本發明提出一種使用聲波測量物體空間位置的方法，其適於使用一個聲波收發裝置及多個聲波接收裝置以測量指示物品的位置。此方法先取得聲波收發裝置至每一聲波接收裝置之間的相對位置，並取得對應於從聲波收發裝置發出聲波，直至由聲波收發裝置與由聲波接收裝置接收到從指示物品反射而回的反射聲波之間所需的反射時間，之後再利用所取得的相對位置與反射時間來計算指示物品的位置。

本發明還提出一種使用聲波測量物體空間位置的系統，此系統用於測量指示物品的位置，並包括聲波生發裝置、第一與第二聲波接收裝置、記錄元件以及計算單元。其中，聲波收發裝置發出聲波至指示物品，並接收因聲波從指示物品反射而回所產生的第一聲波反射訊號。第一與第二聲波接收裝置分別接收因為前述聲波從指示物品反射而回所產生的第二與第三聲波反射訊號。記錄元件記錄第一聲波接收裝置與聲波收發裝置之間的第一相對位置資訊，並記錄第二聲波接收裝置與聲波收發裝置之間的第二相對位置資訊。計算單元根據從聲波收發裝置從發出聲波至聲波收發裝置本身接收到第一聲波反射訊號所需的第一反射時間、從聲波收發裝置發出聲波至第一聲波接收裝置接收第二聲波反射訊號所需的第二反射時間、從聲波收發裝置發出聲波至第二聲波接收裝置接收第三聲波反射訊號所需的第三反射時間、第一相對位置資訊以及第二相對位置資訊，以計算指示物品的位置。

本發明預先記錄聲波收、發元件之間的相對位置做為計算 指示物品時的參數，再配合各反射時間以及對應的空間幾何關係，如此就可以在沒有確切的聲速資料的情況下計算出指示物品的空間位置。

為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

請參照圖1，其為根據本發明一實施例的系統方塊圖。如圖1所示，在本實施例中，使用聲波測量物體空間位置的系統10包括了聲波收發裝置110、聲波接收裝置120、122與124、記錄元件130以及計算單元140。雖然這些裝置與元件在本實施例中被設置在面板100的四週或其內部，但這並非唯一的設計方式。例如，面板100本身可以只是一個用於顯示而沒有觸控功能的螢幕，或者可以是一塊用於塗寫字畫的板子。當然，記錄元件130與計算單元140等可以不被設置在螢幕或板子之內，而是獨立在外並以能溝通資料的方式與聲波收發裝置110及聲波接收裝置120、122與124等相互耦接。

在圖1所示的實施例中，聲波收發裝置110會發出聲波以便後續量測操作的進行。由聲波收發裝置110所發出的聲波在碰撞到指示物品15之後會四散反射至各處，而從指示物品15反射而回的聲波中的一部分則會分別被聲波收發裝置110本身以及聲波接收裝置120、122與124所接收。這些被接收的反射聲波(後稱為聲波反射訊號)的接收時間點與原本發出聲波的時間點之間的差異，會被傳送到記錄元件130或直接傳送到計算單元140，以使計算單元140能配合記錄元件130所儲存之聲波收發裝置110與聲波接收裝置120、122與124間的 相對位置資訊，對指示物品15的空間位置進行計算。

請參照圖2，其為圖1所示之實施例的俯視示意圖。應注意的是，此圖僅用於表示聲波收發裝置110與聲波接收裝置120、122與124間的相對位置關係，以藉此讓此技術領域者知悉何謂前述的相對位置資訊，但並不以此代表這些裝置的實際長度與形狀。

如圖2所示，此實施例係以聲波收發裝置110為原點，並以聲波接收裝置120相對於聲波收發裝置110在X軸上的位移量為h ₁ ，在Y軸與在Z軸上的位移量因為其值為0，所以沒有標示出來；以聲波接收裝置122相對於聲波收發裝置110在X軸上的位移量為h ₂ ，在Y軸與在Z軸上的位移量因為其值為0，所以沒有標示出來；並以聲波接收裝置124相對於聲波收發裝置110在X軸上的位移量為h ₃ ，在Y軸上的位移量為h ₄ ，在Z軸上的位移量因為其值為0，所以沒有標示出來。所述各軸上的位移量會被儲存在記錄元件130之中，以備後續計算時使用。

請參照圖3，其為根據本發明一實施例的施行步驟流程圖。為方便說明，請一併參照圖1。在本實施例中，首先自記錄元件130中取得先前儲存的各個相對位置資訊(步驟S300)；並在聲波收發裝置110與聲波接收裝置120、122與124等各自收到聲波反射訊號之後，計算收到聲波反射訊號的時間點與聲波收發裝置110發出聲波的時間點之間的時間差異以做為相對應的反射時間(步驟S302)。在取得相對位置資訊以及反射時間之後，這兩組參數會被提供給計算單元140以計算指示物品15的位置。

在計算指示物品15的位置時，可以考慮利用以下的方式 來進行：以X _i =[x _i y _i z _i ]^T ，i =1表示聲波收發裝置110的空間座標，i 為其他值時表示分別表示一個聲波接收裝置的空間座標。例如，可以以X ₂ 代表聲波接收裝置120的空間座標，以X ₃ 代表聲波接收裝置122的空間座標，並以X ₄ 代表聲波接收裝置124的空間座標。此外，並以τ _i 為聲波收發裝置110到第i -1個聲波接收裝置的反射時間。例如，可以i =1時(τ ₁ )表示聲波收發裝置110發出聲波到聲波收發裝置110自身收到聲波反射的反射時間，並以i =2時(τ ₂ )表示聲波收發裝置110發出聲波到聲波接收裝置120收到聲波反射的反射時間，以i =3時(τ ₃ )表示聲波收發裝置110發出聲波到聲波接收裝置122收到聲波反射的反射時間，以i =4時(τ ₄ )表示聲波收發裝置110發出聲波到聲波接收裝置124收到聲波反射的反射時間。

如此，根據聲波收發裝置110、聲波接收裝置120、122與124及指示物品15之間的幾何空間關係，可以得到以下式子：(X _i -X₁ )^T X+(v τ₁ -v τ _i )*v τ₁ /2=(1/2)*(|X _i |² -|X₁ |² +v ² τ₁ ² -v ² τ _i ² )

其中，v 為未知的聲速，X=[x y z ]^T ，代表指示物品15的空間位置。

以i 從2到4代入，則可得以下各式：

以另一種方式表示，上述各式可化整為以下式子：

如此，在上述(1)、(2)、(3)共三個式子中，總共包含了表示指示物品15的空間位置的x 、y 、z 三個未知數，以及一個代表聲速的未知數v ，總共存在有四個未知數。

設以，則可將W^* 表示為。若以為w ₁ ，為w ₂ ，為w ₃ ，則W^* 可被表示為[w ₁ w ₂ w ₃ ]^T 。為簡化前 式，同時可令w ₄ 為。如此，則可將前式(1)~(3)化為下式：

因為有4個未知數，所以上式(4)沒有唯一解。但若如圖1所示般使聲波收發裝置110與聲波接收裝置120、122與124共平面，則未知數w ₃ 的影響將會消失。換言之，可以令X₁ =[0 0]、X₂ =[-h ₁ 0]、X₃ =[h ₂ 0]以及X₄ =[h ₃ h ₄ ]，則上式(4)將降維度而成為：

若以F表示式(5)的第一個陣列、W表示式(5)的第二個陣列，並以B表示式(5)的第三個陣列，則上式可被簡單表示為：FW=B，而其解則可被表示為W=F^-1 B。

由於F中的值都是先前已知的h ₁ 、h ₂ 、h ₃ 與h ₄ 等聲波收發裝置110與聲波接收裝置120、122與124間的相對位置，因此陣列F^-1 可以在事先計算而得。據此，很容易就可以得到陣列W的解而無須對陣列F進行矩陣反轉(matrix inverse)運算，整體來說計算量是很低的。

一旦得到陣列W的解，那麼指示物品15的x 與y 座標以及當下的聲音速度都可以利用先前設定的式子反推而得，亦即：x =w ₁ /w ₄

y =w ₂ /w ₄

另外，由於聲波收發裝置110是收發共體，而指示物品15與聲波收發裝置110之間的距離為τ₁ /2w ₄ ，因此指示物品的z 軸座標可由下式計算而得：

由此，指示物品15的空間位置就可以得到確認。而使用聲波測量物體空間位置的系統10也就可以根據指示物品15的 空間位置而進行相對應的後續操作。

在一個實施例中，既然已經取得指示物品15的空間位置，那麼整個指示物品空間位置15的判斷流程就已經可以算是結束了。然而，圖3所示的實施例在取得指示物品的空間位置之後，還更進一步把先前根據同樣參數而計算獲得的w ₄ 取出，並利用w ₄ 的值而計算出目前的聲速(步驟S306)。在計算出聲速之後，此方法進一步判斷此一計算出來的聲速是否落在合理的範圍內(步驟S308)。假若所計算出來的聲速是落在合理的範圍內，那麼就表示這次計算出來的指示物品15的空間位置是合理的，於是就可以輸出指示物品15的空間位置以便後續操作之用(步驟S310)；相對的，假若所計算出來的聲速並沒有落在合理的範圍內，那麼就表示這次計算出來的指示物品15的空間位置是不合理的，於是就會捨棄此次的計算結果不用(步驟S312)。

換言之，在整個流程中，聲速並不用來計算指示物品15的空間位置，而只是被選擇性的用來確認此次計算出來的指示物品15的空間位置是否合理而已。因此，聲速並不是在計算指示物品15的空間位置時所需的必要參數，自然也就不需要在指示物品15的空間位置計算期間進行即時的更新。如此一來，就可以避免先前技術對於即時更新聲速上的需求，進而減少對應的計算步驟。

根據上述的實施例，當聲波收發裝置110與聲波接收裝置120、122與124被設置在同一個平面上的時候，就可以偵測出指示物品15的三度空間位置。然而，此時聲波收發裝置110與聲波接收裝置120、122與124不能夠排成一直線，否則前述式(5)就無法有正確解。而從另一個角度來看，若各聲波接 收裝置沒有被設置在同一個平面上，則也只需要比圖1所示的實施例增加一個聲波接收裝置就能利用前述的方法計算指示物品15的三度空間位置。

再者，假若只是要計算指示物品15的二度空間位置，那麼只需要排成一排的一個聲波收發裝置以及兩個聲波接收裝置就可以完成。計算時所使用的方程式亦如以上所述的思考流程，在此不予贅述。

綜上所述，本發明預先記錄聲波收、發元件之間的相對位置做為計算指示物品時的參數，再配合各反射時間以及對應的空間幾何關係，藉此在沒有確切的聲速資料的情況下計算出指示物品的空間位置。

雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，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。

10‧‧‧使用聲波測量物體空間位置的系統

15‧‧‧指示物品

100‧‧‧面板

110‧‧‧聲波收發裝置

120、122、124‧‧‧聲波接收裝置

130‧‧‧記錄元件

140‧‧‧計算單元

S300~S312‧‧‧本發明一實施例之施行步驟

圖1為根據本發明一實施例的系統方塊圖。

圖2為圖1所示之實施例的俯視示意圖。

圖3為根據本發明一實施例的施行步驟流程圖。

S300~S312‧‧‧本發明一實施例之施行步驟

Claims (8)

1. 一種使用聲波測量物體空間位置的系統，適於測量一指示物品的位置，該系統包括：一聲波收發裝置，用以發出一聲波至該指示物品，並接收因該聲波從該指示物品反射而回所產生的一第一聲波反射訊號；一第一聲波接收裝置，接收因該聲波從該指示物品反射而回所產生的一第二聲波反射訊號；一第二聲波接收裝置，接收因該聲波從該指示物品反射而回所產生的一第三聲波反射訊號；一記錄元件，記錄該第一聲波接收裝置與該聲波收發裝置之間的一第一相對位置資訊，以及記錄該第二聲波接收裝置與該聲波收發裝置之間的一第二相對位置資訊；以及一計算單元，根據該聲波收發裝置從發出該聲波至接收到該第一聲波反射訊號所需的一第一反射時間、從該聲波收發裝置發出該聲波至該第一聲波接收裝置接收該第二聲波反射訊號所需的一第二反射時間、從該聲波收發裝置發出該聲波至該第二聲波接收裝置接收該第三聲波反射訊號所需的一第三反射時間、該第一相對位置資訊及該第二相對位置資訊，計算該指示物品的位置；其中計算該指示物品的位置時係採用並列下列方程式以求解：(X _i -X₁ )^T X+(ντ₁ -ντ _i )*ντ₁ /2=(1/2)*(|X _i |² -|X₁ |² +ν² τ₁ ² -ν² τ _i ² )其中X _i =[x _i y _i z _i ]^T ，i =1表示該聲波收發裝置的空間座標，i 為其他值時表示分別表示該些聲波接收裝置之一的空間座 標，τ _i 為該聲波收發裝置到第i -1個聲波接收裝置的反射時間，其中i =1時表示聲波收發裝置發出聲波到聲波收發裝置自身收到聲波反射的反射時間，ν為聲速。
2. 如申請專利範圍第1項所述的系統，其中該聲波收發裝置、該第一聲波接收裝置及該第二聲波接收裝置排列在一直線上。
3. 如申請專利範圍第1項所述的系統，更包括：一第三聲波接收裝置，接收因該聲波從該指示物品反射而回所產生的一第四聲波反射訊號，其中，該記錄元件更記錄該第三聲波接收裝置與該聲波收發裝置之間的一第三相對位置資訊，且該計算單元於計算該指示物品的位置時，更進一步依據該第三相對位置資訊以及從該聲波收發裝置發出該聲波至該第二聲波接收裝置接收該第四聲波反射訊號所需的一第四反射時間以進行計算。
4. 如申請專利範圍第3項所述的系統，其中該聲波收發裝置、該第一聲波接收裝置、該第二聲波接收裝置及該第三聲波接收裝置被排列在同一平面上，但不在同一直線上。
5. 一種使用聲波測量物體空間位置的方法，適於使用一聲波收發裝置及多個聲波接收裝置以測量一指示物品的位置，該方法包括： 取得該聲波收發裝置至每一該些聲波接收裝置之間的一相對位置；取得對應於從該聲波收發裝置發出聲波，到該聲波收發裝置與到該些聲波接收裝置接收到從該指示物品反射而回的反射聲波之間所需的多個反射時間；以及利用該些相對位置與該些反射時間，計算該指示物品的位置；其中計算該指示物品的位置時係採用並列下列方程式以求解：(X _i -X₁ )^T X+(ντ₁ -ντ _i )*ντ₁ /2=(1/2)*(|X _i |² -|X₁ |² +ν² τ₁ ² -ν² τ _i ² )其中X _i =[x _i y _i z _i ]^T ，i =1表示該聲波收發裝置的空間座標，i 為其他值時表示分別表示該些聲波接收裝置之一的空間座標，τ _i 為該聲波收發裝置到第i -1個聲波接收裝置的反射時間，其中i =1時表示聲波收發裝置發出聲波到聲波收發裝置自身收到聲波反射的反射時間，ν為聲速。
6. 如申請專利範圍第5項所述的方法，其中該些聲波接收裝置被排列為在同一平面上但不在同一直線上。
7. 如申請專利範圍第5項所述的方法，其中於計算該指示物品的位置之外，更進一步計算對應的聲音速度。
8. 如申請專利範圍第7項所述的方法，其中更利用所計算出來的聲音速度以確認所計算出的該指示物品的位置是否可 用。