专利名称：多维图像检测装置的制作方法
多维图像检测装置
技术领域：
本发明涉及多维图像检测装置，及其用于进行多维图像检测或手势识别。
背景技术：
近年图像检测已经成为普遍的功能，因为它能很容易地立即检测到来自远端的物体，无需过多的努力。那些监视系统应用可以是优先应用领域之一，广泛使用图像检测，以便在可检测范围内检测3D图像。视频游戏则是另一个领域，最近开始采用3D检测技术。这些3D检测技术给用户一种特别的互动体验。2D (二维)图像检测技术在现代消费电子中特别是平板设备中也起到重要的作用。 已经使用一些不同的方法去检测外来物体的二维图像。通常是通过感应触摸平板下的电容或其他物理特性的变化来实现触摸控制。另一种实现2D触摸功能的方法通常是借助于图像传感器或相机而获取移动物体的图像数据。而且，越来越多设计者希望通过将2D和3D功能集成到双模式检测设备中而提高图像检测可行性。但是，在有限的空间内使用最少的组件来构建这样一个设备，有相当大的挑战性。
发明内容鉴于以上讨论的问题，本发明应运而生。本发明的一个目的是提供一种技术能够在2D或3D模式下使用至少一个图像感应模块获取图像。根据本发明，在可检测范围内的物体的图像被多维图像检测装置获取并数字化。该装置有至少一个图像感应模块和一控制模块，控制模块与图像感应模块连接。图像感应模块可以执行双视觉图像获取。该装置还包括一触摸表面，其靠近图像感应模块放置。根据本发明，通过至少一个图像感应模块获取外来物体的图像，实现了在多维模式下获取图像的方法。另外通过比较获取的图像像素数据和预存的背景数据，该装置可以识别出外来物体的位置并确定运行模式。该装置还能通过三角测量，识别出被检测物体的姿势或动态运动，以确定物体的实时坐标。
通过参照结合附图，通过以下详细描述将能更全面理解本发明。图I是根据本发明一个实施例的接收物体图像的多维图像检测模块示意图。图2A和2B是根据本发明一个实施例的有一发光源的进行多维检测的多维图像检测装置的简化示意图。图3是根据本发明一个实施例的接收物体图像的多维图像检测模块示意图。图4A和4B是根据本发明一个实施例的进行多维检测的多维图像检测装置的简化示意图。图5是类似于图4A和4B的另一个实施例。图6A和6B是根据本发明一个实施例的有多个发光源的多维图像检测装置的简化示意图。图7A和7B是根据本发明一个实施例的有多个发光源的多维图像检测装置的简化示意图。图8A和SB是根据本发明一个实施例的有一回射器的多维图像检测装置的简化示意图。图9是根据本发明一个实施例的多维图像检测装置的简化示意图。图10是根据本发明一个实施例的有多个发光源和一个回射器的多维图像检测装置的简化示意图。图11是根据本发明一个实施例的有多个发光源的多维图像检测装置的简化示意图。 图12是根据本发明一个实施例的有多个发光源的多维图像检测装置的简化示意图。图13是根据本发明一个实施例的有一反射镜-回射器的多维图像检测装置的简化示意图。图14是根据本发明一个实施例的图13所示反射镜-回射器的横截面简化示意图。图15是解释有反射镜-回射器的多维图像检测装置如何消除鬼点的简化图。图16是根据本发明一个实施例的多维图像检测方法的方框图。图17是根据本发明一个实施例的多维图像检测方法的方框图。
具体实施方式参考附图而全面地描述了本发明实施例，而且附图也构成本发明的一部分，通过图解说明，附图显示了可实施本发明的特定示例性实施例。但是，本发明可以由多种不同形式的实施例，而且实施例不应作为限制性的，而是通过这些实施例，此披露能更彻底和全面，使本领域技术人员更理解本发明的范围。在此使用的术语“或者”是包容性的，等同于术语“和/或”，除非另有清晰指明。另外，在整个说明书内，“一个”、“这个”和“该”包括复数指代。术语“连接”是指元件之间可以是直接连接在一起，或可以是通过一个或多个中间元件而连接。首先参见图1，图I是本发明一个实施例的多维图像检测模块100的示意图，其用于在多种模式下获取图像。检测模块100包括一个图像感应模块150和一个控制模块160，控制模块160与图像感应模块150相连接。图像感应模块150能够执行双视觉(two-vision)运作。在此使用的“双视觉”是指图像感应模块能够在至少两个不同模式下获取图像。在本实施例中，感应模块150在二维(2D)和/或三维(3D)模式下执行图像获取过程。控制模块160是用于协调图像感应模块150的双视觉运行。而且，控制模块也对感应模块150获取的图像数据进行处理。实施例还可以选择性地包括一个聚光器110和一个光屏120。聚光器110主要用于将光线聚集在其虚焦平面(virtual focal plane)上。聚光器110可以是个传输和折射光线的光学设备，最好是或近似是轴对称的。聚光器110可以是只包括单个光学元件的简单透镜，或者是有一排具有公共轴的简单镜片的复合透镜。光屏120就象一个滤镜，其只允许预定光谱的光穿过而阻止其他光；这些可以根据检测模块100的要求而定制。另外，也可以选择部分或全光屏。部分光屏是指至少一部分光屏120只允许预定光谱的光穿过。在本披露的一个实施例中，预定光谱的光包括红外波长的光(以后简称IR)。光屏120可以选择性地配合聚光器110工作。它们可以物理地集成为一体而相互配合工作，或者分开。运行时，光屏120可以置于聚光器110之前,或者置于其之后。聚光器110和光屏120可以被外壳140的内壁包裹住，并固定在其入口 142附近，这样整个组件就允许聚光器110、光屏120和图像感应模块150只接收进入入口 142的光线，没有其他光干涉。在此实施例中，聚光器110比光屏120更靠近入口 142，但是对本发明并没有限制(如光屏120可以比聚光器110更靠近入口 142)。控制模块160可以置于外壳140内，或置于外壳140之外，取决于设计者的喜好。在另一个实施例中，图像感应模块150最好是置于聚光器110的焦平面处，用于检测穿过光屏120的光。在图I所示的实施例中，光屏120是用于只允许IR穿过，因此图像感应模块150只接收进入入口 142的IR。通过图像感应模块150，控制模块160识别出出现物体的穿过光屏120的IR图像。将图像感应模块150获取的物体图像数据和预 存的背景数据(如初始值)进行比较，根据出现物体关于一个参考点的位置，控制模块160指示图像感应模块150在一个特定维数模式下运行。参考点可以是本装置100或一个相对稳定的点(和出现物体相比)。图2A和图2B显示通过使用图I的实施例如何确定多维图像检测装置100的运行模式。装置100可选地置于一个基板200上。基板200有一触摸表面222，其能通过触碰而检测到物体，图像感应模块置于触摸表面222上。装置100还包括一光源210，其发出预定光谱的光，对应于光屏120 (如允许IR穿过该光屏)。在此实施例中，光源210发出的光是IR。光源210放置的位置最好能允许发出的光被检测装置接收到；如此实施例所示，光源210放置在图像感应模块150相对的远端边缘。在另一个图2B所示的实施例中，当有一个回射器(retroreflector) 220置于图像感应模块150相对的远端边缘时,光源210可以安排在靠近图像感应模块150的边缘处。光源210发出的光被回射器220反射回图像感应模块150。在初始阶段，装置100可以获取背景数据，并预存该背景数据。当一个外来物体如一手指出现在装置100可检测到的范围内时，图像感应模块150首先获取在线AA’之下区域内的像素图像数据。线AA’可以和检测模块100或者光源210或者回射器220的顶部平齐，大约是离触摸表面222几厘米到几十厘米高。控制模块160比较获取的像素信号数据和预存的背景数据。如果控制模块160识别出外来物体正在触碰表面222，那么它命令图像感应模块150在第一多维模式(或第一视觉)下获取物体图像，在此例子中第一多维模式(或第一视觉)是二维(2D)或平面模式。在另一方面，如果控制模块160识别出外来物体没有触碰表面222，那么控制模块160就命令或指示图像感应模块150去获取线AA’之上区域的图像数据，并在第二多维模式下运行，例如三维或立体模式。因此，装置100在图像获取过程中可以自动切换其检测模式(如在3D和2D之间)。聚光器110的轴线112和基板第一表面222之间的角度Θ可以改变，以调整检测装置100的灵敏度。在一个实施例中，角度Θ是40到60度，在另一个实施例中，角度Θ是40到50度。在另一个实施例中，角度Θ是42到48度。在一个实施例中，角度Θ是45度。光源210的数量可以根据需求而改变，在一个实施例中，为了增加图像数据的清晰度，可以安排多个光源210在装置100内，如图3所示。
图4A是本发明另一个实施例。多维图像检测装置100包括聚光器110、光屏120、和图像感应模块150。只有一部分光屏120允许预定光谱的光穿过该屏(此后称作PS部分121)，光屏120的其他部分是可见光穿过部分(此后称作VS部分122)。在此实施例中，预定光谱的光的IR。当外来物体40出现在线AA’之下的区域(低区)时，图像感应模块150可以获取低区内的像素IR信号数据。当物体40离开低区并进入线AA’之上的区域(高区)时，如图4B所示，图像感应模块150获取穿过VS部分122的可见光图像。图5描述类似于图4A和图4B的另一个实施例。光屏120置于聚光器110之前，光屏120上PS部分所在的位置反过来。在此实施例中的光屏120有两个部分，不应该认为是对光屏120的限制。本领域普通技术人员应该理解，单部分和多部分的设计都应该在本发明的范围内。在一个实施例中，两个部分的光屏120有一个较大的VS部分122。在另一个实施例中，VS部分和PS部分的面积比例在6和12之间。在另一个实施例中，VS部分和PS部分的面积比例在8和11之间。在另一个实施例中，VS部分和PS部分的面积比例大约是10。图6A和图6B描述本发明一个实施例。多维图像检测装置100类似图4A中的装置100，还包括基板200和光源210，光源210发出特定光谱的光(其后使用IR作为例子)，其被允许穿过光屏120的PS部分。为了产生背景数据预存在装置100中或与装置100连接的其他存储设备中，装置100执行初始步骤，通过图像感应模块150获取没有物体出现在检测区域(离装置100 —米或更远)里的图像数据像素。在初始步骤后，装置100可以开始执行多模式检测。当光源210打开时，装置100获取在检测区域内出现的外来物体40的图像，并分析在线AA’之下区域(其后称低区)获取的IR图像数据像素。如果装置100比较该图像数据和预存的背景数据，识别出物体40出现在低区并触碰表面222，那么装置100就 执行第一多维模式，在此实施例中，是二维或平面模式。否则，装置100就执行第二多维模式，在此实施例中，是三维或立体模式，装置100开始获取线AA’之上区域(其后称高区)的图像数据。聚光器110的轴线112和基板200的第一表面之间的角度Θ会影响不同多维模式的可检测范围。在此实施例中，如果Θ比较小，那么装置100在三维模式里有比较小的可检测范围。根据图像感应模块150的垂直视角，该角度Θ在40到60度之间变化。角度Θ最好设置为垂直视角的一半。在一个实施例中，该角度Θ在40到50度之间。在另一个实施例中，该角度Θ在42到48度之间。在另一个实施例中，该角度Θ大约是45度。图6B是图6A所示实施例的俯视图。光源210位于监测装置100所处边缘相对的另一边缘上。图7A描述另一个类似于图6B的实施例；但是，装置100包括几个光源210，而且光源210安置在基板200的几个(多于一个)边缘上。图7B描述另一个实施例，其有至少一个光导215置于基板200的至少一个边缘上。而且，至少一个光源210紧靠着光导215。通过光导，光源210发出的光分布在装置100的检测范围内。可以引入回射器220到装置100内，如图8A和图8B。光源210置于装置100附近，在基板上相对的另一侧放置有回射器220。当光源210发出预定光谱的光时，光线经过基板，然后被回射器220反射回，使得图像感应模块150接收到该反射光。可以改变回射器220的高度“h”来影响装置100模式切换的灵敏度。如果h增加，那么装置100在不同模式之间会更灵敏地切换，会被错误信号更频繁地干扰。但是如果h降低，那么被回射器220反射的光会更少，装置100可能无法从光源210接收到足够的信号去确定检测模式。在一个实施例中，高度h在2和10毫米之间。在另一个实施例中，高度h在5和7毫米之间。除了只有一个图像感应模块，上述实施例还可以扩展到包括两个感应模块，它们分别放置在不同位置。图9描述的实施例包括第一像感应模块151和第二像感应模块152。装置100还有基板200、光源210和可选的回射器220。第一像感应模块151和第二像感应模块152分别位于不同位置。在此实施例中，它们置于基板200不同的角上。第一像感应模块151和第二像感应模块152每个都能独立获取外来物体40的图像。当其中一个感应模块，如第一像感应模块151，获取了低区的像素信号数据时，它还比较该获取图像和初始步骤内产生的预存的背景数据。如果第一像感应模块151识别出外来物体正在触碰接触面222，那么第二像感应模块152就读取该低区信号数据，装置100在二维或平面模式下运行。物体40在低区内的二维坐标还可以通过装置100运行的三角测量而导出。或者，如果第一像感应模块151分析低区图像像素的信号数据，并识别出物体40并没有触碰表面222，那么第一像感应 模块151，和第二像感应模块152，读取物体40在高区(线AA’之上)的图像像素。装置100在第二多维模式下运行，在此实施例中，是三维或立体模式。然后，物体40在高区的三维坐标可以通过装置100运行的三角测量而导出。在三维模式下，外来物体40的可检测范围可以通过设置角度Θ来调整，角度Θ是聚光器110的轴线112和基板200第一表面222之间的角度。在一个实施例中，该角度Θ在40到60度之间。在另一个实施例中，该角度Θ在40到50度之间。在另一个实施例中，该角度Θ被设置为从42到48度之间。在一个实施例中，该角度大约是45度。在一个实施例中，在三维模式下，装置能检测到的最高点大约是在基板200第一表面222之上一米处。除了被检测物体40的位置和坐标，图像感应器151和152也能动态地识别物体40在可检测范围内的运动。当物体40在可检测范围内的移动时，根据物体40是否触碰接触面222，装置100可以在二维模式下或三维模式下运行。通过分析图像像素数据，装置100可以连续地确定物体的坐标变化。物体40经过的每个位置都被装置100识别出，因此通过控制模块的计算，方向和移动距离可以轻松得到。图10是包括第一像感应模块151和第二像感应模块152的多维图像检测装置100的俯视图。每个感应模块的光屏120类似于图2A所示实施例中的那个光屏。光屏120只允许预定光谱的光而非可见光穿过该屏。装置100还包括至少一个光源210和回射器220,光源210位于基板200的触摸表面222的一侧上，回射器220位于相对于光源的相反侧上。使用的光源数量取决于用户要求的稳定性或可靠性。通常，越多光源置于表面上，会提高检测器获取的图像质量。当外来物体40进入可检测范围时，预定光谱图像就被第一模块151或第二模块152获取。当其中一个感应模块识别出外来物体40在低区内，装置就只获取了物体在低区的图像，并在二维模式下通过三角测量而确定物体的坐标，否则，物体的坐标就通过检测器在三维模式下确定。图11描述了本发明的一个实施例。多维图像检测装置100有两个感应模块151和152，它们类似于图9或图4A和4B中的感应模块。每个感应模块安置在不同位置，最好是安置在基板200的角落附近。装置100还包括几个光源210，它们置于基板的至少一边上。
图12描述本发明的一个实施例，其同时检测两个物体。多维图像检测装置100有两个感应模块151和152。每个感应模块都和图11所示实施例中的感应模块构建相同。装置100还包括光源210和光导215。光源210发出的预定光谱的光，通过光导215分布在基板200上。图13描述本发明的一个实施例，其同时检测两个或多个物体。多维图像检测装置100有两个感应模块151和152。每个感应模块都和图12所示实施例中的感应模块构建相同。装置100还包括反射镜-回射器230，置于基板的一侧，是和感应模块相对的一侧。图14显示了反射镜-回射器230的横截面，其中反射镜-回射器230由两部分2301和2302组成。部分2301是回射器，部分2302是置于回射器2301之上的反射镜。在此实施例中，部分2301是位于基板200接触面222之上的回射器；部分2302是置于回射器2301之上的反射镜；部分2301和2302的位置可以互换。如图15所示(同样参见图14)，在回射器2301上有一额外的反射镜2302，在二维模式下，图像感应模块151和152可以从三个光线的交叉处，选择性地读取第一物体401和第二物体402的像素信号数据。因此，可以忽视由双光线交叉而产生的鬼点405，减少外来物体的假信号。反射镜-回射器230的总厚度可以是2到10毫米。在另一个实施例中，总厚度是5到7毫米。反射镜对回射器的厚度比大约是·I. O。在另一个实施例中，反射镜-回射器230可以是只由反射镜组成。图16是本发明多模式运动检测方法的流程图。在步骤S21，多维图像检测装置100用于获取图像。在步骤S22，读取由装置100获取的低区图像数据。在步骤S23，装置100比较步骤S22读取的图像数据和初始化时产生的预存的背景数据。如果装置100识别出物体是在低区(在步骤S24)并且触碰接触面，那么装置100就在第一多维模式(在此实施例中是二维模式)下运行，并在步骤S25获取物体40在低区的图像。在步骤S26，装置100执行三角测量，测定物体40的二维位置。否则，在步骤S27，装置100在三维模式下获取物体40在高区的图像。另外，在步骤S28，物体40的三维位置通过三角测量而确定。图17是本发明多模式运动检测方法的流程图。在步骤S21，多维图像检测装置100用于获取图像。在步骤S22，读取由第一图像感应模块151获取的低区图像数据。在步骤S23，装置100比较步骤S22中读取的由第一图像感应模块151获取的图像数据和初始化时产生的预存的背景数据。如果装置100识别出物体是在低区(在步骤S24)并且正触碰接触面，那么就在S25读取第二图像感应模块152的低区图像数据。在步骤S26，装置100执行三角测量，测定物体40的二维位置。否则，在步骤S27，读取两个感应模块获取的物体40在高区的像素信号数据。另外，在步骤S28，物体40的三维位置通过三角测量而确定。尽管已经参照具体实施例描述了本发明，但在不脱离本发明主题的前提下可以对其作出各种改变、修改和变化。因此，所附权利要求书的精神和最宽范围意在包括所有这种本领域普通技术人员在看过本披露后能做出的改变、修改和变化。所有在此引用的专利申请、专利和其他出版物都整个地通过引用而结合入本申请。
权利要求
1.一种多维图像检测装置，包括 一触摸表面； 至少一个图像感应模块，其安置在靠近所述触摸表面，其中所述图像感应模块用于执行双视觉运作； 一控制模块，其与所属图像感应模块连接，用于处理由所述图像感应模块获取的外来物体的图像数据，并协调所述图像感应模块的双视觉运作。
2.如权利要求I所述的装置，其中所述触摸表面是朝向所述外来物体的，所述图像感应模块置于所述触摸表面上。
3.如权利要求2所述的装置，还包括一聚光器，其中所述聚光器用于将所述外来物体的图像折射入所述图像感应模块中。
4.如权利要求3所述的装置，还包括一光屏，用于将光线过滤入或出聚光器，至少一部分所述光屏对一预定光谱的光而非可见光是透明的。
5.如权利要求4所述的装置，其中所述光屏被分成至少两部分，第一部分只允许预定光谱的光通过，第二部分允许可见光通过。
6.如权利要求5所述的装置，其中所述第一部分的面积小于所述第二部分。
7.如权利要求6所述的装置，其中所述第二部分对所述第一部分的面积比是6到12之间。
8.如权利要求I所述的装置，其中所述图像感应模块可以从两个不同位置来观看所述外来物体。
9.如权利要求8所述的装置，还包括一光源，其能发出预定光谱的光线以产生所述外来物体的图像。
10.如权利要求9所述的装置，其中所述光源位于所述触摸表面上。
11.如权利要求8所述的装置，还包括一图像感应模块和一聚光器，其中所述聚光器用于将外来物体的图像折射入所述图像感应模块中。
12.如权利要求11所述的装置，其中所述聚光器的轴线相对于所述光源透镜的轴线是倾斜的。
13.如权利要求12所述的装置，其中所述聚光器轴线和所述光源透镜轴线之间的角度在40和60度之间。
14.如权利要求13所述的装置，还包括一光屏，其用于将光线过滤入或出所述聚光器，至少一部分所述光屏对一预定光谱的光而非可见光是透明的。
15.如权利要求14所述的装置，其中所述光屏被分成至少两部分，第一部分只允许预定光谱的光通过，第二部分允许可见光通过。
16.如权利要求10所述的装置，还包括一回射器，其位于所述触摸表面上，其中所述回射器用于将所述光源发出的光反射入所述图像感应模块。
17.如权利要求16所述的装置，其中所述回射器的高度是在2到10毫米之间。
18.如权利要求17所述的装置，其中所述回射器是一反射镜-回射器，或是一反射镜。
19.一种多维图像检测方法，包括 由一多维图像检测装置获取图像； 读取获取的低区像素信号数据；比较读取的图像数据和预存的背景图像数据； 识别出出现的物体是否触碰所述装置。
20.如权利要求19所述的方法，还包括在二维模式下检测所述出现的物体。
21.如权利要求19所述的方法，还包括在三维模式下检测所述出现的物体。
22.如权利要求19所述的方法，还包括一初始化步骤，以产生所述背景数据。
23.如权利要求22所述的方法，还包括预存所述背景数据。
24.—种多维图像检测方法，包括 由一多维图像检测装置获取图像； 读取由第一图像感应模块获取的低区像素信号数据； 比较读取的第一图像感应模块的数据和预存的背景数据； 识别出所述装置的触摸表面上是否有触碰； 根据所述触摸表面上是否有外来物体的触碰的识别结果，确定第二图像感应模块的运行模式。
25.如权利要求24所述的方法，还包括如果外来物体触碰了所述触摸表面，读取由第二图像感应模块获取的低区图像。
26.如权利要求25所述的方法，还包括执行三角测量，以测定所述外来物体的二维位置。
27.如权利要求26所述的方法，还包括识别所述外来物体的姿势。
28.如权利要求24所述的方法，还包括如果外来物体没有触碰所述触摸表面，比较第一和第二图像感应模块获取的高区图像数据。
29.如权利要求28所述的方法，还包括执行三角测量，以测定所述外来物体的三维位置。
30.如权利要求26所述的方法，还包括识别所述没有触碰的外来物体的姿势。
31.如权利要求24所述的方法，还包括一初始化步骤，以产生所述背景数据。
32.如权利要求31所述的方法，还包括预存所述背景数据。
全文摘要
根据本发明，一种多维图像检测装置包括一触摸表面、至少一个靠近触摸表面的双视觉图像感应模块、一个与图像感应模块连接的控制模块。多维图像检测装置可以在至少两个不同维数的模式下检测外来物体的图像。本发明还披露了一种多维图像检测方法，包括读取由图像感应模块获取的图像，并与预存的背景数据进行比较，在预定维数的模式下检测外来物体。
文档编号G06F3/042GK102841711SQ20121022739
公开日2012年12月26日 申请日期2012年7月3日 优先权日2012年6月13日
发明者朱秀玲, 刘惠珊 申请人:香港应用科技研究院有限公司