CN102855023B - 光学触控系统及其影像处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学触控系统及其影像处理方法，所述系统包括一影像传感模块和一处理模块。影像传感模块具有多个可独立控制快门时间的传感单元。多个传感单元可获取具有多像素组的一图像。处理模块取得各像素组的一亮度值，并根据该多个亮度值选择部分像素组为一目标范围。

Description

光学触控系统及其影像处理方法

技术领域

本发明涉及光学触控技术，且特别涉及一种光学触控系统及其影像处理方法。

背景技术

一般光学触控系统包括摄影装置、照明装置和决定目标碰触位置的计算装置。目标通常可以是手指、触控笔(stylus)或其他类似者。摄影装置用于拍摄触控表面上的触控区域。照明装置用于当目标在使目标在触控区域上时，摄影装置所提供的图像具有可分辨目标影像的对比。计算装置则根据摄影装置所提供的图像的亮度变化，计算目标的座标。

光学触控系统可设计成让伸入触控区域的目标遮住照明装置投射的光，以在摄影装置上形成光遮蔽范围；或是让目标反射照明装置投射的光，以在摄影装置上形成反光亮区。无论何种设计，传统计算目标座标的方法需两张图像；即一张背景图像，和有目标在触控区域时所产生的图像。通常，背景图像在操作前就事先获取储存。光学触控系统通过比对所获取的图像与背景图像，找出有明显亮度变化的范围。当有明显亮度变化的范围被判定为目标所产生后，光学触控系统根据有明显亮度变化的范围的一些特征，计算目标座标。

除图像中由目标产生的有明显亮度变化的范围外，图像中的背景亮度部分也会因目标改变投光路径或改变触控表面的反光状态而变化，使图像中的背景亮度部分和在背景图像上相应部分会有差异。此种差异会导致有明显亮度变化的范围无法被正确决定或确实区分，而让目标座标无法被准确地计算而得。

发明内容

本发明的目的在于为解决上述技术问题而提供一种光学触控系统及其影像处理方法。

本发明一实施例提供了一种影像处理方法及运用该影像处理方法的光学触控系统。该影像处理方法可利用单一张图像计算出目标的座标，如此光学触控系统不会因图像中的背景亮度部分和在背景图像上相应部分的差异，计算出不正确的目标座标。

根据本发明一实施例，一种光学触控系统包括一影像传感模块和一处理模块。影像传感模块具有多个可独立控制快门时间的传感单元。多个传感单元可获取具有多像素组的一图像。处理模块取得各像素组的一亮度值，并根据该亮度值选择部分像素组为一目标范围。

根据本发明一实施例，一种光学触控系统的影像处理方法包括下列步骤：获得一图像，其中该图像包括多个第一像素组；将该多个第一像素组的亮度值两两相减，以获得多个第一亮度差分值；及根据该多个第一亮度差分值而选择部分的连续第一像素组为一目标范围。

上文已相当广泛地概述本发明的技术特征及优点，以使下文的本发明详细描述得以获得较佳了解。构成本发明的申请专利范围标的的其它技术特征及优点将描述于下文。本发明所属技术领域中具有通常知识者应了解，可相当容易地利用下文揭示的概念与特定实施例可作为修改或设计其它结构或工艺而实现与本发明相同的目的。本发明所属技术领域中具有通常知识者也应了解，这类等效建构无法脱离后附的申请专利范围所界定的本发明的精神和范围。

附图说明

图1显示本发明一实施例的光学触控系统的示意图；

图2显示本发明一实施例的图像的示意图；

图3显示本发明一实施例的亮度波形示意图；

图4显示本发明一实施例的影像传感模块的部分传感单元及其控制电路的示意图；

图5显示本发明一实施例的影像处理方法的流程图；

图6显示本发明一实施例的亮度波形；

图7显示本发明一实施例的差异波形；

图8显示本发明另一实施例的影像处理方法的流程图；

图9显示本发明另一实施例的亮度波形；

图10显示本发明另一实施例的差分波形；

图11显示本发明另一实施例的影像处理方法的流程图；

图12显示本发明另一实施例的亮度波形；

图13显示本发明另一实施例的差分波形；

图14显示本发明另一实施例的影像处理方法的流程图；

图15显示本发明另一实施例的亮度波形；

图16显示本发明另一实施例的差分波形；

图17显示本发明另一实施例的亮度波形；

图18显示本发明另一实施例的差分波形。

其中，附图标记说明如下：

具体实施方式

图1显示本发明一实施例的光学触控系统1的示意图。本发明揭露一影像处理方法，该影像处理方法可利用单一张图像计算出目标的座标。该影像处理方法可运用在如图1显示的光学触控系统1。参照图1所示，光学触控系统1包括一影像传感模块11和一处理模块12，其中处理模块12耦接影像传感模块11，以从影像传感模块11所产生的图像中分析出目标范围。影像传感模块11设置以拍摄一触控区域13。照明装置14和15设置于触控区域13旁边以提供光源，使在触控区域13上的目标可在图像上形成可分辨的目标范围。照明装置14或15可为主动照明装置，例如：灯管、多个发光二极管或发光二极管和导光元件的组合。照明装置14或15也可为被动照明装置，例如：反射镜。

本发明揭露的影像处理方法可处理经亮度补偿处理的一亮度补偿图像，或未经亮度补偿处理的一般获取图像。以下首先针对本发明揭露的影像处理方法运用在处理经亮度补偿处理的一亮度补偿图像进行说明。

亮度补偿是指利用软件或硬件方式，提高图像中原亮度较低部分的亮度和降低原亮度较高部分的亮度，以获得亮度分布较为均匀的图像的方法。举例如下，如图2所示，影像传感模块11可获取出一图像2，图像2可包括多个像素组21，其中多个像素组21在一方向上排列。各像素组21可包括多个像素211。在一实施例中，像素组21可为一像素列(pixelcolumn)，而多个像素组21在行方向(rowdirection)排列。在另一实施例中，像素组21可为一像素行，而多个像素组21在列方向上排列。处理模块12可根据获取的图像2，获取图像2中可代表各像素组21的一亮度值。在一实施例中，各像素组21的亮度值可为各像素组21的像素211的亮度值的总和。在另一实施例中，各像素组21的亮度值可为各像素组21的像素211的亮度值的平均。当图像2的像素组21的亮度值计算完成后，即可获得如图3所示的一亮度波形3。

从图3可看出，亮度波形3有明显的变化。亮度波形3可先行进行亮度补偿。在一实施例中，可先取得各像素组21对应的一调整值。接着，将各调整值和其对应的亮度值相乘，以获得变异较小的亮度波形4。在一实施例中，调整后的亮度波形4是在一亮度范围5之内变动。

调整值是用于对亮度波形进行补偿，其可以许多方法获得，而在此例举其中一种方法。在一实施例中，调整值可由下列步骤而获得：首先，以一固定快门时间，获取一背景图像。然后，取得代表各像素组的亮度值(I_p)。最后，计算一目标亮度值(I_T)与各像素组的亮度值(I_p)间的一比例值(I_T/I_p)，其中该比例值(I_T/I_p)即为调整值。

图像的亮度补偿也可以利用硬体来达成。参照图4所示，影像传感模块11可包括多个传感单元41a和41b，各传感单元41a或41b包括一电子快门411及一光检测元件(photodetector)412，电子快门411耦接光检测元件412，以调控光检测元件412的曝光时间。光检测元件412根据接收的亮度，相应地产生电荷。晶体管413控制电荷自光检测元件412转移至浮动扩散输出区(floatingdiffusion(FD)outputnode)。晶体管414与定电流415构成一源极随耦器(sourcefollower)，源极随耦器可放大光检测元件412产生的光电转换电压。晶体管416可在WL1是高位准时开启，此时数据可输出至位元线417上，其中位元线417耦接读取电路220。当RST1和TG1在高位准时，可开启晶体管418与晶体管413，如此供应电压VDDAY可重置光检测元件412至其光电转换初始状态(photo-electricconversioninitiationstate)。当开启晶体管413时，可将电荷自光检测元件412转移至浮动扩散输出区。当输入高位准的RST1信号时，可利用供应电压VDDAY将浮动扩散输出区重置。

如图4所示，传感单元41a和41b的电子快门411是分别与不同的快门控制线419a和419b耦接。如此，传感单元41a和41b的电子快门411可以分别施以不同的信号AB1和AB2，而使其得以不同的控制快门时间来控制，据此控制图像上对应像素的亮度值。操作时，可先根据传感单元41a和41b的受光程度，对受光照强度大的传感单元41a或41b设定较短的控制快门时间；而对受光照强度小的传感单元41a或41b设定较长的控制快门时间。如此，影像传感模块11所获取的图像，其背景亮度会较为平均。

用于控制各传感单元41a或41b的电子快门411的快门时间可利用下列方法取得，但本发明不以此为限。该取得方法首先以固定快门时间取得一背景图像。然后，分析图像中各像素的亮度值。接着，根据一亮度基准及各像素的亮度值，计算各像素要达该亮度基准，相应传感单元41a或41b的电子快门411所需的快门时间。

图5显示本发明一实施例的影像处理方法的流程图。参照图5所示，在步骤S51中，获取一张图像，其中该图像包括多个像素组，该多个像素组可在一方向上排列。在步骤S52中，计算出该图像中各像素组的亮度值，以获得一亮度波形I(pi)(如图6所示)，其中pi表第i个像素组。各像素组的亮度值可为像素组的像素亮度的总和或平均。在步骤S53中，取得一亮度基准值(T1)。在一实施例中，亮度基准值是亮度波形I(p_i)的一平均值。在另一实施例中，亮度基准值(T1)是一预设定值。在步骤S54中，根据下列公式(1)，计算出像素组的亮度值与该亮度基准值(T1)的差异值所构成的一差异波形(differencewaveform)D1(pi)，如图7所示。

D1(p_i)＝I(p_i)-T1(1)

在步骤S55中，确认出D1(p_i)/T1小于或大于一门限值Th1的区域R1，并将该区域视为目标范围。

图8显示本发明另一实施例的影像处理方法的流程图。参照图8所示，在步骤S81中，获取一张图像，其中该图像包括多个像素组，该多个像素组可在一方向上排列。在步骤S82中，计算出该图像中各像素组的亮度值，以获得一亮度波形I(p_i)(如图9所示)，其中p_i表第i个像素组。各像素组的亮度值可为像素组的像素亮度的总和或平均。在步骤S83中，沿该多个像素组排列方向依序计算不同两像素组(p_i和p_i+1)间的一亮度差分值，以获得一差分波形ICD(p_i)(如图10所示)。在步骤S84中，在差分波形ICD(p_i)上，分别找出数值小于一门限值Th2的点P_t1(亮度差分值)和数值大于一门限值Th3的点P_t2(亮度差分值)。以对应点P_t1的像素组作为左边界像素组，以对应点P_t2的像素组作为右边界像素组，即可决定出介于左、右边界像素组间的连续第一像素组所构成的区域，而该区域即为目标范围。

图11显示本发明另一实施例的影像处理方法的流程图。参照图11所示，在步骤S111中，获取一张图像，其中该图像包括多个像素组，该多个像素组可在一方向上排列。在步骤S112中，计算出该图像中各像素组的亮度值，以获得一亮度波形I(p_i)(如图12所示)，其中p_i表第i个像素组。各像素组的亮度值可为像素组的像素亮度的总和或平均。在步骤S113中，间隔一预定数目q，沿该多个像素组排列方向依序计算不同两像素组(p_i和p_i+q)间的一亮度差分值，以获得一差分波形ICD(p_i)(如图13所示)。在步骤S114中，在差分波形ICD(p_i)上，分别找出数值小于一门限值Th4的一点P_t3(亮度差分值)和数值大于一门限值Th5的任一点P_t4(亮度差分值)。以对应点P_t3的像素组作为左边界像素组，以对应点P_t4的像素组作为右边界像素组，即可决定出介于左、右边界像素组间的连续第一像素组所构成的区域，而该区域即为目标范围121(如图12所示)。

特别的，相较于计算相邻两像素组(p_i和p_i+1)之间的亮度差分值的方法，间隔计算两像素组(p_i和p_i+q)间的亮度差分值的方法，在目标范围121的边缘处，可计算出差异更显著的差分值。以目标范围121左侧边像素组1211(参照图12所示例)为相邻两点1212和1213的差分值约为50，而间隔两点1212和1214的差分值约为90。况且，由于存在噪声的缘故，计算间隔的不同两像素组(p_i和p_i+q)间的差分值，以获得一差分波形的方法可较不易受到噪声的影响。

预定数目q可为设定值，或者通过影像传感模块11的镜头的一调制转换函数(modulationtransferfunction；MTF)值或反差函数计算而得，其中MTF是衡量镜头将一目标调制传递(transferofmodulation)为一影像的标准。MTF值为MTF上任一点的值或MTF的平均值。从一背景图像中，选取一像素组，并获得该像素组的一初始亮度值M₀。根据该初始亮度值M₀及MTF值，以下列公式(2)迭代计算，直到计算出最后计算亮度值M_i+1小于一预定值为止。此时，可获得一迭代次数，而该迭代次数即为预定数目q。

$M_{i+1}=\frac{1-\mathrm{MTF}}{1+\mathrm{MTF}}{M}_i---\left(2\right)$

以下就针对本发明发明的影像处理方法用于未经亮度补偿处理的一般获取图像所进行说明。

图14显示本发明另一实施例的影像处理方法的流程图。参照图14所示，在步骤S141中，获取一背景图像，其中该背景图像包括多个像素组，该多个像素组可在一方向上排列。在步骤S142中，计算出该图像中各像素组的亮度值，以获得一亮度波形IB(p_i)(如图15所示)，其中p_i表第i个像素组。各像素组的亮度值可为像素组的像素亮度的总和或平均。在步骤S143中，间隔一预定数目q，沿该多个像素组排列方向上依序计算不同两像素组(p_i和p_i+q)间的一差分值，以获得一差分波形BSD(p_i)(如图16所示)。在其他的实施例中，差分波形BSD(p_i)亦可沿该多个像素组排列方向上，依序计算不同两相邻像素组(p_i和p_i+1)间的一差分值，以获得一差分波形BSD(p_i)。

在步骤S144中，取得差分波形BSD(p_i)上最小数值，作为门限值Th6；取得差分波形BSD(p_i)上最大数值，作为门限值Th7。在步骤S145中，获取一张图像，其中该图像包括多个像素组，该多个像素组可在一方向上排列。在步骤S146中，计算出该图像中各像素组的亮度值，以获得一亮度波形I(p_i)(如图17所示)，其中p_i表第i个像素组。各像素组的亮度值可为像素组的像素亮度的总和或平均。在步骤S147中，间隔一预定数目q，沿该多个像素组排列方向上，依序计算两像素组(p_i和p_i+q)间的一差分值，以获得一差分波形ISD(pi)(如图18所示)。在其他的实施例中，差分波形ISD(p_i)也可沿该多个像素组排列方向上，依序计算两相邻像素组(p_i和p_i+1)间的一差分值，以获得一差分波形ISD(p_i)。在步骤S418中，在差分波形ISD(p_i)上，分别找出数值小于门限值Th6的点(亮度差分值)811和数值大于门限值Th7的点812。以对应点811的像素组作为左边界像素组，以对应点(亮度差分值)812的像素组作为右边界，即可决定出介于左、右边界像素组间的连续第一像素组所构成的区域R2，而该区域R2即为目标范围。

本发明的技术内容及技术特点已揭示如上，然而本发明所属技术领域中具有通常知识者应了解，在不背离后附申请专利范围所界定的本发明精神和范围内，本发明的教示及揭示可作种种的替换及修饰。例如，上文揭示的许多工艺可以不同的方法实施或以其它工艺予以取代，或者采用上述二种方式的组合。

此外，本案的权利范围并不局限于上文揭示的特定实施例的工艺、机台、制造、物质的成份、装置、方法或步骤。本发明所属技术领域中具有通常知识者应了解，基于本发明教示及揭示制程、机台、制造、物质的成份、装置、方法或步骤，无论现在已存在或日后开发者，其与本案实施例揭示者是以实质相同的方式执行实质相同的功能，而达到实质相同的结果，也可使用于本发明。因此，以下的申请专利范围是用以涵盖用以此类工艺、机台、制造、物质的成份、装置、方法或步骤。

Claims (17)

1.一种光学触控系统，其特征在于，包括：

一影像传感模块，具有多个能独立控制快门时间的传感单元，该多个传感单元能获取具有多个像素组的一图像；以及

一处理模块，取得各该多个像素组的一亮度值，并根据该亮度值选择部分像素组为一目标范围；

其中，该影像传感模块调整各传感单元的快门时间，致使该影像传感模块在获取一背景图像时，该背景图像中多个像素组的亮度值限制于一亮度范围，且该多个像素组的亮度值曲线相比于限制前更加平缓。

2.根据权利要求1所述的光学触控系统，其特征在于，该图像为一亮度补偿图像。

3.根据权利要求1所述的光学触控系统，其特征在于，各该像素组包括多个像素，而各该像素组的该亮度值为各该像素组的该多个像素的亮度值的总和或平均。

4.根据权利要求1所述的光学触控系统，其特征在于，该像素组为一像素列。

5.根据权利要求1所述的光学触控系统，其特征在于，该处理模块是将各该像素组的该亮度值与一门限值相减而取得多个差异值，并根据该多个差异值与该门限值的比值而选择该部分像素组。

6.根据权利要求1所述的光学触控系统，其特征在于，该部分像素组的该多个亮度值大于或小于一门限值。

7.根据权利要求5所述的光学触控系统，其特征在于，该门限值为该多个像素组的该多个亮度值的一平均值或一预设定值。

8.根据权利要求1所述的光学触控系统，其特征在于，该影像传感模块以一固定快门时间获取一背景图像，并根据该背景图像中多个像素组的该多个亮度值调整各该像素组所对应的该传感单元的快门时间。

9.一种光学触控系统的影像处理方法，其特征在于，包括下列步骤：

通过多个能独立控制快门时间的传感单元获得一图像，其中该图像包括多个第一像素组；

调整各传感单元的快门时间，致使在获取一背景图像时，该背景图像中各第一像素组的亮度值限制于一亮度范围，且该背景图像中各所述第一像素组的亮度值曲线相比于限制前更加平缓；

将该多个第一像素组的亮度值两两相减，以获得多个第一亮度差分值；以及

根据该多个第一亮度差分值而选择该部分的连续第一像素组为一目标范围。

10.根据权利要求9所述的影像处理方法，其特征在于，该图像为一亮度补偿图像。

11.根据权利要求9所述的影像处理方法，其特征在于，获得多个第一亮度差分值的步骤包括依序计算两相邻的该多个第一像素组间的一第一亮度差分值。

12.根据权利要求9所述的影像处理方法，其特征在于，获得多个第一亮度差分值的步骤包括依序计算间隔一预定数目的两该多个第一像素组间的一第一亮度差分值。

13.根据权利要求12所述的影像处理方法，其特征在于，该预定数目是以下列步骤所决定：

取得一影像传感器的MTF值；

选取一该第一像素组的该亮度值为一初始计算亮度值；

以该MTF值与该初始亮度值及利用下列公式迭代计算，获得当一计算亮度值小于一预定值时的迭代次数；以及

$M_{i+1}=\frac{1-MTF}{1+MTF}{M}_i$

其中M_i为迭代i次的计算亮度值；M_i+1为迭代i+1次的计算亮度值；

选择该迭代次数为该预定数目。

14.根据权利要求9所述的影像处理方法，其特征在于，还包括下列步骤：

选择一第一边界像素组，其中该第一边界像素组的该第一亮度差分值小于一第一门限值；

选择一第二边界像素组，其中该第二边界像素组的该第一亮度差分值大于一第二门限值；以及

选择该第一边界像素组与该第二边界像素组之间的该多个像素组，作为该目标范围。

15.根据权利要求14所述的影像处理方法，其特征在于，还包括下列步骤：

获取一背景图像，其中该背景图像包括多个第二像素组；

将该多个第二像素组的亮度值两两相减，以获得多个第二亮度差分值；

选取该多个第二亮度差分值的最小者为该第一门限值；以及

选取该多个第二亮度差分值的最大者为该第二门限值。

16.根据权利要求9所述的影像处理方法，其特征在于，各像素组包括多个像素，而各像素组的该亮度值为各像素组的该多个像素的亮度值的总和。

17.根据权利要求9所述的影像处理方法，其特征在于，该像素组为一像素列。