TWI564754B - 空間運動感測器與空間運動感測方法 - Google Patents

Description

空間運動感測器與空間運動感測方法

本發明是有關於一種空間運動感測技術，特別關於一種空間運動感測器與空間運動感測方法。

隨著電子裝置的蓬勃發展，用以輸入指令之操作元件成為不可或缺的周邊設備。操作元件可依據使用者的動作或手勢變化而對指定對象進行操作程序。依照操作方式的不同，目前廣泛應用之操作元件有滑鼠、無線空中飛鼠與體感控制器等裝置。

一般之滑鼠係於一表面上滑動以決定其操縱方向與距離，因此無法分析三維空間之輸入。無線空中飛鼠為內建陀螺儀或重力感測器之裝置，其利用陀螺儀或重力感測器的慣性運動與角速度回推使用者的動作，然而此慣性運動或角速度之變化並非直覺性控制。

另外，體感控制器係利用偵測待測物之外觀變化而推算其運動。一般之體感控制器係利用紅外光投射至一物體，再利用感測器感測被物體反射的紅外光，藉以分析出該物體隨時間的運動情況。然而因投射至物體的紅外光會因距離或 角度而造成投射狀況不同，且紅外光也會隨投射距離增加而減弱，因此其會形成一最佳感測範圍。離開其範圍，則感測效率便會下降或感測失效。且紅外光需具較大的功率才能清楚地投射至空間中，因此也會造成過多的能耗。

綜合上述，因上述各操作元件仍存在不便性，因此如何設計出能夠改善上述缺陷之操作元件為目前業界所努力的方向。

本發明提供一種空間運動感測器，包含一影像感測裝置、一鏡頭、一擴散件、一參考光源與一影像處理器。擴散件置於影像感測裝置與鏡頭之間。參考光源提供參考光至擴散件，且擴散件將參考光導引至影像感測裝置。鏡頭將一景物成像於擴散件以形成一影像。影像感測裝置接收該參考光與該影像之一光學資訊。影像處理器電性連接影像感測裝置，以分析影像感測裝置所接收之參考光與影像的光學資訊。

本發明另提供一種空間運動感測方法，包含下列步驟：將一景物透過一鏡頭而成像於擴散件以形成一影像；提供參考光至擴散件；感測參考光與擴散件之影像之一光學資訊；以及分析被感測之參考光與影像的光學資訊。

由於本發明之空間運動感測器與方法係利用鏡頭將空間中的景物成像至擴散件上，因此在本發明的架構下可直接地接收或感測由擴散件所形成之影像以及由擴散件所引導而來的參考光，而得到其光學資訊，因此可增加影像分析的參 考資訊，進而可減少空間運動感測器誤判的情形。另外，因在本發明中，參考光係投射於擴散件上，並非投射至空間(景物)中，因此其功率不需太大，可節省空間運動感測器的能耗。

100‧‧‧空間運動感測器

110‧‧‧影像感測裝置

120‧‧‧鏡頭

130‧‧‧擴散件

132‧‧‧透明件

134‧‧‧鍍膜層

136‧‧‧基板

138‧‧‧微結構

140‧‧‧參考光源

142‧‧‧參考光

150‧‧‧影像處理器

160‧‧‧第一時脈器

170‧‧‧第二時脈器

180‧‧‧透鏡

200‧‧‧控制器

300‧‧‧輸入元件

900‧‧‧景物

910‧‧‧主景物

920‧‧‧背景

930‧‧‧干擾景物

I、Ia、Ib、Ic、I1、I2、I3、I4、I5‧‧‧影像

S10、S20、S30、S40‧‧‧步驟

T0、T1、T2、T3、T4、T5‧‧‧時間

第1圖為本發明一實施方式之空間運動感測器的示意圖；第2圖為本發明一實施方式之空間運動感測方法的流程圖；第3A圖為第1圖之景物於一實施例的示意圖；第3B圖為第3A圖之景物於擴散件所形成之影像的正視圖；第4圖為應用第1圖之空間運動感測器於空間運動感測一實施例的時序圖；第5圖為第1圖之擴散件之一實施方式的側視示意圖；第6圖為第1圖之擴散件之另一實施方式的側視示意圖；第7圖為本發明一實施方式之空間運動感測器應用於控制器與景物的示意圖；以及第8圖為本發明一實施方式之空間運動感測器應用於滑鼠與主景物的示意圖。

以下將以圖式揭露本發明的複數個實施方式，為明確說明起見，許多實務上的細節將在以下敘述中一併說明。 然而，應瞭解到，這些實務上的細節不應用以限制本發明。也就是說，在本發明部分實施方式中，這些實務上的細節是非必要的。此外，為簡化圖式起見，一些習知慣用的結構與元件在圖式中將以簡單示意的方式繪示之。

第1圖為本發明一實施方式之空間運動感測器 100的示意圖。空間運動感測器100包含影像感測裝置110、鏡頭120、擴散件130、參考光源140與影像處理器150。擴散件130置於影像感測裝置110與鏡頭120之間。參考光源140提供參考光142至擴散件130，且擴散件130將參考光142導引至影像感測裝置110。鏡頭120將一景物900成像於擴散件130以形成至少一影像I。影像感測裝置110接收參考光142與影像I兩者的一光學資訊，在本實施例中，光學資訊可以是指亮度分佈的資訊，當然亦可依據實際需求而是其他的光學資訊，例如是一彩度分佈的資訊，不以此為限。影像處理器150電性連接影像感測裝置110，以分析影像感測裝置110所接收之參考光142與影像I兩者的光學資訊，以得知當空間運動感測器100產生運動時，其相對於景物900之一運動資訊(motion information)，其中運動資訊可以是運動所產生的移動距離、移動方向、運動後的相對座標位置等資訊，或者其他因運動(例如，轉動或振動等運動)所可知道的特徵資訊皆涵蓋在本發明之範疇中。

在操作上，請一併參照第2圖，其為本發明一實 施方式之空間運動感測方法的流程圖。如步驟S10所示，將景物900透過鏡頭120而成像於擴散件130以形成一影像I。具體而言，鏡頭120能夠將空間中的景物900成像於擴散件130，亦 即將N維資訊轉換為N-1維度資訊。本實施例中以立體(三維)資訊轉換為平面(二維)資訊為例，但是不以此為限。其中，這裡所稱的三維/二維資訊的選擇可依據實際需求而設定不同之參數，舉例來說，三維資訊可以是指位置資訊、距離資訊與形狀資訊，且二維資訊可以是指位置資訊與角度資訊，但不以此為限。舉例來說，在矩形螢幕的例子中，該螢幕所產生的畫面亦為一矩形的發光源，當空間運動感測器100正對該螢幕時，空間運動感測器100的擴散件130所呈的影像亦為矩形，但是當空間運動感測器100與該螢幕呈一角度時，該擴散件130所呈的影像就會轉變成梯形，因此，由上可以由其影像之形狀變化推得角度變化。

另外，再舉例說明，景物900可以被定義為主景 物(Scenery)910與背景920，其於擴散件130上分別形成影像Ia與Ib，其中為了清楚起見，第1圖之背景920以網點形式呈現為例，其表示空間中除了主景物910外的其他景物。當主景物910於擴散件130之影像Ia在改變時，空間運動感測器100便能夠感測到其運動的移動或形狀尺寸的變化。在一些實施方式中，主景物910可為由發光體或反光體所產生之景物，例如可以是由電視機螢幕所產生的畫面、光源或投影布幕所產生的畫面，當然亦可以是實際物體所產生之景物或者三維影像所對應之景物等等，在這個實施例中，影像Ia之亮度會比影像Ib之亮度高。在另外一些實施方式中，主景物910可為非發光體，且主景物910可遮住進入鏡頭120之光，因此影像Ia之亮度會比影像Ib之亮度低。

接著，如步驟S20所示，提供參考光142至擴散件 130。具體而言，參考光142可照射至擴散件130整體，其例如可調整影像I之對比或亮度。在一些實施方式中，參考光142可為脈衝光，亦即參考光142並不是持續照射至擴散件130上，而是間隔地照射至擴散件130上，本實施例以週期性的脈衝光為例，但不以此為限。另外，參考光142可為可見光(其波長為約400奈米至約700奈米)或者近紅外光(其波長為約700奈米至約2500奈米)，然而本發明不以此為限。

接著，如步驟S30所示，感測參考光142與擴散件 130之影像I之一光學資訊。具體而言，擴散件130將參考光142導引(例如反射)至影像感測裝置110，且影像I亦被影像感測裝置110所感測，因此影像感測裝置110能夠感測參考光142與影像I兩者於擴散件130上之光學資訊，例如是亮度分佈或彩度分佈，但不以此為限。而在一些實施方式中，若參考光142為脈衝光，則影像感測裝置110能依時序感測具參考光142與不具參考光142之亮度分佈，可增加對應背景920之影像Ib的辨識度。

在本實施方式中，影像感測裝置110可以是光電 轉換元件陣列(未繪示)。光電轉換元件能將光能量轉換為電訊號。照射至光電轉換元件的光強度越強，則電訊號越強，反之則越低。因此當影像感測裝置110感測影像I與參考光142時，每一光電轉換元件所接收到的光強度不同，便可得出感測當時擴散件130上光學資訊。

接著，如步驟S40所示，分析被(影像感測裝置 110)感測之影像I與參考光142的光學資訊。具體而言，藉由對應主景物910之影像Ia於擴散件130上的運動方向與尺寸變化，影像處理器150可判斷主景物910於空間中的運動方向。 舉例而言，影像Ia於擴散件130上的運動可對應至主景物910於空間中的平面運動，而影像Ia於擴散件130上的尺寸變化可對應至主景物910於空間中的遠近變化，例如尺寸變小則表示主景物910遠離空間運動感測器100，而尺寸變大則表示主景物910接近空間運動感測器100。承上舉例，透過分析上述之光學資訊以得知空間運動感測器100相對於景物900之運動資訊，以做後續應用。然而上述之分析方法僅為例示，並非用以限制本發明。本發明所屬領域具通常知識者，可視實際需要，彈性選擇分析方式與配合之演算法。

綜合上述，本實施方式之空間運動感測器100與 方法係利用鏡頭120將空間中的景物900成像至擴散件130上，因此在此架構下可直接地接收或感測由擴散件130所形成之影像I以及由擴散件130所引導而來的參考光142，而得到其光學資訊，因此可增加影像分析的參考資訊，進而可減少空間運動感測器100誤判的情形。另外，因在本實施例中，參考光142係投射於擴散件130上，並非投射至空間(景物900)中，因此其功率不需太大，可節省空間運動感測器100的能耗。

請回到第1圖，在一些實施方式中，空間運動感 測器100可更包含第一時脈器160，其電性連接影像感測裝置110。第一時脈器160控制影像感測裝置110之一取樣頻率。舉 例而言，取樣頻率可為60Hz，亦即影像感測裝置110一秒可感測(取樣)60次，然而本發明不以此為限。另外，空間運動感測器100可更包含一第二時脈器170，其電性連接參考光源140。 第二時脈器170控制參考光源140之一發光頻率，亦即參考光142可為脈衝光，而發光頻率則為脈衝光之頻率，本實施例之參考光142以週期性脈衝光為例，但不以此為限。

上述之設置有助於增進空間運動感測器100的準 確度。舉例而言，請一併參照第3A圖與第3B圖，其中第3A圖為第1圖之景物900於一實施例的示意圖，第3B圖為第3A圖之景物900於擴散件130所形成之影像I的正視圖。在本實施例中，景物900更具有一干擾景物930，而背景920以網點形式呈現為例，其表示空間中除了主景物910與干擾景物930外的其他景物。干擾景物930於擴散件130上形成影像Ic，其中為了清楚起見，第3B圖之影像Ia與Ic係大致分別描繪主景物910與干擾景物930之正面輪廓，且忽略主景物910與干擾景物930投影至擴散件130上的影像變形。干擾景物930例如具有能夠反光的表面，其影像Ic之亮度介於影像Ia與影像Ib之亮度之間，因此第1圖之影像處理器150可能會誤將影像Ic判斷為主要分析目標，而應用上述之設置即可改善此問題。

具體而言，請一併參照第1圖、第3B圖與第4圖， 其中第4圖為應用第1圖之空間運動感測器100於空間運動感測一實施例的時序圖。以第3B圖之實施例為例，影像Ia於擴散件130上運動，因此當時間T1至時間T5時，影像Ia往擴散件130的右方運動。影像感測裝置110於每一時間點(即時間T1~T5) 皆感測一次，若時間T0~T5為一秒，則第一時脈器160之取樣頻率為5Hz。另外，參考光源140於時間T1、T3~T4時為關閉狀態，而在時間T2、T5時為開啟狀態，因此第二時脈器170之發光頻率為約1.6Hz。

在時間T1、T3~T4時，參考光源140為關閉狀態， 因此影像感測裝置110所感測到的光學資訊(在本實施例中例如為亮度分佈)即分別為影像I1、I3與I4的光學資訊。而在時間T2、T5時，參考光源140為開啟狀態，參考光源140能夠將擴散件130整體打亮。若第3B圖之影像Ib與Ic之亮度皆小於參考光142的亮度，則影像Ib與Ic於時間T2與T5中皆成為影像雜訊，因此影像處理器150在分析時間T2與T5的光學資訊時，可較容易分辨出影像Ia。而進一步將時間T1~T5所分別取得的光學資訊作分析，則可判斷出於時間T1、T3與T4中，影像Ic並非為主要的分析目標。另外，時間T1~T5所分別取得的光學資訊亦可作其他的聯集、差集、交集、相加、相減、相除或相乘分析，以取得更多資訊。換句話說，加入參考光142後，空間運動感測器100不但可主要分析主景物910的運動狀態，亦可加入主景物910與背景920(干擾景物930)之間的相對分析。

然而上述之實施例僅為例示，在其他的實施方式 中，取樣頻率可小於發光頻率。基本上，只要取樣時序與發光時序不同步，例如取樣頻率不同於發光頻率，或者取樣時序與發光時序具有相位差，使得影像感測裝置110能夠取得具參考光142與不具參考光142時的亮度分佈，皆有助於主景物910與背景920(干擾景物930)之間的相對分析。

接著請參照第5圖，其為第1圖之擴散件130之一 實施方式的側視示意圖。在本實施方式中，擴散件130可讓部分的光穿透，讓部分的光反射，例如該擴散件130可以是分光鏡或偏振片。分光鏡可以例如是帶通或高通或低通分光鏡，其中低通分光鏡例如是一減光鏡。偏振片例如可以是圓偏或線偏之偏振片等等。另，擴散件130的選擇可依據實際需求而定，例如當主景物910(如第1圖所繪示)較多是由液晶電視或液晶螢幕所產生時，其可搭配的擴散片130可以是偏振片，而得到較佳的效果。又例如當主景物910較多是由投影機之投影布幕所產生時，其可搭配的擴散片130可以是減光片。再者，在擴散件130的結構上，舉例而言，擴散件130可包含透明件132與鍍膜層134，鍍膜層134位於透明件132上。鍍膜層134例如可為疊層結構，其係利用多層材質的週期性堆疊以產生部分光穿透、部分光反射的功效。此種擴散件130可應用於較高亮度對比之景物900(如第1圖所繪示)，例如主景物910(如第1圖所繪示)可為電視螢幕。

接著請參照第6圖，其為第1圖之擴散件130之另 一實施方式的側視示意圖。在本實施方式中，擴散件130可以為一光柵，例如是一全像光柵。舉例而言，擴散件130可包含基板136與複數個微結構138，微結構138設置於基板136上。 微結構138可呈週期性排列，其可反射特定波長或偏振方向的光。此種擴散件130可應用於發偏振光之主景物910(如第1圖所繪示)，例如電視螢幕。而在其他的實施方式中，微結構138可排成特定結構，使得當參考光142照射至微結構138後產生 繞射，其可於影像感測裝置110上形成光斑，有助於增加影像處理器150的分析準確性。

請回到第1圖。一或多個實施方式中，參考光源 140可為發光二極體或雷射。另外，空間運動感測器100可更包含透鏡180，置於影像感測裝置110與擴散件130之間。透鏡180能夠將擴散件130上之影像I聚集至影像感測裝置110上。

接著請一併參照第1圖與第7圖，其中第7圖為本 發明一實施方式之空間運動感測器100應用於控制器200與景物900的示意圖。在本實施方式中，空間運動感測器100可與控制器200組合。舉例而言，景物900中的主景物910可以例如是電視機螢幕所產生的畫面、光源或投影布幕所產生的畫面，當然亦可以是實際物體所產生之景物或者三維影像所對應之景物，當然亦可以是智慧型裝置(如手機或平件電腦)的螢幕所產生的畫面，不以此為限。在此以該主景物910是由一影像裝置(螢幕或投影機)所產生為例，當控制器200對著主景物910時，主景物910會在空間運動感測器100之擴散件130上成像為影像Ia(其亮度大於影像Ib的亮度)。而隨著控制器200的運動，例如使用者手持控制器200運動(上下左右移動或轉動其控制器的角度等等，影像Ia也會在擴散件130上相對產生運動與變化(例如形狀變化)，因此影像感測裝置110便會隨時間接收到影像I之不同的光學資訊(如亮度分佈或彩度分佈)。藉由影像處理器150的運算，空間運動感測器100即可透過使用者的手勢變化而後續控制產生主景物910之影像裝置(螢幕或投影機)上主景物910之指標進行選取或滑動的動作之控制。其中， 空間運動感測器100對影像裝置(螢幕或投影機)可以透過有線或者無線等方式進行，在此不受限制。

舉例而言，當使用者手持控制器200往第7圖之圖 面右方運動時，影像裝置(即主景物910)於空間運動感測器100之擴散件130上的影像Ia會往擴散件130左方運動。而在影像處理器150經過運算後，其運算結果可(藉由空間運動感測器100或控制器200)回饋至影像裝置中，使得影像裝置可控制於其螢幕中的指標同步往螢幕右方滑動。如此一來，即可利用空間運動感測器100與控制器200控制影像裝置(例如為電視、螢幕、投影機、智慧型顯示裝置等)之指標的運動。

接著請一併參照第1圖與第8圖，其中第8圖為本 發明一實施方式之空間運動感測器100應用於輸入元件300與主景物910的示意圖。在本實施方式中，空間運動感測器100可與輸入元件300(例如滑鼠)組合，而輸入元件300可連接至電腦或智慧型裝置。舉例而言，主景物910可為使用者的手。當手靠近空間運動感測器100時，手會遮住部分進入空間運動感測器100的光，因此會在空間運動感測器100之擴散件130上成像為影像Ia(其亮度小於影像Ib的亮度)。而隨著手的運動或手勢改變，影像Ia也會在擴散件130上運動或改變形狀，因此影像感測裝置110便會隨時間接收到影像I之不同的光學資訊(如亮度分佈)。藉由影像處理器150的運算，空間運動感測器100即可透過使用者的手勢變化而對電腦或智慧型裝置進行選取或指標滑動的動作。

舉例而言，使用者的手可往第8圖之圖面左方運 動，因此影像Ia也會在擴散件130上運動。而在影像處理器150經過運算後，其運算結果便藉由輸入元件300輸入至上述之電腦或智慧型裝置中，以完成輸入程序。另外，當手張開或彎曲時，其形成之影像Ia的面積與輪廓皆不相同，此差異處可被判斷為不同的輸入指令。如此一來，即使手不直接接觸輸入元件300(例如操作滑鼠)，空間運動感測器100仍能夠藉由讀取手勢變化而提供對應的輸入訊號。另外，第8圖之滑鼠僅為例示，並非用以限定本發明。本發明所屬領域具通常知識者，可視實際需求，彈性選擇輸入元件300的種類。

因此，在第7圖與第8圖的應用中，空間運動感測 器100皆是直接以影像Ia在擴散件130上的運動與尺寸變化以判定其運動軌跡。相較於傳統使用陀螺儀或重力傳感器的控制器，上述實施方式之空間運動感測器100的使用更具直覺性。 再加上空間運動感測器100並不需要提供額外的紅外光打至主景物910上，能夠降低空間運動感測器100本身的能耗，而且也不會有紅外光之最佳感測距離的限制。

綜合上述，本發明各實施方式之空間運動感測器 係利用鏡頭將空間中的景物成像至擴散件上，因此在本發明的架構下可直接接收或感測由擴散件所形成之影像以及由擴散件所引導而來的參考光，而得到其光學資訊，因此可增加影像分析的參考資訊，進而可減少空間運動感測器誤判的情形。而且，因參考光係投射於擴散件上，並非投射至空間(景物)中，因此其功率不需太大，可節省空間運動感測器的能耗。在一些 實施方式中，具光斑的參考光亦有助於增加影像處理器的分析準確性。而相較於傳統使用陀螺儀或重力傳感器的控制器，各實施方式之空間運動感測器的使用更具直覺性。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，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。

100‧‧‧空間運動感測器

110‧‧‧影像感測裝置

120‧‧‧鏡頭

130‧‧‧擴散件

140‧‧‧參考光源

142‧‧‧參考光

150‧‧‧影像處理器

160‧‧‧第一時脈器

170‧‧‧第二時脈器

180‧‧‧透鏡

900‧‧‧景物

910‧‧‧主景物

920‧‧‧背景

I、Ia、Ib‧‧‧影像

Claims (12)

1. 一種空間運動感測器，包含：一影像感測裝置；一鏡頭；一擴散件，置於該影像感測裝置與該鏡頭之間；一參考光源，提供一參考光至該擴散件，且該擴散件將該參考光導引至該影像感測裝置，其中，被導引至該影像感測裝置的該參考光之光路與該鏡頭相隔離，且該鏡頭將一景物成像於該擴散件以形成一影像，該影像感測裝置接收該參考光與該影像之一光學資訊；以及一影像處理器，電性連接該影像感測裝置，以分析該影像感測裝置所接收之該參考光與該影像的該光學資訊。
2. 如請求項1所述之空間運動感測器，其中該光學資訊為一亮度分布或一彩度分布。
3. 如請求項1所述之空間運動感測器，其中該擴散件為一分光鏡或一偏振片。
4. 如請求項1所述之空間運動感測器，其中該擴散件為一光柵。
5. 如請求項1所述之空間運動感測器，更包含：一第一時脈器，電性連接該影像感測裝置，以控制該影像感測裝置之一取樣頻率。
6. 如請求項1所述之空間運動感測器，更包含：一第二時脈器，電性連接該參考光源，以控制該參考光源之一發光頻率，使該參考光為一脈衝光。
7. 如請求項1所述之空間運動感測器，更包含：一透鏡，置於該影像感測裝置與該擴散件之間。
8. 如請求項1所述之空間運動感測器，其中該參考光為近紅外光或可見光。
9. 如請求項1所述之空間運動感測器，其中該影像處理器分析該光學資訊以得知該空間運動感測器相對於該景物之一運動資訊。
10. 一種空間運動感測方法，包含：將一景物透過一鏡頭而成像於一擴散件以形成一影像；提供一參考光至該擴散件；感測該參考光與該擴散件之該影像之一光學資訊，其中被感測之該參考光之光路與該鏡頭相隔離；以及分析被感測之該參考光與該影像的該光學資訊。
11. 如請求項10之空間運動感測方法，更包含：控制該參考光之一發光頻率，使該參考光為一脈衝光。
12. 如請求項10之空間運動感測方法，其中，分析被感測之該參考光與該影像的該光學資訊以得知該景物之一運動資訊。