TWI494792B - 手勢辨識系統及方法 - Google Patents

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Description

手勢辨識系統及方法
本發明係關於一種人機介面裝置，特別是關於一種應用變焦鏡頭之手勢辨識系統及方法。
近年來，在多媒體系統導入互動機制以增加操作便利性的方式已成為熱門的技術，其中手勢辨識更成為取代傳統滑鼠、搖桿或遙控器的重要技術。
一手勢辨識系統通常包含一影像感測器及一處理單元，其中該影像感測器用以擷取包含一操控物件，例如一手指的影像；該處理單元則後處理該影像並據以控制一應用程式。
例如第1圖所示，一影像感測器91用以擷取包含其焦距範圍FR內之一物件O的複數影像，一處理單元92則根據該等影像辨識該物件O之一位置變化。然而，該處理單元92並無法根據該等影像判斷該物件O之一深度(depth)，而且當該焦距範圍FR內包含其他物件時，例如一背景物件O' ，該處理單元92並無法區別該等物件O及O' ，因而可能導致誤控制的情形。
請參照第2圖所示，為了能夠辨識物件O的深度，習知可利用一紅外光源93投射出一圖案，例如一棋盤圖案，至該物件O，如此該處理單元92則可 根據該影像感測器91所擷取的影像中該圖案的尺寸來辨識該物件O的深度。然而，當該圖案受到環境光源干擾時，仍可能出現誤控制的情形。
有鑑於此，本發明另提出一種手勢辨識系統及方法，其可辨識物件之三維座標，並可根據該三維座標之一座標變化與一影像裝置進行互動。
本發明之一目的在提供一種手勢辨識系統及方法，其可根據事先建立的物件深度與清晰度之一對照表決定至少一物件之一目前深度。
本發明另一目的在提供一種手勢辨識系統及方法，其可排除預設的一操作範圍以外的物件，藉以消除環境物件的干擾。
本發明另一目的在提供一種手勢辨識系統及方法，其可搭配部分取樣(subsampling)技術以節省處理單元之運算耗能。
本發明提供一種手勢辨識系統，包含一變焦鏡頭、一影像感測器、一記憶單元及一處理單元。該變焦鏡頭適於接收一控制信號而改變該變焦鏡頭之一焦距。該影像感測器透過該變焦鏡頭擷取一影像圖框。該記憶單元預先儲存有與該控制信號對應的至少一該焦距相關的深度與清晰度之一對照表。該處理單元用以計算該影像圖框中至少一物件影像之 一目前清晰度，並根據該對照表求得該物件影像之一目前深度。
本發明另提供一種手勢辨識方法，用於包含一變焦鏡頭之一手勢辨識系統。該手勢辨識方法包含：建立並儲存與該變焦鏡頭之至少一焦距相關的深度與清晰度之一對照表；利用一取像裝置以一目前焦距擷取一影像圖框；利用一處理單元計算該影像圖框中至少一物件影像之一目前清晰度；以及根據該目前清晰度及該對照表求得該至少一物件影像之一目前深度。
本發明另提供一種手勢辨識系統，包含一取像裝置、一記憶單元及一處理單元。該取像裝置包含一變焦鏡頭並以一焦距擷取一影像圖框。該記憶單元預先儲存有與該變焦鏡頭之至少一該焦距相關的深度與清晰度之一對照表。該處理單元用以計算該影像圖框中至少一物件影像之一目前清晰度，並根據該對照表求得該物件影像之一目前深度。
一實施例中，可預先設定並儲存一操作範圍以使該處理單元能夠據以將該操作範圍外之物件影像排除，藉以消除環境物件的影響；其中，該操作範圍可為出廠前預先設定或於實際操作前透過一設定階段所設定之一清晰度範圍或一深度範圍。
一實施例中，該處理單元求得該目前清晰度前 可另針對該影像圖框執行一部分取樣處理，以節省該處理單元之運作耗能；其中，該部分取樣處理之一部份取樣畫素區域至少為4×4畫素區域。
本發明之手勢辨識系統及方法中，該處理單元可根據該影像感測器擷取之影像圖框計算該物件影像之一三維座標，其包含兩橫向座標及一深度座標。該處理單元另可根據複數影像圖框間該三維座標之一座標變化控制一顯示裝置，例如控制一游標動作或一應用程式等。
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。於本發明之說明中，相同的構件係以相同的符號表示，於此合先敘明。
請參照第3圖所示，其顯示本發明實施例之手勢辨識系統之示意圖。手勢辨識系統包含一取像裝置10、一記憶單元11及一處理單元12，並可耦接一顯示裝置2以與其互動。該取像裝置10包含一變焦鏡頭101、一控制單元102及一影像感測器103。該控制單元102輸出一控制信號SC 至該變焦鏡頭101以改變該變焦鏡頭101之一焦距FL，其中該控制信號SC 例如可為一電壓信號、一脈波寬度調變(PWM)信號、一步進馬達控制信號或其他用以控制 習知變焦鏡頭的信號。一種實施例中，該控制單元102例如可為一電壓控制模組(voltage control module)，用以輸出不同的電壓值至該變焦鏡頭101以改變其焦距FL。該影像感測器103例如可為一CCD影像感測器、一CMOS影像感測器或其他用以感測光能量的感測器，用以透過該變焦鏡頭101擷取物件O之影像並輸出一影像圖框IF 。換句話說，本實施例中，該取像裝置10係以可變的一焦距FL進行物件O之影像擷取並輸出該影像圖框IF ，該變焦鏡頭101適於接收一控制信號SC 而改變該變焦鏡頭101之一焦距FL。其他實施例中，該變焦鏡頭101與該控制單元102可組合成一變焦鏡頭模組。
該記憶單元11預先儲存有與該變焦鏡頭101之至少一焦距FL相關的深度與清晰度之一對照表(lookup table)，其中所述焦距FL係相對應該控制信號SC ，例如該控制單元102輸出之每一電壓值係對應一焦距FL。例如參照第4圖所示，其顯示本發明實施例之手勢辨識系統之記憶單元11中所預先儲存的對照表。於出廠前，例如可選擇至少一控制信號SC 輸入至該變焦鏡頭101以決定一焦距FL，並計算該焦距FL下不同物距的清晰度(sharpness)所對應的深度(即相對該取像裝置10之一縱向距離)。例如，當控制該變焦鏡頭101對焦於物距為50公分時，可得到深度為50公分時具有最高的清晰度數值 (例如此處顯示為0.8)，且該清晰度數值會隨著深度的逐漸增加及逐漸減少而逐漸降低。清晰度的一種實施例可為調制轉換函數(Modulation Transfer Function,MTF)，但並不以此為限。同理，出廠前可控制該變焦鏡頭101對焦於多組物距，並分別建立該等物距下深度與清晰度之一對照表，例如第4圖另顯示有對焦於物距10公分、30公分以及70公分時深度與清晰度之關係，並將該對照表預先儲存於該記憶單元11中。必須說明的是，第4圖中所顯示的各數值僅為例示性，並非用以限定本發明。
該手勢辨識系統於實際運作時，該處理單元12用以計算該影像圖框IF 中至少一物件影像(例如物件O之影像)之一目前清晰度，並根據該對照表求得該物件影像之一目前深度D。例如，當該取像裝置10對焦於物距10公分時擷取一影像圖框IF ，當該處理單元12計算出該影像圖框IF 中一物件影像之一清晰度為0.8時則表示該目前深度D為10公分、當該清晰度為0.7時則表示該目前深度D為20公分、當該清晰度為0.6時則表示該目前深度D為30公分…，依此類推。藉此，該處理單元12可根據所求得之一清晰度數值依據該對照表對照出一目前深度D。此外，根據第4圖所示，一個清晰度數值可能相對有兩個目前深度D(例如當該取像裝置10對焦於物距50公分時，每個清晰度數值均對應兩個深度)。 為了確定正確的目前深度D，本發明中可另控制該取像裝置10改變焦距(例如改變為對焦於物距30公分或70公分)並另擷取一張影像圖框IF 來計算該物件影像之另一目前清晰度，如此可利用兩個目前清晰度數值決定正確的一目前深度D。
此外，為了排除背景物件的影像，本實施例中該處理單元12另可將一操作範圍外之物件影像排除。請再參照第3圖所示，例如可於出廠前預先設定該操作範圍為30~70公分並儲存於該記憶單元11中，或者於操作本發明之手勢辨識系統前透過一設定階段來設定該操作範圍為30~70公分，例如可提供一切換模式(例如於開機過程中或者致能一選擇開關時)選擇所述設定階段來進行設定並儲存於該記憶單元11中。該操作範圍例如可為一清晰度範圍或一深度範圍，例如當該處理單元12計算出一物件影像之目前清晰度時並不比對該對照表，直接根據該清晰度範圍則可決定是否保留該物件影像以進行後處理；或者可將該物件影像之目前清晰度先根據該對照表轉換為一目前深度D後，再根據該深度範圍來決定是否保留該物件影像以進行後處理。
此外，為了節省該處理單元12之運算耗能，該處理單元12可在求得該目前清晰度前，先針對該影像圖框IF 執行一部分取樣處理(subsampling)。本實 施例中，由於必須根據不同的清晰度辨識物件深度，因此為了避免於部分取樣處理時遺失模糊區域的影像資訊，所述部分取樣處理之一部分取樣畫素區域至少為4×4畫素區域。參照第5圖所示，該影像感測器103例如擷取並輸出20×20的影像圖框IF ，該處理單元12於後處理時僅擷取部分畫素區域，例如第5圖中的空白區域IF1 (被部分取樣之畫素)來據以計算物件影像的深度，而填滿區域IF2 (未被部分取樣之畫素)則予以捨棄，此即本發明所述的部分取樣處理。可以了解的是，根據該影像圖框IF 的尺寸，該部分取樣畫素區域(即該空白區域IF1 )的尺寸可為4×4、8×8…，只要大於4×4畫素區域即可。此外，該部分取樣處理之一部分取樣畫素區域另可根據所擷取影像的影像品質來動態的改變，意即可透過改變影像感測器的時序控制來達成。
當物件影像之目前深度D計算出後，該處理單元12即可根據該影像圖框IF 計算該物件影像之一三維座標；例如，根據該物件影像相對該取樣裝置10之一橫向位置可計算一平面座標(x,y)，並配合該物件影像相對該取樣裝置10之一目前深度D可求得該物件影像之一三維座標(x,y,D)。該處理單元12可根據該三維座標之一座標變化(△x,△y,△D)與該顯示裝置2進行互動，例如控制該顯示裝置2上所顯示游標之一游標動作及/或一應用程式(例如圖示點選) 等，但並不以此為限；其中，一手勢(gesture)可以是單純的二維橫向軌跡(平面移動)，或是一維縱向軌跡(相對取樣裝置10之深淺距離的移動)，又或者是結合三維移動之軌跡，此部分可依據使用者之定義而有豐富之變化。特別的是，本實施例係可偵測物件之三維移動資訊，因此係可用三維資訊來定義手勢之動作，而具有更複雜且豐富之手勢命令。
請參照第6圖所示，其顯示本發明實施例之手勢辨識方法之流程圖，包含下列步驟：建立並儲存與一變焦鏡頭之至少一焦距相關的深度與清晰度之一對照表(步驟S31 )；設定一操作範圍(步驟S32 )；以一目前焦距擷取一影像圖框(步驟S33 )；針對該影像圖框執行一部分取樣處理(步驟S34 )；計算該影像圖框中至少一物件影像之一目前清晰度(步驟S35 )；根據該目前清晰度及該對照表求得該至少一物件影像之一目前深度(步驟S36 )；排除該操作範圍外之該物件影像(步驟S37 )；計算該物件影像之一三維座標(步驟S38 )；以及根據該三維座標之一座標變化控制一顯示裝置(步驟S39 )。本發明實施例之手勢辨識方法適用於包含一變焦鏡頭101之一手勢辨識系統。
請再參照第3至6圖所示，以下說明本實施例之手勢辨識方法。
步驟S31 ：較佳地，在手勢辨識系統出廠前，先 建立與該變焦鏡頭101之至少一焦距FL相關的深度與清晰度之一對照表(如第4圖)並儲存於該記憶單元11以供實際操作時作為查表的依據。
步驟S32 ：接著設定一操作範圍，其可根據手勢辨識系統的不同應用而決定。一種實施例中，該操作範圍可在手勢辨識系統出廠前預先設定。另一實施例中，該操作範圍可於實際操作前由使用者透過一設定階段來設定；亦即，該操作範圍可根據使用者的需求而設定。如前所述，該操作範圍可為一清晰度範圍或一深度範圍。其他實施例中，若手勢辨識系統的操作環境無須考慮環境物件的干擾，步驟S32 亦可不予實施。
步驟S33 ：於實際操作時，該取像裝置10以一目前焦距FL擷取一影像圖框IF 並輸出至該處理單元12。該影像圖框IF 之一尺寸則根據不同的感測陣列尺寸而決定。
步驟S34 ：該處理單元12接收該影像圖框IF 後並且在計算物件影像之目前清晰度前，可選擇針對該影像圖框IF 執行一部分取樣處理，以節省消耗電能；如前所述，該部分取樣處理之一部份取樣畫素區域至少為4×4畫素區域，且該部份取樣畫素區域之尺寸可根據該影像圖框IF 之尺寸及/或影像品質來決定。其他實施例中，步驟S34 亦可不予實施。
步驟S35 ：該處理單元12根據該影像圖框IF 或經部分取樣處理後之影像圖框IF 計算該影像圖框IF 中至少一物件影像之一目前清晰度；其中，計算影像中物件影像清晰度的方式已為習知，例如計算影像之MTF值，故於此不再贅述。
步驟S36 ：該處理單元12則將該目前清晰度與該對照表相比對，以求得該目前清晰度所對應的該至少一物件影像之目前深度D，例如物件O之深度。此外，當該目前清晰度的數值並未包含於該對照表中時，則可透過內差(interpolation)的方式來得到相對應的目前深度D。
步驟S37 ：為了排除環境物件對手勢辨識系統的影響，該處理單元12在求得每一物件影像之該目前深度D後，則判定該目前深度D是否介於該操作範圍內，並排除該操作範圍以外之該物件影像。可以了解的是，當不實施步驟S32 時，步驟S37 亦不予實施。
步驟S38 ：接著，該處理單元12可根據該影像圖框IF 求得該操作範圍內所有物件影像之一三維座標，例如包含兩橫向座標及一深度座標(即步驟S36 所求得之目前深度D)；其中，該處理單元12計算所述橫向座標的方式已為習知，故於此不再贅述。本實施例主要在於如何正確計算該物件O相對該取 像裝置10之深度。
步驟S39 ：最後，該處理單元12可根據複數影像圖框IF 間該三維座標之一座標變化控制一顯示裝置2，例如控制一游標動作及/或一應用程式；其中，該顯示裝置2例如可為一電視、一投影幕、一電腦螢幕、一遊戲機螢幕或其他可用以顯示/投射影像之顯示裝置，並無特定限制。
當物件影像之三維座標計算出後，本實施例之手勢辨識系統則重新回到步驟S33 以重新擷取一影像圖框IF 並判定該物件O之後續位置。
綜上所述，習知手勢辨識方法存在有無法辨識物件深度的問題或具有另外投射一光學圖案的需求。本發明另提出一種手勢辨識系統(第3圖)及手勢辨識方法(第6圖)，其應用一變焦鏡頭配合事先建立的對照表(第4圖)以達成辨識物件深度的目的。
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。
10‧‧‧取像裝置
101‧‧‧變焦鏡頭
102‧‧‧控制單元
103‧‧‧影像感測器
11‧‧‧記憶單元
12‧‧‧處理單元
2‧‧‧顯示裝置
91‧‧‧影像感測器
92‧‧‧處理單元
93‧‧‧光源
Sc‧‧‧控制信號
O、O' ‧‧‧物件
S31 ~S39 ‧‧‧步驟
IF ‧‧‧影像圖框
D‧‧‧目前深度
IF1 ‧‧‧被部分取樣之畫素
IF2 ‧‧‧未被部分取樣之畫素
FL‧‧‧焦距
第1圖顯示習知手勢辨識系統之示意圖。
第2圖顯示另一習知手勢辨識系統之示意圖。
第3圖顯示本發明實施例之手勢辨識系統之示意圖。
第4圖顯示本發明實施例之手勢辨識系統之對照表。
第5圖顯示本發明實施例之手勢辨識系統之部分取樣處理之示意圖。
第6圖顯示本發明實施例之手勢辨識方法之流程圖。
10‧‧‧取像裝置
101‧‧‧變焦鏡頭
102‧‧‧控制單元
103‧‧‧影像感測器
11‧‧‧記憶單元
12‧‧‧處理單元
2‧‧‧顯示裝置
D‧‧‧深度
O‧‧‧物件
SC ‧‧‧控制信號
IF ‧‧‧影像圖框
FL‧‧‧焦距
x,y‧‧‧座標軸

Claims (20)

  1. 一種手勢辨識系統，包含：一變焦鏡頭，適於接收一控制信號而改變該變焦鏡頭之一焦距；一影像感測器，透過該變焦鏡頭擷取一影像圖框；一記憶單元，預先儲存有與該控制信號對應的至少一該焦距相關的深度與清晰度之一對照表；以及一處理單元，用以對該影像圖框執行一部分取樣處理、根據該影像圖框中一部分取樣畫素區域計算至少一物件影像之一目前清晰度，並根據該對照表求得該物件影像之一目前深度。
  2. 依申請專利範圍第1項之手勢辨識系統，其中該處理單元另將一操作範圍外之該物件影像排除。
  3. 依申請專利範圍第2項之手勢辨識系統，其中該操作範圍為出廠前預先設定或於操作前透過一設定階段所設定之一清晰度範圍或一深度範圍。
  4. 依申請專利範圍第1項之手勢辨識系統，其中該控制信號為一電壓信號或一脈波寬度調變信號。
  5. 依申請專利範圍第1項之手勢辨識系統，其中該部分取樣處理之該部份取樣畫素區域至少為4×4畫素區域。
  6. 依申請專利範圍第1項之手勢辨識系統，其中該處理單元另根據該影像圖框計算該物件影像之一三維座標。
  7. 依申請專利範圍第6項之手勢辨識系統，其中該處理單元另根據該三維座標之一座標變化控制一顯示裝置。
  8. 一種手勢辨識方法，用於包含一變焦鏡頭之一手勢辨識系統，該手勢辨識方法包含：建立並儲存與該變焦鏡頭之至少一焦距相關的深度與清晰度之一對照表；利用一取像裝置以一目前焦距擷取一影像圖框；利用一處理單元對該影像圖框執行一部分取樣處理；利用該處理單元根據該影像圖框中一部分取樣畫素區域計算至少一物件影像之一目前清晰度；以及根據該目前清晰度及該對照表求得該至少一物件影像之一目前深度。
  9. 依申請專利範圍第8項之手勢辨識方法，另包含：設定一操作範圍。
  10. 依申請專利範圍第9項之手勢辨識方法，另包含：排除該操作範圍外之該物件影像。
  11. 依申請專利範圍第9或10項之手勢辨識方法，其中該操作範圍為一清晰度範圍或一深度範圍。
  12. 依申請專利範圍第8項之手勢辨識方法，其中該部分取樣處理之該部份取樣畫素區域至少為4×4畫素區域。
  13. 依申請專利範圍第8項之手勢辨識方法，另包含：利用該處理單元根據該影像圖框計算該物件影像之一三維座標。
  14. 依申請專利範圍第13項之手勢辨識方法，另包含：利用該處理單元根據該三維座標之一座標變化控制一顯示裝置。
  15. 一種手勢辨識系統，包含：一取像裝置，包含一變焦鏡頭，以一焦距擷取一影像圖框；一記憶單元，預先儲存有與該變焦鏡頭之至少一該焦距相關的深度與清晰度之一對照表；以及一處理單元，用以對該影像圖框執行一部分取樣處理、根據該影像圖框中一部分取樣畫素區域計算至少一物件影像之一目前清晰度，並根據該對照表求得該物件影像之一目前深度。
  16. 依申請專利範圍第15項之手勢辨識系統，其中該處理單元另將一操作範圍外之該物件影像排除。
  17. 依申請專利範圍第16項之手勢辨識系統，其中該操作範圍為一清晰度範圍或一深度範圍。
  18. 依申請專利範圍第15項之手勢辨識系統，其中該部分取樣處理之該部份取樣畫素區域至少為4×4畫素區域。
  19. 依申請專利範圍第15項之手勢辨識系統，其中該處理單元另根據該影像圖框計算該物件影像之一三維座標，並據以控制一游標動作及/或一應用程式。
  20. 一種手勢辨識系統，包含：一變焦鏡頭，適於接收一控制信號而改變該變焦鏡頭之一焦距；一影像感測器，透過該變焦鏡頭擷取一影像圖框；一記憶單元，預先儲存有與該控制信號對應的至少一該焦距相關的深度與清晰度之一對照表；以及一處理單元，用以計算該影像圖框中至少一物件影像之一目前清晰度、根據該對照表求得該物件影像之一目前深度以及根據該目前深度及30~70公分之一操作範圍排除該影像圖框中該操作範圍以外之該物件影像。
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