CN102063230A - 一种光学成像触摸传感系统及其成像方法 - Google Patents

Abstract

一种光学成像触摸传感系统，包括触摸屏、红外电子笔、图像处理电路；所述图像处理电路包括两个成像传感器件，两个成像传感器件分别安装在触摸屏两侧；所述成像传感器件包括带滤可见光光学镜头。红外电子笔在触摸屏上运动时，发出不可见红外线，经过滤光片镜头，在触摸屏两侧的成像传感器件上形成亮斑图像，图像处理电路对图像进行计算，解析出红外线发光笔在触摸屏上的二维坐标，最后通过USB接口将坐标数据传送到计算机，经过计算机定位程序实现了红外光笔到计算机鼠标位置信息转换。本发明简化了传感器的光路结构，减少光学设备以及硬件设备，同时利用特殊的算法优化了图像处理方式，提高系统的抗干扰性。

Description

一种光学成像触摸传感系统及其成像方法

【技术领域】

本发明涉及一种用于红外触摸屏的光学成像触摸传感系统及其成像方法，属于光学和摄像技术领域，尤其是用于触摸屏、电子白板的使用图像传感定位的摄像技术领域。

【背景技术】

随着触摸屏的普及，触摸屏的图像传感装置也开始广泛的应用，其包含有由图像传感芯片和光学成像系统构成的图像传感器，安装在被检测的屏幕的边缘。其通过使用面阵或线阵图像传感器，其中包含有使用凸凹透镜构成的镜头以及必要的反射镜构成的两路光学成像系统，两个镜头互相分离并且面向所述屏幕，从而利用立体摄像的功能实现对触摸物的定位。两路光学成像系统利用互锁的电子快门，实现不同光路在同一传播路径上的分时复用，或者通过利用独立的光路实现分区复用，成像在一片图像传感芯片的表面。由于目前的触摸屏图像传感装置的抗干扰性差，光路复杂，需要大量的光学设备，以及复杂的硬件设备，这样在生产成本上难以降低，阻碍了触摸屏的图像传感装置的推广。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题在于提供一种光学成像触摸传感系统及其成像方法，该方法简化了传感器的光路结构，减少光学设备以及硬件设备，同时利用特殊的算法优化了图像处理方式，提高系统的抗干扰性。

本发明采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种光学成像触摸传感系统，包括触摸屏、红外电子笔、图像处理电路；所述图像处理电路包括两个成像传感器件，两个成像传感器件分别安装在触摸屏两侧；所述成像传感器件包括带滤可见光光学镜头。

一种光学成像触摸传感系统的成像方法，包括如下步骤：

步骤一：红外电子笔在屏幕上运动时，发出不可见红外线，经过滤光片镜头，在屏幕左右两侧的成像传感器件形成亮斑图像；

步骤二：图像处理电路对bmp图像进行解析，采用逐行逐列扫描成像图像的每一个像素点，判断每个像素点的RGB值，采用动态算法进行解析成像图像RGB值，从而判断红外发光笔亮点位置，解析出信号源产生的观点二维坐标；

步骤三：通过USB接口将坐标数据输送到计算机，经过计算机定位程序实现了红外线光笔位置到计算机鼠标位置信息转换。

所述步骤一中滤光片由亚克力薄皮为基材，在亚克力材料中添加深红色色粉。

本发明的优点在于：简化了传感器的光路结构，减少光学设备以及硬件设备，同时利用特殊的算法优化了图像处理方式，提高系统的抗干扰性。

【附图说明】

下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的描述。

图1是本发明系统光路图。

图2是CCD像面坐标系与显示屏幕的坐标系坐标转换几何关系示意图。

【具体实施方式】

如图1所示，光学成像触摸传感系统的光路图，包括触摸屏1、红外电子笔2、图像处理电路；所述图像处理电路包括两个成像传感器件，两个成像传感器件分别安装在触摸屏1两侧；所述成像传感器件包括带滤可见光光学镜头3。本发明中的光路结构采用了发光笔与滤光片组成了一个双目视觉系统，采用滤光片把可见光滤除，透过发光笔光线，与现有技术的做法是透过可见光，滤除红外光的做法相反。

红外电子笔2触碰触摸屏1时，红外电子笔2内部轻触开关导通，红外电子笔2能够发出800-1600nm的红外光线，当红外电子笔2处于抬笔式，红外电子笔2不发光。所以光笔的运动书写轨迹和光点的运动轨迹相同。

触摸屏1左右两侧的带虑可见光镜头3的成像传感器，对板面进行成像，由于滤光原因，成像出来的图像是暗图像，当有红外光笔发光时，会在暗图像上形成亮斑。

图像处理电路对成像图像进行解析处理，由于bmp图像是按每个像素点进行排列，核心是要判断每个像素点颜色深度值，也就是RGB值，通过对比关联点RGB值的变化，从而检测到移动的亮点，获取到亮点在成像图像中的位置信息。

图像处理电路根据采集到的光点信息进行预处理得到光点在图像传感器像面坐标下的位置X、Y，此位置还不能直接来定位屏幕光标，还必须经过一定的转换，才可以作为最终的屏幕光标坐标值。

由于图像传感器的安装与板面成45度，CCD的坐标轴与屏幕显示坐标轴有一定的角度偏差，所以图像处理电路会对坐标进一步进行转换。

坐标定位转换原理：

由于CCD安装位置的限制，CCD的坐标轴与屏幕显示坐标轴有一定的角度偏差。因此CCD像面坐标系与显示屏幕的坐标系之间存在着坐标原点的差异、坐标轴不平行差异(表现为旋转角θ)、以及坐标尺度的差异。如图2所示，外面较大的矩形表示CCD的摄像区域，里边较小的区域表示大屏幕显示区域，其中xoy坐标系表示CCD像面坐标系，X O Y坐标系表示大屏幕显示坐标系。设X O Y坐标系和xoy坐标系的单位量X^*、Y^*、x^*、y^*之间存在着以下的比例关系：

X^*＝m1x^*        X^*＝m2y^*

Y^*＝n1x^*        Y^*＝n2y^*               (1)

若x0、y0表示X Y坐标系原点在xoy坐标系中的坐标值，由图2所示几何关系可推出：

X＝m₁(y₀sinθ-x₀cosθ)+m₁xcosθ-m₁ysinθ

$Y=(n_1{y}_0\sin \mathrm{\θtg\θ}-n_1{x}_0\sin \mathrm{\θ}-\frac{n_2}{\cos \mathrm{\θ}}{y}_0)+n_{1}x\sin \mathrm{\θ}+$

$(\frac{n_2}{\cos \mathrm{\θ}}-n_1\sin \mathrm{\θtg\θ})y---\left(2\right)$

令x′₀＝m₁(y₀sinθ-x₀cosθ)， $y_0^{\′}=n_1{y}_0\sin \mathrm{\θtg\θ}-$

$n_1{x}_0\sin \mathrm{\θ}-\frac{n_2}{\cos \mathrm{\θ}}{y}_0$

m_a＝m₁cosθ，m_b＝-m₁sinθ，

$n_a=n_1\sin \mathrm{\θ},n_b=\frac{n_2}{\cos \mathrm{\θ}}-n_1\sin \mathrm{\θtg\θ},$

则有： $\left\{\begin{array}{c}X=m_{a}x+m_{b}y+x_0^{\′}\\ Y=n_{a}x+n_{b}y+y_0^{\′}\end{array}\right.---\left(3\right)$

设A是光笔在屏幕上产生的特殊光点，其在CCD像面上的坐标是(x，y)，带入(3)式可求得该点在屏幕上的坐标(X，Y)，再通过软件程序控制光标移到A点。由于(3)式中的系数x0′、y0′，m a，m b，n a，n b是未知的，因此要先通过坐标定位先求得这些系数。如图2所示，在矩形屏幕边缘的三个顶点上投影出三个固定亮点D1、D2、D3作为定位点，对于已知分辨率的屏幕来说这三个点的屏幕坐标值确定已知的，设其为(X1，Y1)，(X2，Y2)，(X3，Y3)，用光笔指到这三个亮点位置，通过信号处理可以得到其在CCD像面上的坐标值(x1，y1)，(x2，y2)，(x3，y3)，通过这三对坐标可以构造一个六元一次方程组，可以求得未知数：

$m_a=\frac{(X_1-X_2)(y_2-y_3)-(X_2-X_3)(y_1-y_2)}{(x_1-x_2)(y_2-y_3)-(x_2-x_3)(y_1-y_2)}$

$m_b=\frac{(x_1-x_2)(X_2-Y_3)-(x_2-x_3)(X_1-X_2)}{(x_1-x_2)(y_2-y_3)-(x_2-x_3)(y_1-y_2)}$

$n_a=\frac{(Y_1-Y_2)(y_2-y_3)-(Y_2-Y_3)(y_1-y_2)}{(x_1-x_2)(y_2-y_3)-(x_2-x_3)(y_1-y_2)}$

$n_b=\frac{(x_1-x_2)(Y_2-Y_3)-(x_2-x_3)(Y_1-Y_2)}{(x_1-x_2)(y_2-y_3)-(x_2-x_3)(y_1-y_2)}$

x′₀＝X₁-m_ax₁-m_by₁

y′₀＝Y₁-n_ax₁-n_by₁

                                                   (4)

经过图像处理电路的坐标转换后，该坐标为图像传感器像面坐标，通过USB通信把该坐标信息上传给PC机，PC机服务程序再进行坐标转换成鼠标坐标信息。

本发明采用CMOS普通成像摄像头，摄像头主要是对电子白板板面进行成像，当发光笔在电子白板板面进行书写时，电子笔开关导通，在电子笔红外发射管发射红外光线，红外光线能够透过滤光片，而可见光透不过滤光片，光线在CMOS传感器上形成电荷，摄像头逐行逐列扫描CMOS传感器电荷变化，从而形成了光线在CMOS传感器有光线信号到数字信号的转换，当每转换好一幅图像时，摄像头把转换好的图像数据上传给PC机，PC机成像图像进行解析处理。

本发明的优点是：1、发光笔在白板表面移动时候光学只在白板板面区域，况且是滤去可见光，所以本发明更具抗干扰性。2、本发明采用电子发光笔，就不用在电子白板上设计复杂的发射模块与反射光带，因此本发明最大限度上优化光路结构，让生产比较简易，器件比较少。

Claims (3)

1.一种光学成像触摸传感系统，其特征在于：包括触摸屏、红外电子笔、图像处理电路；所述图像处理电路包括两个成像传感器件，两个成像传感器件分别安装在触摸屏两侧；所述成像传感器件包括带滤可见光光学镜头。

2.一种光学成像触摸传感系统的成像方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一：红外电子笔在触摸屏上运动时，发出不可见红外线，经过滤光片镜头，在屏幕左右两侧的成像传感器件形成亮斑图像；

步骤二：图像处理电路对bmp图像进行解析，采用逐行逐列扫描成像图像的每一个像素点，判断每个像素点的RGB值，采用动态算法进行解析成像图像RGB值，从而判断红外发光笔亮点位置，解析出信号源产生的观点二维坐标；

步骤三：通过USB接口将坐标数据输送到计算机，经过计算机定位程序实现红外线光笔位置到计算机鼠标位置信息转换。

3.如权利要求2所述的一种光学成像触摸传感系统的成像方法，其特征在于：所述步骤一中滤光片由亚克力薄皮为基材，在亚克力材料中添加深红色色粉。

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