TWI549506B - 光學偵測裝置及其同步調整方法 - Google Patents

Description

光學偵測裝置及其同步調整方法

本發明係提供一種光學偵測裝置，尤指一種成本低廉的光學偵測裝置及其同步調整方法。

為了抵抗背景光源雜訊，傳統的光學偵測裝置通常會使用具特定閃爍頻率的參考點，方便光學偵測裝置濾除雜訊。為了讓影像感測器可擷取該特定閃爍頻率的參考點，依據影像感測器的曝光時序與參考點的閃爍時序是否同步，可分為同步閃爍和非同步閃爍兩種偵測方法。傳統的同步閃爍技術係先由光學偵測裝置發出一訊號，該訊號由參考點的收發端接收後，再依據訊號接收時間調整參考點的閃爍時序，使其同步於影像感測器的曝光時序。然而此方法需在參考點設置訊號收發器，具有成本昂貴的缺點。

本發明係提供一種成本低廉的光學偵測裝置及其同步調整方法，以解決上述之問題。

本發明之申請專利範圍係揭露一種光學偵測裝置的同步調整方法，用來將一影像感測器的曝光時序同步於一參考光源的閃爍時序。該方法包含有依循一預設週期擷取一連續影像組，分析該 連續影像組之亮度變化，以及根據該亮度變化調整該影像感測器的曝光時序，以使該影像感測器的曝光時序同步於該參考光源的閃爍時序。

本發明之申請專利範圍另揭露一種光學偵測裝置，用來讀取一參考光源以濾除雜訊。該光學偵測裝置包含有一影像感測器以及一控制單元。該影像感測器依循一預設週期擷取一連續影像組。該控制單元電連接該影像感測器。該控制單元分析該連續影像組之亮度變化，並根據該亮度變化調整該影像感測器的曝光時序，以調整該影像感測器的曝光時序同步於該參考光源的閃爍時序。

本發明之申請專利範圍另揭露一種光學偵測裝置，用來讀取一參考光源以濾除雜訊。該光學偵測裝置包含有一影像感測器以及一控制單元。一影像感測器，具有第一、第二操作模式，其中第一操作模式的曝光時序大於該第二操作模式的曝光時序。該控制單元電連接該影像感測器，並控制該影像感測器操作於該第一操作模式，以依循一預設週期擷取一連續影像組。該控制單元另分析該連續影像組之亮度變化，根據該亮度變化調整該影像感測器的曝光時序，以使該影像感測器的曝光時序同步於該參考光源的閃爍時序。其中，該控制單元於該影像感測器的曝光時序同步於該參考光源的閃爍時序後控制該影像感測器操作於該第二操作模式。

本發明不需在參考光源設置額外的訊號接收器，光學偵測裝置之控制單元可依據所擷取的參考點閃爍狀態直接調整影像感測器的曝光時序，達到影像感測器和參考光源的時序同步，故可有效降低元件數量及製造成本，提高產品的市場競爭力。

10‧‧‧光學偵測裝置

12‧‧‧電子裝置

14‧‧‧參考光源

16‧‧‧影像感測器

18‧‧‧控制單元

20‧‧‧資料庫

R‧‧‧參考值

R1‧‧‧第一參數

R2‧‧‧第二參數

T‧‧‧時間單位

300、302、304、306、308、310、312、314‧‧‧步驟

第1圖為本發明實施例之光學偵測裝置之功能方塊示意圖。

第2圖為本發明實施例之影像感測器和參考光源的時序比較圖。

第3圖為本發明實施例之調整影像感測器與參考光源之時序同步的流程圖。

請參閱第1圖，第1圖為本發明實施例之一光學偵測裝置10之功能方塊示意圖。光學偵測裝置10係透過光學訊號控制一電子裝置12。為了有效抵抗環境中的背景雜訊，電子裝置12具有一參考光源14，以方便光學偵測裝置10濾除雜訊。光學偵測裝置10包含一影像感測器16、一控制單元18以及一資料庫20，控制單元18電連接於影像感測器16和資料庫20。

本發明之光學偵測裝置10可利用影像感測器16偵測參考光源14所得到的影像亮度變化得知參考光源14的工作週期，進而判斷影像感測器16的曝光時序和參考光源14的閃爍時序是否同步；接著，再讀取預設參考值比較影像的亮度變化，找出影像感測器16之曝光時序和參考光源14之閃爍時序的相位差，以供進行同步調整。

詳細來說，影像感測器16可依循一預設週期擷取一連續影像組，該連續影像組包含參考光源14的亮度變化資訊。控制單元18接著可比較一個參考值R與該連續影像組之亮度變化，並依據比較結果移動影像感測器16的曝光時序，藉此將影像感測器16 的曝光時序調整為同步於參考光源14的閃爍時序，其中參考值R可以是儲存於資料庫20之中，或者儲存於一個暫存器(register)或其他儲存元件之中。

由於該連續影像組的每一張影像都具有多個亮度參數，為了便於計算，本發明較佳地可針對每張影像預作處理，從每張影像取得一個或多個代表亮度。再將該連續影像組簡化後的多組代表亮度相對於參考值R進行比較，以從多組代表亮度的強度或順序變化來判斷曝光時序和閃爍時序是否同步。

對影像預作處理的方式例如可透過控制單元18先設定影像感測器16之像素陣列的局部區域或全部區域，例如最上方的數條像素列，把此局部區域的所有像素的亮度值加總，即得到每張影像的代表亮度。在尚未進行時序同步調整前，影像感測器16的曝光時序可能同步或不同步於參考光源14的閃爍時序，因此連續影像組的多組代表亮度會有數種不同的亮度值變化或亮度排列變化，控制單元18再根據連續影像組的亮暗來延遲或提前影像感測器16之曝光時序，以同步於參考光源14的閃爍時序。

參考值R係依據影像感測器16之曝光時序與參考光源14之閃爍時序的倍率差而設計，並在進行同步調整前需先進行參考值R之設定與存儲。請參閱第2圖，第2圖為本發明實施例之影像感測器16和參考光源14的時序比較圖。影像感測器16之曝光時序較佳地可為參考光源14之閃爍時序的整數倍。舉例來說，如第2(a)圖所示，影像感測器16的曝光時序可在每兩個時間單位(T)曝光一次，其工作週期實質等於百分之五十；參考光源14的閃爍時序可為 曝光時序的三倍，且閃爍時序的工作週期較佳地略大於百分之五十。

參考值R可包含一第一參數R1與多個第二參數R2，用以代表所擷取影像在不同同步狀態下的亮度標準。舉例來說，第一參數R1為曝光時序同步於閃爍時序的亮度變化，影像感測器16每次的曝光週期皆會完整落在參考光源14的致能區或非致能區，因此第一參數R1由全亮影像和全暗影像的排列組成。另一方面，第二參數R2為曝光時序不同步於閃爍時序的亮度變化，影像感測器16會有至少一次的曝光週期座落在參考光源14的致能區與非致能區中間，故第二參數R2由全亮影像、全暗影像、和非全亮全暗影像的排列所組成。由於影像感測器16的曝光時序在初啟動時可能快於或慢於參考光源14的閃爍時序，故光學偵測裝置10係先將複數種可能的時序差(意即第一參數R1和第二參數R2)預設在資料庫20內以供後續的比對驗證。

如第2(a)圖所示，影像感測器16的曝光時序同步於參考光源14的閃爍時序，因此影像感測器16在前兩個曝光時區才可擷取到參考光源14，第一參數R1即為全亮影像、全亮影像及全暗影像的排列。如第2(b)圖所示，影像感測器16的曝光時序快於參考光源14的閃爍時序，因此影像感測器16每連續影像組的第二個曝光時區僅擷取部份的參考光源14，第三個曝光時區無法擷取到參考光源14，可預設其中一組第二參數R2為全亮影像、半亮影像及全暗影像的排列。如第2(c)圖所示，影像感測器16的曝光時序慢於參考光源14的閃爍時序，因此影像感測器16每連續影像組的第一個曝光時區僅擷取部份的參考光源14，第三個曝光時區無法擷取到參考光源14，故另一組第二參數R2預設為半亮影像、全亮影像及全暗 影像的排列。

如第1圖與第2圖所示，控制單元18係用來分析連續影像組各影像(如前述的三個曝光時區)的至少部份像素的總亮度值或平均亮度值之變化，例如可先設定影像中的欲擷取區域，再把該區域內所有像素的亮度值加總或平均以得到一個數值。再者，控制單元18進一步還可分析連續影像組之各影像的亮度排列變化，意即全亮影像、半亮影像及全暗影像的交錯排列變化，用來比對其是否符合參考值R的第一參數R1或第二參數R2。其中，影像感測器16之曝光時序與參考光源14之閃爍時序的倍率差端視設定需求而定，不限於前述實施例所述的三倍時序差，且參考值R之第一參數R1與第二參數R2亦根據影像感測器16和參考光源14的時序倍率差而有相應變化，故此不再詳加一一敘明。

請參閱第2圖與第3圖，第3圖為本發明實施例之調整影像感測器16之曝光時序同步於參考光源14之閃爍時序的流程圖。第3圖所示之同步調整方法適用於第1圖所示的光學偵測裝置10。首先，執行步驟300，影像感測器16擷取具參考光源14的連續影像組。接著，執行步驟302至步驟304，控制單元18分析連續影像組的亮度變化，並連線到資料庫20讀取參考值R。接著，執行步驟306，控制單元18可先比較連續影像組之亮度變化是否符合第一參數R1，若兩者相符，表示影像感測器16的曝光時序已經同步於參考光源14的閃爍時序，如第2(a)圖所示。故執行步驟308，不調整影像感測器16的曝光時序。其中，第一參數R1可以是連續影像組的最大亮度值或最均勻亮度值，或是依據影像感測器16與參考光源14的時序倍率差所預設的亮度排列。

另一方面，若連續影像組之亮度變化不符合第一參數R1，則執行步驟310，比對第二參數R2與連續影像組之亮度排列。由於參考值R可包含複數個第二參數R2，且不同第二參數R2具有不同的影像明暗排列變化，因此控制單元18將依據連續影像組的亮度排列找出相符的第二參數R2。接著，執行步驟312及步驟314，控制單元18選取具相同亮度排列變化的第二參數R2，並根據此第二參數R2決定是要提前或延遲影像感測器16的曝光時序。如第2(b)圖所示，當辨識出連續影像組的亮度排列為全亮影像、半亮影像和全暗影像的順序組合時，控制單元18可延遲影像感測器16的曝光時序，直至影像感測器16擷取到兩個全亮影像，即表示已將影像感測器16的曝光時序調整為同步於參考光源14的閃爍時序。如第2(c)圖所示，當辨識出連續影像組的亮度排列為半亮影像、全亮影像和全暗影像的順序組合時，控制單元18可提前影像感測器16的曝光時序，使得影像感測器16可擷取到兩個全亮影像，而同步於參考光源14的閃爍時序。

如此一來，本發明之光學偵測裝置10在已知參考光源14之閃爍時序與工作週期的情形下，可依據影像感測器16所擷取連續影像組的亮度值及亮度排列變化調整影像感測器16的曝光時序。每次的時序調整可為三分之一或四分之一個時間單位，然後再次執行第3圖所示的流程，逐步移動影像感測器16的曝光時序以同步於參考光源14的閃爍時序。為了加速同步調整的效率，本發明另可透過控制單元18驅動影像感測器16拉高其曝光時序。詳細來說，影像感測器16可具有第一及第二操作模式，且第一操作模式的曝光時序大於第二操作模式的曝光時序。光學偵測裝置10剛啟動時，控制單 元18係控制影像感測器16操作於第一操作模式，以快速進行影像感測器16和參考光源14的時序同步調整。於影像感測器16之曝光時序同步參考光源14之閃爍時序後，控制單元18再控制影像感測器16操作於第二操作模式，藉此兼顧快速同步調整與節約能源消耗之目的。

若光學偵測裝置10為手持式指向裝置，參考光源14為顯示螢幕的參考點，本發明不需在顯示螢幕裝設額外的訊號接收器去處理同步訊號反饋，光學偵測裝置10可直接依據影像感測器16擷取到的參考光源14的閃爍狀態，調整影像感測器16的曝光時序以達到同步效果。除此之外，若光學偵測裝置10為觸控螢幕的光學感測器，參考光源14為觸控筆的主動光源，觸控筆亦不需具有額外的訊號接收器。光學偵測裝置10在進行時序同步調整時，首先將影像感測器16操作在第一操作模式以高頻方式進行偵測掃瞄，此時光學偵測裝置10僅確認影像中是否有超過亮度門檻的像素，而不去計算超過亮度門檻的像素重心(意即不計算觸控筆的位置)，直到光學偵測裝置10完成相對參考光源14的時序同步調整後，才控制影像感測器16操作在第二操作模式進行後續的重心計算。

相較先前技術，本發明不需在參考光源設置額外的訊號接收器，光學偵測裝置之控制單元可依據所擷取的參考點閃爍狀態直接調整影像感測器的曝光時序，達到影像感測器和參考光源的時序同步，故可有效降低元件數量及製造成本，提高產品的市場競爭力。

300、302、304、306、308、310、312、314‧‧‧步驟

Claims (30)

1. 一種光學偵測裝置的同步調整方法，用來將一影像感測器的曝光時序同步於一參考光源的閃爍時序，該方法包含有：依循一預設週期擷取一連續影像組；分析該連續影像組之亮度變化；以及根據該亮度變化調整該影像感測器的曝光時序的相位，以使該影像感測器的曝光時序同步於該參考光源的閃爍時序。
2. 如請求項1所述之方法，其另包含有：設定該影像感測器之像素陣列的局部區域；加總該局部區域所有像素的亮度值。
3. 如請求項2所述之方法，其中該亮度變化包含該連續影像組之各影像的至少部分像素之總亮度值或平均亮度值之亮度變化，及/或該連續影像組之各影像的亮度排列變化。
4. 如請求項1所述之方法，其中根據該亮度變化調整該影像感測器的曝光時序包含有：連線到一資料庫以讀取一參考值；比較該參考值與該亮度變化；以及依據比較結果來移動該影像感測器的曝光時序。
5. 如請求項4所述之方法，其中該參考值至少具有第一參數，該第一參數為全亮影像和全暗影像的排列變化。
6. 如請求項5所述之方法，其中該參考值進一步具有第二參數，該第二參數為全亮影像、全暗影像、和非全亮全暗影像的排列變化。
7. 如請求項5所述之方法，其另包含有：當該連續影像組之亮度值符合該第一參數，不位移該影像感測器的曝光時序。
8. 如請求項5所述之方法，其另包含有：當該連續影像組之亮度排列符合該第一參數，不位移該影像感測器的曝光時序。
9. 如請求項6所述之方法，其另包含有：當該連續影像組之亮度變化不符合該第一參數，分析該連續影像組之亮度排列以比對該第二參數；以及根據分析結果來位移該影像感測器的曝光時序。
10. 如請求項9所述之方法，其中該參考值包含複數個第二參數，該方法另包含有：由該複數個第二參數中選取相同於該連續影像組之該亮度排列的其中一個第二參數；以及根據該選取第二參數以決定要提前或延遲該影像感測器的曝光時序。
11. 如請求項4所述之方法，其另包含有：依據該影像感測器之曝光時序與該參考光源之閃爍時序的倍率差而設計該參考值；以及 將該參考值於進行同步調整前存儲在該資料庫中。
12. 如請求項8所述之方法，其中該影像感測器之曝光時序實質為該參考光源之閃爍時序的整數倍。
13. 如請求項1所述之方法，其中該閃爍時序的工作週期實質大於百分之五十。
14. 如請求項1所述之方法，其另包含有：提高該影像感測器的曝光時序以擷取該複數個影像。
15. 一種光學偵測裝置，用來讀取一參考光源以濾除雜訊，該光學偵測裝置包含有：一影像感測器，該影像感測器依循一預設週期擷取一連續影像組；以及一控制單元，電連接該影像感測器，該控制單元分析該連續影像組之亮度變化，並根據該亮度變化調整該影像感測器的曝光時序的相位，以使該影像感測器的曝光時序同步於該參考光源的閃爍時序。
16. 如請求項15所述之光學偵測裝置，其中該控制單元設定該影像感測器之像素陣列的局部區域，並加總該局部區域所有像素以得到一亮度值。
17. 如請求項16所述之光學偵測裝置，其中該控制單元係分析該連續影像組各影像的至少部分像素之之總亮度值或平均亮度值之亮度變化，及/或該連續影像組之各影像的亮度排列變化。
18. 如請求項15所述之光學偵測裝置，其另包含有：一資料庫，用以儲存該參考值。
19. 如請求項18所述之光學偵測裝置，其中該控制單元連線到該資料庫讀取該參考值，接著比較該參考值與該亮度變化，以根據比較結果來移動該影像感測器的曝光時序。
20. 如請求項18所述之光學偵測裝置，其中該參考值至少具有第一參數，該第一參數為全亮影像和全暗影像的排列變化。
21. 如請求項20所述之光學偵測裝置，其中該參考值進一步具有第二參數，該第二參數為全亮影像、全暗影像、和非全亮全暗影像的排列變化。
22. 如請求項20所述之光學偵測裝置，其中該控制單元於該連續影像組之亮度值符合該第一參數時，不位移該影像感測器的曝光時序。
23. 如請求項20所述之光學偵測裝置，其中該控制單元於該連續影像組之亮度排列符合該第一參數時，不位移該影像感測器的曝光時序。
24. 如請求項21所述之光學偵測裝置，其中該控制單元於當該連續影像組之亮度變化不符合該第一參數時，分析該連續影像組之亮度排列以比對該第二參數，並根據分析結果來位移該影像感測器的曝光時序。
25. 如請求項24所述之光學偵測裝置，其中該參考值包含複數個第二參數，該控制單元係由該複數個第二參數中選取相同於該連續影像組之該亮度排列的其中一個第二參數，再根據該選取第二參數來提前或延遲該影像感測器的曝光時序。
26. 如請求項15所述之光學偵測裝置，其中該參考值係依據該影像感測器之曝光時序與該參考光源之閃爍時序的倍率差而設計，且在進行同步調整前存儲於該資料庫中。
27. 如請求項26所述之光學偵測裝置，其中該影像感測器之曝光時序實質為該參考光源之閃爍時序的整數倍。
28. 如請求項15所述之光學偵測裝置，其中該閃爍時序的工作週期實質大於百分之五十。
29. 如請求項15所述之光學偵測裝置，其中該控制單元驅動該影像感測器提高曝光時序以擷取該複數個影像。
30. 一種光學偵測裝置，用來讀取一參考光源以濾除雜訊，該光學偵測裝置包含有：一影像感測器，具有第一、第二操作模式，其中第一操作模式的曝光時序大於該第二操作模式的曝光時序；以及一控制單元，電連接該影像感測器，並控制該影像感測器操作於該第一操作模式，依循一預設週期擷取一連續影像組，該控制單元分析該連續影像組之亮度變化，根據該亮度變化調整該影像感測器的曝光時序的相位，以使該影像感測器 的曝光時序同步於該參考光源的閃爍時序；其中，該控制單元於該影像感測器的曝光時序同步於該參考光源的閃爍時序後控制該影像感測器操作於該第二操作模式。