CN102402342B - 光学触控系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种光学触控系统，包括一基板、一玻璃模块、二光源、三反光布、二图像感测器以及一处理模块。玻璃模块配置于基板的一侧。二光源分别配置于玻璃模块的两端。三反光布邻接配置于基板上的边缘且与玻璃模块间形成一触控区，并用以反射二光源发出的光线。二图像感测器分别邻近二光源配置，并用以撷取触控区的图像。处理模块用以依据触控区的图像决定一触控动作是否产生。

Description

光学触控系统及方法

技术领域

本发明是有关于一种光学触控系统及方法，且特别是有关于一种结构简单且低成本的光学触控系统及方法。

背景技术

由于触控屏幕的操作方便且富直觉性，因此，触控屏幕大量地被应用于各种电子产品。目前，触控模块可根据感测原理区分为电阻式、电容式、超音波式及光学式触控模块。以光学式触控模块而言，其主要为二摄影机、三反光条以及二红外线LED固定于一玻璃上结合而成的应用产品。光学式触控模块利用使用者的手指或者是触控笔等对象位在触控区内时，红外线LED发出的光线被物件遮断。如此一来，根据摄影机所接收的图像并配合算法，即可得到对象在触控区中的位置。然而，使用整片玻璃以组合成光学式触控模块通常需要较高的成本，且亦需要更精密的组装技术，导致光学式触控模块制造复杂度变高。

发明内容

本发明是有关于一种光学触控系统及方法，利用简单的结构而降低生产复杂度及成本，并利用相关的算法减少误动作的产生。

根据本发明的第一方面，提出一种光学触控系统，包括一基板、一玻璃模块、二光源、三反光布、二图像感测器以及一处理模块。玻璃模块配置于基板的一例的非主动区域。二光源分别配置于玻璃模块的两端。三反光布邻接配置于基板上的边缘且与玻璃模块间形成一触控区，并用以反射二光源发出的光线。二图像感测器分别邻近二光源配置，并用以撷取触控区的图像。处理模块用以依据触控区的图像判断该玻璃模块是否形变偏移。

根据本发明的第二方面，提出一种光学触控方法，应用于一光学触控系统。光学触控系统包括一基板、一玻璃模块、二光源、三反光布、二图像感测器以及一处理模块。玻璃模块配置于基板的一侧的非主动区域。二光源分 别配置于玻璃模块的两端。三反光布邻接配置于基板上的边缘且与玻璃模块间形成一触控区。二图像感测器分别邻近二光源配置。光学触控方法包括下列步骤。二图像感测器从触控区各撷取一张图像而合成得到一背景图像。处理模块定义背景图像上的一左边界及一右边界而得到一有效区域。二图像感测器从触控区撷取得到一当前图像。处理模块基于左边界及右边界上的非零像素而界定当前图像的一关注窗区域图像，并比较关注窗区域图像与一正确图像以判断玻璃模块是否形变偏移。

为了对本发明的上述及其它方面有更佳的了解，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。

附图说明

图1绘示依照本发明较佳实施例的光学触控系统的示意图。

图2绘示依照本发明较佳实施例的光学触控系统的运作过程的一例的流程图。

图3绘示依照本发明较佳实施例的背景图像的平均灰阶分布图。

图4a绘示依照本发明较佳实施例的时间点t的正确图像的示意图。

图4b绘示依照本发明较佳实施例的时间点(t+1)的关注窗区域图像的示意图。

图5绘示依照本发明较佳实施例的使用高斯平滑滤波的示意图。

图6a及图6b分别绘示依照本发明较佳实施例的关注窗区域图像在不同屏蔽下的示意图。

图7绘示4×4屏蔽与对应的4×4反转屏蔽的示意图。

图8绘示依照本发明较佳实施例的依梯度方向对能量大小作非最大值删除的示意图。

图9a绘示不连续的边缘点线段的示意图。

图9b绘示填补后的边缘点线段的示意图。

图10绘示依照本发明较佳实施例的坐标换算的示意图。

[主要元件标号说明]

100：光学触控系统

110：基板

120：玻璃模块

132、134：光源

142、144、146：反光布

152、154：图像感测器

160：处理模块

170：触控区

具体实施方式

本发明提出一种光学触控系统及方法，利用简单的结构而降低生产复杂度及成本，并利用相关的算法减少在非触控区误动作的产生。

请参照图1，其绘示依照本发明较佳实施例的光学触控系统的示意图。光学触控系统100包括一基板110、一玻璃模块120、二光源132及134、三反光布142、144及146、二图像感测器152及154以及一处理模块160。玻璃模块120配置于基板110的一侧。相较于传统光学式触控模块采用整片玻璃，本发明的玻璃模块120则仅配置于基板110一侧的非主动区域。二光源132及134分别配置于玻璃模块120的两端以发出光线。

三反光布142、144及146邻接配置于基板110上的边缘且与玻璃模块120间形成一触控区170，并用以反射二光源132及134发出的光线。本发明采用三反光布142、144及146以取代传统的反光条，如此不仅提高反射光量及整体平均灰阶而改善角落亮度不足的问题，并且节省大量成本。此外，由于本发明使用的反光布142、144及146宽度较大，故可增加玻璃模块120受外力影响时造成形变偏移的容忍度。二图像感测器152及154分别邻近二光源132及134配置，并用以撷取触控区170的图像。处理模块160用以依据撷取到的触控区170的图像来决定一触控动作是否产生。

请参照图2，其绘示依照本发明较佳实施例的光学触控系统的运作过程的一例的流程图。于步骤S200中，二图像感测器152及154从触控区170各撷取一张图像而合成得到一背景图像。请参照图3，其绘示依照本发明较佳实施例的背景图像的平均灰阶分布图。处理模块160会对背景图像进行初步处理以定义背景图像上的一左边界b_l及一右边界b_r而得到一有效区域K，如图3所示。

接着，于步骤S210中，处理模块160通过分群算法(clustering algorithms)依照数据的分布情况，将性质相似的数据分成若干个群聚并分别 加以分析以降低误动作产生的机率。处理模块160初始地检测玻璃模块120是否受外力影响而导致形变偏移。其中，二图像感测器152及154先从触控区170撷取得到一当前图像。处理模块160基于在当前图像中左边界b_l及右边界b_r上找出连续n个以上非零像素点，直到出现连续m个零像素点为止，故处理模块160得以界定当前图像的一关注窗(window of interest)区域图像。其中，n及m为预先给定的整数。

然后，处理模块160比较此关注窗区域图像与一正确图像(golden image)以判断玻璃模块120是否形变偏移。请参照图4a及图4b，图4a绘示依照本发明较佳实施例的时间点t的正确图像的示意图，图4b绘示依照本发明较佳实施例的时间点(t+1)的关注窗区域图像的示意图。亦即，处理模块160将时间点t的正确图像(例如出厂前图像)作为参考图像，将时间点(t+1)的关注窗区域图像以区块式(block based)的绝对误差和(The sum of absolute differences)算法做点对点的区域搜寻。如此一来，处理模块160比较关注窗区域图像与正确图像间相似性的部分，即可评估玻璃模块120于出厂后是否产生形变偏移。若玻璃模块120被判断产生形变偏移(亦即超出容忍度太多)，则光学触控系统100不会被继续使用。

若玻璃模块120被判断为未形变偏移，由于各撷取图像可能含有随机噪声，而随机噪声包含高斯噪声及盐巴与胡椒噪声两种型式，则处理模块160可选用高斯平滑滤波器(Gaussian smoothing filter)对当前图像进行一低通滤波以去除高频噪声并可强化物体的边缘位置。其中，高斯平滑滤波器的方程式例如为式(1)所示的二维高斯函式，以使得每个方向的平滑程度阶相同，其中x为像素值。

$G\left(x\right)=(-\frac{x}{{\mathrm{\σ}}^2}{e}^{-\left(\frac{x^2}{2{\mathrm{\σ}}^2}\right)})---\left(1\right)$

实质上，高斯平滑滤波器可为一3×3屏蔽(mask 1)，请参照图5，其绘示依照本发明较佳实施例的使用高斯平滑滤波的示意图。如式(2)所示，输出像素值b(i，j)由输入图像素值a(i，j)与屏蔽m(p，q)做折积(convolution)而得。

$b(i,j)=\frac{m_{11}{a}_{(i-1)(j-1)}+m_{12}{a}_{(i-1)j}+m_{13}{a}_{(i-1)(j+1)}+m_{21}{a}_{i(j-1)}+m_{22}{a}_{\mathrm{ij}}+m_{23}{a}_{i(j+1)}+m_{31}{a}_{(i+1)(j-1)}+m_{32}{a}_{(i+1)j}+m_{33}{a}_{(i+1)(j+1)}}{m_{11}+m_{12}+m_{13}+m_{21}+m_{22}+m_{23}+m_{31}+m_{32}+m_{33}}---\left(2\right)$

请参照图6a及图6b，其分别绘示依照本发明较佳实施例的关注窗区域 图像在不同屏蔽下的示意图。于图6a及图6b中，关注窗区域图像为K×M的图像。请配合参照图7，其绘示4×4屏蔽与对应的4×4反转屏蔽的示意图，其中反转屏蔽的权重为屏蔽的权重反转而得。处理模块160以相对应于屏蔽(mask 1)的一反转屏蔽(mask 2)对关注窗区域图像的每一个像素在以像素为中心向四面延伸n×n的一相似性搜寻范围内进行区域匹配(block matching)，并记录绝对误差和的值为最小的相对位置以定位关注窗区域图像的一实际面与一反射面的边缘界限(edge boundary)。其中，若绝对误差和低于一特定门坎值则不予以记录。

之后，处理模块160对上述得到的边缘界限进行二值化的处理。若边缘界限上的像素值大于一预设门坎值，则被设定为最大像素值(例如为255)，若否，则保留原像素值。上述的作法可能会产生孤立的暗点噪声，因此处理模块160对二值化后的边缘界限进行一中间值滤波(Median filtering)以去除暗点噪声而保持图像锐利度及外围像素的亮度值。其中，中间值滤波是将二值化后的边缘界限依大小进行排序，并取排序后的中间值填入取代像素值。

接着，处理模块160利用索贝尔滤波器(Sobel filter)对边缘界限上的每一像素进行一阶导函数的高通滤波以得到此些像素的能量大小(magnitude)与梯度方向(direction)。其中，一阶导函数 f如式(3)所示，能量大小 f(x，y)如式(4)所示，梯度方向α(x，y)如式(5)所示。

$\▿f=\frac{\∂f}{\∂x}+\frac{\∂f}{\∂y},G_x=\frac{\∂f}{\∂x},G_y=\frac{\∂f}{\∂y}---\left(3\right)$

$\▿f(x,y)=\sqrt{G_x^2+G_y^2}---\left(4\right)$

$\mathrm{\α}(x,y)={\tan }^{-1}\left(\frac{G_y}{G_x}\right)---\left(5\right)$

更进一步地，处理模块160将梯度方向α(x，y)量化为例如4种方向，例如将小于22.5度或大于157.5度的梯度方向α(x，y)量化为θ(x，y)＝0度，将22.5度至小于67.5度的梯度方向α(x，y)量化为θ(x，y)＝45度，将67.5度至小于112.5度的梯度方向α(x，y)量化为θ(x，y)＝90度，将112.5度至小于157.5度的梯度方向α(x，y)量化为θ(x，y)＝135度等。

在将梯度方向量化后，处理模块160并对每一像素在对应的梯度方向进行一区域能量评估以判断是否保留此像素。上述步骤主要在于依梯度方向对能量大小作非最大值删除(Non-maximum Suppression)。亦即，在同一梯度方 向中找出区域最大值以抑制其它非真实的边缘点出现，如图8所示，其绘示依照本发明较佳实施例的依梯度方向对能量大小作非最大值删除的示意图。当θ(x，y)＝0度，像素p(x+1，y)、p(x，y)及p(x-1，y)会被检视；当θ(x，y)＝45度，像素p(x+1，y+1)、p(x，y)及p(x-1，y-1)会被检视；当θ(x，y)＝90度，像素p(x，y+1)、p(x，y)及p(x，y-1)会被检视；当θ(x，y)＝135度，像素p(x+1，y-1)、p(x，y)及p(x-1，y+1)会被检视。

然后，处理模块160依据一第一门坎值T_h与一第二门坎值T_l对保留的此些像素进行一迟滞性界定(hysteresis thresholding)以判断保留的像素是否为边缘点。其中，第一门坎值T_h大于第二门坎值T_l。任何一个像素的能量大小只要大于第一门坎值T_h则认定为边缘点，而连接此点邻近的像素，只要其能量值大于第二门坎值T_l也被认定为边缘点。最后仍可能会出现部分不连续的情况。因此，处理模块160针对不连续的此些边缘点利用先前得到的梯度方向推算出点与点之间的斜率，并基于斜率进行填补而决定一完整边缘线段。请参照图9a及图9b，图9a绘示不连续的边缘点线段的示意图，图9b绘示填补后的边缘点线段的示意图。

接着，于步骤S220中，处理模块160根据图像序列中，当前图像与一先前图像的差异是否达一第三门坎值，且根据完整边缘线段为中心的一延展区域是否被碰触，以判断触控动作是否产生。若差异超过第三门坎值，且延展区域被碰触，则代表一对象进入触控区170，亦即触控动作被判断产生。若未产生触控动作，则回到步骤S200。

在触控动作产生后，由于对象的触控动作在关注窗区域图像中对应的图像是以高斯分布(Gaussian distribution)呈现，故于步骤S230中，处理模块160执行一重心估计运算以决定对应于触控动作的像素。其中，重心W_p如式(6)所示，其中F(i)为当前图像的像素值，bg(i)为背景图像的像素值。

$W_p=\underset{i=\mathrm{bl}}{\overset{\mathrm{br}}{\mathrm{\Σ}}}\frac{i*|F\left(i\right)-\mathrm{bg}\left(i\right)|/\mathrm{bg}\left(i\right)}{|F\left(i\right)-\mathrm{bg}\left(i\right)|/\mathrm{bg}\left(i\right)}---\left(6\right)$

之后，如图10所示，其绘示依照本发明较佳实施例的坐标换算的示意图，于步骤S240中，处理模块160依据二图像感测器152及154基于玻璃模块120对应于对象于触控区的一触控点P的二夹角θ₁及θ₂计算得到对应于如式(7)所示的触控点P于可视画面中的真实坐标(x，y)。

$x=\frac{\tan {\mathrm{\θ}}_2\×W}{\tan {\mathrm{\θ}}_1+\tan {\mathrm{\θ}}_2},y=\frac{W\×\tan {\mathrm{\θ}}_1\tan {\mathrm{\θ}}_2}{\tan {\mathrm{\θ}}_1+\tan {\mathrm{\θ}}_2}---\left(7\right)$

本发明上述实施例所揭露的光学触控系统及方法，具有多项优点，以下仅列举部分优点说明如下：

本发明的光学触控系统及方法系采用反光布取代传统的反光条，使得整体平均灰阶提高，减少角落因亮度不足而看不到的现象产生；此外，本发明利用简单的玻璃模块结构而降低生产复杂度，并降低组装及包装运送的麻烦而得以减少成本，并利用相关的算法降低对象在未进入触控区而提前引发误动作的机率。

综上所述，虽然本发明已以一较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视所附的权利要求范围所界定者为准。

Claims (16)

1.一种光学触控系统，包括：

一基板；

一玻璃模块，配置于该基板的一侧的非主动区域；

二光源，分别配置于该玻璃模块的两端；

三反光布，邻接配置于该基板上的边缘且与该玻璃模块间形成一触控区，并用以反射该二光源发出的光线；

二图像感测器，分别邻近该二光源配置，并用以撷取该触控区的图像；以及

一处理模块，用以依据该触控区的图像判断该玻璃模块是否形变偏移，

其中，该二图像感测器从该触控区各撷取一张图像而合成得到一背景图像，该处理模块定义该背景图像上的一左边界及一右边界而得到一有效区域；该二图像感测器从该触控区撷取得到一当前图像，该处理模块基于该左边界及该右边界上的非零像素而界定该当前图像的一关注窗区域图像，该处理模块并比较该关注窗区域图像与一正确图像以判断该玻璃模块是否形变偏移。

2.根据权利要求1所述的光学触控系统，其中，若该玻璃模块被判断为未形变偏移，则该处理模块对该当前图像进行一低通滤波以去除高频噪声。

3.根据权利要求2所述的光学触控系统，其中，该处理模块以一反转屏蔽对该关注窗区域图像的每一个像素在以该像素为中心向四面延伸n×n的一搜寻范围内进行匹配以定位该关注窗区域图像的一实际面与一反射面的边缘界限，其中，n为预先给定的整数，且对得到的该边缘界限进行二值化，并对二值化后的该边缘界限进行一中间值滤波以去除暗点噪声。

4.根据权利要求3所述的光学触控系统，其中，该处理模块对该边缘界限上的每一像素进行一高通滤波以得到该些像素的能量大小与梯度方向，并对每一像素在对应的该梯度方向进行一区域能量评估以判断是否保留该像素。

5.根据权利要求4所述的光学触控系统，其中，该处理模块依据一第一门坎值与一第二门坎值对保留的该些像素进行一迟滞性界定以判断保留的该些像素是否为边缘点，该处理模块并对不连续的该些边缘点基于斜率进行填补而决定一完整边缘线段。

6.根据权利要求5所述的光学触控系统，其中，该处理模块根据该当前图像与一先前图像的差异是否达一第三门坎值，且根据该完整边缘线段为中心的一延展区域是否被碰触，以判断该触控动作是否产生。

7.根据权利要求6所述的光学触控系统，其中，若产生该触控动作，则该处理模块执行一重心估计运算以决定对应于该触控动作的像素。

8.根据权利要求6所述的光学触控系统，其中，若产生该触控动作，则该处理模块依据该二图像感测器基于该玻璃模块对应于一触控点的二夹角计算得到对应于该触控点的坐标。

9.一种光学触控方法，应用于一光学触控系统，该光学触控系统包括一基板、一玻璃模块、二光源、三反光布、二图像感测器以及一处理模块，该玻璃模块配置于该基板的一侧的非主动区域，该二光源分别配置于该玻璃模块的两端，该三反光布邻接配置于该基板上的边缘且与该玻璃模块间形成一触控区，该二图像感测器分别邻近该二光源配置，该光学触控方法包括：

该二图像感测器各从该触控区撷取一张图像而合成得到一背景图像；

该处理模块定义该背景图像上的一左边界及一右边界而得到一有效区域；

该二图像感测器从该触控区撷取得到一当前图像；以及

该处理模块基于该左边界及该右边界上的非零像素而界定该当前图像的一关注窗区域图像，并比较该关注窗区域图像与一正确图像以判断该玻璃模块是否形变偏移。

10.根据权利要求9所述的光学触控方法，还包括：

若该玻璃模块被判断为未形变偏移，则该处理模块对该当前图像进行一低通滤波以去除高频噪声。

11.根据权利要求10所述的光学触控方法，还包括：

该处理模块以一反转屏蔽对该关注窗区域图像的每一个像素在以该像素为中心向四面延伸n×n的一搜寻范围内进行匹配以定位该关注窗区域图像的一实际面与一反射面的边缘界限，其中，n为预先给定的整数，且对得到的该边缘界限进行二值化，并对二值化后的该边缘界限进行一中间值滤波以去除暗点噪声。

12.根据权利要求11所述的光学触控方法，还包括：

该处理模块对该边缘界限上的每一像素进行一高通滤波以得到该些像素的能量大小与梯度方向，并对每一像素在对应的该梯度方向进行一区域能量评估以判断是否保留该像素。

13.根据权利要求12所述的光学触控方法，还包括：

该处理模块依据一第一门坎值与一第二门坎值对保留的该些像素进行一迟滞性界定以判断保留的该些像素是否为边缘点，该处理模块并对不连续的该些边缘点基于斜率进行填补而决定一完整边缘线段。

14.根据权利要求13所述的光学触控方法，还包括：

该处理模块根据该当前图像与一先前图像的差异是否达一第三门坎值，且根据该完整边缘线段为中心的一延展区域是否被碰触，以判断该触控动作是否产生。

15.根据权利要求14所述的光学触控方法，还包括：

若产生该触控动作，则该处理模块执行一重心估计运算以决定对应于该触控动作的像素。

16.根据权利要求14所述的光学触控方法，还包括：

若产生该触控动作，则该处理模块依据该二图像感测器基于该玻璃模块对应于一触控点的二夹角计算得到对应于该触控点的坐标。