TWI707154B - 用於物體之即時追蹤之裝置、系統及方法 - Google Patents

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Abstract

在一項一般態樣中，一種用於判定一物體之一運動之系統包含經組態以產生該物體上之複數個點之距離及速度量測之一雷射系統及一處理器。該處理器經組態以自該物體上之該複數個點之該等距離及速度量測判定該物體之一旋轉。在一些態樣中，該處理器亦經組態以自該物體上之該複數個點之該等距離及速度量測及該物體之該旋轉判定由該物體在一第一時間與一第二時間之間移動之一距離。

Description

用於物體之即時追蹤之裝置、系統及方法
此描述係關於用於追蹤一物體之系統及方法。
在一些已知系統中，可結合一視訊系統使用一雷射光偵測及測距(LIDAR)系統追蹤物體。一些此等已知系統可係複雜的且難以使用。另外，在一些此等已知系統中，視訊系統可需要光以偵測待追蹤之物體。因此，需要用以解決當前科技之不足且提供其他新穎及創新特徵之系統、方法及設備。
在一項一般態樣中，一種用於判定一物體之一運動之系統包含經組態以產生該物體上之複數個點之距離及速度量測之一雷射系統及一處理器。該處理器經組態以自該物體上之該複數個點之該等距離及速度量測判定該物體之一旋轉。在一些態樣中，該處理器亦經組態以自該物體上之該複數個點之該等距離及速度量測及該物體之該旋轉判定由該物體在一第一時間與一第二時間之間移動之一距離及方向。在一些實施方案中，該處理器經組態以自該物體上之該複數個點之該等距離及速度量測判定由該物體在一第一時間與一第二時間之間在正交於由該雷射系統發射之一雷射光束 之一方向上移動之一距離及方向。在一些實施方案中，該物體係具有一剛體之一物體。
在另一項一般態樣中，一種非暫時性電腦可讀儲存媒體儲存當執行時導致一或多個處理器執行一程序之指令，該程序包括：產生一物體上之複數個點之距離及速度量測；及自該物體上之該複數個點之該等距離及速度量測判定該物體之一旋轉。在一些實施方案中，該程序包含判定由該物體在該第一時間與該第二時間之間移動之一距離及方向。
在另一項一般態樣中，一種方法包含：產生一物體上之複數個點之距離及速度量測；及自該物體上之該複數個點之該等距離及速度量測判定該物體之一旋轉。在一些實施方案中，該方法包含判定由該物體在該第一時間與該第二時間之間移動之一距離及方向。
10:物體
11:點
12:點
13:點
14:點
15:點
20:物體
22:點
30:面部
32:點
100:雷射光偵測及測距(LIDAR)系統
105:雷射系統
110:雷射組
111:雷射
111A:雷射光束/經發射電磁輻射光束
111B:電磁輻射/經反射電磁輻射
112:雷射
112A:雷射光束/經發射電磁輻射光束
112B:電磁輻射光束/經反射電磁輻射
113:雷射
113A:雷射光束/經發射電磁輻射光束
113B:電磁輻射光束/經反射電磁輻射
114:雷射
114A:雷射光束/經發射電磁輻射光束
114B:電磁輻射光束/經反射電磁輻射
115:雷射
115A:雷射光束/經發射電磁輻射光束
115B:電磁輻射光束/經反射電磁輻射
120:接收器組
121:接收器
122:接收器
123:接收器
124:接收器
125:接收器
130:分析模組
132:影像模組
134:比較模組
136:旋轉模組
138:距離模組
139:記憶體裝置
800:方法
810:獲得物體之三維影像
820:在一第一時間T1處觀察物體上之複數個點
830:在一第二時間T2處觀察該複數個點
840:判定該物體在時間T1與時間T2之間之旋轉
850:判定由該物體在時間T1與時間T2之間移動之距離及/或方向
圖1係繪示根據一實施方案之一LIDAR系統之一示意圖。
圖2係繪示根據一實施方案之一例示性處理器之一示意圖。
圖3及圖4繪示根據一實施方案可追蹤之一物體。
圖5至圖7繪示根據一實施方案可追蹤之另一物體。
圖8係繪示根據一實施方案追蹤一物體之一方法之一流程圖。
[相關申請案]
本申請案主張2014年5月21日申請之標題為「Devices,Systems,and Methods for Tracking an Object」之美國臨時申請案第62/001,544號及2014年7月30日申請之標題為「Devices,Systems,and Methods for Real Time Tracking of an Object」之美國臨時申請案第62/030,988號之優先權 及權利，該等申請案之全文以引用的方式併入本文中。
圖1係示意性繪示根據本發明之一態樣之一LIDAR系統100之一圖。LIDAR系統100包含一雷射系統105及一分析模組130。雷射系統105包含一雷射組110及一接收器組120。
LIDAR系統100經組態以追蹤一物體10。舉例而言，在一些實施方案中，LIDAR系統100經組態以自時間T1至時間T2追蹤物體10。在一些實施方案中，LIDAR系統100經組態以判定物體10在時間T1與時間T2之間繞一軸之一旋轉。在一些實施方案中，LIDAR系統100經組態以判定物體10繞至少兩個不同軸之一旋轉。舉例而言，在一些實施方案中，LIDAR系統100經組態以判定物體在時間T1與時間T2之間繞彼此垂直或正交之至少兩個不同軸之一旋轉。在一些實施方案中，LIDAR系統100經組態以判定物體在黑暗中(或在未將物體安置於一光源中使得物體對於人眼可見之情況下)之一旋轉。舉例而言，在一些實施方案中，LIDAR系統100經組態以在物體處於小於10流明之一光場中時判定該物體之一旋轉。
在一些實施方案中，LIDAR系統100亦經組態以判定物體10在時間T1與時間T2之間之移動。舉例而言，在一些實施方案中，LIDAR系統100經組態以判定一物體10在時間T1與時間T2之間在諸如一x-y平面之一平面內之移動。在一些實施方案中，LIDAR系統100經組態以判定物體在黑暗中(或在未將物體安置於一光源中使得物體對於人眼可見之情況下)之一旋轉。
物體10可具有任何形狀或形式。舉例而言，在一些實施方案中，物體10係一剛性固體物體。在一些實施方案中，物體10係一人類受試者或個體或一人類受試者或個體之一身體之一部分(諸如該人類受試者或個體 之一頭部或一面部)。在一些實施方案中，物體10可稱為一目標或稱為一目標物體。
LIDAR系統100經組態以使用雷射系統105及分析模組130產生或量測物體10(其可相對於LIDAR系統100靜止或移動)之一距離(或距離估計)及/或一速度(或速度估計)。舉例而言，在一些實施方案中，經產生或量測之速度係在輻射光束之方向上之速度(如下文中更詳細描述)。換言之，經量測之速度係物體朝向或遠離LIDAR系統100之速度。在一些實施方案中，距離可係一距離估計且速度可係一速度估計。在一些實施方案中，距離可係一精確距離估計且速度可係一精確速度估計。在一些實施方案中，儘管存在(例如)與來自雷射110之電磁輻射相關聯之多路徑效應及/或在量測期間可發生之其他干擾，LIDAR系統100經組態以產生精確距離估計及/或精確速度估計。
在一些實施方案中，LIDAR系統100經組態以使用雷射系統105及分析模組130產生或量測物體10上之多個不同點之一距離及/或一速度。舉例而言，在所繪示之實施方案中，LIDAR系統100經組態以產生或量測物體10上之五個點(或定位)11、12、13、14及15之一距離及/或一速度。在其他實施方案中，LIDAR系統100經組態以在任何給定時間產生或量測物體上之五個以上點之一距離及/或一速度。舉例而言，LIDAR系統100可經組態以產生或量測物體上之十六個點或十六個以上點之一距離及/或一速度。
LIDAR系統100之雷射系統105包含一雷射組110。在所繪示之實施方案中，雷射組110經組態以發射或引導雷射光束111A、112A、113A、114A及115A。在其他實施方案中，雷射組110經組態以發射或引導少於5 個雷射光束。舉例而言，在一實施方案中，雷射組110經組態以發射或引導4個雷射光束。在又其他實施方案中，雷射組110經組態以發射介於4與16之間個雷射光束。在進一步實施方案中，雷射組經組態以發射或引導16個以上雷射光束。
在所繪示之實施方案中，雷射組110包含雷射111、112、113、114及115以發射或引導雷射光束。在其他實施方案中，一單一雷射可用於發射或引導雷射光束111A、112A、113A、114A及115A。在其他實施方案中，雷射組110包含多於或少於五個雷射。舉例而言，在一些實施方案中，雷射組110包含至少5個雷射。在其他實施方案中，雷射組110包含至少4個雷射。在其他實施方案中，雷射組110包含介於5與16之間個雷射。在其他實施方案中，雷射組110包含介於4與16之間個雷射。在又其他實施方案中，該組110包含16個以上雷射。
雷射111、112、113、114及115之各者經組態以按一或多個頻率發射(例如，產生、傳播)電磁輻射(其可係例如一同調光發射(例如，單色光發射)或光束)。在一些實施方案中，雷射可經組態以發射(例如，產生、傳播)複數個同調光發射(例如，單色光發射)或光束。來自雷射之發射可稱為一電磁輻射發射，稱為經發射電磁輻射或稱為經傳輸電磁輻射。
具體言之，雷射系統105之雷射之各者經組態以自LIDAR系統100發射(例如，產生、傳播)一同調光發射(例如，單色光發射)或光束朝向物體10上之一點。在一些實施方案中，雷射系統105之雷射之各者經組態以發射一光束朝向物體10上之一不同點。在一些實施方案中，雷射系統105之雷射經組態以發射或引導一個以上光束朝向物體10。舉例而言，一單一雷射可用於發射或引導複數個(諸如4個、5個或5個以上)光束朝向物體10上 之不同點。
在所繪示之實施方案中，雷射111經組態以發射光或電磁輻射光束111A朝向物體10上之點11。雷射112經組態以發射光或電磁輻射光束112A朝向物體10上之點12。雷射113經組態以發射光或電磁輻射光束113A朝向物體10上之點13。雷射114經組態以發射光或電磁輻射光束114A朝向物體10上之點14。雷射115經組態以發射光或電磁輻射光束115A朝向物體10上之點15。
LIDAR系統100可係經組態以偵測一物體之距離及速度之任何類型之系統。
LIDAR系統100之雷射系統105包含一接收器組120。在所繪示之實施方案中，接收器組120包含接收器121、122、123、124及125。在其他實施方案中，接收器組120包含多於或少於五個接收器。舉例而言，在一些實施方案中，接收器組120包含至少5個接收器。在其他實施方案中，接收器組120包含介於5與16之間個接收器。在又其他實施方案中，接收器組120包含16個以上接收器。在一些實施方案中，接收器組120包含針對雷射組110中之各個雷射之一接收器。在一些實施方案中，接收器組120包含針對由雷射組110發射之各個雷射光束之一接收器。在一些實施方案中，接收器組120包含針對由雷射組110之各個雷射發射之各個雷射光束之一接收器。在一些實施方案中，接收器組120包含針對經觀察之物體10上之各個點或量測定位之一接收器。
接收器121、122、123、124及125之各者經組態以回應於自雷射發射朝向物體10之電磁輻射而接收自物體10反射之電磁輻射(亦可稱為經反射電磁輻射)。舉例而言，在所繪示之實施方案中，接收器121經組態以接 收自物體10之點11反射之電磁輻射111B。接收器122經組態以接收自物體10之點12反射之電磁輻射光束112B。接收器123經組態以接收自物體10之點13反射之電磁輻射光束113B。接收器124經組態以接收自物體10之點14反射之電磁輻射光束114B。接收器125經組態以接收自物體10之點15反射之電磁輻射光束115B。
LIDAR系統100之分析模組130經組態以分析來自各個雷射之經發射電磁輻射(例如，經發射電磁輻射光束111A至115A)及由各個接收器接收之經反射電磁輻射(例如，經反射電磁輻射111B至115B)之一組合。可根據包含其後接著一下啁啾之一上啁啾(或其後接著一上啁啾之一下啁啾)之一型樣發射經發射電磁輻射。來自各個雷射之經發射電磁輻射之一頻率及由接收器接收之經反射電磁輻射之一頻率之組合可由分析模組130分析以判定物體10之各個經觀察點之距離(距LIDAR系統之距離)及速度。具體言之，在所繪示之實施方案中，LIDAR系統100經組態以判定物體10之點11、12、13、14及15之各者自一第一時間T1至一第二時間T2之距離及/或速度。
在一些實施方案中，LIDAR系統100經組態以按每秒約100次追蹤、觀察或以其他方式監測物體10上之各個點11、12、13、14及15。在此等實施方案中，T1與T2之間之時間差係約0.01秒。在其他實施方案中，LIDAR系統100經組態以比每秒100次更頻繁(諸如每秒1000次或更多)地追蹤或觀察各個點。在一些實施方案中，LIDAR系統100經組態以按每秒少於100次追蹤或觀察各個點。
如在下文中將更詳細論述，分析模組130亦經組態以判定物體之旋轉及由物體在時間T1與時間T2之間移動之距離及方向。
圖2係分析模組130之一示意圖。分析模組130包含一影像模組132、一比較模組134、一旋轉模組136及一距離模組138。影像模組132經組態以獲取物體10之三維影像。在一些情況中，物體10係一已知物體或受試者，諸如一已知人。在此等情況中，物體10具有一已知三維結構且影像模組132可自一資料庫、一記憶體或自任何其他儲存裝置或記憶體裝置139獲取該結構。在一些實施方案中，可將物體之三維結構自資料庫、記憶體或其他儲存或記憶體裝置139提供至影像模組132。在一些實施方案中，資料庫、記憶體或其他儲存裝置係在分析模組130之本端。在其他實施方案中，可由分析模組130(諸如經由網際網路或一內部網路)自一遠端儲存裝置接收三維結構。
在一些情況中，物體10不具有一已知三維結構。在此等情況中，影像模組132經組態以使用自雷射系統110接收之資料產生物體之三維結構。舉例而言，影像模組132可使用由(例如)雷射系統105產生之距離資料產生物體10之三維結構(或物體10之一部分之三維結構)。
比較模組134經組態以判定物體10之距離及/或速度。更具體言之，比較模組134經組態以判定物體10之多個點(諸如11、12、13、14及15)之距離及/或速度。如上文中所描述，在一實施方案中，比較模組134經組態以分析來自各個雷射之經發射電磁輻射及由各個接收器接收之經反射電磁輻射之一組合以判定物體10之點11、12、13、14及15自一第一時間T1至一第二時間T2之距離及/或速度。
旋轉模組136經組態以判定物體10之一旋轉。在一些實施方案中，旋轉模組136經組態以判定物體10繞一個以上軸之一旋轉。舉例而言，在一些實施方案中，旋轉模組136經組態以判定物體10繞彼此不平行(例如，正 交)之兩個軸之旋轉。舉例而言，在一實施方案中，雷射系統經組態以沿著一軸(Z軸)發射輻射朝向物體10且旋轉模組136經組態以判定物體繞正交於Z軸之一第一軸(X軸)及正交於Z軸之一第二軸(Y軸)之旋轉。在一些實施方案中，旋轉模組136經組態以判定物體在一第一時間T1與一第二時間T2之間之旋轉量。
在一些實施方案中，對於一剛性固體物體，在一笛卡爾(Cartesian)方向上之速度場分量將在正交於該方向之空間座標中線性變動。另外，將不存在該分量在分量之空間方向上之變動。舉例而言，將z方向上之速度分量視為Vz。在任何給定時間，可不存在z方向上之Vz變動，否則物體將伸展，違反一剛性固體本體之定義。若吾人研究由旋轉分量Wx、Wy及Wz導致之z運動之三角函數/向量分析，則吾人可見針對各個旋轉分量，可由一線性方程式描述運動Vz：Vz=Vz(x,y)=A*x+B*y+C，其中A、B及C係在一給定時間之常數。其中，A=-Wy，B=Wx，且C取決於座標系之原點之定位。
Wz未賦予速度之z分量。
因此，在一給定時間，若在若干(x,y)位置處(例如，物體10上之若干點)量測速度Vz，則可使用一組線性方程式對值Wx、Wy及平移恆定速度C=Vz0求解。在一些實施方案中，存在線性方程式實質上超定之足夠空間(x,y)點。
距離模組138經組態以判定物體10在x-y平面中已行進之距離。舉例 而言，在一些實施方案中，距離模組138經組態以判定物體10在時間T1與時間T2之間在正交於z軸(雷射系統105之輻射光束之軸)之一x-y平面內已行進之距離。
在一些實施方案中，在已知物體定向之情況下，斜率dz/dx及dz/dy視為依據物體上之(x,y)位置而變化。LIDAR距離值陣列(如由雷射系統105判定)可用於判定在若干點(x,y)處之斜率對(dz/dx,dz/dy)。舉例而言，在一些實施方案中，可在x方向及y方向之各者中判定物體之表面之一斜率及/或曲率以獲取斜率及/或曲率梯度。對於一些表面，物體定向資訊外加一斜率對惟一地判定物體之表面上之一位置。舉例而言，對於一複雜表面(諸如一人或個體之面部)，一斜率對將可能判定在一局部區域中獨有之一定位(即使可在整個面部上不止一次發現相同斜率對)。在一些實施方案中，複數個斜率對將冗餘地估計位置且可用於減小來自雜訊距離資料之位置估計中之誤差。
在自斜率對估計之物體上之絕對LIDAR光束位置及一當前經旋轉物體模型可用之情況下，距離模組138可判定物體10之位置改變。舉例而言，物體之旋轉(如經判定或經計算)可反轉、移除或撤銷(使得物體返回至其原始定向)。亦可做出將光束恢復至其等之所要位置所需之光束位置改變之一判定。接著，可使用物體之位置定位資料判定平移速度(dx/dt,dy/dt)。在一些實施方案中，在目標旋轉及平移速度已知之情況下，可完成光束重定位使得光束運動平滑且光束定位接近在未來時間點之所要位置。
在一些實施方案中，相對少量之光束點有必要以在不掃描之情況下維持位置。在一些實施方案中，可在不掃描之情況下維持位置且可使用 LIDAR系統監測振動。
LIDAR系統100之組件(例如，模組、處理器(例如，在諸如一矽基板之一基板內界定之一處理器))(例如，分析模組130)可經組態以基於一或多個平台(例如，一或多個類似或不同平台)操作，該一或多個平台可包含一或多個類型之硬體、軟體、韌體、作業系統、運行時庫及/或等等。在一些實施方案中，LIDAR系統100之組件可經組態以在一裝置叢集(例如，一伺服器群)內操作。
在一些實施方案中，圖1及/或圖2中之LIDAR系統100中所展示之組件之一或多個部分可係或可包含一基於硬體之模組(例如，一數位信號處理器(DSP)、一場可程式化閘陣列(FPGA)、一記憶體)、一韌體模組及/或一基於軟體之模組(例如，電腦程式碼之一模組、可在一電腦處執行之一組電腦可讀指令)。舉例而言，在一些實施方案中，LIDAR系統100之一或多個部分可係或可包含經組態用於由至少一處理器(未展示)執行之一軟體模組。在一些實施方案中，組件之功能性可包含於與圖1及/或圖2中所展示之模組及/或組件不同之模組及/或組件中。
在一些實施方案中，LIDAR系統100之組件之一或多者可係或可包含經組態以處理儲存於一記憶體中之指令之處理器。舉例而言，分析模組130(及/或其之一部分)可係一處理器及經組態以執行與一程序相關之指令以實施一或多個功能之一記憶體之一組合。
雖然未展示，但在一些實施方案中，LIDAR系統100(或其之部分)之組件可經組態以在(例如)一資料中心(例如，一雲計算環境)、一電腦系統、一或多個伺服器/主機裝置及/或等等內操作。在一些實施方案中，LIDAR系統100(或其之部分)之組件可經組態以在一網路內操作。因此， LIDAR系統100(或其之部分)可經組態以在可包含一或多個裝置及/或一或多個伺服器裝置之多個類型的網路環境內運作。舉例而言，網路可係或可包含一區域網路(LAN)、一廣域網路(WAN)及/或等等。網路可係或可包含一無線網路及/或使用(例如)閘道裝置、橋接器、開關及/或等等實施之無線網路。網路可包含一或多個段及/或可具有基於諸如網際網路協定(IP)及/或一專屬協定之多個協定之部分。網路可包含網際網路之至少一部分。
在一些實施方案中，LIDAR系統100可包含一記憶體。記憶體可係任何類型之記憶體，諸如一隨機存取記憶體、一磁碟機記憶體、快閃記憶體及/或等等。在一些實施方案中，記憶體可實施為與LIDAR系統100之組件相關聯之一個以上記憶體組件(例如，一個以上RAM組件或磁碟機記憶體)。
如在圖3及圖4中最佳繪示，在一實施方案中，一物體20可由LIDAR系統100觀察(例如，標靶)。物體20可具有任何形狀，但在圖3及圖4中表示為圓。在圖3中，在時間T1處，藉由LIDAR系統100觀察物體20上之一點22。在時間T1處，點22定位於x,y平面中之(3,3)處。如在圖4中所繪示，在時間T2處，點22定位於x,y平面中之(4,3)處。點之移動可係物體20之不同類型之移動之結果。舉例而言，物體20可自一定位移動至另一定位(平移運動)或物體20可(例如，繞平行於x-y平面之y軸之一軸)旋轉。
如圖5、圖6及圖7中所繪示，可藉由LIDAR系統100追蹤或觀察一個體之一頭部或面部30。具體言之，可觀察頭部或面部30之一點或定位32。如圖5中所繪示，在時間T1處，點32定位於x-y平面中之(3,2)處。在時間T2處，可觀察到點32係在(4,2)處。點之移動可係不同類型之運動之 結果。舉例而言，人或個體可已(例如，繞平行於y軸之一軸)旋轉其等之頭部，如圖6中所繪示。替代地，人或個體可已移動其等之頭部(無任何旋轉)，如圖7中所繪示。
如上文中所描述，藉由觀察物體上之若干點之距離及速度，旋轉模組136經組態以判定物體之旋轉。一旦已知物體之旋轉，如上文中所描述，距離模組138經組態以判定物體已在x-y平面中移動之距離。因此，在一實施方案中，LIDAR系統100經組態以判定一人之面部或頭部在時間T2處是否如圖6中所繪示般定向或如圖7中所繪示般定向。
圖8係根據本發明之一實施方案之一方法800之一流程圖。方法800可用於判定在一第一時間T1與一第二時間T2之間藉由一物體之旋轉及/或運動(或移動之距離)。可連續多次使用方法800以判定一物體在一長時間段內之旋轉或運動。舉例而言，可每秒數百次地使用該方法以追蹤或監測一物體。
在810處，獲取物體之三維影像。舉例而言，在一些實施方案中，一影像模組(諸如影像模組132)可自一資料庫或其他資源獲取物體之三維影像(若物體係一已知物體)。在其他實施方案中，影像模組132可藉由使用來自雷射系統105之掃描資訊以逐漸形成物體(或物體之一部分)之三維影像而獲取物體(或物體之一部分)之三維影像。
在820處，在一第一時間T1處觀察物體上之複數個點。舉例而言，在一些實施方案中，雷射系統105可觀察且偵測物體上之複數個點之各者之一距離及/或一速度。舉例而言，在一些實施方案中，在任何給定時間處觀察物體上之五個點。在其他實施方案中，觀察五個以上點。舉例而言，可觀察介於5與16之間個點。在其他實施方案中，觀察16個以上點。
如上文中所論述，雷射系統105可藉由發射輻射光束且接收此輻射藉由物體上之複數個點之各者之反射而觀察複數個點。如上文中所論述，經發射輻射及經反射輻射之一比較可提供物體在z方向(輻射光束之方向)上之距離及/或速度。
在830處，在一第二時間T2處觀察該複數個點(或實質上定位於相同於該複數個點之定位處之點)。在一些實施方案中，藉由三維影像(已知或系統逐漸形成三維影像)之一分析或比較而識別物體上之相同點。第二時間T2與第一時間T1不同。在一些實施方案中，第二時間T2在時間上遲於第一時間T1。可由雷射系統105觀察複數個點，如上文中所描述。
在840處，判定該物體在時間T1與時間T2之間之旋轉。舉例而言，在一些實施方案中，如上文中所描述，一旋轉模組136可經組態以分析距離及速度資訊且判定物體之旋轉。在一些實施方案中，判定物體繞一軸之旋轉。在一些實施方案中，判定物體繞彼此正交之至少兩個軸之旋轉。在一些實施方案中，判定物體繞正交於z軸(輻射光束之方向或軸)之兩個軸之旋轉。
在850處，判定由該物體在時間T1與時間T2之間移動之距離及/或方向。舉例而言，在一些實施方案中，判定物體在正交於z軸(輻射光束之軸)之一x-y平面中之運動。如上文中所描述，距離模組138可透過旋轉判定及經觀察之物體之部分之斜率而判定由物體在x-y平面中移動之運動或距離。具體言之，經觀察之物體之獨有部分可由物體之斜率或一斜率分析而識別。可指定該物體之部分之定位。點或定位之定位連同旋轉資料可導致物體在x-y平面中之運動之一判定。在一些實施方案中，可撤銷或移除經判定或經觀察之旋轉使得物體在T2處安置於相同於其在T1處所處之定 向中。接著，可識別物體上之獨有識別點且可判定此等點在x-y平面中已移動之距離(舉例而言，在x方向上之距離及在y方向上之距離)。在一些實施例中，可使用具有一重複掃描循環之緊密間隔之LIDAR光束以偵測法向於光束方向之目標運動。若光束足夠接近，則可將至表面之距離近似表示為光束之間之距離之一線性函數。如上文中詳細論述，已使用多點雷射光偵測及測距資訊針對Vz(z方向上之速度)、Wx(繞x軸之旋轉)及Wy(繞y軸之旋轉)運動校正物體或目標10之位置，可判定歸因於Vx、Vy及Wz之運動。如在下文中詳細論述，可單獨判定該等運動之各者。
在一些實施方案中，一LIDAR系統包含一雷射系統，該雷射系統包含經組態以相對於所追蹤之物體依一型樣或若干型樣移動之雷射或雷射光束。舉例而言，在一些實施方案中，LIDAR系統100之雷射系統105包含經組態以相對於所追蹤之物體依一型樣或若干型樣移動之複數個雷射或光束。
舉例而言，在一些實施方案中，LIDAR系統100可具有其中雷射光束係固定或靜止之一模式及其中雷射光束依諸如一形狀之一型樣或若干型樣移動之一第二模式。在一些實施方案中，當LIDAR系統處在第二模式中時，兩個或兩個以上雷射光束依一型樣或若干型樣移動。在一些實施方案中，不同雷射光束可依不同型樣獨立移動。
在其他實施方案中，LIDAR系統100包含一些雷射或產生係靜止之一些雷射光束及經組態以呈一型樣(或若干型樣)或形狀移動之一些雷射光束。
雷射或光束可依任何型樣或形狀移動。舉例而言，在一些實施方案中，雷射或光束經組態以依橢圓形狀移動。在其他實施方案中，雷射或光 束經組態以依線、圓、正方形、矩形、三角形或任何其他形狀移動。在一些實施方案中，藉由所追蹤之物體指示或判定雷射或光束移動所依之形狀或型樣。舉例而言，在一些實施方案中，雷射移動之型樣或形狀可類似於所追蹤之物體之形狀。舉例而言，當追蹤一個體之一面部時可使用一橢圓形形狀或型樣，因為一個體之面部之形狀係大致橢圓形。另外，在一些實施方案中，雷射或光束經組態以與所追蹤之物體一起移動或跟隨該物體移動。在此等實施方案中，可在一稍微不同之方向上引導雷射或光束以跟隨或考量所追蹤之物體之移動。
在一些實施方案中，分析模組130(諸如分析模組130之距離模組138)經組態以判定物體10之移動距離及/或速度。舉例而言，分析模組130可判定或計算由物體在法向於或正交於雷射光束運動之方向之方向上移動之距離。
在一實施方案中，雖然雷射光束在沿著其等之型樣或形狀之一方向上移動，但分析模組130經組態以偵測物體10在平行於雷射光束移動之方向之一方向上或垂直於光束移動之方向之一方向上之運動(距離及/或速度)。在一些實施粒中，分析模組130亦經組態以偵測或判定物體繞平行於雷射光束(Z方向)之一軸之旋轉。
在一些實施方案中，沿著一型樣或形狀移動之雷射光束以彼此相距一非常小之距離安置於目標上或命中目標。換言之，光束經緊密間隔。在一些實施方案中，光束彼此相距小於幾釐米。在其他實施方案中，光束彼此相距小於幾毫米。
可如下般判定物體10在一x方向上之速度(Vx或亦稱為vx)。使用在該時間段期間量測之複數個點以計算且移除在z、Wx及Wy中之物體運動， 如上文中所描述。一對LIDAR(或雷射)光束呈一重複掃描型樣，使用指數(k)，(例如，一橢圓)將存在其中光束之大部分運動主要係在y方向上之掃描循環之一部分。在一些實施方案中，兩個光束具有相同指標裝置，指標裝置在一給定距離將維持近似相同橫向分離△x且在一給定時間將具有近似相同垂直y位置(y1
Figure 108111980-A0305-02-0020-2
y2
Figure 108111980-A0305-02-0020-3
y)。使用指數(j)取樣目標之距離及光束之橫向位置。對於兩個光束之各者，量測點系列(x1(j)、y1(j)、z1(j))及(x2(j)、y2(j)、z2(j))取樣一表面z(x,y)。若將目標表面之斜率近似表示為線性，則此斜率dz/dx在各個y處量測為：dz/dx(j)=dz/dx(y(j))=(z2(j)-z1(j))/(x2(j)-x1(j))=(z2(j)-z1(j))/△x。
在一隨後掃描循環中，光束將在自其對該y位置之先前訪問之時間之近似相同延遲Tcycle再訪各個y位置。在一重複掃描循環中，目標可已在x方向上移動。若目標在循環週期期間移動一距離δx=vx * Tcycle，則吾等將具有z1(y,k+1)=z1(y,k)-dz/dx(y,k)* δx，或[z1(y,k+1)-z1(y,k)] * [x2(y,k)-x1(y,k)]=-[z2(y,k)-z1(y,k)] * δx
在各個延遲Tcycle處，存在針對循環(k)中之各個樣本(j)之一估計誤差e：ex(j)=[z1(y(m),k+1)-z1(y(j),k)] * [x2(y(j),k)-x1(y(j),k)]+[z2(y(j),k)-z1(y(j),k)] * δx(l,j)，其中y(m)係具有最接近循環(k)中之y(j)之值之循環(k+1)中之樣本。在一些實施方案中，期望最小化誤差Ex=sum(ex(j) * ex(j))。因此，在 一些情況中，可選擇且使用對應於最小誤差量或與最小誤差量關聯之延遲Tcycle。
替代地，z1(y,k+1)可係使用z1(y(m),k+1)及z1(y(m±1,k+1)之一內插值。若吾等假設Tcycle在橫跨(over)該組成對樣本j及m係近似恆定且在x方向上不存在顯著加速度(或速度之改變)(例如，因為Tcycle係一非常短的時間段)，則δx將針對多個j及m對恆定且吾等可針對δx實施一標準最小平方解。在其他實施方案中，可使用針對δx之一不同解。
導致以下解。
Figure 108111980-A0305-02-0021-1
則，vx=δx/Tcycle=Ax * △x/Tcycle
吾等亦可做出物體或目標速度之x分量vx針對一掃描循環恆定之近似法。若此近似法不適用，則吾等可引入一加速度項ax，使得vx=vx(0)+ax * Tcycle
且對vx0及ax兩者求解。
若光束在掃描循環期間移動一x距離△Xbeam，則可藉由針對光束位置改變調整隨後掃描循環中之z值而校正此光束偏移以獲得本應在先前掃描循環之(x(j),y(j))位置處做出之量測
z1調整(y(m),k+1)=z1(y(m),k+1)-dz/dx(y(j),k) * △Xbeam。
在做出此調整之情況下，如先前般進行針對vx之最小平方解。
類似地，可如下般判定y方向上之速度(Vy或亦稱為vy)。將存在其中光束之大部分運動主要在x方向上之掃描循環之一部分。在x方向上之此掃描循環段期間，吾等可最小化誤差
Ey=sum(ey(j) * ey(j))，其中ey(j)=z1(y(j)-vy * Tcycle,k)-z1(y(m),k+1)。
在一些情況中，即使存在由於緊密間隔之掃描線之表面形狀之類似性之一漸進式線掃描，此方法仍有效。
可判定繞Z軸之旋轉(Wz或亦稱為ωz)，此係因為其將一線性梯度引入針對各個掃描循環發生之vx及vy之經觀察值中。wz之一非零值將導致vx依據y而變化且vy依據x而變化之一線梯度。可將額外項添加至針對vx及vy之最小平方解以亦獲得wz。另外，可在該判定中使用多個光束。舉例而言，可使用上文方法以不同x值判定針對vy之一解，vy隨x之梯度產生ωz：vy2=vy1-ωz * (x2-x1)。
ωz=(vy2-vy1)/(x2-x1)。
在一些實施方案中，當Tcycle並非恆定時，可做出計算或判定。另外，在一些情況中，當光束間距並非恆定或一致時，可做出計算或判定。
本文中所描述之多個技術之實施方案可實施於數位電子電路或電腦硬體、韌體、軟體或其等之組合中。實施方案可實施為一電腦程式產品，即，有形地體現於一資訊載體中(例如，一機器可讀儲存裝置(電腦可讀媒體、一非暫時性電腦可讀儲存媒體、一有形電腦可讀儲存媒體)中或一傳播信號中)用於由資料處理設備(例如，一可程式化處理器、一電腦或多個電腦)處理或以控制資料處理設備之操作。一電腦程式(諸如上文中所描述之(若干)電腦程式)可以程式化語言(包含編譯或解譯語言)之任何形式寫入且可以任何形式(包含作為一獨立程式或作為適用於一計算環境中之一模組、組件、子常式或其他單元)部署。一電腦程式可經部署以在一電腦上 或在一位點處或跨多個位點分佈且由一通信網路互連之多個電腦上進行處理。
可藉由一或多個可程式化處理器執行方法步驟，該一或多個可程式化處理器執行一電腦程式以藉由對輸入資料操作且產生輸出而執行功能。亦可藉由專用邏輯電路(例如，一FPGA(場可程式化閘陣列))或一ASIC(特定應用積體電路)執行方法步驟且可將一設備實施為專用邏輯電路或ASIC。
適於處理一電腦程式之處理器包含(例如)通用微處理器及專用微處理器兩者及任何種類之數位電腦之任何一或多個處理器。一般言之，一處理器將自一唯讀記憶體或一隨機存取記憶體或兩者接收指令及資料。一電腦之元件可包含用於執行指令之至少一處理器及用於儲存指令及資料之一或多個記憶體裝置。一般言之，一電腦亦可包含用於儲存資料之一或多個大容量儲存裝置(例如，磁、磁光碟或光碟)或可操作地耦合以自該一或多個大容量儲存裝置接收資料或將資料傳送至該一或多個大容量儲存裝置或兩者。適於體現電腦程式指令及資料之資訊載體包含全部形式之非揮發性記憶體，包含(例如)半導體記憶體裝置(例如，EPROM、EEPROM及快閃記憶體裝置)；磁碟(例如，內部硬碟或可抽換式磁碟)；磁光碟；及CD-ROM及DVD-ROM磁碟。處理器及記憶體可藉由專用邏輯電路補充或併入專用邏輯電路中。
為提供與一使用者之互動，實施方案可實施於具有用於將資訊顯示給使用者之一顯示裝置(例如，一液晶顯示器(LCD或LED)監視器、一觸控螢幕顯示器)及一鍵盤及使用者可藉由其提供輸入至電腦之一指標裝置(例如，一滑鼠或一軌跡球)之一電腦上。其他種類之裝置亦可用於提供與 一使用者之互動；舉例而言，提供至使用者之回饋可係任何形式之感官回饋，例如，視覺回饋、聽覺回饋或觸覺回饋；且來自使用者之輸入可以任何形式接收，包含聲學、語音或觸覺輸入。
實施方案可實施於包含一後端組件(例如，作為一資料伺服器)或包含一中間體組件(例如，一應用伺服器)或包含一前端組件(例如，具有一圖形使用者介面或一使用者可透過其與一實施方案互動之一網頁瀏覽器之一用戶端電腦)或此等後端、中間體或前端組件之任何組合之一計算系統中。組件可由數位資料通信(例如，一通信網路)之任何形式或媒體互連。通信網路之實例包含一區域網路(LAN)及一廣域網路(WAN)，例如，網際網路。
在一些實施方案中，LIDAR系統可達成離一受試者或個體之移動面部之毫米距離精確度效能。然而，在一些實施方案中，固體實體速度估計需要多個樣本之處理以自語音及其他生物分量移除顯著速度分量。具有0.05mm(50微米)之一振幅之一500Hz振動將具有(2*pi*500*5E-5=0.157m/sec)約6cm/sec之一最大速度。雖然振動之振幅係針對追蹤一受試者或個體之面部之程序之一可忽略距離改變，但瞬時速度可係顯著的且可移除振動速度。在一些實施方案中，移除振動速度可需要處理一速度資料樣本顯著長於待移除之振動之週期且小心避免雜訊或偏差。舉例而言，速度(例如，Z方向上之速度)中之雜訊可影響偵測或判定物體之旋轉或物體之Z速度之能力或使該能力降級。在一些實施方案中，振動或速度雜訊相對較小且可經平均化以移除其影響。
雖然已如本文中所描述般繪示所描述實施方案之某些特徵，但熟習此項技術者現在將想到許多修改、替代、改變及等效物。因此，應瞭解， 隨附申請專利範圍意欲涵蓋如落於實施方案之範疇內之全部此等修改及改變。應瞭解，其等僅藉由實例呈現而非限制且可做出形式及細節上之多個改變。本文中所描述之設備及/或方法之任何部分可以任何組合加以組合，除了互斥組合外。本文中所描述之實施方案可包含所描述之不同實施方案之功能、組件及/或特徵之多個組合及/或子組合。
10‧‧‧物體
11‧‧‧點
12‧‧‧點
13‧‧‧點
14‧‧‧點
15‧‧‧點
100‧‧‧雷射光偵測及測距(LIDAR)系統
105‧‧‧雷射系統
110‧‧‧雷射組
111‧‧‧雷射
111A‧‧‧雷射光束/經發射電磁輻射光束
111B‧‧‧電磁輻射/經反射電磁輻射
112‧‧‧雷射
112A‧‧‧雷射光束/經發射電磁輻射光束
112B‧‧‧電磁輻射光束/經反射電磁輻射
113‧‧‧雷射
113A‧‧‧雷射光束/經發射電磁輻射光束
113B‧‧‧電磁輻射光束/經反射電磁輻射
114‧‧‧雷射
114A‧‧‧雷射光束/經發射電磁輻射光束
114B‧‧‧電磁輻射光束/經反射電磁輻射
115‧‧‧雷射
115A‧‧‧雷射光束/經發射電磁輻射光束
115B‧‧‧電磁輻射光束/經反射電磁輻射
120‧‧‧接收器組
121‧‧‧接收器
122‧‧‧接收器
123‧‧‧接收器
124‧‧‧接收器
125‧‧‧接收器
130‧‧‧分析模組

Claims (20)

  1. 一種用於判定一物體之一運動之系統，其包括：一雷射系統，其經組態以產生該物體上之複數個點之複數個距離量測(range measurement)及一速度量測；及一分析模組，其經組態以：自該物體上之該複數個點之該等距離及速度量測，判定該物體在一第一時間與一第二時間之間之一旋轉；自該複數個距離量測，判定在該第一時間之複數個斜率對(slope pair)，該複數個斜率對之每一者與該物體上之該複數個點之一各別點對應；自該複數個斜率對產生在該第一時間之該物體上之該複數個點之絕對位置(absolute positions)；及自在該第一時間之該物體上之該複數個點之該等絕對位置及該物體在該第一時間與該第二時間之間之該旋轉，判定該物體在該第一時間與該第二時間之間在與該複數個距離量測之方向正交之一方向上之一位置變化(a change of the position)。
  2. 如請求項1之系統，其中該分析模組經組態以判定該物體在該第一時間與該第二時間之間在與該複數個距離量測之方向正交之該方向上之該位置變化，進一步經組態以：基於在該第一時間之該物體上之該複數個點之該等絕對位置、在該第二時間之該物體上之該複數個點之一位置及一未知的位置變化 (an unknown change of position)，產生一誤差度量(error metric)；及橫跨該未知的位置變化對該誤差度量執行一最小化操作，以產生在該第一時間與該第二時間之間該物體之該位置變化。
  3. 如請求項2之系統，其中經組態以產生該誤差度量之該分析模組進一步經組態以：如在該第二時間該物體上之該複數個點之該等位置，產生與在該第一時間該物體上之該複數個點最靠近之該等點之該等位置。
  4. 如請求項2之系統，其中經組態以產生該誤差度量之該分析模組進一步經組態以：產生在該第二時間在該複數個距離量測之方向上之該複數個點之一第一點之一位置之一分量，其係基於在該第一時間沿著雷射光束之該點之該位置之該分量及與該第一點之該位置對應之該斜率對之一斜率；及產生在該第二時間在該複數個距離量測之方向之該點之該位置與在該第一時間之沿著該雷射光束之該點之該位置之間之一差異。
  5. 如請求項4之系統，其中該點係一第一點，且其中經組態以產生該誤差度量之該分析模組進一步經組態以：產生(i)在該第二時間之該複數個距離量測之方向之該第一點之該位置與在該第一時間之該複數個距離量測之方向之該第一點之該位 置之間之該差異，與(ii)在該第一時間之與該複數個距離量測之方向垂直(normal to)之一方向上之該第一點之一位置與在該第一時間之與該複數個距離量測之方向垂直之一方向上之一第二點之一位置之間之一差異之乘積(product)。
  6. 如請求項2之系統，其中經組態以橫跨該未知的位置變化對該誤差度量執行該最小化操作之該分析模組進一步經組態以：對在該第二時間之該複數個距離量測之方向上之該複數個點之一第三點及一第四點之一位置之一分量執行一內差(interpolation)操作，以產生在該第二時間之該複數個距離量測之方向上之該複數個點之一第一點之一位置之一分量；及產生在該第二時間之該複數個距離量測之方向上之該點之該位置與在該第一時間之沿著雷射光束之該點之該位置之間之一差異。
  7. 如請求項2之系統，其中經組態以在橫跨該未知的位置變化對該誤差度量執行該最小化操作之該分析模組進一步經組態以：判定一延遲時間表示在隨後事件之間逝去(elapsed)之一時間，其中一光束指向與下列兩者垂直之一方向上之相同位置：該複數個距離量測及與該複數個距離量測垂直之方向，該延遲時間最小化該誤差度量之值。
  8. 如請求項7之系統，其中該延遲時間橫跨(over)位置對(pairs of positions)係恆定的。
  9. 如請求項2之系統，其中經組態以在橫跨該未知的位置變化對該誤差度量執行該最小化操作之該分析模組進一步經組態以：執行針對(i)在該第二時間之該複數個距離量測之方向之該第一點之該位置與在該第一時間之該複數個距離量測之方向之該第一點之該位置之間之該差異，與(ii)在該第一時間之與該複數個距離量測之方向垂直之一方向上之該第一點之一位置與在該第一時間之與該複數個距離量測之方向垂直之一方向上之一第二點之一位置之間之一差異之一乘積之一總和操作。
  10. 如請求項9之系統，其中經組態以在橫跨該未知的位置變化對該誤差度量執行該最小化操作之該分析模組進一步經組態以：執行對於在該第一時間之該複數個距離量測之方向之該第一點之一位置與在該第一時間之該複數個量測垂直之方向上之一第二點之一位置之間之該差異之一平方之一總和操作。
  11. 一種用於判定一物體之一運動之方法，其包括：針對該物體上之複數個點產生複數個距離量測及一速度量測；自該物體上之該複數個點之該等距離及速度量測判定該物體在一第一時間與一第二時間之間之一旋轉；自該複數個距離量測判定在該第一時間之複數個斜率對，該複數個斜率對之每一者與該物體上之該複數個點之一各別點對應；自該複數個斜率對產生在該第一時間之該物體上之該複數個點之 絕對位置；及自在該第一時間之該物體上之該複數個點之該等絕對位置及該物體在該第一時間與該第二時間之間之該旋轉，判定在該第一時間與該第二時間之間在與該複數個距離量測之方向正交之一方向上之該物體之一位置變化。
  12. 如請求項11之方法，其中判定在該第一時間與該第二時間之間在與該複數個距離量測之方向正交之一方向上之該物體之該位置變化包括：自在該第一時間之該物體上之該複數個點之該等絕對位置、在該第二時間之該物體上之該複數個點之位置及一位置未知變化，產生一誤差度量；及在橫跨該未知的位置變化對該誤差度量執行一最小化操作以產生在該第一時間與該第二時間之間該物體之該位置變化。
  13. 如請求項12之方法，其中產生該誤差度量包括：如在該第二時間該物體上之該複數個點之該等位置，產生與在該第一時間該物體上之該複數個點最靠近之該等點之該等位置。
  14. 如請求項12之方法，其中產生該誤差度量包括：產生在該第二時間在該複數個距離量測之方向上之該複數個點之一第一點之一位置之一分量，其係基於在該第一時間沿著雷射光束之該點之該位置之該分量及與該第一點之該位置對應之該斜率對之一斜率；及 產生在該第二時間在該複數個距離量測之方向之該點之該位置與在該第一時間之沿著該雷射光束之該點之該位置之間之一差異。
  15. 如請求項14之方法，其中該點係一第一點，且其中產生該誤差度量包括：產生(i)在該第二時間之該複數個距離量測之方向之該第一點之該位置與在該第一時間之該複數個距離量測之方向之該第一點之該位置之間之該差異，與(ii)在該第一時間之與該複數個距離量測之方向垂直之一方向上之該第一點之一位置與在該第一時間處之與該複數個距離量測之方向垂直之一方向上之一第二點之一位置之間之一差異之乘積。
  16. 如請求項12之方法，其中在橫跨該未知的位置變化對該誤差度量執行該最小化操作包括：對在該第二時間之該複數個距離量測之方向上之該複數個點之一第三點及一第四點之一位置之一分量執行一內差操作，以產生在該第二時間之該複數個距離量測之方向上之該複數個點之一第一點之一位置之一分量；及產生在該第二時間之該複數個距離量測之方向上之該點之該位置與在該第一時間之沿著雷射光束之該點之該位置之間之一差異。
  17. 如請求項12之方法，其中在橫跨該未知的位置變化對該誤差度量執行該最小化操作包括： 判定一延遲時間表示在隨後事件之間逝去(elapsed)之一時間，其中一光束指向與下列兩者垂直之一方向上之相同位置：該複數個距離量測及與該複數個距離量測垂直之方向，該延遲時間最小化該誤差度量之值。
  18. 如請求項17之方法，其中該延遲時間橫跨(over)位置對係恆定的。
  19. 如請求項12之方法，其中在橫跨該未知的位置變化對該誤差度量執行該最小化操作包括：執行針對(i)在該第二時間之該複數個距離量測之方向之該第一點之該位置與在該第一時間之該複數個距離量測之方向之該第一點之該位置之間之該差異，與(ii)在該第一時間之與該複數個距離量測之方向垂直之一方向上之該第一點之一位置與在該第一時間之與該複數個距離量測之方向垂直之一方向上之一第二點之一位置之間之一差異之一乘積之一總和操作。
  20. 如請求項19之方法，其中在橫跨該未知的位置變化對該誤差度量執行該最小化操作包括：執行對於在該第一時間之該複數個距離量測之方向之該第一點之一位置與在該第一時間之該複數個量測垂直之方向上之一第二點之一位置之間之該差異之一平方之一總和操作。
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