TWI459243B - 三維光學感測系統及遊戲機 - Google Patents

Description

三維光學感測系統及遊戲機

本發明涉及一種光學感測系統，尤其涉及一種三維光學感測系統及採用該三維光學感測系統的遊戲機。

現有的三維感測系統多採用三個線性光感測器，該系統利用一個簡單的數學觀念：三個線性獨立的平面交集為一點。利用這個觀念，將該三個線性光感測器設置於適當位置，一發光點置於空間某一位置，發光點和該發光點在每個線性光感測器所形成的像點配合透鏡光軸可產生三個線性獨立平面，計算三個線性獨立平面相交的點的座標，即可得到空間中發光點的座標位置。

然而，上述的三維感測系統需要三個光感測器，致使系統結構較複雜，且成本較高。

有鑒於此，有必要提供一種結構簡單且成本較低的三維光學感測系統及利用該三維光學感測系統的遊戲機。

一種三維光學感測系統，其包括一個紅外光感測裝置，一個球形光輸出元件及一個處理晶片。該紅外光感測裝置用於感測紅外光線，且其為一個二維感測裝置。該球形光輸出元件用於輸出一紅外光至該紅外光感測裝置，並在該紅外光感測裝置內形成一個與 該球形光輸出元件的輪廓相對應的感測區域。該處理晶片存儲有該圓形感測區域的尺寸和球形光輸出元件與紅外光感測裝置的距離的對應關係的資訊，該處理晶片與該紅外光感測裝置電連接，該處理晶片用於接收包括有與該球形光輸出元件相對應的圓形感測區域的感測訊號，計算該圓形感測區域的位置及尺寸，並根據該圓形感測區域的位置及尺寸分析計算該球形光輸出元件與該紅外光感測裝置的相對位置關係。

一種遊戲機，其包括一上述的三維光學感測系統、與該三維光學感測系統的電連接的遊戲機主機及與該遊戲機主機電連接的顯示螢幕。該三維光學感測系統用於完成該遊戲機主機發出的操作控制指令。

所述的三維光學感測系統中的光感測裝置僅包括一個二維光感測裝置，與先前技術的三個線性光感測器相比，其結構簡單，且成本較低。

所述的遊戲機由於利用了上述的三維光學感測系統，因此具有結構簡單，且成本較低的優點。

100、200‧‧‧三維光學感測系統

12‧‧‧光感測裝置

14‧‧‧紅外發光元件

16‧‧‧待感測元件

18‧‧‧處理晶片

122‧‧‧進光口

162‧‧‧球形反射體

164‧‧‧握持部

262‧‧‧球形發光元件

300‧‧‧遊戲機

32‧‧‧遊戲機主機

34‧‧‧顯示螢幕

36‧‧‧數據線

圖1係本發明第一實施例三維光學感測系統的立體示意圖。

圖2係利用圖1中的三維光學感測系統進行光學感測的原理示意圖。

圖3係本發明第二實施例三維光學感測系統的立體示意圖。

圖4係本發明第三實施例的遊戲機的示意圖。

下面將結合附圖對本發明作進一步詳細說明。

請參閱圖1，本發明第一實施提供一種三維光學感測系統100，其包括一個光感測裝置12，一個紅外發光元件14、一個待感測元件16以及一個處理晶片18。

該光感測裝置12具有進光口122，外界光線從該進光口122進入該光感測裝置12內。該光感測裝置12為一紅外光感測裝置，用於對進入其內的紅外光進行感測。本實施例中，該光感測裝置12為二維感測裝置，其內包括一個由二維行列式排列的複數光感測單元形成的感測晶片(圖未示)。

該紅外發光元件14與該光感測裝置12相鄰設置，且該紅外發光元件14的出光方向與該光感測裝置12的進光口122位於同一側。該紅外發光元件14可以為紅外發光二極體。

該待感測元件16用於將紅外發光元件14發出的光反射至該光感測裝置12。該待感測元件16包括一個球形反射體162及一個與該反射體162連接固定的握持部164。該球形反射體162的球形外表面為粗糙面，以將光線散射，當紅外發光元件14發出的光照射至球形反射體162表面時，使球形反射體162輪廓線附近也有光線被反射至該光感測裝置12。如此，可使反射體162反射之光線進入該光感測裝置12後所形成的圖像對應球形反射體162的圓形輪廓。

該握持部164為柱狀等適於操作者握持的形狀，且優選其表面為粗糙表面，以便於手的握持。該握持部164的材料為吸光材料，以防止其反射來自紅外發光元件14的光線至該光感測裝置12，以保證光感測的精確性。優選地，該握持部164的徑向最大寬度遠 遠小於該反射體162的直徑，如握持部164的徑向最大寬度可以為反射體162直徑的三分之一至十分之一。需要說明的係，所述徑向最大寬度表示，以與握持部164徑向方向平行的任意直線去截該握持部164，被握持部164所截得到的最長線段的長度。

該處理晶片18與該光感測裝置12電連接。定義一個三維坐標系X-Y-Z，其中X軸方向及Y軸方向分別相互垂直且分別平行於上述光感測裝置12的感測單元排列方向的行和列，Z軸垂直於X軸及Y軸。當待測元件16位於與光感測裝置12相對的某處時，待測元件16與光感測裝置12的連線與Z軸具有一夾角，該處理晶片18的作用之一為根據球形反射體162在光感測裝置12的感測晶片內成像的位置相對於該感測晶片的中心的偏移量，計算上述連線在X-Z平面的投影與Z軸的夾角及上述連線在Y-Z平面內的投影與Z軸的夾角。

另外，處理晶片18內存儲有球形反射體162成像尺寸資訊和球形反射體162與光感測裝置12的距離的對應關係資訊，處理晶片18的另一作用為根據球形反射體162在該感測晶片內成像的尺寸及上述成像尺寸與距離的對應關係，得到球形反射體162與光感測裝置12的距離。根據上述球形反射體162在光感測裝置12的感測晶片內成像的位置與感測晶片的中心相對偏移量以及球形反射體162與光感測裝置12的距離，可以計算得出待感測元件16的球形反射體162與光感測裝置12的空間相對位置關係。

請參閱圖1和圖2，利用該三維光學感測系統100進行三維位置感測的過程如下：首先，將球形反射體162置於與光感測裝置12的進光口122相對的 位置，本實施例中，光感測裝置12的感測晶片的解析度為640×480，即光感測裝置12包括640×480個光感測單元，每個光感測單元的寬度為2微米(micron,μm)。如圖2所示，光感測裝置12的光軸為O，光感測裝置12的視場角度θ為53.13°。

其次，如圖2所示，紅外發光元件14發出紅外光，球形反射體162反射該紅外光線至該光感測裝置12，由該光感測裝置12的感測晶片進行感測。由於球形從各個方向觀察，其輪廓均為大小相同的圓形，因此，由該球形反射體162反射的紅外光線進入光感測裝置12後，在該光感測裝置12的感測晶片內形成一與該球形反射體162的輪廓線所限定的圓形區域相對應的感測區域，因為光感測裝置12的進光口122與感測晶片的距離為毫米量級，當球形反射體162與光感測裝置12的距離遠遠進光口122與感測晶片的距離，如大於1米時，該球形反射體162反射的光線被光感測裝置12的感測晶片所感測所形成的感測區域的形狀均可等價於圓形。處理晶片18根據該圓形感測區域在該感測晶片上的位置，該位置即該圓形感測區域的中心位置相對於該感測晶片的中心的偏移量，計算得出該圓形感測區域的中心和球形反射體162中心連線在X-Z平面內的投影L與Z軸的夾角θ 1，以及該圓形感測區域的中心和球形反射體162中心連線在Y-Z平面內的投影與Z軸的夾角(圖未示)。上述夾角可根據該圓形感測區域的中心相對於該感測晶片的中心的偏移量來確定，因為上述夾角與上述偏移量具有一一對應關係。

然後，處理晶片18根據其內存儲的球形反射體162成像尺寸資訊和球形反射體162與光感測裝置12的距離的對應關係資訊，得出 球形反射體162與光感測裝置12之間的距離。本實施例中，以反射體162成像所占光感測單元數對應於反射體162的尺寸資訊，反射體162成像所占光感測單元數與該光感測裝置12和反射體162之間的距離的對應關係具有一定精度。例如：當反射體162的直徑為3釐米(centimeter,cm)，反射體162與光感測裝置12之間的距離為3米(meter,m)時，對應光感測裝置12的光感測單元數為8個，距離為2.7m時，對應光感測單元數為9個，如此，則本實施例中，當球形反射體162的直徑為3cm時，反射體與光感測裝置12之間的距離約3m處的感測精度約為0.3米，反射體與光感測裝置12之間的距離越近，球形反射體162的直徑越大，感測精度越高。

最後，結合上述圓形感測區域的中心和球形反射體162中心連線分別在X-Z平面和Y-Z平面的投影與Z軸的夾角，得出該球形反射體162與該光感測裝置12的之間的相對位置關係。如此，則本實施例的三維光學感測系統100可在一定精度範圍內感測球形反射體162在三維空間內的運動。

請參閱圖3，本發明第二實施例提供一種三維光學感測系統200。本實施例的三維光學感測系統200與第一實施例的三維光學感測系統100相類似，不同之處在於，本實施例採用一球形發光元件262取代第一實施例的球形反射體162，省略了第一實施例的紅外發光元件14。該球形發光元件262用於發出紅外光至光感測裝置12，並在光感測裝置12的感測晶片上形成與球形發光元件262的輪廓所限定的圓形相對應的圓形感測區域。本實施例的三維光學感測系統200進行三維位置感測的原理與第一實施例的感測原理 相類似，這裏不再贅述。

請參閱圖4，本發明第三實施例提供一種遊戲機300。該遊戲機300包括一個如第一實施例項所述之三維光學感測系統100、一遊戲機主機32及一顯示螢幕34。該遊戲機主機32通過數據線36與該三維光學感測系統100的處理晶片18電連接。當揮動該三維光學感測系統100的待感測元件16時，光感測裝置感測到待感測元件16在三維空間內發生的位置變化，如設定不同的位置變化與遊戲機主機32發出的各種指令相對應，則可實現對遊戲機300的操作控制。如對顯示螢幕34所顯示的遊戲場景中的人物或物體的動作進行操作控制。可以理解，該三維光學感測系統100也可以為第二實施例的三維光學感測系統200所取代。

可以理解，該遊戲機主機32也可以與顯示螢幕34製作為一體。另外，另外，該處理晶片18也可以安裝於遊戲機主體32內，並不限於本實施例。

綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施方式，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡熟悉本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。

100‧‧‧三維光學感測系統

12‧‧‧光感測裝置

14‧‧‧紅外發光元件

16‧‧‧待感測元件

18‧‧‧處理晶片

122‧‧‧進光口

162‧‧‧球形反射體

164‧‧‧握持部

Claims (6)

1. 一種三維光學感測系統，其包括：一個紅外光感測裝置，用於感測紅外光線，該紅外光感測裝置為一個二維感測裝置；一個球形光輸出元件，用於輸出一紅外光至該紅外光感測裝置，並在該紅外光感測裝置內形成一個與該球形光輸出元件的輪廓相對應的圓形感測區域；及一個處理晶片，該處理晶片存儲有該圓形感測區域的尺寸和該球形光輸出元件與紅外光感測裝置的距離的對應關係的資訊，該處理晶片與該紅外光感測裝置電連接，該處理晶片用於接收包括有與該球形光輸出元件相對應的圓形感測區域的感測訊號，計算該圓形感測區域的位置及尺寸，並根據該圓形感測區域的位置及尺寸分析計算該球形光輸出元件與該紅外光感測裝置的相對位置關係；該三維光學感測系統進一步包括一紅外發光元件，該球形光輸出元件為一球形反射體，該球形反射體的外表面為粗糙散射面，該紅外發光元件用於發出紅外光線至該球形反射體的外表面，從而由該球形反射體的外表面反射輸出紅外光線至該紅外光感測裝置；該三維光學感測系統還進一步包括一桿形握持部，該桿形握持部的一端與該球形反射體連接固定，該桿形握持部用於手的握持，以便於移動該球形反射體；該桿形握持部的材料為吸光材料。
2. 如申請專利範圍第1項所述之三維光學感測系統，其中，該球形光輸出元件為一球形紅外發光元件，用於發出光線至該紅外光感測裝置。
3. 如申請專利範圍第1項所述之三維光學感測系統，其中，該桿形握持部的最大徑向寬度係球形反射體的直徑的三分之一至十分之一。
4. 如申請專利範圍第2項所述之三維光學感測系統，其中，該三維光學感測系統進一步包括一桿形握持部，該桿形握持部的一端與該球形紅外發光元件連接固定，該桿形握持部用於手的握持，以便於移動該球形紅外發光元件。
5. 如申請專利範圍第4項所述之三維光學感測系統，其中，該桿形握持部的最大徑向寬度係球形紅外發光元件的直徑的三分之一至十分之一。
6. 一種遊戲機，其包括一如申請專利範圍第1至5項任一項所述之三維光學感測系統、與該三維光學感測系統電連接的遊戲機主機及與該遊戲機主機電連接的顯示螢幕，該三維光學感測系統用於完成該遊戲機主機發出的操作控制指令。