專利名稱：一種三次元虛擬輸入與仿真的裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及的是一種三次元虛擬輸入與仿真的裝置，特別涉及的是一種由 復數(shù)個點光源、復數(shù)組具視軸追蹤的光學定位器、與一控制解析的程序所構成， 在于利用所述的復數(shù)組具視軸追蹤的光學定位器，對所述的復數(shù)個點光源，做 三次元運動的量測與分析，即可達虛擬輸入與仿真器的目的。
背景技術：
鍵盤、鼠標、搖控器、觸控銀幕等，為傳統(tǒng)常用的人機界面，其最主要的 特征，是都需通過手部與手指，直接接觸并操控一機械結構，方能將文字、繪 圖、功能操作等信息輸入在機器，達到人機互動的目的。
本發(fā)明中，對于虛擬輸入裝置，所訂定的最基本定義，為以三次元手部運 動量做為輸入的方式，并達到文字、繪圖、功能操作等信息輸入的目的。簡言 的，即以三次元手部運動量做為人機互動的界面。
如圖l所示，為虛擬實境中所用手套的示意圖。虛擬實境(Virtual Reality, 以下簡稱VR)中所用的手套l(以下簡稱VR手套)，為典型的三次元手部運動量 認知的裝置。為了追求手部指頭的細部動作， 一般的VR手套上，在手指部2 都裝置有Strain Gage Sensor、或Flex Sensor等(未示在圖上)，可量測手指彎曲 的物理量。另外，為了追求力回饋(Force Feedback), —般則會裝置各式各樣微 型的觸發(fā)器(Actuator)(未示在圖上)。最后，在VR手套上裝置一定位器 (Positioning Device)3，可量測手套上單一位置的三次元坐標與角度。其細節(jié)，請 參閱以下相關的專利
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)
雖然，VR手套已可達到人機溝通的功效，但由于構造與控制過在復雜，無 法適用在一般只需簡單界面操作的個人計算機、游戲機、PDA、移動電話、家庭影視等器材。再且，其制造成本也非一般使用者可負擔。所以，至今VR手套 未曾普與流通在消費性市場上。另外，從技術面而言，為不受手部運動的干擾， VR手套所采用的定位裝置， 一般不外是電磁式、或超音波式，其最大缺陷為反 應速度不夠快，在實際操作上，造成明顯的延遲效應(Latentency),且易受環(huán)境 的干擾，無法正確定位。其細節(jié)，請參閱以下相關的研究報告
Christine Youngblut, etc., Review of Virtual Environment Interface Technology, Chapter 3 and 5， INSTITUTE FOR DEFENSE ANALYSES, 1996
是以，對于任一的虛擬輸入裝置而言， 一個可快速認知手部上復數(shù)點運動 量的定位器，勢必成為達到虛擬輸入目的的首要條件。基于上述的理由，所述 的定位器需具備以下的特征，方能達到實用與普與的目的。
1. 可提供手部復數(shù)點的三次元運動物理量(如空間坐標、位移量、速度、加 速度等)；
2. 具大范圍檢測的特征，也即使用者可在較大的操作范圍內(nèi)，做手部的任 意運動；
3. 具視點追蹤的能力，也即可自動追蹤使用者的操作位置，提供更大的使 用范圍；
4. 具高空間解析的能力，也即對于使用者手部的運動，在空間上，可解析 出空間最小的位移量，是需達厘米(mm)層級；
5. 具高速反應的能力，也即對于使用者手部的運動，在時間上，檢測出三 次元運動物理量所需的最短時間，是需達ms層級；
6. 低制造成本，也即如一般計算機周邊的價格。
以下，根據(jù)上述的需求標準，以檢驗現(xiàn)有技術的達成度。過去，可量測單 點三次元運動物理量的技術，計有靜電場式、靜磁場式、超音波式、電磁波式、 三角量測式等方式，請參閱以下相關的專利
靜電場式
U.S.Pat. No. 6025726 (Neil Gershenfeld, 2000) 靜磁場式
U.S.Pat. No. 4945305 (Ernest B. Blood, 1990) 超音波式
U.S.Pat, No. 5214615 (Will Bauer， 1993) 電磁波式U.S.Pat. No. 4613866 (Ernest B. Blood, 1986) U.S.Pat. No. 5739812 (Takayasu Mochizuki, 1998) 三角量測式-影4象處理(2D Camera): U.S.Pat No. 4928175 (Henrik Haggren， 1990) U.S.Pat. No. 6810142 (Nobuo Kochi, 2004) 三角量測式-2D光學式
U.S.Pat. No. 5319387 (Kouhei Yoshikawa, 1994)
以上的技術，或多或少，都無法同時滿足高空間解析、高速反應、大范圍 使用、低制造成本的要求。是以，非本發(fā)明所要比較討論的對象。本發(fā)明所欲 深入探討的技術，為以一維光學為基礎的定位量測技術。不同在上述其它多種 的技術， 一維光學的定位技術，可完全滿足高空間解析、高速反應、大范圍使 用、低制造成本的要求。關于一維光學的定位技術，過去已公開的相關技術專 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)
以一維光學為基處的定位量測技術，最早出現(xiàn)在U.S.Pat. No. 3084261 (Donald K. Wilson, 1963)。 Wilson利用兩個直交的一維圓柱狀透鏡(Cylindrical Lens，以下簡稱一維透鏡)、兩個三角狀的光電感應裝置、與兩個方型的光電感應裝置(silicon photovoltaic cell),以達到量測太陽的方位角(azimuth與elevation)、 與自動追蹤太陽移動的目的。1978年，Ellis利用了一個"V，，字行的光閘(V-shaped
aperture)、與--^纟食光感觀'J數(shù)纟且(linear array of light sensitive elements),達到同才羊
的角度量測的目的。
隨后，在1980年，Reymond首度提出以一維光學為基礎的三次元坐標定位 技術。所述的技術的主要特征，如下
1. 光學系統(tǒng)的構成
主要是由包括有由 一 維透鏡、 一 濾波片(Filter)、——維光感測數(shù)組(Linear
array of photosensitive elements)、--維光感測數(shù)組信號讀取線路等組件所構成
的三組線性位置偵測器(Linear Positioning Sensor)、與 一 空間坐標的計算方法(為 方便后文的說明，有關線性之用語，都改為一維)。所述的三組一維位置偵測器 的空間排列方式，其一維光感測數(shù)組長軸方向為共平面，且其中第一組與第二 組一維光感測數(shù)組長軸的排列方向，為平行，但第一組(第二組)與第三組一維位 置檢測器的排列方向，則為垂直。
2. 三次元坐標的理論計算
在一維光感測數(shù)組長軸方向為共平面的條件下，提出三次元坐標的理論計 算。其方法，是根據(jù)待測點光源的位置、 一維透鏡光軸中心的位置、與一維光 感測數(shù)組成像的位置所構成的三個幾何平面，計算所述的三個平面的交匯點， 即可計算出其點光源的位置坐標。
3. 達到復數(shù)點定位的效果
通過連續(xù)且周期性切換復數(shù)點光源的發(fā)光時間，即令復數(shù)點光源，各自在 不同的時間點發(fā)光，以避開像重迭的現(xiàn)象、并可得到各一維光感測數(shù)組間，各 點光源成像正確的對應關系(為方便說名，本現(xiàn)有的技藝，以下簡稱為時間調(diào)變 的技術)，可達到對三個點光源定位的目的。
4. 量測數(shù)據(jù)的處理
在一維光感測數(shù)組信號讀取的硬件線路中，加入一閥值比較(threshold comparison)的線路，以去除不必要的背景光源。
另外，在Reymond所提出專利中，曾言與(但未深論、也未宣告為專利范圍) 其技術可能的擴張性，如下
5. 復數(shù)點量測的擴張性
對于還復數(shù)點的定位量測，可增加一維位置檢測器的數(shù)目，以達到對還復數(shù)點定位量測的目的。
6.空間排列方式的擴張性
對于一維光感測數(shù)組彼此間的排列位置，不一定需要為共平面式的排列。
對于此兩項擴充性，Reymond未提出任何具體的理論計算，以說明如何達 到取得待測點空間坐標的目的。
Reymond的專利，對于三次元點坐標的定位，清楚地公開了一維光學定位 系統(tǒng)的原理、架構與基本技術 隨后，/人Stephenson (1983)以降、至Galloway(2006) 的諸多專利中，在技術面上，大都延用Reymond的原理與架構；在應用面上， 則停留在特殊量測的領域，并無特別嶄新的處，說明如下
U.S.Pat. No. 4419012 (Michael D. Stephenson, 1983)
基本上，此專利主要是Reymond專.利部份的改良，其最大的特征在于對同 步方式的改善，即Reymond是以有線的方式，達成復數(shù)點光源點亮與一維光感 測數(shù)組數(shù)據(jù)掃描間的時間同步。Stephenson則是利用一 PIN DIODE，監(jiān)看復數(shù) 點光源個別被點亮的時間，據(jù)此以同步起動一維光感測數(shù)組的數(shù)據(jù)掃描。是以， Stephenson是以光學式的無線方式，達到同步的效果。
U.S.Pat. No. 4973156 (Andrew Dainis, 1990)
此專利幾乎延襲Reymond的所有觀念，雖然對三組一維位置檢測器的空間 排列，提出共平面且120。的空間排列方式；另外對四組一維位置檢測器，則提 出共平面且45。的空間排列方式。然而，對于此兩種空間排列方式，卻提不出具 體的理論計算，以說明如何達到取得待測點空間坐標的目的。另外，對復數(shù)點 的量觀'J ， 雖然言與同時點亮4寺測光源(a plurality of simultaneously illuminated optical targets),但卻無法提出任何具體的實施方法。此外，對于像重迭的現(xiàn)象(請 參考中國臺灣專利申請案號096113579),也無任何探討。
U.S.Pat. No. 5198877 (Waldean A. Schuiz, 1993)
基本上，此專利主要是Reymond專利的應用例，Schuiz所構思的應用，是 以一手提式(hand-held)的一維激光掃瞄器，對待測物做線性激光光點的掃瞄，即 將激光光點投射在待測物的表面。利用兩組一維位置檢測器，可先取得所述的 待測物所反射的激光光點的相對坐標。隨后，利用Reymond的三組一維位置檢 測器，對三個設置在激光掃瞄器上的導光源(pilot light emitter)做量測，最后即可 計算出待測物所反射的激光光點的絕對坐標。此處，Schuiz所用的三個導光源， 其點亮發(fā)光的方法，也延襲Reymond的連續(xù)且周期性切換復數(shù)點光源的技術，并無新創(chuàng)。另外，對于點亮三個導光源的發(fā)光方法，Schuiz雖曾文中提與(但未
深論、也未宣告為專利范圍)使用不同波長(即不同顏色)的光源、與具不同調(diào)變
頻率(modulation)的光源，但卻未曾提出任何具體可行的陳述。 U.S.Pat. No. 5640241 (Yasuji Ogawa, 1997) U.S.Pat. No. 5642164 (Yasuji Ogawa， 1997)
基本上，此兩專利主要是Reymond專利部份的改良，其最大的特征在于使 用二維光感測數(shù)組與復合式一維透鏡，其優(yōu)點在于精簡機構，但并無法提升任 何量測的分辨率(注分辨率的好壞不在于一維、或二維光感測數(shù)組的使用，而 是在于光感測數(shù)組上單一畫素的大小、點光源的處理、其它光學參數(shù)的設定)、 也無法提高速度(注使用二維光感測數(shù)組只會降低速度)、且無法降低制造成本 (注主要是在于復合式一維透鏡的制造)；對量測數(shù)據(jù)也無任何處理的說明，對 復數(shù)點的量測，則是束手無策。
U.S.Pat. No. 5907395 (Waldean A. Schuiz, 1999)
U.S.Pat. No. 5920395 (Waldean A. Schuiz， 1999)
基本上，此兩專利主要是Reymond專利的應用例、與少部份的補充。其補 充的部份，是在于點光源的處理，也即通過球狀、平面狀的發(fā)散體(diffuser),可 得較大發(fā)散角度的點光源。對于的背景光的處理，則使用軟件的方式，也即先 將背景光的信號，記錄在內(nèi)存中，在實際量測時，再將量測信號減去背景光的 信號，即可取得原信號。對于復數(shù)個點光源，其點亮發(fā)光的方法，也延襲Reymond 的連續(xù)且周期性切換復數(shù)點光源的技術，并無新創(chuàng)的處。
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，此三專利都為Reymond專利的應用例，在定位技術上，并無任何 創(chuàng)新的處。
綜觀以上所述的專利，可得到以下的結論 (1)理論計算
對于點光源三次元坐標的理論計算，除了 Reymond所提簡單的理論計算外， 未曾出現(xiàn)新理論。對于理論的計算，學術領域中曾出現(xiàn)如下的論文
Yasuo Yamashita, Three-dimensional Stereometeric Measurement System Using Optical Scanners, Cylindrical Lenses, & Line Sensors,SPIE361， Aug. 1982.
Yamashita論文中所陳述的理論，只適合一維光感測數(shù)組長軸方向為共平 面、與一維透鏡光軸共平面的特殊條件，并非一廣義的計算理論。對于一維位 置檢測器可以任意位置、任意角度設置的廣義理論計算，則出現(xiàn)在下列的專利
中國臺灣專利申請案號096108692
中國臺灣專利申請案號096113579
中國臺灣專利申請案號096116210
(2) 技術
在技術面上，其所使用技術的深度，都無超越Reymond(1980年)所提出專 利的范圍。尤其是對于像重迭現(xiàn)象的解決，Stephenson(1983年)以降，并無改善 與創(chuàng)新。
(3) 應用
在應用面上，所有專利都停留在三次元位置定位量測之用途，無任何專利 提與虛擬輸入的應用。利用一維光學定位技術來做虛擬輸入的應用，出現(xiàn)在下 列的專利中國臺灣專利申請案號096116210。所述的專利中，首度提出以手 勢當人機界面的三次元鼠標(3D Mouse)。

發(fā)明內(nèi)容
首先，針對上述現(xiàn)有技藝的缺陷，提出以下創(chuàng)新或改善的方案
1. 點光源唯一性的處理
2. 背景光的處理
3. 數(shù)據(jù)的處理
4. 系統(tǒng)架構的擴張
5. 系統(tǒng)應用的擴張
最后，再提出本發(fā)明實施例的說明。 1.點光源唯一性的處理
對于一維光學系統(tǒng)而言，其優(yōu)點在于可快速讀取像點位置(因使用一維光感 測數(shù)組)，其缺點則為易產(chǎn)生像重迭的現(xiàn)象。如圖2所示，是一維光學系統(tǒng)像重 迭現(xiàn)象的示意圖。對于焦距為/的一維透鏡5,定義其聚焦方向為平行Y軸(本 文以下都以雙箭頭的短線以圖示一維透鏡，其箭頭的方向即代表可聚焦的方向)、 其長軸方向(非聚焦方向)為平行X軸、而其光軸方向則為Z軸。延其光軸Z、且與光軸Z垂直的平面上，存在一垂直在Y軸的直線玩，使得位于所述的直線玩 上任意位置的點光源o，其成像點都為/(0，A，0),這就是像重迭的現(xiàn)象，以下稱 直線玩為像重迭線。也即，任何位于直線玩的點光源，其成像位置都同。因 此，對于以一維光學系統(tǒng)為基礎的定位系統(tǒng)，在當對復數(shù)點光源做定位量測時， 像重迭現(xiàn)象的解決，乃成為首要的務。此外，由于此技藝需使用至少三個一維 光感測數(shù)組，對于復數(shù)點光源，同時在復數(shù)個一維光感測數(shù)組上的成像，需通 過一辨識的程序，以快速找出一維光感測數(shù)組間，正確的成像對應關系，方能 對復數(shù)點光源做正確的定位量測。
讓每個點光源具有唯一性(Unique Characteristics),為解決^象重迭現(xiàn)象、與 正確成像對應關系的最基本的原則。如前述的US專利所提，對復數(shù)點光源做時 間調(diào)變、或波長調(diào)變、或頻頻調(diào)變，可讓每個點光源具有唯一性。所謂的時間 調(diào)變，即連續(xù)交替的方式點亮點光源，也即每個點光源是在不同時間點被點亮 發(fā)光。是以，在感應檢測端，在每一次掃描中，只會讀取到一個、且唯一被點 亮點光源的成像位置。對于時間調(diào)變的方法，其缺點為異步量測所造成的位置 誤差，其位置誤差與點光源移動速度、點光源數(shù)目成正比。所謂的波長調(diào)變， 即為讓每個點光源具有不同的發(fā)光波長，其缺點為制造成本的增加、與所需處 理數(shù)據(jù)量的變多；所謂的頻率調(diào)變(modulation)，即為讓每個點光源的發(fā)光強度， 是以不同頻率震蕩，其缺點為需使用解調(diào)變(demodulation)的技術。另外，不同 在上述的處理方式，在中國臺灣專利申請案號096113579中，也提增加一維位 置檢測器的數(shù)目與光軸旋轉的方式，以解決像重迭的現(xiàn)象。
本發(fā)明中，針對手勢認知的應用，再提出以下(l)強度調(diào)變法、(2)幾何調(diào)變 法、(3)Stephenson的改良法、(4)主/人式無線同步法、("波長調(diào)變法等方法，以 解決像重迭的現(xiàn)象。
點光源光強度與幾何構造的唯一性
如圖3(a)所示，點光源對一維光學透鏡作用成像的示意圖。 一般的點光源 10，經(jīng)一維光學透鏡作用后，可得線條狀的成像ll。經(jīng)一維光感測數(shù)組12讀取 所述的線條狀的成像11后，在其橫向上，可得一強度近似高斯分布的成像信號 /(jc)，如下:
/W = /0e " (1)
其中，/。為中心的強度、(7為分布的標準差，//為平均位置。 一般，當X偏 離平均位置/i，約三個分布標準差CT時，/(X)即成為零。因此，可定義卜//|<30"處的信號，為有效成像信號。另外，點光源10的發(fā)光強度P決定了中心的強度/。、 而點光源的發(fā)光半徑r,則決定了分布的標準差O"。因此，可利用點光源的/。、 與o"做為唯一性的參數(shù)。也即，對于復數(shù)點的點光源，可用不同的/。、 o"做點光
源的辨識。是以，利用/。做點光源辨識的方法，稱為強度調(diào)變；而利用cr做點光 源辨識的方法，則稱為幾何調(diào)變。
以下，以三個點光源為例，說明強度調(diào)變與幾何調(diào)變。
(1) 強度調(diào)變法
如圖3(b) 圖3(e)所示，為強度調(diào)變的示意圖。圖3(b)所示，是在無像重迭 現(xiàn)象時，三個具不同光強度/,。、 /2Q、 /3。、但具相同a的點光源，其在一維光感 測數(shù)組上的成像信號15、 16、 17，因具有中心強度的唯一性，通過閥值比較法、 也或波形偵測法(如后文的說明)，可識別辨認所述的三個有效成像信號，并據(jù)此 以計算出中心強度的位置，即平均位置//。當所述的三個點光源接近像重迭線時， 如圖3(c)所示，三個成像信號15、 16、 17已疊加，成為疊加成像信號18。此情 況下，閥值比較法即失效，而波形偵測法，但尚可清楚辨認其平均位置。當所 述的三個點光源幾乎接近像重迭線時，如圖3(d) 圖3(e)所示，已無法辨認其平 均位置。此時，可視所述的三個點光源的平均位置為一致，但會產(chǎn)生些許量測 誤差的現(xiàn)象。如果把點光源的發(fā)光半徑H故得非常小、且有足夠的發(fā)光強度以感
應成像的話，即可讓成像信號/(JC)的分布的標準差CJ,接近或小于一維光感測數(shù)
組12上單一畫素的寬度，即改善上述量測誤差，達到解決像重迭的現(xiàn)象。
(2) 幾何調(diào)變法
如圖3(f) 圖3(i)所示，為幾何調(diào)變的示意圖。三個具相同/。、但不同q、 (72、 q的點光源，其在一維光感測數(shù)組上的成像信號15、 16、 17各別為A(jc)、
_T2(x)、 /3(x);疊加成像信號18則為J(;c)，表示如下<formula>formula see original document page 26</formula> 其中，ct!,ct2，ct3為已知、且ct3 > ct2 > 。
圖3(f)所示，是三個點光源同時排列在像重迭在線，所以呈完全像重迭的現(xiàn)象；圖3(g) 3(h)所示，是三個點光源非常近接像重迭在線，呈大部份像重迭 的現(xiàn)象。圖3(i)所示，是三個點光源近接像重迭在線，呈小部份像重迭的現(xiàn)象。 是以，在像重迭現(xiàn)象發(fā)生時，如何利用所量測取得的疊加成像信號18/(jc)，以 解出A，/^,A，即成為幾何調(diào)變技術的課題。
如圖3(j)所示，是當4象重迭現(xiàn)象發(fā)生時，利用消去法(Method of Deduction) 與Guassian Fitting,以求出/^,//2，//3。所謂消去法，其原則為，從疊加成像信號 18中，由最大點光源到最小點光源的次序，依次分離成像信號。即由/(x)中， 先找出部份的/3 (x)、并對其做Gaussian Fitting后，可得/3(x)與后，從/(;c)中 分離/30)，使得/'(;<:) = /("-/3(x)。根據(jù)同樣的步驟，再由/'(x)中，分離/20), 即可得/"x)。幾何調(diào)變的優(yōu)點為不受像重迭現(xiàn)象的影響，可解出所有點光源成 像信號的平均位置/i。其缺點則為數(shù)學計算較多、且各點光源的大小，必需明確 區(qū)分。
時間調(diào)變的改良法
如前述Stephenson的專利，Stephenson是在感應檢測端，利用一 DIODE, 監(jiān)看復數(shù)點光源被點亮的時間，以達到一維光感測數(shù)組同步掃瞄的效果，改善 了 Reymond有線的方式。其各信號的時序，如圖4(a)所示，是Stephenson時間 調(diào)變法時序的示意圖，所述的圖顯示復數(shù)點光源點亮、與一維光感測數(shù)組數(shù)據(jù) 掃瞄讀取間同步的時序。Emitterl Emitter3(即點光源)以固定的周期連續(xù)且交替 點亮，Diode回路在接收到這些光信號后，產(chǎn)生一同步信號SYNC，以同步驅(qū)動 所有 一 維光感測數(shù)組開始掃描。 然而，如圖4(b)所示，在實際的手勢操作中，裝置在手部或手指上的點光 源，如emitter2,因手部或手指的任意運動，點光源可能隨時被手部遮蔽，容易 造成同步失調(diào)的現(xiàn)象，使得一維光感測數(shù)組取到錯誤的數(shù)據(jù)。對此，Stephenson 專利中，未曾提出任何的解決方案。針對此同步失調(diào)的現(xiàn)象，本發(fā)明提出以下 兩種解決的方法。
(3)Stephenson的改良法
如圖4(c)所示，是Stephenson時間調(diào)變改良法時序的示意圖。對于 Emitter 1 Emitter3所產(chǎn)生的光信號，可在適當?shù)臅r間(如4吏用前、或每隔一固定 的時間)，利用 一 微處理器(/i尸)，在接收到Diode的信號后，量測 Emitterl Emitter3連續(xù)交替點亮的周期，并以相同的周期，同步產(chǎn)生同步信號 SYNC,即可克服同步失調(diào)的現(xiàn)象。(4) 主從式無線同步法
不同在Reymond、 Stephenson的方法，所謂主從式無線同步法，是以RF的 方式，由發(fā)射端(主端)發(fā)射出具有編碼的同步信號，所述的編碼的同步信號內(nèi)， 是包含有一所欲點亮點光源的號碼、與所需點亮點光源時間的信號。是以，接 收端(從端)在接收到所述的編碼的同步信號后，可譯碼解析出所述的編碼的同步 信號內(nèi)的信息后，并做出正確的同步控制，以達時間調(diào)變的目的。
如圖4(d)所示，是主從式無線同步法的示意圖。裝置在一維位置偵測器20 端的RF發(fā)射器21,發(fā)射出一具編碼的RF同步信號22。所述的具編碼的同步 信號22,即包含有編碼信號24、與同步信號25。所述的編碼信號24代表所欲 點亮點光源的號碼，而同步信號25則代表欲點亮點光源的時間。所述的編碼信 號24的構成，可為一組數(shù)字碼(binary. code)、也或是具特定時間長度的方波、 也或是具特定數(shù)目的脈沖。另外，裝置在手部端的RF接收器26,實時收到所 述的具編碼的RF同步信號22后，輸出所述的信號至一譯碼器27。所述的譯碼 器27可分離出編碼信號24、與同步信號25后，輸出所述的兩信號至一點光源 開關切換器28。所述的切換器28即根據(jù)點光源的號碼，可在正確的時間點，個 別且正確點亮點光源29。因此，不論點光源是否被遮蔽，在一維位置檢測器20 端，可清楚且正確知道被點亮點光源的編號與時序。這也就完全解決的前 Stephenson所碰到的遮蔽問題。另外，因為加入編碼的方式，也可以任意的次序 與時間，點亮點光源29。當然，把RF發(fā)射器設置在手部端、而RF接收器設置 在一維位置偵測器端，也可達同樣的功效。在此，對于一般RF的技術，在發(fā)射 端通常需做調(diào)變(modulation)的動作，而在接收端則需做解調(diào)變(de-modulation) 的動作，此為現(xiàn)有的技術，是以不加以討論與說明。
另外，如圖4(e)所示，RF發(fā)射器也可發(fā)射出一另一具不同編碼的RF同步 信號22，所述的編碼的目的，是可同時點亮所有的點光源。因此，可將前述的 強度調(diào)變、幾何調(diào)變、波長調(diào)變的方法、與主從式無線同步法整合，對點光源 唯一性的控制，以達更具功效的目的。
(5) 波長調(diào)變法
如前述Schuiz專利之中，雖曾提出利用波長調(diào)變以克服光重迭現(xiàn)象的概念， 但卻無任何深入且具體的說明。圖5(a)~圖5(c)所示，是目前已大量普與的影像 感應技術。如圖5(a)所示，是一般CCD或CMOS光感測數(shù)組的光感應頻譜(請 參閱SONY/CCD/ILX526A)，其可感應光波長，通常介在400nm至1000nm之間，其單一光感應畫素的大小，則介在數(shù)微米至數(shù)十微米Oim)之間。如圖5(b)所示， 是一般加諸在CCD或CMOS光感測數(shù)組上，RGB色片(RGB color filter)的光 通過頻語(請參閱SONY/CCD/ILX516K),利用波長濾光的作用，以達到彩色取 像的目的。如圖5(c)所示，是一般二維CCD或CMOS光感測數(shù)組上，對應在 RGB畫素，RGB色片的排列方式。以下，利用上述現(xiàn)有的影像感應技術，提出 波長調(diào)變的方法，以達到解決像重迭現(xiàn)象的目的。
如圖5(d) 圖5(e)所示，是波長調(diào)變的示意圖。對于復數(shù)點光源所造成像重 迭的現(xiàn)象，在點光源數(shù)不多的情況下(例如三個以下)，波長調(diào)變可有效解決此像 重迭的問題。其關鍵，是在于使用復數(shù)個具有不同波長的點光源，并利用不同 波長的色片，將所述的具不同波長的點光源，作濾光分離后，讓所述的復數(shù)個 點光源，同時且個別成像在同一個一維光感測數(shù)組、但不同畫素位置的上，也 或是同時且個別成像在不同的一維光感測陣數(shù)組。如圖5(d)所示，是三個具不 同波長點光源構成的示意圖。對于裝置在手部或手指上的點光源Emitter1 Emitter3，所述的Emitter1 Emitter3是可為白光LED,或是具適當波長的LED、 或是半導體激光。所述的Emitterl- Emitter3所發(fā)出的光，個別經(jīng)一適當?shù)墓鈱W 式帶寬濾波器(BandpassFilter)處理后，可個別發(fā)射出A士A^、 A土A^、 ^土A;i3波 長的光源。其中，4、 ^、 ^為帶寬濾波器的中心波長；2AA、 2A^、 2A^則為 半波高寬(，F(xiàn)WHM , Full Width at Half Maximum)。所述的中心波長與半波高寬的 選擇，則需根據(jù)RGB色片光通過頻譜的特征而定。例如，對于如圖5(b)所示的 光通過頻"i普，中心波長與半波高寬可設定為4 M0"m(藍光)、A-SS0"7w(綠光)、 & ~ 630ww (纟工光)；2A^ ~ 20"w 、 2A^ ~ 20ww 、 2A^ ~ 20ww 。當、 、 值 太大時， 一般的RGB色片即失去正確濾光的作用，因此無法解決像重迭的問題。 另外，A、 &、 ^的選擇，不一定需設定在可見光的波段內(nèi)，也可設定在紅外線 波段之內(nèi)，但需配合適當?shù)募t外線光源、與適當?shù)募t外線色片或紅外線的帶寬 濾波器。
如圖5(e)所示，是一維光感測數(shù)組上RGB色片排列的示意圖。對于一維光 感測數(shù)組12, RGB色片的排列方式，是以畫素為單位，以R、 G、 B的次序交 替排列。因此，對于前述所選定^ 450"附(藍光)、^ 550"w(綠光)、A 630"w(紅 光)的點光源，所述的交替排列RGB色片，即可將所述的三個點光源分離，并個 別成像在R、 G、 B畫素的上(本圖只以紅光為例，以示出光分離與成像的作用)。
其優(yōu)點是可只用一個一維光感測數(shù)組12，即可同時處理三個點光源的成像；其缺點是可量測點光源的空間分辨率，則降為三分之一 。
為了提高可量測的空間分辨率，如圖5(f)所示，可使用三色的一維光感測數(shù)
組(請參閱SONY/CCD/ILX516K),也即如前述，對于^ ~450"w (藍光)、 ^~550"附(綠光)、；13~630"附(紅光)的三個點光源，提供三個并列的一維光感測 數(shù)組，并在其上，個別貼合三種不同波長的RGB色片，也可達波長調(diào)變的目的。
另外，現(xiàn)有的彩色二維CCD或CMOS光感測數(shù)組，已大量生產(chǎn)并用在數(shù)字 相;f幾的上，基于成本的考慮，也可采用現(xiàn)有彩色二維CCD或CMOS光感測數(shù)組， 以取代前述一維CCD或CMOS光感測數(shù)組，也即利用現(xiàn)有彩色二維CCD或 CMOS光感測數(shù)組的制程，只需改變RGB色片排列、與畫素影像掃描的方式， 即可利用現(xiàn)有彩色二維CCD或CMOS光感測數(shù)組，以達到波長調(diào)變的目的。如 圖5(g)所示，是彩色二維CCD或CMOS光感測數(shù)組，其RGB色片排列的方式。 所述的RGB色片的排列，是以行(Row)為單位，以R、 G、 B的次序，交替排列 RGB色片。如圖5(h)所示，是彩色二維CCD或CMOS光感測數(shù)組，另一 RGB 色片排列的方式。另外，如圖5(i)所示，是彩色二維CCD或CMOS光感測數(shù)組， 其畫素影像掃描讀取的方式。所述的影像的掃描，是可通過一微處理器/zP、 一 行解碼控制器(Row Decoder)、與一列解碼控制器(Column Decoder),可針對任意 畫素射j(即第i行、第j列)，達到做隨機讀取(Random Access)操作的目的。
2.背景光的處理
在所如前述的US專利中，只有Reymond與Schuiz的專利，尚曾提到量測 數(shù)據(jù)的處理，但僅止在對背景光源的去除。如前述，其處理的方法，是利用電 子、或軟件的方式，通過一閥值比較(thresholdcomparison)的處理，達到去除背 景光的功效。 一般，做閥值比較的前提，是背景光信號為一不具時間變化、且 為固定的DC值。然而，對于具空間與時間變化特征的背景光，閥值比較的方法 即完全失效。另外，對于后續(xù)數(shù)據(jù)的處理，Reymond與Schuiz的專利，也無任 何深入的說明。
動態(tài)背景光的去除
對于一般室內(nèi)的使用環(huán)境，通常背景光源來自在日光燈、與面素燈(或鴒絲 燈)。如圖6(a)、圖6(b)所示，是常用日光燈、與卣素燈的發(fā)光頻譜?；旧希?這些光源會造成光感測數(shù)組端成像信號的不穩(wěn)定、被覆蓋、與飽合的現(xiàn)象。是 以，可將此現(xiàn)象統(tǒng)稱為環(huán)境光干擾現(xiàn)象，而其在光感測數(shù)組上，則造成環(huán)境光 干擾噪聲。對于環(huán)境光干擾噪聲，現(xiàn)有簡單的閥值比較法，即完全失效，無法取得正確的成像信號。以下，提出環(huán)境光干擾噪聲去除的方法。
在時間G,對一維光感測數(shù)組量測，所取得的成像信號/0aJ，是由點光源
的成像信號S(x,")、與環(huán)境光干擾噪聲信號iV(;c，"所疊加構成，如下式 J(x，"-S(A:," + iV(4) (6)
<formula>formula see original document page 31</formula>
其中，S(;c,"是可由數(shù)個點光源所構成的有效成像信號，M為所述的一維 光感測數(shù)組的總畫素，其值可為2。(例如a=10，M=21(1=1024), ;^則為第m個畫 素的位置。 一般，環(huán)境光干擾噪聲信號iV(x,",大都來自在室內(nèi)環(huán)境中所使用 的燈源、與燈源對其它器物的反射光；少部份則來自在光感測數(shù)組本身的暗電 流、與回路上其它電子噪聲。另外，因(l)燈源所使用的電源為交流電源，其發(fā) 光強度自然具有交流的特性、(2)使用者可能隨時調(diào)整燈源的強度，甚至開關燈 源、(3)燈源的位置可能與光感測數(shù)組同高，且設置在使用者的背后時，使用者 身體的運動，會與燈源所發(fā)出的光，產(chǎn)生直接干擾等現(xiàn)象。是以，在時間上， 環(huán)境光干擾噪聲信號iV(x,4)，非為一穩(wěn)定的常數(shù)，為一隨時間變化的函數(shù)。尤 其是(3)所述的干擾，還是嚴重影響W(x,O的穩(wěn)定度。這也就是造成現(xiàn)有閥值比 較法失效的原因。是以，將此類的干擾，定義為時間性環(huán)境光干擾信號。另外， 燈源及其燈罩可能具有特殊的幾何結構，甚至環(huán)境中存在高反射的器物(如鏡面、 衣服上的金屬鈕扣)，這些具有幾何結構的光源，經(jīng)一維透鏡成像后，其成像信 號的特征與大小，都可能與點光源的效成成像信號雷同，更壞的情況是這些干 擾信號與點光源的效成成像信號重迭。這也是造成現(xiàn)有的閥值比較法失效的另 一原因。是以，將此類的干擾，定義為空間性環(huán)境光干擾信號。此處，將具有 時間性與空間性的環(huán)境光統(tǒng)稱為動態(tài)背景光，而其在光感測數(shù)組的成像信號， 則稱為動態(tài)背景光信號。以下，提出實時時間性環(huán)境光干擾信號去除法、與傅 利葉信號處理(也即空間性環(huán)境光干擾信號去除法)的方法，再配合閥值比較法、 也或波形偵測法，可有效解決動態(tài)背景光的干擾問題，并解析出點光源的有效 成像信號。以下，將上述實時時間性環(huán)境光干擾信號去除法、與傅利葉信號處 理法，統(tǒng)稱動態(tài)背景光信號去除法。
(l)實時時間性環(huán)境光干擾信號去除法由于光感測數(shù)組對光感應具有線性疊加的特性、且一 維光學透鏡具直線成
像的特征，如圖5(j) 圖5(k)所示，可利用另——維光感測數(shù)組13，以同時取得 動態(tài)背景光信號iV'(x,"后，自式(6)的原信號/(x,O中移除W'0c，"，即可得<formula>formula see original document page 32</formula>
將式(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>
此處，是通過硬件的方式，即利用另——維光感測數(shù)組13,以取得iV'(、,fJ 信號，以下稱噪聲用一維光感測數(shù)組13;而原一維光感測數(shù)組12,則稱為量測 用一維光感測數(shù)組12。所述的噪聲用一維光感測數(shù)組13，其上則必需加裝一適 當?shù)墓鈱W濾波器(未示在圖上)，以濾除所有點光源、但讓環(huán)境光通過；而其設置 的位置必盡量靠近且平行量測用一維光感測數(shù)組。另外，對于噪聲用一維光感 測數(shù)組13成像信號的掃瞄讀取，是同步在所述的量測用一維光感測數(shù)組12成 像信號的掃瞄讀取，并在所述的噪聲用一維光感測數(shù)組13的信號讀取電子回路 上，通過一電子放大器，以適當放大動態(tài)背景光的信號，使得AAT(;c,"可為
<formula>formula see original document page 32</formula>)
是以，式(10)即成為<formula>formula see original document page 32</formula> 其中，DC為一近似直流的低頻信號、5"(x，")則可視為一具較高頻幾何結構 的空間性環(huán)境光干擾信號。另外，可適當調(diào)大點光源的發(fā)光強度，使所述的點 光源的成像信號滿足以下的條件，
5"(x，y《S(x," (14) 再配合閥值比較法，即可取得有效成像信號S(x，"。所謂閥值比較法，是針 對式(13)中的DC與5"(jc，4)值，設定一比所述的DC+5"(x,")值大的適當值，再 利用比較的方法，以找出有效成像信號S(x,y。另外，對于強度調(diào)變中所使用的 點光源，也可通過波形偵測法(Method of Profile Detection),以取得有效成像信 號S(jc,O。所謂波形偵測法，是利用點光源成像波形的特征，以取得S(x,"。相 較在環(huán)境干擾的背景光源，由于本發(fā)明中所使用的點光源，其單位面積的發(fā)光 強度遠大于背景光源，且其發(fā)光面積甚小于背景光源。所以，其成像信號的波 形是具有尖峯(sharp peak)的特征。也即，相較在背景光源的成像信號，本發(fā)明點光源的成像信號，其分布的標準差o",是具有一相對小的值，如20-30/^2; 而其中心的強度/。，是具有一相對大的值；此外，在有效成像信號中，其波形變 化的斜率，是具有一相對大的值。因此，可根據(jù)分布的標準差cr、中心的強度/。、 與波形變化斜率等特征，以找出點光源有效成像信號。
通常，由于點光源是使用一般的電池為其電源，如前述，調(diào)高點光源的發(fā) 光強度，以提高S/N比，會增加電池的耗電，而縮短電池使用的時間。是以， 在不提高點光源發(fā)光強度的條件下，必須再通過信號處理的方法，以消減 緒0，"，方能達到提高S/N比的目的。
(2)空間性環(huán)境光干擾信號去除法(傅利葉信號處理法)
現(xiàn)有的傅利葉光學，其目的是對空間域(Spatial Domain)中的幾何信號，濾 除沒必要的幾何結構、或噪聲，以取得想要的幾何結構。其基本作法是在頻率 域(Frequency Domain)中，針對所;欲去除的幾何結構、或噪聲所具有的特征頻率， 做濾除的動作，即可達到傅利葉光學的目的。是以，可利用傅利葉光學的技藝， 來消減AiV(jc,"),以達到還高的S/N比。對式(10)做傅利葉轉換，可得 = 5(" ，" +認(化，" (15)
其中，
JW-1 一,
Z取，4)ei (16)
m-0
H - /^則 H — /1^m"
臘(化，0-Z認(&，")e ^ =X["C + 5"(^，")]e M (17)
m=0 m=0
如前述傅利葉的方法，在頻率域中，加一帶通濾波函數(shù)Bi^o")的處理，即
針對DC信號所產(chǎn)生的低頻頻率、與&(;c，")信號所產(chǎn)生的高頻頻率，做濾除的動 作后，再做逆傅利葉的運算，即可取得干凈且近似在原點光源的成像信號。是 以，對式(15)作帶通濾波、與逆傅利葉的運算，可得
M-l ,2 r
尸(&,"-》77 U一",0 + AA^"，"]x鮮K》 (18)
1=0
將式(18)簡化表示成，
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)
帶通濾波函數(shù)可為
<formula>formula see original document page 34</formula>
也即，在頻率域中，濾除頻率低于^的低頻是數(shù)、與頻率高在&的高頻是 數(shù)，即濾除認(《 ,")所具有的大部份頻率，而其它是數(shù)則乘上一實數(shù)A的值。
當八>1.0時，可放大原點光源的成像信號S'(JC"J，使得5'"(X,0《S'(;^,"),即
取得還高的S/N比。是以，
SV") (23)
最后，再配合閥值比較法、也或波形偵測法，以取得有效成像信號S(JC,"。 如前述的動態(tài)背景光去除法，主要是使用另一噪聲用光感測數(shù)組，以取得動態(tài) 背景光。然而，此方法會增加硬件的成本與復雜度。以下，再提出另一以軟件 方式的近似實時時間性環(huán)境光干擾信號去除法。
(3)近似實時時間性環(huán)境光干擾信號去除法
所謂近似實時時間性環(huán)境光干擾信號去除法，是在不增加使用另一噪聲用 一維光感測數(shù)組的前提下，只利用軟件的方式，以達去除時時間性環(huán)境光干擾 信號目的的方法。如前述，時間性的環(huán)境光干擾，當使用者身體的運動與燈源 發(fā)生直接干擾時，造成背景光信號大幅變形與幌動，還是嚴重影響點光源信號 的正確取得。相對于現(xiàn)有一維光感測數(shù)組掃描取樣的速度(如10—sec/scan),使用 者身體運動的速度，是相對的慢。因此，對于連續(xù)兩次掃描所取得的成像信號 /(x，"、 /0，")，
/"" = S(x，" + iV(x，/J (24) /(x,", + (25) 其中所含的動態(tài)背景光信號iV(;c,4)、 W(;c,/w),在時間A/ =々-^上的變化 量，可視為一相對小于點光源成像信號S(x，"。因此，可將式(25)減式(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>當點光源為移動狀態(tài) 1 0 當點光源為靜止狀態(tài)<formula>formula see original document page 35</formula>
在近似實時時間性環(huán)境光干擾信號去除法，式(29)、 (30)描述點光源成像信 號與動態(tài)背景光信號的特征。即當點光源為處在移動的狀態(tài)時，點光源成像信 號呈現(xiàn)為兩個不同位置的高斯信號G(A)、 G(/Zw)相減后的信號；而當點光源為 處在靜止的狀態(tài)時，點光源成像信號呈現(xiàn)為零。另外，對于動態(tài)背景光信號， 其5"(;c,"則具有與式(12)相同的特征。是以，再利用前述的傅利葉信號處理法， 即可去除空間性環(huán)境光干擾信號5"(:c，")。對于點光源為處在靜止狀態(tài)時，式(29) 經(jīng)傅利葉信號處理后，點光源成像信號也呈現(xiàn)零的狀態(tài)，即無法取出原有點光 源的成像信號。對于此現(xiàn)象的解決，則可利用一追跡的方法(Tracking),根據(jù)先 前的數(shù)據(jù)，以推測取得現(xiàn)有點光源的成像位置。
3.數(shù)據(jù)的處理(空間分辨率與平均位置的計算)
如圖7(a)所示，是Reymond所采用光學系統(tǒng)的示意圖。
在世界坐標系0(X,y，Z)中，設置三組一維光感測數(shù)組S、 S2、 & ，其中心點則 設置在(-; ，O,O)、 (O,O，O)、 (Zz，O，O)，其長軸方向如圖示；另外，設置三組具等焦 距/的一維透鏡^、A、A，其光軸各為Z,、Z2、Z3，其聚焦方向如圖示。對于點光
源0(^:^,5),其在&、&、&的成像平均位置，各自為>^、凡2、凡3;另外，所述的世 界坐標系o(x,;r,z)中的z軸，即為此光學系統(tǒng)的視軸。是以，所述的點光源 o(W,，z,)的空間位置，即可由下列定位計算公式取得(詳細的計算，請參考前述 三件中國臺灣的專利)。<formula>formula see original document page 35</formula>)
其中，/、/z為已知；而jv&、:^則為量測值。
對于此光學系統(tǒng)定位的誤差，則可由下列公式以評估。<formula>formula see original document page 35</formula>△r-^^A^ (35)
Az1 = -^i sl (36)
式(34) 式(36)清楚顯示，在各方向上點光源位置的誤差Ax,、 A;v 其大小是由光學參數(shù)/、A、垂直距離^、與量測誤差A^、A凡2、A凡3所決定。因此，在最小的A凡、A&、 A>^3下所得的Axr A>v M ,可定義為所述的光學系統(tǒng)的空間分辨率。
如前述，在無動態(tài)背景光干擾的條件下，當點光經(jīng)一維光學透鏡作用后，在一維光感測數(shù)組上，其有效成像信號的強度/(JC)，是一近似高斯的分布，參考公式(l)。由于一維光感測數(shù)組，是由一排多個具有寬度與間隙、不連續(xù)的感應畫素所構成，如圖3(a)所示。是以，實際量到的成像信號/(;c)，則成為
/(x) = Z7(x》Aw (37)
其中，7(;c,)為第i個感應畫素的單位長度感應平均值，其值是與感應畫素的大尺寸、光電轉換效率、入射光的強度與波長的分布、環(huán)境溫度等參數(shù)有關；而Avv則為感應畫素的平均寬度。如果，只取具最大值70,.)的位置x,.(即最亮感應畫素的位置)，以當做^、:^、兀3的量測值，則其最小量測誤差A)v Ay,2、 A&為單
一感應畫素的寬度Aw。以下，以一實際例，說明空間分辨率的評估。
各已知各參數(shù)，假設如下
/=20膽、A = 200羅、Z, = 2000膽=化2 = =Aw ~ 5〃m
代入式(34) 式(36)，可得空間分辨率為~ 0.5mm 、 Ay, ~ 0.5mm 、 Az, ~ 5mm
利用最亮感應畫素位置做為成像的位置，感應畫素的平均寬度Aw,即決定了空間分辨率。對于位移量小于空間分辨率的點光源的移動，如圖7(b)所示(上圖為移動前的成像信號、下圖為移動后的成像信號)，在一維光感測數(shù)組上，其成像信號的位移量，是小于一個感應畫素的寬度Aw。因此，最亮感應畫素的位置不變，最終造成無法解析低于空間分辨率的移動。是以，對于成像信號在畫素間的微量變化，則必需用Guassian Fitting、或利用下列的統(tǒng)計計算公式，以取得其平均位置//，<formula>formula see original document page 37</formula>
其中，M為一維光感測數(shù)組上的感應總畫素。 一般，通過一 ADC(Analogueto Digital Converter),將感應畫素的才莫擬電壓值7(;c》轉換后，可得一數(shù)字的值。若使用一^h位數(shù)(bit)的ADC，對于輸入的模擬電壓值，可輕易地辨識1024階的微量變化。是以，利用上述兩種計算平均位置/z的方法，可讓三次元位置量測的分辨率提高至微米(/im)層級。另外，若再降低量測的距離(即ZJ，其分辨率還可提高至奈米("w)層級。是以，本發(fā)明也可做為非接觸式超精密量測儀定位的應用。
4.系統(tǒng)架構的擴張(死角補償、視角擴大、與視軸追蹤)
如眾所都知，任何一光學系統(tǒng)都存有限視角與死角的現(xiàn)象。對于一維光學定位系統(tǒng)，也存在同樣的問題。綜觀前述國內(nèi)外的專利，都未曾提出具體解決的方案。如圖8(a)所示，對于一維光學定位系統(tǒng)50,其最大視角51，即限制了點光源52可活動的范圍(以下的說明，本文只以一維，即水平視角為例)。
如圖8(b)所示，是死角發(fā)生與解決的示意圖，即當點光源52被障礙物53(如使用者的身體)所遮避時，可在空間中適當位置上，增設另一、或多個一維光學定位系統(tǒng)50'，以補償死角的問題。
如圖8(c)所示，是視角擴大方法的示意圖，即在空間中適當位置上，增設另一、或多個一維光學定位系統(tǒng)50',可擴大視角51'。
如圖8(d)所示，是視軸追蹤方法的示意圖，即當點光源52'將移出原可視角51范圍外時， 一維光學定位系統(tǒng)50,可根據(jù)當點光源50的移動變化的預估，旋轉自身的視軸54至一適當?shù)慕嵌?4'，使得點光源52'能在視角51'范圍內(nèi)。
是以，如圖8(b) 圖8(d)所示的問題，為了達到死角補償、視角擴大、與視軸追蹤的目的，如圖8(e)所示，所述的一維光學定位系統(tǒng)50,必須具備有視軸旋轉與可被定位的功能。所述的視軸旋轉的功能，是可通過一般如旋轉機構、馬達、角度量測等現(xiàn)有的技藝，對視軸54,達到水平旋轉(即對Y軸旋轉，其角度以0示的)、與垂直旋轉(即對X軸旋轉，其角度以①示的)的功效。所述的可被定位的功能，是通過可固定在所述的一維光學定位系統(tǒng)50機構外殼上的數(shù)個點光源55(以下簡稱定位標定光源)，可讓復數(shù)個一維光學定位系統(tǒng)50,做相互間的定位。也即，當做死角補償、視角擴大時，即需在任意空間的位置，置放復數(shù)個一維光學定位系統(tǒng)50時，即可通過量測所述的定位標定光源55，達到對所述的復數(shù)個一維光學定位系統(tǒng)50位置與視軸角度定位的目的。
5.系統(tǒng)應用的擴張
(l)虛擬輸入裝置的應用
本發(fā)明中，所謂的虛擬輸入裝置，是針對現(xiàn)有的計算機、PDA、手移動電話、游戲機、電視，在于不使用鼠標、鍵盤、搖控器、觸控銀幕等實體的機械裝置的條件下，以裝置仿真輸入的方法，完全或部份取代實體的輸入裝置。以下，針對上述的實體輸入裝置，說明虛擬輸入的方法。
如圖9(a)所示，是一般鼠標使用的示意圖。
在一般如Windows的作業(yè)環(huán)境下，在其所顯示畫面上60 (以下簡稱實體操作畫面)，是通過鼠標61的移動、壓鍵、放鍵、快按一次鍵、或快按兩次鍵等機械操作，達到對Windows的操作。另外，在實體操作畫面60上，以一繪圖的光標61',以標示與對應鼠標61的位置。對于這些鼠標的操作，以手勢達到輸入的方式，詳見中國臺灣專利申請案號096116210。所述的專利中是使用單一個點光源，以仿真鼠標的操作。
所謂裝置仿真輸入的方法，主要是以一虛擬的輸入裝置，對應在一實體的輸入裝置，并仿真、與認知所述的實體輸入裝置，所需手部手指的操作動作，以達虛擬輸入的目的。其方法，主要是提供一虛擬操作畫面對應的程序、 一虛擬裝置幾何結構的定義與操作手指對應的程序、與一操作手勢的定義與認知的程序。以下，先以具有左鍵、中鍵、右鍵、中滾輪的鼠標、且使用三根手指頭操作鼠標為例，說明所述的裝置仿真輸入法。隨后，再對其他實體輸入裝置，4故補充的說明。
如圖9(b)所示，是鼠標裝置仿真輸入法的示意圖。
虛擬操作畫面對應的程序
對于一具有實際L(長)xH(寬)尺寸的實體操作畫面60，可在空間中的任意處，定義一具L'xH'的虛擬操作畫面60'，所述的虛擬操作畫面60',是對所述的實體才喿作畫面60做一 空間的對應，其幾何對應的關系，為 一對一且等比的關系，即Z、wx丄、//' = wx//，其中 附、"可為大于1、 等于l、或小于l的實數(shù)。是以,只要將手指上的點光源，移至所述的虛擬操作畫面60'的上，即可在實體操作畫面60上，找到一對一的對應。另外，所述的虛擬操作畫面60'可設置在空氣之
中、或是任意的固定面上(如桌面、或墻壁面的上，以便于指頭的操作)。虛擬裝置幾何結構的定義與操作手指對應的程序
其次，定義虛擬裝置幾何的結構，也即對所述的虛擬裝置幾何上的功能鍵，定義其物理位置、大小與功能鍵的物理動作，以及定義手指與功能鍵間的對應關系。所述的虛擬裝置上功能鍵物理位置、大小與功能鍵的物理動作，是用以判別手指與功能鍵間物理互動的關系，即手指是否落在功能鍵上、并做按鍵的
操作；而所述的手指與功能鍵間的對應，是定義手指所欲操作的功能鍵。如右手的食指62是對應左鍵62'、右手之中指63對應中鍵與滾輪63'、而右手的無名指64對應右鍵64'。是以，在實際虛擬輸入操作中，使用者的手部，就如同握住一與實體結構與大小一致的虛擬鼠標，并將所述的虛擬鼠標操作在虛擬操作
畫面60'的上。另外，所述的手指與功能鍵的對應，是可隨使用者的習慣而變還。另外，手指與功能鍵的對應關系，也可具有一對復數(shù)的對應關系，即可用同一手指來操作復數(shù)的功能鍵。
操作手勢的定義與認知的程序
對于以裝置仿真輸入法，做為鼠標移動、按下鍵、放開鍵、快按一次鍵、或快按兩次鍵等操作的手勢，其基本的方法，如中國臺灣專利申請案號096116210所述，是由復數(shù)個連續(xù)發(fā)生的手勢單元，以各別定義食指62、中指63、無名指64的手勢。所述的手勢單元是由一短暫停頓的狀態(tài)一、 一特殊運動的狀態(tài)二、與另一短暫停頓的狀態(tài)三等三個連續(xù)發(fā)生的的物理狀態(tài)所構成，例如按下左鍵的手勢，是可定義為，食指62的由一短暫停頓的狀態(tài)一、由上往下的近似短直線運動的狀態(tài)二、與一短暫停頓的狀態(tài)三等三個連續(xù)發(fā)生的的物理狀態(tài)所構成，放開左鍵的手勢，是可定義為，食指62是由一短暫停頓的狀態(tài)一、由下往上的近似短直線運動的狀態(tài)二、與一短暫停頓的狀態(tài)三等三個連續(xù)發(fā)生的的物理狀態(tài)所構成，快按左鍵一次的手勢，可定義為，食指62是由連續(xù)的一按下左鍵的手勢、與一放開左鍵的手勢所構成，快按左鍵兩次的手勢，則可定義為，食指62是由連續(xù)的兩個快按左鍵一次的手勢所構成，另外，中、右鍵操做手勢的定義與左鍵同。至于滾輪的轉動手勢，可定義為，中指63向由一短暫停頓的狀態(tài)一、由向前、或向后的近似短直線運動的狀態(tài)二、與一短暫停頓的狀態(tài)三等三個連續(xù)發(fā)生的的物理狀態(tài)所構成，而光標61'的位置，是可定義為，三根手指頭的運動狀態(tài)為相對靜止時的群中心坐標(參考后文)。當然，以上鼠標操作手勢的定義，是仿真2D鼠標的操作，以符合一般使用者的習慣，但也可根據(jù)中國臺灣專利申請案號096116210中，所述的廣義手勢的定義，另外定義的。
如圖9(c)所示，為搖控器裝置仿真輸入的示意圖。
由于搖控器的操作簡單， 一般可以單鍵操作，可用單一手指，做類似鼠標動作的操作。是以，對于搖控器，只需提供一虛擬操作畫面60'、做虛擬裝置幾何結構的定義75、并以單一手指74對應所有功能鍵、并在實體操作畫面60上顯示一搖控器的輔助繪圖影像76,通過對應單一手指光標74'的輔助，即可移動手指74至功能鍵上，并做壓下鍵、放開鍵的動作，達到虛擬搖控器輸入的目的。另外，所述的虛擬裝置幾何結構75,在視覺上，也可以現(xiàn)有虛擬實境的技術，提供一虛擬的立體影像，可令所述的單一手指74,直接操作所述的虛擬立體裝置幾何結構75、也可將所述的單一手指74立體虛擬化，以虛擬立體手指，操作所述的虛擬立體裝置幾何結構75,以提高虛擬操作的方便性。
如圖9(d)所示，為觸控銀幕裝置仿真輸入的示意圖。
實體觸控銀幕的操作， 一般極為單純，即在實體操作畫面60上，利用單一手指，做類似鼠標動作的操作。因此，對于觸控銀幕裝置仿真輸入，其方法只需定義一虛擬操作畫面60'、與使用單一手指74，通過對應單一手指光標74'的輔助，即可對實體操作畫面60,做模擬輸入的操作。另外，對于所述的虛擬操作畫面60'，在視覺上，也可以現(xiàn)有虛擬實境的技術，提供一虛擬的立體影像，可令所述的單一手指74,直接操作所述的虛擬立體操作畫面60'、也可將所述的單一手指74立體虛擬化，以虛擬立體手指，操作所述的虛擬立體操作畫面60',以提高虛擬操作的方便性。
如圖9(e)所示，為鍵盤的裝置仿真輸入的示意圖。
雖然， 一般的鍵盤，其按鍵數(shù)多、且有數(shù)鍵同按的操作。但其裝置仿真輸入的方法，基本上類似搖控器的操作，只需提供一虛擬操作畫面60'、做虛擬裝置幾何結構的定義80、并以數(shù)個(如三個)單一手指74對應所有功能鍵、與在實體操作畫面60上顯示一鍵盤的輔助繪圖影像85，通過復數(shù)光標74'的輔助，所述的光標74'是各別對應在操作的手指74,即可移動手指74至功能鍵上，并做壓下鍵、放開鍵的動作，達到鍵盤虛擬輸入的目的。另外，如前述，也可將一虛擬操作畫面60',定義在一固定實物面上(如桌面)，并在所述的實物面上，i文置一張鍵盤的印刷物(即印制有鍵盤的紙張)，即可不需所述的輔助式的繪圖影像85，讓使用者以還接近操作實體鍵盤的方式，達到虛擬鍵盤輸入的目的。另夕卜，對于所述的虛擬裝置幾何結構80，在視覺上，也可以現(xiàn)有虛擬實境的技術，提供一虛擬的立體影像，可令所述的復數(shù)個單一手指74，直接操作所述的虛擬立 體裝置幾何結構80、也可將所述的復數(shù)個單一手指74立體虛擬化，以虛擬立體 手指，操作所述的虛擬立體裝置幾何結構80，以提高虛擬操作的方便性。 (2)仿真器的應用
以上，說明了虛擬輸入的應用。如前述，本發(fā)明中的一維光學定位器，對 于復數(shù)點光源的定位量測，除了具有高運算速度、高空間分辨率、低制作成本 的特征外，也可同時使用復數(shù)組一維光學定位器，擴大對點光源的量測范圍、 與做死角的補償。是以，利用這些特性，也可將本發(fā)明應用至仿真器的領域。 其做法如下
以適當?shù)臄?shù)目、與固定的方法，將本發(fā)明中所使用的復數(shù)點光源(如三個)， 裝置在實體的球拍狀物(如網(wǎng)球、羽毛球、桌球、回力球等用的球拍)、實體的棒 狀物(如棒球、壘球等用的球棒狀物)、實體的桿狀物(如高爾夫球、曲棍球、撞 球、標槍、西洋劍等用的桿狀物)、實體的手套狀物(棒球、壘球、拳擊等用的手 套)、實體的球狀物(如棒球、壘球、籃球、足球、排球、保齡球等用的球)、實 體的玩具(如玩具槍等游戲用玩具)、實體的搖控玩具(如搖控車、搖空飛機、搖 控直升機等搖控玩具)、實體的搖控器(如家庭游戲機的搖控器)等器物的上。利 用本發(fā)明的一維光學定位器，對裝置在所述的器物上的復數(shù)點光源，做實時的 定位量測，即可計算出所述的器物的運動軌跡、與運動物理量。另外，通過虛 擬實境的技術，可在一虛空間中，定義一虛擬的器物，以直接對應所述的實體 的器物(如前述的球拍)的運動狀態(tài)，并根據(jù)物理法則，即可讓所述的虛擬器物、 與所述的虛空間內(nèi)的其它虛擬器物(如球)，做還近乎生動、且自然的互動(如拍 擊球)，達到各式運動、射擊、駕駛、飛行等模擬的目的。


圖1所示為虛擬實境中所用手套的示意圖2所示是一維光學系統(tǒng)像重迭現(xiàn)象的示意圖3(a)所示點光源對一維光學透鏡作用成像的示意圖3(b) 圖3(e)所示為強度調(diào)變的示意圖3(f) 圖3(j)所示為幾何調(diào)變的示意圖4(a)所示是Stephenson時間調(diào)變法時序的示意圖4(b)所示是Stephenson時間調(diào)變法的缺陷；圖《c)所示是Stephenson時間調(diào)變改良法時序的示意圖； 圖4(d) 圖4(e)所示是主從式無線同步法同步信號時序的示意圖； 圖5(a)所示是一般CCD或CMOS光感測數(shù)組光感應頻語的示意圖； 圖5(b)所示是一般CCD或CMOS光感測數(shù)組上，RGB色片光通過頻譜的 示意圖5(c)所示是一般二維CCD或CMOS光感測數(shù)組上，對應在RGB畫素，
RGB色片排列方式的示意圖5(d)所示是三個具不同波長點光源構成的示意圖5(e)所示是一維光感測數(shù)組上RGB色片排列的示意圖5(f)所示三色一維光感測數(shù)組，其RGB色片排列方式的示意圖5(g) 圖5(h)所示是二維彩色CCD或CMOS光感測數(shù)組，其RGB色片排
列方式的示意圖5(i)所示是二維彩色CCD或CMOS光感測數(shù)組，其畫素影像掃描隨機讀 取方式的示意圖5(j) 圖5(k)所示是噪聲用一維光感測數(shù)組構成的示意圖6(a)所示是常用日光燈發(fā)光頻語的示意圖6(b)所示是常用卣素燈發(fā)光頻譜的示意圖7(a)所示是Reymond所采用光學系統(tǒng)的示意圖7(b)所示是點光源做微量位移時，成像信號變化的示意圖8(a)所示是一維光學定位系統(tǒng)最大視角的示意圖8(b)所示是一維光學定位系統(tǒng)死角發(fā)生與解決的示意圖8(c)所示是一 維光學定位系統(tǒng)視角擴大方法的示意圖8(d)所示是一維光學定位系統(tǒng)視軸追蹤方法的示意圖8(e)所示是具有旋轉視軸與可被定位功能的一維光學定位系統(tǒng)的示意圖9(a)所示是一般鼠標使用的示意圖9(b)所示是鼠標裝置仿真輸入法的示意圖9(c)所示為搖控器裝置仿真輸入的示意圖9(d)所示為觸控銀幕裝置仿真輸入的示意圖9(e)所示為鍵盤的裝置仿真輸入的示意圖IO所示本發(fā)明實施例一構成的示意圖ll(a)所示是復數(shù)個具發(fā)光強度唯一性的點光源構成的示意圖；圖ll(b)所示是復數(shù)個具幾何大小唯一性的點光源構成的示意圖ll(c)所示是單一個點光源構成的示意圖ll(d)所示是光散射體構成的示意圖11(e) 圖ll(n)所示是點光源可裝置器物的示意圖12(a)所示是單一組具視軸追蹤的一維光學定位器構成的示意圖12(b)所示是單一個具視軸追蹤的一維光學定位器所對應坐標系的示意
圖12(c)所示是所有具視軸追蹤的 一維光學定位器所對坐標系的示意圖； 圖12(d)所示是一維位置偵測器構成的示意圖12(e) 圖12(i)所示為一維光學定位器固定機構、 一維位置偵測器裝置機 構、與定位標定點光源間，幾何結構關系的示意圖； 圖12(j)所示是其它現(xiàn)有裝置的機殼； 圖13(a)所示是控制解析的程序構成的示意圖； 圖13(b)所示是坐標系準直校正程序的示意圖； 圖14所示是本發(fā)明實施例二構成的示意圖； 圖15(a) 圖15(c)所示是本發(fā)明實施例三構成的示意圖； 圖16所示是本發(fā)明實施例四構成的示意圖； 圖17所示是本發(fā)明實施例五構成的示意圖； 圖18所示是本發(fā)明實施例六構成的示意圖。
附圖標記說明l-VR手套；2-VR手套上的手指部；3-VR手套上的定位器； 5-—維透鏡；10、 29、 52、 52'-點光源；11-線條狀的成^f象；12、 13-—維光感測 數(shù)組；15、 16、 17-—維光感測數(shù)組上的成像信號；18-疊加成像信號；20-—維 位置偵測器；21-RF發(fā)射器；22-具編碼的RF同步信號；24-編碼信號；25-同步信 號；26-手部端的RF接收器；27-譯碼器；28-點光源開關切換器；50、 50'-—維光 學定位系統(tǒng)；51、 51'-—維光學定位系統(tǒng)的最大視角；53-障礙物；54、 54'-—維 光學定位系統(tǒng)的視軸；55-—維光學定位系統(tǒng)的定位標定光源；60-實體操作畫面； 60'-虛擬操作畫面；61-實體的鼠標；61'-鼠標的光標；62-右手的食指；63-右手 之中指；64-右手的無名指；62'-鼠標的左鍵；63'-鼠標之中滾輪；64'-鼠標的右 鍵；74-單一或復數(shù)手指；74'-對應單一或復數(shù)手指的光標；75-虛擬搖控器幾何 結構的定義；76-搖控器的繪圖影像；80-虛擬鍵盤幾何結構的定義；100-本發(fā) 明實施例一的構成；110、 210-復數(shù)個具唯一性的點光源；111、 211-單一個點光源；112-近似點狀的發(fā)散光源；113-光散射體；115-適當大小與形狀的光入射口 ； 116-發(fā)光源；117-電子控制回路；118-電池；119-點光源裝置機構；120-點光源 裝置固定機構；123-透明的導光體；124-散射體；130、 230、 330、 430、 530、 630-復數(shù)組具視軸追蹤的一維光學定位器；131、 231、 331、 431、 531、 631-單 一組具視軸追蹤的一維光學定位器；132-復數(shù)個一維位置偵測器；133、 333-單 一個一維位置偵測器；134-—維光學組件組；135-—維光傳感器；136-信號微處 理器；137-—維位置偵測器裝置機構；139-—組成像平均位置；145、 345-定位 計算控制微處理器；146-信號傳輸界面；150、 250、 350、 450、 550、 650-含所 有點光源的運動物理量、同步觸發(fā)信號、視軸角度的信號；160-—組定位標定點 光源；170-—維光學定位器固定機構；171-連接的結構；180-二軸角度控制裝置； 181-兩個觸發(fā)器；182-兩個角度量測器；l卯 、290、 390、 490、 590、 690-控 制解析程序；191-坐標系準直校正的程序；192-裝置仿真輸入程序；193-仿真器 仿真的程序；194-其它裝置；200-本發(fā)明實施例二的構成；300-本發(fā)明實施例 三的構成；311、 411、 511、 611-具復數(shù)個點光源的模塊裝置；312、 412、 512、 612-復數(shù)個點光源;313、 413、 513、 613-近似點狀的發(fā)散光源;314、 414、 514-RF 接收器；315、 614-切換器；320、 420、 520-具編碼的RF同步信號；332 、 432-RF收發(fā)器；400-本發(fā)明實施例四的構成；410、 510-復數(shù)組具復數(shù)個點光源 模塊裝置；500-本發(fā)明實施例五的構成；600-本發(fā)明實施例六的構成；632-光接 收的裝置；/-一維透鏡的焦距；X-X坐標軸；Y-Y坐標軸；Z-Z坐標軸；玩-像 重迭線；。-點光源的位置；/(0,a,0)-點光源的成像位置；/(x)-強度具高斯分布 的成像信號；/。-高斯分布的中心的強度；cr-高斯分布的標準差；//-高斯分布的 平均位置；戶-點光源的發(fā)光強度；r-點光源的發(fā)光半徑；/^-微處理器；/(x,"-在時間^時的成像信號；S(jc,fj -在時間~時的點光源成像信號；iV(;c，")-在時間" 時的環(huán)境光干擾噪聲信號；M-—維光感測數(shù)組畫素的數(shù)目^-第m個畫素的位 置；O(義,:r,Z)-世界坐標系；51、&、&-一維光感測數(shù)組；Ip ￡2、 i^-焦距為/的一
維透鏡；々Z2、Z3-V A、A的光軸；o(X，少,，z,)-點光源坐標；>^、:^2、>^-點光源 o(X，x，a)，其在^、 &、 5*3的成像位置；Arr A片、Av光學系統(tǒng)的所述的空間分辨率； △&、 Ay,2、 A^-最小量測誤差；7(jc,)-第i個感應畫素的單位長度量測平均值；Aw-單一感應畫素的寬度；0-—維光學定位系統(tǒng)的水平旋轉角度；①-一維光學定位 系統(tǒng)的垂直旋轉角度；L-實體操作畫面的長度；H-實體操作畫面的寬度；L'-虛 擬操作畫面的長度；H'-虛擬操作畫面的寬度；m、"-為大于l、等于l、或小于l的實數(shù)；#/-單一組一維光學定位器的編號；#_/-單一個一維位置偵測器的編號； #^_單一個點光源的編號；/^-點光源的成像平均位置；《-第#/組一維光學定位
器所得的點光源物理量；？,-第#/組一維光學定位器所得的點光源群物理量；A-第#/組一維光學定位器所得的點光源相對物理量；A-第W組一維光學定位器所 得的點光源其它物理量；SCAN-掃瞄時序；SYNC-周期性的同步掃描信號； ENABLE-同步觸發(fā)信號；(0;,(1>,)-第#/組一維光學定位器的視軸角度；( ，0>,。)-第#/組一維光學定位器的視軸角度驅(qū)動控制信號；(0^(^)-第#/組一維光學定 位器的視軸角度電信號；(U,乏,)-設置在第^'組一維光學定位器內(nèi)的參考坐標 系；(Xi。,^,。-參考坐標系(U,，》)的坐標原點；乏,-第#/組一維光學定位器的 視軸；/,(jc)-第W組一維光學定位器、第^/個一維位置偵測器組所得的成像信號。
具體實施例方式
以下結合附圖，對本發(fā)明上述的和另外的技術特征和優(yōu)點作更詳細的說明。 實施例一
如圖10所示，是本發(fā)明實施例一構成的示意圖。
本發(fā)明實施例 一 的裝置100，主要是針對點光源的唯一性，提供一強度調(diào)變、 也或幾何調(diào)變的方法，可對復數(shù)個點光源，做三次元運動的量測與分析，以達 到虛擬輸入與仿真器的目的。主要是由復數(shù)個具唯一性的點光源110、復數(shù)組具 視軸追蹤的一維光學定位器130、與一控制解析的程序190所構成，所述的復數(shù) 個具唯一性的點光源110,其每個點光源lll，是可以同時且連續(xù)發(fā)光的方式， 各自發(fā)射出具唯一的光學特性、且近似點狀的發(fā)散光源112。所述的復數(shù)組具視 軸追蹤的一維光學定位器130，其每組具視軸追蹤的一維光學定位器131，主要 是接收一同步觸發(fā)信號150、與同時接收所述的所有復數(shù)個點光源的發(fā)散光源 112后，可對所有的點光源111, {故三次元定位的量測、并輸出一組物理量150; 另外，所述的每組具視軸追蹤的一維光學定位器131,也具有視軸追蹤與定位的 功能，可自動追蹤所述的復數(shù)個點光源的群中心坐標、也可自動追蹤所述的復 數(shù)個點光源中任一點光源的坐標(如后述)，并輸出自身的視軸角度150,以達視 軸追蹤的目的；也可接收一視軸角度，以達視軸定位的目的。所述的控制解析 的程序190，為一軟件的程序，是連接與控制所有的具視軸追蹤的一維光學定位 器131，主要是輸出一同步觸發(fā)信號150,可同步啟動所有具視軸追蹤的一維光 學定位器130,以同步執(zhí)行三次元定位的量測；也可輸出一組視軸角度150，達到對所述的所有具視軸追蹤的一維光學定位器，視軸角度定位的目的；并可在 接收所述的所有的物理量、與視軸角度150后，可仿真一實體輸入裝置的輸入， 達到虛擬輸入的目的；也可仿真一實體器物的運動，達到仿真器的仿真目的。 如圖ll(a)所示，是復數(shù)個具唯一性點光源構成的示意圖。 所述的復數(shù)個具唯一性的點光源110，其中每一個點光源lll,是可具有相 同的發(fā)光半徑、但不同的發(fā)光強度，即每個點光源具有光強度的唯一性，且所 有點光源為同時且連續(xù)發(fā)光。為方便后文的說明，令每個點光源具有唯一的編 號弁A:。
如圖ll(b)所示，是復數(shù)個具唯一性點光源另一構成的示意圖。 所述的復數(shù)個具唯一性的點光源110,其中每一個點光源111,是可具有不
同的發(fā)光半徑、但相同的發(fā)光強度，即每個點光源具有幾何大小的唯一性，且.
所有點光源為同時且連續(xù)發(fā)光。為方便后文的說明，令每個點光源具有唯一的
編號#七。
如圖ll(c)所示，是單一個點光源構成的示意圖。
所述的點光源lll是由一光散射體113、一發(fā)光源116、一電子控制回路117、 一電池118、 一點光源裝置機構119、與一點光源裝置固定機構120所構成，所 述的光散射體113,是一可將入射光，在角度上做均勻光發(fā)散的物體；所述的發(fā) 光源116，為單一個或復數(shù)個可發(fā)射可見光、也或非可見光的LED與半導體激 光所構成；所述的電子控制回路117,是包含有一電源開關與定電流源的回路， 除具電源開關功能的外，也提供一定電流源，可讓所述的發(fā)光源116發(fā)射特定、 且穩(wěn)定光亮度的光源；另外，所述的點光源裝置機構119,是一機械的機構，可 裝置固定所述的光散射體113、所述的發(fā)光源116、所述的電子控制回路117、 所述的電池118;
另夕卜，所述的點光源裝置固定機構120，則可將所述的點光源裝置機構119， 固定在如圖11(e) 圖ll(n)所示的器物的上。這些器物，是可為手部的手指、頭 部的額頭、或足部的腳背的上(如圖ll(e)所示)；也可為，如網(wǎng)球、羽毛球、桌 球、回力球等用的球拍狀物(如圖ll(f)所示)；也可為，如棒球、壘球等用的棒 狀物(如圖ll(g)所示)；也可為，如高爾夫球、曲棍球、撞球、刀、劍、標槍等 用的桿狀物(如圖ll(h)所示)；也可為，如棒球、壘球、拳擊等用的手套狀物(如 圖ll(i)所示)；也可為，如棒球、壘球、籃球、足球、排球、保齡球等用的球狀 物(如圖ll(j)所示)；也可為，如玩具槍等游戲用玩具(如圖ll(k)所示)；也可為，如搖控車、搖空飛機、搖控直升機等搖控玩具(如圖ll(l)所示)；也可為計 算機的游戲桿(如圖ll(m)所示)、家庭游戲機的操控器(如圖ll(n)所示)。 如圖ll(d)所示，是所述的光散射體構成的示意圖。
所述的光散射體113，是可由一透明的導光體123、與一散射體124所構成， 所述的透明的導光體123,是可為任意的形狀，最佳者是可為一球狀物；其構成 的材料，是可為任意的透明的材料，最佳者是可為玻璃、或塑料等的透明材料。 所迷的散射體124，是裝置在所述的透明導光體123之內(nèi)，最佳者是可為一隨機 分布的光反射粉狀物、也可為一隨機分布的透明粉狀物、也可為一隨機分布的 細微空氣泡、也可為一較小的透明球狀物。另外，所述的散射體124所具有的 折射率，是低于所述的透明導光體123的折射率。另外，所述的透明的導光體 123的適當處，設置有一適當大小與形狀的光入射口，可以最佳的角度，導入所. 述的發(fā)光源116所發(fā)射出的光源。
如圖12(a)所示，是單一組具視軸追蹤的一維光學定位器構成的示意圖。
所述的單一組具視軸追蹤的一維光學定位器131,是由復數(shù)個一維位置偵測 器132、 一定位計算控制微處理器145、 一信號傳輸界面146、 一組定位標定點 光源160、——維光學定位器固定機構170、與一二軸角度控制裝置180所構成， 為方便后文的說明，令單一組一維光學定位器131具有唯一的編號#/，且令單 一個一維位置偵測器133具有唯一的編號#厶
所述的每一個一維位置偵測器133(#y')，是同時接收所述的所有點光源 111(#"的發(fā)散光112、與接收一同步掃描信號SYNC后，可計算與輸出所有點 光源成像平均位置139(其值以/^示的)。更明確地定義所述的點光源成像平均位 置139(/^),為所有點光源lll(M),對于所述的一組一維光學定位器131(#/) 中的一維位置偵測器133(#力，所產(chǎn)生的成像平均位置/^。
所述的定位計算控制微處理器145，是含有一定位計算控制的程序，可連接 與控制所有的所述的一維位置偵測器133(#乂)、與所述的二軸角度控制裝置180。 所述的定位計算控制的程序，主要是通過所述的信號傳輸界面146,接收所述的 控制解析的程序190所輸出的一同步觸發(fā)信號ENABLE后，輸出一周期性的同 步掃描信號SYNC，并取得所有點光源成像平均位置139(/v)后，計算、與輸出 所有點光源111(#"的物理量《、群物理量A、相對物理量i ,.、及其它物理量《； 另外，所述的定位計算控制微處理器145的定位計算控制的程序，也具有改變 自我視軸角度(G)i,0》的能力，也即可接收一新視軸角度( ,,0,)、也或根據(jù)物理量S、也或根據(jù)群物理量A,以計算并輸出一新視軸角度(0,，(D》后，再計算、 與輸出一角度驅(qū)動控制信號(0,。,CD,J，同時利用接收一角度電信號(0^dU,以 做為角度回授的控制，以達視軸追蹤與精確定位的目的。是以，利用接收由外 部產(chǎn)生的一新視軸角度(Oi，(D》，以改變視軸角度者，即為視軸定位的功能；而 利用群物理量A所產(chǎn)生的一新視軸角度(0^,(D》，以改變視軸角度者，即為視軸 追蹤的功能。
如上所述，各點光源111(#^:)的物理量《，是包括所述的點光源111(#"的 三次元位置坐標(&，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'則包括有群中心坐標(;,;、；)、群平均位 移量(5,、5,、^^)、群平均速度(^;、;、^ )、群平均加速度(乙、^、)，其定義如下
群中心坐標；=IX /iV,^ = |>汰=藝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為所有點光源的數(shù)目。
另外，可根據(jù)各點光源111(^)的物理量《與群物理量P,，也可計算出各點 光源之間、或各點光源對群中心坐標的相對物理量i ,.,如相對的位置、速度、 加速度、角度、角速度、角加速度、點光源相互間所構成的平面法向量。若付 予各點光源一質(zhì)量，還可計算出力、力矩、向心力、離心力、動量、動能等其 它物理量巧。
所述的信號傳輸界面146，為一有線、或無線的傳輸裝置，是連接所述的定 位計算控制微處理器145與所述的控制解析程序190，以做f、 A、 i ,、巧等物 理量、視軸角度(0,.,(D,)與同步觸發(fā)信號ENABLE的傳輸。
所述的一組定位標定點光源160，是由復數(shù)個點光源所構成，是裝置且固定 在所述的一維光學定位器固定機構170上已知的位置，以做為所述的一組一維 光學定位器131(#/)空間位置與視軸角度定位之用。
如圖12(b)所示，對于每一組一維光學定位器131(#/),在其機構內(nèi)的適當處，虛設有所述的定位器的參考坐標系(U,，乏,)，并令所述的坐標系原點的坐
標為(《。,i;。，1^)。其中，^軸即為視軸。因所述的一組定位標定點光源160、是 裝置固定在所述的一維光學定位器固定機構170上的一已知的位置。是以，量 測所述的一組定位標定點光源160的位置坐標，即可計算出所述的原點的位置
坐標(《。,;^。,;^)、與視軸的角度(0p①,)。
如圖12(c)所示，是對于同時使用復數(shù)一維光學定位器131(如#0、#1、#2)時， 在實際操作的前，所述的控制解析程序190,需先選定其中一組一維光學定位器 131(#0)，以定義為主定位器，并令(7。,？。，f。)為其世界坐標系，其原點則為 (0,0,0);而其它一維光學定位器131(#1、#2),則定義為從定位器。隨后，通過所 述的主定位器131(#0)對其他從定位器131(#1、#2)的定位標定點光源160做定位 量測，即可計算出其從他定位器131(弁l、弁2)坐標系原點的坐標(A。,i;。，Z,。)、. (Z2。,y2Q,Z2。)與視軸的角度(0p(D》、(02，O2)。
如圖12(a)所示，所述的二軸角度控制裝置180,主要是由兩個觸發(fā)器 181(Actuator)、兩個角度量測器182(Angular Sensor)、與一二軸旋轉機構(未示在 圖中)所構成，所述的二軸角度控制裝置180，是在接收所述的角度驅(qū)動控制信 號(0i。，O,。)后，根據(jù)所述的角度驅(qū)動控制信號(0,.。,0),。)的量，驅(qū)動所述的兩個觸 發(fā)器181,以帶動旋轉所述的二軸旋轉機構、與所述的兩個角度量測器182 ; 所述的兩個角度量測器182，則可根據(jù)實際旋轉角度的量，回授輸出兩個角度電 信號(0 ,0&),以供二軸角度定位控制之用；而所述的二軸旋轉機構則可轉動所 述的一維光學定位器131(#/)固定機構170,以改變所述的一維光學定位器視軸 的角度(A，丸)。
如圖12(a)所示，所述的一維光學定位器固定機構170,為一機械的機構， 用以裝置固定所述的復數(shù)個一維位置偵測器132、所述的定位計算控制微處理器 145、所述的信號傳輸界面146、與所述的一組定位標定點光源160，并可連接 至所述的二軸角度控制裝置180中的二軸旋轉機構，以達二軸旋轉的目的。
如圖12(d)所示，是所述的一維位置偵測器133(#_/)構成的示意圖。
所述的一維位置偵測器133(#力，主要是由一維光學組件組134、——維光 傳感器135、 一信號微處理器136、與一一維位置偵測器裝置機構137所構成，
所述的一維光學組件組134,是由一濾波片、 一線條狀光圏、與一維光學透 鏡等所構成(未示在圖上)，可將所述的點狀的光源112，做線條狀的成像。
所述的一維光傳感器135，是由——維光感測數(shù)組、 一掃描讀取電子線路與一模擬數(shù)字轉換器(ADC)所構成(未示在圖上)。是由掃描讀取電子線路，根據(jù)所 接收的掃瞄時序SCAN,依次且連續(xù)讀取、并輸出所述的一維光感測數(shù)組上，每 個感應畫素(Pixel)的光感應模擬電壓，再經(jīng)所述的模擬數(shù)字轉換器(ADC)作用 后，輸出一數(shù)字電壓。如前述，所述的數(shù)字電壓即為成像疊加信號/J;c)。其中， 下標的i與j,如前的定義。所述的信號微處理器136，是連接與控制所述的一維光傳感器135，在接收 到所述的同步掃描信號SYNC后，執(zhí)行一信號處理的程序，以產(chǎn)生一掃瞄信號 SCAN、并讀取所述的成像疊加信號々(;c)、以及計算與輸出所有點光源的成像平 均位置//#。所述的信號處理程序，主要是由一數(shù)據(jù)同步讀取的程序、 一動態(tài)背 景光信號去除的程序、與一點光源成像信號辨識對應的程序所構成，所述的數(shù)據(jù)同步讀取的程序，是根據(jù)所接收的所述的同步掃描信號SYNC 的時序，在適當?shù)臅r間后，輸出一掃瞄信號SCAN,以取得并記錄所述的成像疊 加信號々("，所述的成像疊加信號是包含有所有點光源的有效成像信號與動態(tài)背景光信號；所述的動態(tài)背景光信號去除的程序，主要是由一時間性環(huán)境光干擾信號去 除程序、與一空間性環(huán)境光干擾信號去除程序所構成，是可對所述的成像疊加 信號(jc)做動態(tài)背景光去除的處理后，輸出 一 包含所有點光源的有效成像信號；所述的點光源成像信號辨識對應的程序，主要是對所述的所有點光源的有 效成像信號，是通過一閥值比較程序、也或一波形偵測的程序，以辨識解析出 各別點光源的有效成像信號及其對應的關系。所述的波形偵測程序，是可根據(jù) 所述的點光源有效成像信號的分布標準差、中心強度、與波形變化斜率的特征， 以達辨識解析與對應的目的。另外，在使用幾何調(diào)變的點光源時，是通過幾何 調(diào)變的消去法，以辨識解析出各別點光源的有效成像信號及其對應的關系。所述的點光源成像平均位置計算的程序，是對所述的各別已被辨識解析的 點光源有效成像信號，做最大信號畫素位置的解析、也可做Guassian Fitting的解析、也可以統(tǒng)計的解析，以計算與輸出所有點光源的成像平均位置/v。另外，所述的一維位置偵測器裝置機構137，為一機械的機構，用以裝置固 定所述的一組一維光學組件134、所述的一維光傳感器135、與所述的信號微處 理器136,并可裝置固定在所述的一維光學定位器固定機構170之內(nèi)。另外，如圖12(e) 如圖12(i)所示，為所述的一維光學定位器固定機構170、所述的一維位置偵測器裝置機構137、與所述的定位標定點光源160間，相互連接裝置的幾何結構關系的示意圖。如圖12(e)所示，所述的一維光學定位器固定機構170,是可為一三角狀的 幾何結構，最佳者可為一等邊三角形的結構?？稍谄漤斀翘帯⒒蛉呏醒胩帲?各裝置有所述的一維位置偵測器裝置機構137;也即所述的三個一維位置偵測器 133的相對裝置位置，為一三角形幾何的關系。另外，所述的一維位置偵測器 133(#_/)是可以其光軸為轉軸，做任意角度旋轉的設定。也即，所述的三個一維 位置偵測器133內(nèi)的一維光感測數(shù)組，其長軸相互間的方向，是可任意角度設 定的。另外，由復數(shù)個點光源所構成的所述的定位標定點光源160，是可裝置在所 述的三角狀的一維光學定位器固定機構170上的任意位置，其最佳的構成的個 數(shù)，是可由三個點光源所構成，其最佳的裝置位置，是可在三角狀的頂角處、. 或三邊之中央處。另外，所述的三角狀的一維光學定位器固定機構170，其頂角處可裝置有一 連接的結構171,所述的連接的結構171是具有連接或拆卸(即不連接)兩個三角 邊的結構，并可任意調(diào)整所述的兩個三角邊連接相互間的角度。例如可讓三角 狀的幾何結構，變換成一線性的結構。如圖12(f)所示，是上述例的改進，即在所述的三角狀的一維光學定位器固 定機構170，任一三邊之中央處，再增加一連接的機構，以多加裝所述的一維位 置偵測器裝置機構137,即增加一個一維位置偵測器，并可令所述的一維位置偵 測器是裝置在三角狀的中心點。如圖12(g)所示，是上述例的另一改進，即將三角狀的幾何結構改變成四角 狀的幾何結構，最佳者可為一等邊四角形的結構，其所裝置一維位置偵測器的 數(shù)目，是可增加至四個。如圖12(h)所示，是上述例的另一改進，即將三角狀的幾何結構改變成五角 狀的幾何結構，最佳者可為一等邊五角形的結構，其所裝置一維位置偵測器的 數(shù)目，是可增加至五個。如圖12(i)所示，是上述例另一的改進，即將三角狀的幾何結構改變成六角 狀的幾何結構，最佳者可為一等邊六角形的結構，其所裝置一維位置偵測器的 數(shù)目，是可增加至六個。當然，這樣的結構，可擴充至還多邊的幾何結構。另外，如圖12(j)所示，所述的一維光學定位器固定機構170，也可為其它 現(xiàn)有裝置的機殼，如筆記型計算機、PDA、游戲機的主機、移動電話、液晶顯示器、電漿顯示器、電視、投影機、光學相機、光學攝影機、光學望遠鏡、汽 車、機車等的機殼(只圖標筆記型計算機、液晶顯示器)。也即，本發(fā)明中所述，所述的復數(shù)個一維位置偵測器132、 一定位計算控制微處理器145、 一信號傳輸 界面146、一組定位標定點光源160等，是可獨立裝置在上述現(xiàn)有裝置的機殼上， 以達三次元定位量測、虛擬輸入、或仿真器的功效。 如圖13(a)所示，是控制解析程序構成的示意圖。所述的控制解析程序190，是一軟件的程序，主要是由一坐標系準直同步校 正的程序191、 一裝置仿真輸入的程序192、與一仿真器仿真的程序193所構成， 所述的控制解析的程序190,是可整合裝置在個人計算機、筆記型計算機、PDA、 移動電話、游戲機的主機、影視訊播放與轉換器材(如DVD、 Setup Box、)等其 它裝置之內(nèi)194,利用所述的其它裝置內(nèi)194的微處理器等電子的系統(tǒng)，可執(zhí)行 所述的三程序。如圖13(b)所示，是所述的坐標系準直校正程序的示意圖。所述的坐標系準直校正的程序191,主要是由一視軸重致歸零的程序、 一坐 標系設定與轉換的程序、與一同步時間校正的成序所構成，是可確定所述的所 有具視軸追蹤的一維光學定位器，相互間坐標轉換的關系、與補償坐標轉換所 造成量測誤差，并修正同步的時間誤差。所述的視軸重致歸零的程序，是通過所述的具視軸追蹤的一維光學定位器 131的所述的視軸控制程序，令所有具視軸追蹤的一維光學定位器131的視軸， 都對準同一個定位點光源111后，將其視軸重致歸零，即( ,. =0,O,=0);所述的 坐標系設定與轉換的程序，是在所述的所有具視軸追蹤的一維光學定位器中， 設定一主定位器131(#0)、與從定位器131(#/),通過所述的主定位器，對所述 的定位點光源、與從定位器的定位標定點光源，做定位的量測，與通過所述的 從定位器對所述的定位點光源，做定位的量測，可計算取得所述的主定位器與 各從定位器，相互間的坐標轉換關系，與做定位誤差的補償；另外，所述的同 步時間校正的成序，是以適當?shù)臅r間周期，輸出所述的同步觸發(fā)信號ENABLE, 可校正所述的所有定位器，以同步執(zhí)行所述的定位計算控制程序。另外，如圖13(a)所示，所述的裝置仿真輸入程序192，主要是由一虛擬操 作畫面對應的程序、 一虛擬裝置幾何結構的定義與操作手指對應的程序、與操 作手勢的定義與認知的程序所構成，是對一實體輸入的裝置，通過仿真、與認 知所述的實體輸入裝置所需的手部操作動作，可達虛擬輸入的目的。所述的虛擬操作畫面對應的程序，是對于一具有實際尺寸的實體操作畫面， 在空間中的任意處，定義一虛擬操作畫面。所述的虛擬操作畫面，是對實體操 作畫面做一空間的對應，其幾何對應的關系，是可為一對一的對應關系、并具 有放大、等于、或縮小的對應關系。另外，所述的虛擬操作畫面，是可通過虛擬實境的技術，以產(chǎn)生一虛擬的立體影像；所述的虛擬裝置幾何結構的定義與操作手指對應的程序，是對于所欲仿真 的實體輸入裝置，定義一虛擬裝置的幾何結構、與功能鍵的物理位置、大小與 功能鍵的物理動作，并將手指與功能鍵之間，做一操作對應的連接。另外，所 述的虛擬裝置幾何結構、與所述的操作手指，是可通過虛擬實境的技術，以產(chǎn) 生一虛擬的立體影像；所述的操作手勢的定義與認知的程序，是根據(jù)所述的虛擬裝置功能鍵的物 理動作，定義一手指操作動作的物理運動量。所述的物理運動量，是由一連串 具有時間性的物理量所構成的物理量集合。所述的物理量集合，是由所述的所 有點光源的物理量、群物理量、相對物理量、及其它的物理量所構成，是以， 根據(jù)這些事先定義好的物理運動量，對戴在手指部的點光源做檢測與比對分析， 即可認知所述的手指的手勢，以達裝置仿真輸入的目的。另外，如圖13(a)所示，所述的仿真器仿真的程序193，是對裝置在其它實 體器物上的復數(shù)點光源，做實時的定位量測，即可計算出所述的實體器物的運 動軌跡、與運動物理量。另外，配合一虛擬影像、物理法則，即可讓實體器物(如 球啪)、與所述的虛擬影像(如球)，做還近乎生動、且自然的互動(如拍擊球)，達 到各式運動、射擊、駕駛、飛行等模擬的目的。另外，是對裝置在其它實體器 物上的復數(shù)點光源，做實時的定位量測，即可計算出所述的實體器物(如球拍) 的運動軌跡、與運動物理量。并通過虛擬實境的技術，可在一虛空間中，定義 一虛擬的器物，以直接對應所述的實體器物的運動狀態(tài)，并根據(jù)物理碰撞法則， 可讓所述的虛擬器物、與所述的虛空間內(nèi)的其它虛擬器物(如球)，做還近乎生動、 且自然的互動(如拍擊球)，達到各式運動、射擊、駕駛、飛行等模擬的目的。實施例二如圖14所示，本發(fā)明實施例二構成的示意圖。本發(fā)明實施例二的裝置200，主要是針對點光源的唯一性，提供一波長調(diào)變 的方法，與實施例一是具有相同的架構。以下，只針對不同的處提出說明。本實施例二 200,主要是由復數(shù)個具唯一性的點光源210、復數(shù)組具視軸追蹤的一維光學定位器230、與一控制解析的程序290所構成，為清楚圖示，以R、 G、 B為例，標示所述的點光源211波長的唯一性。 其與實施例一的不同處，主要是在于(1) 所述的復數(shù)個點光源211，是由各自具有不同的發(fā)光波長、且可同時連 續(xù)發(fā)光的點光源所構成(如圖5(d)所示、并參考前文相關的說明)。以及，(2) 所述的具視軸追蹤的一維光學定位器231,其中一維位置偵測器所構成 的一維光傳感器(未示在圖上)，是可由一個、或復數(shù)個線性彩色光傳感器、或一 個二維彩色光傳感器所取代。所述的一個、或復數(shù)線性彩色光傳感器、與二維 彩色光傳感器的感應畫素上，則裝置有不同的濾波色片，可對應所述的具有不 同波長的點光源，做光濾除與通過的處理，也即所述的濾波色片只讓其所對應 的點光源的光通過，而濾除非對.應點光源的光(如圖5(e)、 5(f)、 5(g)所示、并參 考前文相關的說明)。另外，根據(jù)點光源唯一性的特征，令復數(shù)個點光源唯一性的構成，是可由 具光強度唯一性、幾何大小唯一性、與波長的唯一性的點光源所組合構成，換 言之，即為實施例一、與實施例二的整合應用。例如，三組點光源，其每一組 點光源，是各具有復數(shù)個點光源，其唯一性的構成，是可以組為單位，令其各 自具有波長的唯一性(如R、 G、 B的波長)，而對于單一組內(nèi)的復數(shù)個點光源， 其唯一性的構成，則可以點光源為單位，令其各自具有光強度的唯一性、或幾 何大小的唯一性。其基本原理與功效，前文都已公開，是以不再贅述。實施例三如圖15(a)所示，是本發(fā)明實施例三構成的示意圖。本實施例三，主要是針對點光源的唯一性，提供一時間調(diào)變改良的方法， 即如前文所述的主從式無線同步法，與實施例一是具有相同的架構。以下，只 針對不同的處提出說明。本實施例三300,主要是由一具復數(shù)個點光源的模塊裝置311、 一復數(shù)組具 視軸追蹤的一維光學定位器330、與一控制解析程序390所構成，為清楚圖示， 以白色圓圏，標示所述的點光源312發(fā)光時間的唯一性。其與實施例一的不同處，主要是在于(1)所述的具復數(shù)個點光源模塊裝置311，其所裝置的點光源312,是根據(jù)接 收一具編碼的RF同步信號320后，可各自在不同的時間點，交替發(fā)射出具時間 唯一性、且近似點狀的發(fā)散光源313。以及；(2)所述的復數(shù)組具視軸追蹤的一維光學定位器330，其每組具視軸追蹤的 一維光學定位器331，主要是可發(fā)射或接收所述的一具編碼的RF同步信號320， 與可同步接收所述的點光源的發(fā)散光源313后，可解析計算、與輸出所有點光 源312的運動物理量350。
如圖15(b)所示，是單一組具復數(shù)個點光源模塊的示意圖。所述的點光源模 塊311內(nèi)，是裝置有一RF接收器314、切換器315、與復數(shù)個點光源312。所 述的RF接收器314,是由一RF接收端子、 一解調(diào)變器、與一譯碼器所構成(未 示在圖上)，用以接收所述的具編碼的RF同步信號320,并解析出所述的具編碼 的RF同步信號320內(nèi)所含的編碼信號24、與同步信號25的時序(參考圖4(d))。 所述的切換器315,則根據(jù)所述的編碼信號24、同步信號25的時序，以連續(xù)、 交替且個別點亮所述的復數(shù)個點光源312,達到時間調(diào)變的功效。
如圖15(c)所示，是單一組具視軸追蹤的一維光學定位器構成的示意圖。不 同在實施例一的構成，所述的一組具視軸追蹤的一維光學定位器331中，是多 裝置有一RF收發(fā)器332,用以發(fā)射、或接收所述的具編碼的RF同步信號320。 所述的具編碼的RF同步信號320,是可由所述的定位計算控制微處理器345所 產(chǎn)生。所述的編碼信號的構成，是可為一組數(shù)字碼(binary code)、也或是具特定 時間長度的方波、也或是具特定數(shù)目的脈沖。若所述的一維光學定位器331,是 用做為主定位器，所述的RF收發(fā)器332則發(fā)射所述的具編碼的RF同步信號320; 若所述的一維光學定位器331，是用做為從定位器，所述的RF收發(fā)器332則接 收所述的具編碼的RF同步信號320后，并可產(chǎn)生一同步掃描信號SYNC,以同 步驅(qū)動所有所述的一維位置偵測器333,以掃描取出所述的唯一被點亮點光源的 成像信號。
實施例四
如圖16所示，是本發(fā)明實施例四構成的示意圖。
本實施例四，是實施例一、二、三組合改良的方法，也即光強度、或幾何 大小唯一性、或波長唯一性與時間唯一性的組合應用，是與實施例一具有相同 的架構。以下，只針對不同的處提出說明。為清楚圖示，以白色圓圏，標示所 述的點光源模塊裝置411發(fā)光時間的唯一性。
本實施例四400,主要是由復數(shù)組具復數(shù)個點光源模塊裝置410、 一復數(shù)組 具視軸追蹤的一維光學定位器430、與一控制解析程序490所構成，
其與上述實施例的不同處，主要是在于(1) 所述的復數(shù)組具復數(shù)個點光源模塊裝置410中的每一組具復數(shù)個點光源 的模塊裝置411,是由一RF接收器414、切換器(未示在圖上)、與復數(shù)個點光 源412所構成，所述的所有的點光源412,是可由具光強度唯一性、或幾何大小 唯一性、或波長唯一性的點光源所構成，是根據(jù)所述的RF接收器414所接收的 一具編碼的RF同步信號420后，可令所述的復數(shù)個點光源412,同時發(fā)射出具 唯一性、且近似點狀的發(fā)散光源413。另外，所述的具編碼的RF同步信號420, 是由一編碼信號、與一同步信號所構成(未示在圖上)，所述的編碼信號是定義每 一組具復數(shù)個點光源模塊裝置411的編號，而所述的同步信號則定義所述的復 數(shù)個點光源412的發(fā)光時間，也即每個點光源模塊裝置411,具有時間的唯一性。 是以，通過所述的RF接收器414,可解析出所述的編碼信號、與所述的同步信 號，達到以不同的時間，交替控制所述的每一組具復數(shù)個點光源模塊裝置4.11 的發(fā)光的時間。以及，
(2) 所述的復數(shù)組具視軸追蹤的一維光學定位器430，其每組具視軸追蹤的 一維光學定位器431,主要是可發(fā)射或接收所述的一具編碼的RF同步信號420, 與可同步接收所述的點光源的發(fā)散光源413后，可解析計算、與輸出所有點光 源412的運動物理量450。
實施例五
如圖17所示，是本發(fā)明實施例五構成的示意圖。
本實施例五，是實施例二、三組合改良的方法，也即波長唯一性與時間唯 一性的組合應用，是與實施例四具有相同的架構。以下，只針對不同的處提出 說明。
本實施例五500,主要是由復數(shù)組具復數(shù)個點光源模塊裝置510、 一復數(shù)組 具視軸追蹤的一維光學定位器530、與一控制解析程序590所構成，為清楚圖示， 以白色圓圈，標示所述的點光源512發(fā)光時間的唯一性。以R、 B為例，標示所述 的點光源模塊裝置511波長的唯一性。
其與實施例四的不同處，主要是在于
(l)所述的每一組具復數(shù)個點光源模塊裝置511，是由一RF接收器514、切 換器(未示在圖上)、與復數(shù)個點光源512所構成，所述的所有的點光源512，是 以模塊為單位，由具相同且唯一波長的點光源所構成，也即每個點光源模塊裝 置511，具有波長的唯一性。所述的所有點光源模塊裝置511,是根據(jù)所述的 RF接收器514所接收的一具編碼的RF同步信號520后，可同步點亮模塊內(nèi)的單一點光源，并令模塊內(nèi)的所有點光源，是可各自在不同的時間點，交替發(fā)射
出具時間唯一性、且近似點狀的發(fā)散光源513。也即，對于單一個點光源模塊裝 置511內(nèi)的點光源512,其發(fā)光方式，是具有時間的唯一性，而對于所有點光源 模塊裝置511,則以同步方式發(fā)光。另外，所述的具編碼的RF同步信號520, 是由一編碼信號、與一同步信號所構成(未示在圖上)，所述的編碼信號是定義所 述的具復數(shù)個點光源模塊裝置511之中，每一個點光源的編號，而所述的同步 信號則定義所述的復數(shù)個點光源512的發(fā)光時間。是以，通過所述的RF接收器 514,可解析出所述的編碼信號、與所述的同步信號，達到以不同的時間，交替 控制所述的復數(shù)個點光源512的發(fā)光的時間。以及，
(2)所述的復數(shù)組具視軸追蹤的一維光學定位器530，其每組具視軸追蹤的 一維光學定位器531，主要是可發(fā)射或接收所述的一具編碼的RF同步信號520, 與可同步接收所述的點光源的發(fā)散光源513后，可解析計算、與輸出所有點光 源512的運動物理量550。
實施例六
如圖18所示，是本發(fā)明實施例六構成的示意圖。
本實施例六，主要是針對點光源的唯一性，提供另一時間調(diào)變改良的方法， 即如前文所述的Stephenson的改善法，是與實施例一具有相同的架構。以下， 只針對不同的處提出說明。
本實施例六600，主要是由一具復數(shù)個點光源模塊611、 一復數(shù)組具視軸追 蹤的一維光學定位器630、與一控制解析的程序690所構成，
其與實施例一的主要不同處，是在于
(1) 所述的具復數(shù)個點光源模塊611內(nèi)，是增加設置一切換器614，可以固 定的周期，連續(xù)且交替點亮所述的點光源612,以發(fā)射近似點光源的發(fā)散光613;
(2) 所述的具視軸追蹤的一維光學定位器631中，是增加設置一光接收的裝 置632,以接收所述的點光源612所發(fā)射的發(fā)散光源613后，并輸出所述的點光 源611的發(fā)光時序(如圖4(c)所示、并參考前文相關的說明)。所述的具視軸追蹤 的一維光學定位器631中，所裝置的定位計算控制微處理器(未示在圖上)，是在 適當?shù)臅r間(如使用前、或每隔一固定的時間)，通過所述的點光源611的發(fā)光時 序，量測所述的點光源611連續(xù)交替點亮的周期，并以相同的周期、同步產(chǎn)生 同步信號SYNC,以驅(qū)動所述的一維位置偵測器(未示在圖上)，同步掃描讀取 所述的成像疊加信號。以上，詳述本發(fā)明的基本技術、系統(tǒng)架構、與應用，總結如下
1. 點光源唯一性處理的技術，是包含有
(1) 強度調(diào)變處理的技術；
(2) 幾何調(diào)變處理的技術；
(3) 波長調(diào)變處理的技術；
(4) 主從式無線同步的技術；
(5) Stephenson改良的4支術。
2. 動態(tài)背景光去除的技術，是包含有
(1) 實時時間性環(huán)境光干擾信號去除的技術；
(2) 近似實時時間性環(huán)境光干擾信號去除的技術；
(3) 空間性環(huán)境光干擾信號去除的技術(傅利葉信號處理法)。
3. 數(shù)據(jù)的處理，是包含有
(1) 波形偵測的技術；
(2) 空間分辨率的計算；
(3) 平均位置的計算。
4. 系統(tǒng)架構的擴張，是包含有
(1) 死角補償?shù)募軜嫞?br> (2) 視角擴大的架構； C3)視軸追蹤的技術；
(4) 坐標系準直校正的程序
5. 系統(tǒng)應用的擴張，是包含有
(1) 虛擬輸入裝置的應用；
(2) 仿真器等的應用。
綜》見以上本發(fā)明所提的基本技術、系統(tǒng)架構、與應用，以及對各實施例的 說明，雖然是集中在一維光學系統(tǒng)，但本發(fā)明所提的各基本技術、系統(tǒng)架構、 與應用，也可適用在二維光學系統(tǒng)，即使用二維光學透鏡與二維光感測數(shù)組。 其根本的不同處，只在于點光源坐標的計算、動態(tài)背景光去除與數(shù)據(jù)的處理的 不同、以及位置偵測器使用數(shù)目的不同。對于二維光學系統(tǒng)的點光源坐標的計 算，詳見在中國省臺灣專利申請案號096108692，本文即不再贅述。另外，對 于動態(tài)背景光去除與數(shù)據(jù)的處理，是將一維的計算，可以同樣的數(shù)理邏輯，延 伸至二維的計算，是以無需再贅述。另外，對于位置偵測器使用的數(shù)目，在一維光學系統(tǒng)，其所使用一維位置偵測器的數(shù)目，是至少為三個；在二維光學系 統(tǒng)，其所使用二維位置偵測器的數(shù)目，則至少為兩個。
綜上所述，本發(fā)明的方法特征與各實施例都已詳細公開，而可充分顯示出 本發(fā)明案在目的與功效上均深富實施的進步性，極具產(chǎn)業(yè)的利用價值，且為目 前市面上前所未見的運用，依專利法的精神所述，本發(fā)明案完全符合發(fā)明專利 的要件。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，對本發(fā)明而言僅僅是說明性的，而非 限制性的。本專業(yè)技術人員理解，在本發(fā)明權利要求所限定的精神和范圍內(nèi)可 對其進行許多改變，修改，甚至等效，但都將落入本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
權利要求
1.一種三次元虛擬輸入與仿真的裝置，其特征在于其包括復數(shù)個點光源，其中所述的每一個點光源，以同時且連續(xù)的方式各自發(fā)射出一具近似點狀的發(fā)散光；復數(shù)組具視軸追蹤的一維光學定位器，其中所述的每一組具視軸追蹤的一維光學定位器，是接收一同步觸發(fā)信號、與同時接收所述的所有復數(shù)個點光源的發(fā)散光源后，對所有的點光源做三次元定位的量測、并輸出一組物理量，所述的每一組具視軸追蹤的一維光學定位器，也具有視軸追蹤與定位的能力，能夠自動追蹤所述的復數(shù)個點光源的群中心坐標、也可自動追蹤所述的復數(shù)個點光源中任一點光源的坐標，并輸出自身的視軸角度，以達視軸追蹤的目的；也接收一視軸角度，以達視軸定位的目的；以及一控制解析的程序，為一軟件的程序，是連接與控制所有具視軸追蹤的一維光學定位器，輸出一同步觸發(fā)信號，同步啟動所有具視軸追蹤的一維光學定位器，以同步執(zhí)行三次元定位的量測；也輸出一組視軸角度，達到對所述的所有具視軸追蹤的一維光學定位器，視軸角度定位的目的；并在接收所述的所有的物理量、與一組視軸角度后，能夠仿真一實體輸入裝置的輸入，達到虛擬輸入的目的；也仿真一實體器物的運動，達到仿真器的仿真目的。
2. 根據(jù)權利要求1所述的三次元虛擬輸入與仿真的裝置，其特征在于所述的復數(shù)個點光源，指每一個點光源具有光強度的唯一性，其最佳是每一個點光源具有相同的發(fā)光半徑、但不同的發(fā)光強度。
3. 根據(jù)權利要求1所述的三次元虛擬輸入與仿真的裝置，其特征在于所述的復數(shù)個點光源，指每一個點光源具有幾何大小的唯一性，其最佳是每一個點光源具有不同的發(fā)光半徑、但相同的發(fā)光強度。
4. 根據(jù)權利要求1所述的三次元虛擬輸入與仿真的裝置，其特征在于所述的復數(shù)個點光源，指每一個點光源具有波長的唯一性，其最佳是每一個點光源具有不同的發(fā)光波長、且所述的發(fā)光波長為互不重迭。
5. 根據(jù)權利要求4所述的三次元虛擬輸入與仿真的裝置，其特征在于所述的復數(shù)個點光源的數(shù)目為三個，且各別發(fā)射出紅、綠、藍波長的光源。
6. 根據(jù)權利要求1所述的三次元虛擬輸入與仿真的裝置，其特征在于所述的復數(shù)個點光源由具光強度唯一性、幾何大小唯一性、與波長的唯一性的點光源所組合構成。
7. 根據(jù)權利要求1所述的三次元虛擬輸入與仿真的裝置，其特征在于所述的復數(shù)個點光源是由復數(shù)單一個點光源所構成，且所述的單一個點光源是由下列組件所構成一光散射體，是一將入射光，在角度上做均勻光發(fā)散的物體；一發(fā)光源，為發(fā)射可見光、或非可見光的LED與半導體激光所構成，其構成的數(shù)目是為單一個或復數(shù)個；一電子控制回路，是包含有一電源開關與定電流源的回路，除具電源開關功能之外，也提供一定電流源的回路，讓所述的發(fā)光源發(fā)射特定、且穩(wěn)定光亮度的光源；一電池，是對所述的發(fā)光源與電子控制回路提供電源；一點光源裝置機構，是一機械機構，裝置固定所述的光散射體、所述的發(fā)光源、所述的電子控制回路、與所述的電池；以及一點光源裝置固定機構，是一機械機構，將所述的點光源裝置機構，裝置固定在其它器物之上。
8. 根據(jù)權利要求7所述的三次元虛擬輸入與仿真的裝置，其特征在于所述的光散射體，是由一透明導光體、與一散射體所構成，所述的透明導光體，是為任意的形狀，最佳為一球狀物；其構成的材料，是為任意的透明的材料，最佳為玻璃、或塑料透明材料。所述的散射體，是裝置在所述的透明導光體之內(nèi)，最佳為一隨機分布的光反射粉狀物、也為一隨機分布的透明粉狀物、也為一隨機分布的細微空氣泡、也為一較小的透明球狀物，另外，所述的散射體所具有的折射率，是低于所述的透明導光體的折射率，另外，所述的透明的導光體的適當處，設置有適當大小與形狀的光入射口 ，以最佳的角度，導入所述的發(fā)光源所發(fā)射出的光源。
9. 根據(jù)權利要求7所述的三次元虛擬輸入與仿真的裝置，其特征在于所述的發(fā)光源還能夠再裝置一光學式帶寬濾波片，以產(chǎn)生特殊波長的光源。
10. 根據(jù)權利要求7所述的三次元虛擬輸入與仿真的裝置，其特征在于所述的點光源裝置固定機構，其所裝置固定的其它器物，是為手部的手指、頭部的額頭、足部腳背、球拍狀物、棒狀物、桿狀物、手套狀物、球狀物、游戲用玩具、搖控玩具、計算機的游戲桿與家庭游戲機的操控器。
11. 根據(jù)權利要求1所述的三次元虛擬輸入與仿真的裝置，其特征在于所述的復數(shù)組具視軸追蹤的一維光學定位器的其中一組，由下列組件所構成一復數(shù)個一維位置偵測器，其中每一個一維位置偵測器，根據(jù)接收一同步掃描信號與同時接收所述的所有點光源的發(fā)散光，計算與輸出所有點光源的成像平均位置；一定位計算控制微處理器，是含有一定位計算控制程序，連接與控制所有的一維位置偵測器、與一二軸角度控制裝置，所述的定位計算控制的程序，用以接收所述的同步觸發(fā)信號、所述的成像平均位置、 一視軸角度、與兩個角度電信號，以計算輸出一同步掃描信號、 一組物理量、 一視軸角度、與一視軸角度驅(qū)動控制信號；一信號傳輸界面，為一有線、或無線的傳輸裝置，傳輸所述的一組物理量、所述的視軸角度與所述的同步觸發(fā)信號；一組定位標定點光源，是由復數(shù)個點光源所構成，是裝置且固定在所述的一維光學定位器固定機構上的已知位置，以做為對該組具視軸追蹤一維光學定位器的空間位置與視軸角度定位之用；一一維光學定位器固定機構，為一機械結構，為裝置固定所述的復數(shù)個一維位置偵測器、所述的定位計算控制微處理器、所述的信號傳輸界面、與所述的一組定位標定點光源，并連接至所述的二軸角度控制裝置中的二軸旋轉機構，以達二軸旋轉的目的；以及一二軸角度控制裝置，是由兩個觸發(fā)器、兩個角度量測器、與一二軸旋轉機構所構成，所述的二軸角度控制裝置，是在接收所述的視軸角度驅(qū)動控制信號后，根據(jù)所述的驅(qū)動控制信號的量，驅(qū)動所述的兩個觸發(fā)器，以帶動旋轉所述的二軸旋轉機構、與所述的兩個角度量測器；所述的兩個角度量測器，則根據(jù)實際旋轉角度的量，回授輸出兩個角度電信號，以供二軸角度定位控制之用；而所述的二軸旋轉才幾構則轉動所述的一維光學定位器固定;^L構，以改變所述的一維光學定位器視軸的角度。
12.根據(jù)權利要求11所述的三次元虛擬輸入與仿真的裝置，其特征在于所述的復數(shù)個一維位置偵測器的其中 一個，由下列組件所構成一一維光學組件組，是由一濾波片、 一線條狀光圈、與一維光學透鏡所構成；——維光傳感器，是由一一維光感測數(shù)組、 一掃描讀取電子線路與一模擬數(shù)字轉換器所構成，是由所述的掃描讀取電子線路，根據(jù)接收一掃瞄信號，依次且連續(xù)讀取、并輸出所述的一維光感測數(shù)組上，每個感應畫素的光感應模擬電壓，再經(jīng)所述的模擬數(shù)字轉換器作用后，輸出一數(shù)字電壓，所述的數(shù)字電壓即為成像疊加信號；一信號微處理器，是連接與控制所述的一維光傳感器，在接收到所述的同步掃描信號后，執(zhí)行一信號處理程序，以產(chǎn)生一掃瞄信號、并讀取所述的成像疊加信號、以及計算與輸出所有點光源的成像平均位置；以及一一維位置偵測器裝置機構，為一機械結構，裝置固定所述的一維光學組件組、所述的一維光傳感器、與所述的信號微處理器，并裝置固定在所述的一維光學定位器固定機構之內(nèi)。
13. 根據(jù)權利要求12所述的三次元虛擬輸入與仿真的裝置，其特征在于所述的一維光傳感器，是由一彩色一維光感測數(shù)組、 一掃描讀取電子線路與一模擬數(shù)字轉換器所構成，所述的彩色一維光感測數(shù)組的光感應畫素上，是以單一個光感應畫素為單位，各別裝置有適當?shù)墓鉃V波色片，最佳為紅、綠、藍光濾波色片。
14. 根據(jù)權利要求12所述的三次元虛擬輸入與仿真的裝置，其特征在于所述的一維光傳感器，是由復數(shù)個彩色一維光感測數(shù)組、 一掃描讀取電子線路與一模擬數(shù)字轉換器所構成，所述的每一個彩色一維光感測數(shù)組的光感應畫素上，是以單一個光感測數(shù)組為單位，各別裝置有適當?shù)墓鉃V波色片，最佳為紅、綠、藍光濾波色片。
15. 根據(jù)權利要求12所述的三次元虛擬輸入與仿真的裝置，其特征在于所述的一維光傳感器，是由一彩色二維光感測數(shù)組、 一隨機讀取電子線路與一模擬數(shù)字轉換器所構成，所述的彩色二維光感測數(shù)組，是由復數(shù)個彩色一維光感測數(shù)組所構成，所述的每一個彩色一維光感測數(shù)組的光感應畫素上，是以單一個一維光感測數(shù)組為單位，各別裝置有適當?shù)墓鉃V波色片，最佳為R、 G、 B光濾波色片；另外，也以單一個一維光感測數(shù)組上的畫素為單位，各別裝置有適當?shù)墓鉃V波色片，最佳為R、 G、 B光濾波色片。所述的隨機讀取電子線路，是通過一微處理器、 一行譯碼控制器、與一列解碼控制器，針對任意的畫素，做隨機數(shù)據(jù)讀取的動作。
16. 根據(jù)權利要求12所述的三次元虛擬輸入與仿真的裝置，其特征在于所述的信號處理程序，由以下程序所構成一數(shù)據(jù)同步讀取的程序，是根據(jù)所接收的所述的同步掃描信號的時序，在適當?shù)臅r間后，輸出一掃瞄信號，以取得并記錄所述的成像疊加信號，所述的成像疊加信號是包含有所有點光源的有效成像信號，與動態(tài)背景光信號；一動態(tài)背景光信號去除的程序，是由一時間性環(huán)境光干擾信號去除程序與一空間性環(huán)境光干擾信號去除程序所構成，是對所述的成像疊加信號做動態(tài)背景光去除的處理后，輸出一包含所有點光源的有效成像信號；一點光源成像信號辨識對應的程序，是對所述的所有點光源的有效成像信號，是通過一閥值比較程序、也或一波形偵測的程序，以辨識解析出各別點光源的有效成像信號及其對應的關系，所述的波形偵測程序，是根據(jù)所述的點光源有效成像信號的分布標準差、中心強度、與波形變化斜率的特征，以達辨識解析與對應的目的；另外，在使用幾何調(diào)變的點光源時，通過幾何調(diào)變的消去法，以辨識解析出各別點光源的有效成像信號及其對應的關系；以及一點光源成像平均位置計算的程序，是對所述的各別已被辨識解析的點光源有效成像信號，做最大信號畫素位置的解析、也做Guassian Fitting的解析、也做統(tǒng)計的解析，以計算與輸出所有點光源的成像平均位置。
17. 根據(jù)權利要求16所述的三次元虛擬輸入與仿真的裝置，其特征在于所述的動態(tài)背景光信號去除的程序，是通過硬件的方式，即在所述的一維光傳感器外，再增設另一背景噪聲量測用的一維光傳感器，并以同步于所述的一維光傳感器的信號掃瞄讀取的方式、與做信號適當放大處理的方式，以單獨取得動態(tài)背景光信號后，從所述的成像疊加信號中，減去所述的動態(tài)背景光信號，以達到去除動態(tài)背景光信號的目的，另外，在所述的另一噪聲用一維光傳感器中所裝置的一維光感測數(shù)組上，則加裝一具有適當?shù)墓鈱W濾波器，所述的光學濾波器是濾除所有點光源、但讓環(huán)境光通過。
18. 根據(jù)權利要求16所述的三次元虛擬輸入與仿真的裝置，其特征在于所述的時間性環(huán)境光干擾信號去除程序，是通過軟件的方式，即將連續(xù)兩次掃描所取得的成像疊加信號，做一相減的運算，以達到去除動態(tài)背景光信號的目的。
19. 根據(jù)權利要求16所述的三次元虛擬輸入與仿真的裝置，其特征在于所述的空間性環(huán)境光干擾信號去除程序，是一傅利葉信號處理的程序，是在進行時間性環(huán)境光干擾信號去除程序后，將所得的數(shù)據(jù)做一傅利葉的轉換，在頻率域中，做一帶通濾波的處理，即做濾除無必要的頻率、與放大的運算后，再做逆傅利葉的運算，以達到去除空間性環(huán)境光干擾的目的。
20. 根據(jù)權利要求11所述的三次元虛擬輸入與仿真的裝置，其特征在于所述的定位計算控制程序，由以下程序所構成一同步掃描程序，是根據(jù)所述的同步觸發(fā)信號的時序，以產(chǎn)生與輸出一周 期性的同步掃描信號，同步驅(qū)動所有一維位置偵測器，以執(zhí)行所述的信號處理 的程序；一物理量計算程序，是取得所有一維位置偵測器所輸出的點光源的成像平均位置后，計算、與輸出一組物理量；所述的一組物理量，是包含有所有點光 源的各別的物理量、群物理量、相對物理量、及其它物理量；以及一視軸控制程序，是根據(jù)所述的各別的物理量、也或群物理量、也或一視 軸角度，以計算、并輸出一視軸角度與一視軸角度驅(qū)動控制信號，同時利用接 收所述的兩個角度電信號，做為角度回授的控制，以達視軸角度精確的定位控 制。
21. 根據(jù)權利要求11所述的三次元虛擬輸入與仿真的裝置，其特征在于所 述的一維光學定位器固定機構，是為一三角狀的幾何結構，最佳為一等邊三角 形的結構，在其頂角處、或三邊的中央處，各裝置一所述的一維位置偵測器裝 置機構；也即所述的三個一維位置偵測器的相對裝置位置，為一三角形的幾何 結構，另外，所述的一維位置偵測器裝置機構，是以所述的一維位置偵測器的 光軸為轉軸，做任意角度旋轉的設定，也即，所述的三個一維位置偵測器內(nèi)的 一維光感測數(shù)組，其長軸相互間的方向，是以任意角度設定的，另外，所述的 一組定位標定點光源，是裝置在所述的三角狀的一維光學定位器固定機構上的 任意位置，其最佳的構成的個數(shù)，是由三個點光源所構成，其最佳的裝置位置， 是在三角狀的頂角處、也在三邊的中央處，另外，所述的三角狀的一維光學定 位器固定機構，其頂角處裝置有一連接的結構，所述的連接的結構是具有連接 或拆卸兩個三角邊的功效，并任意調(diào)整所述的兩個三角邊相互間連接的角度。
22. 根據(jù)權利要求21所述的三次元虛擬輸入與仿真的裝置，其特征在于所 述的一維光學定位器固定機構，在任一三邊的中央處，再增加一連接的機構， 以多加裝一個一維位置偵測器裝置機構，并令所述的一維位置偵測器裝置機構， 是裝置在所述的三角狀中心點之處。
23. 根據(jù)權利要求11所述的三次元虛擬輸入與仿真的裝置，其特征在于所 迷的一維光學定位器固定機構的幾何結構，為一四角狀、五角狀、與六角狀的 幾何結構，其最佳為一等邊四角形、等邊五角形、與等邊六角形的結構，所述 的一維位置偵測器裝置機構，則裝置在所述的四角狀、五角狀、與六角狀的頂角處、也裝置在各邊的中央處，也即，其所裝置一維位置偵測器的數(shù)目，也可 增加至四個、五個、六個，另外，所述的一組定位標定點光源，是裝置在所述 的一維光學定位器固定機構上的任意位置，其最佳的構成的個數(shù)，是由三個點 光源所構成，其最佳的裝置位置，是在四角狀、五角狀、與六角狀的頂角處、 也裝置在各邊的中央處。
24. 根據(jù)權利要求11所述的三次元虛擬輸入與仿真的裝置，其特征在于所 述的一維光學定位器固定機構，為其它現(xiàn)有裝置的機殼，所述的其它現(xiàn)有裝置 的才幾殼，是筆記型計算4幾、PDA、游戲4幾的主;f幾、移動電話、液晶顯示器、電 漿顯示器、電視、投影機、光學相機、光學攝影機、光學望遠鏡、汽車、機車 等的機殼，也即，所述的復數(shù)個一維位置偵測器、所述的定位計算控制微處理 器、所述的信號傳輸界面、所述的一組定位標定點光源，也裝置在其它現(xiàn)有裝 置機殼上。
25. 根據(jù)權利要求20所述的三次元虛擬輸入與仿真的裝置，其特征在于所 述的各別的物理量，為每個點光源的三次元位置坐標、位移量、速度、加速度、 與運動軌跡；其中所述的群物理量，為群中心坐標、群平均位移量、群平均速 度、群平均加速度、群運動軌跡；其中所述的相對物理量，為各點光源之間、 與各點光源對群中心坐標間的相對位置、相對速度、相對加速度、相對角度、 相對角速度、相對角加速度、與點光源相互間所構成的平面法向量；其中所述 的其它物理量，為作用在各點光源的力、力矩、向心力、離心力、動量、與動 能。
26. 根據(jù)權利要求1所述的三次元虛擬輸入與仿真的裝置，其特征在于所 述的控制解析的程序，由以下程序所構成一坐標系準直同步校正的程序，確定所述的所有具視軸追蹤的一維光學定 位器，相互間坐標轉換的關系、與坐標轉換所造成量測誤差的補償，并修正同 步的時間誤差；一裝置仿真輸入的程序，是對一實體輸入的裝置，通過仿真、與認知所述 的實體輸入裝置所需的手部操作動作，達虛擬輸入的目的；以及一仿真器仿真的程序，是對裝置在其它實體器物上的復數(shù)點光源，做實時 的定位量測，即計算出所述的實體器物的運動軌跡、與運動物理量，另外，通 過虛擬實境的技術，在一虛空間中，定義一虛擬的器物，以直接對應所述的實 體器物的運動狀態(tài)，并根據(jù)物理碰撞法則，讓所述的虛擬器物、與所述的虛空間內(nèi)的其它虛擬器物做互動，達到模擬的目的。
27. 根據(jù)權利要求26所述的三次元虛擬輸入與仿真的裝置，其特征在于所 述的坐標系準直同步校正的程序，由以下程序所構成一視軸重致歸零的程序，是通過所述的具視軸追蹤的一維光學定位器的所 述的視軸控制程序，令所有具視軸追蹤的一維光學定位器的視軸，都對準同一 個定位點光源后，將其視軸重致歸零；一坐標系設定與轉換的程序，是在所述的所有具視軸追蹤的 一維光學定位 器中，設定一主定位器、與從定位器，通過所述的主定位器，對所述的定位點 光源、與從定位器的定位標定點光源，與通過所述的從定位器對所述的定位點 光源，做定位的量測，計算取得所述的主定位器與各從定位器，相互間的坐標 轉換關系，與做定位誤差的補償；以及一同步時間校正的成序，是以適當?shù)臅r間周期，輸出所述的同步觸發(fā)信號， 校正所述的所有定位器，以同步執(zhí)行所述的定位計算控制程序。
28. 根據(jù)權利要求26所述的三次元虛擬輸入與仿真的裝置，其特征在于所 述的裝置仿真輸入的程序，由以下程序所構成一虛擬操作畫面對應的程序，是對于一具有實際尺寸的實體操作畫面，在 空間中的任意處，定義一虛擬操作畫面。所述的虛擬操作畫面，是對實體操作 畫面做一空間的對應，其幾何對應的關系，是一對一的對應關系、并具有放大、 等于、或縮小的對應關系，另外，所述的虛擬操作畫面，是通過虛擬實境的技 術，以產(chǎn)生一虛擬的立體影像；一虛擬裝置幾何結構的定義與操作手指對應的程序，是對于所欲仿真的實 體輸入裝置，定義一虛擬裝置的幾何結構、與功能鍵的物理位置、大小與功能 鍵的物理動作，并將手指與功能鍵之間，做一操作對應的連接，另外，所述的 虛擬裝置幾何結構、與所述的操作手指，是通過虛擬實境的技術，以產(chǎn)生一虛 擬的立體影像；以及一操作手勢的定義與認知的程序，是根據(jù)所述的虛擬裝置功能鍵的物理動 作，定義一手指操作動作的物理運動量，所述的物理運動量，是由一連串具有 時間性的物理量所構成的物理量集合，所述的物理量集合，是由所述的所有點 光源的物理量、群物理量、相對物理量、及其它的物理量所構成，因此根據(jù)這 些事先定義好的物理運動量，對戴在手指部的點光源做檢測與比對分析，即認 知所述的手指的手勢，以達裝置仿真輸入的目的。
29. 根據(jù)權利要求28所述的三次元虛擬輸入與仿真的裝置，其特征在于所 述的實體操作畫面，是個人計算機、PDA的窗口畫面；或為移動電話的操作畫 面；或為電纟見的操作畫面；或為游戲才幾的操作畫面。
30. 根據(jù)權利要求1所述的三次元虛擬輸入與仿真的裝置，其特征在于所 述的控制解析的程序，是整合裝置在一般個人計算機、筆記型計算機、PDA、 移動電話、游戲機的主機、影視訊播放與轉換器材之內(nèi)。
31. 根據(jù)權利要求1所述的三次元虛擬輸入與仿真的裝置，其特征在于所 述的實體輸入裝置，是鼠標、鍵盤、搖控器或觸控銀幕。
32. —種三次元虛擬輸入與仿真的裝置，其特征在于由下列組件所構成 一具復數(shù)個點光源的模塊，是由復數(shù)個點光源所構成的模塊，所述的復數(shù)個點光源，是各自具有發(fā)光時間的唯一性，所述的復數(shù)個點光源發(fā)光的方式， 是以連續(xù)、交替且個別點亮的方式，令所述的復數(shù)個點光源，各自在不同的時 間，發(fā)射近似點狀的發(fā)散光源；一復數(shù)組具視軸追蹤的一維光學定位器，其中所述的每一組具視軸追蹤的 一維光學定位器，是接收一同步觸發(fā)信號、與連續(xù)交替且個別接收所述的復數(shù) 個點光源的發(fā)散光源后，對所有的點光源，做三次元定位的量測、并輸出一組 物理量，另外，所述的每一組具視軸追蹤的一維光學定位器，具有視軸追蹤與 定位的能力，自動追蹤所述的復數(shù)個點光源的群中心坐標、或自動追蹤所述的 復數(shù)個點光源中任一點光源的坐標，并輸出自身的視軸角度，以達視軸追蹤的 目的；或接收一視軸角度，以達視軸定位的目的；以及一控制解析的程序，為一軟件的程序，是連接與控制所有具視軸追蹤的一 維光學定位器，輸出一同步觸發(fā)信號，同步啟動所有具視軸追蹤的一維光學定 位器，以同步執(zhí)行三次元定位的量測；或也能夠輸出一組視軸角度，達到對所 述的所有具視軸追蹤的一維光學定位器，做視軸角度定位的目的；并在接收所 述的所有的物理量、與一組視軸角度后，仿真一實體輸入裝置的輸入，達到虛 擬輸入的目的；也能夠仿真一實體器物的運動，達到仿真器的仿真目的。
33. 根據(jù)權利要求32所述的三次元虛擬輸入與仿真的裝置，其特征在于所 述的具復數(shù)個點光源的模塊，由下列組件所構成一RF接收器，是由一RF接收端子、 一解調(diào)變器、與一譯碼器所構成，是 用以接收一具編碼的RF同步信號，并解析出所述的具編碼的RF同步信號內(nèi)， 所含的編碼信號、與同步信號的時序；一切換器，是一電子切換回路，是接收所述的編碼信號、同步信號的時序，以產(chǎn)生一連續(xù)、交替且個別點亮所述的復數(shù)個點光源的驅(qū)動信號；以及一復數(shù)個點光源，其中每個點光源，是個別接收所述的驅(qū)動信號，以開關 所述的點光源的發(fā)光狀態(tài)。
34. 根據(jù)權利要求32所述的三次元虛擬輸入與仿真的裝置，其特征在于所 述的復數(shù)組具視軸追蹤的一維光學定位器的其中一者內(nèi)部，是裝置有一RF收發(fā) 器，用以發(fā)射、或接收所述的具編碼的RF同步信號；所述的具編碼的RF同步 信號，是由一微處理器所產(chǎn)生；所述的編碼信號的構成，是可為一組數(shù)字碼、 也或是具特定時間長度的方波、也或是具特定數(shù)目的脈沖，若所述的一維光學 定位器，是用做為主定位器，所述的RF收發(fā)器則發(fā)射所述的具編碼的RF同步 信號；若所述的一維光學定位器，是用做為從定位器，所述的RF收發(fā)器則接收 所述的具編碼的RF同步信號后，并可產(chǎn)生一同步掃描信號，以同步驅(qū)動所有所 述的一維位置偵測器，以掃描取出所述的唯一被點亮點光源的成像信號。
35. —種三次元虛擬輸入與仿真的裝置，其特征在于由下列組件所構成 一復數(shù)組具復數(shù)個點光源模塊，其中所述的每個點光源模塊內(nèi)，是由復數(shù)個點光源所構成，其點光源唯一性的構成，是以模塊為單位，各自具有發(fā)光時 間的唯一性；而對單一個點光源模塊內(nèi)的復數(shù)個點光源，則各自具有光強度的 唯一性、也或幾何大小的唯一性、也或波長的唯一性，也即，所述的復數(shù)組具 復數(shù)個點光源模塊發(fā)光的方式，是以模塊為單位，交替且個別點亮單一模塊內(nèi) 的所有點光源，以同時發(fā)射單一模塊內(nèi)復數(shù)個近似點狀的發(fā)散光源；一復數(shù)組具視軸追蹤的 一維光學定位器，其中所述的每一組具視軸追蹤的 一維光學定位器，是接收一同步觸發(fā)信號、與以模塊為單位，交替且個別接收 單一模塊發(fā)光的方式，也即在不同的時間點，同時接收所述的單一點光源模塊 內(nèi)的所有點光源，所發(fā)射的發(fā)散光源后，對所有的點光源，做三次元定位的量 測、并輸出一組物理量，另外，所述的每一組具視軸追蹤的一維光學定位器， 具有視軸追蹤與定位的能力，自動追蹤所述的復數(shù)個點光源的群中心坐標、或 自動追蹤所述的復數(shù)個點光源中任一點光源的坐標，并輸出自身的視軸角度， 以達^f見軸追蹤的目的；或接收一^L軸角度，以達視軸定位的目的；以及一控制解析的程序，為一軟件的程序，是連接與控制所有具視軸追蹤的一 維光學定位器，是輸出一同步觸發(fā)信號，同步啟動所有具視軸追蹤的一維光學定位器，以同步執(zhí)行三次元定位的量測；也能夠輸出一組視軸角度，達到對所述的所有具視軸追蹤的一維光學定位器，做視軸角度定位的目的；并在接收所述的所有的物理量、與一組視軸角度后，仿真一實體輸入裝置的輸入，達到虛擬輸入的目的；也能夠仿真一實體器物的運動，達到仿真器的仿真目的。
36. —種三次元虛擬輸入與仿真的裝置，其特征在于由下列組件所構成 一復數(shù)組具復數(shù)個點光源模塊，其中所述的每個點光源模塊，是由復數(shù)個點光源所構成，其點光源唯一性的構成，是以模塊為單位，各自具有光波長的 唯一性；而對單一個點光源模塊內(nèi)的復數(shù)個點光源，則具有發(fā)光時間的唯一性， 對于同一點光源模塊內(nèi)，所述的復數(shù)個點光源，都具有相同的發(fā)光波長，而對 于不同點光源模塊的點光源，則具有不同的發(fā)光波長，另外，所述的復數(shù)組具 有復數(shù)個點光源模塊發(fā)光的方式，是同步令所有點光源模塊內(nèi)的復數(shù)個點光源， 以單一的點光源為單位，交替?zhèn)€別點亮單一點光源發(fā)光，以發(fā)射近似點狀的發(fā) 散光源；一復數(shù)組具視軸追蹤的一維光學定位器，其中所述的每一組具視軸追蹤的 一維光學定位器，是接收一同步觸發(fā)信號、與同步接收所有點光源模塊內(nèi)的單 一點光源發(fā)光的方式，也即在不同的時間點，同時接收所述的所有點光源模塊 內(nèi)的單一點光源，所發(fā)射的發(fā)散光源，對所有的點光源，做三次元定位的量測、 并輸出一組物理量。另外，所述的每一組具視軸追蹤的一維光學定位器也，具 有視軸追蹤與定位的能力，自動追蹤所述的復數(shù)個點光源的群中心坐標、或自 動追蹤所述的復數(shù)個點光源中任一點光源的坐標，并輸出自身的視軸角度，以 達視軸追蹤的目的；也可接收一視軸角度，以達視軸定位的目的；以及一控制解析的程序，為一軟件的程序，是連接與控制所有具視軸追蹤的一 維光學定位器，是輸出一同步觸發(fā)信號，同步啟動所有具視軸追蹤的一維光學 定位器，以同步執(zhí)行三次元定位的量測；也能夠輸出一組^L軸角度，達到對所 述的所有具視軸追蹤的一維光學定位器，做視軸角度定位的目的；并在接收所 述的所有的物理量、與一組視軸角度后，仿真一實體輸入裝置的輸入，達到虛 擬輸入的目的；也能夠仿真一實體器物的運動，達到仿真器的仿真目的。
37. —種三次元虛擬輸入與仿真的裝置，其特征在于由下列組件所構成 一具復數(shù)個點光源的模塊，是由一切換器與復數(shù)個點光源所構成，所述的切換器，是固定的周期，連續(xù)且交替的方式，各別點亮所述的復數(shù)個點光源， 并令所述的點光源發(fā)射近似點狀的發(fā)散光源；一復數(shù)組具視軸追蹤的一維光學定位器，其中所述的每一組具視軸追蹤的一維光學定位器，是接收一同步觸發(fā)信號、與連續(xù)交替且個別接收點光源的發(fā) 散光源后，對所有的點光源，做三次元定位的量測、并輸出一組物理量，另外， 所述的每一組具視軸追蹤的一維光學定位器也，具有視軸追蹤與定位的能力， 自動追蹤所述的復數(shù)個點光源的群中心坐標、或自動追蹤所述的復數(shù)個點光源中任一點光源的坐標，并輸出自身的視軸角度，以達視軸追蹤的目的；或接收 —#見軸角度，以達3見軸定位的目的；以及 一控制解析的程序，為一軟件的程序，是連接與控制所有具視軸追蹤的一 維光學定位器，是輸出一同步觸發(fā)信號，同步啟動所有具視軸追蹤的一維光學 定位器，以同步執(zhí)行三次元定位的量測；也能夠輸出一組視軸角度，達到對所 述的所有具視軸追蹤的一維光學定位器，做視軸角度定位的目的；并在接收所 述的所有的物理量、與一組視軸角度后，.仿真一實體輸入裝置的輸入，達到虛 擬輸入的目的；也能夠仿真一實體器物的運動，達到仿真器的仿真目的。
38. 根據(jù)權利要求37所述的三次元虛擬輸入與仿真的裝置，其特征在于所 述的復數(shù)個點光源的發(fā)散光源發(fā)光時序的偵測，是通過一光接收器，以接收所 述的所有點光源所發(fā)射的發(fā)散光源，并輸出一點光源的發(fā)光時序；另外，再利 用一微處理器，是在適當?shù)臅r間，通過量測所述的點光源的發(fā)光時序的周期， 并以相同的周期、同步產(chǎn)生一同步掃描信號。
39. —種三次元虛擬輸入與仿真的裝置，其特征在于由下列組件所構成 一復數(shù)個點光源，其中所述的每一個點光源，是以同時且連續(xù)的方式，各自發(fā)射出 一具近似點狀的發(fā)散光源；一復數(shù)組具視軸追蹤的二維光學定位器，其中所述的每一組具視軸追蹤的 二維光學定位器，是接收一同步觸發(fā)信號、與同時接收所述的所有復數(shù)個點光 源的發(fā)散光源后，對所有的點光源，做三次元定位的量測、并輸出一組物理量， 另外，所述的每一組具視軸追蹤的二維光學定位器，具有視軸追蹤與定位的能 力，自動追蹤所述的復數(shù)個點光源的群中心坐標、或自動追蹤所述的復數(shù)個點 光源中任一點光源的坐標，并輸出自身的視軸角度，以達視軸追蹤的目的；或 接收一^見軸角度，以達^見軸定位的目的；以及一控制解析的程序，為一軟件的程序，是連接與控制所有具視軸追蹤的二 維光學定位器，是輸出一同步觸發(fā)信號，同步啟動所有具視軸追蹤的二維光學 定位器，以同步執(zhí)行三次元定位的量測；也能夠輸出一組視軸角度，達到對所 述的所有具視軸追蹤的二維光學定位器，做視軸角度定位的目的；并在接收所述的所有的物理量、與一組視軸角度后，仿真一實體輸入裝置的輸入，達到虛擬輸入的目的；也能夠仿真一實體器物的運動，達到仿真器的仿真目的。
40. 根據(jù)權利要求39所述的三次元虛擬輸入與仿真的裝置，其特征在于所 述的復數(shù)個點光源，是指每一個點光源具有光強度的唯一性，其最佳是每一個 點光源具有相同的發(fā)光半徑、但不同的發(fā)光強度。
41. 根據(jù)權利要求39所述的三次元虛擬輸入與仿真的裝置，其特征在于所 述的復數(shù)個點光源，是指每一個點光源具有幾何大小的唯一性，其最佳是每一 個點光源具有不同的發(fā)光半徑、但相同的發(fā)光強度。
42. 根據(jù)權利要求39所述的三次元虛擬輸入與仿真的裝置，其特征在于所 述的復數(shù)個點光源，是指每一個點光源具有波長的唯一性，其最佳是每一個點 光源具有不同的發(fā)光波長、且所述的發(fā)光波長為互不重迭。
43. 根據(jù)權利要求42所述的三次元虛擬輸入與仿真的裝置，其特征在于所 述的復數(shù)個點光源的數(shù)目，是三個，且各別發(fā)射出紅、綠、藍波長的光源。
44. 根據(jù)權利要求39所述的三次元虛擬輸入與仿真的裝置，其特征在于所 述的復數(shù)個點光源，是由具光強度唯一性、幾何大小唯一性、與波長的唯一性 的點光源所組合構成。
45. 根據(jù)權利要求39所述的三次元虛擬輸入與仿真的裝置，其特征在于所 述的復數(shù)組具視軸追蹤的二維光學定位器的其中一組，是由下列組件所構成一復數(shù)個二維位置偵測器，其中每一個二維位置偵測器，是根據(jù)接收一同 步掃描信號、與同時接收所述的所有點光源的發(fā)散光，計算與輸出所有點光源 的二維成像平均位置；一定位計算控制微處理器，是含有一定位計算控制的程序，連接與控制所 有的二維位置偵測器、與一二軸角度控制裝置；所述的定位計算控制的程序， 是接收所述的同步觸發(fā)信號、所述的二維成像平均位置、 一視軸角度、與兩個 角度電信號，以計算輸出一同步掃描信號、 一組物理量、 一視軸角度、與一視 軸角度驅(qū)動控制信號；一信號傳輸界面，為一有線、或無線的傳輸裝置，傳輸所述的一組物理量、 所述的視軸角度與所述的同步觸發(fā)信號；一組定位標定點光源，是由復數(shù)個點光源所構成，是裝置且固定在所述的 二維光學定位器固定機構上的已知位置，以做為對該組具視軸追蹤二維光學定 位器的空間位置與視軸角度定位之用；一二維光學定位器固定機構，為一機械結構，為裝置固定所述的復數(shù)個二 維位置偵測器、所述的定位計算控制微處理器、所述的信號傳輸界面、與所述 的一組定位標定點光源，并連接至所述的二軸角度控制裝置中的二軸旋轉機構， 以達二軸;j走轉的目的；以及一二軸角度控制裝置，是由兩個觸發(fā)器、兩個角度量測器、與一二軸旋轉 機構所構成，所述的二軸角度控制裝置，是在接收所述的視軸角度驅(qū)動控制信 號后，根據(jù)所述的驅(qū)動控制信號的量，驅(qū)動所述的兩個觸發(fā)器，以帶動旋轉所 述的二軸旋轉機構、與所述的兩個角度量測器；所述的兩個角度量測器，則根 據(jù)實際旋轉角度的量，回授輸出兩個角度電信號，以供二軸角度定位控制之用； 而所述的二軸旋轉機構則轉動所述的二維光學定位器固定機構，以改變所述的 二維光學定位器視軸的角度。
46. 根據(jù)權利要求45所述的三次元虛擬輸入與仿真的裝置，其特征在于所 述的復數(shù)個二維位置偵測器的其中 一個，是由下列組件所構成一二維光學組件組，是由一濾波片、 一圓孔狀光圏、與二維光學透鏡所構成；一二維光傳感器，是由一二維光感測數(shù)組、 一掃描讀取電子線路與一模擬 數(shù)字轉換器所構成，是由所述的掃描讀取電子線路，根據(jù)一掃瞄信號，依次且 連續(xù)讀取、并輸出所述的二維光感測數(shù)組上，每個感應畫素的光感應模擬電壓， 再經(jīng)所述的模擬數(shù)字轉換器作用后，輸出一數(shù)字電壓，所述的數(shù)字電壓即為二 維成像疊加信號。一信號微處理器，是連接與控制所述的二維光傳感器，在接收到所述的同 步掃描信號后，執(zhí)行一信號處理程序，以產(chǎn)生一掃瞄信號、并讀取所述的二維 成像疊加信號、以及計算與輸出所有點光源的二維成像平均位置；以及一二維位置偵測器裝置機構，為一機械結構，裝置固定所述的二維光學組 件組、所述的二維光傳感器、與所述的信號微處理器，并裝置固定在所述的二 維光學定位器固定機構之內(nèi)。
47. 根據(jù)權利要求46所述的三次元虛擬輸入與仿真的裝置，其特征在于所 述的二維光傳感器，是由一二維光感測數(shù)組、 一隨機讀取電子線路與一模擬數(shù) 字轉換器所構成，所述的隨機讀取電子線路，是通過一微處理器、 一行譯碼控 制器、與一列解碼控制器，針對任意的畫素，做隨機數(shù)據(jù)讀取的動作。
48. 根據(jù)權利要求46所述的三次元虛擬輸入與仿真的裝置，其特征在于所述的信號處理程序，是由以下程序所構成一數(shù)據(jù)同步讀取的程序，是根據(jù)所接收的所述的同步掃描信號的時序，在 適當?shù)臅r間后，輸出一掃瞄信號，以取得并記錄所述的二維成像疊加信號，所 述的二維成像疊加信號是包含有所有點光源的二維有效成像信號與二維動態(tài)背景光信號；一二維動態(tài)背景光信號去除的程序，是由一時間性二維環(huán)境光干擾信號去 除程序、與一空間性二維環(huán)境光干擾信號去除程序所構成，是對所述的二維成 像疊加信號做二維動態(tài)背景光去除的處理后，輸出一包含所有點光源的二維有 效成像信號；一點光源二維成像信號辨識對應的程序，是對所述的所有點光源的二維有 效成像信號，是通過一二維閥值比較程序、也或一二維波形偵測的程序，以辨 識解析出各別點光源的二維有效成像信號及其二維對應的關系；所述的二維波 形偵測程序，是根據(jù)所述的點光源二維有效成像信號的二維分布標準差、中心 強度、與波形變化斜率的特征，以達辨識解析與對應的目的；以及一點光源二維成像平均位置計算的程序，是對所述的各別已被辨識解析的 點光源二維有效成像信號，做最大信號畫素位置的解析、或做二維Guassian Fitting的解析、或做二維統(tǒng)計的解析，以計算與輸出所有點光源的二維成像平 均位置。
49. 根據(jù)權利要求48所述的三次元虛擬輸入與仿真的裝置，其特征在于所 述的二維動態(tài)背景光信號去除的程序，是通過硬件的方式，即在所述的二維光 傳感器外，再增設另一背景噪聲量測用的二維光傳感器，并以同步于所述的二 維光傳感器的信號掃瞄讀取的方式、與做信號適當放大處理的方式，以單獨取 得二維動態(tài)背景光信號后，從所述的二維成像疊加信號中，減去所述的二維動 態(tài)背景光信號，以達到去除二維動態(tài)背景光信號的目的；另外，在所述的背景 噪聲量測用的二維光感測數(shù)組上，則加裝一具有適當?shù)墓鈱W濾波器，所述的光 學濾波器是濾除所有點光源、但讓環(huán)境光通過。
50. 根據(jù)權利要求48所述的三次元虛擬輸入與仿真的裝置，其特征在于所 述的時間性二維環(huán)境光干擾信號去除的程序，是通過軟件的方式，即將連續(xù)兩 次掃描所取得的二維成像疊加信號，做一相減的運算，以達到去除二維動態(tài)背 景光信號的目的。
51. 根據(jù)權利要求48所述的三次元虛擬輸入與仿真的裝置，其特征在于所述的空間性二維環(huán)境光干擾信號去除程序，是一二維傅利葉信號處理的程序， 是在進行時間性二維環(huán)境光干擾信號去除程序后，將所得的數(shù)據(jù)做一二維傅利 葉的轉換，在頻率域中，做一二維帶通濾波的處理，即做濾除無必要的頻率、 與放大的運算后，再做逆二維傅利葉的運算，以達到去除空間性二維環(huán)境光干 擾的目的。
52. 根據(jù)權利要求45所述的三次元虛擬輸入與仿真的裝置，其特征在于所 述的定位計算控制的程序，由以下程序所構成一同步掃描程序，是根據(jù)所述的同步觸發(fā)信號的時序，以產(chǎn)生與輸出一周 期性的同步掃描信號，同步驅(qū)動所有二維位置偵測，以執(zhí)行所述的信號處理的 程序；一物理量計算程序，是取得所有二維位置偵測器所輸出的點光源的二維成 像平均位置后，計算、與輸出一組物理量；所述的一組物理量，是包含有所有 點光源的各別的物理量、群物理量、相對物理量、及其它物理量；以及一視軸控制程序，是根據(jù)所述的各別的物理量、或群物理量、或一視軸角 度，以計算、并輸出一視軸角度與一視軸角度驅(qū)動控制信號，同時利用接收所 述的兩個角度電信號，做為角度回授的控制，以達視軸角度精確的定位控制。
53. 根據(jù)權利要求39所述的三次元虛擬輸入與仿真的裝置，其特征在于所 述的控制解析的程序，是整合裝置在一般個人計算機、筆記型計算機、PDA、 移動電話、游戲機的主機、影視訊播放與轉換器材之內(nèi)。
54. 根據(jù)權利要求39所述的三次元虛擬輸入與仿真的裝置，其特征在于所 述的可仿真的實體輸入裝置，為鼠標、鍵盤、搖控器或觸控銀幕。
55. 根據(jù)權利要求45所述的三次元虛擬輸入與仿真的裝置，其特征在于所 述的二維光學定位器固定機構，是其它現(xiàn)有裝置的機殼，所述的其它現(xiàn)有裝置 的機殼，是筆記型計算機、PDA、游戲機的主機、移動電話、液晶顯示器、電 漿顯示器、電視、投影機、光學相機、光學攝影機、光學望遠鏡、汽車或機車 等的機殼，即所述的復數(shù)個二維位置偵測器、所述的定位計算控制微處理器、 所述的信號傳輸界面、所述的一組定位標定點光源，也可裝置在其它現(xiàn)有裝置 機殼之上。
全文摘要
本發(fā)明為一種三次元虛擬輸入與仿真的裝置，主要是由復數(shù)個點光源、復數(shù)組具視軸追蹤的光學定位器、與一控制解析的程序所構成，本發(fā)明主要的特征，是在于利用所述的復數(shù)組具視軸追蹤的光學定位器，對所述的復數(shù)個點光源，做三次元運動的量測與分析，即可達虛擬輸入與仿真器的目的。
文檔編號G06F3/01GK101655739SQ200810214319
公開日2010年2月24日 申請日期2008年8月22日 優(yōu)先權日2008年8月22日
發(fā)明者林明彥 申請人:原創(chuàng)奈米科技股份有限公司