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TWI396116B - 位移偵測裝置及方法 - Google Patents

位移偵測裝置及方法 Download PDF

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TWI396116B
TWI396116B TW098143527A TW98143527A TWI396116B TW I396116 B TWI396116 B TW I396116B TW 098143527 A TW098143527 A TW 098143527A TW 98143527 A TW98143527 A TW 98143527A TW I396116 B TWI396116 B TW I396116B
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frame
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TW098143527A
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TW201122920A (en
Inventor
Hsin Chia Chen
Chun Wei Chen
Original Assignee
Pixart Imaging Inc
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Publication date
Application filed by Pixart Imaging Inc filed Critical Pixart Imaging Inc
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Priority to US12/956,993 priority patent/US8515129B2/en
Publication of TW201122920A publication Critical patent/TW201122920A/zh
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Publication of TWI396116B publication Critical patent/TWI396116B/zh

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Description

位移偵測裝置及方法
本發明係關於一種位移偵測裝置及方法，特別係關於一種可適應性調整比較區塊尺寸之位移偵測裝置及方法。
習知光學滑鼠利用一影像感測器連續擷取一工作表面之影像，並於一取樣期間(sampling period)比較該影像感測器之感測陣列(sensor array)所感測之一參考圖框及一目前圖框間之相關性(correlation)來判定一位移量。判定出該位移量後，該目前圖框即被更新為參考圖框，接著於下一取樣期間比較更新後之參考圖框與新擷取之一目前圖框的相關性以求出下一個位移量。然而，上述位移偵測方法存在有無法判定微小位移量及精確度不足的問題。
請參照第1圖所示，其顯示美國專利第7,167,161號所提出之一種可偵測微小位移量之位移偵測方法。一第一取樣期間，一影像感測器擷取一第一目前圖框92並儲存於一記憶單元；此時，一參考圖框91已儲存於該記憶單元中，其中該參考圖框91係為該第一取樣期間之前一個取樣期間中，該影像感測器所擷取之影像圖框，一第一參考區塊91a係被設定用以進行相關性比對。接著，該處理單元於該第一目前圖框92中從左上到右下依序搜尋與該第一參考區塊91a具有最高相關性之一第一搜尋區塊92a的位置，並計算兩者間之一位置差。例如第1圖中，該第一目前圖框92中之第一搜尋區塊92a與該參考圖框91中之第一參考區塊91a的位置差為向上3個畫素距離。一第二取樣期間，該影像感測器擷取一第二目前圖框93並儲存於該記憶單元；此時，僅更新參考區塊而不更新參考圖框，其中該第二參考區塊91b係為該第一參考區塊91a向下移動3個畫素距離而得，其與該第一取樣期間所求出之位置差反向。接著，該處理單元於該第二目前圖框93中從左上到右下依序搜尋與該第二參考區塊91b具有最高相關性之第二搜尋區塊93a的位置，並計算兩者間之另一位置差。此習知位移偵測方法中，透過考慮前一個取樣期間之位置差以更新參考區塊的位置而不更新參考圖框，則可偵測微小位移量之累積以偵測小角度位移量。
本發明另提出一種位移偵測裝置及方法，其具有較高的穩定性且可使用較小尺寸之感測陣列。
本發明提供一種位移偵測裝置及位移偵測方法，其可使用較小尺寸之感測陣列以降低成本。
本發明另提供一種位移偵測裝置及位移偵測方法，透過即時地調整比較區塊的尺寸，可同時具有提高位移量偵測穩定度及可偵測極限速度之功效。
本發明提出一種位移偵測方法，包含下列步驟：擷取一第一圖框及一第二圖框；於該第一圖框中選擇一預設尺寸之一第一區塊並於該第二圖框中選擇該預設尺寸之一第二區塊；根據該第一區塊及該第二區塊決定一位移量；將該位移量與至少一門檻值相比較；及根據比較結果調整該預設尺寸之值。
本發明另提出一種位移偵測方法，包含下列步驟：擷取一第一圖框及一第二圖框；以該第一圖框之一預設尺寸範圍與該第二圖框之該預設尺寸範圍進行比對；根據比對結果決定一位移量；當該位移量大於一上門檻值，降低該預設尺寸之值；及當該位移量小於一下門檻值，增加該預設尺寸之值。
本發明另提出一種位移偵測裝置，包含一影像擷取單元、一儲存單元及一處理單元。該影像擷取單元擷取一第一圖框及一第二圖框。該儲存單元儲存至少一門檻值。該處理單元用以於該第一圖框中選擇一預設尺寸之一第一區塊並於該第二圖框中選擇該預設尺寸之一第二區塊、根據該第一區塊及該第二區塊決定一位移量、將該位移量與至少一門檻值相比較以及根據比較結果調整該預設尺寸之值。
本發明之位移偵測裝置及位移偵測方法中，係根據該第一圖框及該第二圖框中，該預設尺寸範圍之相關性來求得該位移量；其中該位移量可為一第一方向位移量與垂直於該第一方向之一第二方向位移量之絕對值和或該第一方向位移量與該第二方向位移量之平方和。本發明之位移偵測裝置係為一光學滑鼠。
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。此外，於本發明之說明中，相同之構件係以相同之符號表示，於此合先敘明。
請參照第2a及2b圖所示，其分別顯示根據本發明第一實施例之位移偵測裝置之示意圖及方塊圖。本實施例中，位移偵測裝置1係顯示為一光學滑鼠，但其並非用以限定本發明。該位移偵測裝置1通常係設置於一工作表面S上，一使用者可透過操控該位移偵測裝置1以相對控制一影像顯示裝置8之運作，例如控制顯示於該影像顯示裝置8之顯示幕上一游標81之動作或一軟件之運作。該影像顯示裝置例如可為一電視螢幕、一電腦螢幕、一投影幕、一遊戲機螢幕或其他用以顯示影像畫面之裝置。
該位移偵測裝置1包含一殼體100供一使用者操控，該殼體100下表面設置有一開孔H，而用以偵測該位移偵測裝置1相對於該工作表面S位移量之構件則設置於該殼體100內部。該位移偵測裝置1包含一光源101、一影像擷取單元102、一處理單元103、一儲存單元104、一傳輸介面單元105。此外，該位移偵測裝置1可另包含一透鏡106(或透鏡組)設置於該光源101之發光面前方以調整該光源101之照射範圍；並另包含一透鏡107(或透鏡組)設置於影像擷取單元102之感測陣列(sensor array)前方以調整該影像擷取單元102之感光效率。
該光源101之實施例包括，但不限於，發光二極體及雷射二極體，其較佳為紅外光發光二極體或紅外光雷射二極體，但本發明中該光源101並不限於紅外光光源；該光源101係用以照明該開孔H外工作表面S之範圍以供該影像擷取單元102能夠擷取足夠亮度之影像。可以了解的是，當該位移偵測裝置1不為光學滑鼠時，該光源亦可不與實施。
該影像感擷取單元102之實施例包括，但不限於，一CCD影像感測器及一CMOS影像感測器；其包含一感測陣列根據一取樣期間(sampling period)感測該開孔H外工作表面S之光影像，並將所擷取之光影像轉換為數位影像圖框(frame)傳送至該處理單元103進行處理。例如當該影像擷取單元102於每秒擷取3000張圖框時，取樣期間則為1/3000秒。
該處理單元103例如可為一數位信號處理器(DSP)，其係用以於該影像擷取單元102所擷取一目前圖框(current frame)選擇一搜尋區塊(search block)並於儲存於該儲存單元104之一參考圖框(reference frame)選擇一參考區塊(reference block)，並比較該參考區塊與該搜尋區塊間之相關性以計算該位移偵測裝置1於兩個取樣期間相對於該工作表面S之一位移量；其中該參考圖框為該影像擷取單元102於擷取該目前圖框之前一取樣期間所擷取之圖框。同時，該處理單元103並根據所求出之位移量動態地調整比較區塊之尺寸，此處比較區塊(comparison block)係指該參考區塊及該搜尋區塊；其中計算該位移量及動態調整比較區塊之實施方式將詳述於後。可以了解的是，該影像擷取單元102所擷取之目前圖框可直接傳送至該處理單元103進行比較，亦可先被儲存至該儲存單元104後，再由處理單元103至該儲存單元104讀取後進行比較。
該儲存單元104用以儲存該影像擷取單元102所擷取之參考圖框及目前圖框，同時儲存有至少一個門檻值或由複數門檻值所組成之一查找表(lookup table)。該處理單元103則將每一取樣期間所計算出之位移量與該門檻值比較以即時調整比較圖框尺寸，或根據該查找表決定所應調整的比較圖框尺寸。此外，當目前圖框被更新為參考圖框後，更新後之參考圖框亦儲存於該儲存單元104。
該傳輸介面單元105用以將該處理單元103所求得之位移量及其他控制信號以無線或電性的方式傳輸至該影像顯示裝置8；其中信號傳輸的方式係為習知技術，故於此不再贅述。
請參照第3圖所示，其顯示本發明實施例之位移偵測方法之示意圖。每一取樣期間，該影像擷取單元102擷取一目前圖框20並將其傳送至該處理單元103或儲存於該儲存單元104。此時該儲存單元104中已存有一參考圖框21，其為該影像擷取單元102於前一取樣期間所擷取之圖框。該處理單元103於該參考圖框21中選擇一預設尺寸之參考區塊，例如該參考圖框21正中央6×6之參考區塊RB2，為比較對象；並於該目前圖框20中以一6×6之搜尋區塊SB2依序搜尋該目前圖框20之全部範圍以得到一個與該參考區塊RB2具有最高相關性之最佳搜尋區塊SB2，其中搜尋的方式例如可由該目前圖框20之一個角落依序搜尋至相對角落。接著，該處理單元103計算該參考區塊RB2於該目前圖框20中之相對位置與該最佳搜尋區塊SB2之位移量以作為該位移偵測裝置1之位移量。接著，該處理單元103將所求得之位移量與至少一門檻值比較或對照一查找表，以求出下一取樣期間所使用之比較區塊尺寸，例如若所偵測之位移量比一下門檻值低，可選擇較大尺寸，例如8×8之比較區塊SB3及RB3；若所偵測之位移量比一上門檻值高，可選擇較小尺寸，例如4×4之比較區塊SB1及RB1；其中該下門檻值低於該上門檻值。雖然本實施例中，該目前圖框20及參考圖框21之尺寸顯示為14×14，但其僅為例示性，並非用以限定本發明。
一般而言，位移偵測裝置1在低速移動時需要較高之位移偵測線性度及穩定度而高速移動時須能夠偵測較高之極限速度。比較區塊之尺寸愈大，可得到較高之位移偵測線性度及穩定度；反之，比較區塊之尺寸愈小，則可偵測較高之極限速度。因此本發明根據所偵測之速度大小來決定比較區塊之尺寸，以同時提高高速及低速移動時之位移偵測效能。
請參照第4a~4c圖所示，其顯示本發明之位移偵測方法中門檻值設定之示意圖。本發明之門檻值主要是根據不同比較區塊尺寸所對應之每秒所能偵測之極限速度(Inch Per Second,IPS)所決定。一種實施例中，假設該目前圖框20及參考圖框21之尺寸為14×14且該影像擷取單元102之一感測陣列的每一個畫素面積為30微米平方(μm2 )；因此，當該等比較區塊之尺寸為8×8時，每秒所能偵測之極限速度則等於(14-8)×30×10-3 ×3000/25.4=21 IPS；當該等比較區塊之尺寸為6×6時，每秒所能偵測之極限速度則等於(14-6)×30×10-3 ×3000/25.4=28IPS；當該等比較區塊之尺寸為4×4時，每秒所能偵測之極限速度則等於(14-4)×30×10-3 ×3000/25.4=35IPS。上述之門檻值設定方式中，該處理單元103係於每秒進行一次比較區塊尺寸的調整，但本發明並不限定為每秒調整一次，調整時間亦可以小於1秒或大於1秒，而門檻值則可隨著調整時間改變。
例如第4a圖中，假設本發明之位移偵測方法中，該處理單元103可選擇三種尺寸的其中一種以進行位移偵測，且門檻值較佳低於使用每一種比較區塊尺寸時所能偵測之極限速度。例如本實施例中設定一第一上門檻值15IPS、一第二上門檻值25IPS、一第一下門檻值10IPS及一第二下門檻值20IPS，其中上門檻值與下門檻值設定為不同可避免當該位移偵測裝置1所偵測之位移量在門檻值附近時造成比較區塊尺寸在兩個值間來回改變的情形；然而，上門檻值與下門檻值亦可設定為相同。
根據第4a圖所示，如果比較區塊尺寸之初始設定為6×6，當該處理單元103所偵測出之每秒位移量大於25IPS時，則在下一個取樣期間將比較區塊尺寸調整為4×4；當該處理單元103所偵測出之每秒位移量小於10IPS時，則在下一個取樣期間將比較區塊尺寸調整為8×8；否則，比較區塊尺寸則維持為6×6。同理，當比較區塊尺寸為4×4或8×8時，該處理單元103則根據所偵測出之每秒位移量與門檻值的關係，調整下一個取樣期間所使用之比較區塊尺寸。可以了解的是，此處所選擇之門檻值的數值僅為例示性，並非用以限定本發明。
第4b圖顯示本發明之位移偵測方法中門檻值設定之另一示意圖，其中該處理單元103所計算之位移量可進一步區分為X方向位移量ΔX及Y方向位移量ΔY，其中X方向及Y方向係相互垂直。該處理單元103則可將X方向位移量ΔX及Y方向位移量ΔY其中之一、兩者絕對值和或兩者平方和與門檻值進行比較，並根據比較結果選擇下一個取樣期間所使用之比較區塊尺寸。例如第4b圖顯示為將X方向位移量ΔX及Y方向位移量ΔY的絕對值和與門檻值比較。此外，位移量的表示方式並不限於此處所揭示者，其他用以表示位移量的表示式亦可適用於本發明之位移偵測方法，例如X方向位移量ΔX及Y方向位移量ΔY的平方和開根號。
請參照第4c圖所示，其顯示本發明實施例之位移偵測方法中門檻值設定之另一示意圖，其中該處理單元103所求出之每秒位移量與門檻值之關係設定如下：當所偵測之移動速度逐漸增加時，當移動速度超過一第一速度V1，比較區塊尺寸則選擇為B1；當移動速度超過一第二速度V2，比較區塊尺寸則選擇為B2；當移動速度超過一第三速度V3，比較區塊尺寸則選擇為B3；而當移動速度超過一第四速度V4，比較區塊尺寸則選擇為B4；反之，當所偵測之移動速度逐漸降低時，當移動速度低於一第五速度V5，比較區塊尺寸則選擇為B3；而當移動速度低於一第六速度V6，比較區塊尺寸則選擇為B2。此外，本發明中還可將複數門檻值與比較區塊尺寸製作成一查找表，該處理單元103則根據該查找表選擇適當的比較區塊尺寸。
請參照第5a圖所示，其顯示本發明一實施例之位移偵測方法之流程圖，包含下列步驟：擷取一第一圖框及一第二圖框(步驟S1)；於該第一圖框中選擇一預設尺寸之一第一區塊並於該第二圖框中選擇該預設尺寸之一第二區塊(步驟S2)；根據該第一區塊及該第二區塊決定一位移量(步驟S3)；將該位移量與至少一門檻值相比較(步驟S4)；以及根據比較結果調整該預設尺寸之值(步驟S5)。
請參照第5b圖所示，其顯示本發明另一實施例之位移偵測方法之流程圖，包含下列步驟：擷取一第一圖框及一第二圖框(步驟S1)；以該第一圖框之一預設尺寸範圍與該第二圖框之該預設尺寸範圍進行比對(步驟S6)；根據比對結果決定一位移量(步驟S7)；當該位移量大於一上門檻值，則降低該預設尺寸之值(步驟S8)；以及當該位移量小於一下門檻值，則增加該預設尺寸之值(步驟S9)。
可以了解的是，本發明之位移偵測方法並不限於本發明說明所舉出之實施例，其亦適用於其他游標或指向指標之控制裝置；亦即，本發明之位移偵測方法適用於可透過偵測一偵測裝置與參考元件間之相對位移量以控制一游標動作或一軟件運作的任何偵測裝置。
使用本發明之位移偵測方法之位移偵測裝置可使用較小的感測陣列(sensor array)仍能達到同樣的位移偵測效能。例如，如果習知位移偵測裝置採用16×16之感測陣列及8×8之比較區塊，本發明則可採用14×14之感測陣列及8×8、6×6或4×4之比較區塊以達到相同的位移偵測效果。
綜上所述，由於習知位移偵測裝置具有無法判定微小位移量及精確度不足的問題。因此本發明另提出一種位移偵測裝置(第2a及2b圖)及一種位移偵測方法(第5a及5b圖)，透過適應性地改變比較區塊的尺寸，可具有同時提高位移量之偵測穩定度及偵測極限速度之功效，並可使用較小尺寸之感測陣列以降低成本。
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
100．．．殼體
101．．．光源
102．．．影像擷取單元
103．．．處理單元
104．．．儲存單元
105．．．傳輸介面單元
106．．．透鏡
107．．．透鏡
20．．．目前圖框
SB1~SB3．．．搜尋區塊
21．．．參考圖框
RB1~RB3．．．參考區塊
8．．．影像顯示裝置
81．．．游標
91．．．參考圖框
91a．．．第一參考區塊
91b．．．第二參考區塊
92．．．第一目前圖框
92a．．．第一搜尋區塊
93．．．第二目前圖框
93a．．．第二搜尋區塊
S．．．工作表面
H．．．開孔
S1~S9．．．步驟
第1圖顯示一種習知位移偵測方法之示意圖。
第2a圖顯示本發明第一實施例之位移偵測裝置及其相對之一影像顯示裝置之示意圖。
第2b圖顯示本發明第一實施例之位移偵測裝置之方塊圖。
第3圖顯示本發明實施例之位移偵測方法之示意圖。
第4a圖顯示本發明實施例之位移偵測方法中門檻值設定之示意圖。
第4b圖顯示本發明實施例之位移偵測方法中門檻值設定之另一示意圖。
第4c圖顯示本發明實施例之位移偵測方法中門檻值設定之再一示意圖。
第5a圖顯示本發明一實施例之位移偵測方法之流程圖。
第5b圖顯示本發明另一實施例之位移偵測方法之流程圖。
S1~S5．．．步驟

Claims (20)

  1. 一種位移偵測方法，包含下列步驟：擷取一第一圖框及一第二圖框；於該第一圖框中選擇一預設尺寸之一第一區塊並於該第二圖框中選擇該預設尺寸之一第二區塊；根據該第一區塊及該第二區塊決定一位移量；將該位移量與至少一門檻值相比較；及根據比較結果調整該預設尺寸之值，其中，當該位移量大於該至少一門檻值時降低或維持該預設尺寸之值而當該位移量小於該至少一門檻值時增加或維持該預設尺寸之值。
  2. 根據申請專利範圍第1項之位移偵測方法，另包含下列步驟：將該位移量傳輸至一影像顯示裝置。
  3. 根據申請專利範圍第1項之位移偵測方法，其中該位移量為一第一方向位移量與垂直於該第一方向之一第二方向位移量之絕對值和或該第一方向位移量與該第二方向位移量之平方和。
  4. 根據申請專利範圍第1項之位移偵測方法，其中根據該第一區塊及該第二區塊決定一位移量之步驟，另包含下列步驟：於該第二圖框中搜尋與該第一區塊具有最高相關性之該第二區塊；及以該第一區塊在該第二圖框中之相對位置與該第二區塊之位置差作為該位移量。
  5. 根據申請專利範圍第1項之位移偵測方法，其中該位移量為每秒位移量。
  6. 根據申請專利範圍第1項之位移偵測方法，其中該預設尺寸包含一第一尺寸以及一第二尺寸小於該第一尺寸，該位移偵測方法另包含下列步驟：當該位移量大於該門檻值時，選擇該第二尺寸；及當該位移量小於該門檻值時，選擇該第一尺寸。
  7. 根據申請專利範圍第1項之位移偵測方法，其中該預設尺寸包含一第一尺寸以及一第二尺寸小於該第一尺寸，該門檻值包含一上門檻值以及一下門檻值低於該上門檻值，該位移偵測方法另包含下列步驟：當該預設尺寸為該第一尺寸且該位移量大於該上門檻值時，將該預設尺寸調整為該第二尺寸；當該預設尺寸為該第一尺寸且該位移量小於該上門檻值時，維持該預設尺寸為該第一尺寸；當該預設尺寸為該第二尺寸且該位移量小於該下門檻值時，將該預設尺寸調整為該第一尺寸；及當該預設尺寸為該第二尺寸且該位移量大於該下門檻值時，維持該預設尺寸為該第二尺寸。
  8. 根據申請專利範圍第1項之位移偵測方法，其中複數門檻值係形成一查找表，將該位移量與至少一門檻值相比較之步驟係將該位移量於該查找表中比對。
  9. 一種位移偵測方法，包含下列步驟：擷取一第一圖框及一第二圖框； 以該第一圖框之一預設尺寸範圍與該第二圖框之該預設尺寸範圍進行比對；根據比對結果決定一位移量；當該位移量大於一上門檻值，降低該預設尺寸之值；及當該位移量小於一下門檻值，增加該預設尺寸之值。
  10. 根據申請專利範圍第9項之位移偵測方法，另包含下列步驟：將該位移量傳輸至一影像顯示裝置。
  11. 根據申請專利範圍第9項之位移偵測方法，其中該位移量為一第一方向位移量與垂直於該第一方向之一第二方向位移量之絕對值和或該第一方向位移量與該第二方向位移量之平方和。
  12. 根據申請專利範圍第9項之位移偵測方法，其中該位移量為每秒位移量；該下門檻值小於該上門檻值。
  13. 根據申請專利範圍第9項之位移偵測方法，其中該預設尺寸每次增加或降低2個畫素尺寸。
  14. 根據申請專利範圍第9項之位移偵測方法，其中以該第一圖框之一預設尺寸範圍與該第二圖框之該預設尺寸範圍進行比對之步驟中，係比對該第一圖框之該預設尺寸範圍與該第二圖框之該預設尺寸範圍之相關性。
  15. 一種位移偵測裝置，包含：一影像擷取單元，擷取一第一圖框及一第二圖框； 一儲存單元，儲存至少一門檻值；及一處理單元，用以於該第一圖框中選擇一預設尺寸之一第一區塊並於該第二圖框中選擇該預設尺寸之一第二區塊、根據該第一區塊及該第二區塊決定一位移量、將該位移量與至少一門檻值相比較以及根據比較結果調整該預設尺寸之值，其中，當該位移量大於該至少一門檻值時降低或維持該預設尺寸之值而當該位移量小於該至少一門檻值時增加或維持該預設尺寸之值。
  16. 根據申請專利範圍第15項之位移偵測裝置，另包含一光源提供該影像擷取單元於擷取影像圖框時所需之光。
  17. 根據申請專利範圍第15項之位移偵測裝置，另包含一傳輸介面單元用以將該處理單元所求得之該位移量傳輸至一影像顯示裝置。
  18. 根據申請專利範圍第17項之位移偵測裝置，其中該傳輸介面單元係無線或電性連接該影像顯示裝置。
  19. 根據申請專利範圍第15項之位移偵測裝置，其中該影像擷取單元所擷取之該第一圖框及該第二圖框係被儲存於該儲存單元。
  20. 根據申請專利範圍第15項之位移偵測裝置，其中該位移偵測裝置為一光學滑鼠。
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