TWI384407B - 利用盲文編碼圖案之區域識別系統 - Google Patents

Description

利用盲文編碼圖案之區域識別系統

本發明是有關於一種區域識別系統，且特別是有關於一種利用盲文編碼圖案進行定位之區域識別系統。

隨著家用機器人逐漸融入人類的日常生活，家用機器人的需求便日益增加，特別是具有部分人工智慧的自主機器人更是未來研究發展的重要方向。舉例而言，這些家用或自主機器人可設定成自行掃地與處理家務瑣事，亦可設定模擬為寵物以陪伴家人，甚至機器人亦可用於工廠內自行搬運貨物。無論機器人擔任何種功能，其首要能先判斷自身所處的位置，而後始能依據程式設定而執行各種功能。因此，以機器人為主之區域識別系統多年來一直是研發改良的重點方向之一。

表1列出習知三種以機器人為主之區域識別系統所採用的定位技術與限制條件，以下將分別簡述之。編號1的機器人會配置雷射測距裝置，藉由發射出去的雷射被阻擋物(如牆壁)反射回來，則可計算出機器人與阻擋物之間的距離，進而定位出自身的位置。然而，雷射測距裝置的配置成本相當高，而使得此機器人定位系統不易普遍推廣。再者，當阻擋物是如玻璃之高穿透率材質，或是如鏡子之高反射率材質時，則雷射測距裝置便無法有效感測到玻璃或是鏡子。如此一來，機器人便有可能與玻璃或是鏡子發生碰撞而造成損壞。

編號2的機器人區域識別系統是採用無線射頻識別(Radio Frequency Identification,RFID)技術以進行定位，其中習知技藝會將讀取器(Reader)配置於機器人上，並配置多個電子標籤(Tag)於特定位置，而電子標籤內部會儲存所處位置的資訊。當機器人靠近某個電子標籤時，讀取器便會讀取電子標籤所在位置的資訊，藉此便可定位出機器人的相對位置。然而，讀取器與電子標籤的配置成本亦不便宜，而使得此機器人區域識別系統不易普遍推廣。再者，讀取器與電子標籤的可通訊距離均不長，而一般僅有數公分到數公尺。因此當機器人所處空間非常廣大時，便需要增加電子標籤的配設密度，如此又需增加此區域識別系統的建置成本。

此外，前述兩種區域識別系統之共同缺點便在於價格過於昂貴。然而，為求能降低設置成本，習知技藝另有提出直接以軟體針對環境影像進行分析。以編號3之機器人為例，其直接配置電荷耦合元件(Charge Coupled Device,CCD)以偵測外界影像。藉由軟體判斷影像中的特定目標物，試圖定位出機器人的相對位置。

然而，軟體辨識目前亦僅能分辨如窗戶、門或是床舖、桌子等特定顯著之目標物，其主要目的是迴避障礙物或通過門至另一區間，而仍無法有效辨認出機器人是位在那個房間(特別是當房間的門或是窗戶都是相同樣式時)。當影像中之目標物與背景在對比差異不大時，辨識軟體亦無法分辨影像中的目標物，造成無法定位。另外，當電荷耦合元件擷取床舖、桌子的影像角度不同時，亦會造成影像形變而使軟體誤判。

此外，當機器人周遭的環境過於單調時(如重複圖案的壁紙)，則會造成軟體辨識上的混淆，進而亦無法有效定位。亦即，目前以軟體直接對週遭環境影像進行幾何分析仍有太多困難，且錯誤辨識率過高。

有鑑於此，本發明之目的是提供一種區域識別系統，藉由結構簡單之盲文編碼，搭配高反光材質及反射光源，可大幅提升軟體的影像辨識成功率，且不易受到影像擷取角度形變的問題。

為達上述或是其他目的，本發明提出一種區域識別系統，包括盲文編碼圖案與移動裝置，而移動裝置又包括本體、中央控制單元、光源產生器以及影像接收器，其中中央控制單元適於控制本體移動，而光源產生器與影像接收器是配置於本體上。盲文編碼圖案具有區域識別資訊，且盲文編碼圖案之材質為高反光材質。當光源產生器產生光源照射至盲文編碼圖案時，盲文編碼圖案適於將光源高度反射至影像接收器。此外，影像接收器適於接收盲文編碼圖案之影像而傳遞至中央控制單元，以使中央控制單元根據區域識別資訊而定位出本體之位置。

在本發明之一實施例中，上述之盲文編碼圖案之盲文編碼可為中文編碼、英文編碼、日文編碼或韓文編碼。

在本發明之一實施例中，上述之盲文編碼圖案可包括框形標記(mark)與盲文編碼標記，其中盲文編碼標記是配置於框形標記中。此外，盲文編碼標記之形狀可為圓形、方形、菱形、三角形或其他合適的形狀。

在本發明之一實施例中，上述之盲文編碼圖案是用於反射可見光或不可見光，且高反光材質可為反光粒子、反光顏料、反光漆或其他合適的材質。此外，移動裝置更包括光源產生器，而光源產生器是配置於本體上，其中光源產生器可為投射燈、發光二極體、鹵素燈、螢光燈或聚光燈。

在本發明之一實施例中，上述之影像接收器可為電荷耦合元件、互補式金氧半導體(Complementary Metal－Oxide－Semiconductor,CMOS)、球型攝影機(PTZ)或數位攝影機(DVR)。

綜上所述，在本發明之區域識別系統中，當影像接收器接受到影像中具有高亮度的區域時，辨識軟體便會開始判斷這些高亮度區域是否為盲文編碼圖案。由於盲文編碼圖案具有簡單的幾何構圖，所以中央控制單元在進行軟體幾何分析上，可輕易辨識出影像中是否具有盲文編碼圖案，進而獲取相對應的區域識別資訊，藉此以有效提升軟體辨識的成功率。

為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

圖1A為依據本發明一實施例以移動裝置為主之區域識別系統的方塊示意圖，而圖1B為圖1A之移動裝置的立體圖，且圖1C為圖1A之盲文編碼圖案的正視圖。請參考圖1A~1C，本發明之區域識別系統100包括移動裝置110與盲文編碼圖案120，其中盲文編碼圖案120是配置在特定區域中，並具有此區域之區域識別資訊。以室內環境而言，盲文編碼圖案120可貼附於客廳、走廊、臥室的牆壁上，亦可以繪示於儲物櫃等明顯物品的表面上，其中位於不同區域之盲文編碼圖案120便具有不同之區域識別資訊。

承接上述，移動裝置110可為機器人，而移動裝置110包括本體112、中央控制單元114、影像接收器116以及光源產生器118，而中央控制單元114是用於控制本體112的作動，且影像接收器116與光源產生器118是配置於本體112上。光源產生器118是用於提供光源118a並將光源118a照射至外界，而影像接收器116便不斷擷取外界影像以將外界影像傳遞至中央控制單元114。中央控制單元114會以分析軟體對外界影像進行分析，判斷外界影像內容是否包含盲文編碼圖案120，進而分析盲文編碼圖案120之影像以解析出區域識別資訊。如此一來，中央控制單元114便可獲知移動裝置110之本體112所在之區域，而能對本體112進行定位。

盲文編碼圖案120例如是以反光粒子、反光顏料或是反光漆等高反光材質製作而成，而在本實施例中，盲文編碼圖案120會高度反射特定範圍角度的光源118a。當影像接收器116擷取影像後，中央控制單元114之軟體辨識功能便會分析影像中是否含有高亮度(此高亮度是指相對於背景的亮度而言)的畫素。若是影像含有高亮度的畫素，則軟體辨識便會分析這些高亮度的畫素是否構成盲文編碼圖案120，進一步以解析出區域識別資訊。如此一來，相較於習知直接進行軟體幾何分析的技術而言，本發明利用高反光之盲文編碼圖案120，使接收的影像產生高亮度的畫素，藉此可以大幅減少誤判的情形，而有效提昇辨識的正確率。

圖1D是為求更加清楚說明圖1C之盲文編碼圖案而另繪示出多條輔助線，而圖2為英文編碼之盲文編碼表。請參考圖1C~1D與圖2，本實施例之盲文編碼圖案120包括框形標記122與盲文編碼標記124，其中盲文編碼標記124是位於框形標記122內的特定位置，以表示特定之資訊。

以本實施例而言，每個盲文編碼圖案120可包含兩個英文字母的資訊量。詳細而言，框形標記122內的區域可分為左半部與右半部，而每個半部均代表一個英文字母。此外，每個半部又可再區分為2×3共六個位元，而每個位元可為盲文編碼標記124或是空白。如此一來，對照圖2之盲文編碼表，便知盲文編碼圖案120表示為mb，而本實施例可定義mb所表示之區域識別資訊為『主臥房』。所以當中央控制單元114解析出此區域識別資訊後，便可將移動裝置110之本體112定位在『主臥房』。

承接上述，盲文編碼圖案120的製作成本非常低廉。本實施例是直接以反光布料裁剪成帶有不同區域識別資訊之盲文編碼圖案120，並將這些盲文編碼圖案120貼設於牆壁、天花板、地板或是物品上，即可使移動裝置110之本體112無論在何處均能定位出自身的位置。

由於盲文編碼具有結構簡單的優點，且盲文編碼的結構特徵非常明顯，因此在以軟體設計進行幾何影像解析時，可以大幅提高辨識的成功率與正確性。另外，無論影像接收器116以何種角度擷取影像而使盲文編碼圖案120產升形變，但是盲文編碼圖案120仍可保持其結構的完整性。

圖3A為圖1C之盲文編碼圖案於不同角度擷取之影像示意圖，而圖3B為求更加清楚說明圖3A之盲文編碼圖案之解析過程而另繪示出多條輔助線。請參考圖3A與3B，由於擷取影像角度的關係，圖3A之盲文編碼圖案120a所呈現之影像近乎為梯形。中央控制單元114首先會將盲文編碼圖案120a之框形標記122a外緣補齊為矩形，並得到此矩形之長度L與寬度W。此外，中央控制單元114亦可計算出框形標記122a所佔的畫素面積A，並將畫素面積A除以長度L後再除以寬度W以得到第一判斷值C1：

當第一判斷值C1小於第一臨界值T1時，辨識軟體便會認定此高亮度的畫素區域構成有效的盲文編碼圖案120a，反之，辨識軟體便會認定此高亮度的畫素區域僅為雜訊。以本實施例而言，此第一臨界值T1之值為1/4，不過第一臨界值T1可由框型標記製作時依實際值決定，熟悉此項技藝者當可依據前述而稍加調整第一判斷值C1之計算方式或是第一臨界值T1之值，惟其仍屬本發明之範疇中。

接著，若影像中的高亮度畫素是構成盲文編碼圖案120a，則接著將框形標記122a內部區分為4×3共12個位元，並判斷每個位元是否為空白或是為盲文編碼標記124a。舉例而言，先偵測位元內是否有高亮度標記存在，位元內標記可由標記製作時定義一個長寬比值及容許比例決定，長寬比值不易因取像距離改變而有所影響，或由標記面積介於某一設定區間決定，最大值需大於最近取像距離之標記面積，最小值需小於最遠取像距離之標記面積，配合標記長度及寬度比值設定一個容許比例，符合前述條件，則辨識軟體便會判斷此位元為盲文編碼標記124a，反之，則判斷為空白。以本實施例而言，此長寬比值容許比例為0.3。

換句話說，在判斷框形標記122a之步驟中，軟體便可計算出盲文編碼圖案120a的解析度大小，並同時判斷出本體112與盲文編碼圖案120a之間的距離，如此便可反推算出盲文編碼標記124a應有的畫素面積。如前段所述，本發明可設定最遠取像距離與最近取像距離作為容許邊際值而換算出畫素面積對應轉換矩陣，而當盲文編碼圖案之高亮度畫素面積介於前述之畫素面積範圍內，經由對應之轉換矩陣，可進一步由高亮度反光畫素面積計算出目前移動裝置與盲文編碼圖案之距離，則軟體便會判斷出移動裝置目前所在區域及更細部的位置資訊。

如此一來，中央控制單元114仍可解析出此形變之盲文編碼圖案120a內含之區域識別資訊為mb，以大幅提升軟體辨識的準確率與成功性。由於本發明主要是以軟體分析進行定位分析，所以相較於習知之雷射定位或無線射頻識別技術而言，本實施例之區域識別系統100可大幅降低建置成本，而有利於推廣至居家使用。

值得注意的事，儘管前述實施例之盲文編碼圖案120是以框形標記122與盲文編碼標記124組合而成，但是本發明並不限定盲文編碼圖案120之結構組成。舉例而言，其他實施例亦可將框形標記122改為對角定位標記或是四角定位標記，以下將另舉實施例並搭配圖示說明。

圖3C~3F為依據本發明另一實施例之四種盲文編碼圖案的正視圖，並以虛線輔助繪示出盲文編碼標記之區域以利解讀。請參考圖3C~3F，圖3C~3E之盲文編碼圖案320a~320c分別包括兩個定位標記322a~322c與盲文編碼標記324，其中定位標記322a~322c是位於盲文編碼標記324所在區域之外圍，以定義出盲文編碼標記324之區域。

詳細而言，兩個定位標記322a是位於盲文編碼標記324區域之左上角與右下角，而兩個定位標記322b是位於盲文編碼標記324區域之右上角與左下角，且兩個定位標記322c是位於盲文編碼標記324區域之上方與左方邊緣。

類似前述，當中央控制單元114欲判斷影像中之高亮度畫素是否構成文編碼圖案，亦是先將這些定位標記322a~322c外緣補齊為矩形，再計算此定位標記322a~322c相對矩形面積的比例是否介於特定數值範圍之內，而熟悉此項技藝者當可依據前述說明與實際設計決定此特定數值範圍。

值得注意的是，本發明並不限制定位標記之形狀與數量，亦不限制定位標記設置之位置。舉例而言，定位標記322a即為鉤狀，而定位標記322b之形狀與盲文編碼標記324的形狀相同，且定位標記322c便為長條狀。此外，儘管這些定位標記322a~322c的數量為兩個，但是在其他實施例中，亦可採用三個或四個以上的定位標記，並將其配置於盲文編碼標記區域之各個角落或是邊緣。更進一步而言，本發明亦可採用不同形式之定位標記以進行定位的識別。如圖3F所示，盲文編碼圖案320d便包括不同形式之定位標記322a~322c，並將定位標記322a~322c分別配置於盲文編碼標記324區域之左下角、右上角以及下方邊緣。

在本實施例中，盲文編碼圖案120是配置在室內空間的牆壁上，且對於天花板上的日光燈光源不具有高度反射的效果，以避免對室內活動的使用者產生刺眼的現象。此外，光源產生器118能以特定角度範圍產生光源118a，以照射至盲文編碼圖案120。當盲文編碼圖案120受到此光源118a照射後，便會將光源118a高度反射回影像接收器116以產生影像進行分析。

請再參考圖1B，在本實施例中，中央控制單元114例如為電腦而以無線傳輸的方式控制本體112、影像接收器116以及光源產生器118。不過，本發明亦可將中央控制單元114配置於本體112上，而以連線的方向直接操控本體112、影像接收器116以及光源產生器118。此外，本發明並不限制光源產生器118與影像接收器116的種類，舉例而言，光源產生器118可為投射燈、發光二極體、鹵素燈、螢光燈聚光燈或其他合適的發光源，而影像接收器116可為電荷耦合元件、互補式金氧半導體、球型攝影機或數位攝影機。

另外，儘管前述所稱光源均是以可見光作說明，但是本發明亦可以非可見光擷取影像。舉例而言，光源產生器118可為紅外光發射器，以提供紅外光源照射至盲文編碼圖案120。接著，盲文編碼圖案120可將紅外光源高度反射回如紅外光影像接收器之影像接收器116以產生光源。在此架構下，盲文編碼圖案120可設計為不會反射可見光，而得以隱藏至牆壁上的掛畫中或是其他合適的位置，且此盲文編碼圖案120亦不需針對高反射角度多做設計。

在前述實施例中，盲文編碼圖案120總共至少可包含兩個英文字母或一個英文字母加一個數字組合的資訊量以作為區域識別資訊，亦即26×26＝676個不同的代表意義可表示客廳、廚房、餐廳、兒童房、充電站、電腦房、書房、客房、走廊等等區域，且這些區域對應之符號意義均可由使用者或是設計者自行定義。當然，本發明亦可視資訊量的多寡而稍加調整盲文編碼圖案的形式。以下將再另以圖示搭配文字說明。

圖4A~4C為依據本發明另一實施例之多個盲文編碼圖案的正視圖。請參考圖4A~4C，本實施例之盲文編碼圖案420a、420b、420c與圖1C之盲文編碼圖案120相似，且盲文編碼圖案420a、420b、420c亦包括框形標記422a、422b、422c與盲文編碼標記424a、424b、424c，而其差異僅在於盲文編碼圖案的形式不同。

以圖4A與4C之盲文編碼圖案420a、420c為例，其分別具有單個與三個英文字母組合的資訊量，且分別表示為v與xyz。以圖4B之盲文編碼圖案420b為例，其兩個盲文編碼單元是呈上下排列，並用以表示為pq。熟悉此項技藝者當可輕易理解，於此便不再贅述。值得一提的是，本發明並不限定盲文編碼標記的形狀，舉例而言，盲文編碼標記424a、424b、424c之形狀可分別為方形、三角形與菱形，且本發明並不限定盲文編碼圖案之框形標記與盲文編碼標記的顏色。

值得注意的是，儘管前述之盲文編碼是以英文編碼為主，但是本發明並不限定盲文編碼的種類，舉例而言，本發明之盲文編碼亦可是中文編碼、日文編碼、韓文編碼或是其他合適的編碼。圖5A以注音為主之中文編碼之局部盲文編碼表，而圖5B與圖5C分別為日文編碼與韓文編碼之局部盲文編碼表，熟悉此項技藝者當可依據圖5A~5C而輕易修改盲文編碼圖案所代表之意義，微其仍屬本發明之範疇內。

綜上所述，由於本發明之區域識別系統主要是以軟體對影像進行辨識分析，進而定位出機器人的位置，所以此區域識別系統的建置成本非常低廉。此外，結構簡單的盲文編碼配合高反光材質之盲文編碼圖案可大幅降低影像辨識在幾何解析上的困難，藉此以大幅提升軟體辨識的準確率與成功性。

雖然本發明已以諸實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，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。

100．．．區域識別系統

110．．．移動裝置

112．．．本體

114．．．中央控制單元

116．．．影像接收器

118．．．光源產生器

118a．．．光源

120、120a、320a~320d、420a~420c．．．盲文編碼圖案

122、122a、422a~422c．．．框形標記

124、124a、324、424a~424c．．．盲文編碼標記

322a~322c．．．定位標記

A．．．畫素面積

L．．．長度

W．．．寬度

圖1A為依據本發明一實施例以移動裝置為主之區域識別系統的方塊示意圖。

圖1B為圖1A之移動裝置的立體圖。

圖1C與1D為圖1A之盲文編碼圖案的正視圖。

圖2為英文編碼之盲文編碼表。

圖3A與3B為圖1C之盲文編碼圖案於不同角度擷取之影像示意圖。

圖3C~3F為依據本發明另一實施例之四種盲文編碼圖案的正視圖。

圖4A~4C為依據本發明另一實施例之多個盲文編碼圖案的正視圖。

圖5A~5C是以各國盲文編碼之局部盲文編碼表。

100．．．區域識別系統

110．．．移動裝置

112．．．本體

114．．．中央控制單元

116．．．影像接收器

118．．．光源產生器

118a．．．光源

120．．．盲文編碼圖案

Claims (23)

1. 一種區域識別系統，包括：一盲文編碼圖案，具有一區域識別資訊，且該盲文編碼圖案之材質為高反光材質，該盲文編碼圖案包括：一框形標記；以及一盲文編碼標記，配置於該框形標記中；一移動裝置，包括：一本體；一中央控制單元，適於控制該本體移動；一光源產生器，配置於該本體上，而該光源產生器適於提供一光源，且該盲文編碼圖案適於反射該光源；以及一影像接收器，配置於該本體上，並適於接收該盲文編碼圖案之影像而傳遞至該中央控制單元，以使該中央控制單元根據該區域識別資訊而定位出該本體之位置。
2. 如申請專利範圍第1項所述之區域識別系統，其中該盲文編碼圖案之盲文編碼為中文編碼、英文編碼、日文編碼或韓文編碼。
3. 如申請專利範圍第1項所述之區域識別系統，其中該盲文編碼標記之形狀為圓形、方形、菱形或三角形。
4. 如申請專利範圍第1項所述之區域識別系統，其中該盲文編碼圖案反射可見光或不可見光。
5. 如申請專利範圍第1項所述之區域識別系統，其中高反光材質為反光粒子、反光顏料或反光漆。
6. 如申請專利範圍第4項所述之區域識別系統，其中不可見光為紅外光。
7. 如申請專利範圍第1項所述之區域識別系統，其中該光源產生器為投射燈、發光二極體、鹵素燈、螢光燈或聚光燈。
8. 如申請專利範圍第1項所述之區域識別系統，其中該影像接收器為電荷耦合元件、互補式金氧半導體、球型攝影機或數位攝影機。
9. 如申請專利範圍第1項所述之區域識別系統，其中該中央處理器係基於一第一判斷值，以判斷所接收的影像為該盲文編碼圖案或一雜訊。
10. 如申請專利範圍第9項所述之區域識別系統，其中該中央控制單元將盲文編碼圖案之框形標記外緣補齊為矩形，並得到此矩形之長度L與寬度W，該中央控制單元計算出框形標記所佔的畫素面積A，該第一判斷值為框形標記所佔的畫素面積A除以長度L後再除以寬度W而得。
11. 一種區域識別系統，包括：一盲文編碼圖案，具有一區域識別資訊，且該盲文編碼圖案之材質為高反光材質，該盲文編碼圖案包括：二定位標記，定義出一區域；以及一盲文編碼標記，配置於該些定位標記所定義出之該區域中；一移動裝置，包括：一本體；一中央控制單元，適於控制該本體移動；一光源產生器，配置於該本體上，而該光源產生器適於提供一光源，且該盲文編碼圖案適於反射該光源；以及 一影像接收器，配置於該本體上，並適於接收該盲文編碼圖案之影像而傳遞至該中央控制單元，以使該中央控制單元根據該區域識別資訊而定位出該本體之位置。
12. 如申請專利範圍第11項所述之區域識別系統，其中該盲文編碼標記之形狀為圓形、方形、菱形或三角形。
13. 如申請專利範圍第11項所述之區域識別系統，其中該些定位標記之形狀為圓形、鉤形或長條形。
14. 如申請專利範圍第11項所述之區域識別系統，其中該些定位標記是位於該區域之角落或邊緣。
15. 如申請專利範圍第11項所述之區域識別系統，其中該盲文編碼圖案之盲文編碼為中文編碼、英文編碼、日文編碼或韓文編碼。
16. 如申請專利範圍第11項所述之區域識別系統，其中該盲文編碼標記之形狀為圓形、方形、菱形或三角形。
17. 如申請專利範圍第11項所述之區域識別系統，其中該盲文編碼圖案反射可見光或不可見光。
18. 如申請專利範圍第11項所述之區域識別系統，其中高反光材質為反光粒子、反光顏料或反光漆。
19. 如申請專利範圍第17項所述之區域識別系統，其中不可見光為紅外光。
20. 如申請專利範圍第11項所述之區域識別系統，其中該光源產生器為投射燈、發光二極體、鹵素燈、螢光燈或聚光燈。
21. 如申請專利範圍第11項所述之區域識別系統，其中該影像接收器為電荷耦合元件、互補式金氧半導體、球 型攝影機或數位攝影機。
22. 如申請專利範圍第11項所述之區域識別系統，其中該中央處理器係基於一第一判斷值，以判斷所接收的影像為該盲文編碼圖案或一雜訊。
23. 如申請專利範圍第22項所述之區域識別系統，其中該中央控制單元將盲文編碼圖案之二定位標記外緣補齊為矩形，並得到此矩形之長度L與寬度W，該中央控制單元計算出框形標記所佔的畫素面積A，該第一判斷值為框形標記所佔的畫素面積A除以長度L後再除以寬度W而得。