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TW201301102A - 光學觸控系統及其影像處理方法 - Google Patents

光學觸控系統及其影像處理方法 Download PDF

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TW201301102A
TW201301102A TW100121547A TW100121547A TW201301102A TW 201301102 A TW201301102 A TW 201301102A TW 100121547 A TW100121547 A TW 100121547A TW 100121547 A TW100121547 A TW 100121547A TW 201301102 A TW201301102 A TW 201301102A
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Tzung-Min Su
Ren-Hau Gu
Chih-Hsin Lin
Cheng-Nan Tsai
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Pixart Imaging Inc
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Abstract

一種光學觸控系統包含一影像感測模組和一處理模組。影像感測模組具有複數個可獨立控制快門時間之感測單元。複數個感測單元可擷取具有複數像素組之一圖像。處理模組取得各像素組之一亮度值，並根據該等亮度值選擇部份像素組為一物件範圍。

Description

光學觸控系統及其影像處理方法
本發明係一種光學觸控系統及其影像處理方法。
一般光學觸控系統包括攝影裝置、照明裝置和決定物件碰觸位置之計算裝置。物件通常可以是手指、觸控筆(stylus)或其他類似者。攝影裝置用於拍攝觸控表面上之觸控區域。照明裝置係用於當物件在使物件在觸控區域上時，攝影裝置所提供的圖像具有可分辨物件影像之對比。計算裝置則根據攝影裝置所提供的圖像之亮度變化，計算物件的座標。
光學觸控系統可設計成讓伸入觸控區域的物件遮住照明裝置投射之光，以在攝影裝置上形成光遮蔽範圍；或是讓物件反射照明裝置投射之光，以在攝影裝置上形成反光亮區。無論何種設計，傳統計算物件座標之方法需兩張圖像；即一張背景圖像，和有物件在觸控區域時所產生的圖像。通常，背景圖像在操作前就事先擷取儲存。光學觸控系統藉由比對所擷取的圖像與背景圖像，找出有明顯亮度變化之範圍。當有明顯亮度變化之範圍被判定為物件所產生後，光學觸控系統根據有明顯亮度變化之範圍之一些特徵，計算物件座標。
除圖像中由物件產生之有明顯亮度變化之範圍外，圖像中之背景亮度部分也會因物件改變投光路徑或改變觸控表面之反光狀態而變化，使圖像中之背景亮度部分和在背景圖像上相應部分會有差異。此種差異會導致有明顯亮度變化之範圍無法被正確決定或確實區分，而讓物件座標無法被準確地計算而得。
本發明一實施例提供一種影像處理方法及運用該影像處理方法之光學觸控系統。該影像處理方法可利用單一張圖像計算出物件之座標，如此光學觸控系統不會因圖像中之背景亮度部分和在背景圖像上相應部分之差異，計算出不正確之物件座標。
根據本發明一實施例，一種光學觸控系統包含一影像感測模組和一處理模組。影像感測模組具有複數個可獨立控制快門時間之感測單元。複數個感測單元可擷取具有複數像素組之一圖像。處理模組取得各像素組之一亮度值，並根據該等亮度值選擇部份像素組為一物件範圍。
根據本發明一實施例，一種光學觸控系統之影像處理方法包含下列步驟：獲得一圖像，其中該圖像包含複數第一像素組；將該等第一像素組之亮度值兩兩相減，以獲得複數個第一亮度差分值；及根據該等第一亮度差分值而選擇部份之連續第一像素組為一物件範圍。
上文已相當廣泛地概述本揭露之技術特徵及優點，俾使下文之本揭露詳細描述得以獲得較佳瞭解。構成本揭露之申請專利範圍標的之其它技術特徵及優點將描述於下文。本揭露所屬技術領域中具有通常知識者應瞭解，可相當容易地利用下文揭示之概念與特定實施例可作為修改或設計其它結構或製程而實現與本揭露相同之目的。本揭露所屬技術領域中具有通常知識者亦應瞭解，這類等效建構無法脫離後附之申請專利範圍所界定之本揭露的精神和範圍。
圖1顯示本發明一實施例之光學觸控系統1之示意圖。本發明揭露一影像處理方法，該影像處理方法可利用單一張圖像計算出物件之座標。該影像處理方法可運用在如圖1顯示之光學觸控系統1。參照圖1所示，光學觸控系統1包含一影像感測模組11和一處理模組12，其中處理模組12耦接影像感測模組11，以從影像感測模組11所產生之圖像中分析出物件範圍。影像感測模組11設置以拍攝一觸控區域13。照明裝置14和15設置於觸控區域13旁以提供光源，使在觸控區域13上之物件可在圖像上形成可分辨之物件範圍。照明裝置14或15可為主動照明裝置，例如：燈管、複數個發光二極體或發光二極體和導光元件之組合。照明裝置14或15亦可為被動照明裝置，例如：反射鏡。
本發明揭露之影像處理方法可處理經亮度補償處理之一亮度補償圖像，或未經亮度補償處理之一般擷取圖像。以下首先針對本發明揭露之影像處理方法運用在處理經亮度補償處理之一亮度補償圖像進行說明。
亮度補償係指利用軟體或硬體方式，提高圖像中原亮度較低部分之亮度和降低原亮度較高部分之亮度，以獲得亮度分佈較為均勻之圖像之方法。舉例言，如圖2所示，影像感測模組11可擷取出一圖像2，圖像2可包含複數像素組21，其中複數像素組21在一方向上排列。各像素組21可包含複數個像素211。在一實施例中，像素組21可為一像素行(pixel column)，而複數像素組21在列方向(row direction)排列。在另一實施例中，像素組21可為一像素列，而複數像素組21在行方向上排列。處理模組12可根據擷取之圖像2，獲取圖像2中可代表各像素組21之一亮度值。在一實施例中，各像素組21之亮度值可為各像素組21之像素211之亮度值之總和。在另一實施例中，各像素組21之亮度值可為各像素組21之像素211之亮度值之平均。當圖像2之像素組21之亮度值計算完成後，即可獲得如圖3所示之一亮度波形3。
從圖3可看出，亮度波形3有明顯的變化。亮度波形3可先行進行亮度補償。在一實施例中，可先取得各像素組21對應之一調整值。接著，將各調整值和其對應之亮度值相乘，以獲得變異較小之亮度波形4。在一實施例中，調整後之亮度波形4係在一亮度範圍5之內變動。
調整值係用於對亮度波形進行補償，其可以許多方法獲得，而在此例舉其中一種方法。在一實施例中，調整值可由下列步驟而獲得：首先，以一固定快門時間，獲取一背景圖像。然後，取得代表各像素組之亮度值(Ip)。最後，計算一目標亮度值(IT)與各像素組之亮度值(Ip)間之一比例值(IT/Ip)，其中該比例值(IT/Ip)即為調整值。
圖像之亮度補償亦可以利用硬體來達成。參照圖4所示，影像感測模組11可包含複數個感測單元41a和41b，各感測單元41a或41b包含一電子快門411及一光偵測元件(photodetector)412，電子快門411耦接光偵測元件412，以調控光偵測元件412的曝光時間。光偵測元件412根據接收之亮度，相應地產生電荷。電晶體413控制電荷自光偵測元件412轉移至浮動擴散輸出區(floating diffusion(FD) output node)。電晶體414與定電流415構成一源極隨耦器(source follower)，源極隨耦器可放大光偵測元件412產生之光電轉換電壓。電晶體416可在WL1是高位準時開啟，此時資料可輸出至位元線417上，其中位元線417耦接讀取電路220。當RST1和TG1在高位準時，可開啟電晶體418與電晶體413，如此供應電壓VDDAY可重置光偵測元件412至其光電轉換初始狀態(photo-electric conversion initiation state)。當開啟電晶體413時，可將電荷自光偵測元件412轉移至浮動擴散輸出區。當輸入高位準之RST1信號時，可利用供應電壓VDDAY將浮動擴散輸出區重置。
如圖4所示，感測單元41a和41b之電子快門411是分別與不同的快門控制線419a和419b耦接。如此，感測單元41a和41b之電子快門411可以分別施以不同的信號AB1和AB2，而使其得以不同的控制快門時間來控制，據此控制圖像上對應像素之亮度值。操作時，可先根據感測單元41a和41b之受光程度，對受光照強度大之感測單元41a或41b設定較短之控制快門時間；而對受光照強度小之感測單元41a或41b設定較長之控制快門時間。如此，影像感測模組11所擷取之圖像，其背景亮度會較為平均。
用於控制各感測單元41a或41b之電子快門411之快門時間可利用下列方法取得，但本發明不以此為限。該取得方法首先以固定快門時間取得一背景圖像。然後，分析圖像中各像素之亮度值。接著，根據一亮度基準及各像素之亮度值，計算各像素要達該亮度基準，相應感測單元41a或41b之電子快門411所需之快門時間。
圖5顯示本發明一實施例之影像處理方法之流程圖。參照圖5所示，在步驟S51中，擷取一張圖像，其中該圖像包含複數像素組，該等像素組可在一方向上排列。在步驟S52中，計算出該圖像中各像素組之亮度值，以獲得一亮度波形I(pi)(如圖6所示)，其中pi表第i個像素組。各像素組之亮度值可為像素組之像素亮度之總和或平均。在步驟S53中，取得一亮度基準值(T1)。在一實施例中，亮度基準值是亮度波形I(pi)之一平均值。在另一實施例中，亮度基準值(T1)是一預設定值。在步驟S54中，根據下列公式(1)，計算出像素組之亮度值與該亮度基準值(T1)之差異值所構成之一差異波形(difference waveform)D1(pi)，如圖7所示。
D1(p i )=I(p i )-T1　(1)
在步驟S55中，確認出D1(pi)/T1小於或大於一門檻值Th1之區域R1，並將該區域視為物件範圍。
圖8顯示本發明另一實施例之影像處理方法之流程圖。參照圖8所示，在步驟S81中，擷取一張圖像，其中該圖像包含複數像素組，該等像素組可在一方向上排列。在步驟S82中，計算出該圖像中各像素組之亮度值，以獲得一亮度波形I(pi)(如圖9所示)，其中pi表第i個像素組。各像素組之亮度值可為像素組之像素亮度之總和或平均。在步驟S83中，沿該等像素組排列方向依序計算不同兩像素組(pi和pi+1)間之一亮度差分值，以獲得一差分波形ICD(pi)(如圖10所示)。在步驟S84中，在差分波形ICD(pi)上，分別找出數值小於一門檻值Th2之點Pt1(亮度差分值)和數值大於一門檻值Th3之點Pt2(亮度差分值)。以對應點Pt1之像素組作為左邊界像素組，以對應點Pt2之像素組作為右邊界像素組，即可決定出介於左、右邊界像素組間之連續第一像素組所構成的區域，而該區域即為物件範圍。
圖11顯示本發明另一實施例之影像處理方法之流程圖。參照圖11所示，在步驟S111中，擷取一張圖像，其中該圖像包含複數像素組，該等像素組可在一方向上排列。在步驟S112中，計算出該圖像中各像素組之亮度值，以獲得一亮度波形I(pi)(如圖12所示)，其中pi表第i個像素組。各像素組之亮度值可為像素組之像素亮度之總和或平均。在步驟S113中，間隔一預定數目q，沿該等像素組排列方向依序計算不同兩像素組(pi和pi+q)間之一亮度差分值，以獲得一差分波形ICD(pi)(如圖13所示)。在步驟S114中，在差分波形ICD(pi)上，分別找出數值小於一門檻值Th4之一點Pt3(亮度差分值)和數值大於一門檻值Th5之任一點Pt4(亮度差分值)。以對應點Pt3之像素組作為左邊界像素組，以對應點Pt4之像素組作為右邊界像素組，即可決定出介於左、右邊界像素組間之連續第一像素組所構成的區域，而該區域即為物件範圍121(如圖12所示)。
特而言之，相較於計算相鄰兩像素組(pi和pi+1)之間之亮度差分值之方法，間隔計算兩像素組(pi和pi+q)間之亮度差分值之方法，在物件範圍121之邊緣處，可計算出差異更顯著之差分值。以物件範圍121左側邊像素組1211(參照圖12所示例)為相鄰兩點1212和1213之差分值約為50，而間隔兩點1212和1214之差分值約為90。況且，由於存在雜訊之緣故，計算間隔之不同兩像素組(pi和pi+q)間之差分值，以獲得一差分波形之方法可較不易受到雜訊的影響。
預定數目q可為設定值，或者藉由影像感測模組11之鏡頭之一調制轉換函數(modulation transfer function；MTF)值或反差函數計算而得，其中MTF是衡量鏡頭將一物件調制傳遞(transfer of modulation)為一影像之標準。MTF值為MTF上任一點之值或MTF的平均值。從一背景圖像中，選取一像素組，並獲得該像素組之一初始亮度值M0。根據該初始亮度值M0及MTF值，以下列公式(2)迭代計算，直到計算出最後計算亮度值Mi+1小於一預定值為止。此時，可獲得一迭代次數，而該迭代次數即為預定數目q。
以下就針對本發明揭露之影像處理方法用於未經亮度補償處理之一般擷取圖像所進行說明。
圖14顯示本發明另一實施例之影像處理方法之流程圖。參照圖14所示，在步驟S141中，擷取一背景圖像，其中該背景圖像包含複數像素組，該等像素組可在一方向上排列。在步驟S142中，計算出該圖像中各像素組之亮度值，以獲得一亮度波形IB(pi)(如圖15所示)，其中pi表第i個像素組。各像素組之亮度值可為像素組之像素亮度之總和或平均。在步驟S143中，間隔一預定數目q，沿該等像素組排列方向上依序計算不同兩像素組(pi和pi+q)間之一差分值，以獲得一差分波形BSD(pi)(如圖16所示)。在其他的實施例中，差分波形BSD(pi)亦可沿該等像素組排列方向上，依序計算不同兩相鄰像素組(pi和pi+1)間之一差分值，以獲得一差分波形BSD(pi)。
在步驟S144中，取得差分波形BSD(pi)上最小數值，作為門檻值Th6；取得差分波形BSD(pi)上最大數值，作為門檻值Th7。在步驟S145中，擷取一張圖像，其中該圖像包含複數像素組，該等像素組可在一方向上排列。在步驟S146中，計算出該圖像中各像素組之亮度值，以獲得一亮度波形I(pi)(如圖17所示)，其中pi表第i個像素組。各像素組之亮度值可為像素組之像素亮度之總和或平均。在步驟S147中，間隔一預定數目q，沿該等像素組排列方向上，依序計算兩像素組(pi和pi+q)間之一差分值，以獲得一差分波形ISD(pi)(如圖18所示)。在其他的實施例中，差分波形ISD(pi)亦可沿該等像素組排列方向上，依序計算兩相鄰像素組(pi和pi+1)間之一差分值，以獲得一差分波形ISD(pi)。在步驟S418中，在差分波形ISD(pi)上，分別找出數值小於門檻值Th6之點(亮度差分值)811和數值大於門檻值Th7之點812。以對應點811之像素組作為左邊界像素組，以對應點(亮度差分值)812之像素組作為右邊界，即可決定出介於左、右邊界像素組間之連續第一像素組所構成的區域R2，而該區域R2即為物件範圍。
本揭露之技術內容及技術特點已揭示如上，然而本揭露所屬技術領域中具有通常知識者應瞭解，在不背離後附申請專利範圍所界定之本揭露精神和範圍內，本揭露之教示及揭示可作種種之替換及修飾。例如，上文揭示之許多製程可以不同之方法實施或以其它製程予以取代，或者採用上述二種方式之組合。
此外，本案之權利範圍並不侷限於上文揭示之特定實施例的製程、機台、製造、物質之成份、裝置、方法或步驟。本揭露所屬技術領域中具有通常知識者應瞭解，基於本揭露教示及揭示製程、機台、製造、物質之成份、裝置、方法或步驟，無論現在已存在或日後開發者，其與本案實施例揭示者係以實質相同的方式執行實質相同的功能，而達到實質相同的結果，亦可使用於本揭露。因此，以下之申請專利範圍係用以涵蓋用以此類製程、機台、製造、物質之成份、裝置、方法或步驟。
1．．．光學觸控系統
2．．．圖像
3．．．亮度波形
4．．．亮度波形
5．．．亮度範圍
11．．．影像感測模組
12．．．處理模組
13．．．觸控區域
14、15．．．照明裝置
21．．．像素組
41a、41b．．．感測單元
121．．．物件範圍
211．．．像素
220．．．讀取電路
411．．．電子快門
412．．．光偵測元件
413．．．電晶體
414．．．電晶體
415．．．定電流
416．．．電晶體
417．．．位元線
418．．．電晶體
419a、419b．．．快門控制線
811．．．點
812．．．點
1211．．．左側邊像素組
1212．．．點
1213．．．點
1214．．．點
Pt1、Pt2．．．點
Pt3、Pt4．．．點
R1、R2．．．區域
Th1．．．門檻值
Th2、Th3．．．門檻值
Th4、Th5．．．門檻值
Th6、Th7．．．門檻值
S51~S55．．．流程步驟
S81~S84．．．流程步驟
S111~S114．．．流程步驟
S141~S148．．．流程步驟
圖1顯示本發明一實施例之光學觸控系統之示意圖；
圖2顯示本發明一實施例之圖像之示意圖；
圖3顯示本發明一實施例之亮度波形示意圖；
圖4顯示本發明一實施例之影像感測模組之部分感測單元及其控制電路之示意圖；
圖5顯示本發明一實施例之影像處理方法之流程圖；
圖6顯示本發明一實施例之亮度波形；
圖7顯示本發明一實施例之差異波形；
圖8顯示本發明另一實施例之影像處理方法之流程圖；
圖9顯示本發明另一實施例之亮度波形；
圖10顯示本發明另一實施例之差分波形；
圖11顯示本發明另一實施例之影像處理方法之流程圖；
圖12顯示本發明另一實施例之亮度波形；
圖13顯示本發明另一實施例之差分波形；
圖14顯示本發明另一實施例之影像處理方法之流程圖；
圖15顯示本發明另一實施例之亮度波形；
圖16顯示本發明另一實施例之差分波形；
圖17顯示本發明另一實施例之亮度波形；以及
圖18顯示本發明另一實施例之差分波形。
S51~S55．．．流程步驟

Claims (18)

  1. 一種光學觸控系統，包含：一影像感測模組，具有複數個可獨立控制快門時間之感測單元，該等感測單元可擷取具有複數像素組之一圖像；以及一處理模組，取得各該等像素組之一亮度值，並根據該亮度值選擇部份像素組為一物件範圍。
  2. 根據請求項1所述之光學觸控系統，其中該圖像為一亮度補償圖像。
  3. 根據請求項1所述之光學觸控系統，其中各該像素組包含複數像素，而各該像素組之該亮度值為各該像素組之該等像素之亮度值之總和或平均。
  4. 根據請求項1所述之光學觸控系統，其中該像素組為一像素行。
  5. 根據請求項1所述之光學觸控系統，其中該處理模組係將各該像素組之該亮度值與一門檻值相減而取得複數個差異值，並根據該等差異值與該門檻值的比值而選擇該部份像素組。
  6. 根據請求項1所述之光學觸控系統，其中該等部份像素組之該等亮度值大於或小於一門檻值。
  7. 根據請求項5所述之光學觸控系統，其中該門檻值為該等像素組之該等亮度值之一平均值或一預設定值。
  8. 根據請求項1所述之光學觸控系統，其中該影像感測模組以一固定快門時間擷取一背景圖像，並根據該背景圖像中複數個像素組的該等亮度值調整各該像素組所對應之該感測單元的快門時間。
  9. 根據請求項1所述之光學觸控系統，其中該影像感測模組係調整各感測單元之快門時間，致使該影像感測模組在擷取一背景圖像時，該背景圖像中複數個像素組的亮度值可限制於一亮度範圍。
  10. 一種光學觸控系統之影像處理方法，包含下列步驟：獲得一圖像，其中該圖像包含複數第一像素組；將該等第一像素組之亮度值兩兩相減，以獲得複數個第一亮度差分值；以及根據該等第一亮度差分值而選擇部份之連續第一像素組為一物件範圍。
  11. 根據請求項10所述之影像處理方法，其中該圖像為一亮度補償圖像。
  12. 根據請求項10所述之影像處理方法，其中獲得複數個第一亮度差分值之步驟包含依序計算兩相鄰之該等第一像素組間之一第一亮度差分值。
  13. 根據請求項10所述之影像處理方法，其中獲得複數個第一亮度差分值之步驟包含依序計算間隔一預定數目之兩該等第一像素組間之一第一亮度差分值。
  14. 根據請求項13所述之影像處理方法，其中該預定數目是以下列步驟所決定：取得一影像感測器之MTF值；選取一該第一像素組之該亮度值為一初始計算亮度值；以該MTF值與該初始亮度值及利用下列公式迭代計算，獲得當一計算亮度值小於一預定值時之迭代次數；以及 其中Mi為迭代i次之計算亮度值；Mi+1為為迭代i+1次之計算亮度值；選擇該迭代次數為該預定數目。
  15. 根據請求項10所述之影像處理方法，其更包含下列步驟：選擇一第一邊界像素組，其中該第一邊界像素組之該第一亮度差分值小於一第一門檻值；選擇一第二邊界像素組，其中該第二邊界像素組之該第一亮度差分值大於一第二門檻值；以及選擇該第一邊界像素組與該第二邊界像素組之間之該等像素組，作為該物件範圍。
  16. 根據請求項15所述之影像處理方法，其更包含下列步驟：獲取一背景圖像，其中該背景圖像包含複數第二像素組；將該等第二像素組之亮度值兩兩相減，以獲得複數個第二亮度差分值；選取該等第二亮度差分值之最小者為該第一門檻值；以及選取該等第二亮度差分值之最大者為該第二門檻值。
  17. 根據請求項10所述之影像處理方法，其中各像素組包含複數像素，而各像素組之該亮度值為各像素組之該等像素之亮度值之總和。
  18. 根據請求項10所述之影像處理方法，其中該像素組為一像素行。
TW100121547A 2011-06-21 2011-06-21 光學觸控系統及其影像處理方法 TWI441062B (zh)

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