TWI471764B - 座標感測系統、座標感測方法及顯示系統 - Google Patents

座標感測系統、座標感測方法及顯示系統 Download PDF

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TWI471764B TW101105443A TW101105443A TWI471764B TW I471764 B TWI471764 B TW I471764B TW 101105443 A TW101105443 A TW 101105443A TW 101105443 A TW101105443 A TW 101105443A TW I471764 B TWI471764 B TW I471764B
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Description

座標感測系統、座標感測方法及顯示系統
本發明關於一種座標感測系統及座標感測方法，尤指一種利用方向感測器以及至少一磁感測器來感測磁性件位於空間中的三維座標之座標感測系統及座標感測方法。特別地，上述之座標感測系統及座標感測方法可應用於顯示系統中。
隨著體感控制的運用越來越普及，未來更有可能改變現有的操作模式，其中手勢的應用最為廣泛。欲準確地判斷出使用者於空間中所操作的手勢，就必須準確地計算出使用者用來呈現手勢的物件(例如，簡報筆、遊戲搖桿、遙控器等)位於空間中的三維座標。於先前技術中，用來感測物件位於空間中的三維座標之方法大多是利用攝影機擷取使用者的影像，再對所擷取的影像進行分析。此方法的缺點在於需使用解析度較高的攝影機來取像，並且需搭配複雜的影像處理演算法。影像處理演算法愈複雜，則需動用更高階之運算處理器。此會增加對應的電子產品之生產成本。
因此，本發明的目的之一在於提供一種座標感測系統及座標感測方法，其利用方向感測器以及至少一磁感測器來感測磁性件位於空間中的三維座標，以解決上述問題。
本發明的另一目的在於提供一種應用上述之座標感測系統及座標感測方法之顯示系統。
根據一實施例，本發明之座標感測系統包含一磁性件、一方向感測器、一第一磁感測器以及一處理器，其中處理器與方向感測器形成通訊且電性連接於第一磁感測器。磁性件具有一磁偶極矩。方向感測器用以感測磁性件之一磁偶極矩方向。第一磁感測器用以感測磁性件之一第一磁場。處理器用以根據磁偶極矩大小、磁偶極矩方向以及第一磁場計算磁性件與第一磁感測器之一第一距離以及第一距離之方向，並且根據第一距離以及第一距離之方向計算磁性件之一座標。
根據另一實施例，本發明之座標感測方法包含：利用一方向感測器感測一磁性件之一磁偶極矩方向，其中磁性件具有一磁偶極矩；利用一第一磁感測器感測磁性件之一第一磁場；根據磁偶極矩大小、磁偶極矩方向以及第一磁場計算磁性件與第一磁感測器之一第一距離以及第一距離之方向；以及根據第一距離以及第一距離之方向計算磁性件之一座標。
根據另一實施例，本發明之顯示系統包含一顯示裝置以及一座標感測系統。顯示裝置用以顯示一物件。座標感測系統包含一手持式物件以及一座標感測裝置。手持式物件包含一磁性件以及一方向感測器。磁性件具有一磁偶極矩。方向感測器用以感測磁性件之一磁偶極矩方向。座標感測裝置包含一通訊模組、一第一磁感測器以及一處理器，其中處理器電性連接於通訊模組及第一磁感測器。通訊模組用以與顯示裝置及方向感測器形成通訊。第一磁感測器用以感測磁性件之一第一磁場。處理器用以根據磁偶極矩大小、磁偶極矩方向以及第一磁場計算磁性件與第一磁感測器之一第一距離以及第一距離之方向，並且根據第一距離以及第一距離之方向計算磁性件之一座標。處理器通過通訊模組將磁性件之座標傳送至顯示裝置。顯示裝置根據磁性件之座標控制物件。
綜上所述，本發明之座標感測系統及座標感測方法係利用方向感測器以及至少一磁感測器來感測磁性件位於空間中的三維座標。於實際應用中，可將磁性件與方向感測器設置於簡報筆、遊戲搖桿、遙控器等手持式物件中，以供使用者操作手勢，進而控制對應的電子裝置(例如，顯示裝置)執行特定的功能(例如，橡皮擦功能、手掌功能、3D繪圖功能、手寫輸入功能、游標移動功能等)。
關於本發明之優點與精神可以藉由以下的發明詳述及所附圖式得到進一步的瞭解。
請參閱第1圖，第1圖為磁性件10相對磁感測器12位於空間中任意點P的示意圖。如第1圖所示，磁性件10位於P點，且以磁感測器12所在位置O為座標原點，其中為磁性件10於P點之磁偶極矩且磁偶極矩與直角座標之z座標軸同向，為磁感測器12感測到磁性件10對O點所造成之磁場，Bx 、By 、Bz 為磁場於x、y、z座標軸之分量，r為磁性件10與磁感測器12之距離，θ為距離r與z座標軸之夾角(亦即，磁偶極矩與徑向之間的夾角)。因此，磁感測器12感測到磁性件10對O點所造成之磁場可以極座標表示為如下之公式一。
其中為x、y、z座標軸之單位向量，μ0 為空氣中的介電常數，為距離r之單位向量(P點指向O點之方向)。
磁場於z座標軸之分量可表示為如下之公式二。
由公式二可得到如下之公式三。
在磁學理論中，磁場可以極座標表示為如下之公式四。
由公式三以及公式四可得到如下之公式五。
令R =代入公式五且取平方，可得到如下之公式六與公式七。
負不合，因此可由公式七得到如下之公式八。
以下將利用上述之公式一與公式八來說明本發明之技術特點。
請參閱第2圖以及第3圖，第2圖為根據本發明一實施例之顯示系統3的示意圖，第3圖為第2圖中的顯示系統3的功能方塊圖。如第2圖與第3圖所示，顯示系統3包含一顯示裝置30以及一座標感測系統32。顯示裝置30用以顯示一物件300(例如，游標)。座標感測系統32包含一手持式物件320以及一座標感測裝置322。手持式物件320包含一磁性件3200以及一方向感測器3202。座標感測裝置322包含一通訊模組3220、一第一磁感測器3222、一處理器3224以及一殼體3226。通訊模組3220、第一磁感測器3222以及處理器3224皆設置於殼體3226中。處理器3224電性連接於通訊模組3220與第一磁感測器3222。通訊模組3220可以有線或無線的方式與顯示裝置30及方向感測器3202形成通訊，其中有線或無線的通訊方式可由習知技藝之人輕易達成，在此不再贅述。於實際應用中，顯示裝置30可為液晶顯示器、智慧型電視、投影機或其它具有顯示功能之電子裝置；手持式物件320可為簡報筆、遊戲搖桿、遙控器或其它可供使用者操作之物件；磁性件3200可為磁鐵或其它具有磁偶極矩之物件；方向感測器3202可為陀螺儀或其它方向感測器；第一磁感測器3222可為三軸磁感測器(例如，霍爾感測器)或其它磁感測器；處理器3224可為具有資料處理功能之處理器或控制器。
於此實施例中，磁性件3200具有一磁偶極矩。方向感測器3202用以感測磁性件3200之一磁偶極矩方向，並且將感測到的磁偶極矩方向通過通訊模組3220傳送至處理器3224。第一磁感測器3222用以感測磁性件3200之一第一磁場，並且將感測到的第一磁場傳送至處理器3224。接著，套用上述之公式一與公式八，處理器3224即可根據磁偶極矩大小m、磁偶極矩方向以及第一磁場計算磁性件3200與第一磁感測器3222之一第一距離r1 以及第一距離r1 之方向。接著，以第一磁感測器3222為座標原點，處理器3224即可根據第一距離r1 以及第一距離r1 之方向計算磁性件3200之一座標。接著，處理器3224即可通過通訊模組3220將磁性件3200之座標傳送至顯示裝置30。接著，顯示裝置30即可根據磁性件3200之座標控制物件300執行特定功能。
請參閱第4圖，第4圖為磁性件3200之磁偶極矩與一直角座標之z座標軸同向的示意圖。如第4圖所示，當磁性件3200之磁偶極矩與一直角座標之z座標軸同向時，方向感測器3202可為一二軸陀螺儀或其它二軸方向感測器。需說明的是，上述之z座標軸亦可為x座標軸或y座標軸。此外，當磁性件3200之磁偶極矩不與直角座標之任一座標軸同向時，方向感測器3202需為一三軸陀螺儀或其它三軸方向感測器。
請參閱第5圖，第5圖為座標感測系統32用以控制顯示裝置30執行特定功能的示意圖。如第5圖所示，可於殼體3226上定義一指示平面3228。在處理器3224計算出磁性件3200之座標後，處理器3224可通過通訊模組3220將磁性件3200之座標與磁偶極矩方向傳送至顯示裝置30。顯示裝置30即會根據磁性件3200之座標與磁偶極矩方向執行一預定功能。舉例而言，當使用者操作手持式物件320使磁性件3200之一端E1朝向指示平面3228時(亦即，磁偶極矩朝向指示平面3228)，顯示裝置30即會根據磁性件3200之座標執行預定功能，例如第5圖(A)所示之橡皮擦功能、第5圖(B)所示之手掌功能或第5圖(C)所示之3D繪圖功能。需說明的是，當磁性件3200之一端E1朝向指示平面3228時，顯示裝置30所執行之預定功能可根據實際應用而設計並且可由使用者自行設定，不以第5圖所繪示之實施例為限。
請參閱第6圖，第6圖為座標感測系統32用以控制顯示裝置30執行特定功能的另一示意圖。如第6圖(A)所示，當使用者操作手持式物件320使磁性件3200之一端E2朝向指示平面3228(亦即，磁偶極矩背離指示平面3228)，且此端E2與指示平面3228間之距離d1小於一第一臨界值時(例如，d1小於3公分)，顯示裝置30即會根據磁性件3200之座標執行預定功能，例如手寫輸入功能。如第6圖(B)所示，當使用者操作手持式物件320使磁性件3200之一端E2與指示平面3228間之距離d2大於一第二臨界值時(例如，d2大於5公分)，顯示裝置30即會根據磁性件3200之座標執行預定功能，例如游標移動功能。如第6圖(C)所示，當使用者操作手持式物件320使磁性件3200之一端E2與指示平面3228間之距離d3大於一第三臨界值時(例如，d3大於10公分)，第一磁感測器3222無法感測到磁性件3200，因此顯示裝置30即處於閒置狀態。需說明的是，當磁性件3200之一端E2朝向指示平面3228時，顯示裝置30所執行之預定功能可根據實際應用而設計並且可由使用者自行設定，不以第6圖所繪示之實施例為限。
請參閱第7圖，第7圖為根據本發明一實施例之座標感測方法的流程圖。第7圖中的座標感測方法可利用上述之座標感測系統32與顯示裝置30來實現。首先，執行步驟S100，利用方向感測器3202感測磁性件3200之磁偶極矩方向。同時，執行步驟S102，利用第一磁感測器3222感測磁性件3200之第一磁場。接著，執行步驟S104，根據磁偶極矩大小m、磁偶極矩方向以及第一磁場計算磁性件3200與第一磁感測器3222之第一距離r1 以及第一距離r1 之方向。接著，執行步驟S106，根據第一距離r1 以及第一距離r1 之方向計算磁性件3200之座標。接著，執行步驟S108，將磁性件3200之座標與磁偶極矩方向傳送至顯示裝置30。最後，執行步驟S110，根據磁性件3200之座標與磁偶極矩方向於顯示裝置30執行預定功能。需說明的是，預定功能之實施例係如上所述，在此不再贅述。
請參閱第8圖以及第9圖，第8圖為根據本發明另一實施例之顯示系統3'的示意圖，第9圖為第8圖中的顯示系統3'的功能方塊圖。顯示系統3'與上述之顯示系統3的主要不同之處在於，顯示系統3'之座標感測系統32'之座標感測裝置322'另包含一第二磁感測器3230，設置於殼體3226中且電性連接於處理器3224。於實際應用中，第二磁感測器3230可為三軸磁感測器(例如，霍爾感測器)或其它磁感測器。需說明的是，第8、9圖中與第2、3圖中所示相同標號的元件，其作用原理大致相同，在此不再贅述。
第二磁感測器3230用以感測磁性件3200之一第二磁場，並且將感測到的第二磁場傳送至處理器3224。接著，套用上述之公式一與公式八，處理器3224即可根據磁偶極矩大小m、磁偶極矩方向以及第二磁場計算磁性件3200與第二磁感測器3230之一第二距離r2 以及第二距離r2 之方向。接著，以第二磁感測器3230為座標原點，處理器3224即可根據第一距離r2 以及第二距離r2 之方向計算磁性件3200之座標。換言之，本發明可利用另一磁感測器來輔助計算磁性件3200之座標，以增加座標感測的精準度。
相較於先前技術，本發明之座標感測系統及座標感測方法係利用方向感測器以及至少一磁感測器來感測磁性件位於空間中的三維座標。於實際應用中，可將磁性件與方向感測器設置於簡報筆、遊戲搖桿、遙控器等手持式物件中，以供使用者操作手勢，進而控制對應的電子裝置(例如，顯示裝置)執行特定的功能(例如，橡皮擦功能、手掌功能、3D繪圖功能、手寫輸入功能、游標移動功能等)。
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。
3、3'．．．顯示系統
10、3200．．．磁性件
12．．．磁感測器
30．．．顯示裝置
32、32'．．．座標感測系統
300．．．物件
320．．．手持式物件
322、322'．．．座標感測裝置
3202．．．方向感測器
3220．．．通訊模組
3222．．．第一磁感測器
3224．．．處理器
3226．．．殼體
3228．．．指示平面
3230．．．第二磁感測器
E1、E2．．．端
．．．磁偶極矩
P、O．．．點
r．．．距離
r1 ．．．第一距離
r2 ．．．第二距離
θ．．．夾角
．．．磁場
．．．第一磁場
．．．第二磁場
x、y、z．．．座標軸
Bx 、By 、Bz ．．．磁場分量
S100-S110．．．步驟
第1圖為磁性件相對磁感測器位於空間中任意點的示意圖。
第2圖為根據本發明一實施例之顯示系統的示意圖。
第3圖為第2圖中的顯示系統的功能方塊圖。
第4圖為磁性件之磁偶極矩方向與一直角座標之座標軸同向的示意圖。
第5圖為座標感測系統用以控制顯示裝置執行特定功能的示意圖。
第6圖為座標感測系統用以控制顯示裝置執行特定功能的另一示意圖。
第7圖為根據本發明一實施例之座標感測方法的流程圖。
第8圖為根據本發明另一實施例之顯示系統的示意圖。
第9圖為第8圖中的顯示系統的功能方塊圖。
3．．．顯示系統
30．．．顯示裝置
32．．．座標感測系統
300．．．物件
320．．．手持式物件
322．．．座標感測裝置
3200．．．磁性件
3202．．．方向感測器
3222．．．第一磁感測器
3226．．．殼體
3228．．．指示平面
．．．磁偶極矩
r1 ．．．第一距離
．．．第一磁場

Claims (22)

  1. 一種座標感測系統，包含：一磁性件，具有一磁偶極矩；一方向感測器，用以感測該磁性件之一磁偶極矩方向；一第一磁感測器，用以感測該磁性件之一第一磁場；以及一處理器，與該方向感測器形成通訊且電性連接於該第一磁感測器，該處理器用以根據該磁偶極矩大小、該磁偶極矩方向以及該第一磁場計算該磁性件與該第一磁感測器之一第一距離以及該第一距離之方向，並且根據該第一距離以及該第一距離之方向計算該磁性件之一座標。
  2. 如請求項1所述之座標感測系統，其中當該磁偶極矩方向與一直角座標之一座標軸同向時，該方向感測器為一二軸陀螺儀。
  3. 如請求項1所述之座標感測系統，另包含一第二磁感測器，電性連接於該處理器，該第二磁感測器用以感測該磁性件之一第二磁場，該處理器用以根據該磁偶極矩大小、該磁偶極矩方向以及該第二磁場計算該磁性件與該第二磁感測器之一第二距離以及該第二距離之方向，並且根據該第二距離以及該第二距離之方向計算該磁性件之該座標。
  4. 如請求項1所述之座標感測系統，另包含一通訊模組，電性連接於該處理器，用以與一顯示裝置及該方向感測器形成通訊，該處理器通過該通訊模組將該磁性件之該座標傳送至該顯示裝置。
  5. 如請求項4所述之座標感測系統，另包含一殼體，該第一磁感測器、該處理器以及該通訊模組皆設置於該殼體中，於該殼體上定義一指示平面，該處理器通過該通訊模組將該磁偶極矩方向傳送至該顯示裝置，該顯示裝置根據該磁性件之該座標與該磁偶極矩方向執行一預定功能。
  6. 如請求項5所述之座標感測系統，其中當該磁性件之一端朝向該指示平面時，該預定功能為一橡皮擦功能、一手掌功能或一3D繪圖功能。
  7. 如請求項5所述之座標感測系統，其中當該磁性件之一端朝向該指示平面，且該端與該指示平面間之距離小於一第一臨界值時，該預定功能為一手寫輸入功能。
  8. 如請求項5所述之座標感測系統，其中當該磁性件之一端朝向該指示平面，且該端與該指示平面間之距離大於一第二臨界值時，該預定功能為一游標移動功能。
  9. 一種座標感測方法，包含：利用一方向感測器感測一磁性件之一磁偶極矩方向，其中該磁性件具有一磁偶極矩；利用一第一磁感測器感測該磁性件之一第一磁場；根據該磁偶極矩大小、該磁偶極矩方向以及該第一磁場計算該磁性件與該第一磁感測器之一第一距離以及該第一距離之方向；以及根據該第一距離以及該第一距離之方向計算該磁性件之一座標。
  10. 如請求項9所述之座標感測方法，其中當該磁偶極矩方向與一直角座標之一座標軸同向時，該方向感測器為一二軸陀螺儀。
  11. 如請求項9所述之座標感測方法，另包含：利用一第二磁感測器感測該磁性件之一第二磁場；根據該磁偶極矩大小、該磁偶極矩方向以及該第二磁場計算該磁性件與該第二磁感測器之一第二距離以及該第二距離之方向；以及根據該第二距離以及該第二距離之方向計算該磁性件之該座標。
  12. 如請求項9所述之座標感測方法，另包含：將該磁性件之該座標與該磁偶極矩方向傳送至一顯示裝置；以及根據該磁性件之該座標與該磁偶極矩方向於該顯示裝置執行一預定功能。
  13. 如請求項12所述之座標感測方法，其中當該磁性件之一端朝向一指示平面時，該預定功能為一橡皮擦功能、一手掌功能或一3D繪圖功能。
  14. 如請求項12所述之座標感測方法，其中當該磁性件之一端朝向一指示平面，且該端與該指示平面間之距離小於一第一臨界值時，該預定功能為一手寫輸入功能。
  15. 如請求項12所述之座標感測方法，其中當該磁性件之一端朝向一指示平面，且該端與該指示平面間之距離大於一第二臨界值時，該預定功能為一游標移動功能。
  16. 一種顯示系統，包含：一顯示裝置，用以顯示一物件；以及一座標感測系統，包含：一手持式物件，包含：一磁性件，具有一磁偶極矩；以及一方向感測器，用以感測該磁性件之一磁偶極矩方向；一座標感測裝置，包含：一通訊模組，用以與該顯示裝置及該方向感測器形成通訊；一第一磁感測器，用以感測該磁性件之一第一磁場；以及一處理器，電性連接於該通訊模組及該第一磁感測器，該處理器用以根據該磁偶極矩大小、該磁偶極矩方向以及該第一磁場計算該磁性件與該第一磁感測器之一第一距離以及該第一距離之方向，並且根據該第一距離以及該第一距離之方向計算該磁性件之一座標；其中，該處理器通過該通訊模組將該磁性件之該座標傳送至該顯示裝置，該顯示裝置根據該磁性件之該座標控制該物件。
  17. 如請求項16所述之顯示系統，其中當該磁偶極矩方向與一直角座標之一座標軸同向時，該方向感測器為一二軸陀螺儀。
  18. 如請求項16所述之顯示系統，其中該座標感測裝置另包含一第二磁感測器，電性連接於該處理器，該第二磁感測器用以感測該磁性件之一第二磁場，該處理器用以根據該磁偶極矩大小、該磁偶極矩方向以及該第二磁場計算該磁性件與該第二磁感測器之一第二距離以及該第二距離之方向，並且根據該第二距離以及該第二距離之方向計算該磁性件之該座標。
  19. 如請求項16所述之顯示系統，其中該座標感測裝置另包含一殼體，該第一磁感測器、該處理器以及該通訊模組皆設置於該殼體中，於該殼體上定義一指示平面，該處理器通過該通訊模組將該磁偶極矩方向傳送至該顯示裝置，該顯示裝置根據該磁性件之該座標與該磁偶極矩方向執行一預定功能。
  20. 如請求項19所述之顯示系統，其中當該磁性件之一端朝向該指示平面時，該預定功能為一橡皮擦功能、一手掌功能或一3D繪圖功能。
  21. 如請求項19所述之顯示系統，其中當該磁性件之一端朝向該指示平面，且該端與該指示平面間之距離小於一第一臨界值時，該預定功能為一手寫輸入功能。
  22. 如請求項19所述之顯示系統，其中當該磁性件之一端朝向該指示平面，且該端與該指示平面間之距離大於一第二臨界值時，該預定功能為一游標移動功能。
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