一种三次元虚拟输入与仿真的装置的制作方法

专利名称：一种三次元虚拟输入与仿真的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种三次元虚拟输入与仿真的装置，特别涉及的是一种由 复数个点光源、复数组具视轴追踪的光学定位器、与一控制解析的程序所构成， 在于利用所述的复数组具视轴追踪的光学定位器，对所述的复数个点光源，做 三次元运动的量测与分析，即可达虚拟输入与仿真器的目的。
背景技术：
键盘、鼠标、摇控器、触控银幕等，为传统常用的人机界面，其最主要的 特征，是都需通过手部与手指，直接接触并操控一机械结构，方能将文字、绘 图、功能操作等信息输入在机器，达到人机互动的目的。
本发明中，对于虚拟输入装置，所订定的最基本定义，为以三次元手部运 动量做为输入的方式，并达到文字、绘图、功能操作等信息输入的目的。简言 的，即以三次元手部运动量做为人机互动的界面。
如图l所示，为虚拟实境中所用手套的示意图。虚拟实境(Virtual Reality, 以下简称VR)中所用的手套l(以下简称VR手套)，为典型的三次元手部运动量 认知的装置。为了追求手部指头的细部动作， 一般的VR手套上，在手指部2 都装置有Strain Gage Sensor、或Flex Sensor等(未示在图上)，可量测手指弯曲 的物理量。另外，为了追求力回馈(Force Feedback), —般则会装置各式各样微 型的触发器(Actuator)(未示在图上)。最后，在VR手套上装置一定位器 (Positioning Device)3，可量测手套上单一位置的三次元坐标与角度。其细节，请 参阅以下相关的专利
U.S.Pat. No.4414537(Gray J. Grimes,1983)
U.S.Pat. No.5047952(James P. Kramer, 1991)
U.S.Pat. No.4988981(Tomas G. Zimmerman, 1991)
虽然，VR手套已可达到人机沟通的功效，但由于构造与控制过在复杂，无 法适用在一般只需简单界面操作的个人计算机、游戏机、PDA、移动电话、家庭影视等器材。再且，其制造成本也非一般使用者可负担。所以，至今VR手套 未曾普与流通在消费性市场上。另外，从技术面而言，为不受手部运动的干扰， VR手套所采用的定位装置， 一般不外是电磁式、或超音波式，其最大缺陷为反 应速度不够快，在实际操作上，造成明显的延迟效应(Latentency),且易受环境 的干扰，无法正确定位。其细节，请参阅以下相关的研究报告
Christine Youngblut, etc., Review of Virtual Environment Interface Technology, Chapter 3 and 5， INSTITUTE FOR DEFENSE ANALYSES, 1996
是以，对于任一的虚拟输入装置而言， 一个可快速认知手部上复数点运动 量的定位器，势必成为达到虛拟输入目的的首要条件。基于上述的理由，所述 的定位器需具备以下的特征，方能达到实用与普与的目的。
1. 可提供手部复数点的三次元运动物理量(如空间坐标、位移量、速度、加 速度等)；
2. 具大范围检测的特征，也即使用者可在较大的操作范围内，做手部的任 意运动；
3. 具视点追踪的能力，也即可自动追踪使用者的操作位置，提供更大的使 用范围；
4. 具高空间解析的能力，也即对于使用者手部的运动，在空间上，可解析 出空间最小的位移量，是需达厘米(mm)层级；
5. 具高速反应的能力，也即对于使用者手部的运动，在时间上，检测出三 次元运动物理量所需的最短时间，是需达ms层级；
6. 低制造成本，也即如一般计算机周边的价格。
以下，根据上述的需求标准，以检验现有技术的达成度。过去，可量测单 点三次元运动物理量的技术，计有静电场式、静磁场式、超音波式、电磁波式、 三角量测式等方式，请参阅以下相关的专利
静电场式
U.S.Pat. No. 6025726 (Neil Gershenfeld, 2000) 静磁场式
U.S.Pat. No. 4945305 (Ernest B. Blood, 1990) 超音波式
U.S.Pat, No. 5214615 (Will Bauer， 1993) 电磁波式U.S.Pat. No. 4613866 (Ernest B. Blood, 1986) U.S.Pat. No. 5739812 (Takayasu Mochizuki, 1998) 三角量测式-影4象处理(2D Camera): U.S.Pat No. 4928175 (Henrik Haggren， 1990) U.S.Pat. No. 6810142 (Nobuo Kochi, 2004) 三角量测式-2D光学式
U.S.Pat. No. 5319387 (Kouhei Yoshikawa, 1994)
以上的技术，或多或少，都无法同时满足高空间解析、高速反应、大范围 使用、低制造成本的要求。是以，非本发明所要比较讨论的对象。本发明所欲 深入探讨的技术，为以一维光学为基础的定位量测技术。不同在上述其它多种 的技术， 一维光学的定位技术，可完全满足高空间解析、高速反应、大范围使 用、低制造成本的要求。关于一维光学的定位技术，过去已公开的相关技术专 利，如下
U.S.Pat. No. 3084261 (Donald K. Wilson, 1963) U.S.Pat. No. 4092072 (Stafford Malcolm Ellis, 1978) U.S.Pat. No. 4193689 (Jean-Claude Reymond， 1980) U.S.Pat. No. 4209254 (Jean-Claude Reymond, 1980) U.S.Pat. No. 4419012 (Michael D. Stephenson, 1983) U.S.Pat. No. 4973156 (Andrew Dainis, 1990) U.S.Pat. No. 5198877 (Waldean A. Schuiz, 1993) U.S.Pat. No. 5640241 (Yasuji Ogawa, 1997) U.S.Pat. No. 5642164 (Yasuji Ogawa, 1997) U.S.Pat. No. 5907395 (Waldean A. Schuiz, 1999) U.S.Pat No. 5920395 (Waldean A. Schuiz, 1999) U.S.Pat. No. 6584339 B2 (Robert L. Galloway, 2003) U.S.Pat. No. 6587809 B2 (Dennis Majoe， 2003) U.S.Pat. No. 6801637 B2 (Nestor Voronka, 2004) U.S.Pat. No. 7072707 B2 (Robert L. Galloway, 2006)
以一维光学为基处的定位量测技术，最早出现在U.S.Pat. No. 3084261 (Donald K. Wilson, 1963)。 Wilson利用两个直交的一维圆柱状透镜(Cylindrical Lens，以下简称一维透镜)、两个三角状的光电感应装置、与两个方型的光电感应装置(silicon photovoltaic cell),以达到量测太阳的方位角(azimuth与elevation)、 与自动追踪太阳移动的目的。1978年，Ellis利用了一个"V，，字行的光闸(V-shaped
aperture)、与--^纟食光感观'J数纟且(linear array of light sensitive elements),达到同才羊
的角度量测的目的。
随后，在1980年，Reymond首度提出以一维光学为基础的三次元坐标定位 技术。所述的技术的主要特征，如下
1. 光学系统的构成
主要是由包括有由 一 维透镜、 一 滤波片(Filter)、——维光感测数组(Linear
array of photosensitive elements)、--维光感测数组信号读取线路等组件所构成
的三组线性位置侦测器(Linear Positioning Sensor)、与 一 空间坐标的计算方法(为 方便后文的说明，有关线性之用语，都改为一维)。所述的三组一维位置侦测器 的空间排列方式，其一维光感测数组长轴方向为共平面，且其中第一组与第二 组一维光感测数组长轴的排列方向，为平行，但第一组(第二组)与第三组一维位 置检测器的排列方向，则为垂直。
2. 三次元坐标的理论计算
在一维光感测数组长轴方向为共平面的条件下，提出三次元坐标的理论计 算。其方法，是根据待测点光源的位置、 一维透镜光轴中心的位置、与一维光 感测数组成像的位置所构成的三个几何平面，计算所述的三个平面的交汇点， 即可计算出其点光源的位置坐标。
3. 达到复数点定位的效果
通过连续且周期性切换复数点光源的发光时间，即令复数点光源，各自在 不同的时间点发光，以避开像重迭的现象、并可得到各一维光感测数组间，各 点光源成像正确的对应关系(为方便说名，本现有的技艺，以下简称为时间调变 的技术)，可达到对三个点光源定位的目的。
4. 量测数据的处理
在一维光感测数组信号读取的硬件线路中，加入一阀值比较(threshold comparison)的线路，以去除不必要的背景光源。
另外，在Reymond所提出专利中，曾言与(但未深论、也未宣告为专利范围) 其技术可能的扩张性，如下
5. 复数点量测的扩张性
对于还复数点的定位量测，可增加一维位置检测器的数目，以达到对还复数点定位量测的目的。
6.空间排列方式的扩张性
对于一维光感测数组彼此间的排列位置，不一定需要为共平面式的排列。
对于此两项扩充性，Reymond未提出任何具体的理论计算，以说明如何达 到取得待测点空间坐标的目的。
Reymond的专利，对于三次元点坐标的定位，清楚地公开了一维光学定位 系统的原理、架构与基本技术 随后，/人Stephenson (1983)以降、至Galloway(2006) 的诸多专利中，在技术面上，大都延用Reymond的原理与架构；在应用面上， 则停留在特殊量测的领域，并无特别崭新的处，说明如下
U.S.Pat. No. 4419012 (Michael D. Stephenson, 1983)
基本上，此专利主要是Reymond专.利部份的改良，其最大的特征在于对同 步方式的改善，即Reymond是以有线的方式，达成复数点光源点亮与一维光感 测数组数据扫描间的时间同步。Stephenson则是利用一 PIN DIODE，监看复数 点光源个别被点亮的时间，据此以同步起动一维光感测数组的数据扫描。是以， Stephenson是以光学式的无线方式，达到同步的效果。
U.S.Pat. No. 4973156 (Andrew Dainis, 1990)
此专利几乎延袭Reymond的所有观念，虽然对三组一维位置检测器的空间 排列，提出共平面且120。的空间排列方式；另外对四组一维位置检测器，则提 出共平面且45。的空间排列方式。然而，对于此两种空间排列方式，却提不出具 体的理论计算，以说明如何达到取得待测点空间坐标的目的。另外，对复数点 的量观'J ， 虽然言与同时点亮4寺测光源(a plurality of simultaneously illuminated optical targets),但却无法提出任何具体的实施方法。此外，对于像重迭的现象(请 参考中国台湾专利申请案号096113579),也无任何探讨。
U.S.Pat. No. 5198877 (Waldean A. Schuiz, 1993)
基本上，此专利主要是Reymond专利的应用例，Schuiz所构思的应用，是 以一手提式(hand-held)的一维激光扫瞄器，对待测物做线性激光光点的扫瞄，即 将激光光点投射在待测物的表面。利用两组一维位置检测器，可先取得所述的 待测物所反射的激光光点的相对坐标。隨后，利用Reymond的三组一维位置检 测器，对三个设置在激光扫瞄器上的导光源(pilot light emitter)做量测，最后即可 计算出待测物所反射的激光光点的绝对坐标。此处，Schuiz所用的三个导光源， 其点亮发光的方法，也延袭Reymond的连续且周期性切换复数点光源的技术，并无新创。另外，对于点亮三个导光源的发光方法，Schuiz虽曾文中提与(但未
深论、也未宣告为专利范围)使用不同波长(即不同颜色)的光源、与具不同调变
频率(modulation)的光源，但却未曾提出任何具体可行的陈述。 U.S.Pat. No. 5640241 (Yasuji Ogawa, 1997) U.S.Pat. No. 5642164 (Yasuji Ogawa， 1997)
基本上，此两专利主要是Reymond专利部份的改良，其最大的特征在于使 用二维光感测数组与复合式一维透镜，其优点在于精简机构，但并无法提升任 何量测的分辨率(注分辨率的好坏不在于一维、或二维光感测数组的使用，而 是在于光感测数组上单一画素的大小、点光源的处理、其它光学参数的设定)、 也无法提高速度(注使用二维光感测数组只会降低速度)、且无法降低制造成本 (注主要是在于复合式一维透镜的制造)；对量测数据也无任何处理的说明，对 复数点的量测，则是束手无策。
U.S.Pat. No. 5907395 (Waldean A. Schuiz, 1999)
U.S.Pat. No. 5920395 (Waldean A. Schuiz， 1999)
基本上，此两专利主要是Reymond专利的应用例、与少部份的补充。其补 充的部份，是在于点光源的处理，也即通过球状、平面状的发散体(diffuser),可 得较大发散角度的点光源。对于的背景光的处理，则使用软件的方式，也即先 将背景光的信号，记录在内存中，在实际量测时，再将量测信号减去背景光的 信号，即可取得原信号。对于复数个点光源，其点亮发光的方法，也延袭Reymond 的连续且周期性切换复数点光源的技术，并无新创的处。
U.S.Pat. No. 6584339 B2 (Robert L. Galloway, 2003)
U.S.Pat. No. 6801637 B2 (Nestor Voronka, 2004)
U.S.Pat. No. 7072707 B2 (Robert L. Galloway, 2006)
基本上，此三专利都为Reymond专利的应用例，在定位技术上，并无任何 创新的处。
综观以上所述的专利，可得到以下的结论 (1)理论计算
对于点光源三次元坐标的理论计算，除了 Reymond所提简单的理论计算外， 未曾出现新理论。对于理论的计算，学术领域中曾出现如下的论文
Yasuo Yamashita, Three-dimensional Stereometeric Measurement System Using Optical Scanners, Cylindrical Lenses, & Line Sensors,SPIE361， Aug. 1982.
Yamashita论文中所陈述的理论，只适合一维光感测数组长轴方向为共平 面、与一维透镜光轴共平面的特殊条件，并非一广义的计算理论。对于一维位 置检测器可以任意位置、任意角度设置的广义理论计算，则出现在下列的专利
中国台湾专利申请案号096108692
中国台湾专利申请案号096113579
中国台湾专利申请案号096116210
(2) 技术
在技术面上，其所使用技术的深度，都无超越Reymond(1980年)所提出专 利的范围。尤其是对于像重迭现象的解决，Stephenson(1983年)以降，并无改善 与创新。
(3) 应用
在应用面上，所有专利都停留在三次元位置定位量测之用途，无任何专利 提与虚拟输入的应用。利用一维光学定位技术来做虚拟输入的应用，出现在下 列的专利中国台湾专利申请案号096116210。所述的专利中，首度提出以手 势当人机界面的三次元鼠标(3D Mouse)。

发明内容
首先，针对上述现有技艺的缺陷，提出以下创新或改善的方案
1. 点光源唯一性的处理
2. 背景光的处理
3. 数据的处理
4. 系统架构的扩张
5. 系统应用的扩张
最后，再提出本发明实施例的说明。 1.点光源唯一性的处理
对于一维光学系统而言，其优点在于可快速读取像点位置(因使用一维光感 测数组)，其缺点则为易产生像重迭的现象。如图2所示，是一维光学系统像重 迭现象的示意图。对于焦距为/的一维透镜5,定义其聚焦方向为平行Y轴(本 文以下都以双箭头的短线以图示一维透镜，其箭头的方向即代表可聚焦的方向)、 其长轴方向(非聚焦方向)为平行X轴、而其光轴方向则为Z轴。延其光轴Z、且与光轴Z垂直的平面上，存在一垂直在Y轴的直线玩，使得位于所述的直线玩 上任意位置的点光源o，其成像点都为/(0，A，0),这就是像重迭的现象，以下称 直线玩为像重迭线。也即，任何位于直线玩的点光源，其成像位置都同。因 此，对于以一维光学系统为基础的定位系统，在当对复数点光源做定位量测时， 像重迭现象的解决，乃成为首要的务。此外，由于此技艺需使用至少三个一维 光感测数组，对于复数点光源，同时在复数个一维光感测数组上的成像，需通 过一辨识的程序，以快速找出一维光感测数组间，正确的成像对应关系，方能 对复数点光源做正确的定位量测。
让每个点光源具有唯一性(Unique Characteristics),为解决^象重迭现象、与 正确成像对应关系的最基本的原则。如前述的US专利所提，对复数点光源做时 间调变、或波长调变、或频频调变，可让每个点光源具有唯一性。所谓的时间 调变，即连续交替的方式点亮点光源，也即每个点光源是在不同时间点被点亮 发光。是以，在感应检测端，在每一次扫描中，只会读取到一个、且唯一被点 亮点光源的成像位置。对于时间调变的方法，其缺点为异步量测所造成的位置 误差，其位置误差与点光源移动速度、点光源数目成正比。所谓的波长调变， 即为让每个点光源具有不同的发光波长，其缺点为制造成本的增加、与所需处 理数据量的变多；所谓的频率调变(modulation)，即为让每个点光源的发光强度， 是以不同频率震荡，其缺点为需使用解调变(demodulation)的技术。另外，不同 在上述的处理方式，在中国台湾专利申请案号096113579中，也提增加一维位 置检测器的数目与光轴旋转的方式，以解决像重迭的现象。
本发明中，针对手势认知的应用，再提出以下(l)强度调变法、(2)几何调变 法、(3)Stephenson的改良法、(4)主/人式无线同步法、("波长调变法等方法，以 解决像重迭的现象。
点光源光强度与几何构造的唯一性
如图3(a)所示，点光源对一维光学透镜作用成像的示意图。 一般的点光源 10，经一维光学透镜作用后，可得线条状的成像ll。经一维光感测数组12读取 所述的线条状的成像11后，在其横向上，可得一强度近似高斯分布的成像信号 /(jc)，如下:
/W = /0e " (1)
其中，/。为中心的强度、(7为分布的标准差，//为平均位置。 一般，当X偏 离平均位置/i，约三个分布标准差CT时，/(X)即成为零。因此，可定义卜//|<30"处的信号，为有效成像信号。另外，点光源10的发光强度P决定了中心的强度/。、 而点光源的发光半径r,则决定了分布的标准差O"。因此，可利用点光源的/。、 与o"做为唯一性的参数。也即，对于复数点的点光源，可用不同的/。、 o"做点光
源的辨识。是以，利用/。做点光源辨识的方法，称为强度调变；而利用cr做点光 源辨识的方法，则称为几何调变。
以下，以三个点光源为例，说明强度调变与几何调变。
(1) 强度调变法
如图3(b) 图3(e)所示，为强度调变的示意图。图3(b)所示，是在无像重迭 现象时，三个具不同光强度/,。、 /2Q、 /3。、但具相同a的点光源，其在一维光感 测数组上的成像信号15、 16、 17，因具有中心强度的唯一性，通过阀值比较法、 也或波形侦测法(如后文的说明)，可识别辨认所述的三个有效成像信号，并据此 以计算出中心强度的位置，即平均位置//。当所述的三个点光源接近像重迭线时， 如图3(c)所示，三个成像信号15、 16、 17已叠加，成为叠加成像信号18。此情 况下，阀值比较法即失效，而波形侦测法，但尚可清楚辨认其平均位置。当所 述的三个点光源几乎接近像重迭线时，如图3(d) 图3(e)所示，已无法辨认其平 均位置。此时，可视所述的三个点光源的平均位置为一致，但会产生些许量测 误差的现象。如果把点光源的发光半径H故得非常小、且有足够的发光强度以感
应成像的话，即可让成像信号/(JC)的分布的标准差CJ,接近或小于一维光感测数
组12上单一画素的宽度，即改善上述量测误差，达到解决像重迭的现象。
(2) 几何调变法
如图3(f) 图3(i)所示，为几何调变的示意图。三个具相同/。、但不同q、 (72、 q的点光源，其在一维光感测数组上的成像信号15、 16、 17各别为A(jc)、
_T2(x)、 /3(x);叠加成像信号18则为J(;c)，表示如下<formula>formula see original document page 26</formula> 其中，ct!,ct2，ct3为已知、且ct3 > ct2 > 。
图3(f)所示，是三个点光源同时排列在像重迭在线，所以呈完全像重迭的现象；图3(g) 3(h)所示，是三个点光源非常近接像重迭在线，呈大部份像重迭 的现象。图3(i)所示，是三个点光源近接像重迭在线，呈小部份像重迭的现象。 是以，在像重迭现象发生时，如何利用所量测取得的叠加成像信号18/(jc)，以 解出A，/^,A，即成为几何调变技术的课题。
如图3(j)所示，是当4象重迭现象发生时，利用消去法(Method of Deduction) 与Guassian Fitting,以求出/^,//2，//3。所谓消去法，其原则为，从叠加成像信号 18中，由最大点光源到最小点光源的次序，依次分离成像信号。即由/(x)中， 先找出部份的/3 (x)、并对其做Gaussian Fitting后，可得/3(x)与后，从/(;c)中 分离/30)，使得/'(;<:) = /("-/3(x)。根据同样的步骤，再由/'(x)中，分离/20), 即可得/"x)。几何调变的优点为不受像重迭现象的影响，可解出所有点光源成 像信号的平均位置/i。其缺点则为数学计算较多、且各点光源的大小，必需明确 区分。
时间调变的改良法
如前述Stephenson的专利，Stephenson是在感应检测端，利用一 DIODE, 监看复数点光源被点亮的时间，以达到一维光感测数组同步扫瞄的效果，改善 了 Reymond有线的方式。其各信号的时序，如图4(a)所示，是Stephenson时间 调变法时序的示意图，所述的图显示复数点光源点亮、与一维光感测数组数据 扫瞄读取间同步的时序。Emitterl Emitter3(即点光源)以固定的周期连续且交替 点亮，Diode回路在接收到这些光信号后，产生一同步信号SYNC，以同步驱动 所有 一 维光感测数组开始扫描。 然而，如图4(b)所示，在实际的手势操作中，装置在手部或手指上的点光 源，如emitter2,因手部或手指的任意运动，点光源可能随时被手部遮蔽，容易 造成同步失调的现象，使得一维光感测数组取到错误的数据。对此，Stephenson 专利中，未曾提出任何的解决方案。针对此同步失调的现象，本发明提出以下 两种解决的方法。
(3)Stephenson的改良法
如图4(c)所示，是Stephenson时间调变改良法时序的示意图。对于 Emitter 1 Emitter3所产生的光信号，可在适当的时间(如4吏用前、或每隔一固定 的时间)，利用 一 微处理器(/i尸)，在接收到Diode的信号后，量测 Emitterl Emitter3连续交替点亮的周期，并以相同的周期，同步产生同步信号 SYNC,即可克服同步失调的现象。(4) 主从式无线同步法
不同在Reymond、 Stephenson的方法，所谓主从式无线同步法，是以RF的 方式，由发射端(主端)发射出具有编码的同步信号，所述的编码的同步信号内， 是包含有一所欲点亮点光源的号码、与所需点亮点光源时间的信号。是以，接 收端(从端)在接收到所述的编码的同步信号后，可译码解析出所述的编码的同步 信号内的信息后，并做出正确的同步控制，以达时间调变的目的。
如图4(d)所示，是主从式无线同步法的示意图。装置在一维位置侦测器20 端的RF发射器21,发射出一具编码的RF同步信号22。所述的具编码的同步 信号22,即包含有编码信号24、与同步信号25。所述的编码信号24代表所欲 点亮点光源的号码，而同步信号25则代表欲点亮点光源的时间。所述的编码信 号24的构成，可为一组数字码(binary. code)、也或是具特定时间长度的方波、 也或是具特定数目的脉冲。另外，装置在手部端的RF接收器26,实时收到所 述的具编码的RF同步信号22后，输出所述的信号至一译码器27。所述的译码 器27可分离出编码信号24、与同步信号25后，输出所述的两信号至一点光源 开关切换器28。所述的切换器28即根据点光源的号码，可在正确的时间点，个 别且正确点亮点光源29。因此，不论点光源是否被遮蔽，在一维位置检测器20 端，可清楚且正确知道被点亮点光源的编号与时序。这也就完全解决的前 Stephenson所碰到的遮蔽问题。另外，因为加入编码的方式，也可以任意的次序 与时间，点亮点光源29。当然，把RF发射器设置在手部端、而RF接收器设置 在一维位置侦测器端，也可达同样的功效。在此，对于一般RF的技术，在发射 端通常需做调变(modulation)的动作，而在接收端则需做解调变(de-modulation) 的动作，此为现有的技术，是以不加以讨论与说明。
另外，如图4(e)所示，RF发射器也可发射出一另一具不同编码的RF同步 信号22，所述的编码的目的，是可同时点亮所有的点光源。因此，可将前述的 强度调变、几何调变、波长调变的方法、与主从式无线同步法整合，对点光源 唯一性的控制，以达更具功效的目的。
(5) 波长调变法
如前述Schuiz专利之中，虽曾提出利用波长调变以克服光重迭现象的概念， 但却无任何深入且具体的说明。图5(a)~图5(c)所示，是目前已大量普与的影像 感应技术。如图5(a)所示，是一般CCD或CMOS光感测数组的光感应频谱(请 参阅SONY/CCD/ILX526A)，其可感应光波长，通常介在400nm至1000nm之间，其单一光感应画素的大小，则介在数微米至数十微米Oim)之间。如图5(b)所示， 是一般加诸在CCD或CMOS光感测数组上，RGB色片(RGB color filter)的光 通过频语(请参阅SONY/CCD/ILX516K),利用波长滤光的作用，以达到彩色取 像的目的。如图5(c)所示，是一般二维CCD或CMOS光感测数组上，对应在 RGB画素，RGB色片的排列方式。以下，利用上述现有的影像感应技术，提出 波长调变的方法，以达到解决像重迭现象的目的。
如图5(d) 图5(e)所示，是波长调变的示意图。对于复数点光源所造成像重 迭的现象，在点光源数不多的情况下(例如三个以下)，波长调变可有效解决此像 重迭的问题。其关键，是在于使用复数个具有不同波长的点光源，并利用不同 波长的色片，将所述的具不同波长的点光源，作滤光分离后，让所述的复数个 点光源，同时且个别成像在同一个一维光感测数组、但不同画素位置的上，也 或是同时且个别成像在不同的一维光感测阵数组。如图5(d)所示，是三个具不 同波长点光源构成的示意图。对于装置在手部或手指上的点光源Emitter1 Emitter3，所述的Emitter1 Emitter3是可为白光LED,或是具适当波长的LED、 或是半导体激光。所述的Emitterl- Emitter3所发出的光，个别经一适当的光学 式带宽滤波器(BandpassFilter)处理后，可个别发射出A士A^、 A土A^、 ^土A;i3波 长的光源。其中，4、 ^、 ^为带宽滤波器的中心波长；2AA、 2A^、 2A^则为 半波高宽(，FWHM , Full Width at Half Maximum)。所述的中心波长与半波高宽的 选择，则需根据RGB色片光通过频谱的特征而定。例如，对于如图5(b)所示的 光通过频"i普，中心波长与半波高宽可设定为4 M0"m(蓝光)、A-SS0"7w(绿光)、 & ~ 630ww (纟工光)；2A^ ~ 20"w 、 2A^ ~ 20ww 、 2A^ ~ 20ww 。当、 、 值 太大时， 一般的RGB色片即失去正确滤光的作用，因此无法解决像重迭的问题。 另外，A、 &、 ^的选择，不一定需设定在可见光的波段内，也可设定在红外线 波段之内，但需配合适当的红外线光源、与适当的红外线色片或红外线的带宽 滤波器。
如图5(e)所示，是一维光感测数组上RGB色片排列的示意图。对于一维光 感测数组12, RGB色片的排列方式，是以画素为单位，以R、 G、 B的次序交 替排列。因此，对于前述所选定^ 450"附(蓝光)、^ 550"w(绿光)、A 630"w(红 光)的点光源，所述的交替排列RGB色片，即可将所述的三个点光源分离，并个 别成像在R、 G、 B画素的上(本图只以红光为例，以示出光分离与成像的作用)。
其优点是可只用一个一维光感测数组12，即可同时处理三个点光源的成像；其缺点是可量测点光源的空间分辨率，则降为三分之一 。
为了提高可量测的空间分辨率，如图5(f)所示，可使用三色的一维光感测数
组(请参阅SONY/CCD/ILX516K),也即如前述，对于^ ~450"w (蓝光)、 ^~550"附(绿光)、；13~630"附(红光)的三个点光源，提供三个并列的一维光感测 数组，并在其上，个别贴合三种不同波长的RGB色片，也可达波长调变的目的。
另外，现有的彩色二维CCD或CMOS光感测数组，已大量生产并用在数字 相;f几的上，基于成本的考虑，也可采用现有彩色二维CCD或CMOS光感测数组， 以取代前述一维CCD或CMOS光感测数组，也即利用现有彩色二维CCD或 CMOS光感测数组的制程，只需改变RGB色片排列、与画素影像扫描的方式， 即可利用现有彩色二维CCD或CMOS光感测数组，以达到波长调变的目的。如 图5(g)所示，是彩色二维CCD或CMOS光感测数组，其RGB色片排列的方式。 所述的RGB色片的排列，是以行(Row)为单位，以R、 G、 B的次序，交替排列 RGB色片。如图5(h)所示，是彩色二维CCD或CMOS光感测数组，另一 RGB 色片排列的方式。另外，如图5(i)所示，是彩色二维CCD或CMOS光感测数组， 其画素影像扫描读取的方式。所述的影像的扫描，是可通过一微处理器/zP、 一 行解碼控制器(Row Decoder)、与一列解碼控制器(Column Decoder),可针对任意 画素射j(即第i行、第j列)，达到做随机读取(Random Access)操作的目的。
2.背景光的处理
在所如前述的US专利中，只有Reymond与Schuiz的专利，尚曾提到量测 数据的处理，但仅止在对背景光源的去除。如前述，其处理的方法，是利用电 子、或软件的方式，通过一阀值比较(thresholdcomparison)的处理，达到去除背 景光的功效。 一般，做阀值比较的前提，是背景光信号为一不具时间变化、且 为固定的DC值。然而，对于具空间与时间变化特征的背景光，阀值比较的方法 即完全失效。另外，对于后续数据的处理，Reymond与Schuiz的专利，也无任 何深入的说明。
动态背景光的去除
对于一般室内的使用环境，通常背景光源来自在日光灯、与面素灯(或鴒丝 灯)。如图6(a)、图6(b)所示，是常用日光灯、与卣素灯的发光频谱。基本上， 这些光源会造成光感测数组端成像信号的不稳定、被覆盖、与饱合的现象。是 以，可将此现象统称为环境光干扰现象，而其在光感测数组上，则造成环境光 干扰噪声。对于环境光干扰噪声，现有简单的阀值比较法，即完全失效，无法取得正确的成像信号。以下，提出环境光干扰噪声去除的方法。
在时间G,对一维光感测数组量测，所取得的成像信号/0aJ，是由点光源
的成像信号S(x,")、与环境光干扰噪声信号iV(;c，"所叠加构成，如下式 J(x，"-S(A:," + iV(4) (6)
<formula>formula see original document page 31</formula>
其中，S(;c,"是可由数个点光源所构成的有效成像信号，M为所述的一维 光感测数组的总画素，其值可为2。(例如a=10，M=21(1=1024), ;^则为第m个画 素的位置。 一般，环境光干扰噪声信号iV(x,",大都来自在室内环境中所使用 的灯源、与灯源对其它器物的反射光；少部份则来自在光感测数组本身的暗电 流、与回路上其它电子噪声。另外，因(l)灯源所使用的电源为交流电源，其发 光强度自然具有交流的特性、(2)使用者可能随时调整灯源的强度，甚至开关灯 源、(3)灯源的位置可能与光感测数组同高，且设置在使用者的背后时，使用者 身体的运动，会与灯源所发出的光，产生直接干扰等现象。是以，在时间上， 环境光干扰噪声信号iV(x,4)，非为一稳定的常数，为一随时间变化的函数。尤 其是(3)所述的干扰，还是严重影响W(x,O的稳定度。这也就是造成现有阀值比 较法失效的原因。是以，将此类的干扰，定义为时间性环境光干扰信号。另外， 灯源及其灯罩可能具有特殊的几何结构，甚至环境中存在高反射的器物(如镜面、 衣服上的金属钮扣)，这些具有几何结构的光源，经一维透镜成像后，其成像信 号的特征与大小，都可能与点光源的效成成像信号雷同，更坏的情况是这些干 扰信号与点光源的效成成像信号重迭。这也是造成现有的阀值比较法失效的另 一原因。是以，将此类的干扰，定义为空间性环境光干扰信号。此处，将具有 时间性与空间性的环境光统称为动态背景光，而其在光感测数组的成像信号， 则称为动态背景光信号。以下，提出实时时间性环境光干扰信号去除法、与傅 利叶信号处理(也即空间性环境光干扰信号去除法)的方法，再配合阀值比较法、 也或波形侦测法，可有效解决动态背景光的干扰问题，并解析出点光源的有效 成像信号。以下，将上述实时时间性环境光干扰信号去除法、与傅利叶信号处 理法，统称动态背景光信号去除法。
(l)实时时间性环境光干扰信号去除法由于光感测数组对光感应具有线性叠加的特性、且一 维光学透镜具直线成
像的特征，如图5(j) 图5(k)所示，可利用另——维光感测数组13，以同时取得 动态背景光信号iV'(x,"后，自式(6)的原信号/(x,O中移除W'0c，"，即可得<formula>formula see original document page 32</formula>
将式(6)代入式(9),可得<formula>formula see original document page 32</formula>其中，<formula>formula see original document page 32</formula>
此处，是通过硬件的方式，即利用另——维光感测数组13,以取得iV'(、,fJ 信号，以下称噪声用一维光感测数组13;而原一维光感测数组12,则称为量测 用一维光感测数组12。所述的噪声用一维光感测数组13，其上则必需加装一适 当的光学滤波器(未示在图上)，以滤除所有点光源、但让环境光通过；而其设置 的位置必尽量靠近且平行量测用一维光感测数组。另外，对于噪声用一维光感 测数组13成像信号的扫瞄读取，是同步在所述的量测用一维光感测数组12成 像信号的扫瞄读取，并在所述的噪声用一维光感测数组13的信号读取电子回路 上，通过一电子放大器，以适当放大动态背景光的信号，使得AAT(;c,"可为
<formula>formula see original document page 32</formula>)
是以，式(10)即成为<formula>formula see original document page 32</formula> 其中，DC为一近似直流的低频信号、5"(x，")则可视为一具较高频几何结构 的空间性环境光干扰信号。另外，可适当调大点光源的发光强度，使所述的点 光源的成像信号满足以下的条件，
5"(x，y《S(x," (14) 再配合阀值比较法，即可取得有效成像信号S(x，"。所谓阀值比较法，是针 对式(13)中的DC与5"(jc，4)值，设定一比所述的DC+5"(x,")值大的适当值，再 利用比较的方法，以找出有效成像信号S(x,y。另外，对于强度调变中所使用的 点光源，也可通过波形侦测法(Method of Profile Detection),以取得有效成像信 号S(jc,O。所谓波形侦测法，是利用点光源成像波形的特征，以取得S(x,"。相 较在环境干扰的背景光源，由于本发明中所使用的点光源，其单位面积的发光 强度远大于背景光源，且其发光面积甚小于背景光源。所以，其成像信号的波 形是具有尖峯(sharp peak)的特征。也即，相较在背景光源的成像信号，本发明点光源的成像信号，其分布的标准差o",是具有一相对小的值，如20-30/^2; 而其中心的强度/。，是具有一相对大的值；此外，在有效成像信号中，其波形变 化的斜率，是具有一相对大的值。因此，可根据分布的标准差cr、中心的强度/。、 与波形变化斜率等特征，以找出点光源有效成像信号。
通常，由于点光源是使用一般的电池为其电源，如前述，调高点光源的发 光强度，以提高S/N比，会增加电池的耗电，而缩短电池使用的时间。是以， 在不提高点光源发光强度的条件下，必须再通过信号处理的方法，以消减 緒0，"，方能达到提高S/N比的目的。
(2)空间性环境光干扰信号去除法(傅利叶信号处理法)
现有的傅利叶光学，其目的是对空间域(Spatial Domain)中的几何信号，滤 除没必要的几何结构、或噪声，以取得想要的几何结构。其基本作法是在频率 域(Frequency Domain)中，针对所;欲去除的几何结构、或噪声所具有的特征频率， 做滤除的动作，即可达到傅利叶光学的目的。是以，可利用傅利叶光学的技艺， 来消减AiV(jc,"),以达到还高的S/N比。对式(10)做傅利叶转换，可得 = 5(" ，" +認(化，" (15)
其中，
JW-1 一,
Z取，4)ei (16)
m-0
H - /^则 H — /1^m"
腊(化，0-Z認(&，")e ^ =X["C + 5"(^，")]e M (17)
m=0 m=0
如前述傅利叶的方法，在频率域中，加一带通滤波函数Bi^o")的处理，即
针对DC信号所产生的低频频率、与&(;c，")信号所产生的高频频率，做滤除的动 作后，再做逆傅利叶的运算，即可取得干净且近似在原点光源的成像信号。是 以，对式(15)作带通滤波、与逆傅利叶的运算，可得
M-l ,2 r
尸(&,"-》77 U一",0 + AA^"，"]x鮮K》 (18)
1=0
将式(18)简化表示成，
尸("W'(&，W"(x") (19) 其中，
S'(xm,O=iyim"{S( ,4)xAPF(a0} (20)
M=0<formula>formula see original document page 34</formula> (21)
带通滤波函数可为
<formula>formula see original document page 34</formula>
也即，在频率域中，滤除频率低于^的低频是数、与频率高在&的高频是 数，即滤除認(《 ,")所具有的大部份频率，而其它是数则乘上一实数A的值。
当八>1.0时，可放大原点光源的成像信号S'(JC"J，使得5'"(X,0《S'(;^,"),即
取得还高的S/N比。是以，
SV") (23)
最后，再配合阀值比较法、也或波形侦测法，以取得有效成像信号S(JC,"。 如前述的动态背景光去除法，主要是使用另一噪声用光感测数组，以取得动态 背景光。然而，此方法会增加硬件的成本与复杂度。以下，再提出另一以软件 方式的近似实时时间性环境光干扰信号去除法。
(3)近似实时时间性环境光干扰信号去除法
所谓近似实时时间性环境光干扰信号去除法，是在不增加使用另一噪声用 一维光感测数组的前提下，只利用软件的方式，以达去除时时间性环境光干扰 信号目的的方法。如前述，时间性的环境光干扰，当使用者身体的运动与灯源 发生直接干扰时，造成背景光信号大幅变形与幌动，还是严重影响点光源信号 的正确取得。相对于现有一维光感测数组扫描取样的速度(如10—sec/scan),使用 者身体运动的速度，是相对的慢。因此，对于连续两次扫描所取得的成像信号 /(x，"、 /0，")，
/"" = S(x，" + iV(x，/J (24) /(x,", + (25) 其中所含的动态背景光信号iV(;c,4)、 W(;c,/w),在时间A/ =々-^上的变化 量，可视为一相对小于点光源成像信号S(x，"。因此，可将式(25)减式(24),即 可得
/'(x," = /Oc,")-/(x，") = A5(4) +辟,4) (26) ASO，" = S(;c，0-取") (27) 認(;c，") = iV(;c人)—iV(x，") (28)其中，<formula>formula see original document page 35</formula>当点光源为移动状态 1 0 当点光源为静止状态<formula>formula see original document page 35</formula>
在近似实时时间性环境光干扰信号去除法，式(29)、 (30)描述点光源成像信 号与动态背景光信号的特征。即当点光源为处在移动的状态时，点光源成像信 号呈现为两个不同位置的高斯信号G(A)、 G(/Zw)相减后的信号；而当点光源为 处在静止的状态时，点光源成像信号呈现为零。另外，对于动态背景光信号， 其5"(;c,"则具有与式(12)相同的特征。是以，再利用前述的傅利叶信号处理法， 即可去除空间性环境光干扰信号5"(:c，")。对于点光源为处在静止状态时，式(29) 经傅利叶信号处理后，点光源成像信号也呈现零的状态，即无法取出原有点光 源的成像信号。对于此现象的解决，则可利用一追迹的方法(Tracking),根据先 前的数据，以推测取得现有点光源的成像位置。
3.数据的处理(空间分辨率与平均位置的计算)
如图7(a)所示，是Reymond所采用光学系统的示意图。
在世界坐标系0(X,y，Z)中，设置三组一维光感测数组S、 S2、 & ，其中心点则 设置在(-; ，O,O)、 (O,O，O)、 (Zz，O，O)，其长轴方向如图示；另外，设置三组具等焦 距/的一维透镜^、A、A，其光轴各为Z,、Z2、Z3，其聚焦方向如图示。对于点光
源0(^:^,5),其在&、&、&的成像平均位置，各自为>^、凡2、凡3;另外，所述的世 界坐标系o(x,;r,z)中的z轴，即为此光学系统的视轴。是以，所述的点光源 o(W,，z,)的空间位置，即可由下列定位计算公式取得(详细的计算，请参考前述 三件中国台湾的专利)。<formula>formula see original document page 35</formula>)
其中，/、/z为已知；而jv&、:^则为量测值。
对于此光学系统定位的误差，则可由下列公式以评估。<formula>formula see original document page 35</formula>△r-^^A^ (35)
Az1 = -^i sl (36)
式(34) 式(36)清楚显示，在各方向上点光源位置的误差Ax,、 A;v 其大小是由光学参数/、A、垂直距离^、与量测误差A^、A凡2、A凡3所决定。因此，在最小的A凡、A&、 A>^3下所得的Axr A>v M ,可定义为所述的光学系统的空间分辨率。
如前述，在无动态背景光干扰的条件下，当点光经一维光学透镜作用后，在一维光感测数组上，其有效成像信号的强度/(JC)，是一近似高斯的分布，参考公式(l)。由于一维光感测数组，是由一排多个具有宽度与间隙、不连续的感应画素所构成，如图3(a)所示。是以，实际量到的成像信号/(;c)，则成为
/(x) = Z7(x》Aw (37)
其中，7(;c,)为第i个感应画素的单位长度感应平均值，其值是与感应画素的大尺寸、光电转换效率、入射光的强度与波长的分布、环境温度等参数有关；而Avv则为感应画素的平均宽度。如果，只取具最大值70,.)的位置x,.(即最亮感应画素的位置)，以当做^、:^、兀3的量测值，则其最小量测误差A)v Ay,2、 A&为单
一感应画素的宽度Aw。以下，以一实际例，说明空间分辨率的评估。
各已知各参数，假设如下
/=20膽、A = 200羅、Z, = 2000膽=化2 = =Aw ~ 5〃m
代入式(34) 式(36)，可得空间分辨率为~ 0.5mm 、 Ay, ~ 0.5mm 、 Az, ~ 5mm
利用最亮感应画素位置做为成像的位置，感应画素的平均宽度Aw,即决定了空间分辨率。对于位移量小于空间分辨率的点光源的移动，如图7(b)所示(上图为移动前的成像信号、下图为移动后的成像信号)，在一维光感测数组上，其成像信号的位移量，是小于一个感应画素的宽度Aw。因此，最亮感应画素的位置不变，最终造成无法解析低于空间分辨率的移动。是以，对于成像信号在画素间的微量变化，则必需用Guassian Fitting、或利用下列的统计计算公式，以取得其平均位置//，<formula>formula see original document page 37</formula>
其中，M为一维光感测数组上的感应总画素。 一般，通过一 ADC(Analogueto Digital Converter),将感应画素的才莫拟电压值7(;c》转换后，可得一数字的值。若使用一^h位数(bit)的ADC，对于输入的模拟电压值，可轻易地辨识1024阶的微量变化。是以，利用上述两种计算平均位置/z的方法，可让三次元位置量测的分辨率提高至微米(/im)层级。另外，若再降低量测的距离(即ZJ，其分辨率还可提高至奈米("w)层级。是以，本发明也可做为非接触式超精密量测仪定位的应用。
4.系统架构的扩张(死角补偿、视角扩大、与视轴追踪)
如众所都知，任何一光学系统都存有限视角与死角的现象。对于一维光学定位系统，也存在同样的问题。综观前述国内外的专利，都未曾提出具体解决的方案。如图8(a)所示，对于一维光学定位系统50,其最大视角51，即限制了点光源52可活动的范围(以下的说明，本文只以一维，即水平视角为例)。
如图8(b)所示，是死角发生与解决的示意图，即当点光源52被障碍物53(如使用者的身体)所遮避时，可在空间中适当位置上，增设另一、或多个一维光学定位系统50'，以补偿死角的问题。
如图8(c)所示，是视角扩大方法的示意图，即在空间中适当位置上，增设另一、或多个一维光学定位系统50',可扩大视角51'。
如图8(d)所示，是视轴追踪方法的示意图，即当点光源52'将移出原可视角51范围外时， 一维光学定位系统50,可根据当点光源50的移动变化的预估，旋转自身的视轴54至一适当的角度54'，使得点光源52'能在视角51'范围内。
是以，如图8(b) 图8(d)所示的问题，为了达到死角补偿、视角扩大、与视轴追踪的目的，如图8(e)所示，所述的一维光学定位系统50,必须具备有视轴旋转与可被定位的功能。所述的视轴旋转的功能，是可通过一般如旋转机构、马达、角度量测等现有的技艺，对视轴54,达到水平旋转(即对Y轴旋转，其角度以0示的)、与垂直旋转(即对X轴旋转，其角度以①示的)的功效。所述的可被定位的功能，是通过可固定在所述的一维光学定位系统50机构外壳上的数个点光源55(以下简称定位标定光源)，可让复数个一维光学定位系统50,做相互间的定位。也即，当做死角补偿、视角扩大时，即需在任意空间的位置，置放复数个一维光学定位系统50时，即可通过量测所述的定位标定光源55，达到对所述的复数个一维光学定位系统50位置与视轴角度定位的目的。
5.系统应用的扩张
(l)虚拟输入装置的应用
本发明中，所谓的虚拟输入装置，是针对现有的计算机、PDA、手移动电话、游戏机、电视，在于不使用鼠标、键盘、摇控器、触控银幕等实体的机械装置的条件下，以装置仿真输入的方法，完全或部份取代实体的输入装置。以下，针对上述的实体输入装置，说明虛拟输入的方法。
如图9(a)所示，是一般鼠标使用的示意图。
在一般如Windows的作业环境下，在其所显示画面上60 (以下简称实体操作画面)，是通过鼠标61的移动、压键、放键、快按一次键、或快按两次键等机械操作，达到对Windows的操作。另外，在实体操作画面60上，以一绘图的光标61',以标示与对应鼠标61的位置。对于这些鼠标的操作，以手势达到输入的方式，详见中国台湾专利申请案号096116210。所述的专利中是使用单一个点光源，以仿真鼠标的操作。
所谓装置仿真输入的方法，主要是以一虚拟的输入装置，对应在一实体的输入装置，并仿真、与认知所述的实体输入装置，所需手部手指的操作动作，以达虚拟输入的目的。其方法，主要是提供一虚拟操作画面对应的程序、 一虚拟装置几何结构的定义与操作手指对应的程序、与一操作手势的定义与认知的程序。以下，先以具有左键、中键、右键、中滚轮的鼠标、且使用三根手指头操作鼠标为例，说明所述的装置仿真输入法。隨后，再对其他实体输入装置，4故补充的说明。
如图9(b)所示，是鼠标装置仿真输入法的示意图。
虚拟操作画面对应的程序
对于一具有实际L(长)xH(宽)尺寸的实体操作画面60，可在空间中的任意处，定义一具L'xH'的虚拟操作画面60'，所述的虚拟操作画面60',是对所述的实体才喿作画面60做一 空间的对应，其几何对应的关系，为 一对一且等比的关系，即Z、wx丄、//' = wx//，其中 附、"可为大于1、 等于l、或小于l的实数。是以,只要将手指上的点光源，移至所述的虚拟操作画面60'的上，即可在实体操作画面60上，找到一对一的对应。另外，所述的虚拟操作画面60'可设置在空气之
中、或是任意的固定面上(如桌面、或墙壁面的上，以便于指头的操作)。虚拟装置几何结构的定义与操作手指对应的程序
其次，定义虚拟装置几何的结构，也即对所述的虚拟装置几何上的功能键，定义其物理位置、大小与功能键的物理动作，以及定义手指与功能键间的对应关系。所述的虚拟装置上功能键物理位置、大小与功能键的物理动作，是用以判别手指与功能键间物理互动的关系，即手指是否落在功能键上、并做按键的
操作；而所述的手指与功能键间的对应，是定义手指所欲操作的功能键。如右手的食指62是对应左键62'、右手之中指63对应中键与滚轮63'、而右手的无名指64对应右键64'。是以，在实际虛拟输入操作中，使用者的手部，就如同握住一与实体结构与大小一致的虚拟鼠标，并将所述的虚拟鼠标操作在虚拟操作
画面60'的上。另外，所述的手指与功能键的对应，是可随使用者的习惯而变还。另外，手指与功能键的对应关系，也可具有一对复数的对应关系，即可用同一手指来操作复数的功能键。
操作手势的定义与认知的程序
对于以装置仿真输入法，做为鼠标移动、按下键、放开键、快按一次键、或快按两次键等操作的手势，其基本的方法，如中国台湾专利申请案号096116210所述，是由复数个连续发生的手势单元，以各别定义食指62、中指63、无名指64的手势。所述的手势单元是由一短暂停顿的状态一、 一特殊运动的状态二、与另一短暂停顿的状态三等三个连续发生的的物理状态所构成，例如按下左键的手势，是可定义为，食指62的由一短暂停顿的状态一、由上往下的近似短直线运动的状态二、与一短暂停顿的状态三等三个连续发生的的物理状态所构成，放开左键的手势，是可定义为，食指62是由一短暂停顿的状态一、由下往上的近似短直线运动的状态二、与一短暂停顿的状态三等三个连续发生的的物理状态所构成，快按左键一次的手势，可定义为，食指62是由连续的一按下左键的手势、与一放开左键的手势所构成，快按左键两次的手势，则可定义为，食指62是由连续的两个快按左键一次的手势所构成，另外，中、右键操做手势的定义与左键同。至于滚轮的转动手势，可定义为，中指63向由一短暂停顿的状态一、由向前、或向后的近似短直线运动的状态二、与一短暂停顿的状态三等三个连续发生的的物理状态所构成，而光标61'的位置，是可定义为，三根手指头的运动状态为相对静止时的群中心坐标(参考后文)。当然，以上鼠标操作手势的定义，是仿真2D鼠标的操作，以符合一般使用者的习惯，但也可根据中国台湾专利申请案号096116210中，所述的广义手势的定义，另外定义的。
如图9(c)所示，为摇控器装置仿真输入的示意图。
由于摇控器的操作简单， 一般可以单键操作，可用单一手指，做类似鼠标动作的操作。是以，对于摇控器，只需提供一虚拟操作画面60'、做虚拟装置几何结构的定义75、并以单一手指74对应所有功能键、并在实体操作画面60上显示一摇控器的辅助绘图影像76,通过对应单一手指光标74'的辅助，即可移动手指74至功能键上，并做压下键、放开键的动作，达到虚拟摇控器输入的目的。另外，所述的虚拟装置几何结构75,在视觉上，也可以现有虚拟实境的技术，提供一虚拟的立体影像，可令所述的单一手指74,直接操作所述的虚拟立体装置几何结构75、也可将所述的单一手指74立体虚拟化，以虚拟立体手指，操作所述的虚拟立体装置几何结构75,以提高虚拟操作的方便性。
如图9(d)所示，为触控银幕装置仿真输入的示意图。
实体触控银幕的操作， 一般极为单纯，即在实体操作画面60上，利用单一手指，做类似鼠标动作的操作。因此，对于触控银幕装置仿真输入，其方法只需定义一虚拟操作画面60'、与使用单一手指74，通过对应单一手指光标74'的辅助，即可对实体操作画面60,做模拟输入的操作。另外，对于所述的虚拟操作画面60'，在视觉上，也可以现有虚拟实境的技术，提供一虚拟的立体影像，可令所述的单一手指74,直接操作所述的虚拟立体操作画面60'、也可将所述的单一手指74立体虚拟化，以虚拟立体手指，操作所述的虚拟立体操作画面60',以提高虚拟操作的方便性。
如图9(e)所示，为键盘的装置仿真输入的示意图。
虽然， 一般的键盘，其按键数多、且有数键同按的操作。但其装置仿真输入的方法，基本上类似摇控器的操作，只需提供一虚拟操作画面60'、做虚拟装置几何结构的定义80、并以数个(如三个)单一手指74对应所有功能键、与在实体操作画面60上显示一键盘的辅助绘图影像85，通过复数光标74'的辅助，所述的光标74'是各别对应在操作的手指74,即可移动手指74至功能键上，并做压下键、放开键的动作，达到键盘虚拟输入的目的。另外，如前述，也可将一虚拟操作画面60',定义在一固定实物面上(如桌面)，并在所述的实物面上，i文置一张键盘的印刷物(即印制有键盘的纸张)，即可不需所述的辅助式的绘图影像85，让使用者以还接近操作实体键盘的方式，达到虚拟键盘输入的目的。另夕卜，对于所述的虚拟装置几何结构80，在视觉上，也可以现有虚拟实境的技术，提供一虚拟的立体影像，可令所述的复数个单一手指74，直接操作所述的虚拟立 体装置几何结构80、也可将所述的复数个单一手指74立体虛拟化，以虚拟立体 手指，操作所述的虚拟立体装置几何结构80，以提高虛拟操作的方便性。 (2)仿真器的应用
以上，说明了虚拟输入的应用。如前述，本发明中的一维光学定位器，对 于复数点光源的定位量测，除了具有高运算速度、高空间分辨率、低制作成本 的特征外，也可同时使用复数组一维光学定位器，扩大对点光源的量测范围、 与做死角的补偿。是以，利用这些特性，也可将本发明应用至仿真器的领域。 其做法如下
以适当的数目、与固定的方法，将本发明中所使用的复数点光源(如三个)， 装置在实体的球拍状物(如网球、羽毛球、桌球、回力球等用的球拍)、实体的棒 状物(如棒球、垒球等用的球棒状物)、实体的杆状物(如高尔夫球、曲棍球、撞 球、标枪、西洋剑等用的杆状物)、实体的手套状物(棒球、垒球、拳击等用的手 套)、实体的球状物(如棒球、垒球、篮球、足球、排球、保龄球等用的球)、实 体的玩具(如玩具枪等游戏用玩具)、实体的摇控玩具(如摇控车、摇空飞机、摇 控直升机等摇控玩具)、实体的摇控器(如家庭游戏机的摇控器)等器物的上。利 用本发明的一维光学定位器，对装置在所述的器物上的复数点光源，做实时的 定位量测，即可计算出所述的器物的运动轨迹、与运动物理量。另外，通过虚 拟实境的技术，可在一虚空间中，定义一虚拟的器物，以直接对应所述的实体 的器物(如前述的球拍)的运动状态，并根据物理法则，即可让所述的虚拟器物、 与所述的虚空间内的其它虚拟器物(如球)，做还近乎生动、且自然的互动(如拍 击球)，达到各式运动、射击、驾驶、飞行等模拟的目的。


图1所示为虚拟实境中所用手套的示意图2所示是一维光学系统像重迭现象的示意图3(a)所示点光源对一维光学透镜作用成像的示意图3(b) 图3(e)所示为强度调变的示意图3(f) 图3(j)所示为几何调变的示意图4(a)所示是Stephenson时间调变法时序的示意图4(b)所示是Stephenson时间调变法的缺陷；图《c)所示是Stephenson时间调变改良法时序的示意图； 图4(d) 图4(e)所示是主从式无线同步法同步信号时序的示意图； 图5(a)所示是一般CCD或CMOS光感测数组光感应频语的示意图； 图5(b)所示是一般CCD或CMOS光感测数组上，RGB色片光通过频谱的 示意图5(c)所示是一般二维CCD或CMOS光感测数组上，对应在RGB画素，
RGB色片排列方式的示意图5(d)所示是三个具不同波长点光源构成的示意图5(e)所示是一维光感测数组上RGB色片排列的示意图5(f)所示三色一维光感测数组，其RGB色片排列方式的示意图5(g) 图5(h)所示是二维彩色CCD或CMOS光感测数组，其RGB色片排
列方式的示意图5(i)所示是二维彩色CCD或CMOS光感测数组，其画素影像扫描随机读 取方式的示意图5(j) 图5(k)所示是噪声用一维光感测数组构成的示意图6(a)所示是常用日光灯发光频语的示意图6(b)所示是常用卣素灯发光频谱的示意图7(a)所示是Reymond所采用光学系统的示意图7(b)所示是点光源做微量位移时，成像信号变化的示意图8(a)所示是一维光学定位系统最大视角的示意图8(b)所示是一维光学定位系统死角发生与解决的示意图8(c)所示是一 维光学定位系统视角扩大方法的示意图8(d)所示是一维光学定位系统视轴追踪方法的示意图8(e)所示是具有旋转视轴与可被定位功能的一维光学定位系统的示意图9(a)所示是一般鼠标使用的示意图9(b)所示是鼠标装置仿真输入法的示意图9(c)所示为摇控器装置仿真输入的示意图9(d)所示为触控银幕装置仿真输入的示意图9(e)所示为键盘的装置仿真输入的示意图IO所示本发明实施例一构成的示意图ll(a)所示是复数个具发光强度唯一性的点光源构成的示意图；图ll(b)所示是复数个具几何大小唯一性的点光源构成的示意图ll(c)所示是单一个点光源构成的示意图ll(d)所示是光散射体构成的示意图11(e) 图ll(n)所示是点光源可装置器物的示意图12(a)所示是单一组具视轴追踪的一维光学定位器构成的示意图12(b)所示是单一个具视轴追踪的一维光学定位器所对应坐标系的示意
图12(c)所示是所有具视轴追踪的 一维光学定位器所对坐标系的示意图； 图12(d)所示是一维位置侦测器构成的示意图12(e) 图12(i)所示为一维光学定位器固定机构、 一维位置侦测器装置机 构、与定位标定点光源间，几何结构关系的示意图； 图12(j)所示是其它现有装置的机壳； 图13(a)所示是控制解析的程序构成的示意图； 图13(b)所示是坐标系准直校正程序的示意图； 图14所示是本发明实施例二构成的示意图； 图15(a) 图15(c)所示是本发明实施例三构成的示意图； 图16所示是本发明实施例四构成的示意图； 图17所示是本发明实施例五构成的示意图； 图18所示是本发明实施例六构成的示意图。
附图标记说明l-VR手套；2-VR手套上的手指部；3-VR手套上的定位器； 5-—维透镜；10、 29、 52、 52'-点光源；11-线条状的成^f象；12、 13-—维光感测 数组；15、 16、 17-—维光感测数组上的成像信号；18-叠加成像信号；20-—维 位置侦测器；21-RF发射器；22-具编码的RF同步信号；24-编码信号；25-同步信 号；26-手部端的RF接收器；27-译码器；28-点光源开关切换器；50、 50'-—维光 学定位系统；51、 51'-—维光学定位系统的最大视角；53-障碍物；54、 54'-—维 光学定位系统的视轴；55-—维光学定位系统的定位标定光源；60-实体操作画面； 60'-虛拟操作画面；61-实体的鼠标；61'-鼠标的光标；62-右手的食指；63-右手 之中指；64-右手的无名指；62'-鼠标的左键；63'-鼠标之中滚轮；64'-鼠标的右 键；74-单一或复数手指；74'-对应单一或复数手指的光标；75-虚拟摇控器几何 结构的定义；76-摇控器的绘图影像；80-虚拟键盘几何结构的定义；100-本发 明实施例一的构成；110、 210-复数个具唯一性的点光源；111、 211-单一个点光源；112-近似点状的发散光源；113-光散射体；115-适当大小与形状的光入射口 ； 116-发光源；117-电子控制回路；118-电池；119-点光源装置机构；120-点光源 装置固定机构；123-透明的导光体；124-散射体；130、 230、 330、 430、 530、 630-复数组具视轴追踪的一维光学定位器；131、 231、 331、 431、 531、 631-单 一组具视轴追踪的一维光学定位器；132-复数个一维位置侦测器；133、 333-单 一个一维位置侦测器；134-—维光学组件组；135-—维光传感器；136-信号微处 理器；137-—维位置侦测器装置机构；139-—组成像平均位置；145、 345-定位 计算控制微处理器；146-信号传输界面；150、 250、 350、 450、 550、 650-含所 有点光源的运动物理量、同步触发信号、视轴角度的信号；160-—组定位标定点 光源；170-—维光学定位器固定机构；171-连接的结构；180-二轴角度控制装置； 181-两个触发器；182-两个角度量测器；l卯 、290、 390、 490、 590、 690-控 制解析程序；191-坐标系准直校正的程序；192-装置仿真输入程序；193-仿真器 仿真的程序；194-其它装置；200-本发明实施例二的构成；300-本发明实施例 三的构成；311、 411、 511、 611-具复数个点光源的模块装置；312、 412、 512、 612-复数个点光源;313、 413、 513、 613-近似点状的发散光源;314、 414、 514-RF 接收器；315、 614-切换器；320、 420、 520-具编码的RF同步信号；332 、 432-RF收发器；400-本发明实施例四的构成；410、 510-复数组具复数个点光源 模块装置；500-本发明实施例五的构成；600-本发明实施例六的构成；632-光接 收的装置；/-一维透镜的焦距；X-X坐标轴；Y-Y坐标轴；Z-Z坐标轴；玩-像 重迭线；。-点光源的位置；/(0,a,0)-点光源的成像位置；/(x)-强度具高斯分布 的成像信号；/。-高斯分布的中心的强度；cr-高斯分布的标准差；//-高斯分布的 平均位置；户-点光源的发光强度；r-点光源的发光半径；/^-微处理器；/(x,"-在时间^时的成像信号；S(jc,fj -在时间~时的点光源成像信号；iV(;c，")-在时间" 时的环境光干扰噪声信号；M-—维光感测数组画素的数目^-第m个画素的位 置；O(义,:r,Z)-世界坐标系；51、&、&-一维光感测数组；Ip ￡2、 i^-焦距为/的一
维透镜；々Z2、Z3-V A、A的光轴；o(X，少,，z,)-点光源坐标；>^、:^2、>^-点光源 o(X，x，a)，其在^、 &、 5*3的成像位置；Arr A片、Av光学系统的所述的空间分辨率； △&、 Ay,2、 A^-最小量测误差；7(jc,)-第i个感应画素的单位长度量测平均值；Aw-单一感应画素的宽度；0-—维光学定位系统的水平旋转角度；①-一维光学定位 系统的垂直旋转角度；L-实体操作画面的长度；H-实体操作画面的宽度；L'-虚 拟操作画面的长度；H'-虛拟操作画面的宽度；m、"-为大于l、等于l、或小于l的实数；#/-单一组一维光学定位器的编号；#_/-单一个一维位置侦测器的编号； #^_单一个点光源的编号；/^-点光源的成像平均位置；《-第#/组一维光学定位
器所得的点光源物理量；？,-第#/组一维光学定位器所得的点光源群物理量；A-第#/组一维光学定位器所得的点光源相对物理量；A-第W组一维光学定位器所 得的点光源其它物理量；SCAN-扫瞄时序；SYNC-周期性的同步扫描信号； ENABLE-同步触发信号；(0;,(1>,)-第#/组一维光学定位器的视轴角度；( ，0>,。)-第#/组一维光学定位器的视轴角度驱动控制信号；(0^(^)-第#/组一维光学定 位器的视轴角度电信号；(U,乏,)-设置在第^'组一维光学定位器内的参考坐标 系；(Xi。,^,。-参考坐标系(U,，》)的坐标原点；乏,-第#/组一维光学定位器的 视轴；/,(jc)-第W组一维光学定位器、第^/个一维位置侦测器组所得的成像信号。
具体实施例方式
以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。 实施例一
如图10所示，是本发明实施例一构成的示意图。
本发明实施例 一 的装置100，主要是针对点光源的唯一性，提供一强度调变、 也或几何调变的方法，可对复数个点光源，做三次元运动的量测与分析，以达 到虚拟输入与仿真器的目的。主要是由复数个具唯一性的点光源110、复数组具 视轴追踪的一维光学定位器130、与一控制解析的程序190所构成，所述的复数 个具唯一性的点光源110,其每个点光源lll，是可以同时且连续发光的方式， 各自发射出具唯一的光学特性、且近似点状的发散光源112。所述的复数组具视 轴追踪的一维光学定位器130，其每组具视轴追踪的一维光学定位器131，主要 是接收一同步触发信号150、与同时接收所述的所有复数个点光源的发散光源 112后，可对所有的点光源111, {故三次元定位的量测、并输出一组物理量150; 另外，所述的每组具视轴追踪的一维光学定位器131,也具有视轴追踪与定位的 功能，可自动追踪所述的复数个点光源的群中心坐标、也可自动追踪所述的复 数个点光源中任一点光源的坐标(如后述)，并输出自身的视轴角度150,以达视 轴追踪的目的；也可接收一视轴角度，以达视轴定位的目的。所述的控制解析 的程序190，为一软件的程序，是连接与控制所有的具视轴追踪的一维光学定位 器131，主要是输出一同步触发信号150,可同步启动所有具视轴追踪的一维光 学定位器130,以同步执行三次元定位的量测；也可输出一组视轴角度150，达到对所述的所有具视轴追踪的一维光学定位器，视轴角度定位的目的；并可在 接收所述的所有的物理量、与视轴角度150后，可仿真一实体输入装置的输入， 达到虚拟输入的目的；也可仿真一实体器物的运动，达到仿真器的仿真目的。 如图ll(a)所示，是复数个具唯一性点光源构成的示意图。 所述的复数个具唯一性的点光源110，其中每一个点光源lll,是可具有相 同的发光半径、但不同的发光强度，即每个点光源具有光强度的唯一性，且所 有点光源为同时且连续发光。为方便后文的说明，令每个点光源具有唯一的编 号弁A:。
如图ll(b)所示，是复数个具唯一性点光源另一构成的示意图。 所述的复数个具唯一性的点光源110,其中每一个点光源111,是可具有不
同的发光半径、但相同的发光强度，即每个点光源具有几何大小的唯一性，且.
所有点光源为同时且连续发光。为方便后文的说明，令每个点光源具有唯一的
编号#七。
如图ll(c)所示，是单一个点光源构成的示意图。
所述的点光源lll是由一光散射体113、一发光源116、一电子控制回路117、 一电池118、 一点光源装置机构119、与一点光源装置固定机构120所构成，所 述的光散射体113,是一可将入射光，在角度上做均勻光发散的物体；所述的发 光源116，为单一个或复数个可发射可见光、也或非可见光的LED与半导体激 光所构成；所述的电子控制回路117,是包含有一电源开关与定电流源的回路， 除具电源开关功能的外，也提供一定电流源，可让所述的发光源116发射特定、 且稳定光亮度的光源；另外，所述的点光源装置机构119,是一机械的机构，可 装置固定所述的光散射体113、所述的发光源116、所述的电子控制回路117、 所述的电池118;
另夕卜，所述的点光源装置固定机构120，则可将所述的点光源装置机构119， 固定在如图11(e) 图ll(n)所示的器物的上。这些器物，是可为手部的手指、头 部的额头、或足部的脚背的上(如图ll(e)所示)；也可为，如网球、羽毛球、桌 球、回力球等用的球拍状物(如图ll(f)所示)；也可为，如棒球、垒球等用的棒 状物(如图ll(g)所示)；也可为，如高尔夫球、曲棍球、撞球、刀、剑、标枪等 用的杆状物(如图ll(h)所示)；也可为，如棒球、垒球、拳击等用的手套状物(如 图ll(i)所示)；也可为，如棒球、垒球、篮球、足球、排球、保龄球等用的球状 物(如图ll(j)所示)；也可为，如玩具枪等游戏用玩具(如图ll(k)所示)；也可为，如摇控车、摇空飞机、摇控直升机等摇控玩具(如图ll(l)所示)；也可为计 算机的游戏杆(如图ll(m)所示)、家庭游戏机的操控器(如图ll(n)所示)。 如图ll(d)所示，是所述的光散射体构成的示意图。
所述的光散射体113，是可由一透明的导光体123、与一散射体124所构成， 所述的透明的导光体123,是可为任意的形状，最佳者是可为一球状物；其构成 的材料，是可为任意的透明的材料，最佳者是可为玻璃、或塑料等的透明材料。 所迷的散射体124，是装置在所述的透明导光体123之内，最佳者是可为一随机 分布的光反射粉状物、也可为一随机分布的透明粉状物、也可为一随机分布的 细微空气泡、也可为一较小的透明球状物。另外，所述的散射体124所具有的 折射率，是低于所述的透明导光体123的折射率。另外，所述的透明的导光体 123的适当处，设置有一适当大小与形状的光入射口，可以最佳的角度，导入所. 述的发光源116所发射出的光源。
如图12(a)所示，是单一組具视轴追踪的一维光学定位器构成的示意图。
所述的单一组具视轴追踪的一维光学定位器131,是由复数个一维位置侦测 器132、 一定位计算控制微处理器145、 一信号传输界面146、 一组定位标定点 光源160、——维光学定位器固定机构170、与一二轴角度控制装置180所构成， 为方便后文的说明，令单一组一维光学定位器131具有唯一的编号#/，且令单 一个一维位置侦测器133具有唯一的编号#厶
所述的每一个一维位置侦测器133(#y')，是同时接收所述的所有点光源 111(#"的发散光112、与接收一同步扫描信号SYNC后，可计算与输出所有点 光源成像平均位置139(其值以/^示的)。更明确地定义所述的点光源成像平均位 置139(/^),为所有点光源lll(M),对于所述的一组一维光学定位器131(#/) 中的一维位置侦测器133(#力，所产生的成像平均位置/^。
所述的定位计算控制微处理器145，是含有一定位计算控制的程序，可连接 与控制所有的所述的一维位置侦测器133(#乂)、与所述的二轴角度控制装置180。 所述的定位计算控制的程序，主要是通过所述的信号传输界面146,接收所述的 控制解析的程序190所输出的一同步触发信号ENABLE后，输出一周期性的同 步扫描信号SYNC，并取得所有点光源成像平均位置139(/v)后，计算、与输出 所有点光源111(#"的物理量《、群物理量A、相对物理量i ,.、及其它物理量《； 另外，所述的定位计算控制微处理器145的定位计算控制的程序，也具有改变 自我视轴角度(G)i,0》的能力，也即可接收一新视轴角度( ,,0,)、也或根据物理量S、也或根据群物理量A,以计算并输出一新视轴角度(0,，(D》后，再计算、 与输出一角度驱动控制信号(0,。,CD,J，同时利用接收一角度电信号(0^dU,以 做为角度回授的控制，以达视轴追踪与精确定位的目的。是以，利用接收由外 部产生的一新视轴角度(Oi，(D》，以改变视轴角度者，即为视轴定位的功能；而 利用群物理量A所产生的一新视轴角度(0^,(D》，以改变视轴角度者，即为视轴 追踪的功能。
如上所述，各点光源111(#^:)的物理量《，是包括所述的点光源111(#"的 三次元位置坐标(&，h，4)、位移量(A^,A&,Az,》、速度(^, ,U)、加速度
("d, "&)等物理量；而群物理量A'则包括有群中心坐标(;,;、；)、群平均位 移量(5,、5,、^^)、群平均速度(^;、;、^ )、群平均加速度(乙、^、)，其定义如下
群中心坐标；=IX /iV,^ = |>汰=艺z汰/iV
群平均位移量 =1^,* /v,5,=Z 汰/w，& =1^,* v" = ZX汰/^,v"=ZX汝/^，Vzi=Z^汰
群平均速度 群平均加速度
(39)
(40)
(41)
(42)
"1
其中，N为所有点光源的数目。
另外，可根据各点光源111(^)的物理量《与群物理量P,，也可计算出各点 光源之间、或各点光源对群中心坐标的相对物理量i ,.,如相对的位置、速度、 加速度、角度、角速度、角加速度、点光源相互间所构成的平面法向量。若付 予各点光源一质量，还可计算出力、力矩、向心力、离心力、动量、动能等其 它物理量巧。
所述的信号传输界面146，为一有线、或无线的传输装置，是连接所述的定 位计算控制微处理器145与所述的控制解析程序190，以做f、 A、 i ,、巧等物 理量、视轴角度(0,.,(D,)与同步触发信号ENABLE的传输。
所述的一组定位标定点光源160，是由复数个点光源所构成，是装置且固定 在所述的一维光学定位器固定机构170上已知的位置，以做为所述的一组一维 光学定位器131(#/)空间位置与视轴角度定位之用。
如图12(b)所示，对于每一组一维光学定位器131(#/),在其机构内的适当处，虚设有所述的定位器的参考坐标系(U,，乏,)，并令所述的坐标系原点的坐
标为(《。,i;。，1^)。其中，^轴即为视轴。因所述的一组定位标定点光源160、是 装置固定在所述的一维光学定位器固定机构170上的一已知的位置。是以，量 测所述的一组定位标定点光源160的位置坐标，即可计算出所述的原点的位置
坐标(《。,;^。,;^)、与视轴的角度(0p①,)。
如图12(c)所示，是对于同时使用复数一维光学定位器131(如#0、#1、#2)时， 在实际操作的前，所述的控制解析程序190,需先选定其中一组一维光学定位器 131(#0)，以定义为主定位器，并令(7。,？。，f。)为其世界坐标系，其原点则为 (0,0,0);而其它一维光学定位器131(#1、#2),则定义为从定位器。隨后，通过所 述的主定位器131(#0)对其他从定位器131(#1、#2)的定位标定点光源160做定位 量测，即可计算出其从他定位器131(弁l、弁2)坐标系原点的坐标(A。,i;。，Z,。)、. (Z2。,y2Q,Z2。)与视轴的角度(0p(D》、(02，O2)。
如图12(a)所示，所述的二轴角度控制装置180,主要是由两个触发器 181(Actuator)、两个角度量测器182(Angular Sensor)、与一二轴旋转机构(未示在 图中)所构成，所述的二轴角度控制装置180，是在接收所述的角度驱动控制信 号(0i。，O,。)后，根据所述的角度驱动控制信号(0,.。,0),。)的量，驱动所述的两个触 发器181,以带动旋转所述的二轴旋转机构、与所述的两个角度量测器182 ; 所述的两个角度量测器182，则可根据实际旋转角度的量，回授输出两个角度电 信号(0 ,0&),以供二轴角度定位控制之用；而所述的二轴旋转机构则可转动所 述的一维光学定位器131(#/)固定机构170,以改变所述的一维光学定位器视轴 的角度(A，丸)。
如图12(a)所示，所述的一维光学定位器固定机构170,为一机械的机构， 用以装置固定所述的复数个一维位置侦测器132、所述的定位计算控制微处理器 145、所述的信号传输界面146、与所述的一组定位标定点光源160，并可连接 至所述的二轴角度控制装置180中的二轴旋转机构，以达二轴旋转的目的。
如图12(d)所示，是所述的一维位置侦测器133(#_/)构成的示意图。
所述的一维位置侦测器133(#力，主要是由一维光学组件组134、——维光 传感器135、 一信号微处理器136、与一一维位置侦测器装置机构137所构成，
所述的一维光学组件组134,是由一滤波片、 一线条状光圏、与一维光学透 镜等所构成(未示在图上)，可将所述的点状的光源112，做线条状的成像。
所述的一维光传感器135，是由——维光感测数组、 一扫描读取电子线路与一模拟数字转换器(ADC)所构成(未示在图上)。是由扫描读取电子线路，根据所 接收的扫瞄时序SCAN,依次且连续读取、并输出所述的一维光感测数组上，每 个感应画素(Pixel)的光感应模拟电压，再经所述的模拟数字转换器(ADC)作用 后，输出一数字电压。如前述，所述的数字电压即为成像叠加信号/J;c)。其中， 下标的i与j,如前的定义。所述的信号微处理器136，是连接与控制所述的一维光传感器135，在接收 到所述的同步扫描信号SYNC后，执行一信号处理的程序，以产生一扫瞄信号 SCAN、并读取所述的成像叠加信号々(;c)、以及计算与输出所有点光源的成像平 均位置//#。所述的信号处理程序，主要是由一数据同步读取的程序、 一动态背 景光信号去除的程序、与一点光源成像信号辨识对应的程序所构成，所述的数据同步读取的程序，是根据所接收的所述的同步扫描信号SYNC 的时序，在适当的时间后，输出一扫瞄信号SCAN,以取得并记录所述的成像叠 加信号々("，所述的成像叠加信号是包含有所有点光源的有效成像信号与动态背景光信号；所述的动态背景光信号去除的程序，主要是由一时间性环境光干扰信号去 除程序、与一空间性环境光干扰信号去除程序所构成，是可对所述的成像叠加 信号(jc)做动态背景光去除的处理后，输出 一 包含所有点光源的有效成像信号；所述的点光源成像信号辨识对应的程序，主要是对所述的所有点光源的有 效成像信号，是通过一阀值比较程序、也或一波形侦测的程序，以辨识解析出 各别点光源的有效成像信号及其对应的关系。所述的波形侦测程序，是可根据 所述的点光源有效成像信号的分布标准差、中心强度、与波形变化斜率的特征， 以达辨识解析与对应的目的。另外，在使用几何调变的点光源时，是通过几何 调变的消去法，以辨识解析出各别点光源的有效成像信号及其对应的关系。所述的点光源成像平均位置计算的程序，是对所述的各别已被辨识解析的 点光源有效成像信号，做最大信号画素位置的解析、也可做Guassian Fitting的解析、也可以统计的解析，以计算与输出所有点光源的成像平均位置/v。另外，所述的一维位置侦测器装置机构137，为一机械的机构，用以装置固 定所述的一组一维光学组件134、所述的一维光传感器135、与所述的信号微处 理器136,并可装置固定在所述的一维光学定位器固定机构170之内。另外，如图12(e) 如图12(i)所示，为所述的一维光学定位器固定机构170、所述的一维位置侦测器装置机构137、与所述的定位标定点光源160间，相互连接装置的几何结构关系的示意图。如图12(e)所示，所述的一维光学定位器固定机构170,是可为一三角状的 几何结构，最佳者可为一等边三角形的结构。可在其顶角处、或三边之中央处， 各装置有所述的一维位置侦测器装置机构137;也即所述的三个一维位置侦测器 133的相对装置位置，为一三角形几何的关系。另外，所述的一维位置侦测器 133(#_/)是可以其光轴为转轴，做任意角度旋转的设定。也即，所述的三个一维 位置侦测器133内的一维光感测数组，其长轴相互间的方向，是可任意角度设 定的。另外，由复数个点光源所构成的所述的定位标定点光源160，是可装置在所 述的三角状的一维光学定位器固定机构170上的任意位置，其最佳的构成的个 数，是可由三个点光源所构成，其最佳的装置位置，是可在三角状的顶角处、. 或三边之中央处。另外，所述的三角状的一维光学定位器固定机构170，其顶角处可装置有一 连接的结构171,所述的连接的结构171是具有连接或拆卸(即不连接)两个三角 边的结构，并可任意调整所述的两个三角边连接相互间的角度。例如可让三角 状的几何结构，变换成一线性的结构。如图12(f)所示，是上述例的改进，即在所述的三角状的一维光学定位器固 定机构170，任一三边之中央处，再增加一连接的机构，以多加装所述的一维位 置侦测器装置机构137,即增加一个一维位置侦测器，并可令所述的一维位置侦 测器是装置在三角状的中心点。如图12(g)所示，是上述例的另一改进，即将三角状的几何结构改变成四角 状的几何结构，最佳者可为一等边四角形的结构，其所装置一维位置侦测器的 数目，是可增加至四个。如图12(h)所示，是上述例的另一改进，即将三角状的几何结构改变成五角 状的几何结构，最佳者可为一等边五角形的结构，其所装置一维位置侦测器的 数目，是可增加至五个。如图12(i)所示，是上述例另一的改进，即将三角状的几何结构改变成六角 状的几何结构，最佳者可为一等边六角形的结构，其所装置一维位置侦测器的 数目，是可增加至六个。当然，这样的结构，可扩充至还多边的几何结构。另外，如图12(j)所示，所述的一维光学定位器固定机构170，也可为其它 现有装置的机壳，如笔记型计算机、PDA、游戏机的主机、移动电话、液晶显示器、电浆显示器、电视、投影机、光学相机、光学摄影机、光学望远镜、汽 车、机车等的机壳(只图标笔记型计算机、液晶显示器)。也即，本发明中所述，所述的复数个一维位置侦测器132、 一定位计算控制微处理器145、 一信号传输 界面146、一组定位标定点光源160等，是可独立装置在上述现有装置的机壳上， 以达三次元定位量测、虚拟输入、或仿真器的功效。 如图13(a)所示，是控制解析程序构成的示意图。所述的控制解析程序190，是一软件的程序，主要是由一坐标系准直同步校 正的程序191、 一装置仿真输入的程序192、与一仿真器仿真的程序193所构成， 所述的控制解析的程序190,是可整合装置在个人计算机、笔记型计算机、PDA、 移动电话、游戏机的主机、影视讯播放与转换器材(如DVD、 Setup Box、)等其 它装置之内194,利用所述的其它装置内194的微处理器等电子的系统，可执行 所述的三程序。如图13(b)所示，是所述的坐标系准直校正程序的示意图。所述的坐标系准直校正的程序191,主要是由一视轴重致归零的程序、 一坐 标系设定与转换的程序、与一同步时间校正的成序所构成，是可确定所述的所 有具视轴追踪的一维光学定位器，相互间坐标转换的关系、与补偿坐标转换所 造成量测误差，并修正同步的时间误差。所述的视轴重致归零的程序，是通过所述的具视轴追踪的一维光学定位器 131的所述的视轴控制程序，令所有具视轴追踪的一维光学定位器131的视轴， 都对准同一个定位点光源111后，将其视轴重致归零，即( ,. =0,O,=0);所述的 坐标系设定与转换的程序，是在所述的所有具视轴追踪的一维光学定位器中， 设定一主定位器131(#0)、与从定位器131(#/),通过所述的主定位器，对所述 的定位点光源、与从定位器的定位标定点光源，做定位的量测，与通过所述的 从定位器对所述的定位点光源，做定位的量测，可计算取得所述的主定位器与 各从定位器，相互间的坐标转换关系，与做定位误差的补偿；另外，所述的同 步时间校正的成序，是以适当的时间周期，输出所述的同步触发信号ENABLE, 可校正所述的所有定位器，以同步执行所述的定位计算控制程序。另外，如图13(a)所示，所述的装置仿真输入程序192，主要是由一虚拟操 作画面对应的程序、 一虚拟装置几何结构的定义与操作手指对应的程序、与操 作手势的定义与认知的程序所构成，是对一实体输入的装置，通过仿真、与认 知所述的实体输入装置所需的手部操作动作，可达虚拟输入的目的。所述的虚拟操作画面对应的程序，是对于一具有实际尺寸的实体操作画面， 在空间中的任意处，定义一虚拟操作画面。所述的虚拟操作画面，是对实体操 作画面做一空间的对应，其几何对应的关系，是可为一对一的对应关系、并具 有放大、等于、或缩小的对应关系。另外，所述的虚拟操作画面，是可通过虚拟实境的技术，以产生一虚拟的立体影像；所述的虚拟装置几何结构的定义与操作手指对应的程序，是对于所欲仿真 的实体输入装置，定义一虚拟装置的几何结构、与功能键的物理位置、大小与 功能键的物理动作，并将手指与功能键之间，做一操作对应的连接。另外，所 述的虚拟装置几何结构、与所述的操作手指，是可通过虚拟实境的技术，以产 生一虚拟的立体影像；所述的操作手势的定义与认知的程序，是根据所述的虚拟装置功能键的物 理动作，定义一手指操作动作的物理运动量。所述的物理运动量，是由一连串 具有时间性的物理量所构成的物理量集合。所述的物理量集合，是由所述的所 有点光源的物理量、群物理量、相对物理量、及其它的物理量所构成，是以， 根据这些事先定义好的物理运动量，对戴在手指部的点光源做检测与比对分析， 即可认知所述的手指的手势，以达装置仿真输入的目的。另外，如图13(a)所示，所述的仿真器仿真的程序193，是对装置在其它实 体器物上的复数点光源，做实时的定位量测，即可计算出所述的实体器物的运 动轨迹、与运动物理量。另外，配合一虚拟影像、物理法则，即可让实体器物(如 球啪)、与所述的虚拟影像(如球)，做还近乎生动、且自然的互动(如拍击球)，达 到各式运动、射击、驾驶、飞行等模拟的目的。另外，是对装置在其它实体器 物上的复数点光源，做实时的定位量测，即可计算出所述的实体器物(如球拍) 的运动轨迹、与运动物理量。并通过虛拟实境的技术，可在一虚空间中，定义 一虚拟的器物，以直接对应所述的实体器物的运动状态，并根据物理碰撞法则， 可让所述的虛拟器物、与所述的虚空间内的其它虚拟器物(如球)，做还近乎生动、 且自然的互动(如拍击球)，达到各式运动、射击、驾驶、飞行等模拟的目的。实施例二如图14所示，本发明实施例二构成的示意图。本发明实施例二的装置200，主要是针对点光源的唯一性，提供一波长调变 的方法，与实施例一是具有相同的架构。以下，只针对不同的处提出说明。本实施例二 200,主要是由复数个具唯一性的点光源210、复数组具视轴追踪的一维光学定位器230、与一控制解析的程序290所构成，为清楚图示，以R、 G、 B为例，标示所述的点光源211波长的唯一性。 其与实施例一的不同处，主要是在于(1) 所述的复数个点光源211，是由各自具有不同的发光波长、且可同时连 续发光的点光源所构成(如图5(d)所示、并参考前文相关的说明)。以及，(2) 所述的具视轴追踪的一维光学定位器231,其中一维位置侦测器所构成 的一维光传感器(未示在图上)，是可由一个、或复数个线性彩色光传感器、或一 个二维彩色光传感器所取代。所述的一个、或复数线性彩色光传感器、与二维 彩色光传感器的感应画素上，则装置有不同的滤波色片，可对应所述的具有不 同波长的点光源，做光滤除与通过的处理，也即所述的滤波色片只让其所对应 的点光源的光通过，而滤除非对.应点光源的光(如图5(e)、 5(f)、 5(g)所示、并参 考前文相关的说明)。另外，根据点光源唯一性的特征，令复数个点光源唯一性的构成，是可由 具光强度唯一性、几何大小唯一性、与波长的唯一性的点光源所组合构成，换 言之，即为实施例一、与实施例二的整合应用。例如，三组点光源，其每一组 点光源，是各具有复数个点光源，其唯一性的构成，是可以组为单位，令其各 自具有波长的唯一性(如R、 G、 B的波长)，而对于单一组内的复数个点光源， 其唯一性的构成，则可以点光源为单位，令其各自具有光强度的唯一性、或几 何大小的唯一性。其基本原理与功效，前文都已公开，是以不再赘述。实施例三如图15(a)所示，是本发明实施例三构成的示意图。本实施例三，主要是针对点光源的唯一性，提供一时间调变改良的方法， 即如前文所述的主从式无线同步法，与实施例一是具有相同的架构。以下，只 针对不同的处提出说明。本实施例三300,主要是由一具复数个点光源的模块装置311、 一复数组具 视轴追踪的一维光学定位器330、与一控制解析程序390所构成，为清楚图示， 以白色圆圏，标示所述的点光源312发光时间的唯一性。其与实施例一的不同处，主要是在于(1)所述的具复数个点光源模块装置311，其所装置的点光源312,是根据接 收一具编码的RF同步信号320后，可各自在不同的时间点，交替发射出具时间 唯一性、且近似点状的发散光源313。以及；(2)所述的复数组具视轴追踪的一维光学定位器330，其每组具视轴追踪的 一维光学定位器331，主要是可发射或接收所述的一具编码的RF同步信号320， 与可同步接收所述的点光源的发散光源313后，可解析计算、与输出所有点光 源312的运动物理量350。
如图15(b)所示，是单一组具复数个点光源模块的示意图。所述的点光源模 块311内，是装置有一RF接收器314、切换器315、与复数个点光源312。所 述的RF接收器314,是由一RF接收端子、 一解调变器、与一译码器所构成(未 示在图上)，用以接收所述的具编码的RF同步信号320,并解析出所述的具编码 的RF同步信号320内所含的编码信号24、与同步信号25的时序(参考图4(d))。 所述的切换器315,则根据所述的编码信号24、同步信号25的时序，以连续、 交替且个别点亮所述的复数个点光源312,达到时间调变的功效。
如图15(c)所示，是单一组具视轴追踪的一维光学定位器构成的示意图。不 同在实施例一的构成，所述的一组具视轴追踪的一维光学定位器331中，是多 装置有一RF收发器332,用以发射、或接收所述的具编码的RF同步信号320。 所述的具编码的RF同步信号320,是可由所述的定位计算控制微处理器345所 产生。所述的编码信号的构成，是可为一组数字码(binary code)、也或是具特定 时间长度的方波、也或是具特定数目的脉冲。若所述的一维光学定位器331,是 用做为主定位器，所述的RF收发器332则发射所述的具编码的RF同步信号320; 若所述的一维光学定位器331，是用做为从定位器，所述的RF收发器332则接 收所述的具编码的RF同步信号320后，并可产生一同步扫描信号SYNC,以同 步驱动所有所述的一维位置侦测器333,以扫描取出所述的唯一被点亮点光源的 成像信号。
实施例四
如图16所示，是本发明实施例四构成的示意图。
本实施例四，是实施例一、二、三组合改良的方法，也即光强度、或几何 大小唯一性、或波长唯一性与时间唯一性的组合应用，是与实施例一具有相同 的架构。以下，只针对不同的处提出说明。为清楚图示，以白色圆圏，标示所 述的点光源模块装置411发光时间的唯一性。
本实施例四400,主要是由复数组具复数个点光源模块装置410、 一复数组 具视轴追踪的一维光学定位器430、与一控制解析程序490所构成，
其与上述实施例的不同处，主要是在于(1) 所述的复数组具复数个点光源模块装置410中的每一组具复数个点光源 的模块装置411,是由一RF接收器414、切换器(未示在图上)、与复数个点光 源412所构成，所述的所有的点光源412,是可由具光强度唯一性、或几何大小 唯一性、或波长唯一性的点光源所构成，是根据所述的RF接收器414所接收的 一具编码的RF同步信号420后，可令所述的复数个点光源412,同时发射出具 唯一性、且近似点状的发散光源413。另外，所述的具编码的RF同步信号420, 是由一编码信号、与一同步信号所构成(未示在图上)，所述的编码信号是定义每 一组具复数个点光源模块装置411的编号，而所述的同步信号则定义所述的复 数个点光源412的发光时间，也即每个点光源模块装置411,具有时间的唯一性。 是以，通过所述的RF接收器414,可解析出所述的编码信号、与所述的同步信 号，达到以不同的时间，交替控制所述的每一组具复数个点光源模块装置4.11 的发光的时间。以及，
(2) 所述的复数组具视轴追踪的一维光学定位器430，其每组具视轴追踪的 一维光学定位器431,主要是可发射或接收所述的一具编码的RF同步信号420, 与可同步接收所述的点光源的发散光源413后，可解析计算、与输出所有点光 源412的运动物理量450。
实施例五
如图17所示，是本发明实施例五构成的示意图。
本实施例五，是实施例二、三组合改良的方法，也即波长唯一性与时间唯 一性的组合应用，是与实施例四具有相同的架构。以下，只针对不同的处提出 说明。
本实施例五500,主要是由复数组具复数个点光源模块装置510、 一复数组 具视轴追踪的一维光学定位器530、与一控制解析程序590所构成，为清楚图示， 以白色圆圈，标示所述的点光源512发光时间的唯一性。以R、 B为例，标示所述 的点光源模块装置511波长的唯一性。
其与实施例四的不同处，主要是在于
(l)所述的每一组具复数个点光源模块装置511，是由一RF接收器514、切 换器(未示在图上)、与复数个点光源512所构成，所述的所有的点光源512，是 以模块为单位，由具相同且唯一波长的点光源所构成，也即每个点光源模块装 置511，具有波长的唯一性。所述的所有点光源模块装置511,是根据所述的 RF接收器514所接收的一具编码的RF同步信号520后，可同步点亮模块内的单一点光源，并令模块内的所有点光源，是可各自在不同的时间点，交替发射
出具时间唯一性、且近似点状的发散光源513。也即，对于单一个点光源模块装 置511内的点光源512,其发光方式，是具有时间的唯一性，而对于所有点光源 模块装置511,则以同步方式发光。另外，所述的具编码的RF同步信号520, 是由一编码信号、与一同步信号所构成(未示在图上)，所述的编码信号是定义所 述的具复数个点光源模块装置511之中，每一个点光源的编号，而所述的同步 信号则定义所述的复数个点光源512的发光时间。是以，通过所述的RF接收器 514,可解析出所述的编码信号、与所述的同步信号，达到以不同的时间，交替 控制所述的复数个点光源512的发光的时间。以及，
(2)所述的复数组具视轴追踪的一维光学定位器530，其每组具视轴追踪的 一维光学定位器531，主要是可发射或接收所述的一具编码的RF同步信号520, 与可同步接收所述的点光源的发散光源513后，可解析计算、与输出所有点光 源512的运动物理量550。
实施例六
如图18所示，是本发明实施例六构成的示意图。
本实施例六，主要是针对点光源的唯一性，提供另一时间调变改良的方法， 即如前文所述的Stephenson的改善法，是与实施例一具有相同的架构。以下， 只针对不同的处提出说明。
本实施例六600，主要是由一具复数个点光源模块611、 一复数组具视轴追 踪的一维光学定位器630、与一控制解析的程序690所构成，
其与实施例一的主要不同处，是在于
(1) 所述的具复数个点光源模块611内，是增加设置一切换器614，可以固 定的周期，连续且交替点亮所述的点光源612,以发射近似点光源的发散光613;
(2) 所述的具视轴追踪的一维光学定位器631中，是增加设置一光接收的装 置632,以接收所述的点光源612所发射的发散光源613后，并输出所述的点光 源611的发光时序(如图4(c)所示、并参考前文相关的说明)。所述的具视轴追踪 的一维光学定位器631中，所装置的定位计算控制微处理器(未示在图上)，是在 适当的时间(如使用前、或每隔一固定的时间)，通过所述的点光源611的发光时 序，量测所述的点光源611连续交替点亮的周期，并以相同的周期、同步产生 同步信号SYNC,以驱动所述的一维位置侦测器(未示在图上)，同步扫描读取 所述的成像叠加信号。以上，详述本发明的基本技术、系统架构、与应用，总结如下
1. 点光源唯一性处理的技术，是包含有
(1) 强度调变处理的技术；
(2) 几何调变处理的技术；
(3) 波长调变处理的技术；
(4) 主从式无线同步的技术；
(5) Stephenson改良的4支术。
2. 动态背景光去除的技术，是包含有
(1) 实时时间性环境光干扰信号去除的技术；
(2) 近似实时时间性环境光干扰信号去除的技术；
(3) 空间性环境光干扰信号去除的技术(傅利叶信号处理法)。
3. 数据的处理，是包含有
(1) 波形侦测的技术；
(2) 空间分辨率的计算；
(3) 平均位置的计算。
4. 系统架构的扩张，是包含有
(1) 死角补偿的架构；
(2) 视角扩大的架构； C3)视轴追踪的技术；
(4) 坐标系准直校正的程序
5. 系统应用的扩张，是包含有
(1) 虛拟输入装置的应用；
(2) 仿真器等的应用。
综》见以上本发明所提的基本技术、系统架构、与应用，以及对各实施例的 说明，虽然是集中在一维光学系统，但本发明所提的各基本技术、系统架构、 与应用，也可适用在二维光学系统，即使用二维光学透镜与二维光感测数组。 其根本的不同处，只在于点光源坐标的计算、动态背景光去除与数据的处理的 不同、以及位置侦测器使用数目的不同。对于二维光学系统的点光源坐标的计 算，详见在中国省台湾专利申请案号096108692，本文即不再赘述。另外，对 于动态背景光去除与数据的处理，是将一维的计算，可以同样的数理逻辑，延 伸至二维的计算，是以无需再赘述。另外，对于位置侦测器使用的数目，在一维光学系统，其所使用一维位置侦测器的数目，是至少为三个；在二维光学系 统，其所使用二维位置侦测器的数目，则至少为两个。
综上所述，本发明的方法特征与各实施例都已详细公开，而可充分显示出 本发明案在目的与功效上均深富实施的进步性，极具产业的利用价值，且为目 前市面上前所未见的运用，依专利法的精神所述，本发明案完全符合发明专利 的要件。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非 限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可 对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。
权利要求
1.一种三次元虚拟输入与仿真的装置，其特征在于其包括复数个点光源，其中所述的每一个点光源，以同时且连续的方式各自发射出一具近似点状的发散光；复数组具视轴追踪的一维光学定位器，其中所述的每一组具视轴追踪的一维光学定位器，是接收一同步触发信号、与同时接收所述的所有复数个点光源的发散光源后，对所有的点光源做三次元定位的量测、并输出一组物理量，所述的每一组具视轴追踪的一维光学定位器，也具有视轴追踪与定位的能力，能够自动追踪所述的复数个点光源的群中心坐标、也可自动追踪所述的复数个点光源中任一点光源的坐标，并输出自身的视轴角度，以达视轴追踪的目的；也接收一视轴角度，以达视轴定位的目的；以及一控制解析的程序，为一软件的程序，是连接与控制所有具视轴追踪的一维光学定位器，输出一同步触发信号，同步启动所有具视轴追踪的一维光学定位器，以同步执行三次元定位的量测；也输出一组视轴角度，达到对所述的所有具视轴追踪的一维光学定位器，视轴角度定位的目的；并在接收所述的所有的物理量、与一组视轴角度后，能够仿真一实体输入装置的输入，达到虚拟输入的目的；也仿真一实体器物的运动，达到仿真器的仿真目的。
2. 根据权利要求1所述的三次元虚拟输入与仿真的装置，其特征在于所述的复数个点光源，指每一个点光源具有光强度的唯一性，其最佳是每一个点光源具有相同的发光半径、但不同的发光强度。
3. 根据权利要求1所述的三次元虚拟输入与仿真的装置，其特征在于所述的复数个点光源，指每一个点光源具有几何大小的唯一性，其最佳是每一个点光源具有不同的发光半径、但相同的发光强度。
4. 根据权利要求1所述的三次元虚拟输入与仿真的装置，其特征在于所述的复数个点光源，指每一个点光源具有波长的唯一性，其最佳是每一个点光源具有不同的发光波长、且所述的发光波长为互不重迭。
5. 根据权利要求4所述的三次元虚拟输入与仿真的装置，其特征在于所述的复数个点光源的数目为三个，且各别发射出红、绿、蓝波长的光源。
6. 根据权利要求1所述的三次元虚拟输入与仿真的装置，其特征在于所述的复数个点光源由具光强度唯一性、几何大小唯一性、与波长的唯一性的点光源所组合构成。
7. 根据权利要求1所述的三次元虚拟输入与仿真的装置，其特征在于所述的复数个点光源是由复数单一个点光源所构成，且所述的单一个点光源是由下列组件所构成一光散射体，是一将入射光，在角度上做均勻光发散的物体；一发光源，为发射可见光、或非可见光的LED与半导体激光所构成，其构成的数目是为单一个或复数个；一电子控制回路，是包含有一电源开关与定电流源的回路，除具电源开关功能之外，也提供一定电流源的回路，让所述的发光源发射特定、且稳定光亮度的光源；一电池，是对所述的发光源与电子控制回路提供电源；一点光源装置机构，是一机械机构，装置固定所述的光散射体、所述的发光源、所述的电子控制回路、与所述的电池；以及一点光源装置固定机构，是一机械机构，将所述的点光源装置机构，装置固定在其它器物之上。
8. 根据权利要求7所述的三次元虚拟输入与仿真的装置，其特征在于所述的光散射体，是由一透明导光体、与一散射体所构成，所述的透明导光体，是为任意的形状，最佳为一球状物；其构成的材料，是为任意的透明的材料，最佳为玻璃、或塑料透明材料。所述的散射体，是装置在所述的透明导光体之内，最佳为一随机分布的光反射粉状物、也为一随机分布的透明粉状物、也为一随机分布的细微空气泡、也为一较小的透明球状物，另外，所述的散射体所具有的折射率，是低于所述的透明导光体的折射率，另外，所述的透明的导光体的适当处，设置有适当大小与形状的光入射口 ，以最佳的角度，导入所述的发光源所发射出的光源。
9. 根据权利要求7所述的三次元虚拟输入与仿真的装置，其特征在于所述的发光源还能够再装置一光学式带宽滤波片，以产生特殊波长的光源。
10. 根据权利要求7所述的三次元虚拟输入与仿真的装置，其特征在于所述的点光源装置固定机构，其所装置固定的其它器物，是为手部的手指、头部的额头、足部脚背、球拍状物、棒状物、杆状物、手套状物、球状物、游戏用玩具、摇控玩具、计算机的游戏杆与家庭游戏机的操控器。
11. 根据权利要求1所述的三次元虚拟输入与仿真的装置，其特征在于所述的复数组具视轴追踪的一维光学定位器的其中一组，由下列组件所构成一复数个一维位置侦测器，其中每一个一维位置侦测器，根据接收一同步扫描信号与同时接收所述的所有点光源的发散光，计算与输出所有点光源的成像平均位置；一定位计算控制微处理器，是含有一定位计算控制程序，连接与控制所有的一维位置侦测器、与一二轴角度控制装置，所述的定位计算控制的程序，用以接收所述的同步触发信号、所述的成像平均位置、 一视轴角度、与两个角度电信号，以计算输出一同步扫描信号、 一组物理量、 一视轴角度、与一视轴角度驱动控制信号；一信号传输界面，为一有线、或无线的传输装置，传输所述的一组物理量、所述的视轴角度与所述的同步触发信号；一组定位标定点光源，是由复数个点光源所构成，是装置且固定在所述的一维光学定位器固定机构上的已知位置，以做为对该组具视轴追踪一维光学定位器的空间位置与视轴角度定位之用；一一维光学定位器固定机构，为一机械结构，为装置固定所述的复数个一维位置侦测器、所述的定位计算控制微处理器、所述的信号传输界面、与所述的一组定位标定点光源，并连接至所述的二轴角度控制装置中的二轴旋转机构，以达二轴旋转的目的；以及一二轴角度控制装置，是由两个触发器、两个角度量测器、与一二轴旋转机构所构成，所述的二轴角度控制装置，是在接收所述的视轴角度驱动控制信号后，根据所述的驱动控制信号的量，驱动所述的两个触发器，以带动旋转所述的二轴旋转机构、与所述的两个角度量测器；所述的两个角度量测器，则根据实际旋转角度的量，回授输出两个角度电信号，以供二轴角度定位控制之用；而所述的二轴旋转才几构则转动所述的一维光学定位器固定;^L构，以改变所述的一维光学定位器视轴的角度。
12.根据权利要求11所述的三次元虚拟输入与仿真的装置，其特征在于所述的复数个一维位置侦测器的其中 一个，由下列組件所构成一一维光学组件组，是由一滤波片、 一线条状光圈、与一维光学透镜所构成；——维光传感器，是由一一维光感测数组、 一扫描读取电子线路与一模拟数字转换器所构成，是由所述的扫描读取电子线路，根据接收一扫瞄信号，依次且连续读取、并输出所述的一维光感测数组上，每个感应画素的光感应模拟电压，再经所述的模拟数字转换器作用后，输出一数字电压，所述的数字电压即为成像叠加信号；一信号微处理器，是连接与控制所述的一维光传感器，在接收到所述的同步扫描信号后，执行一信号处理程序，以产生一扫瞄信号、并读取所述的成像叠加信号、以及计算与输出所有点光源的成像平均位置；以及一一维位置侦测器装置机构，为一机械结构，装置固定所述的一维光学组件组、所述的一维光传感器、与所述的信号微处理器，并装置固定在所述的一维光学定位器固定机构之内。
13. 根据权利要求12所述的三次元虚拟输入与仿真的装置，其特征在于所述的一维光传感器，是由一彩色一维光感测数组、 一扫描读取电子线路与一模拟数字转换器所构成，所述的彩色一维光感测数组的光感应画素上，是以单一个光感应画素为单位，各别装置有适当的光滤波色片，最佳为红、绿、蓝光滤波色片。
14. 根据权利要求12所述的三次元虚拟输入与仿真的装置，其特征在于所述的一维光传感器，是由复数个彩色一维光感测数组、 一扫描读取电子线路与一模拟数字转换器所构成，所述的每一个彩色一维光感测数组的光感应画素上，是以单一个光感测数组为单位，各别装置有适当的光滤波色片，最佳为红、绿、蓝光滤波色片。
15. 根据权利要求12所述的三次元虚拟输入与仿真的装置，其特征在于所述的一维光传感器，是由一彩色二维光感测数组、 一随机读取电子线路与一模拟数字转换器所构成，所述的彩色二维光感测数组，是由复数个彩色一维光感测数组所构成，所述的每一个彩色一维光感测数组的光感应画素上，是以单一个一维光感测数组为单位，各别装置有适当的光滤波色片，最佳为R、 G、 B光滤波色片；另外，也以单一个一维光感测数组上的画素为单位，各別装置有适当的光滤波色片，最佳为R、 G、 B光滤波色片。所述的随机读取电子线路，是通过一微处理器、 一行译码控制器、与一列解碼控制器，针对任意的画素，做随机数据读取的动作。
16. 根据权利要求12所述的三次元虚拟输入与仿真的装置，其特征在于所述的信号处理程序，由以下程序所构成一数据同步读取的程序，是根据所接收的所述的同步扫描信号的时序，在适当的时间后，输出一扫瞄信号，以取得并记录所述的成像叠加信号，所述的成像叠加信号是包含有所有点光源的有效成像信号，与动态背景光信号；一动态背景光信号去除的程序，是由一时间性环境光干扰信号去除程序与一空间性环境光干扰信号去除程序所构成，是对所述的成像叠加信号做动态背景光去除的处理后，输出一包含所有点光源的有效成像信号；一点光源成像信号辨识对应的程序，是对所述的所有点光源的有效成像信号，是通过一阀值比较程序、也或一波形侦测的程序，以辨识解析出各别点光源的有效成像信号及其对应的关系，所述的波形侦测程序，是根据所述的点光源有效成像信号的分布标准差、中心强度、与波形变化斜率的特征，以达辨识解析与对应的目的；另外，在使用几何调变的点光源时，通过几何调变的消去法，以辨识解析出各别点光源的有效成像信号及其对应的关系；以及一点光源成像平均位置计算的程序，是对所述的各别已被辨识解析的点光源有效成像信号，做最大信号画素位置的解析、也做Guassian Fitting的解析、也做统计的解析，以计算与输出所有点光源的成像平均位置。
17. 根据权利要求16所述的三次元虚拟输入与仿真的装置，其特征在于所述的动态背景光信号去除的程序，是通过硬件的方式，即在所述的一维光传感器外，再增设另一背景噪声量测用的一维光传感器，并以同步于所述的一维光传感器的信号扫瞄读取的方式、与做信号适当放大处理的方式，以单独取得动态背景光信号后，从所述的成像叠加信号中，减去所述的动态背景光信号，以达到去除动态背景光信号的目的，另外，在所述的另一噪声用一维光传感器中所装置的一维光感测数组上，则加装一具有适当的光学滤波器，所述的光学滤波器是滤除所有点光源、但让环境光通过。
18. 根据权利要求16所述的三次元虚拟输入与仿真的装置，其特征在于所述的时间性环境光干扰信号去除程序，是通过软件的方式，即将连续两次扫描所取得的成像叠加信号，做一相减的运算，以达到去除动态背景光信号的目的。
19. 根据权利要求16所述的三次元虚拟输入与仿真的装置，其特征在于所述的空间性环境光干扰信号去除程序，是一傅利叶信号处理的程序，是在进行时间性环境光干扰信号去除程序后，将所得的数据做一傅利叶的转换，在频率域中，做一带通滤波的处理，即做滤除无必要的频率、与放大的运算后，再做逆傅利叶的运算，以达到去除空间性环境光干扰的目的。
20. 根据权利要求11所述的三次元虚拟输入与仿真的装置，其特征在于所述的定位计算控制程序，由以下程序所构成一同步扫描程序，是根据所述的同步触发信号的时序，以产生与输出一周 期性的同步扫描信号，同步驱动所有一维位置侦测器，以执行所述的信号处理 的程序；一物理量计算程序，是取得所有一维位置侦测器所输出的点光源的成像平均位置后，计算、与输出一组物理量；所述的一组物理量，是包含有所有点光 源的各别的物理量、群物理量、相对物理量、及其它物理量；以及一视轴控制程序，是根据所述的各别的物理量、也或群物理量、也或一视 轴角度，以计算、并输出一视轴角度与一视轴角度驱动控制信号，同时利用接 收所述的两个角度电信号，做为角度回授的控制，以达视轴角度精确的定位控 制。
21. 根据权利要求11所述的三次元虚拟输入与仿真的装置，其特征在于所 述的一维光学定位器固定机构，是为一三角状的几何结构，最佳为一等边三角 形的结构，在其顶角处、或三边的中央处，各装置一所述的一维位置侦测器装 置机构；也即所述的三个一维位置侦测器的相对装置位置，为一三角形的几何 结构，另外，所述的一维位置侦测器装置机构，是以所述的一维位置侦测器的 光轴为转轴，做任意角度旋转的设定，也即，所述的三个一维位置侦测器内的 一维光感测数组，其长轴相互间的方向，是以任意角度设定的，另外，所述的 一组定位标定点光源，是装置在所述的三角状的一维光学定位器固定机构上的 任意位置，其最佳的构成的个数，是由三个点光源所构成，其最佳的装置位置， 是在三角状的顶角处、也在三边的中央处，另外，所述的三角状的一维光学定 位器固定机构，其顶角处装置有一连接的结构，所述的连接的结构是具有连接 或拆卸两个三角边的功效，并任意调整所述的两个三角边相互间连接的角度。
22. 根据权利要求21所述的三次元虚拟输入与仿真的装置，其特征在于所 述的一维光学定位器固定机构，在任一三边的中央处，再增加一连接的机构， 以多加装一个一维位置侦测器装置机构，并令所述的一维位置侦测器装置机构， 是装置在所述的三角状中心点之处。
23. 根据权利要求11所述的三次元虚拟输入与仿真的装置，其特征在于所 迷的一维光学定位器固定机构的几何结构，为一四角状、五角状、与六角状的 几何结构，其最佳为一等边四角形、等边五角形、与等边六角形的结构，所述 的一维位置侦测器装置机构，则装置在所述的四角状、五角状、与六角状的顶角处、也装置在各边的中央处，也即，其所装置一维位置侦测器的数目，也可 增加至四个、五个、六个，另外，所述的一组定位标定点光源，是装置在所述 的一维光学定位器固定机构上的任意位置，其最佳的构成的个数，是由三个点 光源所构成，其最佳的装置位置，是在四角状、五角状、与六角状的顶角处、 也装置在各边的中央处。
24. 根据权利要求11所述的三次元虚拟输入与仿真的装置，其特征在于所 述的一维光学定位器固定机构，为其它现有装置的机壳，所述的其它现有装置 的才几壳，是笔记型计算4几、PDA、游戏4几的主;f几、移动电话、液晶显示器、电 浆显示器、电视、投影机、光学相机、光学摄影机、光学望远镜、汽车、机车 等的机壳，也即，所述的复数个一维位置侦测器、所述的定位计算控制微处理 器、所述的信号传输界面、所述的一组定位标定点光源，也装置在其它现有装 置机壳上。
25. 根据权利要求20所述的三次元虚拟输入与仿真的装置，其特征在于所 述的各别的物理量，为每个点光源的三次元位置坐标、位移量、速度、加速度、 与运动轨迹；其中所述的群物理量，为群中心坐标、群平均位移量、群平均速 度、群平均加速度、群运动轨迹；其中所述的相对物理量，为各点光源之间、 与各点光源对群中心坐标间的相对位置、相对速度、相对加速度、相对角度、 相对角速度、相对角加速度、与点光源相互间所构成的平面法向量；其中所述 的其它物理量，为作用在各点光源的力、力矩、向心力、离心力、动量、与动 能。
26. 根据权利要求1所述的三次元虚拟输入与仿真的装置，其特征在于所 述的控制解析的程序，由以下程序所构成一坐标系准直同步校正的程序，确定所述的所有具视轴追踪的一维光学定 位器，相互间坐标转换的关系、与坐标转换所造成量测误差的补偿，并修正同 步的时间误差；一装置仿真输入的程序，是对一实体输入的装置，通过仿真、与认知所述 的实体输入装置所需的手部操作动作，达虚拟输入的目的；以及一仿真器仿真的程序，是对装置在其它实体器物上的复数点光源，做实时 的定位量测，即计算出所述的实体器物的运动轨迹、与运动物理量，另外，通 过虚拟实境的技术，在一虚空间中，定义一虚拟的器物，以直接对应所述的实 体器物的运动状态，并根据物理碰撞法则，让所述的虚拟器物、与所述的虚空间内的其它虚拟器物做互动，达到模拟的目的。
27. 根据权利要求26所述的三次元虚拟输入与仿真的装置，其特征在于所 述的坐标系准直同步校正的程序，由以下程序所构成一视轴重致归零的程序，是通过所述的具视轴追踪的一维光学定位器的所 述的视轴控制程序，令所有具视轴追踪的一维光学定位器的视轴，都对准同一 个定位点光源后，将其视轴重致归零；一坐标系设定与转换的程序，是在所述的所有具视轴追踪的 一维光学定位 器中，设定一主定位器、与从定位器，通过所述的主定位器，对所述的定位点 光源、与从定位器的定位标定点光源，与通过所述的从定位器对所述的定位点 光源，做定位的量测，计算取得所述的主定位器与各从定位器，相互间的坐标 转换关系，与做定位误差的补偿；以及一同步时间校正的成序，是以适当的时间周期，输出所述的同步触发信号， 校正所述的所有定位器，以同步执行所述的定位计算控制程序。
28. 根据权利要求26所述的三次元虚拟输入与仿真的装置，其特征在于所 述的装置仿真输入的程序，由以下程序所构成一虚拟操作画面对应的程序，是对于一具有实际尺寸的实体操作画面，在 空间中的任意处，定义一虚拟操作画面。所述的虚拟操作画面，是对实体操作 画面做一空间的对应，其几何对应的关系，是一对一的对应关系、并具有放大、 等于、或缩小的对应关系，另外，所述的虚拟操作画面，是通过虚拟实境的技 术，以产生一虚拟的立体影像；一虚拟装置几何结构的定义与操作手指对应的程序，是对于所欲仿真的实 体输入装置，定义一虚拟装置的几何结构、与功能键的物理位置、大小与功能 键的物理动作，并将手指与功能键之间，做一操作对应的连接，另外，所述的 虚拟装置几何结构、与所述的操作手指，是通过虛拟实境的技术，以产生一虚 拟的立体影像；以及一操作手势的定义与认知的程序，是根据所述的虚拟装置功能键的物理动 作，定义一手指操作动作的物理运动量，所述的物理运动量，是由一连串具有 时间性的物理量所构成的物理量集合，所述的物理量集合，是由所述的所有点 光源的物理量、群物理量、相对物理量、及其它的物理量所构成，因此根据这 些事先定义好的物理运动量，对戴在手指部的点光源做检测与比对分析，即认 知所述的手指的手势，以达装置仿真输入的目的。
29. 根据权利要求28所述的三次元虚拟输入与仿真的装置，其特征在于所 述的实体操作画面，是个人计算机、PDA的窗口画面；或为移动电话的操作画 面；或为电纟见的操作画面；或为游戏才几的操作画面。
30. 根据权利要求1所述的三次元虚拟输入与仿真的装置，其特征在于所 述的控制解析的程序，是整合装置在一般个人计算机、笔记型计算机、PDA、 移动电话、游戏机的主机、影视讯播放与转换器材之内。
31. 根据权利要求1所述的三次元虚拟输入与仿真的装置，其特征在于所 述的实体输入装置，是鼠标、键盘、摇控器或触控银幕。
32. —种三次元虚拟输入与仿真的装置，其特征在于由下列组件所构成 一具复数个点光源的模块，是由复数个点光源所构成的模块，所述的复数个点光源，是各自具有发光时间的唯一性，所述的复数个点光源发光的方式， 是以连续、交替且个别点亮的方式，令所述的复数个点光源，各自在不同的时 间，发射近似点状的发散光源；一复数组具视轴追踪的一维光学定位器，其中所述的每一组具视轴追踪的 一维光学定位器，是接收一同步触发信号、与连续交替且个别接收所述的复数 个点光源的发散光源后，对所有的点光源，做三次元定位的量测、并输出一组 物理量，另外，所述的每一组具视轴追踪的一维光学定位器，具有视轴追踪与 定位的能力，自动追踪所述的复数个点光源的群中心坐标、或自动追踪所述的 复数个点光源中任一点光源的坐标，并输出自身的视轴角度，以达视轴追踪的 目的；或接收一视轴角度，以达视轴定位的目的；以及一控制解析的程序，为一软件的程序，是连接与控制所有具视轴追踪的一 维光学定位器，输出一同步触发信号，同步启动所有具视轴追踪的一维光学定 位器，以同步执行三次元定位的量测；或也能够输出一组视轴角度，达到对所 述的所有具视轴追踪的一维光学定位器，做视轴角度定位的目的；并在接收所 述的所有的物理量、与一组视轴角度后，仿真一实体输入装置的输入，达到虚 拟输入的目的；也能够仿真一实体器物的运动，达到仿真器的仿真目的。
33. 根据权利要求32所述的三次元虚拟输入与仿真的装置，其特征在于所 述的具复数个点光源的模块，由下列组件所构成一RF接收器，是由一RF接收端子、 一解调变器、与一译码器所构成，是 用以接收一具编码的RF同步信号，并解析出所述的具编码的RF同步信号内， 所含的编码信号、与同步信号的时序；一切换器，是一电子切换回路，是接收所述的编码信号、同步信号的时序，以产生一连续、交替且个别点亮所述的复数个点光源的驱动信号；以及一复数个点光源，其中每个点光源，是个别接收所述的驱动信号，以开关 所述的点光源的发光状态。
34. 根据权利要求32所述的三次元虚拟输入与仿真的装置，其特征在于所 述的复数组具视轴追踪的一维光学定位器的其中一者内部，是装置有一RF收发 器，用以发射、或接收所述的具编码的RF同步信号；所述的具编码的RF同步 信号，是由一微处理器所产生；所述的编码信号的构成，是可为一组数字码、 也或是具特定时间长度的方波、也或是具特定数目的脉冲，若所述的一维光学 定位器，是用做为主定位器，所述的RF收发器则发射所述的具编码的RF同步 信号；若所述的一维光学定位器，是用做为从定位器，所述的RF收发器则接收 所述的具编码的RF同步信号后，并可产生一同步扫描信号，以同步驱动所有所 述的一维位置侦测器，以扫描取出所述的唯一被点亮点光源的成像信号。
35. —种三次元虚拟输入与仿真的装置，其特征在于由下列组件所构成 一复数组具复数个点光源模块，其中所述的每个点光源模块内，是由复数个点光源所构成，其点光源唯一性的构成，是以模块为单位，各自具有发光时 间的唯一性；而对单一个点光源模块内的复数个点光源，则各自具有光强度的 唯一性、也或几何大小的唯一性、也或波长的唯一性，也即，所述的复数组具 复数个点光源模块发光的方式，是以模块为单位，交替且个别点亮单一模块内 的所有点光源，以同时发射单一模块内复数个近似点状的发散光源；一复数组具视轴追踪的 一维光学定位器，其中所述的每一组具视轴追踪的 一维光学定位器，是接收一同步触发信号、与以模块为单位，交替且个别接收 单一模块发光的方式，也即在不同的时间点，同时接收所述的单一点光源模块 内的所有点光源，所发射的发散光源后，对所有的点光源，做三次元定位的量 测、并输出一组物理量，另外，所述的每一组具视轴追踪的一维光学定位器， 具有视轴追踪与定位的能力，自动追踪所述的复数个点光源的群中心坐标、或 自动追踪所述的复数个点光源中任一点光源的坐标，并输出自身的视轴角度， 以达^f见轴追踪的目的；或接收一^L轴角度，以达视轴定位的目的；以及一控制解析的程序，为一软件的程序，是连接与控制所有具视轴追踪的一 维光学定位器，是输出一同步触发信号，同步启动所有具视轴追踪的一维光学定位器，以同步执行三次元定位的量测；也能够输出一组视轴角度，达到对所述的所有具视轴追踪的一维光学定位器，做视轴角度定位的目的；并在接收所述的所有的物理量、与一组视轴角度后，仿真一实体输入装置的输入，达到虚拟输入的目的；也能够仿真一实体器物的运动，达到仿真器的仿真目的。
36. —种三次元虚拟输入与仿真的装置，其特征在于由下列组件所构成 一复数组具复数个点光源模块，其中所述的每个点光源模块，是由复数个点光源所构成，其点光源唯一性的构成，是以模块为单位，各自具有光波长的 唯一性；而对单一个点光源模块内的复数个点光源，则具有发光时间的唯一性， 对于同一点光源模块内，所述的复数个点光源，都具有相同的发光波长，而对 于不同点光源模块的点光源，则具有不同的发光波长，另外，所述的复数组具 有复数个点光源模块发光的方式，是同步令所有点光源模块内的复数个点光源， 以单一的点光源为单位，交替个别点亮单一点光源发光，以发射近似点状的发 散光源；一复数组具视轴追踪的一维光学定位器，其中所述的每一组具视轴追踪的 一维光学定位器，是接收一同步触发信号、与同步接收所有点光源模块内的单 一点光源发光的方式，也即在不同的时间点，同时接收所述的所有点光源模块 内的单一点光源，所发射的发散光源，对所有的点光源，做三次元定位的量测、 并输出一组物理量。另外，所述的每一组具视轴追踪的一维光学定位器也，具 有视轴追踪与定位的能力，自动追踪所述的复数个点光源的群中心坐标、或自 动追踪所述的复数个点光源中任一点光源的坐标，并输出自身的视轴角度，以 达视轴追踪的目的；也可接收一视轴角度，以达视轴定位的目的；以及一控制解析的程序，为一软件的程序，是连接与控制所有具视轴追踪的一 维光学定位器，是输出一同步触发信号，同步启动所有具视轴追踪的一维光学 定位器，以同步执行三次元定位的量测；也能够输出一组^L轴角度，达到对所 述的所有具视轴追踪的一维光学定位器，做视轴角度定位的目的；并在接收所 述的所有的物理量、与一组视轴角度后，仿真一实体输入装置的输入，达到虚 拟输入的目的；也能够仿真一实体器物的运动，达到仿真器的仿真目的。
37. —种三次元虚拟输入与仿真的装置，其特征在于由下列组件所构成 一具复数个点光源的模块，是由一切换器与复数个点光源所构成，所述的切换器，是固定的周期，连续且交替的方式，各别点亮所述的复数个点光源， 并令所述的点光源发射近似点状的发散光源；一复数组具视轴追踪的一维光学定位器，其中所述的每一组具视轴追踪的一维光学定位器，是接收一同步触发信号、与连续交替且个别接收点光源的发 散光源后，对所有的点光源，做三次元定位的量测、并输出一组物理量，另外， 所述的每一组具视轴追踪的一维光学定位器也，具有视轴追踪与定位的能力， 自动追踪所述的复数个点光源的群中心坐标、或自动追踪所述的复数个点光源中任一点光源的坐标，并输出自身的视轴角度，以达视轴追踪的目的；或接收 —#见轴角度，以达3见轴定位的目的；以及 一控制解析的程序，为一软件的程序，是连接与控制所有具视轴追踪的一 维光学定位器，是输出一同步触发信号，同步启动所有具视轴追踪的一维光学 定位器，以同步执行三次元定位的量测；也能够输出一组视轴角度，达到对所 述的所有具视轴追踪的一维光学定位器，做视轴角度定位的目的；并在接收所 述的所有的物理量、与一组视轴角度后，.仿真一实体输入装置的输入，达到虚 拟输入的目的；也能够仿真一实体器物的运动，达到仿真器的仿真目的。
38. 根据权利要求37所述的三次元虚拟输入与仿真的装置，其特征在于所 述的复数个点光源的发散光源发光时序的侦测，是通过一光接收器，以接收所 述的所有点光源所发射的发散光源，并输出一点光源的发光时序；另外，再利 用一微处理器，是在适当的时间，通过量测所述的点光源的发光时序的周期， 并以相同的周期、同步产生一同步扫描信号。
39. —种三次元虚拟输入与仿真的装置，其特征在于由下列组件所构成 一复数个点光源，其中所述的每一个点光源，是以同时且连续的方式，各自发射出 一具近似点状的发散光源；一复数组具视轴追踪的二维光学定位器，其中所述的每一组具视轴追踪的 二维光学定位器，是接收一同步触发信号、与同时接收所述的所有复数个点光 源的发散光源后，对所有的点光源，做三次元定位的量测、并输出一组物理量， 另外，所述的每一组具视轴追踪的二维光学定位器，具有视轴追踪与定位的能 力，自动追踪所述的复数个点光源的群中心坐标、或自动追踪所述的复数个点 光源中任一点光源的坐标，并输出自身的视轴角度，以达视轴追踪的目的；或 接收一^见轴角度，以达^见轴定位的目的；以及一控制解析的程序，为一软件的程序，是连接与控制所有具视轴追踪的二 维光学定位器，是输出一同步触发信号，同步启动所有具视轴追踪的二维光学 定位器，以同步执行三次元定位的量测；也能够输出一组视轴角度，达到对所 述的所有具视轴追踪的二维光学定位器，做视轴角度定位的目的；并在接收所述的所有的物理量、与一组视轴角度后，仿真一实体输入装置的输入，达到虚拟输入的目的；也能够仿真一实体器物的运动，达到仿真器的仿真目的。
40. 根据权利要求39所述的三次元虚拟输入与仿真的装置，其特征在于所 述的复数个点光源，是指每一个点光源具有光强度的唯一性，其最佳是每一个 点光源具有相同的发光半径、但不同的发光强度。
41. 根据权利要求39所述的三次元虚拟输入与仿真的装置，其特征在于所 述的复数个点光源，是指每一个点光源具有几何大小的唯一性，其最佳是每一 个点光源具有不同的发光半径、但相同的发光强度。
42. 根据权利要求39所述的三次元虚拟输入与仿真的装置，其特征在于所 述的复数个点光源，是指每一个点光源具有波长的唯一性，其最佳是每一个点 光源具有不同的发光波长、且所述的发光波长为互不重迭。
43. 根据权利要求42所述的三次元虚拟输入与仿真的装置，其特征在于所 述的复数个点光源的数目，是三个，且各别发射出红、绿、蓝波长的光源。
44. 根据权利要求39所述的三次元虚拟输入与仿真的装置，其特征在于所 述的复数个点光源，是由具光强度唯一性、几何大小唯一性、与波长的唯一性 的点光源所组合构成。
45. 根据权利要求39所述的三次元虚拟输入与仿真的装置，其特征在于所 述的复数组具视轴追踪的二维光学定位器的其中一组，是由下列组件所构成一复数个二维位置侦测器，其中每一个二维位置侦测器，是根据接收一同 步扫描信号、与同时接收所述的所有点光源的发散光，计算与输出所有点光源 的二维成像平均位置；一定位计算控制微处理器，是含有一定位计算控制的程序，连接与控制所 有的二维位置侦测器、与一二轴角度控制装置；所述的定位计算控制的程序， 是接收所述的同步触发信号、所述的二维成像平均位置、 一视轴角度、与两个 角度电信号，以计算输出一同步扫描信号、 一组物理量、 一视轴角度、与一视 轴角度驱动控制信号；一信号传输界面，为一有线、或无线的传输装置，传输所述的一组物理量、 所述的视轴角度与所述的同步触发信号；一组定位标定点光源，是由复数个点光源所构成，是装置且固定在所述的 二维光学定位器固定机构上的已知位置，以做为对该组具视轴追踪二维光学定 位器的空间位置与视轴角度定位之用；一二维光学定位器固定机构，为一机械结构，为装置固定所述的复数个二 维位置侦测器、所述的定位计算控制微处理器、所述的信号传输界面、与所述 的一组定位标定点光源，并连接至所述的二轴角度控制装置中的二轴旋转机构， 以达二轴;j走转的目的；以及一二轴角度控制装置，是由两个触发器、两个角度量测器、与一二轴旋转 机构所构成，所述的二轴角度控制装置，是在接收所述的视轴角度驱动控制信 号后，根据所述的驱动控制信号的量，驱动所述的两个触发器，以带动旋转所 述的二轴旋转机构、与所述的两个角度量测器；所述的两个角度量测器，则根 据实际旋转角度的量，回授输出两个角度电信号，以供二轴角度定位控制之用； 而所述的二轴旋转机构则转动所述的二维光学定位器固定机构，以改变所述的 二维光学定位器视轴的角度。
46. 根据权利要求45所述的三次元虚拟输入与仿真的装置，其特征在于所 述的复数个二维位置侦测器的其中 一个，是由下列组件所构成一二维光学组件组，是由一滤波片、 一圆孔状光圏、与二维光学透镜所构成；一二维光传感器，是由一二维光感测数组、 一扫描读取电子线路与一模拟 数字转换器所构成，是由所述的扫描读取电子线路，根据一扫瞄信号，依次且 连续读取、并输出所述的二维光感测数组上，每个感应画素的光感应模拟电压， 再经所述的模拟数字转换器作用后，输出一数字电压，所述的数字电压即为二 维成像叠加信号。一信号微处理器，是连接与控制所述的二维光传感器，在接收到所述的同 步扫描信号后，执行一信号处理程序，以产生一扫瞄信号、并读取所述的二维 成像叠加信号、以及计算与输出所有点光源的二维成像平均位置；以及一二维位置侦测器装置机构，为一机械结构，装置固定所述的二维光学组 件组、所述的二维光传感器、与所述的信号微处理器，并装置固定在所述的二 维光学定位器固定机构之内。
47. 根据权利要求46所述的三次元虚拟输入与仿真的装置，其特征在于所 述的二维光传感器，是由一二维光感测数组、 一随机读取电子线路与一模拟数 字转换器所构成，所述的随机读取电子线路，是通过一微处理器、 一行译码控 制器、与一列解碼控制器，针对任意的画素，做随机数据读取的动作。
48. 根据权利要求46所述的三次元虚拟输入与仿真的装置，其特征在于所述的信号处理程序，是由以下程序所构成一数据同步读取的程序，是根据所接收的所述的同步扫描信号的时序，在 适当的时间后，输出一扫瞄信号，以取得并记录所述的二维成像叠加信号，所 述的二维成像叠加信号是包含有所有点光源的二维有效成像信号与二维动态背景光信号；一二维动态背景光信号去除的程序，是由一时间性二维环境光干扰信号去 除程序、与一空间性二维环境光干扰信号去除程序所构成，是对所述的二维成 像叠加信号做二维动态背景光去除的处理后，输出一包含所有点光源的二维有 效成像信号；一点光源二维成像信号辨识对应的程序，是对所述的所有点光源的二维有 效成像信号，是通过一二维阀值比较程序、也或一二维波形侦测的程序，以辨 识解析出各别点光源的二维有效成像信号及其二维对应的关系；所述的二维波 形侦测程序，是根据所述的点光源二维有效成像信号的二维分布标准差、中心 强度、与波形变化斜率的特征，以达辨识解析与对应的目的；以及一点光源二维成像平均位置计算的程序，是对所述的各别已被辨识解析的 点光源二维有效成像信号，做最大信号画素位置的解析、或做二维Guassian Fitting的解析、或做二维统计的解析，以计算与输出所有点光源的二维成像平 均位置。
49. 根据权利要求48所述的三次元虚拟输入与仿真的装置，其特征在于所 述的二维动态背景光信号去除的程序，是通过硬件的方式，即在所述的二维光 传感器外，再增设另一背景噪声量测用的二维光传感器，并以同步于所述的二 维光传感器的信号扫瞄读取的方式、与做信号适当放大处理的方式，以单独取 得二维动态背景光信号后，从所述的二维成像叠加信号中，减去所述的二维动 态背景光信号，以达到去除二维动态背景光信号的目的；另外，在所述的背景 噪声量测用的二维光感测数组上，则加装一具有适当的光学滤波器，所述的光 学滤波器是滤除所有点光源、但让环境光通过。
50. 根据权利要求48所述的三次元虚拟输入与仿真的装置，其特征在于所 述的时间性二维环境光干扰信号去除的程序，是通过软件的方式，即将连续两 次扫描所取得的二维成像叠加信号，做一相减的运算，以达到去除二维动态背 景光信号的目的。
51. 根据权利要求48所述的三次元虚拟输入与仿真的装置，其特征在于所述的空间性二维环境光干扰信号去除程序，是一二维傅利叶信号处理的程序， 是在进行时间性二维环境光干扰信号去除程序后，将所得的数据做一二维傅利 叶的转换，在频率域中，做一二维带通滤波的处理，即做滤除无必要的频率、 与放大的运算后，再做逆二维傅利叶的运算，以达到去除空间性二维环境光干 扰的目的。
52. 根据权利要求45所述的三次元虚拟输入与仿真的装置，其特征在于所 述的定位计算控制的程序，由以下程序所构成一同步扫描程序，是根据所述的同步触发信号的时序，以产生与输出一周 期性的同步扫描信号，同步驱动所有二维位置侦测，以执行所述的信号处理的 程序；一物理量计算程序，是取得所有二维位置侦测器所输出的点光源的二维成 像平均位置后，计算、与输出一组物理量；所述的一组物理量，是包含有所有 点光源的各别的物理量、群物理量、相对物理量、及其它物理量；以及一视轴控制程序，是根据所述的各别的物理量、或群物理量、或一视轴角 度，以计算、并输出一视轴角度与一视轴角度驱动控制信号，同时利用接收所 述的两个角度电信号，做为角度回授的控制，以达视轴角度精确的定位控制。
53. 根据权利要求39所述的三次元虚拟输入与仿真的装置，其特征在于所 述的控制解析的程序，是整合装置在一般个人计算机、笔记型计算机、PDA、 移动电话、游戏机的主机、影视讯播放与转换器材之内。
54. 根据权利要求39所述的三次元虚拟输入与仿真的装置，其特征在于所 述的可仿真的实体输入装置，为鼠标、键盘、摇控器或触控银幕。
55. 根据权利要求45所述的三次元虚拟输入与仿真的装置，其特征在于所 述的二维光学定位器固定机构，是其它现有装置的机壳，所述的其它现有装置 的机壳，是笔记型计算机、PDA、游戏机的主机、移动电话、液晶显示器、电 浆显示器、电视、投影机、光学相机、光学摄影机、光学望远镜、汽车或机车 等的机壳，即所述的复数个二维位置侦测器、所述的定位计算控制微处理器、 所述的信号传输界面、所述的一组定位标定点光源，也可装置在其它现有装置 机壳之上。
全文摘要
本发明为一种三次元虚拟输入与仿真的装置，主要是由复数个点光源、复数组具视轴追踪的光学定位器、与一控制解析的程序所构成，本发明主要的特征，是在于利用所述的复数组具视轴追踪的光学定位器，对所述的复数个点光源，做三次元运动的量测与分析，即可达虚拟输入与仿真器的目的。
文档编号G06F3/01GK101655739SQ200810214319
公开日2010年2月24日 申请日期2008年8月22日 优先权日2008年8月22日
发明者林明彦 申请人:原创奈米科技股份有限公司