CN101739158B - 轨迹平滑化方法及使用所述方法的导航装置 - Google Patents

Abstract

一种轨迹平滑化方法，根据先前输出的预定数目的平滑化位移处理最新估测的位移，所述轨迹平滑化方法包括下列步骤：累计先前输出的预定数目的平滑化位移以形成累计位移并记录前一输出的平滑化位移；估测最新位移；根据所述累计位移、所述前一输出的平滑化位移及所述最新位移形成数字滤波器；利用所述数字滤波器处理所述最新位移以产生最新平滑化位移；以及将所述最新平滑化位移传输到图像显示器。本发明还提供一种具有平滑轨迹的导航装置。

Description

轨迹平滑化方法及使用所述方法的导航装置

技术领域

本发明涉及一种图像处理方法及装置，特别涉及一种轨迹平滑化方法及使用所述方法的导航装置。

背景技术

现行的互动图像系统已广泛利用导航装置，例如鼠标或指向装置，进行位移量估测，且所述导航装置所估测的位移量将被传输到图像显示装置。由此，使用者可利用所述导航装置相对控制所述图像显示装置上的光标或指向指标的移动。然而，由于所述导航装置所估测并输出的位移量为量化值，若所述量化后的位移量未经平滑化处理，所述导航装置所输出的位移量往往呈现锯齿状变化，当使用者利用所述导航装置进行例如绘图作业时，便难以依据使用者的需求进行绘图工作。

因而业界便提出了轨迹平滑化的方法以试图解决上述问题。例如美国专利第5,661,502号，标题为“用来平滑化电脑鼠标移动量的自调节数字滤波器(Self-adjusting digital filter for smoothing computer mouse movement)”，提出了一种利用电脑程序平滑化指向指标位移量的方法，包括下列步骤：确定指向装置的目前坐标；决定所述指向装置的前一坐标；确定钝化常数(inertialconstant)；根据所述指向装置的目前坐标、所述指向装置的前一坐标及所述钝化常数求得所述指向装置的校正后坐标；及将所述校正后坐标输出到显示器以进行显示；其中，所述钝化常数取决于所要输出的速度灵敏度、所述指向装置的移动速度以及期望的滤波效果。总而言之，所述方法根据所述指向装置的目前坐标以及前一校正后的坐标进行平滑化处理，其平滑化效果有限。此外，若想要利用所述方法累计更多先前信息以求获得更佳的平滑化效果，则需耗费很大的存储空间来记录各种信息，因而需要较高的存储器成本。

有鉴于此，本发明另提出一种根据所累计的预定数目的位移信息来进行轨迹平滑化的方法及使用所述方法的导航装置。利用本发明的平滑化方法所形成的数字滤波器具有较佳的平滑化效果，且仅需记录累计至前一位移信息的状态。由于所述累计位移信息已包含先前位移量的各种信息，因而不需耗费大量存储器资源逐一记录各种位移信息，可降低系统成本。

发明内容

本发明提供一种轨迹平滑方法及使用所述方法的位移估测装置，其透过即时地处理导航装置所估测的位移信息，来提升所述导航装置操控性。

本发明提供一种轨迹平滑方法及使用所述方法的导航装置，由于仅需记录累计至前一输出的位移信息而不需逐一记录所有位移信息，可有效降低存储器需求。

本发明提供一种轨迹平滑化方法，其根据先前输出的预定数目的平滑化位移处理最新估测的位移。所述轨迹平滑化方法包括下列步骤：累计先前输出的预定数目的平滑化位移以形成第一累计位移并记录前一输出的平滑化位移；估测最新位移；将所述第一累计位移减去所述前一输出的平滑化位移并加上所述最新位移以形成第二累计位移；将所述第二累计位移除以预定正整数以形成最新平滑化位移；将所述最新平滑化位移累计至所述第一累计位移中并更新所述前一输出的平滑化位移；及将所述最新平滑化位移传输到图像显示器。

根据本发明的另一特点，本发明另提供一种轨迹平滑化方法，其根据先前输出的预定数目的平滑化位移处理最新估测的位移。所述轨迹平滑化方法包括下列步骤：累计先前输出的预定数目的平滑化位移以形成累计位移并记录前一输出的平滑化位移；估测最新位移；根据所述累计位移、所述前一输出的平滑化位移及所述最新位移形成数字滤波器；利用所述数字滤波器处理所述最新位移以产生最新平滑化位移；将所述最新平滑化位移累计至所述累计位移中并更新所述前一输出的平滑化位移；及将所述最新平滑化位移传输到图像显示器。

根据本发明的另一特点，本发明再提供一种导航装置，其利用数字滤波器进行轨迹平滑化。所述导航装置包含图像感测单元、处理单元、存储单元以及传输接口单元。所述图像感测单元用来采集图像以产生最新数字化位移。所述处理单元根据先前输出的预定数目的平滑化位移的累计位移、前一输出的平滑化位移及所述最新数字化位移来形成所述数字滤波器，并利用所述数字滤波器将所述最新数字化位移处理成最新平滑化位移。所述存储单元存储所述累计位移、所述前一输出的平滑化位移及所述最新数字化位移。所述传输接口单元将所述最新平滑化位移传输到图像显示器。

本发明的轨迹平滑化方法及使用所述方法的导航装置利用先前输出的预定数目的平滑化位移的累计信息作为平滑化处理的依据，具有较佳的平滑化效果及较低的存储器需求。所述导航装置例如可为鼠标或指标装置，用以相对控制图像显示器上的光标或指向指标的移动。此外，本发明的位移信息的一种实施例包括横向位移及纵向位移。另一种实施例中，位移信息系包括距离变化及角度变化。

附图说明

图1是本发明实施例的导航装置的应用示意图；

图2a是本发明实施例的导航装置的示意图；

图2b是本发明实施例的导航装置的框图；

图3是本发明实施例的轨迹平滑化方法的流程图；

图4是本发明实施例的数字滤波器的频率响应；

图5a是本发明实施例的轨迹平滑化方法中用来表示位移的示意图；

图5b是本发明实施例的轨迹平滑化方法中用来表示位移的另一示意图。

主要元件符号说明

10   导航装置                101    数字滤波器

11   光源                    12     图像感测单元

13   处理单元                14     存储单元

15   传输接口单元            210～250 步骤

90   图像显示器              91     光标

S    表面                    D      位移

X    横向位移                Y      纵向位移

r    距离变化                θ      角度变化

具体实施方式

为了让本发明的上述和其他目的、特征及优点能更明显，下文特举本发明实施例，并配合附图，作详细说明如下。

请参照图1所示，其显示根据本发明实施例的导航装置10的应用示意图，包含导航装置10及图像显示器90。应该了解的是，图1仅显示用以说明本发明的元件，并省略了其他元件。所述导航装置10的实施例包括鼠标及指向装置(pointing device)。所述导航装置10通过无线方式或电的方式耦接所述图像显示器90。所述图像显示器90例如是，但并不限于，电视、投影机屏幕、电脑屏幕及游戏机屏幕等，用来控制在所述图像显示器90的屏幕上显示的光标或指向指标91的移动。在本发明中，所述导航装置10用来采集多个数字图像并求出图像间的数字化位移，并利用数字滤波器101(在后面详述)处理所述数字化位移以形成平滑化位移，其将被传输到所述图像显示器90。可以了解的是，所述图像显示器90最好包含坐标处理单元(coordinate processing unit)，用来将所述平滑化位移与所述光标91的坐标结合。这样，所述光标91可根据所述平滑化位移在所述图像显示器90的屏幕上进行平滑的移动。

请参照图2a及2b所示，其分别显示本发明一个实施例的导航装置10的示意图及框图。在此实施例中，所述导航装置10用鼠标表示，并设置于表面S(例如桌面或鼠标垫表面)供使用者(未图示)操控。所述导航装置10包括光源11、图像感测单元12、处理单元13、存储单元14及传输接口单元15，其中所述数字滤波器101可设置在所述处理单元13内。

所述光源11的实施例包括发光二极管及激光二极管，用来照明所述表面S以提供所述图像感测单元12采集图像时所需的光。所述图像感测单元12的实施例包括，但不限于，电荷耦合装置(CCD)图像感测器及互补金属氧化物半导体(CMOS)图像感测器，用来采集自该表面S的反射光以形成数字图像，并计算所述导航装置10相对于所述表面S的数字化位移。例如，但不限于，根据数字图像间的相关性(correlation)计算所述数字化位移，其中所述数字化位移是未经过平滑化处理的数字化位移。所述处理单元13内设置所述数字滤波器101，来自所述图像感测单元10的数字化位移经过所述数字滤波器101(在后面详述)后将被形成平滑化位移并存储于所述存储单元14中。此外，所述处理单元13根据权重比例累计所述数字滤波器101所输出的平滑化位移并将其存储于所述存储单元14中，其中所述权重比例，例如可设定为越晚产生的平滑化位移具有越大的权重比例，而越早产生的平滑化位移具有越小的权重比例。此外，所欲累积的平滑化位移的个数可根据实际需求而设定，不同的累计个数可得到不同的平滑化效果。所述处理单元13系可内建于鼠标IC中，或为独立于鼠标IC的处理单元。

所述传输接口单元15则将所述数字滤波器101目前所输出的平滑化位移传输到所述图像显示器90。此外，所述导航装置10内可以还包含至少一透镜或透镜组，所述透镜或透镜组设置于所述光源11和/或所述图像感测单元12的前方，以进行光路的调整。可以了解的是，在其他实施例中，例如当所述导航装置10为指向装置而非鼠标时，所述光源11可被省略，且此时所述导航装置10并不需要设置于所述表面S，而可供使用者握持以进行操控。

请参照图3所示，其显示本发明实施例的轨迹平滑化方法的流程图，包括下列步骤：累计先前输出的平滑化位移，并记录前一输出的平滑化位移(步骤210)；估测最新位移(步骤220)；处理所述最新位移以产生最新平滑化位移(步骤230)；将所述最新平滑化位移累计至先前输出的平滑化位移，并更新所述前一输出的平滑化位移(步骤240)；以及输出所述最新平滑化位移(步骤250)。接着说明本发明实施例的轨迹平滑化方法的详细实施方式。

请再参照图1-3，所述导航装置10用预定报告率(report rate)，例如125Hz或500Hz，传输所输出的平滑化位移到所述图像显示器90。首先，所述导航装置10的处理单元13累计先前输出的预定数目的平滑化位移并记录前一输出的平滑化位移，并将它们存储于所述存储单元14中，其中当所述导航装置10从静止开始移动时，所述累计的平滑化位移以及所述前一输出的平滑化位移均为0(步骤210)。接着，所述导航装置10估测最新位移，其为数字化且未经平滑化处理的位移(步骤220)，其中估测所述最新位移的方式可利用公知技术的估测方式，例如利用图像间的相关性(correlation)进行估测。

将所述最新位移输入到所述数字滤波器101进行平滑化处理，且所述数字滤波器101通过下列过程所形成，

S[n]＝S[n-1]-P[n-1]+D[n]   式(1)

P[n]＝S[n]/N    式(2)

D’[n]＝P[n]    式(3)

其中，S[n-1]表示所累计的先前输出的预定数目的平滑化位移；P[n-1]表示前一输出的平滑化位移；D[n]表示所估测的最新位移；D’[n]表示所述最新位移经过所述数字滤波器101处理后所求得的最新平滑化位移。将式(1)及(2)整理后可求得，

P[n]＝((N-1)/N)×P[n-1]+(1/N)×D[n]   式(4)

其中，”×”表示乘号。将式(4)进行Z转换(Z-transform)后可求得所述数字滤波器101的转移函数(transfer function)为，

H[z]＝1/(N-(N-1)×z^-1)   式(5)

其中，N为正整数，且N的一种实施例为2，但并不限于此。因此，当所述最新位移D[n]输入所述数字滤波器101后，则可得到最新平滑化位移D’[n](步骤230)。同时，根据式(1)至式(3)可知，本发明的轨迹平滑化方法仅需记录先前输出的预定数目的平滑化位移S[n-1]的累计值以及前一输出的平滑化位移P[n-1]，而不需记录每一个输出的位移量，可有效减少存储空间需求；而且，由于先前输出的平滑化位移S[n-1]包含多个先前位移量的信息，可具有较佳的平滑化效果。必须了解的是，所需累计的先前输出的平滑化位移S[n-1]的个数可根据实际应用决定，且每一先前输出的平滑化位移可对应不同的权重(weighting)比例进行累计，以求获得更佳的平滑化效果。

接着，将所述最新平滑化位移D’[n]累计至先前输出的预定数目的平滑化位移中，并将所述前一输出的平滑化位移更新为最新平滑化位移D’[n](步骤240)。最后，所述导航装置10通过所述传输接口单元15将所述最新平滑化位移D’[n]输出到所述图像显示器90(步骤250)，以进行相对应的控制。

图4显示本发明实施例的数字滤波器的频率响应，其是根据式(5)的转移函数所求得，其中纵轴表示频率响应值，横轴表示归一化频率。根据图4所示，本发明的数字滤波器为低通滤波器，可将高频进行滤除以获得平滑化位移。于本实施例中，低频成分指所述图像感测单元所得的数字位移量中数值较小的部分，高频成本则为数字位移量中数值较大的部分。由于本发明的数字滤波器包含先前输出的多个平滑化位移信息，具有较佳的平滑化效果。

请参照图5a及5b所示，其显示本发明实施例的轨迹平滑化方法中，位移表示方式的二种实施例。第5a图显示直角坐标系，此时位移D包含横向位移X及纵向位移Y，即式(1)包含下列两个公式，

S_X[n]＝S_X[n-1]-P_X[n-1]+X[n]  式(6)

S_Y[n]＝S_Y[n-1]-P_Y[n-1]+Y[n]  式(7)

同理，式(2)至式(4)也分别包含横向及纵向部分，于此不再赘述。图5b显示圆柱坐标系，此时位移D包含距离变化r及角度变化θ，也即式(1)包含下列两个公式，

S_r[n]＝S_r[n-1]-P_r[n-1]+r[n]  式(8)

S_θ[n]＝S_θ[n-1]-P_θ[n-1]+θ[n]  式(9)

同理，式(2)至式(4)也分别包含距离及角度部分，于此不再赘述。

综上所述，由于公知轨迹平滑方法仅利用最新位移信息及前一位移信息形成数字滤波器，具有平滑效果较差且需要较大存储空间才能改善平滑化效果的问题。本发明提出一种轨迹平滑化方法(图3)，其利用累计预定数目的平滑化位移信息以及最新位移信息以形成数字滤波器，具有较佳的平滑化效果和较低的存储空间需求。此外，本发明的平滑化效果可根据累计的平滑化位移信息数目进行微调，具有较佳的实用性。

虽然本发明已经用前述优选实施例公开，然而上述公开并非用以限定本发明，任何本发明所属技术领域中的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做出各种更动与修改。因此本发明的保护范围应当根据附加的权利要求所述的范围为准。

Claims (22)

1.一种轨迹平滑化方法，用于根据最新估测的位移之先前输出的预定数目的平滑化位移处理最新估测的位移，所述轨迹平滑化方法包括下列步骤：

累计所述最新估测的位移之先前输出的预定数目的平滑化位移以形成第一累计位移，并记录所述最新估测的位移之前一输出的平滑化位移；

估测所述最新位移；

将所述第一累计位移减去所述前一输出的平滑化位移，并加上所述最新位移以形成第二累计位移；以及

将所述第二累计位移除以2以形成最新平滑化位移。

2.根据权利要求1所述的轨迹平滑化方法，其中所述第一累计位移、所述第二累计位移、所述最新位移、所述前一输出的平滑化位移以及所述最新平滑化位移包括横向位移和纵向位移。

3.根据权利要求1所述的轨迹平滑化方法，其中所述第一累计位移、所述第二累计位移、所述最新位移、所述前一输出的平滑化位移以及所述最新平滑化位移包括距离变化和角度变化。

4.根据权利要求1所述的轨迹平滑化方法，其中在所述累计先前输出的预定数目的平滑化位移的步骤中，利用权重比例累计先前输出的预定数目的平滑化位移。

5.根据权利要求4所述的轨迹平滑化方法，其中所述权重比例设定为越晚输出的平滑化位移具有越大的权重比例。

6.根据权利要求1所述的轨迹平滑化方法，该方法还包括下列步骤：将所述最新平滑化位移累计至所述第一累计位移中并更新所述前一输出的平滑化位移。

7.根据权利要求1所述的轨迹平滑化方法，该方法还包括下列步骤：将所述最新平滑化位移传输到图像显示器。

8.根据权利要求1所述的轨迹平滑化方法，其中所述预定正整数为2。

9.一种轨迹平滑化方法，用于根据最新估测的位移之先前输出的预定数目的平滑化位移处理最新估测的位移，所述轨迹平滑化方法包括下列步骤：

累计所述最新估测的位移之先前输出的预定数目的平滑化位移以形成累计位移，并记录所述最新估测的位移之前一输出的平滑化位移；

估测所述最新位移；

根据所述累计位移、所述前一输出的平滑化位移以及所述最新位移形成数字滤波器；以及

利用所述数字滤波器处理所述最新位移以产生最新平滑化位移。

10.根据权利要求9所述的轨迹平滑化方法，其中所述累计位移、所述前一输出的平滑化位移、所述最新位移以及所述最新平滑化位移包括横向位移和纵向位移。

11.根据权利要求9所述的轨迹平滑化方法，其中所述累计位移、所述前一输出的平滑化位移、所述最新位移以及所述最新平滑化位移包括距离变化和角度变化。

12.根据权利要求9所述的轨迹平滑化方法，其中在所述累计先前输出的预定数目的平滑化位移的步骤中，利用权重比例累计先前输出的预定数目的平滑化位移。

13.根据权利要求12所述的轨迹平滑化方法，其中所述权重比例设定为越晚输出的平滑化位移具有越大的权重比例。

14.根据权利要求9所述的轨迹平滑化方法，该方法还包括下列步骤：将所述最新平滑化位移累计至所述累计位移中，并更新所述前一输出的平滑化位移。

15.根据权利要求9所述的轨迹平滑化方法，该方法还包括下列步骤：将所述最新平滑化位移传输到图像显示器。

16.一种导航装置，用于利用数字滤波器进行轨迹平滑化，所述导航装置包括：

图像感测单元，用以采集图像以产生最新数字化位移；

处理单元，根据所述最新数字化位移之先前输出的预定数目的平滑化位移的累计位移、所述最新数字化位移之前一输出的平滑化位移以及所述最新数字化位移以形成所述数字滤波器，并利用所述数字滤波器将所述最新数字化位移处理成最新平滑化位移；以及

存储单元，存储所述累计位移、所述前一输出的平滑化位移以及所述最新数字化位移。

17.根据权利要求16所述的导航装置，该导航装置为鼠标或指标装置。

18.根据权利要求17所述的导航装置，其中当所述导航装置为鼠标时，所述处理单元集成于鼠标IC中。

19.根据权利要求16所述的导航装置，该导航装置还包括传输接口单元，用于将所述最新平滑化位移传输到图像显示器。

20.根据权利要求16所述的导航装置，其中所述最新平滑化位移等于所述累计位移减去所述前一输出的平滑化位移并加上所述最新数字化位移后所得数值再除以2。

21.根据权利要求16所述的导航装置，其中所述处理单元根据权重比例累计先前输出的预定数目的平滑化位移以产生所述累计位移。

22.根据权利要求21所述的导航装置，其中所述权重比例设定为越晚输出的平滑化位移具有越大的权重比例。

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