CN102479002A - 光学触控系统及其感测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种光学触控系统及其感测方法，该光学触控系统包含一感测单元以及一处理单元。感测单元具有一第一感测器以及一第二感测器，第一感测器以及第二感测器分别提取一图像，其中所述图像包含多个物件的图像信息。处理单元根据所述图像中所述物件的图像信息产生一组候选座标，及根据所述图像中所述物件的图像信息的光学特征，从该组候选座标中选择部分座标作为输出座标进行输出。本发明揭示的光学触控系统，可以从候选座标中，选择出多个物件的真正座标。同时本发明揭示的座标计算方法简单，因此可快速、有效率地计算出多触控点的座标。

Description

光学触控系统及其感测方法

技术领域

本发明涉及一种触控系统，特别涉及一种可利用图像信息或镜像信息等的光学特征判断出正确物件座标的触控系统。

背景技术

触控屏幕装置，一种现今受欢迎的电脑系统的输入方式，可让使用者直接在屏幕上进行输入操作。使用者可利用触控笔(stylus)、指尖或其他类似者，碰触屏幕。触控屏幕装置检测与计算出产生碰触的位置后，将座标输出至电脑系统，以进行后续的计算处理。至今，被开发以检测碰触位置的触控技术有很多，包括：电阻式(resistive)、电容式(capacitive)、光学式(infrared)、表面声波式(surface acoustic wave)、电磁式(magnetic)、静电式(near field imaging)等技术。

检测单一手指或一触控笔产生的碰触事件(touch event)及计算碰触座标的单点触控(Single Touch)技术已被广泛地运用在许多电子装置中。而，另一种可检测或辨识第二个触控事件或称为手势事件(gesture event)的多点触控技术，则逐渐地扩大使用。使用具备多触控点检测能力的触控屏幕装置，使用者可在屏幕上同时移动多个指尖，以产生控制装置可转换成输入指令的一移动型态(pattern)。举例来说，一种常见的移动型态为：在一图片上，以两手指做捏取(pinch)的动作，让该图片缩小。

然而，在单点触控(Single Touch)技术的基础上，所发展出的多点触控技术，要能准确地决定出同时在触控屏幕上的多个触控点的座标，仍有许多困难之处。例如，以光学式触控屏幕装置而言，当两指尖接触触控屏幕后，控制器根据所提取的感测图像，会计算出四个座标，而无法直接计算出两指尖的真正座标，因此现有的光学式触控屏幕装置仍难以轻易地计算出多触控点的座标。

发明内容

根据上述问题，本发明一实施例提供一种光学触控系统，其包含一感测单元以及一处理单元。感测单元具有一第一感测器以及一第二感测器。第一感测器及第二感测器分别提取一图像，其中所述图像包含多个物件的图像信息。处理单元根据所述图像中所述物件的图像信息产生一组候选座标，及根据所述图像中所述物件的图像信息的光学特征，从该组候选座标中选择部分座标作为输出座标进行输出。

本发明另一实施例提供一种光学触控系统，其包含一感测单元以及一处理单元。感测单元具有一镜面元件以及一感测器。感测器提取一图像，其中该图像包含多个物件的图像信息以及由该镜面元件所反射所述物件的镜像信息。处理单元根据该图像中所述物件的图像信息以及镜像信息产生一组候选座标，及根据所述物件的图像信息的一光学特征或镜像信息的一光学特征，从该组候选座标中选择部分座标作为输出座标进行输出。

本发明一实施例提供一种光学触控系统的计算方法，其包含一感测单元检测多个物件，一计算单元根据该感测单元的检测结果，计算出多个候选座标，以及根据各该物件在该感测单元上产生的光学特征，从所述多个候选座标中，选择各该物件的座标等步骤。

本发明揭示的光学触控系统，可以从候选座标中，选择出多个物件的真正座标。同时本发明揭示的座标计算方法简单，因此可快速、有效率地计算出多触控点的座标。

附图说明

图1为本发明一实施例的光学触控系统的示意图；

图2为本发明一实施例的感测器所提取的一图像的示意图；

图3例示物件的座标计算；

图4显示本发明另一实施例的光学触控系统的示意图；

图5为本发明一实施例的第一感测器所提取的一图像的示意图；

图6为本发明一实施例的第二感测器所提取的一图像的示意图；

图7例示物件的座标计算；及

图8例示观测线及物件的候选座标。

其中，附图标记说明如下：

1                         光学触控系统

2                         图像

4                         光学触控系统

5、6                      图像

10                        感测单元

11                        处理单元

12                        镜面元件

13                        感测器

14、15                    物件

14′、15′                虚像

16                        长条元件

17                        长条元件

21、22                    图像信息

23、24                    镜像信息

25、26、27、28            最低亮度值

31、31′、32、33、34、34′观测线

37、38                    观测线

41                        感测单元

42                        处理单元

43                        基板

44、45                    物件

46                        长条元件

51、52、61、62            图像信息

53、54、63、64            最低亮度值

71、72、73、74            观测线

81、82、83、84            观测线

411                       第一感测器

412                       第二感测器

D1                        距离

A1、A2、A3、A4            面积

A5、A6、A7、A8            面积

A11、A12、A21、A22        图像信息

I11、I12、I21、I22        亮度值

P₁、P₂、P₃、P₄            座标

P₅、P₆、P₇、P₈            座标

P_a、P_b、P_c、P_d            候选座标

x、y                      座标值

θ₁、θ₂                  夹角

具体实施方式

图1为本发明一实施例的光学触控系统1的示意图。光学触控系统1为一多点触控系统，其可利用物件14和15在图像中所呈现的光学特征，从计算所得的物件14和15座标中，选择出正确的座标。光学触控系统1包含一感测单元10及一处理单元11，其中处理单元11耦接感测单元10。感测单元10用于提供分析物件14和15座标的图像，而处理单元11根据感测单元10所提供的图像，计算出物件14和15的座标。

在一实施例中，感测单元10包含一镜面元件12及一感测器13。镜面元件12可与两长条元件16和17共同围绕出一感测区域，其中长条元件16和17可为发光元件或反光元件。镜面元件12包含一镜面，该镜面面向该感测区域，以产生进入感测区域的物件14和15的镜像。感测器13置放于与镜面元件12相对的长条元件17的一端旁，其感测面(sensing surface)朝向感测区域。

图2为本发明一实施例的感测器13所提取的一图像2的示意图。图3例示物件14和15的座标计算。参照图1至3所示，当物件14和15同时进入感测区域时，镜面元件12会分别产生物件14和15的虚像(virtual images)14′及15′。同时，物件14和15和其虚像改变感测器13的感测面上的明暗分布。于此刻，感测器13可提取到呈现明暗分布的一图像2，其中图像2包含由物件14形成的图像信息21；由物件15形成的图像信息22；由物件14的虚像14′形成的镜像信息23；以及由物件15的虚像15′形成的镜像信息24。

在一实施例中，光学触控系统1被设计以使物件14与15遮蔽投向感测器13的光线，以在感测器13上形成比图像2的背景亮度低的遮蔽信息。在此类光学触控系统1中，物件14和15的虚像14′和15′产生的镜像信息23和24亦会是比图像2的背景亮度低的遮蔽信息。

在另一实施例中，光学触控系统1被设计成将光投射至物件14与15上，使物件14与15反射投射光，以让感测器13接收物件14与15的反射光线，如此物件14与15将会在感测器13产生比图像2的背景亮度高的反射信息。

参照图3所示，关于物件14和15的座标P₁和P₂计算，以下以物件15为例来说明，而同样的计算步骤，可运用在物件14上。在感测器13提取到图像2后，处理单元11可根据图像2上物件15产生的图像信息22计算出以感测器13为原点并延伸通过物件15的观测线(viewing line)31。之后，处理单元11可计算出观测线31与长条元件17间的夹角θ₁。此外，处理单元11可根据图像2上物件15产生虚像15′的图像信息24计算出以感测器13为原点并延伸至虚像15′的观测线32，及观测线32与长条元件17间的夹角θ₂。最后，处理单元11再根据下列公式(1)和(2)，计算出物件15的座标P₂(x，y)。

$x=\frac{2\×D_1}{(\tan {\mathrm{\θ}}_1+\tan {\mathrm{\θ}}_2)}---\left(1\right)$

y＝x×tan θ₁            (2)

其中，D₁为镜面元件12与长条元件17间的距离。

光学触控系统1的感测区域虽为四边形，但本发明不以此为限。有关此实施例的物件14和15的座标计算，更详尽的计算方法，可参考中国台湾公开号第201003477号专利申请案及中国台湾公开号第201030581号专利申请案。

关于观测线31或32的建立方法，若以观测线31为例，可先计算出通过物件15两侧边缘的观测线37和38，然后将两观测线37和38平均。详细的计算方法，可参考美国公告号第4,782,328号专利。

参照图2与图3所示，实际上，处理单元11在计算物件14和15的座标时，无从事先判断图像信息21和22与镜像信息23和24间的对应关系，而需先计算物件14和15的座标P₁和P₂。因此，处理单元11根据图像信息21和22与镜像信息23和24间可能的排列组合，计算出多个候选座标P₁、P₂、P₃和P₄。多个候选座标P₁、P₂、P₃和P₄位于观测线31、32、33和34的交点处，而观测线31、32、33和34可以视为物件15、虚像15′、物件14和虚像14′在感测器13上产生图像信息22、镜像信息24、图像信息21和镜像信息23所有可能位置所形成的假想线。而由于镜面元件12为反射元件的缘故，故观测线32和34延伸到镜面元件12的镜面时，会以类似光线反射方式被转向延伸。从另一角度来看，感测器13可相对於镜面元件12形成一镜像13′，处理单元11可利用镜像信息23和24建立出以镜像13′为原点之多个镜像观测线32′和34′，如图3所示。

当物件14或15越靠近感测器13时，其产生的图像信息21或22的面积A3或A4会越大，且若图像信息21或22为遮蔽信息时，图像信息21或22上最低亮度值25或26会越低；若是光投射至物件14与15上，而物件14与15反射投射光至感测器13上的情形时，图像信息21或22为反射信息时，图像信息21或22上最高亮度值25或26会越高。基于此原理，若再次利用图像2的图像信息21或22的前述光学特征，应可进一步判断出正确的物件14和15的座标P₁和P₂。参照图2与图3所示，在完成候选座标P₁、P₂、P₃和P₄的计算后，处理单元11会根据物件14和15的图像信息21和22的光学特征及虚像14′及15′的镜像信息23和24的光学特征，选择出正确的物件14和15的座标P₁和P₂，其中该光学特征可为图像信息(21或22)或镜像信息(23或24)的面积A1、A2、A3或A4；或者该光学特征可为图像信息(21或22)或镜像信息(23或24)的最低亮度值25、26、27或28。

在一实施例中，处理单元11比较图像信息21的面积A3和图像信息22的面积A4，可发现图像信息21的面积A3较图像信息22的面积A4为大，因此，可确认在观测线33上的物件14比在观测线31上的物件15更为靠近感测器13，所以处理单元11会依据比较结果会选择在观测线33上靠近感测器13的座标P₁，并选择在观测线34上远离感测器13的座标P₂。类似地，处理单元11可比较镜像信息23和24的面积A1和A2，确认出虚像14′和15′的远近，做出最后选择。

在另一实施例中，处理单元11比较图像信息21的最低亮度值25和图像信息22的最低亮度值26，可发现图像信息21的最低亮度值25比图像信息22的最低亮度值26为低，因此可确认出在观测线33上的物件14应比在观测线31的物件15更为靠近感测器13。因此，处理单元11会选择出在观测线33上较靠近感测器13的座标P₁，且选择出在观测线31上较远离处理单元11的座标P₂。处理单元11亦可比较镜像信息23和24中的最低亮度值27和28，并以同样的判断方式选择出正确的输出座标P₁和P₂。

图4显示本发明另一实施例的光学触控系统4的示意图。参照图4所示，本案另一实施例的光学触控系统4包含一感测单元41及一处理单元42，其中感测单元41耦接处理单元42。感测单元41包含一第一感测器411以及一第二感测器412，其中第一感测器411以及第二感测器412分别设置于以长条元件46在一基板43上所围绕出的感测区域的两相邻角落上。在一实施例中，长条元件46可为反光元件。在另一实施例中，长条元件46可为发光元件。

参照图4至图6所示，当两物件44与45触及基板43时，物件44与45会分别改变第一感测器411与第二感测器412的感测面上的明暗分布状况。此时，第一感测器411所提取的图像5上，会显示由物件44与45所产生的图像信息51和52，而第二感测器412所提取的图像6上，会显示由物件44与45所产生的图像信息61和62。

在一实施例中，光学触控系统4被设计以使物件44与45遮蔽投向第一感测器411与第二感测器412的光线，以使得在第一感测器411与第二感测器412上形成的图像信息51、52、61和62为比图像5或6的背景亮度低的遮蔽信息。

在另一实施例中，光学触控系统4被设计成让第一感测器411与第二感测器412接收物件44与45的反射光线，如此物件44与45将分别在第一感测器411与第二感测器412上产生图像信息51、52、61和62，该图像信息是亮度会比图像5或6的背景亮度为高的反射信息。

参照图7所示，处理单元42根据第一感测器411产生的图像5中的图像信息51、52建立出以第一感测器411为原点的观测线71和72，其中观测线71和72的建立可参考美国第4,782,328号专利。处理单元42另可根据第二感测器412产生的图像6中的图像信息61、62建立出以第二感测器412为原点的观测线73和74。接着，处理单元42利用多条观测线71、72、73和74计算出多个候选座标P₅、P₆、P₇和P₈。最后，处理单元42比较图像信息(51和52)或(61和62)的光学特征，从而选择出输出座标P5_和P₆。

在一实施例中，经处理单元42比较后，由于图像信息51的面积A5较图像信息52的面积A6为大，因此选择及输出在观测线71上较靠近第一感测器411的座标P₅，并选择及输出在观测线72上离第一感测器411较远的座标P₆。或者，处理单元42可比较图像信息61和图像信息62，由于图像信息62的面积A8较图像信息61的面积A7为大，因此选择及输出在观测线73上离第二感测器412较远的座标P₅，并选择及输出在观测线74上离第二感测器412较近的座标P₆。

在另一实施例中，处理单元42比较图像信息51和图像信息52中最低亮度值53和54，由此确认出产生图像信息51的物件44比产生图像信息52的物件45靠近第一感测器411。之后，处理单元42选择及输出在观测线71上较靠近第一感测器411的座标P₅，及在观测线72上离第一感测器411较远的座标P₆。或者，处理单元42可选择比较图像信息61和图像信息62的最低亮度值63和64，以选择出输出座标P₅和P₆。

参照图4与图8所示，在一实施例中，物件44与45在基板43的座标亦可同时以物件44与45在第一感测器411上产生的多个图像信息的面积A11和A12，以及在第二感测器412产生的多个图像信息的面积A21和A22决定，其中图像信息可为遮蔽信息或反射信息。处理单元42利用第一感测器411及第二感测器412上产生的图像信息，可得出观测线81、82、83和84，由此计算出候选座标P_a、P_b、P_c、P_d。而关于物件44与45的真实座标，可以表1所列的任一关系式决定。

表1

在另一实施例中，物件44与45在基板43上的座标可同时以物件44与45在第一感测器411上产生的多个图像信息的最低亮度值(当该图像信息为遮蔽信息时)或最高亮度值(当该图像信息为反射信息时)I11和I12，以及在第二感测器412上产生的图像信息的最低或最高亮度值I21和I22来决定，如此可确保所得的物件44与45的座标的正确性。而关于物件44与45的座标，可以表2所列的任一关系式决定。

表2

本发明揭示的光学触控系统，可利用提取图像中的图像信息和镜像信息的光学特征，从候选座标中，选择出多个物件的真正座标。本发明揭示的座标计算方法可直接运用在单点触控技术上，因此可避免开发复杂多点触控系统。再者，本发明揭示的座标计算方法简单，因此可快速、有效率地计算出多触控点的座标。

本发明的技术内容及技术特点已揭示如上，然而本领域普通技术人员仍可能基于本发明的教示及揭示而作种种不背离本揭露精神的替换及修饰。因此，本发明的保护范围应不限于实施例所揭示的内容，而应包括各种不背离本发明的替换及修饰，并为以下的申请专利范围所涵盖。

Claims (22)

1.一种光学触控系统，包括：

一感测单元，具有一第一感测器以及一第二感测器，分别提取一图像，其中所述图像包含多个物件的图像信息；以及

一处理单元，根据所述图像中所述物件的图像信息产生一组候选座标，及根据所述图像中所述物件的图像信息的光学特征，从该组候选座标中选择部分座标作为输出座标进行输出。

2.根据权利要求1所述的光学触控系统，其特征在于，该图像信息是所述物件遮蔽光线在该感测器中所形成的遮蔽信息，或是所述物件反射光线在该图像中所形成的反射信息。

3.根据权利要求1所述的光学触控系统，其特征在于，该图像信息的该光学特征是面积或亮度。

4.根据权利要求1所述的光学触控系统，其特征在于，该处理单元利用该图像的图像信息建立出分别以该第一感测器与该第二感测器为原点的多个图像观测线，计算出所述图像观测线的交点，以产生该组候选座标。

5.根据权利要求4所述的光学触控系统，其特征在于，该处理单元根据产生各该图像观测线的该图像信息的光学特征，在各该图像观测线所产生的所述交点中，取出一输出座标。

6.一种光学触控系统，包含：

一感测单元，具有一镜面元件以及一感测器，该感测器提取一图像，其中该图像包含多个物件的图像信息以及由该镜面元件所反射所述物件的镜像信息；以及

一处理单元，根据该图像中所述物件的图像信息以及镜像信息产生一组候选座标，及根据所述物件的图像信息的一光学特征或镜像信息的一光学特征，从该组候选座标中选择部分座标作为输出座标进行输出。

7.根据权利要求6所述的光学触控系统，其特征在于，该图像信息是所述物件遮蔽光线在该感测器中所形成的遮蔽信息，或是所述物件反射光线在该图像中所形成的反射信息。

8.根据权利要求6所述的光学触控系统，其特征在于，该镜像信息是所述物件遮蔽光线在该镜面元件中所形成的镜像遮蔽信息，或是所述物件反射光线在该镜面元件中所形成的镜像反射信息。

9.根据权利要求6所述的光学触控系统，其特征在于，该图像信息的该光学特征是面积或亮度；而该镜像信息的该光学特征是面积或亮度。

10.根据权利要求6所述的光学触控系统，其特征在于，该处理单元利用该图像的图像信息建立出以该感测器为原点的多个图像观测线，且利用该图像的镜像信息建立出以在该镜面元件上该感测器所形成的镜像为原点的多个镜像观测线，并计算出所述图像观测线与所述镜像观测线的交点，以产生该组候选座标。

11.根据权利要求10所述的光学触控系统，其特征在于，该处理单元根据产生各该图像观测线的该图像信息的光学特征，在各该图像观测线所产生的所述交点中，取出一输出座标。

12.一种光学触控系统的计算方法，其包含下列步骤：

一感测单元检测多个物件；

一计算单元根据该感测单元的检测结果，计算出多个候选座标；以及

根据各该物件在该感测单元上产生的光学特征，从所述多个候选座标中，选择部分座标作为输出座标进行输出。

13.根据权利要求12所述的计算方法，其特征在于，该感测单元包含一镜面元件以及一感测器，而该计算方法还包含下列步骤：

该感测器提取一图像，其中该图像包含多个物件的图像信息以及由该镜面元件所反射所述物件的镜像信息。

14.根据权利要求13所述的计算方法，其特征在于，其还包含下列步骤：

利用该图像的图像信息建立出以该感测器为原点的多个图像观测线；

利用该图像的镜像信息建立出以在该镜面元件上该感测器所形成的镜像为原点的多个镜像观测线；以及

计算出所述图像观测线与所述镜像观测线的交点，以产生该组候选座标。

15.根据权利要求14所述的计算方法，其特征在于，其还包含：根据产生各该图像观测线的该图像信息的光学特征，在各该图像观测线所产生的所述交点中，取出一输出座标的步骤。

16.根据权利要求12所述的计算方法，其特征在于，该感测单元具有一第一感测器以及一第二感测器，而该计算方法还包含下列步骤：

该第一感测器与该第二感测器分别提取一图像，其中所述图像包含多个物件的图像信息。

17.根据权利要求16所述的计算方法，其特征在于，其还包含下列步骤：

利用该图像的图像信息建立出分别以该第一感测器与该第二感测器为原点的多个图像观测线；以及

计算出所述图像观测线的交点，以产生该组候选座标。

18.根据权利要求12所述的计算方法，其特征在于，其还包含该感测单元提取所述物件的遮蔽信息的步骤。

19.根据权利要求12所述的计算方法，其特征在于，其还包含该感测单元提取所述物件的反射信息的步骤。

20.根据权利要求12所述的计算方法，其特征在于，其还包含该感测单元提取所述物件的镜像遮蔽信息的步骤。

21.根据权利要求12所述的计算方法，其特征在于，其还包含该感测单元提取所述物件的镜像反射信息的步骤。

22.根据权利要求12所述的计算方法，其特征在于，该光学特征是面积或亮度。

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