TW201351217A - 位移偵測裝置 - Google Patents

Abstract

一種位移偵測裝置，包含一光源、一影像感測器及一處理單元。該光源用以照明一工作表面。該影像感測器用以擷取該工作表面之反射光以輸出一影像圖框。該處理單元於該影像圖框中選擇一影像特徵值最大之一可設定取樣範圍，並根據該可設定範圍計算該位移偵測裝置之一位移量。

Description

位移偵測裝置

本發明係關於一種互動裝置，特別係關於一種可動態選擇影像圖框中有效像素範圍以計算位移量之位移偵測裝置。

習知光學滑鼠通常包含一光源、一影像感測器以及一處理單元，並供一使用者操控於一工作表面上。該光源用以照明該工作表面；該影像感測器接收來自該工作表面之反射光以輸出影像圖框；該處理單元則根據該影像感測器所輸出之影像圖框計算該光學滑鼠相對於該工作表面之一位移量，例如根據影像圖框間之相關性(correlation)計算該位移量。

習知光學滑鼠中，由於該影像感測器係擷取該工作表面的反射光，當該影像感測器所擷取之影像圖框的影像品質不佳時，則可能出現無法正確計算該位移量的情形。

例如請參照第1圖所示，一般光學滑鼠例如包含一光源81透過一透鏡82照明一工作表面9，該工作表面9之反射光透過另一透鏡83被一影像感測器84所接收。光學滑鼠於組裝時，該影像感測器84可能並非精確地被設置於期望位置，例如當該影像感測器84被設置於84'的位置時，該影像感測器 84擷取該工作表面9之反射光所形成的影像圖框之影像品質可能不佳，因而導致誤運算的情形。

另外，即使該影像感測器84正確地被設置於期望位置，然而當該光學鼠被操作於不同的工作表面時，仍然可能出現成像位置偏移的情形。例如請參照第2A圖所示，其顯示光學滑鼠操作於一玻璃表面之示意圖，此時該工作表面9之反射光仍然能夠被該影像感測器84所接收；然而，當光學滑鼠操作於具有較大厚度之另一玻璃表面時，如第2B圖所示，該影像感測器84則無法正確接收來自該工作表面9之反射光，影像品質降低而導致誤運算的情形。

有鑑於此，本發明另提出一種位移偵測裝置，其可操作於各種表面並可有效克服組裝誤差所導致影像品質降低的情形。

本發明之一目的在提供一種位移偵測裝置，其可克服組裝誤差所導致計算精確度降低的情形。

本發明之另一目的在提供一種位移偵測裝置，其可隨不同的工作表面調整影像圖框之可設定取樣範圍(window of interest)，以增加計算精確度。

本發明提供一種位移偵測裝置，包含一光源、一影像感測器以及一處理單元。該光源以一投射方向照明一工作表面。該影像感測器用以擷取該工作 表面之反射光以持續輸出影像圖框。該處理單元於該等影像圖框中選擇至少一可設定取樣範圍，並根據兩張該等影像圖框分別之該可設定取樣範圍計算該位移偵測裝置之一位移量。

本發明另提供一種位移偵測裝置，包含一光源、一影像感測陣列、一加法單元、一類比/數位單元以及一處理單元。該光源以一投射方向照明一工作表面。該影像感測陣列用以擷取該工作表面之反射光以輸出一第一類比影像圖框。該加法單元將該第一類比影像圖框減去一直流值以輸出一第二類比影像圖框。該類比/數位單元放大該第二類比影像圖框並轉換為一數位影像圖框。該處理單元於該數位影像圖框中選擇至少一可設定取樣範圍，並根據該可設定取樣範圍計算該位移偵測裝置之一位移量。本實施例可用於當影像圖框之影像特徵較不明顯時，用以增加影像特徵值。

本發明另提供一種位移偵測裝置，包含一光源、一影像感測器及一處理單元。該光源以一投射方向照明一工作表面。該影像感測器用以擷取該工作表面之反射光以輸出一影像圖框。該處理單元於該影像圖框中選擇一影像特徵值最大之一可設定取樣範圍，並根據該可設定範圍計算該位移偵測裝置之一位移量。

本發明之位移偵測裝置中，透過使用具有較大面積(例如32×128)之影像感測陣列以完整接收來自該工作表面之反射光，其中該影像感測陣列較佳為長方形且其長度方向較佳延伸於該光源投射方向之一水平分量的方向。

本發明另透過於該影像感測器所擷取的影像圖框中選擇至少一可設定取樣範圍或影像特徵值最大之一可設定取樣範圍，以正確根據影像特徵較明顯的像素範圍來計算位移量；其中，所述影像特徵值最大係指影像特徵超過一預設特徵值之像素範圍中，平均影像特徵值最大者，例如平均影像品質的數值最大或平均影像亮度最大。

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3圖所示，其顯示本發明實施例之位移偵測裝置1之示意圖。位移偵測裝置1包含一光源11、一影像感測器13及一處理單元15；有些實施例中該位移偵測裝置1可另包含一光學元件17(例如透鏡)用以調整該光源11之投射範圍以及一光學元件19(例如透鏡)用以增加該影像感測器13之 感光效率。該位移偵測裝置1用以偵測相對於一工作表面S之一位移量，並將該位移量輸出至一電子裝置(未繪示)以進行相對應控制。必須說明的是，第3圖中該位移偵測裝置1實際上僅包含一個影像感測器13、13'或13"，此處繪示三個影像感測器係用以表示組裝偏差，亦即該影像感測器可能位於13、13'或13"其中一個位置，並非表示該位移偵測裝置1包含三個影像感測器。

該光源11例如可為一發光二極體或一雷射二極體，用以發出紅外光或不可見光以提供該影像感測器13擷取影像時所需的光。該光源11以一投射方向P照明該工作表面S，其中該投射方向P可分解為平行該工作表面S之一水平分量P_X以及垂直該工作表面之一垂直分量P_Y。

該影像感測器13較佳為一CMOS影像感測器或其他主動式影像感測器，用以擷取該工作表面S之反射光以持續輸出影像圖框I_F；其中，該影像圖框I_F為數位影像圖框。該影像感測器13較佳包含長方形之一影像感測陣列131；該影像感測陣列131之一長度方向L_X係大致延伸於該投射方向P之水平分量P_X的方向，而且該影像感測陣列131例如具有像素尺寸32×128，但本發明並不限於此。藉此，如圖所示不論該影像感測器13於組裝時被設置於13、 13'或13"的位置，該影像感測器13均得以偵測來自該工作表面S之反射光。可以了解的是，13、13'或13"的位置偏移量實際上非常小，為了表示的目的第3圖中係放大了空間比例。

該處理單元15例如可為一數位信號處理器(DSP)，用以於該影像感測器13輸出之該等影像圖框I_F中選擇至少一可設定取樣範圍130，並根據該可設定取樣範圍130計算該位移偵測裝置1之一位移量，例如根據兩張影像圖框I_F分別之可設定取樣範圍130間之相關性(correlation)計算該位移量。一種實施例中，該至少一可設定取樣範圍130定義為該等影像圖框I_F之一影像特徵超過一預設特徵值之一個或複數個像素範圍，其中該影像特徵例如可為一影像品質或一影像亮度。換句話說，本發明之位移偵測裝置1之處理單元15並非利用該影像感測器13所輸出的整張影像圖框I_F計算該位移量而是動態地利用影像特徵較明顯的像素範圍進行計算。

請參照第4圖所示，當該等影像圖框I_F中被判定為包含複數可設定取樣範圍時，例如此處包含130及130'，該處理單元15則於該影像感測器13輸出之該等影像圖框I_F中選擇一影像特徵值最大或面積最大之一可設定取樣範圍(例如130)，並根據該可設定取樣範圍130計算該位移偵測裝置1之該位移量 而忽略可設定取樣範圍130'。其他實施例中，該處理單元15亦可根據不同的可設定取樣範圍計算該位移量，例如根據可設定取樣範圍130計算一第一位移量並根據可設定取樣範圍130'計算一第二位移量，並比較根據不同的可設定取樣範圍計算之該位移量的一致性，如此在影像特徵值不明顯時(例如操作於反射係數較低之工作表面S時)，可用以重複確認該位移量是否正確。所述影像特徵值最大係指影像特徵超過一預設特徵值之各像素範圍中，平均影像特徵值最大者，例如平均影像品質的數值最大或平均影像亮度最大。

本發明實施例之位移偵測裝置1除了可克服組裝誤差外，另可根據不同工作表面S調整該影像感測器13之可設定取樣範圍130。例如請參照第5A及5B圖所示，其分別顯示該位移偵測裝置1操作於具有不同厚度的玻璃表面之操作示意圖。當該位移偵測裝置1操作於具有一第一厚度T₁之工作表面S時，該可設定取樣範圍130例如位於圖中該影像感測陣列130最左側，而當該位移偵測裝置1操作於具有一第二厚度T₂之工作表面S時，該可設定取樣範圍130例如朝向圖中該影像感測陣列130的右側偏移。如前所述，該處理單元15則可將該影像圖框I_F之一影像特徵超過一預設特徵值之一個或複數個像素範圍辨識為該可設定取樣範圍130，並據以計 算該位移量。

此外，為了增加選擇該可設定取樣範圍130之精確度，當該等影像圖框I_F之該影像特徵均小於該預設特徵值或輸出每一張影像圖框I_F時，該影像感測器13另執行將一類比影像圖框扣除一直流值並放大經扣除該直流值之該類比影像圖框之步驟，再經數位化以輸出該類比影像圖框I_F。

請參照第6圖所示，其顯示本發明實施例之位移偵測裝置1之方塊示意圖；其中，該影像感測器13另包含一影像感測陣列131、一加法單元133及一類比/數位單元135。此實施例中，該光源11同樣以該投射方向P照明該工作表面S。該影像感測陣列131用以擷取該工作表面S之反射光以輸出一第一類比影像圖框；該第一類比影像圖框例如為一二維類比影像，其中第6(A)圖例如顯示該第一類比影像圖框之一列像素之亮度值(Dx+Ax)，Dx表示一平均亮度而Ax表示一亮度特徵變化值。該加法單元133(亦可利用一減法器實現)將該第一類比影像圖框減去一直流值DAC以輸出一第二類比影像圖框，其中第6(B)圖例如顯示該第二類比影像圖框之一列像素之亮度值(Dx-DAC)+Ax；該亮度值(Dx+Ax)扣除該直流值DAC之目的在於避免於後續放大及數位化步驟中有亮度值過大的情形。該類比/數位單 元135放大該第二類比影像圖框並轉換為一數位影像圖框以輸出至該處理單元15，其中第6(C)圖例如顯示該數位影像圖框之一列像素之亮度值(Dx-DAC)+Ay，Ay表示一亮度特徵變化值；可明顯看出亮度特徵之峰對峰值有效地增加了。本實施例中，該類比/數位單元135例如可為一線性或非線性類比/數位轉換器，或者該類比/數位單元135內部可另包含一放大單元先放大該第二類比影像圖框後，再進行類比/數位轉換。藉此，該影像感測陣列131所感測之第一類比影像圖框經該加法器133及該數位/類比單元135處理後則能增加數位影像圖框之影像特徵值，以增加選擇可設定取樣範圍之正確性。

此外，本實施例中，該直流值DAC例如為該第二類比影像圖框之一平均亮度或一偏移量，其可由該處理單元15根據該數位影像圖框決定，並經過一數位/類比單元16將該平均亮度或該偏移量轉換為類比訊號後輸入至該加法單元133。

此外，於實際操作期間，該處理單元15將可於適當時機確認所選擇之可設定取樣範圍130是否恰當。例如，該處理單元15每隔一預設時間間隔，則計算已選定之該可設定取樣範圍130之影像特徵值，當該可設定取樣範圍130之影像特徵值小於一預設特徵值，則重新選擇至少一可設定取樣範圍130 或影像特徵值最大之一可設定取樣範圍130；或者，該處理單元15每隔一預設時間間隔，直接重新選擇至少一可設定取樣範圍130或影像特徵值最大之一可設定取樣範圍130。此外，該可設定取樣範圍130例如可於每次系統開機時或結束休眠狀態時即進行選取，或者可根據使用者之指示進行選取。

綜上所述，習知光學滑鼠無法排除組裝誤差且操作於不同工作表面時可能出現無法正確接收來自工作表面反射光而導致誤動作的情形。本發明另提出一種位移偵測裝置(第3至5圖)，其透過使用面積較大的影像感測陣列並選擇一可設定取樣範圍，由於僅使用部分影像特徵較明顯的像素範圍進行計算，因而可有效克服組裝誤差並可適用於不同的工作表面。

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‧‧‧位移偵測裝置

11、81‧‧‧光源

13、13'、13"‧‧‧影像感測器

130、130'‧‧‧可設定取樣範圍

131‧‧‧影像感測陣列

133‧‧‧加法單元

135‧‧‧類比/數位單元

15‧‧‧處理單元

16‧‧‧數位/類比單元

17、19‧‧‧光學元件

S、9‧‧‧工作表面

P‧‧‧投射方向

P_X‧‧‧投射方向水平分量

P_Y‧‧‧投射方向垂直分量

L_X‧‧‧影像感測陣列長度方向

I_F‧‧‧影像圖框

DAC‧‧‧直流值

D_X‧‧‧平均亮度

A_X、Ay‧‧‧亮度特徵變化

T₁、T₂‧‧‧玻璃厚度

82、83‧‧‧光學元件

84、84'‧‧‧影像感測器

第1圖顯示習知光學滑鼠之示意圖，其顯示影像感測器之組裝偏差。

第2A及2B圖顯示習知光學滑鼠操作於不同厚度之玻璃表面之操作示意圖。

第3圖顯示本發明實施例之位移偵測裝置之示意圖，其顯示影像感測器之組裝偏差。

第4圖顯示顯示本發明實施例之位移偵測裝置之一操作示意圖。

第5A及5B圖顯示本發明實施例之位移偵測裝置操作於不同厚度之玻璃表面之操作示意圖。

第6圖顯示顯示本發明實施例之位移偵測裝置之方塊示意圖。

1‧‧‧位移偵測裝置

11‧‧‧光源

13、13'、13"‧‧‧影像感測器

130‧‧‧可設定取樣範圍

131‧‧‧影像感測陣列

15‧‧‧處理單元

17、19‧‧‧光學元件

S‧‧‧工作表面

P‧‧‧投射方向

P_X‧‧‧投射方向水平分量

P_Y‧‧‧投射方向垂直分量

L_X‧‧‧影像感測陣列長度方向

I_F‧‧‧影像圖框

Claims (20)

1. 一種位移偵測裝置，包含：一光源，以一投射方向照明一工作表面；一影像感測器，用以擷取該工作表面之反射光以持續輸出影像圖框；以及一處理單元，於該等影像圖框中選擇至少一可設定取樣範圍，並根據兩張該等影像圖框分別之該可設定取樣範圍計算該位移偵測裝置之一位移量。
2. 依申請專利範圍第1項之位移偵測裝置，其中該至少一可設定取樣範圍為該等影像圖框之一影像特徵超過一預設特徵值之一像素範圍。
3. 依申請專利範圍第2項之位移偵測裝置，其中該影像特徵為一影像品質或一影像亮度。
4. 依申請專利範圍第2項之位移偵測裝置，其中當該等影像圖框之該影像特徵均小於該預設特徵值，該影像感測器另執行將一類比影像圖框扣除一直流值並放大經扣除該直流值之該類比影像圖框之步驟，再輸出該影像圖框。
5. 依申請專利範圍第1項之位移偵測裝置，其中該影像感測器包含長方形之一影像感測陣列，該影像感測陣列之一長度方向係延伸於該投射方向之一水平分量的方向。
6. 依申請專利範圍第1項之位移偵測裝置，其中該處理單元另比較根據不同該可設定取樣範圍計算之該位移量的一致性。
7. 一種位移偵測裝置，包含：一光源，以一投射方向照明一工作表面；一影像感測陣列，用以擷取該工作表面之反射光以輸出一第一類比影像圖框；一加法單元，將該第一類比影像圖框減去一直流值以輸出一第二類比影像圖框；一類比/數位單元，放大該第二類比影像圖框並轉換為一數位影像圖框；以及一處理單元，於該數位影像圖框中選擇至少一可設定取樣範圍，並根據該可設定取樣範圍計算該位移偵測裝置之一位移量。
8. 依申請專利範圍第7項之位移偵測裝置，其中該直流值為該第二類比影像圖框之一平均亮度或一偏移量。
9. 依申請專利範圍第7項之位移偵測裝置，其中該可設定取樣範圍為該數位影像圖框之一影像特徵超過一預設特徵值之一像素範圍。
10. 依申請專利範圍第9項之位移偵測裝置，其中該影像特徵為一影像品質或一影像亮度。
11. 依申請專利範圍第7項之位移偵測裝置，其中該影像感測陣列為長方形，該影像感測陣列之一長度方向係延伸於該投射方向之一水平分量的方向。
12. 依申請專利範圍第7項之位移偵測裝置，其中該影像感測陣列之尺寸為32×128。
13. 依申請專利範圍第7項之位移偵測裝置，其中該處理單元另比較根據不同該可設定取樣範圍計算之該位移量的一致性。
14. 一種位移偵測裝置，包含：一光源，以一投射方向照明一工作表面；一影像感測器，用以擷取該工作表面之反射光以輸出一影像圖框；以及一處理單元，於該影像圖框中選擇一影像特徵值最大之一可設定取樣範圍，並根據該可設定範圍計算該位移偵測裝置之一位移量。
15. 依申請專利範圍第14項之位移偵測裝置，其中該影像特徵值為一影像品質或一影像亮度。
16. 依申請專利範圍第14項之位移偵測裝置，其中該影像感測器包含長方形之一影像感測陣列，該影像感測陣列之一長度方向係延伸於該投射方向之一水平分量的方向。
17. 依申請專利範圍第14項之位移偵測裝置，其中該處理單元每隔一預設時間間隔，則計算該可設定取樣範圍之該影像特徵值。
18. 依申請專利範圍第17項之位移偵測裝置，其中當該可設定取樣範圍之該影像特徵值小於一預設特徵值，則重新選擇一影像特徵值最大之一可設定取樣範圍。
19. 依申請專利範圍第14項之位移偵測裝置，其中該處理單元每隔一預設時間間隔，重新選擇一影像特徵值最大之一可設定取樣範圍。
20. 依申請專利範圍第14項之位移偵測裝置，其中當該影像圖框之該影像特徵值均小於一預設特徵值，該影像感測器另執行將一類比影像圖框扣除一直流值並放大經扣除該直流值之該類比影像圖框之步驟，再輸出該影像圖框。