TWI512270B - 具動態曝光時間的光學測距系統 - Google Patents

具動態曝光時間的光學測距系統 Download PDF

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Description

具動態曝光時間的光學測距系統
本發明係有關一種測距系統，更特別有關一種具動態曝光時間的光學測距系統。
一光學測距系統可採用三角測量方法計算物件的距離。例如，光學測距器系統可包含一光源以及一照相機。該光源朝向一待測物投射光線，該照相機接收來自該待測物之反射光以形成一影像圖框。當該光源與該照相機之一空間關係為已知時，根據該影像圖框中的物件影像位置即能夠根據三角測量計算出該待測物之一距離。
然而，當空間中同時存在不同距離的複數待測物時，近距離之待測物可能會有過曝(over exposure)的情形，而遠距離之待測物可能會有曝光不足(under exposure)的情形，光學測距系統之計算精確度可能會因此而降低。尤其，當遠距離待測物之曝光不足時，會出現無法計算遠距離待測物之物件距離的問題。
有鑑於此，本發明另提出一種可在影像圖框中同時保留遠近待測物資訊之光學測距系統，以增加計算精確度。
本發明提供一種使用時間多工曝光機制之光學測距系統。
本發明提供一種使用時間多工曝光機制並可降低耗能之光學測距系統。
本發明提供一種光學測距系統，包含一光源、一影像感測器以及一處理單元。該光源以一操作頻率發光。該影像感測器以一第一曝光時間相對該光源點亮時擷取一第一亮影像及相對該光源熄滅時擷取一第 一暗影像並以一第二曝光時間相對該光源點亮時擷取一第二亮影像及相對該光源熄滅時擷取一第二暗影像，其中該第二曝光時間大於該第一曝光時間。該處理單元用以接收該第一亮影像、該第一暗影像、該第二亮影像及該第二暗影像，並根據該第一暗影像之一第一平均亮度調整該第一曝光時間並根據該第二暗影像之一第二平均亮度調整該第二曝光時間。
本發明另提供一種光學測距系統，包含一光源、一影像感測器以及一處理單元。該光源以一操作頻率發光。該影像感測器以一第一曝光時間相對該光源點亮時擷取一第一亮影像及相對該光源熄滅時擷取一第一暗影像並以一第二曝光時間相對該光源點亮時擷取一第二亮影像及相對該光源熄滅時擷取一第二暗影像，其中該第二曝光時間大於該第一曝光時間。該處理單元用以接收該第一亮影像、該第一暗影像、該第二亮影像及該第二暗影像，並根據該第二暗影像中一物件影像尺寸調整該第二曝光時間。
本發明另提供一種光學測距系統，包含一影像感測器以及一處理單元。該影像感測器以一參考曝光時間擷取一參考暗影像、以一第一曝光時間擷取一第一影像並以一第二曝光時間擷取一第二影像，其中該第二曝光時間大於該第一曝光時間。該處理單元用以當判斷該參考暗影像中存在一物件影像時，控制該影像感測器交替地以該第一曝光時間擷取該第一影像並以該第二曝光時間擷取該第二影像；以及當判斷該參考暗影像中不存在任何物件影像時，控制該影像感測器以該參考曝光時間擷取一另參考暗影像。
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，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，於此先述明。
1‧‧‧光學測距系統
11‧‧‧影像感測器
13‧‧‧處理單元
131‧‧‧曝光控制單元
133‧‧‧多工模組
135‧‧‧距離計算單元
15‧‧‧光源
9‧‧‧待測物
I9‧‧‧反射光影像
Fm‧‧‧待計算影像
F、FL 、FH ‧‧‧影像
C1~C4、C1'~C4'‧‧‧信號特徵
A1~A4、A1'~A4'‧‧‧影像區域
L1~L5、H1~H5‧‧‧曝光時間
ETL 、ETH 、ETr‧‧‧曝光時間
第1圖為本發明說明一實施例之光學測距系統之方塊示意圖。
第2圖為本發明說明一實施例之光學測距系統之示意 圖。
第3圖為本發明說明第一實施例之光學測距系統之測距方法之流程圖。
第4A圖為本發明說明第一實施例之光學測距系統之運作示意圖。
第4B圖為本發明說明第一實施例之光學測距系統之另一運作示意圖。
第5圖為本發明說明第二實施例之光學測距系統之運作示意圖。
第6圖為本發明說明第二實施例之光學測距系統中閾值設定之示意圖。
第7圖為本發明說明第二實施例之光學測距系統之另一運作示意圖。
第8圖為本發明說明第二實施例之光學測距系統中決定物件影像尺寸之示意圖。
第9A~9B圖為本發明說明第三實施例之光學測距系統之運作示意圖。
請參照第1圖所示，其為本發明一實施例之光學測距系統之方塊示意圖。光學測距系統1包含一影像感測器以11以及一處理單元13。該影像感測器11較佳為一主動式影像感測器，例如一互補式金氧半電晶體(CMOS)影像感測器，但並不限於此，其可改變擷取一影像F時之曝光時間(exposure time)(舉例詳述於後)。
該處理單元13例如可為一數位信號處理器(DSP)、一單晶片(MCU)、一中央處理器(CPU)、一特定應用積體電路(ASIC)等，用以接收該影像感測器11所輸出之影像F以進行後處理，並控制該影像感測器11之 影像擷取。某些實施例中，該處理單元13可包含一曝光控制單元131、一多工模組133以及一距離計算單元135；其中，該曝光控制單元131、該多工模組133及該距離計算單元135為該處理單元13內之資料處理單元，其可以軟體或硬體的方式實現，並無特定限制。可以了解的是，雖然第1圖中將該處理單元13分割為不同工作模組以便於說明，該處理單元13內之各工作模組所執行的所有功能，均可以說是由該處理單元13所執行的。
該曝光控制單元131用以控制該影像感測器11以不同曝光時間擷取不同影像F的所有影像區域(即一張影像對應一個曝光時間)。該多工模組133利用時間多工處理該處理單元13所接收的影像F並產生一待計算影像Fm(例如後述之組合影像)。該距離計算單元135則利用一預設演算法根據該待計算影像Fm計算至少一物件距離，例如利用三角測量方法(triangulation)計算該物件距離。
請參照第2圖所示，其為本發明一實施例之光學測距系統之示意圖。光學測距系統1可另包含一光源15用以投射一二維光區域(例如具有一預設寬度的光線條)至一待測物9；其中，該光源15例如可為同調光源、部分同調光源或非同調光源，並無特定限制，其用以發出一可辨識光譜，例如可見光或不可見光。必須說明的是，雖然第2圖中該光源15所投射的二維光區域顯示為非連續，然其僅用以說明，並非用以限定本發明，該光源15可以掃描的方式投射該二維光區域或直接投射一個二維光區域。
該影像感測器11接收來自該待測物9之反射光後，產生包含一反射光影像I9之影像F被傳送至該處理單元13。該影像感測器11例如包含一像素矩陣，其由複數像素排列而成，而該影像F則為該等像素所輸出之灰階值矩陣資料。
該處理單元13首先利用本發明之多工機制(舉例詳述於後)根據該影像F產生一待計算影像Fm，並根據該待計算影像Fm計算至少一物件距離D；其中，該待計算影像Fm同樣包含一反射光影像I9。更詳言之，該待計算影像Fm的不同影像區域所對應的複數曝光時間的至少一部分可彼此不同(舉例詳述於後)，以使每一個影像區域中的反射光影像I9的亮度適於計算該至少一物件距離D。此外，某些實施例中，該處理單元13可有線或無線地輸出該待計算影像Fm以供一外部裝置進行後處理，例如輸出至 一外部主機(host)。
一實施例中，該處理單元13可包含一記憶單元(未繪示)，用以儲存一對照表，其包含反射光影像I9之位置與物件距離D的關係。藉此，當該處理單元13求得該待計算影像Fm中反射光影像I9之位置後，即可直接對照該對照表以求得至少一物件距離D；其中，該對照表係根據該光源15與該影像感測器11之空間關係(例如距離L)以及該光源15之照明角度所計算，並事先儲存於該記憶單元中。另一實施例中，該處理單元13之記憶單元可儲存有一距離演算法而非對照表，當求得該待計算影像Fm中反射光影像I9之位置後，即可利用該距離演算法計算出至少一物件距離D。
本發明說明中，由於該光源15係用以投射一二維光區域，因此該影像感測器11所輸出的影像F中包含一線性反射光影像I9，該處理單元13可同時計算複數物件距離(例如，不同待測物對應不同的反射光影像之區段且位於不同位置)，故具有較佳的適用性。最後，該處理單元13將所計算之該至少一物件距離D輸出以進行相對應控制，例如輸出至一主機或一電腦系統；其中，該物件距離D對應之控制功能則根據不同應用而定。
請參照第3圖所示，其為本發明第一實施例之光學測距系統之測距方法之流程圖，包含下列步驟：以一第一曝光時間擷取一第一影像(步驟S31)；以一第二曝光時間擷取一第二影像(步驟S32)；分割該第一影像為複數第一影像區域並計算每一該等第一影像區域之一第一信號特徵(步驟S33)；分割該第二影像為複數第二影像區域並計算每一該等第二影像區域之一第二信號特徵(步驟S34)；比較該等第一信號特徵與該等第二信號特徵(步驟S35)；以及將該第一信號特徵大於該第二信號特徵之該等第一影像區域與該第二信號特徵大於該第一信號特徵之該等第二影像區域組合成一組合影像(步驟S36)。
請同時參照第1~3以及4A~4B圖所示，接著說明本發明第一實施例的詳細實施方式。一實施例中，該處理單元13控制該光源15於該影像感測器11擷取影像F時點亮，以使該影像感測器11所擷取的影像F中包含來自該待測物9之反射光影像I9，藉以計算該待測物9之物件距離D。
步驟S31：該影像感測器11受控於該處理單元13之該曝光控制單元131，以一第一曝光時間ETL 擷取一第一影像FL 。
步驟S32：接著，該影像感測器11受控於該處理單元13(或該曝光控制單元131)，以一第二曝光時間ETH 擷取一第二影像FH ；其中，該第一影像FL 與該第二影像FH 可為該影像感測器11所連續或者相隔至少一張影像所擷取的兩張影像F，且該第一曝光時間ETL 不同於該第二曝光時間ETH ；其中，所述相隔的至少一張影像例如為暗影像(即取像時該光源15不點亮)，用以與該第一影像FL 及該第二影像FH 相減以消除環境光。必須說明的是，雖然第4A圖中顯示該第一曝光時間ETL 小於該第二曝光時間ETH ，但本發明並不以此為限。某些實施例中，該第一曝光時間ETL 大於該第二曝光時間ETH 。一實施例中，該處理單元13控制該影像感測器11交替地以該第一曝光時間ETL 及該第二曝光時間ETH 進行影像擷取。
步驟S33：該處理單元13接收該第一影像FL 後，該多工模組133以一預設方式分割該第一影像FL 為複數第一影像區域，例如A1~A4(第4B圖)，並計算每一該等第一影像區域A1~A4之一第一信號特徵C1~C4(第4B圖)；其中，每一該等第一影像區域A1~A4可為該第一影像FL 之一列像素區域、複數列像素區域、一行像素區域、複數行像素區域或一矩形像素區域，並不限於第4B圖所示。一實施例中，該等信號特徵C1~C4分別為該等第一影像區域A1~A4之一訊雜比(SNR)；例如，該多工模組133根據每一該等第一影像區域A1~A4中之一動態門檻值區分訊號資料(signal data)及雜訊資料(noise data)，並根據該訊號資料及該雜訊資料計算該訊雜比，例如計算每一該等第一影像區域A1~A4中所有訊號資料之能量值總合與所有雜訊資料之能量值總合之一比值(ratio)，以作為該訊雜比。一實施例中，該動態門檻值例如選擇為一個第一影像區域中之一最大能量值與一平均能量值總合的一平均值，但本發明並不以此為限，因此每一該等第一影像區域A1~A4均可求得一門檻值。由於每一該等第一影像區域A1~A4之門檻值是根據所擷取的目前影像資料所計算，因此彼此可能不同，故本發明說明中稱之為動態門檻值。
步驟S34：同理，該處理單元13接收該第二影像FH 後，該多工模組133以該預設方式(與步驟S33相同)分割該第二影像FH 為複數第二影像區域，例如A1'~A4'(第4B圖)，並計算每一該等第二影像區域A1'~A4'之一第二信號特徵C1'~C4'(第4B圖)；其中，每一該等第二影像區域A1'~A4' 可為該第二影像FH 之一列像素區域、複數列像素區域、一行像素區域、複數行像素區域或一矩形像素區域，並不限於第4B圖所示。同理，該等信號特徵C1'~C4'可分別為該等第二影像區域A1'~A4'之一訊雜比(SNR)；例如，該多工模組133根據每一該等第二影像區域A1'~A4'中之一動態門檻值區分訊號資料及雜訊資料，並根據該訊號資料及該雜訊資料計算該訊雜比，例如計算所有訊號資料之能量值總合與所有雜訊資料之能量值總合之一比值，以作為該訊雜比。該動態門檻值的決定方式如步驟S33所述，故於此不再贅述。
步驟S35：接著，該多工模組133比較相對應的該等第一影像區域A1~A4與該等第二影像區域A1'~A4'之信號特徵，例如比較該第一影像區域A1之第一信號特徵C1與該第二影像區域A1'之第二信號特徵C1'；比較該第一影像區域A2之第一信號特徵C2與該第二影像區域A2'之第二信號特徵C2'；比較該第一影像區域A3之第一信號特徵C3與該第二影像區域A3'之第二信號特徵C3'；以及比較該第一影像區域A4之第一信號特徵C4與該第二影像區域A4'之第二信號特徵C4'。
步驟S36：接著，該多工模組133利用時間多工機制(time multiplexing mechanism)將該第一影像FL (此處顯示為先擷取影像)之一部分影像區域與該第二影像FH (此處顯示為後擷取影像)之一部分影像區域進行重組以產生一組合影像以作為該待計算影像Fm。一實施例中，該多工模組133將信號特徵較大之該等第一影像區域與信號特徵較大之該等第二影像區域結合為一組合影像。例如，假設該等第一信號特徵C1及C4分別大於該等第二信號特徵C1'及C4'，表示該等第一影像區域A1及A4相較於該等第二影像區域A1'及A4'較適用於計算正確的物件距離；並假設該等第一信號特徵C2及C3分別小於該等第二信號特徵C2'及C3'，表示該等第二影像區域A2'及A3'相較於該等第一影像區域A2及A3較適用於計算正確的物件距離。該多工模組133則重組一組合影像(即該待計算影像Fm)，其包含影像區域A1、A2'、A3'及A4，如第4B圖所示。
可以了解的是，雖然4B圖顯示一組合影像Fm分別包含了該第一影像FL 的部分影像區域(例如A1、A4)並包含了該第二影像FH 的部分影像區域(例如A2'、A3')，但本發明並不以此為限。根據該影像感測器11 實際擷取的影像F，該組合影像Fm可能與該第一影像FL 或該第二影像FH 相同。此外必須說明的是，第3圖中步驟S32並不限定為早於步驟S33，步驟S32可位於步驟S33之後而位於步驟S34之前。
最後，該處理單元13之距離計算單元135則根據該組合影像Fm計算至少一物件距離D。必須說明的是，本實施例中的至少一個物件距離的個數例如可根據組合影像Fm之像素列的數目決定，例如每一像素列均求得一相對應的物件距離或每複數個像素列(例如2~5列)均求得一相對應的物件距離，端視其判斷解析度而定。該距離計算單元135並可根據所求出的複數物件距離判斷一待測物個數並將相關於相同待測物之物件距離合併為同一物件距離，因此該距離計算單元135最後僅輸出與待測物數目相對應數目之物件距離D。
此外，雖然第4A圖及第4B圖中顯示該處理單元13係比較兩張影像FL 及FH 之不同影像區域之信號特徵並產生一組合影像Fm，但本發明並不以此為限。某些實施例中，該處理單元13可比較兩張以上的影像F之不同影像區域之信號特徵並產生一組合影像，其實施方式只需於步驟S36中選擇該兩張以上的影像中，相對應影像區域中信號特徵最大者以產生組合影像Fm即可，其他步驟S31~S35則與上述第一實施例相類似，僅另需增加以不同的至少一曝光時間擷取影像F即可，故於此不再贅述。換句話說，本實施例之多工模組133將該影像感測器11所擷取的每張影像F區分為相同的(例如相同位置及相同尺寸)影像區域，以使組合影像Fm與影像F具有相同尺寸。此外，所述組合影像Fm另可為該影像F中之一欲處理影像區域(window of interest)，其可僅包含該影像F的一部分。
綜而言之，第一實施例中，該處理單元13可根據不同部分影像區域的影像品質，將不同影像圖框中的不同部分影像區域重新組合為一組合影像，以根據該組合影像計算至少一物件距離D，其中，所述部分影像區域的形狀與尺寸並無特定限制。例如，處理單元13可根據影像品質(例如信號特徵)，將該第一影像FL 中的部分影像區域，例如A1~A4的一部分，與該第二影像FH 中的部分影像區域，例如A1'~A4'的一部分，重新組合為一組合影像Fm。
此外，為了進一步消除環境光的影響，該處理單元13另可 用以控制該光源15以一操作頻率相對該影像感測器11的影像擷取而點亮及熄滅，例如相對該光源15點亮時擷取一亮影像並相對該光源15熄滅時擷取一張暗影像。該處理單元13另可計算該亮影像及該暗影像之一差分影像以作為上述第一實施例之該第一影像FL 及該第二影像FH ；亦即，上述第一實施例中，該第一影像FL 可為一第一差分影像而該第二影像FH 可為一第二差分影像。
某些實施例中，由於環境亮度變化與物件反射係數差異皆會導致偵測的動態範圍改變，為了能讓本發明說明的光學測距系統1達到更廣的動態範圍偵測，可進一步分別改變該第一曝光時間ETL 及該第二曝光時間ETH 。
參照第5圖所示，其為本發明說明第二實施例之光學測距系統之運作示意圖。第二實施例中，該光學測距系統同樣包含該影像感測器11、該處理單元13以及該光源15，如第1~2圖。本實施例與上述第一實施例之差異在於，上述第一實施例中，該第一曝光時間ETL 與該第二曝光時間ETH 為固定；而第二實施例中，該第一曝光時間(例如顯示為L1~L5)與該第二曝光時間(例如顯示為H1~H5)可調，或者該第一曝光時間為固定而該第二曝光時間可調；其中，該第二曝光時間仍顯示為大於該第一曝光時間。
本實施例中，以差分影像來進行說明。如前所述，本實施例的差分影像亦可適用於上述第一實施例的第一影像FL 及第二影像FH 。
如第5圖所示，該光源15以一操作頻率發光。該影像感測器11以一第一曝光時間(例如顯示為L1~L5)相對該光源15點亮(on)時擷取一第一亮影像Fb1 及相對該光源15熄滅(off)時擷取一第一暗影像Fd1 並以一第二曝光時間(例如顯示為H1~H5)相對該光源15點亮時擷取一第二亮影像Fb2 及相對該光源15熄滅時擷取一第二暗影像Fd2 。與上述第一實施例類似，該處理單元13用以接收該第一亮影像Fb1 、該第一暗影像Fd1 、該第二亮影像Fb2 及該第二暗影像Fd2 ，以計算該第一亮影像Fb1 與該第一暗影像Fd1 之一第一差分影像、計算該第二亮影像Fb2 與該第二暗影像Fd2 之一第二差分影像、分割該第一差分影像為複數第一影像區域(如第4B圖A1~A4)、分割該第二差分影像為複數第二影像區域(如第4B圖A1'~A4')、比較相對應的該等第一影像區域與該等第二影像區域之信號特徵；以及將該信號特徵較大之 該等第一影像區域與該信號特徵較大之該等第二影像區域組合為一組合影像。本實施例中，除了另計算該第一差分影像及該第二差分影像外，其他部分均與上述第一實施例相類似，故於此不再贅述。一實施例中，該差分影像係將一亮影像與一暗影像進行像素對像素(pixel-by-pixel)的減法而得。
第二實施例中，可利用兩種實施態樣調整曝光時間。
一種實施態樣中，該處理單元13例如計算該第一暗影像Fd1 之一第一平均亮度及該第二暗影像Fd2 之一第二平均亮度。如前所述，第二實施例之一目的係藉由調整曝光時間來消除環境光的影響，因此利用暗影像(即光源熄滅時所擷取者)的平均亮度評價環境光。該處理單元13根據該第一暗影像Fd1 之一第一平均亮度(例如第5圖之BL1 ~BL4 )調整該第一曝光時間(例如第5圖之L1~L5)並根據該第二暗影像Fd2 之一第二平均亮度(例如第5圖之BH1 ~BH4 )調整該第二曝光時間(例如第5圖之H1~H5)。
例如第5圖中，該處理單元13根據該第一暗影像Fd1 之第一平均亮度BL1 調整第一曝光時間L1為L2，根據該第一暗影像Fd1 之第一平均亮度BL2 調整第一曝光時間L2為L3，依此類推；該處理單元13根據該第二暗影像Fd2 之第二平均亮度BH1 調整第二曝光時間H1為H2，根據該第二暗影像Fd2 之第二平均亮度BH2 調整第二曝光時間H2為H3，依此類推。必須說明的是，雖然第5圖中顯示第一曝光時間與第二曝光時間每次均被調整，然其僅用以說明，並非用以限定本發明，依實際所擷取之影像F，第一曝光時間與第二曝光時間可能不被調整。
請參照第6圖所示，其為本發明說明第二實施例之光學測距系統中閾值設定之示意圖。該處理單元11用以將該第一平均亮度(例如BL1 ~BL4 )與一第一上閾值及一第一下閾值比較以調整該第一曝光時間(例如L1~L5)；其中，當該第一平均亮度大於該第一上閾值時調降擷取下一張影像時之該第一曝光時間，當該第一平均亮度小於該第一下閾值時調升擷取下一張影像時之該第一曝光時間，否則維持該第一曝光時間。該處理單元11用以將該第二平均亮度(例如BH1 ~BH4 )與一第二上閾值及一第二下閾值比較以調整該第二曝光時間(例如H1~H5)；其中，當該第二平均亮度大於該第二上閾值時調降擷取下一張影像時之該第二曝光時間，當該第二平均亮度小於該第二下閾值時調升擷取下一張影像時之該第二曝光時間，否則維持 該第二曝光時間。一實施例中，該第一上閾值可設定為大於該第二下閾值，以避免暗影像之平均亮度位於閾值附近時的振盪。
另一實施態樣中，該處理單元13根據該第二暗影像Fd2 中一物件影像尺寸調整該第二曝光時間(例如H1~H5)。
例如參照第7圖所示，該處理單元13根據該第二暗影像Fd2 之物件影像尺寸IS1 調整該第二曝光時間H1為H2，根據該第二暗影像Fd2 之物件影像尺寸IS2 調整該第二曝光時間H2為H3，依此類推。本實施例中，該第一曝光時間(例如L1~L5)維持固定。同理，雖然第7圖中顯示第二曝光時間每次均被調整，然其僅用以說明，並非用以限定本發明，依實際所擷取之影像F，第二曝光時間可能不被調整。
請參照第8圖所示，其本發明說明第二實施例之光學測距系統中決定物件影像尺寸之示意圖。本實施態樣中，所述物件影像尺寸可為二維尺寸，亦即物件影像的像素數目；或者，所述物件影像尺寸可為一維尺寸，亦即物件影像的寬度W1及/或高度W2。第8圖中，可將像素序列中，灰階值大於一灰階門檻值I_TH的像素設為”1”，而將灰階值小於該灰階門檻值I_TH的像素設為”0”，藉以計算物件影像的有效寬度W1_eff及/或有效高度W2_eff，以作為該物件影像尺寸。此外，為節省資源，可不處理整張暗影像F的資料而僅處理一欲處理影像區域WOI範圍內的像素資料，並忽略該欲處理影像區域WOI以外的像素資料；其中，該欲處理影像區域WOI的範圍可根據實際量測時物件影像可能出現的位置而定。
本實施態樣中，該處理單元13可當該物件影像尺寸大於一上閾值時，調降該第二曝光時間(例如H1~H5)；而當該物件影像尺寸小於一下閾值時，調升該第二曝光時間(例如H1~H5)。
請參照第9A及9B圖所示，其為本發明說明第三實施例之光學測距系統之運作示意圖。相對於習知技術，上述第一實施例及第二實施例係利用長短不同曝光時間擷取的兩張影像F重新組合一張待計算影像Fm，所以具有較高的圖框率(frame rate)。因此，第三實施例係用以節省系統耗能及資源，並可應用於上述第一實施例及第二實施例中。
本實施例中，該光學測距系統同樣包含該影像感測器11、該處理單元13以及該光源15，如第1~2圖。
該影像感測器11可以一參考曝光時間ETr擷取一參考暗影像Frd(即光源熄滅時所擷取)、以一第一曝光時間ETL 擷取一第一影像FL 並以一第二曝光時間ETH 擷取一第二影像FH ；其中，該參考暗影像Frd係用以判定受否開始進入上述第一實施例或第二實施例的操作模式。如前所述，該第一影像FL 及該第二影像FH 可為差分影像，以消除環境光的影響。一實施例中，該參考曝光時間ETr可相同於該第二曝光時間ETH ，如第9A圖所示。另一實施例中，該參考曝光時間ETr可不相同於該第二曝光時間H1~H5，如第9B圖所示。
該處理單元13則用以當判斷該參考暗影像Frd中存在一物件影像時，控制該影像感測器11交替地以該第一曝光時間ETL 擷取該第一影像FL 並以該第二曝光時間ETH 擷取該第二影像FH ；而當判斷該參考暗影像Frd中不存在任何物件影像時，控制該影像感測器11以該參考曝光時間ETr擷取一另參考暗影像Frd以重新進行判斷。更詳言之，當該處理單元13判斷根據該參考曝光時間ETr(例如第二曝光時間ETH )擷取之該參考暗影像Frd中存在物件時，才開始進入上述第一實施例或第二實施例之光學測距方法；否則，該光學測距系統1進入一閒置模式；其中，判斷一影像中是否存在物件的方式已為習知，例如判斷是否有預設數目的像素灰階值大於一預設門檻值，故於此不再贅述。
此外，此處所謂閒置模式可為熄滅光源、於該第一曝光時間(例如短曝光時間)停止擷取影像、不根據兩張影像F重組一張待計算影像Fm、不計算物件距離等至少其中之一，藉以降低系統耗能及資源。
如第9A圖所示，當第三實施例應用於第一實施例時且當離開閒置模式而進入一操作模式(即如第4A圖所示)後，若該處理單元13根據該第二暗影像(即以該第二曝光時間ETH 相對該光源15熄滅時所擷取的影像)判斷不存在一物件影像(例如物件離開該影像感測器11之視野範圍)，該光學測距系統1再進入該閒置模式。
如第9B圖所示，當第三實施例應用於第二實施例時且當離開閒置模式而進入一操作模式(即如第5圖所示)後，若該處理單元13根據該第二暗影像(例如Fd2 )判斷不存在一物件影像(例如物件離開該影像感測器11之視野範圍)，該光學測距系統1再進入一閒置模式。
上述各實施例中，該處理單元13之多工模組133用以分割複數影像F並計算不同影像區域(如第4B圖所示)之信號特徵，例如訊雜比或平均亮度，以輸出一待計算影像Fm供該距離計算單元135計算至少一物件距離D。第一實施例中，該曝光控制單元131以預設的曝光時間控制該影像感測器11擷取不同影像(例如FL 及FH )，且該曝光控制單元131控制該影像感測器11擷取不同影像的曝光時間係為預設的固定值(例如第4A圖之ETL 、ETH )。第二實施例中，該曝光控制單元131控制該影像感測器11擷取不同影像(例如Fb1 、Fd1 、Fb2 、Fd2 )的短曝光時間(例如L1~L5)及長曝光時間(例如H1~H5)為可變值，以進一步增加可偵測動態範圍。第三實施例中，當一參考曝光時間ETr所擷取之一參考暗影像Frd未包含一物件影像時，該光學測距系統1則操作於一閒置模式，或者於操作模式時未偵測到以一長曝光時間(例如第二曝光時間ETH 或H1~H5)所擷取之一暗影像包含一物件影像時，該光學測距系統1則再度進入該閒置模式，以節省系統耗能及資源。
綜上所述，習知光學測距系統存在無法精確測量不同位置之複數待測物距離的問題，尤其於量測遠距離待測物時可能出現無法量測的情形。因此，本發明另提供一種光學測距系統(第1、2圖)及光學測距方法(第4A~4B、5、7、9A~9B圖)，其透過時間多工曝光機制以同時保留不同距離之待測物的影像資料，藉以增進計算精確度。
雖然本發明已以前述實例揭示，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‧‧‧光學測距系統
11‧‧‧影像感測器
13‧‧‧處理單元
131‧‧‧曝光控制單元
133‧‧‧多工模組
135‧‧‧距離計算單元
F‧‧‧影像
Fm‧‧‧待計算影像
D‧‧‧物件距離

Claims (20)

  1. 一種光學測距系統，包含：一光源，以一操作頻率發光；一影像感測器，以一第一曝光時間相對該光源點亮時擷取一第一亮影像及相對該光源熄滅時擷取一第一暗影像並以一第二曝光時間相對該光源點亮時擷取一第二亮影像及相對該光源熄滅時擷取一第二暗影像，其中該第二曝光時間大於該第一曝光時間；以及一處理單元，用以接收該第一亮影像、該第一暗影像、該第二亮影像及該第二暗影像，並根據該第一暗影像之一第一平均亮度調整該第一曝光時間並根據該第二暗影像之一第二平均亮度調整該第二曝光時間。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之光學測距系統，其中該處理單元另用以計算該第一亮影像與該第一暗影像之一第一差分影像；計算該第二亮影像與該第二暗影像之一第二差分影像；分割該第一差分影像為複數第一影像區域；分割該第二差分影像為複數第二影像區域；比較相對應的該等第一影像區域與該等第二影像區域之信號特徵；以及將該信號特徵較大之該等第一影像區域與該信號特徵較大之該等第二影像區域組合為一組合影像。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之光學測距系統，其中該處理單元另根據該組合影像計算至少一物件距離。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之光學測距系統，其中該等第一影像區域及該等第二影像區域中，係根據一動態門檻值區分訊號資料及雜訊資料，該訊號資料及該雜訊資料係用以計算一訊雜比以作為該信號特徵。
  5. 如申請專利範圍第2至4項其中一項所述之光學測距系統，其中每一該等第一影像區域為該第一差分影像之一列像素區域、複數列像素區域、一行像素區域、複數行像素區域或一矩形像素區域；以及每一該等第二影像區域為該第二差分影像之一列像素區域、複數列像素區域、一行像素區域、複數行像素區域或一矩形像素區域。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之光學測距系統，其中該處理單元另用以控制該影像感測器交替地以該第一曝光時間及該第二曝光時間進行影像擷取。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之光學測距系統，其中該處理單元用以將該第一平均亮度與一第一上閾值及一第一下閾值比較以調整該第一曝光時間，並將該第二平均亮度與一第二上閾值及一第二下閾值比較以調整該第二曝光時間。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之光學測距系統，其中該第一上閾值大於該第二下閾值。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之光學測距系統，其中當該處理單元根據該第二暗影像判斷不存在一物件影像時，該光學測距系統進入一閒置模式。
  10. 一種光學測距系統，包含：一光源，以一操作頻率發光；一影像感測器，以一第一曝光時間相對該光源點亮時擷取一第一亮影像及相對該光源熄滅時擷取一第一暗影像並以一第二曝光時間相對該光源點亮時擷取一第二亮影像及相對該光源熄滅時擷取一第二暗影像，其中該第二曝光時間大於該第一曝光時間；以及一處理單元，用以接收該第一亮影像、該第一暗影像、該第二亮影像及該第二暗影像，並根據該第二暗影像中一物件影像尺寸調整該第二曝光時間。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之光學測距系統，其中該處理單元另用以計算該第一亮影像與該第一暗影像之一第一差分影像；計算該第二亮影像與該第二暗影像之一第二差分影像；分割該第一差分影像為複數第一影像區域；分割該第二差分影像為複數第二影像區域；比較相對應的該等第一影像區域與該等第二影像區域之信號特徵；以及將該信號特徵較大之該等第一影像區域與該信號特徵較大之該等第二影像區域組合為一組合影像。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之光學測距系統，其中該處理單元另根據該組合影像計算至少一物件距離。
  13. 如申請專利範圍第11項所述之光學測距系統，其中該等第一影像區域及該等第二影像區域中，係根據一動態門檻 值區分訊號資料及雜訊資料，該訊號資料及該雜訊資料係用以計算一訊雜比以作為該信號特徵。
  14. 如申請專利範圍第11至13項其中一項所述之光學測距系統，其中每一該等第一影像區域為該第一差分影像之一列像素區域、複數列像素區域、一行像素區域、複數行像素區域或一矩形像素區域；以及每一該等第二影像區域為該第二差分影像之一列像素區域、複數列像素區域、一行像素區域、複數行像素區域或一矩形像素區域。
  15. 如申請專利範圍第10項所述之光學測距系統，其中該處理單元另用以控制該影像感測器交替地以該第一曝光時間及該第二曝光時間進行影像擷取，且該第一曝光時間固定。
  16. 如申請專利範圍第10項所述之光學測距系統，其中當該物件影像尺寸大於一上閾值時，調降該第二曝光時間；以及當該物件影像尺寸小於一下閾值時，調升該第二曝光時間。
  17. 如申請專利範圍第10項所述之光學測距系統，其中當該處理單元根據該第二暗影像判斷不存在一物件影像時，該光學測距系統進入一閒置模式。
  18. 一種光學測距系統，包含：一影像感測器，以一參考曝光時間擷取一參考暗影像、以一第一曝光時間擷取一第一影像並以一第二曝光時間 擷取一第二影像，其中該第二曝光時間大於該第一曝光時間；一處理單元，用以當判斷該參考暗影像中存在一物件影像時，控制該影像感測器交替地以該第一曝光時間擷取該第一影像並以該第二曝光時間擷取該第二影像；以及當判斷該參考暗影像中不存在任何物件影像時，控制該影像感測器以該參考曝光時間擷取一另參考暗影像。
  19. 如申請專利範圍第18項所述之光學測距系統，其中該處理單元另用以分割該第一影像為複數第一影像區域並計算每一該等第一影像區域之一第一信號特徵；分割該第二影像為複數第二影像區域並計算每一該等第二影像區域之一第二信號特徵；比較每一該等第一影像區域之該第一信號特徵與相對應之該第二影像區域之該第二信號特徵；以及將該第一信號特徵大於該第二信號特徵之該等第一影像區域與該第二信號特徵大於該第一信號特徵之該等第二影像區域組合成一組合影像。
  20. 如申請專利範圍第18項所述之光學測距系統，其中該參考曝光時間等於該第二曝光時間。
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