CN102411437A - 对鼠标绕z轴旋转后的倾角进行补偿的方法及设备 - Google Patents

Abstract

一种对鼠标绕Z轴旋转后的倾角进行补偿的方法，涉及一种可调整操作姿势使用的鼠标，该鼠标具有一平面位移传感器以及一数据处理模块，所述平面位移传感器反映一个有X、Y两个轴向的平面直角坐标系O，其特征在于：所述鼠标可通过外界输入或由鼠标自动测量获取一个代表鼠标体倾转方向的参数值θ，所述鼠标使用此参数值θ对鼠标位移传感器获取的原始采样数据或者由所述原始采样数据计算得出的位移数据进行坐标系变换计算，使用一个相对于原坐标系O的X轴、Y轴方向扭转过θ角度的新坐标系O’对最终的位移信息进行表示后再输出到主机，驱动光标移动。对鼠标绕Z轴旋转后的倾角进行补偿的方法还包括一种由鼠标自动获得所述倾角参数值的方法。

Description

对鼠标绕Z轴旋转后的倾角进行补偿的方法及设备

技术领域

本发明涉及一种可调整操作姿势使用的鼠标。

背景技术

鼠标是应用广泛的一种重要的计算机输入装置，通常包括壳体、分布在壳体上的按键板等操作元件和内部元件，内部元件又包括对应按键板及滚轮等被操作部件的微动开关与负责探查鼠标体相对桌面的移动的定位组件等等。其使用方式为手握供持握的壳体部分，以食指中指负责点按按键或者拨动滚轮发出点击或者上下等信号，以手持鼠标体的整体移动使鼠标在桌面上滑动并且由鼠标底部贴近桌面的定位组件探查移动的方向以及量，传导到计算机后控制屏幕上光标的位置。现在流行的定位原理有两种。一种叫通常称为机械式或光机式(光学机械式)，用机械结构探查鼠标体与桌面间的相对移动，是靠一个与桌面接触的胶球的滚动磨擦鼠标内的分管水平和垂直两个方向的栅轮的滚轴，带动栅轮转动，转动的栅轮上的锯齿样栅格周期性的遮断光电开关的信号从而产生能代表位移状态的脉冲信号。一种叫光学式，用光学成像器件探查鼠标体与桌面间的相对移动，是靠分析/比较摄像头先后拍摄到的相邻的两幅桌面图像的差异获得鼠标在X、Y两个坐标方向上的位移信息，再通过控制芯片向主机发送位移信号。

随着电脑越来越多的应用在人们工作和生活的各个方面，许多人需要长时间的操作电脑。作为最主要的输入设备之一，对鼠标器长时间操作也带来的手、腕、肩等的疲劳和疼痛，因此消除/减少操作鼠标的疲劳成了鼠标改进的主要目的之一，让鼠标外壳拿起来更舒服更适合人手生物特点的“人体工程学”设计成为重要的研究方向，但多数产品都会出现“人体工程学设计的越舒服受众就越小”的问题，比如专门为右手设计的就不能用于左手使用。申请号为200620166319.2的横式鼠标器提供了一种手型适应性更好的外形设计方向，与普通风格的鼠标的操作方式也差异较大，但是尚未成为流行方案。

推陈出新的人体工程学外壳始终未能满足人们的“健康”要求，说明现在的人体工学设计都走在相似的路上而缺乏创新。造成疲劳的根源是长时间的压力和肌肉紧张，不合适的外壳导致的不合适姿势固然是重要原因，但在任何手势下长时间保持不动都会成为肌体的压力并影响血液循环，哪怕开始时是舒适的。所以既要考虑外壳的舒适，也要考虑到使“舒适”的姿势也能变动一下。

发明内容

本发明以改善鼠标的操作适应性和舒适度为目标，提供一种可对鼠标体绕Z轴的旋转进行补偿的鼠标器，使人们在使用鼠标过程中可以有更大的改变姿势的自由而不影响正常操作，从而可以通过随时改变姿势、变化动作，缓解因固定姿势、重复动作带来的疲劳，活动不同的肌肉，改善血液循环。这种补偿也提高了鼠标的操作适应性，比如使专为右手设计的鼠标在左手使用时也能正确定向，不会出现方向偏移。

本发明解决这一问题所采用的方案是：通过外界输入或由鼠标自动测量获取一个代表鼠标体倾转方向的参数值θ，使用此参数值θ对鼠标位移传感器获取的原始采样数据或者由所述原始采样数据计算得出的位移数据进行坐标系变换计算，使用一个相对于原坐标系O的X轴、Y轴方向扭转过θ角度的新坐标系O’对最终的位移信息进行表示后再输出到主机，驱动光标移动。这一数据处理计算过程由鼠标器内的数据处理模块完成。

为了说明方便，认为鼠标的组成包括：位移传感器、数据处理模块、控制模块。位移传感器负责采集鼠标相对于取样平面移动的数据信息，数据处理模块对采集到的原始信号进行处理，交由控制模块向主机输出。实际中控制模块一般是一个微处理器，在控制各模块协同工作的同时本身就是有数据处理能力的。通常的光学鼠标包括两个数据处理器，专用于图像处理的DSP数字信号处理器和微处理器控制芯片，所以在光学鼠标内部这个数据处理的过程可以在其中任何一个完成，或者二者协同完成。由控制模块向主机输出的位移数据一般包括：代表X轴向移动距离的值以及方向值，和代表Y轴向移动距离的值以及方向值。一般X轴数据表示左右的位移，由左向右是正方向，Y轴数据表示上下方向的位移，由下向上是正方向。主机将依此驱动光标在对应的方向上移动对应的量，这个量值一般是以点数表示的，光标将在两个轴向上划过对应个数的屏幕像素点。

外界输入的倾转参数信息来源包括：由手动通过按动微动开关产生的信号，由拨动开关产生的信号，由旋转式电位器产生的模拟信号，由旋转式电容器产生的模拟信号，由绝对式旋转编码器盘产生的数字信号，由人工操作鼠标设置软件从主机端传入的信号等等。这个信号是一个角度参数值，代表预期要使鼠标体转动的角度，鼠标器以此值为参数计算出为这个预期的倾转姿态补偿后的值。

自动测量确定倾转参数角的方法：在程序开关或者按键开关的控制下，鼠标器进入角度设定模式，先进入测试阶段，使用者手持鼠标器左右晃动，由鼠标控制芯片或者程序记录这晃动时鼠标的原始值输出(不包含虚拟坐标转换成分的原始位移信号)，把左右向信号(比如X轴信号)的起始点和折返点作为光标的一次水平移动的起始点和终止点(这次移动的轨迹可被称为一次行程)，这两点之间的同向信号(比如从左向右的信号，或者从右向左的信号)发生过程中的前后向信号被记录并分析，起点和终点在垂直方向(前后方向)的点数差与一次水平信号(左右方向)的点数的比值被认为是鼠标倾斜的角度造成的，垂直方向的点数可以以起始点为0开始计数，向上移动一点算作+1，向下移动一点算作-1，一直累加到终点。晃动过程的多次行程的多个结果可以累加平均以减少误差。以一定的晃动次数(比方3次)或一定的时间(比方3秒钟)为标准，或者是以其他的标准(比方一次按键操作)，退出测试阶段并计算出倾角的结果，将倾角数据存储后退出角度设定模式，进入虚拟坐标补偿模式工作。

晃动过程的多次行程的多个结果也可以通过取优算法减少误差，方法是设定一个比率限值(比如±5％)，与平均结果误差超过此限值(比如±5％)的行程数据都被排除，然后用剩余的数据从新计算平均值；或者比较连续三次行程的数据，其中与中间值偏差最大的被排除，等待得到新的行程数据继续这一过程，直到最后三者的误差比率小于一个限值后(比如±2％)算作稳定，之后退出测试模式。或者是这样一种取优算法：把在一次行程中Y轴向位移越过正负转折点多于一次的行程数据组扔掉，只使用合格的一个行程的数据，或者是多于一个行程的数据最后取平均值。

纯机械鼠标工作的原理很简单，它采用一个小滚球和桌面接触，当滚球移动的时候，滚球压力推动辊轴滚动，辊轴的另一边连着编码器，在每个编码器上呈圆形排列的触点。当滚球滚动时，经过传导，使触点会依次碰到接触条，从而产生计算机容易辨认的，“接通”和“断开”，也就是“0”和“1”信号。这样的辊轴一般是成直角配置的两个，分别采集在左右方向的移动和前后方向的移动。通常鼠标内部有一个芯片会根据这些数据转换成“X”和“Y”轴的位移，从而驱使光标移动。这种采用机械接触式触点的机电式编码器精度低，且易磨损。为了克服纯机械式鼠标的这些弊端，又产生了使用光电编码器的光学机械式鼠标，一般简称为“光机鼠标”“光学机械式鼠标”，我们平常称呼的″机械鼠标″其实就是指这种鼠标，这是迄今为止鼠标历史上使用时间最长的非常成功的设计。光机鼠标主要的改变是把纯机械鼠标的机电式编码器部分改变成光栅轮和光敏元件组合的光电式编码器，通过光信号的导通遮断产生开关信号。光机鼠标的一般结构是：内部一般有一个自由滚动的实心橡皮球，在它的上下方向和左右方向成90度角各有一个辊轴和它相接触，这两个辊轴的端点各有一个光栅轮，光栅轮的两侧各有一组发光元件和光敏元件，当鼠标移动时，橡皮球滚动，并带动两个栅轮转动，栅轮的孔和非孔实体部分就会轮流通过和遮断由发光元件射向光敏元件的光线，光敏元件便感受到光线的变化，并把信号传输到鼠标内的控制芯片，再由控制芯片将鼠标的变化数据传给电脑驱动光标移动。实际上为了区分辊轴转动的方向，每个光栅轮隔断的光敏传感器有一对，就是有两个，这两个光敏传感器接收到的光信号有相位差，这两个传感器收到光信号的先后就反映了辊轴转动的方向。

在这样的鼠标结构中，如果交换由X轴编码器和Y轴编码器送来的信号数据，并且将Y轴的方向信号翻转(使原Y轴向负方向的运动变成新X轴向正方向的运动信号)，则就相当于整个定位模块顺时针旋转了90度。因为鼠标控制芯片的存在，这个交换适合在控制芯片处进行，可以是在编码器向控制芯片输入数据时就将两轴向的数据交换，之后参与控制芯片的计算流程；或者在控制芯片正常计算完成后，在通过接口电路向电脑输出前将计算结果改变，改变数据的格式，将原X轴的数据标记成Y轴数据输出，将原Y轴数据标记成X轴数据输出，并翻转原Y轴的方向信号。这样的方式适合90度、180度、270度的倾转角补偿，但实际中最有可能用到的可能只有90度和270度。如果是鼠标体顺时针旋转了270度，则需要翻转原X轴的方向信号。

对于非90度倍数的任意倾转角的补偿计算方法，将在下面对于光学鼠标的补偿方法中详细说明。

光学鼠标通常包括以下组成部分：发光二极管、光学透镜、光学引擎、控制芯片、轻触式按键、滚轮、连线、接口(PS/2或USB或无线)、PCB电路板、外壳等。工作方式是：发光二极管产生光学鼠标工作时所需要的光源；光学透镜组件负责将发光二极管发出的光线传送至鼠标的底部，并予以照亮，由凸透镜将已经被照亮的鼠标底部图像成像至光学引擎芯片底部的小孔中；光学引擎一般包括一个半导体感光元件矩阵(IAS，Image Acquisition System，图像获取系统)以及一个专用于对这个感光矩阵采集到的图像数据进行快速处理的光学定位DSP(Digital Signal Processor，数字信号处理器)，现在的产品中这个半导体感光元件矩阵一般是一个CMOS型图像感应器(微型摄像头)，CMOS感应器的尺寸一般为22×22＝484像素，也有的产品为30×30＝900像素(随着技术的进步将来应该会有更高规格的产品)，微型摄像头以一定的时间间隔(比如，每秒钟6000帧)不断进行图像拍摄，将图像转化成二进制的数字图像矩阵，光学定位DSP则负责前后相邻图像矩阵的分析比较，对比相邻图像中相同特征点的位置变化信息并据此计算出鼠标的移动方向和距离，并将计算结果传递到控制芯片；控制芯片可以说是光学鼠标的神经中枢，但由于主要的计算工作由光学引擎中的定位DSP芯片所承担，控制芯片就不需要负责这部分工作，它的任务就集中在负责指挥、协调光学鼠标中各部件的协调工作，同时也承担与主机连接的I/O职能(就是说接口控制模块一般也整合在控制芯片当中，比方鼠标采用PS/2接口、USB接口或者是蓝牙技术，就需要控制芯片整合相应的控制功能)。现有的光学鼠标产品，除了一般3/5键滚轮鼠标的标准功能往往有更多的功能，比如可以切换CPI(每英寸鼠标位移驱动光标移动的点数)输出标准以适应不同的屏幕大小或者适应不同的程序应用，或者有多个可以自定义功能的附加按键，可以定义每个按键在激发时会发出的单一信号或者信号组合或者带时序的组合信号，甚至可以存储多种自定义按键功能设置方案在鼠标器中，这些功能的实现一般都集成在控制芯片中。

激光鼠标只是光源部分换成了方向性和单一性更好的激光源，工作原理与光学鼠标并无本质区别。

有的产品将光学引擎和控制芯片集成为一块芯片，这一方面可以降低成本，另一方面也不利于灵活的扩展功能(有功能改变就需要重新设计整块芯片)，所以一般只用于驱动标准的鼠标功能，比方USB1.1接口的3键加滚轮鼠标(滚轮的上下滚动相当于两个按键，所以有时候称为“5键鼠标”)。高端的产品方案一般用不同性能的光学引擎方案和不同功能的控制芯片方案灵活搭配，形成系列产品。

与光机鼠标的编码器输出的是直接能代表位移量的脉冲信号不同，光学图像感应器本身并不能直接输出与位移值相关的信号，只是负责将光学图像转换为数字化矩阵数据，这一图像数据并不能反映位移。要得到位移信息必须对至少两幅前后拍摄的图像数据进行比较，却也不能直接比较两组图像数据的大小得到一个差值使用，必须经过图像分析才能获取有用的成分。这是一个计算量庞大的运算过程，需要处理的数据可以达到每秒钟数百万像素的级别，因而光学鼠标中专门配备善于高速处理数据的DSP单元给图像感应器，这样，光学鼠标的电路中实际上是有两个数据处理单元，DSP主要负责图像数据处理，控制芯片主要负责各部件的协调以及与主机的通信。

图像感应器本身是一个感光元件组合成的矩阵结构，虽然有的传感器的矩阵点的排列方式略有不同，但每个矩阵点都有一个严格不变的坐标，以利数据的有序采集和处理。比如一般的图像传感器是采用正十字纵横排列的矩阵，也有的图像传感器将奇数行和偶数行的传感器单元错开半个单元的尺寸形成五瓣梅花形的排列方式以压缩点阵间距提高像素密度，但各种点阵形式都是以严格的矩阵为基础的。虽然矩阵形式的图像传感器的工作方式可以正好用两个维度对应我们为检测位移划定的X、Y两个坐标方向，但如前面所述，图像传感器本身并无对移动方向和距离的判断能力，对移动的判断是由集成在一起的DSP完成的，在此种情况下，可借由DSP交换图像矩阵数据的坐标值信息，实现对倾转90度角及其倍数角度的补偿计算，亦即，将IAS送来的图像先做坐标交换，比如将原本坐标为120C的像素值标记为0C12坐标(参考图6)，并照此方式对一帧图像的所有像素值的坐标值进行变换，之后再对图像进行比较计算，然后按正常流程记录位移量。这样，只要再根据实际旋转的情况对X轴和Y轴的正负方向作出定义，就可以完成以90度的倍数为倾转角度的补偿计算了。这个过程也可以在控制芯片处完成，一如前面在光机鼠标处讲到的处理方式。

进一步的，借由对数字信号的处理，模拟工作平面内鼠标器任意角度的物理自旋，从而可以倾斜使用光学引擎，靠对信号的处理实现倾角的补偿，正确反映前后左右的方向。在原坐标系O中的任意点的坐标值(x、y)，在方向扭转过θ角度的共平面共原点的新坐标系O’中可以用(x×Cosθ-y×Sinθ，y×Cosθ+x×Sinθ)来表示。同样，在X轴、Y轴方向的位移总量也可以通过这种方式换算到X’、Y’轴向的位移总量。

这用旋转后的新坐标表示的位移数据的计算可以由DSP完成，也可以由控制芯片完成。因为对每一帧新图像的处理结果都需要转换，而光学引擎的采样频率已经达到每秒数千帧甚至上万帧，所以计算量很大。虽然可以对微型摄像头来的图像矩阵先做坐标转换后再进行帧的比较得到用新坐标表示的位移计算的结果，但是我个人觉得仅对DSP计算的位移结果进行坐标转换的方式更合适。因为在图像传感器的像素数很少的情况下进行图像旋转换算除了不能避免的产生像素位置误差，还会造成图像模糊，这些都会影响到后继DSP的计算；仅对DSP计算的位移结果进行坐标转换也可以少提升本就成本高昂的光学引擎的复杂度，使DSP专注于它定位的图像处理工作；而先由DSP对原始图像进行位移技算，然后对DSP计算的位移结果进行坐标转换的运算则开销较小。当然，如果不考虑成本和实现难度，可以选择任意的计算方式，是处理图像还是处理位移，是由DSP完成还是由控制芯片完成。

但是在倾转角是90度的倍数时由DSP对原始图像进行坐标系旋转换算即不会产生像素模糊，也不会需要太大量的运算，像这样发掘一下性能强大的DSP的剩余运算能力会是很有价值的尝试。

这种倾斜使用光学引擎在最后靠坐标系变换计算产生的虚拟坐标系下的位移信息的方法不利的方面主要来自于：在进行换算计算时因为数据精度的限制不可避免产生误差；另外倾斜的光学引擎会使两条虚拟坐标轴中一条的方向上的采样精度有所降低(参考图6之209、210、211)，但(推测)这种变化可能对集成在一起的DSP的计算影响不大。而且随着光学引擎像素数的提高、刷新速度的提高、计算能力的增强，这些影响无疑将会变得更小。尤其是在直角扭转(倾转角是90度的倍数)的实施中，实际是不会产生计算误差的，所以这种方法有很好的应用价值。

对三角函数的求取可能耗费资源，但在这种方案应用中的特点决定了，一旦这一角度计算完成，在后继的计算中就只需要引用而不需要重新计算了，所以对计算资源的需求问题并不严重。在三角函数得出后，剩下的主要是几步加法和乘法运算。

也可以为有限的角度参数制定一个变量表存储在程序中或者芯片的存储器中，供对应的角度倾斜值时引用。这一应用的特点也决定，并不需要过分细分的角度数值，因为人手持鼠标时本身就有较大的误差，可能有几度甚至十几度的误差，这些误差是使用者在对光标的反馈观察中由自然的动作反应来修正的。

一个典型的USB接口光学鼠标的核心模块如图X：IAS(Image AcquisitionSystem)图像获取系统与DSP(Digital Signal Processor)数字信号处理系统集成在光学引擎芯片内，光学引擎芯片通过SPI(Serial PeripheralInterface)串行外围接口界面与MCU(Microprocessor Control Unit)控制芯片做通讯，MCU通过USB接口与电脑主机通讯。在鼠标移动时，微型摄像头不断的对桌面图像进行拍摄，DSP不断的进行图像的处理得到并纪录下鼠标的移动量，储存在DSP的内存里，典型8位的DSP内存能够纪录的量的大小是+127～-128，MCU每固定一段时间(也就是SPI采样时间，一般在2ms左右)便会将DSP的资料读入并储存在MCU的内存里，使用Low Speed标准的USB接口的鼠标每8ms时间间隔一到，主机便会要求MCU回报总移动量并重新计数总移动量。

可见在这样的工作模式中，把MCU得到的总移动量在向主机汇报之前进行坐标换算是计算开销最小的方式。

假设新(虚拟)坐标系相对于原(芯片内矩阵)坐标系顺时针旋转了锐角A角，鼠标体被允许逆时针旋转θ角度使用，则由原X轴位移值x得出新的虚拟坐标位移值是x’＝x×Cosθ-y×Sinθ，同理y’的值是y’＝y×Cosθ+x×Sinθ。

为角度A制定一个如下形式的有限的变量表存储在程序中就可以支持对应角度值的扭转时的快速运算并尽量的保证坐标换算的精度。

x’＝x×Cosθ-y×Sinθ

y’＝y×Cosθ+x×Sinθ

角度A	变量	存储值
			30°	CosA、SinA	0.86602540、0.5
25°	CosA、SinA	0.90630779、0.42261826
			20°	CosA、SinA	0.93969262、0.34202014
15°	CosA、SinA	0.96592583、0.25881905
			10°	CosA、SinA	0.98480775、0.17364818
5°	CosA、SinA	0.99619470、0.08715574
			0°	CosA、SinA	1、0
90°	CosA、SinA	0、1

也可以通过安装在计算机端的程序(包括应用程序和驱动程序)完成本发明所说的倾转角补偿的坐标系换算工作，或者通过自动测量确定倾转角参数的工作。这将变成一种软件方法而不需要改动鼠标。

补偿角为90度的整数倍的情况有些特殊，因为它只需要简单的(按需要)交换X、Y的变量值和/或改变变量的符号(方向)就可以实现了，不需要进行更多的乘法或加法运算。决定是否改变位移变量值的符号或者是否对X、Y的变量值进行交换需要依据的实际情况，但其实仍然是遵从前文所述的公式的(x’＝x×Cosθ-y×Sinθ；y’＝y×Cosθ+x×Sinθ)，但对具体的角度值知道具体的变化规律后直接进行符号改变或者数值交换而不通过公式可以节省计算资源。当然，补偿角为0度以及360度的整数倍时是完全不需要处理的。

一些用于鼠标的微控制器芯片或者SoC形式的自带微控制器的光学传感器芯片提供了设置传感器方向的功能，可以实现以90度为倍数的旋转，但这种旋转与本发明描述的旋转仍有不同：1、这种旋转是提供给鼠标生产者的，为的是可以更灵活的安排芯片安放的位置和方向，简化鼠标的电路结构或适应鼠标内狭窄有限的空间，这种旋转是在生产时完成，一旦设置就固定下来，到消费者手中仍然是一个固定的不变的方向，消费者只能使用这个方向而不能根据需要使用二个或更多的角度值2、只能实现90度倍数的旋转，其实只有四个值(且相邻值之间至少相差90度)，在一般的鼠标设计中这样的旋转其实是没有有益效果的，因为旋转后没有合适位置的按键供操作，所以也并没有人去实现这样的旋转应用。

而本发明申请中所描述的“旋转”，哪怕是仅有不需要消耗计算资源的“90度”一个旋转角度值，使用者也可以在“0度”和“90度”两个方向下自由选择使用哪一个(因为鼠标器的形状和布局会做相应的设计创新)，而且可在自己疲劳或厌倦的时候随时换到另一个方向下使用——只要使用者改变给鼠标的参数值设定(通过按键或切换开关或电位器或驱动软件……等等途径)。

本发明申请中所描述的“旋转”，更包括参数值θ不是90°角的整数倍的情况，对细微角度的调整可以相对已有产品产生更人性化的效果。

对于数据处理模块使用输入的倾转参数值θ进行处理的源数据，包括鼠标位移传感器获取的原始采样数据或者由所述原始采样数据计算得出的位移数据，根据实际情况的不同有多种应用方式。当鼠标为光学机械式鼠标，移传感器传来的是脉冲信号，需要MCU先对脉冲进行计数，变成数据再参与计算。当鼠标为光学鼠标，而“数据处理模块”所指为光学引擎内部的DSP数据信号处理器时，原始采样数据是ISA传来的图像矩阵数据，可对图像矩阵数据进行旋转计算；当“数据处理模块”所指为光学鼠标的主控芯片MCU时，MCU获得的是光学引擎芯片传来的数字数值或者脉冲信号，若是数字则可以直接用于运算，若是脉冲信号则需要先计数再运算。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是一个普通左右手通用鼠标。

图2是手掌对普通鼠标的握姿示意图，为俯视图。

图3是一个鼠标内部电路模块化框图。

图4是一个可对绕Z轴的倾转角作出补偿的鼠标的运作流程图。

图5是另一个可对绕Z轴的倾转角作出补偿的鼠标的运作流程图。

图4和图5可用于对第二实施例做流程解释

图6是一个光学位移传感器的感光点矩阵及图像示意图。

图7是一个位移传感器的真实坐标系和补偿坐标系的关系图。

图8A、8B是第一实施例的鼠标在两个视角方向的视图。

图9是上述第一实施例鼠标的内部电路框图。

图10是上述第一实施例鼠标的运作流程图。

图11A和图11B是上述第一实施例鼠标的两个工作状态。

图12A和图12B是第二实施例的鼠标在两个视角方向的视图。

图13是上述第二实施例鼠标的内部电路框图。

图14是第三实施例的鼠标的视图。

图15是上述第三实施例鼠标的内部电路框图。

图16是上述第三实施例的自动测量补偿角参数的流程图。

图17是上述第三实施例的补偿角测试轨迹分析。

图18A和图18B是图17中两个测量行程的结果分析。

具体实施方式

图1是一个普通的左右手通用鼠标，是左右对称结构。图2是手掌对上述普通鼠标的握姿示意图，由图可见，在右手持用时鼠标前端向左倾斜，鼠标前后轴向304与使用者的正前后方向306产生一个θ角度的倾转角305。

图3是一个鼠标内部电路模块化框图。这样的标准框图，可以帮助对本发明思想的理解。其中包括控制模块105负责控制各模块协同工作，包括按键模块103、位移传感器模块101、与主机的通讯接口104，以及被抽象出来的可与控制模块高度交互的数据处理模块102。

图4是一个可对绕Z轴的倾转角作出补偿的鼠标的运作流程图。在流程开始后，根据是否要进行角度修正S102的需要分为以S103为起始的倾角设置流程和以S106为起始的正常工作流程。其中S104所指的“输入倾角参数θ”之“输入”是指以人的判断或者需要为主得到的参数数值，即人需要知道自己需要的鼠标倾转角度，输入来源包括能产生连续的模拟信号或者离散的数字信号的信号源，比如微动开关、拨动开关、绝对式旋转编码器盘等产生的数字信号的设备，或者产生模拟信号的旋转式电位器、旋转式电容器，或者由安装在主机110的设置软件通过通讯接口104传入鼠标的信号，都是优选的信号源。微动开关、拨动开关等开关型设备适合有固定的、少数的可选θ参数值的情况使用，旋转式电位器等则适合连续的、大范围的、可调节的θ参数值的情况使用，可以直观的对应实际角度(因为人对鼠标器的角度感觉并不非常敏感，旋转编码器的刻度可以很容易的多于实际需要的精度，所以这里也将它说成“连续的可调节的”)。而直线型的可调节输入器件(比如直线型电位器)则需要制作详细的刻度才能方便操作者使用，否则会出现设置到一个位置后并不知道代表多少角度值的问题。由软件输入可降低本需要加装在鼠标上的零件的成本，并且后继将在第四实施例说明的自动测量补偿角参数的方法也可以在主机完成，通过通讯接口104传入控制模块105。S104所指的“测量得到倾转参数θ”可以由鼠标内部的控制模块105和数据处理模块102配合完成，也可以由安装在主机110端的软件完成，并通过通讯接口104传回给控制模块105并存储在鼠标器中。

经过S105步骤，倾角设置流程完成后，鼠标不需要再进入这一流程，进入工作流程，控制模块105读取位移传感器数据S109并交由数据处理模块102对位移传感器的原始数据按参数θ进行坐标系变换S110(坐标系旋转)、再计算得出位移数据S111，最后完成向主机的输出S112。由S107和S108代表的分支流程，是考虑到有鼠标内部处理能力并不很强(比如后面第一实施例所述的情况)，只提供了90度倍数的θ参数计算能力，则0度的计算可以用左侧的分支表示。在鼠标的内部计算能力足够的情况下，完全可以使用右侧以S109为分支的流程来处理包括0度的所有θ参数。

图5是另一个可对绕Z轴的倾转角作出补偿的鼠标的运作流程图。与图4的主要不同在于工作流程的右侧以S209为开始的分支中，使用θ参数的坐标系变换运算S211是在计算处理得到位移数据S210之后。

图4和图5可用于对第二实施例做流程解释，忽略掉左侧由S107和S108代表的分支流程可以对应所有的第一三四五实施例，当然，保留这样一个“0度判断”流程也可以对应所有的第一三四五实施例，差别只是在对鼠标内处理器的计算能力的节约与浪费。

图6是一个22×22像素的光学位移传感器的感光点矩阵及所拍摄图像示意图。图中201是这个直角坐标系O的原点，202是坐标系O的X轴正方向，203是Y轴正方向，204是这个感光点矩阵的十六进制的X轴坐标标记，205是这个感光点矩阵的十六进制的Y轴坐标标记。假如由Y轴的12和X轴的0C对应的点的值在输出时的全址标记是120C，那么将此点的值的地址标记改成0C12则相当于将X、Y轴互换，再将原Y轴的正半轴定义成负半轴，就相当于坐标系顺时针转动了90度，或者说将感光矩阵逆时针转动了90度。

图中206是22×22＝484个感光点之一，207和208是图像中两块特征区域，是光学引擎判断相对于取样平面的位移的基准，在鼠标运动状态，前后两幅图像中这些特征区域图像的坐标值会发生变化，其中相对应的像素点之间的距离和角度就是判断位移的原始数据。

图7是一个位移传感器的真实坐标系O(201)和补偿坐标系O’(301)的关系图，真实坐标系相对于使用者逆时针扭转θ角度(305)相当于鼠标逆时针扭转了θ角度，而补偿坐标系O’依然相对于使用者正向，从而使用者不用考虑这种扭转造成的前后左右方向基准的差别，只需要自己选用舒适的使用角度和姿势。在原真实坐标系O中的点P(212)的坐标值是(x，y)，在补偿坐标系O’中的坐标值(x’，y’)是(x×Cosθ-y×Sinθ，y×Cosθ+x×Sinθ)。

当把P(x，y)看成是一组位移数据，代表在X轴正方向移动x且在Y轴正方向移动y，则在补偿坐标系O’中表示这组位移数据就是P(x×Cosθ-y×Sinθ，y×Cosθ+x×Sinθ)。

图8、9、10、11是本发明第一实施例相关图示。这是一个4按键一滚轮，USB接口，光学位移传感器，有“横”“竖”两种工作模式，使用一个两段式拨动开关切换横”、“竖”工作模式的鼠标。

图8A、8B是第一实施例的鼠标在两个视角方向的视图。其中401是鼠标体，402是第一按键(可以认为是“左键”)，403是第二按键(可以认为是“右键”)，404是第四按键，405是滚轮和第三按键(可以认为是“中键”)的组合，406是光学位移传感器的取样孔，414是两段式拨动开关，415是指示箭头，413是拨动开关所在的按键槽，411是鼠标上的对齐指示文字标记，在这里分别是“横”和“竖”，分别代表一种工作模式，412是鼠标上的对齐指示标记线，共两条，箭头与之对齐分别代表与工作在“竖”模式和“横”模式。

图9是上述第一实施例鼠标的内部电路框图。IAS(Image AcquisitionSystem)图像获取系统是位移传感器模块，DSP(Digital Signal Processor)数字信号处理器和MCU(Micro computer Control Unit)微控制器芯片420的部分电路构成数据处理模块，通讯接口集成在MCU芯片内，这是一个LowSpeed标准的USB接口，通过USB电缆425与主机430双向通讯，IAS+DSP构成实际的光学引擎芯片421，通过SPI(Serial Peripheral Interface)串行外围接口界面424与MCU控制芯片做双向通讯。按键模块与上述四键一轮(402、403、404、405)相连，按键模块的控制电路也集成在MCU内部。“横\竖模式切换开关”对应上述两段式拨动开关414，其控制电路也集成在MCU内部。

图10是上述第一实施例鼠标的运作流程图。在鼠标连接后，在S320步骤首先判断414两段式拨动开关的位置，如果是在“横”位置，则进入右侧分支流程。在鼠标移动时，ISA不断的对桌面图像进行拍摄，在步骤S303，DSP不断的读取ISA传来的数据。在步骤S304，DSP不断的进行图像的处理得到并纪录下鼠标的移动量，储存在DSP的内存里，MCU每固定一段时间(比如2ms)通过SPI从DSP的内存里读取位移数据。在步骤S305，MCU将Y轴位移的方向数据正传负或负转正，交换Y轴位移和X轴位移的标记值，最后将Y轴位移数据(方向a，距离b)X轴位移数据(方向c，距离d)，标记为X’位移(方向-a，距离b)和Y’位移(方向c，距离d)，并储存在MCU的内存里。最后在步骤S305，MCU每隔8ms相应计算机430通过USB接口传过来的要求并通过USB接口向计算机汇报位移信息。

如果414两段式拨动开关是在“竖”位置，则进入左侧分支流程，不进行额外运算按正常模式工作并向计算机主机输出。

在另外的实施例当中，鼠标的“横”“竖”工作模式通过安装在计算机430上的软件，经由USB接口425传到MCU。

在另外的实施例当中，鼠标的406是机械滚球式位移传感器的取样孔。

图11A和图11B是上述第一实施例鼠标的两个工作状态。图11A是“竖”模式，图11B是“横”模式。这是非常大的形状的跨越，可以看到使用者的手型有很大的不同。图11A是现在一般人使用的方式，手掌聚拢较严重，虎口收拢，无名指和小拇指斜向内夹拢。这种手势的接受度较高，提起鼠标容易，适合玩电子游戏等激烈紧张的操作，但容易疲劳。图11B是横式使用手势，手掌舒展，适合向前后左右推移鼠标，但不适合在紧张状态频繁提起鼠标这样的操作。这时鼠标的按键，适合为：404是第一按键(普通认为的“左键”功能)，402是第二按键(普通认为的“右键”功能)，403是第四按键，405是滚轮和第三按键(普通认为的“中键”功能)；或者，402是第一按键(普通认为的“左键”功能)，404是第二按键(普通认为的“右键”功能)，403是第四按键，405是滚轮和第三按键(普通认为的“中键”功能)，从而更方便在这种横式姿势下的使用。

图12A和图12B是第二实施例的鼠标在两个视角方向的视图。其中501是鼠标体，502是第一按键，503是第二按键，504是第四按键，505是滚轮和第三按键的组合，506是光学位移传感器的取样孔，515是绝对式旋转编码器露在鼠标体外侧的拨动盘，有环形的角度刻度与鼠标体上的标识对应。

在另外的实施例当中，上述515是一旋转式电位器。

在另外的实施例当中，上述515是一用于倾转角度设定的微动开关。

图13是上述第二实施例鼠标的内部电路框图。

与第一实施例不同的是，这里用一个“参数输入模块”523代替了第一实施例当中的″横″\″竖″模式切换开关414，在第二实施例中是指515绝对式旋转编码器，在另外的施例当中是指旋转式电位器或微动开关。

第二实施例中的流程图可参看图4和图5，在第二实施例中515绝对式旋转编码器的角度数值有360个平均刻度，旋转在任意的角度位置(比方相对于原始值转过逆时针14度)就向MCU汇报相应的角度值(14度)。MCU得到这个输入后，按对应的角度值计算或查取对应的三角函数，并用于在S110步骤或S211步骤的计算中。

因为现在的鼠标产品许多配有CPI(每英寸输出点数)切换键，可以实现由400CPI到3200CPI或者更高范围的CPI输出，而一般最通常使用的CPI值是800，所以使用三角函数计算产生的误差也可以依据此“光学引擎有着更高的分辨率和输出精度”的现状尽量缩小，在将来还可以更小。

在另外的施例当中旋转式电位器输出一连续变化的电压信号，经MCU内部的模数转换电路转换成角度值值参与倾转补偿的计算。

在另外的施例当中微动开关可输入以下5个值：按动一次，表示逆时针旋转5度；连续按动2、4、6次，分别表示顺时针转动5度、10度、15度；连续按动3、5次，分别表示逆时针转动10度、15度；长时间按住3秒以上，恢复原始值(0度)。

图14是第三实施例的鼠标的视图。其中601是鼠标体，602是第一按键，603是第二按键，604是第四按键，605是滚轮和第三按键的组合，615是补偿角设置开关。

图15是上述第三实施例鼠标的内部电路框图。与第一实施例不同的是，这里用一个“补偿角设置开关”623代替了第一实施例当中的″横″/″竖″模式切换开关414，在这里是一个微动开关。

第三实施例中的流程图可参看图4和图5。在S104或S204的步骤当中，这里使用的是“测量得到倾转参数θ”。在微动开关623被按动后，鼠标即“进入倾角设置模式”，这一测量和设置的完整流程图如图16：步骤S402按动″补偿角设置开关″之后，进入补偿角设置模式S403(为与前面输入补偿角的设置相区分，这里将通过自动测试获得补偿角的过程成为“补偿角”设置模式)；自动进入测试模式S404，MCU将监测位移输出数据并进行记录；S405，使用者左右晃动鼠标。

S406，每一个X轴同向输出的过程被认为是一个“行程”，参考图17(补偿角测试轨迹分析图)，比如所有向左位移的输出被认为是一个行程，在位移数据开始向右时就认为是另一个行程开始了，这个转折点称为“折返点”。同一行程的Y轴位移值与X轴位移值存储为一组行程数据。在一个X行程中，X轴位移肯定是同向的(这是“行程”的定义使然)，可以被累加到一起，同一行程中的Y轴位移可能出现折返的情况，但这不影响对Y轴位移数据的带方向累加，比如图17中722轨迹所示的行程1的情况。

S407，判断是否达到停止条件，未达到则继续S406步骤，达到则退出测试模式。这里所说的测试“停止条件”是预先规定的条件，可以是一定的行程数量(比如2个行程)，可以是一定的运行测试模式的时间(比如3秒钟)，可以是一个按键事件(比如按动“补偿角设置开关”键或者是鼠标的第一按键)，等等，总之是一个预置的可以让补偿角设置模式的测试模式退出的条件。这里以2个行程的终止为退出条件。

之后执行S408步骤。在S409步骤计算存储的2组行程数据的各自倾角值。在图17轨迹所示的两个行程里，θ1＝13°，θ2＝17°。

在S410步骤求取上述两个行程反应的角度的平均值θ＝15°。或者继续计算出此θ角的三角函数值供后继作坐标系旋转计算时使用(假如已经预存三角函数参数组则不需要这么做)。这是一个顺时针扭转了的鼠标产生的原始轨迹，可以据此认为，该鼠标顺时针扭转了15°，需要虚拟的倾角补偿坐标系逆时针旋转15°进行补偿。

在S411步骤存储存储倾角参数并退出补偿角设置模式。之后的使用鼠标将进入工作流程。

图17是上述第三实施例的补偿角测试轨迹分析。图18A和图18B是图17中两个测量行程的结果分析。

在图所示的722轨迹中，A1是起始点，A3是折返点，A4是终止点，图中的n、m线段是以点为为单位的度量值，即距离。在手拿鼠标向左的摆动中划过一条弧线，即行程1，之后向右摆动呈一条直线，即行程2。对这个轨迹的度量使用位移传感器的真实坐标系O。

在鼠标由A1到A3的移动过程中，X轴方向累积了-m1个点的位移，而Y轴方向在A1到A2的过程中累积了+n1个点的位移，之后在A2到A3的过程中又累积了-n1个点的位移和-n2个点的位移，最终在行程1中Y轴方向累积的位移值是-n2。在鼠标由A3到A4的移动过程中，X轴方向累积了+m2个点的位移，Y轴方向累积了+n3个点的位移。

在图18A所示的行程起始点和终止点的关系中，因

$\mathrm{tg}\left(\mathrm{\θ}1\right)=\frac{-n2}{-m1}$ 最终得到θ1的值。

同理，在图18B所示的行程起始点和终止点的关系中，因

$\mathrm{tg}\left(\mathrm{\θ}1\right)=\frac{n3}{m2}$ 最终得到θ2的值。

在另外的实施例中，由安装在计算机主机的软件进行补偿角设置模式下测试模式鼠标轨迹行程数据的记录和计算工作，并将最终结果通过通讯接口传回MCU，由MCU存储使用。计算机主机的技术能力和存储器容量巨大，可以高速、高精度的完成相关计算。

Claims (10)

1.一种对鼠标绕Z轴旋转后的倾角进行补偿的方法，该鼠标包括一平面位移传感器以及一数据处理模块，所述平面位移传感器反映一个有X、Y两个轴向的平面直角坐标系O，其特征在于：所述鼠标可通过外界输入或由鼠标自动测量获取一个代表鼠标体倾转方向的参数值θ，所述鼠标使用此参数值θ对鼠标位移传感器获取的原始采样数据或者由所述原始采样数据计算得出的位移数据进行坐标系变换计算，使用一个相对于原坐标系O的X轴、Y轴方向扭转过θ角度的新坐标系O’对最终的位移信息进行表示后再输出到主机，驱动光标移动。

2.根据权利要求1所述的一种对鼠标绕Z轴旋转后的倾角进行补偿的方法，其特征在于：其所述外界输入参数值θ的来源属于由微动开关、拨动开关、旋转式电位器、旋转式电容器、旋转编码器、计算机端软件构成的组中的一种。

3.根据权利要求1或2所述的一种对鼠标绕Z轴旋转后的倾角进行补偿的方法，其特征在于：针对输入的参数值θ，对获得的相对位移变量值x、y使用下列公式计算获得经补偿后的相对位移变量值x’、y’：

x’＝x×Cosθ-y×Sinθ，

y’＝y×Cosθ+x×Sinθ。

4.根据权利要求1或2所述的一种对鼠标绕Z轴旋转后的倾角进行补偿的方法，其特征在于：所述参数值θ是90°角的整数倍，所述鼠标通过对由所述位移传感器获取的原始采样数据或者由所述原始采样数据计算得出的位移数据的X、Y两个数据组中的原X、Y轴的正负方向数据根据实际情况作出新的定义后，对X、Y两个数据组中的数据值根据实际情况决定是否进行交换，之后向主机输出。 

5.根据权利要求1或2所述的一种对鼠标绕Z轴旋转后的倾角进行补偿的方法，其特征在于：所述参数值θ不是90°角的整数倍。

6.根据权利要求1所述的一种对鼠标绕Z轴旋转后的倾角进行补偿的方法之获得所述倾角参数值的方法，其特征在于：该倾角参数的获得包括以下步骤：在程序开关或者按键开关的控制下，鼠标器进入角度设定模式，先进入测试阶段，

使用者手持鼠标器左右晃动，由鼠标控制芯片或者程序记录这晃动时位移传感器的或者鼠标的原始值输出，

把左右向信号的起始点和折返点作为光标的一次行程的起始点和终止点，

所述起始点和终止点之间的左右方向的同向信号，以及所述同向信号发生过程中的前后向信号一并被记录，

所述一次行程的起始点和终止点在前后方向的点数差与左右方向的点数差的比值被认为是鼠标倾斜的角度造成的，所述鼠标并据此计算出所述倾角参数θ。

7.根据权利要求6所述的一种对鼠标绕Z轴旋转后的倾角进行补偿的方法之获得所述倾角参数值的方法，其特征在于：所述测试阶段由多于一个行程构成，由所述多个行程计算得到的多个倾角参数的值经过平均或者取优算法得到最终的倾角参数θ。

8.根据权利要求7所述的一种对鼠标绕Z轴旋转后的倾角进行补偿的方法之获得所述倾角参数值的方法，其特征在于：所述测试阶段以某种条件作为退出所述测试阶段的条件，所述退出测试阶段的条件选自由“按键操作”、 “计时限制”、“行程的次数限制”所构成的组中的一种。

9.一种可对绕Z轴的旋转倾角进行补偿的鼠标，包括一平面位移传感器、一数据处理模块、一控制模块，其特征在于：所述鼠标还包括一输入设备，所述输入设备与所述控制模块电连接，所述输入设备可向所述控制模块输入代表鼠标体绕自身Z轴偏转角度θ的电信号，所述控制模块可将收到的θ参数值交由所述数据处理模块对来自所述平面位移传感器的相对位移值进行坐标系变换计算，向主机输出经倾转角度补偿后的相对位移值。

10.根据权利要求9所述的一种可对绕Z轴的旋转倾角进行补偿的鼠标，其特征在于：所述输入设备为一开关型设备，可以使鼠标器进入倾转角测试模式，通过所述平面位移传感器获得的数据经过计算得到偏转角度参数值θ。 

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