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TWI518639B - 物件追蹤裝置及其運作方法 - Google Patents

物件追蹤裝置及其運作方法 Download PDF

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TWI518639B
TWI518639B TW101129853A TW101129853A TWI518639B TW I518639 B TWI518639 B TW I518639B TW 101129853 A TW101129853 A TW 101129853A TW 101129853 A TW101129853 A TW 101129853A TW I518639 B TWI518639 B TW I518639B
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高銘璨
楊恕先
程瀚平
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原相科技股份有限公司
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Description

物件追蹤裝置及其運作方法
本發明係關於一種人機介面裝置，特別是關於一種可消除移動背景雜訊之光學物件追蹤裝置及其運作方法。
習知光學物件追蹤裝置通常包含一光源、一影像感測器及一處理單元；其中，該光源用以照明一接近物件；該影像感測器用以擷取包含該物件之複數影像圖框；該處理單元則根據該等影像圖框追蹤該物件之動作。
然而，該影像感測器所擷取之該等影像圖框中，除了該物件影像外，常會另包含有環境光源影像。習知技術中，為了消除該環境光源影像，該影像感測器可擷取相對該光源點亮之亮影像圖框以及相對該光源熄滅之暗影像圖框，該處理單元則計算該亮影像圖框及該暗影像圖框之一差分影像以消除該環境光源影像。此種雜訊消除方法雖可消除固定環境光源所造成的雜訊，然而當該環境光源的位置隨時間改變時，僅單純計算亮暗影像圖框間之差分影像並無法有效消除背景雜訊，因而該處理單元則無法根據該差分影像正確追蹤該物件之動作。
有鑑於此，本發明另提出一種物件追蹤裝置及 其運作方法，其可有效消除移動背景所造成的雜訊。
本發明之一目的在提供一種可消除移動背景雜訊之物件追蹤裝置及其運作方法。
本發明提供一種物件追蹤裝置，包含一光源、一影像感測器以及一處理單元。該光源以一發光頻率發光。該影像感測器相對該光源點亮時輸出一操作影像且相對該光源熄滅時輸出一背景影像。該處理單元用以求出該背景影像之一背景資訊、計算該操作影像與該背景影像之一差分影像、辨識該差分影像中至少一物件及移除該差分影像中與該背景資訊相關且小於一尺寸門檻值之一無效物件。
本發明另提供一種物件追蹤裝置，包含一光源、一影像感測器以及一處理單元。該光源以一發光頻率發光。該影像感測器相對該光源點亮時輸出一操作影像且相對該光源熄滅時輸出一背景影像。該處理單元用以求出該背景影像之一背景資訊、計算該操作影像與該背景影像之一差分影像、求出該差分影像之一物件資訊以及比對該背景資訊與該物件資訊以移除背景雜訊。
本發明另提供一種物件追蹤裝置之運作方法，包含下列步驟：以一影像感測器相對一光源熄滅時擷取一背景影像；以該影像感測器相對該光源點亮 時擷取一操作影像；以一處理單元求出該背景影像之一背景資訊；以該處理單元計算該操作影像與該背景影像之一差分影像；以該處理單元求出該差分影像之一物件資訊；以及比對該背景資訊與該物件資訊以移除該差分影像之背景雜訊。
本發明之物件追蹤裝置另包含一第一儲存單元用以儲存該背景影像、該差分影像、該背景資訊、該物件資訊及/或該尺寸門檻值。
本發明之物件追蹤裝置及其運作方法中，該背景資訊為至少一背景物件位於該背景影像之一背景物件位置；該物件資訊為至少一物件位於該差分影像之一物件位置。
本發明之物件追蹤裝置及其運作方法中，另包含一第二儲存單元儲存一預設背景影像，其中該處理單元於計算該差分影像前先計算該背景影像與該預設背景影像之一差分背景影像以作為該背景影像；該預設背景影像為該物件追蹤裝置於開機程序、接受更新命令或偵測異常物件時所擷取者。
本發明之物件追蹤裝置及其運作方法中，該處理單元將該差分影像中亮度大於一亮度門檻值之至少一畫素區域辨識為該至少一物件；並將該背景影像中亮度大於一亮度門檻值之一畫素區域辨識為該背景物件。
本發明之物件追蹤裝置及其運作方法中，當一物件之該物件位置距離該背景物件位置小於一距離門檻值且大小小於一尺寸門檻值時，該處理單元將該物件辨識為背景雜訊或無效物件。
本發明之物件追蹤裝置及其運作方法中，該處理單元另根據已移除該無效物件之該差分影像進行物件追蹤；亦即，根據該物件位置距離該背景物件位置大於該距離門檻值之物件進行物件追蹤。
本發明實施例之物件追蹤裝置由於係用以消除移動背景所造成的雜訊，因此其優點在於可裝設於移動中操作的裝置或設備，例如設置於一交通工具或一可攜式電子裝置。
為了讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯，下文將配合所附圖示，作詳細說明如下。於本發明之說明中，相同的構件係以相同的符號表示，於此合先敘明。
請參照第1A及1B圖所示，其顯示本發明實施例之物件追蹤裝置之應用示意圖。由於本發明實施例之物件追蹤裝置1可用以消除移動背景雜訊，因此較佳應用於可移動的裝置或設備上；例如物件追蹤裝置1可裝設於一交通工具9(如第1A圖)或設置於一可攜式電子裝置8(如第1B圖)；其中，第1A 及1B圖中該物件追蹤裝置1之設置位置僅為例示性。當然，該物件追蹤裝置1同樣可應用於位置固定的裝置或設備上，並不限於第1A及1B圖所示者。
請參照第2圖所示，其顯示本發明實施例之物件追蹤裝置之方塊示意圖。物件追蹤裝置1包含一觸控面10、一光源11、一影像感測器12、一第一儲存單元13、一處理單元14及一第二儲存單元15。該物件追蹤裝置1係用以針對靠近或接觸該觸控面10之至少一物件進行物件追蹤並輸出一追蹤信號；其中，該物件例如可為一手指7或一觸控筆等。該物件追蹤裝置1另可包含一傳輸介面用以將該追蹤信號輸出至一相對應電子裝置或設備。
該觸控面10可由適當材質所製成，其較佳相對該光源11所發出的光為透明。其他實施例中，該觸控面10可另包含一濾光器(片)，其較佳為一帶通濾光器(bandpass filter)，而僅允許該光源11所發出光的光譜通過，以避免環境光的干擾。
該光源11例如可為至少一發光二極體、雷射二極體或其他適當光源，較佳以一發光頻率發出紅光、紅外光或其他不可見光，以照明該手指7。
該影像感測器12例如可為一CCD影像感測器、一CMOS影像感測器或其他可用以感測光能量的感測器，用以感測反射自該手指7並穿透該觸控 面10之光能量，並相對該光源11點亮時輸出一操作影像Io且相對該光源11熄滅時輸出一背景影像Ib(容詳述於後)。
該第一儲存單元11用以儲存該影像感測器12輸出之背景影像Ib以及該處理單元14輸出的影像資料及運算過程中所需的各種參數，例如差分影像、背景資訊、物件資訊、一尺寸門檻值、一距離門檻值及至少一亮度門檻值等(容詳述於後)。
該處理單元14用以求出該背景影像Ib之一背景資訊、計算該操作影像Io與該背景影像Ib之一差分影像(Io-Ib)、求出該差分影像(Io-Ib)之一物件資訊據以辨識該差分影像(Io-Ib)中之至少一物件以及比對該背景資訊與該物件資訊以移除背景雜訊，例如移除該差分影像(Io-Ib)中與該背景資訊相關且小於一尺寸門檻值之一無效物件(亦即該無效物件將被辨識為背景雜訊)；其中，該背景資訊為至少一背景物件位於該背景影像Ib之一背景物件位置；該物件資訊為至少一物件位於該差分影像(Io-Ib)之一物件位置。本實施例中，該處理單元14將該差分影像(Io-Ib)中亮度大於一亮度門檻值之至少一畫素區域辨識為該至少一物件；或將該差分影像(Io-Ib)中亮度大於一亮度門檻值且大於一預設尺寸(例如，但不限於3個畫素)之至少一畫素區域辨識為該至少一物 件，而將亮度大於一亮度門檻值之至少一畫素區域且小於該預設尺寸之一畫素區域辨識為雜訊。當該至少一物件辨識出後，該處理單元14再比對該背景資訊與該物件資訊以將移動背景雜訊移除。
本實施例中，由於背景物件於連續影像間會移動，因此僅計算該操作影像Io與該背景影像Ib之差分影像(Io-Ib)並無法完全消除移動背景雜訊。因此，本實施例中當一物件之該物件位置距離該背景物件位置小於一距離門檻值且大小小於一尺寸門檻值時，該處理單元14則將該物件辨識為該背景雜訊而移除。換句話說，當一物件之該物件位置距離該背景物件位置小於一距離門檻值則定義為與該背景資訊相關，並將該物件視為無效物件。
當該無效物件移除後，該處理單元14則可根據已移除該無效物件之該差分影像進行物件追蹤，例如根據該物件位置距離該背景物件位置大於該距離門檻值之該物件進行物件追蹤。藉此，由於可完全移除移動背景物件所造成的雜訊，故可有效提升物件追蹤之正確性。
該第二儲存單元15用以儲存一預設背景影像，該預設背景影像為該物件追蹤裝置1於開機程序、接受更新(背景影像)命令或偵測異常物件時所擷取之背景影像；亦即，這些程序所擷取影像中所包含 的物件係為背景雜訊，因此該處理單元14於計算該差分影像前先計算該背景影像與該預設背景影像之一差分背景影像以作為該背景影像。必須說明的是，其他實施例中該物件追蹤裝置1可不包含該第二儲存單元15，因此該處理單元14也不需於計算該差分影像前先計算該背景影像與該預設背景影像之該差分背景影像。另一實施例中，該第一儲存單元13及該第二儲存單元15可合併為單一儲存單元。
接著，以下說明本發明實施例之物件追蹤裝置之運作方法之詳細實施方式，其包含下列步驟：以一影像感測器相對一光源熄滅時擷取一背景影像(步驟S11)；以該影像感測器相對該光源點亮時擷取一操作影像(步驟S12)；以一處理單元求出該背景影像之一背景資訊(步驟S13)；以該處理單元計算該操作影像與該背景影像之一差分影像(步驟S14)；以該處理單元求出該差分影像之一物件資訊(步驟S15)；比對該背景資訊與該物件資訊以移除該差分影像之背景雜訊(步驟S16)；以及根據已移除該背景雜訊之該差分影像進行物件追蹤(步驟S17)；其中，該背景影像及該差分影像可被儲存於一儲存單元。
請參照第2至5D圖所示，第4圖顯示本發明實施例之物件追蹤裝置之影像擷取及光源點亮之示意圖；第5A~5D圖顯示本發明實施例之物件追蹤裝置 之運作方法之示意圖。
本實施例中，該光源11以一發光頻率發光且該影像感測器12以一取樣頻率依序擷取影像。為了消除環境光源的影響，該取樣頻率選擇高於該發光頻率，以使該影像感測器12可相對該光源11點亮及熄滅時擷取影像，例如相對該光源11點亮時擷取並輸出操作影像Io(例如第4圖中以實線箭號表示者)且相對該光源11熄滅時擷取並輸出背景影像Ib(例如第4圖中以虛線箭號表示者)。
步驟S11：該影像感測器12相對該光源11熄滅時擷取並輸出一背景影像Ib(如第5A圖所示)，其可先被儲存於該第一儲存單元13中；其中，此處假設該背景影像Ib僅包含一背景物件20。
步驟S12：該影像感測器12接著相對該光源11點亮時擷取並輸出一操作影像Io(如第5B圖所示)；其中，此處假設該操作影像Io包含該背景物件20及一物件30。由於該影像感測器12係以順序傳輸影像資料，該操作影像Io則不需儲存於該第一儲存單元13而直接被傳送至該處理單元14進行後處理。
步驟S13：該處理單元14求出儲存於該第一儲存單元13中該背景影像Ib之一背景資訊並儲存於該第一儲存單元13；其中，該背景資訊可為至少一背景物件位於該背景影像Ib之一背景物件位置。例 如，該處理單元14將該背景影像Ib中亮度大於一亮度門檻值TH1(可事先儲存於該第一儲存單元13)之一畫素區域辨識為一背景物件20，其具有一背景物件位置21。該背景物件位置21例如可為該背景物件20之一中心位置、一重心位置、一邊緣位置或其他預設位置。必須說明的是，步驟S13可早於、晚於或與步驟S12同時進行。
步驟S14：該處理單元14接著計算該操作影像Io與該背景影像Ib之一差分影像(Io-Ib)並儲存於該第一儲存單元13。一種實施例中，該差分影像(Io-Ib)較佳複寫(overwrite)於該背景影像Ib於該第一儲存單元13中的儲存空間，藉以降低該第一儲存單元13之記憶體容量，但並不以此為限。本實施例中，當該背景物件20位置固定時，藉由計算該差分影像(Io-Ib)則可完全消除該背景物件20(如第5C圖所示)而僅剩下該物件30；然而，當該背景物件20之位置隨時間改變時，該差分影像(Io-Ib)'中仍會包含一部分背景物件20'(如第5D圖所示)；其中，該部分背景物件20'的形狀僅為例示性。
步驟S15：該處理單元14求出該第一儲存單元13中該差分影像(Io-Ib)'之一物件資訊並儲存於該第一儲存單元13中；其中，該物件資訊可為至少一物件位於該差分影像(Io-Ib)'之一物件位置。例如，該 處理單元14將該差分影像(Io-Ib)'中亮度大於一亮度門檻值TH2(可事先儲存於該第一儲存單元13)之一畫素區域辨識為一物件，此時包含物件30及20'且分別具有一物件位置31及21'，其中該物件位置31及21'例如可分別為該物件30及21'之一中心位置、一重心位置、一邊緣位置或其他預設位置。如前所述，若該物件追蹤裝置另包含一第二儲存單元15儲存一預設背景影像，該處理單元14於計算該差分影像(Io-Ib)'前，先計算該背景影像Ib與該預設背景影像之一差分背景影像以作為該背景影像。
步驟S16：該處理單元14接著比對該背景資訊與該物件資訊以移除背景雜訊。本實施例中，當一物件(例如20')與該背景資訊相關，例如該物件20'之該物件位置(例如21')距離該背景物件位置(例如21)小於一距離門檻值且該物件20'之大小小於一尺寸門檻值時，該處理單元14將該物件辨識為與該物件資訊相關而屬於背景雜訊或無效物件而予以移除；其中，該距離門檻值及該尺寸門檻值均可事先儲存於該第一儲存單元13中。
步驟S17：該處理單元14最後根據已移除該背景雜訊(或稱無效物件)之該差分影像進行物件追蹤；亦即，該處理單元14根據該物件位置(例如31)距離該背景物件位置(例如21)大於一距離門檻值之 該物件(例如30)進行物件追蹤，藉此消除移動背景雜訊的干擾以提高物件追蹤的正確性。本發明實施例中，當一物件之物件位置距離該背景物件位置大於一距離門檻值時則辨識為該手指影像。
可以了解的是，第5A-5D圖中，該背景物件20、無效物件20'及物件30之高度僅用以示意其亮度，以便與該等亮度門檻值TH1及TH2相比較。該背景物件20、無效物件20'及物件30可具有不同亮度、面積、形狀及位置等，並不限於第5A-5D圖所示者。此外，該等亮度門檻值TH1及TH2可相同或不同。
綜上所述，習知光學物件追蹤裝置由於無法完全消除移動背景光源的影響而僅適用於使用位置固定的裝置。本發明另提出一種物件追蹤裝置(第2圖)及其運作方法(第3圖)，即使裝設於一交通工具或一可攜式電子裝置等使用位置會改變的裝置或設備上，仍可有效消除移動背景光源的影響以增加物件追蹤的正確性。
雖然本發明已以前述實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與修改。因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
1‧‧‧物件追蹤裝置
10‧‧‧觸控面
11‧‧‧光源
12‧‧‧影像感測器
13‧‧‧第一儲存單元
14‧‧‧處理單元
15‧‧‧第二儲存單元
20‧‧‧背景物件
21‧‧‧背景物件之位置
20'‧‧‧無效物件
21'‧‧‧無效物件之位置
30‧‧‧物件
31‧‧‧物件之位置
7‧‧‧手指
8‧‧‧可攜式電子裝置
9‧‧‧交通工具
TH1、TH2‧‧‧亮度門檻值
Io‧‧‧操作影像
Ib‧‧‧背景影像
(Io-Ib)、(Io-Ib)'‧‧‧差分影像
S11~S17‧‧‧步驟
第1A及1B圖顯示本發明實施例之物件追蹤裝置之應用示意圖。
第2圖顯示本發明實施例之物件追蹤裝置之方塊示意圖。
第3圖顯示本發明實施例之物件追蹤裝置之運作法之流程圖。
第4圖顯示本發明實施例之物件追蹤裝置之影像擷取及光源點亮之示意圖。
第5A~5D圖顯示本發明實施例之物件追蹤裝置之運作方法之示意圖。
1‧‧‧物件追蹤裝置
10‧‧‧觸控面
11‧‧‧光源
12‧‧‧影像感測器
13‧‧‧第一儲存單元
14‧‧‧處理單元
15‧‧‧第二儲存單元
7‧‧‧手指
Io‧‧‧操作影像
Ib‧‧‧背景影像

Claims (17)

  1. 一種物件追蹤裝置，包含：一光源，以一發光頻率發光；一影像感測器，相對該光源點亮時輸出一操作影像且相對該光源熄滅時輸出一背景影像；以及一處理單元，用以求出該背景影像之一背景資訊、計算該操作影像與該背景影像之一差分影像、辨識該差分影像中至少一物件及移除該差分影像中與該背景資訊相關且小於一尺寸門檻值之一無效物件，其中該背景資訊為至少一背景物件位於該背景影像之一背景物件位置且所述與該背景資訊相關係指相對該背景物件位置的距離小於一距離門檻值。
  2. 依申請專利範圍第1項之物件追蹤裝置，其中該物件追蹤裝置裝設於一交通工具或設置於一可攜式電子裝置。
  3. 依申請專利範圍第1項之物件追蹤裝置，其中該處理單元另根據已移除該無效物件之該差分影像進行物件追蹤。
  4. 依申請專利範圍第1項之物件追蹤裝置，另包含一第一儲存單元用以儲存該背景影像、該差分影像、該背景資訊及該尺寸門檻值。
  5. 依申請專利範圍第1項之物件追蹤裝置，另包含一第二儲存單元儲存一預設背景影像，其中該處理單 元於計算該差分影像前先計算該背景影像與該預設背景影像之一差分背景影像以作為該背景影像。
  6. 依申請專利範圍第5項之物件追蹤裝置，其中該預設背景影像為該物件追蹤裝置於開機程序、接受更新命令或偵測異常物件時所擷取。
  7. 依申請專利範圍第1項之物件追蹤裝置，其中該處理單元將該差分影像中亮度大於一亮度門檻值之至少一畫素區域辨識為該至少一物件。
  8. 一種物件追蹤裝置，包含：一光源，以一發光頻率發光；一影像感測器，相對該光源點亮時輸出一操作影像且相對該光源熄滅時輸出一背景影像；以及一處理單元，用以求出該背景影像之一背景資訊、計算該操作影像與該背景影像之一差分影像、求出該差分影像之一物件資訊及比對該背景資訊與該物件資訊以移除背景雜訊，其中該背景資訊為至少一背景物件位於該背景影像之一背景物件位置且該物件資訊為至少一物件位於該差分影像之一物件位置，當一物件之該物件位置相對該背景物件位置的距離小於一距離門檻值且大小小於一尺寸門檻值時，該處理單元將該物件辨識為該背景雜訊。
  9. 依申請專利範圍第8項之物件追蹤裝置，其中該處理單元另根據該物件位置距離該背景物件位置大於一距離門檻值之該物件進行物件追蹤。
  10. 依申請專利範圍第8項之物件追蹤裝置，其中該物件追蹤裝置裝設於一交通工具或設置於一可攜式電子裝置。
  11. 依申請專利範圍第8項之物件追蹤裝置，另包含一第一儲存單元用以儲存該背景影像、該差分影像、該背景資訊及該物件資訊。
  12. 依申請專利範圍第8項之物件追蹤裝置，另包含一第二儲存單元儲存一預設背景影像，其中該處理單元於計算該差分影像前先計算該背景影像與該預設背景影像之一差分背景影像以作為該背景影像。
  13. 依申請專利範圍第12項之物件追蹤裝置，其中該預設背景影像為該物件追蹤裝置於開機程序、接受更新命令或偵測異常物件時所擷取。
  14. 一種物件追蹤裝置之運作方法，包含下列步驟：以一影像感測器相對一光源熄滅時擷取一背景影像；以該影像感測器相對該光源點亮時擷取一操作影像；以一處理單元求出該背景影像之一背景資訊；以該處理單元計算該操作影像與該背景影像之一差分影像； 以該處理單元求出該差分影像之一物件資訊；以及比對該背景資訊與該物件資訊以移除該差分影像之背景雜訊，其中該背景資訊為至少一背景物件位於該背景影像之一背景物件位置且該物件資訊為至少一物件位於該差分影像之一物件位置，當一物件之該物件位置相對該背景物件位置的距離小於一距離門檻值且大小小於一尺寸門檻值時，該處理單元將該物件辨識為該背景雜訊。
  15. 依申請專利範圍第14項之運作方法，另包含：以該處理單元根據已移除該背景雜訊之該差分影像進行物件追蹤。
  16. 依申請專利範圍第14項之運作方法，其中於計算該差分影像之步驟前另包含：計算該背景影像與一預設背景影像之一差分背景影像作為該背景影像。
  17. 一種物件追蹤裝置，包含：一光源，以一發光頻率發光；一影像感測器，相對該光源點亮時輸出一操作影像且相對該光源熄滅時輸出一背景影像；以及一處理單元，用以求出該背景影像之一背景資訊、計算該操作影像與該背景影像之一差分影像、求出該差分影像之一物件資訊及比對該背景資訊與該物件資訊以移除背景雜訊，其中 該背景資訊為至少一背景物件位於該背景影像之一背景物件位置且該物件資訊為至少一物件位於該差分影像之一物件位置，該處理單元另根據該物件位置相對該背景物件位置的距離大於一距離門檻值之該物件進行物件追蹤。
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