具有悬空定位功能的坐标定位系统及方法

专利名称：具有悬空定位功能的坐标定位系统及方法
技术领域：
本发明涉及影像定位系统的技术领域，特别涉及一种具有悬空定 位功能的坐标定位系统及方法。
背景技术：
在现有游戏主机与CRT屏幕的定位系统中， 一光线枪设置有一感 应器，该感应器可接收光线枪所指的局部区域内信号，因此当CRT屏 幕扫瞄至光线枪所指的局部区域内，光线枪的感应器即可感应信号， 加上光线枪里有一定时器，当CRT屏幕的显示画面由左上角开始扫瞄 的同时，定时器便开始计时，直到整个画面扫瞄完再重新计时。当玩 家使用光线枪对准一瞄准点时，该CRT屏幕扫瞄信号由左上角开始扫 瞄到达该瞄准点的时间，由于定时器可加以记录，故可据此算出该瞄 准点的坐标。然而这种定位方式常常产生极大的误差，同时现有游戏 主机受限于传统的交错式画面显示原理，并不适用于液晶电视，故相 关定位系统需重新设计。图1是现有的影像定位系统100的示意图，其 是由一影像显示器110及一影像传感器120所组成。该影像显示器110包 含分别位于一平面lll上等角度分布且分别被给定识别码为"第一"、 "第二"、和"第三"的发光二极管112、 113及114。该影像传感器120 包含一互补式金属氧化物半导体制成的感光组件121 。
该感光组件121侦测接收所述发光二极管112、 113、 114的光源， 并通过所述发光二极管112、 113、 114的坐标来求得该影像传感器120 所指的虚拟坐标140。
该影像显示器l IO的所述发光二极管I 12、 113及114可设置于一大 型投影屏幕或液晶屏幕的角落，也就是该平面lll可为屏幕的成像面， 该影像传感器120则可让操作者作为一投影笔或鼠标来使用。当操作者 将该影像传感器120指向该屏幕时，该影像传感器120所指向的虚拟坐 标140即可作为投影笔所指示的光点或鼠标所操控的光标的位置。而在
求得该影像传感器120所指向的虚拟坐标140前，必须先区别辨识所述 发光二极管112、 113、 U4的识别码，才能依识别码的顺序所对应的发 光二极管坐标，来正确的算出该影像传感器120所指向的虚拟坐标140。
该影像传感器120侦测所述发光二极管112、 113及114并产生一如 图2的映像影像。在一般情况下，该影像传感器120可按所述发光二极 管112、 113、 114的坐标辨识所述发光二极管112、 113、 114的识别码 从右下开始逆时针方向依序为"第一"、"第二"、和"第三"。而 为方便说明起见，以下将直接称第一发光二极管112、第二发光二极管 113和第三发光二极管114。当该影像传感器120如图1箭头150所示的轴 线旋转120度，将产生如图3的映像影像，此时图3与图2显示相同的映 像影像，因此如依图3的映像影像直接由右下开始逆时针方向依序来区 分所述第一发光二极管l 12、第二发光二极管l 13和第三发光二极管114 的识别码，将发生错置的情况。例如此时图3中位于映像影像右下的该 第三发光二极管114的识别码会被误视为"第一"，且依据逆时针方向 依序的该第一发光二极管112的识别码会被误视为"第二"，而该第二 发光二极管112的识别码会被误视为"第三"。所以当该影像传感器120 有旋转角度时，现有的定位系统也就无法正确求得该影像传感器120所 指向的虚拟坐标140。
针对上述问题，另一现有技术使用至少三个不共线的，且分别给 定不同辨识码的可产生光的定位基元及一辅助基元，该辅助基元位于 第一定位基元及第二定位基元的联机上。 一影像传感器接收第一定位 基元、第二定位基元、第三定位基元、及辅助基元产生的光，依接收 的光而得到所述定位基元及辅助基元的空间坐标，依所述定位基元相 对于该辅助基元的空间关系求得所述定位基元的识别码，再依照识别 码顺序所对应的定位基元的坐标，以正确进行指向性定位程序。其虽 可避免现有定位系统的无法正确求得该影像传感器120所指向的虚拟 坐标140的问题，但是其需要于显示屏幕上设置多个定位基元及辅助基 元，不仅会影响显示屏幕的外观，同时亦会对显示屏幕的影像造成若 干影响。
图4是美国专利申请早期公开第20070052177号的影像定位系统 的方块图，其有一红外线影像装置56及一影像处理电路76。该影像处
理电路76用以处理该红外线影像装置56所选取的影像数据。该红外线 影像装置56包含一固态影像组件561、 一红外线滤波器562及一透镜 563。该红外线影像装置56感测一高亮度区域、侦测该高亮度区域的重 心位置及面积大小，并输出相对应的数据。影像处理电路76将该相对 应的数据输出至一处理器66。加速传感器68输出二维或三维的加速数 据至该处理器66。
图5是美国专利申请早期公开第20070052177号的影像定位系统 的使用示意图。它是在一电视机910上方设置LED模块920A、 920B。红 外线影像装置56感测该LED模块920A、 920B、侦测该LED模块920A、 920B的重心位置及面积大小，并输出相对应的数据。该影像处理电路 76获取该LED模块920A、 920B的重心位置及面积大小的信息。摇控器 900将该LED模块920A、 920B的重心位置、面积大小的信息及二维或三 维的加速数据经由一无线模块70传送至一游戏机930。该游戏机930由 此可计算出该摇控器900的位置。然而该定位系统需增加一加速感应器 68而增加硬件成本。由此可知，现有具有悬空定位功能的系统及方法 仍有改善的空间。

发明内容
本发明的目的在于提供一种具有悬空定位功能的坐标定位系统 及方法，以避免影像传感器有旋转角度产生时，现有技术无法正确定 位的问题。
本发明的另一目的在于提供一种具有悬空定位功能的坐标定位 系统及方法，以避免现有技术需要在显示屏幕上设置发光二极管而破 坏画面的问题。
依据本发明的一个特色，本发明提出一种具有悬空定位功能的坐 标定位系统，其包含一发光装置及一影像感测装置。该发光装置用以 产生具有方向性的光源。该影像感测装置用以接收该发光装置所产生 的具有方向性的光源，并产生相对于该具有方向性的光源的一影像， 以通过分析该影像而获得该具有方向性的光源的一旋转角度。
依据本发明的另一特色，本发明提出一种具有悬空定位的坐标定 位方法，其计算一影像感测装置与一发光装置的一旋转角度，该发光
装置用以产生具有方向性的的光源，该方法包含下列步骤 一接收步 骤，使用该影像感测装置以接收该发光装置所产生的具有方向性的光 源； 一成像步骤，将该光源转换为电信号，再依据该电信号而产生相 对于该具有方向性的光源的一影像； 一影像处理步骤，是对该影像执 行二阶影像预处理(bi-level image pre-processing),以产生一个二阶影 像； 一影像对象选取步骤，是选取该二阶影像中相对于该具有方向性 的光源的影像对象(image object),并产生至少一影像对象； 一计算步骤， 用以计算该至少一影像对象的一重心及一方向，以产生该具有方向性 的光源的该旋转角度。


图l是现有的影像定位系统的示意图。
图2是现有的影像定位系统映像影像的示意图。
图3是现有的影像定位系统另一映像影像的示意图。
图4是另一现有的影像定位系统影像定位系统的方块图
图5是现有的影像定位系统的使用示意图。
图6是本发明具有悬空定位功能的系统的示意图。
图7是本发明影像感测装置的方块图。
图8是本发明悬空定位的方法的流程图。
图9是本发明影像感测装置的感测影像的示意图。
图10是本发明影像感测装置的感测影像局部放大的示意图。
图11是图10的局部放大图。
图12是计算发光装置至影像感测装置相对距离的示意图。
主要组件符号说明
影像定位系统 100影像显示器 110
影像传感器120平面111
第一发光二极管112第二发光二极管113
第三发光二极管114感光组件121
虚拟坐标140箭头150
发光装置410影像感测装置420显示屏幕 430
发光二极管 411、 412
影像感测单元 510处理单元 520
二阶影像处理器 521 影像对象选取器 523
计算器 525
步骤 S610 S650
具体实施例方式
图6是本发明具有悬空定位功能的坐标定位系统的示意图，该系 统包含一发光装置410及一影像感测装置420 。
该发光装置410用以产生具有方向性的光源。于本实施例中，该 发光装置410是由一大一小的发光二极管411、 412所组成，以产生该具 有方向性的光源。在其它实施例，该发光装置410是由一L形状的发光 二极管所组成，以产生该具有方向性的光源。该发光装置410亦可由一 预定形状的发光二极管及一非预定形状的发光二极管所组成，以产生 该具有方向性的光源。
如图6所示，该可产生有方向性光源的发光装置410可置于一显示 屏幕430的上方，而不会影响显示屏幕430上的影像。
该影像感测装置420用以接收该发光装置410所产生的具有方向 性的光源，并产生相对于该具有方向性的光源的一影像，以通过分析 该影像而获得该具有方向性的光源的一旋转角度。
图7是该影像感测装置420的方块图，该影像感测装置420包含一 影像感测单元510及一处理单元520。该影像感测单元510用以接收该发 光装置所产生的具有方向性的光源，并将该光源转换为电信号，再依 据该电信号而产生相对于该具有方向性的光源的该影像。
该影像感测单元510优选为互补式金属氧化物半导体影像传感器 (CMOS image sensor),该影像感测单元510也可为电荷耦合装置影像传 感器(Charge Couple Device, CCD)。
该处理单元520连接至该影像感测单元510，以对该影像执行二阶 影像预处理(bi-level image pre-processing),以产生一个二阶影像，并选
取该二阶影像中相对于该具有方向性的光源的影像对象(image object),
再依据该影像对象以产生该具有方向性的光源的该旋转角度。
该处理单元520包含一个二阶影像处理器521、 一影像对象选取器 523及一计算器525。该二阶影像处理器521连接至该影像感测单元510，
以对该影像执行二阶影像预处理，以产生该二阶影像。
该影像对象选取器523连接至该二阶影像处理器521，以选取该二
阶影像中相对于该具有方向性的光源的影像对象，并产生至少一影像 对象。该计算器525连接至该影像对象选取器523，以计算该至少一影 像对象的一重心及一方向，以产生该具有方向性的光源的该旋转角度
该计算器525依据该方向与一预设向量》，以产生该具有方向性 的光源的该旋转角度。其中，该旋转角度e为
<formula>formula see original document page 10</formula>
当中，A为该方向的向量，B为该预设向量，[A]为向量长度，[B]为预设 向量长度， 为内积(inner product)。
图8是本发明悬空定位的方法的流程图，其计算一影像感测装置 420与一发光装置410的一旋转角度，该发光装置410用以产生具有方向 性的光源。首先，在步骤S610中，使用该影像感测装置420，用以接收 该发光装置410所产生的具有方向性的光源。
在步骤S620中，将该光源转换为电信号，再依据该电信号而产生 相对于该具有方向性的光源的一影像。当该影像感测装置420如图6箭 头440所示的轴线逆时针旋转0度时，该影像则如图9所示。图9中两个 白色区域该发光二极管411、 412的影像。图10是图9中该发光二极管 411、 412的放大影像的示意图。于图10中，该影像感测装置420的感测 像素侦测到该发光二极管411、 412所产生的光源，则呈现为白色像素, 没有侦测到该发光二极管411、 412所产生的光源，则呈现为黑色像素。 其中，白色像素其灰阶值约大于200，黑色像素其灰阶值约小于50。
在步骤S630中，对该影像执行二阶影像预处理，以产生一个二阶 影像。其依据下列伪码(pseudo code)以产生该二阶影像
if(pix—value > 150)
then pix_value = 255 elseif(pix_value < 70)
then pix_value = 0 endif
其中pix—value代表像素值，即，当一像素值大于150时，将该像素值设 定为255，当一像素值小于75时，将该像素值设定为O，由此产生该二 阶影像。
在步骤S640中，选取该二阶影像中相对于该具有方向性的光源的 影像对象(image object),并产生至少一影像对象。在步骤S640中，主要 选取该发光二极管411、 412的影像对象。每一影像对象包含一最小长 方形、影像对象中心点及影像对象面积。该最小长方形可包含该发光 二极管411、 412的影像的最小长方形。在本实施例中，可利用该影像 对象面积以判断哪个为大的发光二极管411的影像对象、哪个为小的发 光二极管412的影像对象。
在步骤S650中，计算该至少一影像对象的一方向，以产生该具有 方向性的光源的该旋转角度e。在本实施例中，其是利用大的发光二 极管411的影像对象中心点为起始点、小的发光二极管412的影像对象
中心点为终点而产生该方向，再依据该方向与一预设向量^，以产生该 具有方向性的光源的该旋转角度e 。该预设向量S该影像感测装置420
感测影像的水平线。亦即该旋转角度e为
e=cos-i(4^)
当中，3为该方向的向量，》为该预设向量，叫为向量长度，"为预设 向量长度， 为内积(inner product)。
本发明将大的发光二极管的影像对象中心点定为起始点、小的发 光二极管的影像对象中心点定为终点，进而产生该方向，并可利用该 起始点及终点的中心点做为一核心点以作为定位之用。本发明技术可 利用该影像感测装置420旋转角度0 、核心点位置、及该起始点及终点 的距离三者算出最后绝对寻址坐标，本发明技术利用三角测距法将该起始点及终点的距离换算为该发光装置410至该影像感测装置420相对 距离。图11是图10的局部放大图。由图中可知方向的向量2的长度M为
力22 +62 =7^个像素距离。图12是计算该发光装置410至该影像感测 装置420相对距离的示意图。其中，向量< 是事先测量该影像感测装置 420与该发光装置410的向量，其是该影像感测装置420与该发光装置 410—米处所选取的大的发光二极管的影像对象中心点为起始点、小的 发光二极管的影像对象中心点为终点的向量。设向量^的长度为M个像 素点，大的发光二极管411与小的发光二极管412的距离为L米，由于
A^D￡~A^FG，所以丄 y + l ，因lt匕 丄—M。由于A^DE A^fiC ，所 以A/ — r ，因此—M 。故该影像感测装置420距离该发光装置410
为z+i-(y-z)+i。此为三角测距法的应用，熟习该技术者依据本发明 说明书的描述能轻易完成，在此不再赘述。
前述实施例中，该可产生方向性光源的发光装置410是由一大一 小的发光二极管411、 412所组成，以产生该具有方向性的光源。在其 它实施例，该发光装置410是由一L形状的发光二极管所组成，以产生 该具有方向性的光源。该发光装置410也可由一预定形状的发光二极管 及一非预定形状的发光二极管所组成，以产生该具有方向性的光源。 而相对应的二阶影像处理步骤、影像对象选取步骤、及计算步骤为熟 习该技术者依据本发明说明书的描述所能轻易完成，在此不再详述。
由先前的描述可知，现有技术需使用至少3个以上的光源且需安 置于显示屏幕430，方能提供影像感测装置420相对于显示屏幕430的旋 转角度及定位坐标。此不仅会影响显示屏幕430的外观，亦会干扰到显 示屏幕430所播放影片的内容。而本发明技术可较现有技术使用更少的 光源，即可让影像感测装置420计算出相对于显示屏幕430的旋转角度 及定位坐标。
同时，现有技术需使用2个光源并配合加速传感器，例如G-Sensor， 方能达到定位绝对坐标的功能。本发明技术无须使用加速传感器，只 需使用可产生方向性光源的发光装置410，经分析光点的相关位置和面 积大小形状，则可产生一个新的指向坐标和相对距离。
综上所述，本发明的技术是将一显示屏幕430上方的可产生方向 性光源的发光装置运用影像感测装置读取该发光装置的影像，经分析 光点的相关位置和面积大小形状，产生一个新的指向坐标和相对距离。 本发明技术可作为遥控器装置或无线鼠标的输入，用以控制屏幕的位 置和特定动作。当本发明技术运用于遥控器装置时，本发明技术可解 决遥控器装置对液晶显示屏幕无法有效定位绝对坐标的问题，并可提 供遥控器到液晶显示屏幕相对距离等有效信息。
上述实施例仅为了方便说明而举例而己，本发明所主张的权利范 围自应以申请专利范围所述为准，而非仅限于上述实施例。
权利要求
1. 一种具有悬空定位功能的坐标定位系统，适用于液晶显示单元，其包含一发光装置，用以产生具有方向性的光源；以及一影像感测装置，用以选取该发光装置所产生该具有方向性的光源，并产生该具有方向性的光源相对应的一影像，用以通过分析该影像，进而获得该具有方向性的光源相对应的一旋转角度，其中，该影像感测装置包含一影像感测单元，用以接收该发光装置所产生的该具有方向性的光源，并将其转换为一电信号，再依据该电信号而产生相对于该具有方向性的光源的该影像；以及一处理单元，连接至该影像感测单元，以对该影像执行二阶影像预处理，进而产生一个二阶影像，并选取该二阶影像中相对于该具有方向性的光源的影像对象，再依据该影像对象，用以产生该具有方向性的光源的该旋转角度。
2. 根据权利要求l所述的系统，其中，该处理单元包含 一个二阶影像处理器，连接至该影像感测单元，以对该影像执行二阶影像处理，进而产生该二阶影像；一影像对象选取器，连接至该二阶影像处理器，以选取该二阶影 像中相对于该具有方向性的光源的该影像对象，并产生至少一影像对 象；以及一计算器，连接至该影像对象选取器，以计算该至少一影像对象 的方向，进而产生该具有方向性的光源的该旋转角度。
3. 根据权利要求2所述的系统，其中，该计算器依据该方向与一 预设向量，以产生该具有方向性的光源的该旋转角度。
4. 根据权利要求3所述的系统，其中，该旋转角度为0，其中^为: 0 = cos_'(^r^)当中，；i为该方向的向量，s为该预设向量，^为向量长度，"为预设 向量长度，*为内积。
5. 根据权利要求i所述的系统，其中，该影像感测单元为互补式 金属氧化物半导体影像传感器。
6. 根据权利要求5所述的系统，其中，该发光装置是由一大发光 二极管与一小发光二极管所组成，进而产生该具有方向性的光源。
7. 根据权利要求6所述的系统，其中，将该大发光二极管的影像 对象中心点定为一起始点以及将该小发光二极管的影像对象中心点为 一终点，进而产生该方向的向量3。
8. 根据权利要求6所述的系统，其中，该发光装置是由一L形状 的发光二极管所组成，以产生该具有方向性的光源。
9. 根据权利要求6所述的系统，其中，该发光装置是由一预定形 状的发光二极管及一非预定形状的发光二极管所组成，以产生该具有 方向性的光源。
10. —种具有悬空定位的坐标定位方法，适用于液晶显示单元， 用以计算一影像感测装置与一发光装置的一旋转角度，该发光装置用 以产生具有方向性的的光源，该方法包含下列步骤一接收步骤，使用该影像感测装置以接收该发光装置所产生的该 具有方向性的光源；一成像步骤，并将该具有方向性的光源转换为电信号，再依据该 电信号而产生相对于该具有方向性的光源的一影像；一影像处理步骤，对该影像执行二阶影像预处理，进而产生一个 二阶影像； 一影像对象选取步骤，选取该二阶影像中相对于该具有方向性的光源的影像对象，并产生至少一影像对象；以及一计算步骤，计算该至少一影像对象的方向，进而产生该具有方 向性的光源的该旋转角度。
11. 根据权利要求10所述的方法，其中，该计算步骤依据该方向 与一预设向量，以产生该具有方向性的光源的该旋转角度。
12. 根据权利要求ll所述的方法，其中，该旋转角度为^，其中^为<formula>formula see original document page 4</formula>当中，^为该方向的向量，》为该预设向量，^为向量长度，"为预设 向量长度，*为内积。
13.根据权利要求10所述的方法，其中，该影像感测单元为互补 式金属氧化物半导体影像传感器。
14. 根据权利要求ll所述的方法，其中，该发光装置是由一大发 光二极管与一小发光二极管所组成，以产生该具有方向性的光源。
15. 根据权利要求14所述的方法，其中，将该大发光二极管的影 像对象中心点定为一起始点以及将该小发光二极管的影像对象中心点 定为一终点而产生该方向的向量^ 。
16. 根据权利要求ll所述的方法，其中，该发光装置是由一L形 状的发光二极管所组成，以产生该具有方向性的光源。
17. 根据权利要求ll所述的方法，其中，该发光装置是由一预定 形状的发光二极管及一非预定形状的发光二极管所组成，以产生该具 有方向性的光源。
全文摘要
本发明涉及一种具有悬空定位功能的坐标定位系统及方法，其包含一发光装置及一影像感测装置。该发光装置用以产生具有方向性的光源。该影像感测装置用以接收该发光装置所产生的具有方向性的光源，并产生具有方向性的光源相对应的影像，以通过分析该影像而获得该具有方向性的光源的一旋转角度。
文档编号A63F13/00GK101376058SQ20071014776
公开日2009年3月4日 申请日期2007年8月28日 优先权日2007年8月28日
发明者陈立明 申请人:凌阳多媒体股份有限公司