TWI794869B - 影像擷取裝置、光學辨識方法及光學辨識系統 - Google Patents

Abstract

一種光學辨識方法，其適用於光學辨識裝置，光學辨識裝置包含控制裝置、空間光調節器以及光感測器，其中光學辨識方法包含：利用光學辨識裝置自物理環境擷取對應的第一影像；辨識第一影像中至少一高亮度畫素；控制空間光調節器依據至少一高亮度畫素的位置產生第二影像，且第二影像的解析度大於第一影像的解析度；以及基於第二影像辨識物理環境中的至少一復歸反射器的圖案。

Description

影像擷取裝置、光學辨識方法及光學辨識系統

本揭示文件是關於一種影像擷取裝置、光學辨識方法及光學辨識系統，特別是一種關於單像素相機的影像擷取裝置、光學辨識方法及光學辨識系統。

在目前光學辨識的應用領域之中，經常利用光學相機來拍攝物理環境中的待定位物體，並藉由辨識所拍攝的相片中黏貼於待定位物體表面的二維條碼，判斷待定位物體的位置或是其他資訊。

然而，上述的作法存在幾種缺陷。舉例來說，二維條碼可能位於陰影之中而無法被清楚辨識，亦或是拍攝的相片可能包含其他敏感資訊導致有機密外流的風險。

本揭示文件提供一種影像擷取裝置，其包含鏡頭、空間光調節器、光感測器以及控制裝置。鏡頭，包含一第一透鏡，用以自物理環境接收複數個反射光線，且物理環境包含至少一復歸反射器。空間光調節器用以自第一透鏡接收反射光線，並選擇性將反射光線傳播至第二透鏡。光感測器用以自第二透鏡接收反射光線以產生感測結果。控制裝置耦接空間光調節器以及光感測器，並用以：根據光感測器的感測結果產生對應於物理環境的第一影像；辨識第一影像中複數個高亮度畫素；控制空間光調節器依據高亮度畫素的位置產生第二影像，且第二影像的解析度大於第一影像的解析度；以及基於第二影像辨識至少一復歸反射器的圖案。

本揭示文件提供一種光學辨識方法，其適用於光學辨識裝置。光學辨識裝置包含控制裝置、空間光調節器以及光感測器。光學辨識方法包含以下流程：利用光學辨識裝置自物理環境擷取對應的第一影像；辨識第一影像中至少一高亮度畫素；控制空間光調節器依據至少一高亮度畫素的位置產生第二影像，且第二影像的解析度大於第一影像的解析度；以及基於第二影像辨識物理環境中的至少一復歸反射器的圖案。

本揭示文件提供一種光學辨識系統，其位於物理環境中，且包含第一影像擷取裝置和第二影像擷取裝置。第一影像擷取裝置用於產生具有第一頻率的第一光線。第二影像擷取裝置用於產生具有第二頻率的第二光線，且第一頻率不同於第二頻率。當物理環境產生至少一反射光線時，第一影像擷取裝置與第二影像擷取裝置分別用以依據至少一反射光線中對應第一光線的部分和對應第二光線的部分執行以下運作：產生對應於物理環境的第一影像；辨識第一影像中至少一高亮度畫素；依據至少一高亮度畫素的位置產生第二影像，其中第二影像的解析度大於第一影像的解析度；以及基於第二影像辨識物理環境中至少一復歸反射器的圖案。

上述的光學辨識裝置以及光學辨識方法的優點之一，在於能夠去除相片可能包含的其他敏感資訊，進而達到去識別化的功效。

上述的光學辨識裝置以及光學辨識方法的優點之一，在於能夠改善二維條碼在陰影之中無法被清楚辨識的問題。

下文係舉實施例配合所附圖式作詳細說明，但所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用來限定本發明，而結構操作之描述非用以限制其執行之順序，任何由元件重新組合之結構，所產生具有均等功效的裝置，皆為本發明揭示內容所涵蓋的範圍。

在全篇說明書與申請專利範圍所使用之用詞(terms)，除有特別註明外，通常具有每個用詞使用在此領域中、在此揭露之內容中與特殊內容中的平常意義。某些用以描述本揭露之用詞將於下或在此說明書的別處討論，以提供本領域技術人員在有關本揭露之描述上額外的引導。

第1圖為根據本揭示文件一些實施例所繪示的光學辨識裝置100的示意圖。如第1圖所示，光學辨識裝置100包含第一透鏡110、空間光調節器120、第二透鏡130、光感測器140以及控制裝置150。

操作上，光學辨識裝置100可以藉由第一透鏡110以及空間光調節器120，自物理環境中擷取對應於視野範圍101的二維平面影像102。更詳細地說，第一透鏡110可以自物理環境中接收複數個反射光線，並將接收到的反射光線傳至空間光調節器120。空間光調節器120則可以經由控制裝置150的控制，將第一透鏡110接收的反射光線選擇性地朝第二透鏡130傳播，使得反射光線可以被第二透鏡130聚焦於光感測器140。最後，控制裝置150再依據光感測器140的感測結果，建立對應於視野範圍101的物理環境的二維的平面影像102。

在一些實施例中，空間光調節器120可以由數位微鏡裝置(Digital micromirror device，簡稱DMD)來實現，且光學辨識裝置100可以是單像素相機(Single pixel camera)。

第2A及2B圖為根據本揭示文件一些實施例所繪示的空間光調節器120的示意圖。如第2A及2B圖所示，空間光調節器120包含由複數個微鏡組成的反射陣列，且上述的每一個微鏡的傾斜角度皆可以經由控制裝置150控制，使得照射在微鏡上的反射光線傳播至第二透鏡130，或是不傳播至第二透鏡130。

每一個微鏡對應於平面影像102的一個顯示畫素PX。為便於說明，第2A及2B圖中空間光調節器120的反射陣列僅包含16個微鏡，但本揭示文件不以此為限。舉例來說，空間光調節器120的反射陣列可以包含1024×768個微鏡。若控制裝置150控制空間光調節器120的每一個微鏡轉向第二透鏡130的方向，照射在微鏡上的反射光線皆可以被光感測器140偵測。此時，反射陣列上的所有微鏡皆可以被視為處於導通狀態，且所有微鏡皆可以用於傳播反射光線至光感測器140，使得平面影像102的亮度達到最大。

另一方面，如第2B圖所示，控制裝置150亦可以控制空間光調節器120的部分微鏡轉向與第二透鏡130所在方向不同的其他方向，使得照射在該些微鏡上的反射光線無法被光感測器140偵測。此時，轉向前述其他方向的微鏡可以被視為處於關斷狀態(以網底表示)且不會傳播反射光線至光感測器140。在本實施例中僅導通一部分的微鏡等效於僅拍攝視野範圍101的部分區域(對應於平面影像102中由虛線框標示的區域200)。藉由等效地縮小拍攝面積，可以降低計算量，進而降低控制裝置150重建平面影像102的困難度。

綜上所述，控制裝置150可以藉由控制空間光調節器120的微鏡的傾斜角度(以下稱為空間光調節器120的反射圖樣)來選擇性過濾特定區域的反射光線。

請再參照第1圖，在一些實施例中，控制裝置150包含了類比數位轉換器151、訊號處理器152、記憶體153以及重建單元154。結構上，類比數位轉換器151電性連接光感測器140以及訊號處理器152，而訊號處理器152電性連接記憶體153、重建單元154以及空間光調節器120。

操作上，類比數位轉換器151會取樣光感測器140所偵測到的光強度，並將取樣結果經由訊號處理器152傳送至記憶體153以及重建單元154。在一些實施例中，訊號處理器152包含用於處理取樣結果的放大電路與濾波電路。

舉例來說，控制裝置150可以控制空間光調節器120於一秒中內隨機變換M次的反射圖樣。當空間光調節器120呈現第一反射圖樣時，光感測器140會偵測到對應的第一光強度。當空間光調節器120呈現第二反射圖樣時，光感測器140會偵測到對應的第二光強度，依此類推。當空間光調節器120呈現第M反射圖樣時，光感測器140會偵測到對應的第M光強度。此時，類比數位轉換器151會依序取樣上述對應於M個反射圖樣的M個光強度而產生M個取樣結果。M個取樣結果經由訊號處理器152處理後會儲存於記憶體153，或是被傳送至重建單元154，以使重建單元154依據空間光調節器120的M個反射圖樣產生對應的平面影像102。

第3圖為根據本揭示文件一些實施例所繪示的影像擷取裝置300的前視圖與側視圖。如第3圖所示，影像擷取裝置300的鏡頭310包含了複數個發光二極體311以及透鏡312。發光二極體311設置於透鏡312周圍。在一實施例中，發光二極體311用於以預設頻率的光線照射物理環境中的至少一復歸反射器(Retroreflector)，例如第4圖的多個復歸反射器RF1、RF2及RF3。為方便說明，本揭示文件以復歸反射器RF指稱復歸反射器RF1、RF2及RF3中不特定的任一者。

一般來說，復歸反射器RF具有能夠在產生最小散射的情況下，將光線朝入射方向反射的物理特性。也就是說，復歸反射器RF的反射光線強度會明顯高於物理環境中其他反射光線的光強度，使得復歸反射器RF於平面影像102中的亮度會明顯高於物理環境中的其他物件。

在一些實施例中，光學辨識裝置100可以設置於影像擷取裝置300內部，而使得影像擷取裝置300的透鏡312可以由第1圖的第一透鏡110來實現，且影像擷取裝置300另包含空間光調節器120、第二透鏡130、光感測器140以及控制裝置150。值得注意的是，為了使圖式簡潔，影像擷取裝置300的其他組件並未繪示於第3圖之中。

第4圖為根據本揭示文件一些實施例所繪示的多個影像擷取裝置300-1和300-2的操作示意圖，其中影像擷取裝置300-1和300-2皆可由影像擷取裝置300來實現，亦即影像擷取裝置300-1和300-2各自可包含光學辨識裝置100。如第4圖所示，影像擷取裝置300-1及300-2的視角形成了視野範圍101。視野範圍101內的物理環境包含了多個復歸反射器RF1、RF2及RF3，且影像擷取裝置300-1及300-2分別用於以不同頻率的光線照射視野範圍101內的復歸反射器RF1、RF2及RF3。在一些實施例中，前述光線是由影像擷取裝置300-1及300-2上的發光二極體311所產生。

更詳細地說，影像擷取裝置300-1會以具有頻率Freq1的光線410照射復歸反射器RF1及RF2，而影像擷取裝置300-2會以具有頻率Freq2的光線420照射復歸反射器RF2及RF3。換言之，復歸反射器RF1會產生具有頻率Freq1的反射光線，復歸反射器RF2會產生具有頻率Freq1和頻率Freq2的反射光線，而復歸反射器RF3會產生具有頻率Freq2的反射光線。在一些實施例中，影像擷取裝置300-1的訊號處理器152的中心頻率設置為與頻率Freq1相同，透過帶通濾波，影像擷取裝置300-1便能自復歸反射器RF1及RF2接收具有頻率Freq1的反射光線，並有效濾除來自復歸反射器RF2的具有頻率Freq2的反射光線以降低干擾。類似地，若將影像擷取裝置300-2的訊號處理器152的中心頻率設置為與頻率Freq2相同，透過帶通濾波，影像擷取裝置300-2便能自復歸反射器RF2及RF3接收具有頻率Freq2的反射光線，並有效濾除來自復歸反射器RF2的具有頻率Freq1的反射光線以降低干擾。

在一些實施例中，復歸反射器RF、RF1、RF2及RF3包含印刷於特殊材質的二維條碼(QR code)。

第5A~5C圖為根據本揭示文件一些實施例所繪示的復歸反射器RF的示意圖。如第5A圖所示，復歸反射器RF的二維條碼的圖案可以設計為包含一高灰階(例如，白色)矩形邊框、一低灰階(例如，黑色)矩形邊框以及複數個矩形區塊。該些矩形區塊被低灰階矩形邊框環繞，而低灰階矩形邊框被高灰階矩形邊框環繞。該些矩形區塊可以是高灰階、低灰階、或是部分為高灰階且部分為低灰階。

在一些實施例中，復歸反射器RF的二維條碼包含位置偵測圖形(Position detection pattern)或對齊圖形(Alignment pattern)。因此，復歸反射器RF的二維條碼在不同觀測視角下(例如，旋轉90度、180度及270度)依然能夠被辨識為同一種二維條碼。舉例來說，如第5B圖及5C圖所示，第5B圖的二維條碼與第5C圖的二維條碼可以視為同一個二維條碼，使得影像擷取裝置300能夠依據第5B圖及5C圖的二維條碼判斷復歸反射器RF的位置資訊。

第6圖為根據本揭示文件一些實施例所繪示的光學辨識方法600的操作流程圖。第7A~7C圖為根據第6圖的實施例所繪示的光學辨識方法600的操作示意圖。為了方便說明，以下將搭配第7A~7C圖來說明第6圖的操作流程，但不以其為限。

於流程S601，利用光學辨識裝置100自物理環境擷取對應的影像701。舉例來說，經由控制裝置150的控制，第一透鏡110以及空間光調節器120會對整個視野範圍101內的物理環境進行拍攝以產生影像701。

在一些實施例中，影像701可以是第1圖中由光學辨識裝置100建立的二維平面影像102。

於流程S602，利用光學辨識裝置100辨識影像701中的至少一高亮度畫素，並控制空間光調節器120依據影像701中高亮度畫素的位置產生影像702，且影像702的解析度會大於影像701的解析度。舉例來說，影像701中包含對應於三個不同的復歸反射器RF1、RF2及RF3的高亮度畫素。此時，為了要辨識復歸反射器RF3的二維條碼，光學辨識裝置100可以提高解析度，並控制空間光調節器120僅導通對應於復歸反射器RF3的高亮度畫素周遭的微鏡，以僅拍攝復歸反射器RF3及其周遭區域，以產生如第7B圖所示的平面影像702。

在一些實施例中，提高解析度會降低光感測器140的訊號雜訊比。此時控制裝置150可以控制空間光調節器120降低切換反射圖樣的頻率，以延長每種反射圖樣的曝光時間，進而補償(提升)光感測器140的訊號雜訊比。

於流程S603，光學辨識裝置100可以基於影像702辨識物理環境中的至少一復歸反射器上的圖案。舉例來說，光學辨識裝置100可以基於平面影像702辨識復歸反射器RF3上的多個矩形邊框以及多個矩形區塊，以辨識復歸返射器RF3上的二維條碼。

在一些實施例中，光學辨識裝置100亦可以先基於影像702中多個矩形邊框以及多個矩形區塊的位置產生訊噪比更佳的影像703。接著，光學辨識裝置100可以依據影像703中多個矩形區塊各自的亮度(灰階)辨識出復歸反射器RF3的二維條碼。

總而言之，光學辨識裝置100可以於流程S601先以低解析度進行短時間曝光的全景拍攝，以快速辨識平面影像701的高亮度畫素區域。接著，再於流程S602，以高解析度進行長時間曝光的局域拍攝，以於流程S603中清楚辨識復歸反射器RF的二維條碼。藉由提高解析度但縮小拍攝區域的方式，可以在清楚辨識復歸反射器RF的二維條碼的前提下，降低影像重建的困難度。

雖然本揭示內容已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本揭示內容，任何本領域具通常知識者，在不脫離本揭示內容之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本揭示內容之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100:光學辨識裝置 110:第一透鏡 120:空間光調節器 130:第二透鏡 140:光感測器 150:控制裝置 101:視野範圍 102:平面影像 151:類比數位轉換器 152:訊號處理器 153:記憶體 154:重建單元 PX:顯示畫素 200:區域 300,300-1,300-2:影像擷取裝置 310:鏡頭 311:發光二極體 312:透鏡 RF,RF1,RF2,RF3:復歸反射器 Freq1,Freq2:頻率 600:光學辨識方法 S601~S603:流程 701,702,703:平面影像

第1圖為根據本揭示文件一些實施例所繪示的光學辨識裝置的示意圖。 第2A及2B圖為根據本揭示文件一些實施例所繪示的空間光調節器的示意圖。 第3圖為根據本揭示文件一些實施例所繪示的影像擷取裝置的前視圖與側視圖。 第4圖為根據本揭示文件一些實施例所繪示的影像擷取裝置的操作示意圖。 第5A~5C圖為根據本揭示文件一些實施例所繪示的復歸反射器的示意圖。 第6圖為根據本揭示文件一些實施例所繪示的光學辨識方法的操作流程圖。 第7A~7C圖為根據第6圖的實施例所繪示的光學辨識方法的操作示意圖。

600:光學辨識方法 S601~S603:流程

Claims (10)

1. 一種影像擷取裝置，包含：一鏡頭，包含一第一透鏡，用以自一物理環境接收複數個反射光線，且該物理環境包含至少一復歸反射器；一空間光調節器，包含複數個微鏡，該空間光調節器用以自該第一透鏡接收該些反射光線，並控制該些微鏡呈現複數個反射圖樣，使該些微鏡在該些反射圖樣下選擇性將該些反射光線傳播至一第二透鏡；一光感測器，用以自該第二透鏡接收該些反射光線以產生分別對應於該些反射圖樣的複數個光強度；以及一控制裝置，耦接該空間光調節器以及該光感測器，並用以：根據在該些反射圖樣下所測得的該些光強度產生對應於該物理環境的一第一影像；辨識該第一影像中至少一高亮度畫素；依據該至少一高亮度畫素的位置，導通該空間光調節器的該些微鏡的一部分以產生一第二影像，其中該第二影像的解析度大於該第一影像的解析度；以及基於該第二影像辨識該至少一復歸反射器的一圖案。
2. 如請求項1所述之影像擷取裝置，其中該鏡頭還包含：複數個發光二極體，用於以一預設頻率的光線照射該物理環境，以使該物理環境產生該些反射光線。
3. 如請求項2所述之影像擷取裝置，其中當該控制裝置控制該空間光調節器依據該至少一高亮度畫素的位置產生該第二影像時，該控制裝置降低該空間光調節器切換該些微鏡的傾斜角度的頻率。
4. 如請求項1所述之影像擷取裝置，其中當該控制裝置基於該第二影像辨識該至少一復歸反射器的該圖案時，該控制裝置被設置為執行：辨識該圖案中複數個矩形區塊；以及依據該些矩形區塊各自的灰階辨識圖案中的一二維條碼。
5. 一種光學辨識方法，適用於一光學辨識裝置，其中該光學辨識裝置包含一控制裝置、一空間光調節器以及一光感測器，該空間光調節器包含複數個微鏡，且該光學辨識方法包含：由該空間光調節器自一物理環境接收複數個反射光線；控制該空間光調節器中的該些微鏡呈現複數個反射圖樣，使該些微鏡在該些反射圖樣下選擇性將該些反射光線傳播至一光感測器；由該光感測器接收由該些微鏡在該些反射圖樣下傳播的該些反射光線，以產生分別對應於該些反射圖樣的複數個光強度； 由該控制裝置依據在該些反射圖樣下所測得的該些光強度產生一第一影像，並且辨識該第一影像中至少一高亮度畫素；依據該至少一高亮度畫素的位置，導通該空間光調節器的該些微鏡的一部份以產生一第二影像，其中該第二影像的解析度大於該第一影像的解析度；以及基於該第二影像辨識該物理環境中的至少一復歸反射器的一圖案。
6. 如請求項5所述之光學辨識方法，其中該光學辨識裝置自該物理環境擷取對應的該第一影像包含：接收該物理環境的複數個反射光線，其中該些反射光線是由複數個發光二極體以一預設頻率的光線照射該物理環境而產生；利用一第一透鏡將該些反射光線傳遞至該空間光調節器；以及利用該空間光調節器選擇性將該些反射光線傳播至該光感測器。
7. 如請求項6所述之光學辨識方法，其中控制該空間光調節器依據該至少一高亮度畫素的位置產生該第二影像包含：降低該空間光調節器切換該些微鏡的傾斜角度的頻率。
8. 如請求項5所述之光學辨識方法，其中基於該第二影像辨識該物理環境中的該至少一復歸反射器的該圖案包含：辨識該圖案中複數個矩形區塊；以及依據該些矩形區塊各自的灰階辨識該圖案中的一二維條碼。
9. 一種光學辨識系統，位於一物理環境，且包含：一第一影像擷取裝置，用於產生具有一第一頻率的一第一光線；以及一第二影像擷取裝置，用於產生具有一第二頻率的一第二光線，其中該第一頻率不同於該第二頻率，並且其中該第一影像擷取裝置與該第二影像擷取裝置各自包含一空間光調節器、一光感測器以及一控制裝置，該空間光調節器包含複數個微鏡；其中當該物理環境產生至少一反射光線時，該第一影像擷取裝置與該第二影像擷取裝置分別用以依據該至少一反射光線中對應該第一光線的部分和對應該第二光線的部分執行以下運作：該空間光調節器自一物理環境接收複數個反射光線；控制該空間光調節器中的該些微鏡呈現複數個反射圖樣，使該些微鏡在該些反射圖樣下選擇性將該些反射光線傳播至一光感測器； 由該光感測器接收由該些微鏡在該些反射圖樣下傳播的該些反射光線，以分別在該些反射圖樣下產生複數個光強度；由該控制裝置依據在該些反射圖樣下所測得的該些光強度產生對應於該物理環境的一第一影像；辨識該第一影像中至少一高亮度畫素；依據該至少一高亮度畫素的位置，導通該空間光調節器中的該些微鏡的一部份以產生一第二影像，其中該第二影像的解析度大於該第一影像的解析度；以及基於該第二影像辨識該物理環境中至少一復歸反射器的一圖案。
10. 如請求項9所述之光學辨識系統，其中，該第一影像擷取裝置的一訊號處理器的一中心頻率相同於該第一頻率以過濾出該至少一反射光線中對應該第一光線的部分，該第二影像擷取裝置的一訊號處理器的一中心頻率相同於該第二頻率以過濾出該至少一反射光線中對應該第二光線的部分。

Images