使用表面映射图、物体阴影和一个相机的触摸及运动检测制造技术

本发明专利技术提供一种光学方法和一种系统，通过使用一个投影仪和一个相机，获得物体关于基准面的位置信息和/或运动信息，包括检测所述物体是否触及所述基准面。一个表面映射图被用于映射基准面上的一个位置和相机拍摄图像（有基准面上的画面）上的一个相应位置。特别是，通过使用表面映射图，估算出相机看到的阴影长度，即可由相机看到的物体阴影的长度，然后用于计算物体在基准面上的高度（Z坐标）。也可以确定物体是否触及基准面，在估算出XY坐标后，就得到物体的三维坐标。通过计算一个时间序列的三维坐标，就得到了运动信息，如速度和加速度。

【技术实现步骤摘要】
使用表面映射图、物体阴影和一个相机的触摸及运动检测【相关交叉引用】本申请是美国专利申请13/474,567（申请日为2012年5月17日）的部分延续案，其公开内容在此通过引用将其全部并入本文。
本专利技术涉及在光学上确定一个物体关于一基准面的位置或运动信息，包括该物体是否触及该基准面的信息。本专利技术特别涉及一种方法和系统，其使用一表面映射图（surfacemap）用于映射所述基准面上的物理位置和其在相机拍摄图像里的相应位置，并结合从一个相机拍摄图像中测量物体投影的长度，从而在光学上确定所述物体的位置或运动信息。
技术介绍
基于计算机的自动检测一个物体是否触及一基准面和/或确定该物体的位置信息（如空间坐标）或运动信息（如速度、加速度），这在人机互动娱乐和消费电子领域中有相当多的应用。例如其中一个这样的应用是，一个互动式投影系统提供一个显示器，用于与用户互动，就需要确定用户指尖是否触及该屏幕的一个预设区域，以便该互动式投影系统能接收用户输入。另一个这样的应用涉及计算机娱乐，一个游戏使用用户手指敲击屏幕的速度来预测该用户是坚定地还是犹豫地提供一个输入给该游戏。为了确定物体的位置或运动信息，包括该物体是否触及基准面，那就需要通过光学技术而获得该物体在基准面上的高度位置。在中国专利申请公开号1,477,478中，公开了一种装置，其检测手指在触摸表面上的高度而确定手指是否触及触摸表面。该公开的装置使用了两个图像感应器（诸如两个相机）用于检测。使用两个相机而不是一个相机，在产品制造上有实际应用的缺点，如较高成本，产品也需要更多空间去容纳两个相机。只使用一个相机是令人期待的。在这种情况下，物体在基准面上的高度位置可以从该相机拍摄的阴影图像的阴影尺寸来计算。但是，图1提供了两个例子说明，在某些情况下，在基准面上有不同高度的物体可以产生基本上相同的阴影尺寸。例子1是美国专利申请公开号2007/201,863中系统的投影仪-相机的布置安排，用于确定手指是否触及表面。在例子1中，投影仪110垂直地投射光线到基准面117上，同时相机115在偏移所述垂直方向上一段距离的地方拍摄投影130，用于计算物体在基准面117上的高度位置。投影130可以是第一物体120a产生的，也可以是第二物体120b产生的，两个物体在基准面117上有不同的高度位置。例子2是关于美国专利申请6,177,682的投影仪-相机的布置安排，用于确定安装在基准面上的物体的高度。在例子2中，顶上的相机165拍摄投影180的图像，而投影180是由投影仪160斜斜地投射光线到基准面167上而产生的。同样的，投影180可以是由不同物体170a、170b、170c在基准面167上不同高度位置上产生的。特别是，物体170c已经触碰到基准面167了，而另两个物体170a、170b并没有。所以，关于物体在基准面上的高度位置，并不能得到唯一解。因此需要一种方法，只使用一个相机就能确定估算出物体在基准面上的高度。而且还能获得物体的位置或运动信息。
技术实现思路
本专利技术提供一种光学方法，用于获得物体关于一个基准面的位置或运动信息，包括检测该物体是否触及所述基准面。基准面可以是平坦的或不平坦的。物体有一个预先确定的参考边缘点。一个投影仪和一个相机用于该光学方法。投影仪和相机的布置要使得当未接触到基准面的物体被投影仪照射时，该物体沿地形表面线形成在基准面的阴影的一部分可由相机观察到，上述部分阴影的长度是可用于唯一确定物体在所述基准面上的高度。地形表面线是由连接相机和参照边缘点的光路映射在基准面上而形成的。特别是，使用一个表面映射图，映射基准面上的一个位置和相机拍摄图像上一个相应位置，其中相机拍摄图像有基准面的画面。该方法包括：初始化时获得所述表面映射图和一个基准面的表面轮廓，表面轮廓提供了基准面的高度分布；然后检测物体是否出现，直到识别出有物体出现；在识别出有物体出现后的一个时刻，启动位置-信息获得程序，这个过程会产生一个或多个位置信息包括物体是否触及了基准面、物体在基准面上的高度、物体的三维（3D）坐标，通常这个过程在多个时刻重复进行，由此产生一个时间序列的物体三维坐标，作为一个运动信息。这个时间序列的三维坐标可用于生成其他运动信息包括物体的速度、加速度、行进方向、速度的时间历程、加速度的时间历程、以及行进方向的时间历程。在确定表面映射图和表面轮廓时，投影仪投射一个光图案到基准面上。然后相机拍摄图像，该图像包括在基准面上的光图案的画面。从所拍摄的图像，计算获得表面映射图，表面映射图用于将相机拍摄图像上的任意点映射到基准面光图案上一个相应物理位置。从而所述光图案和相应的拍摄图像确定表面轮廓。在检测可能有物体出现时，使用由相机拍摄的出现-测试图像。重复拍摄出现-测试图像，直到识别出有物体出现。所述位置-信息获得过程阐述如下。首先在基准面上确定一个关注区域（ROI），使得ROI是一个围绕和包括参考边缘点的区域。在ROI被确定后，照射聚光到一个至少覆盖ROI的区域上，使得参考边缘点周围的物体被照射而映射到基准面上。聚光灯可以从投影仪产生或从一个独立的光源产生。然后相机拍摄ROI-突出显示图像。从ROI-突出显示图像，通过使用表面映射图估算出相机看到的阴影长度和阴影-投影仪距离。如果相机看到的阴影长度被发现基本上接近于零，则确定该物体触及基准面，从而提供第一位置信息。物体在基准面上的高度，作为第二位置信息，可以根据一组数据而估算出，该组数据包括基准面的表面轮廓、相机看到的阴影长度、阴影-投影仪距离、沿基准水平方向测量的投影仪和相机之间的距离、沿基准垂直方向测量的从投影仪到基准面的距离、沿基准垂直方向测量的从相机到基准面的距离。如果基准面是平坦的，那么物体在基准面上的高度可根据具体实施方式中的等式（4）来计算。物体在基准面上的高度为构成该物体三维坐标的Z坐标。Y坐标可根据基准水平方向上测量的投影仪和参考边缘点之间的距离而获得。该距离可以通过具体实施方式中的等式（3）或等式（5）来计算。X坐标可以直接从相机拍摄图像和表面映射图来获得。相机拍摄图像最好是ROI-突出显示图像。因此，获得的三维坐标提供了第三位置信息。投影仪可使用红外光进行投影，或使用独立的红外光源，使得相机也被配置成至少感测红外光来拍摄图像。可选地，布置投影仪和相机使得：当有物体出现时，在基准水平方向上，投影仪位于相机和物体之间；在基准垂直方向上，相机位于投影仪和基准面之间。另一个选择是，使用反射镜来反射由投影仪投射到基准面上的任何图像，并反射出现在基准面上的任何画面用于相机拍摄。本专利技术的其它方面由以下实施例公开。【附图说明】图1提供了两个例子，说明在一个基准面上不同高度的不同物体可以产生大小相同的阴影，所以只使用阴影的大小信息，对于物体在基准面上的高度并不能有一个唯一解。图2a显示一个物体在一个基准面上投下阴影的模型，该模型用于本专利技术的展开解释，如果相机看到的阴影长度被用于计算物体的高度，该模型会有唯一解。图2b显示一个类似的模型，但是在基准面上和参考边缘点下方有一个方块，模拟基准面在物体下方位置被抬高的效果，说明即使基准面是非平坦的，也能获得物体高度的唯一解。图2c显示一个类似于图2a的模型，但是使用了一个反射镜用于反本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于包括有一个投影仪和一个相机的系统的光学方法，用于获得一个物体关于一基准面的位置信息或运动信息，所述物体有一个预定的参考边缘点，该方法包括：获得所述基准面的表面轮廓，以及一个表面映射图，所属表面映射图用于将所述相机拍摄图像上的任意点映射到所述基准面上一个相应的物理位置；再确定有所述物体出现后的一个时刻，启动一个位置?信息获得过程；使用一位置配置来安置所述投影仪和所述相机，使得当未触及所述基准面的所述物体被所述投影仪照射时，沿地形表面线在所述基准面上形成的物体阴影的一部分可被所述相机看到，使得所述部分阴影的长度，称为相机检测到的阴影长度，可在所述位置?信息获得过程中用于确定所述物体在所述基准面上的唯一高度。

【技术特征摘要】
2013.12.11 US 14/102,5061.一种用于包括有一个投影仪和一个相机的系统的光学方法，用于获得一个物体关于一基准面的位置信息或运动信息，所述物体有一个预定的参考边缘点，该方法包括：获得所述基准面的表面轮廓，以及一个表面映射图，所述表面映射图用于将所述相机拍摄图像上的任意点映射到所述基准面上一个相应的物理位置；再确定有所述物体出现后的一个时刻，启动一个位置-信息获得过程；使用一位置配置来安置所述投影仪和所述相机，使得当未触及所述基准面的所述物体被所述投影仪或一个独立光源产生的聚光照亮时，沿地形表面线在所述基准面上形成的物体阴影的一部分可被所述相机看到，使得所述部分阴影的长度，称为相机检测到的阴影长度，在所述位置-信息获得过程中用于确定所述物体在所述基准面上的唯一高度，从而确定沿基准垂直方向测量的从物体上的一个预定的参考边缘点到所述基准面的距离，由此获得物体关于所述基准面的位置信息；其中所述位置-信息获得过程包括：1)从所述相机拍摄的一个ROI-判定图像中确定一个ROI即关注区域，使得所述ROI包括至少一个围绕和包含所述参考边缘点的区域；将所述聚光照射到一个至少覆盖ROI的区域上，使得所述参考边缘点周围的物体被照射到并在所述基准面上产生一个阴影；通过使用所述表面映射图，从一个ROI-突出显示图像中估算出所述相机检测到的阴影长度，其中所述ROI-突出显示图像是在产生所述聚光后由所述相机拍摄的；如果所述相机检测到的阴影长度处于接近零的预定范围内，那么确定所述物体触及所述基准面，由此提供第一位置信息；2)通过使用所述表面映射图，从所述ROI-突出显示图像中估算出阴影-投影仪距离；根据一组数据估算出所述物体在所述基准面上的高度，所述组数据包括所述表面轮廓、所述相机检测到的阴影长度、所述阴影-投影仪距离、在基准水平方向上测量的所述投影仪和所述相机之间的距离、在基准垂直方向上测量的从所述投影仪到所述基准面的距离、在基准垂直方向上测量的从所述相机到所述基准面的距离，由此提供第二位置信息；如果所述基准面是平坦的，其中所述估算出所述物体在所述基准面上的高度包括计算：其中Hf是所述物体在所述基准面上的高度，S是所述相机检测到到的阴影长度，D是所述阴影-投影仪距离，Lp是在基准水平方向上测量的所述投影仪和所述相机之间的距离，Hp是在基准垂直方向上测量的从所述投影仪到所述基准面的距离，Hc是在基准垂直方向上测量的从所述相机到所述基准面的距离；如果所述基准面不是平坦的，根据所述基准面的高度分布调整上述公式，唯一确定所述物体在所述基准面上的高度；3)根据以下其中一个，估算在所述基准水平方向上测量的所述投影仪和所述参考边缘点之间的距离：(a)所述组数据；或(b)所述物体在所述基准面上的高度、所述阴影-投影仪距离、在基准水平方向上测量的所述投影仪和所述相机之间的距离、在基准垂直方向上测量的从所述投影仪到所述基准面的距离；从一个相机拍摄图像和所述表面映射图，获得所述物体的X坐标；根据所述物体的X坐标、在所述基准水平方向上测量的所述投影仪和所述参考边缘点之间的距离、所述物体在所述基准面上的高度，获得所述物体的三维坐标，因此提供第三位置信息；在多个时刻，重复所述位置-信息获得过程，以便得到一个时间序列的所述物体的三维坐标，因此提供一个运动信息。2.如权利要求1所述的方法，其中所...

【专利技术属性】
技术研发人员：张玮，
申请(专利权)人：香港应用科技研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：