CN103105943B - 精确定位光电鼠标位移量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种精确定位光电鼠标位移量的方法，包括以下步骤：周期性采集鼠标底部反射回的光学影像，获取样本帧和参考帧；对样本帧进行二值化处理；计算样本帧和参考帧的相关系数矩阵；根据相关系数矩阵中最小元素的位置，确定鼠标的整像素级位移；计算相关系数变化值；根据相关系数变化值，计算鼠标的亚像素级位移；将整像素级位移与亚像素级位移相加，得出鼠标的总位移量；将当前样本帧更新为参考帧，返回获取下一样本帧。本发明提供的一种精确定位光电鼠标位移量的方法，实现了在使用相同的光电鼠标硬件条件下，更精确地判断鼠标的移动方向和移动距离，可以明显提高光电鼠标的光标定位精度和运行轨迹的平滑度，增强了光电鼠标的性能。

Description

精确定位光电鼠标位移量的方法

技术领域

本发明涉及光电领域，具体涉及一种精确定位光电鼠标位移量的方法。

背景技术

光电鼠标在工作时，通过内部的发光二极管，照亮鼠标底部，底部表面反射的一部分光线经光学透镜传到CMOS感光芯片上。CMOS感光芯片是由数百个光电转换器件组成的矩阵，影像在CMOS上转换为矩阵电信号，传输到信号处理系统DSP芯片，DSP芯片将此影像信号作为样本帧与存储的上一采样周期的影像(参考帧)进行比较，如果某一采样点在先后两个影像中的位置移动为一个整像素点，就发出纵、横两方向位移信号到接口系统，否则继续进行下一周期采样。接口系统对DSP芯片发来的信号进行处理输出，在计算机系统的运行界面上使指针产生对应的移动。

根据上述过程可以看出，DSP处理器输出的纵、横两方向位移信号的精确度影响了鼠标的移动和定位性能。然而，由于数字图像的离散特性，在数字图像相关中所得到的位移都只能是整像素的，而实际图像中的目标偏移一般不会正好为整像素。因此，现有技术中的光电鼠标中的DPS芯片仅能对比出样本帧与参考帧之间的整像素级位移，其精度较低，运动轨迹平滑度低，有待进一步的改进。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种精确定位光电鼠标位移量的方法，通过计算鼠标的亚像素级位移，在不更改硬件的条件下提高光电鼠标的精度和轨迹平滑度，增强光电鼠标的性能。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种精确定位光电鼠标位移量的方法，包括以下步骤：

S1、周期性采集鼠标底部反射回的光学影像，获取样本帧和参考帧；其中，参考帧的采集时间早于样本帧；

S2、对样本帧进行二值化处理；

S3、计算样本帧和参考帧的相关系数矩阵；

S4、根据相关系数矩阵中最小元素的位置，确定鼠标的整像素级位移；

S5、计算最小元素的相关系数变化值，并计算在相关系数矩阵中与最小元素横向或纵向相邻的四个元素的相关系数变化值；其中，所述相关系数变化值等于相关系数矩阵各元素的平均值与该元素的差；

S6、根据S5中计算得出的相关系数变化值，计算鼠标的亚像素级位移；

所述亚像素级位移的计算公式为：

$d_x=\frac{C_{\mathrm{inv}}(x+1,y)-C_{\mathrm{inv}}(x-1,y)}{k(C_{\mathrm{inv}}(x,y)-C_{\mathrm{inv}}(x+1,y)-C_{\mathrm{inv}}(x-1,y))}$

$d_y=\frac{C_{\mathrm{inv}}(x,y+1)-C_{\mathrm{inv}}(x,y-1)}{k(C_{\mathrm{inv}}(x,y)-C_{\mathrm{inv}}(x,y+1)-C_{\mathrm{inv}}(x,y-1))}$

其中，d_x为X轴方向上的亚像素级位移矢量，d_y为Y轴方向上的亚像素级位移矢量，k为精度调整参数，C_inv(x,y)为相关系数矩阵中最小元素的相关系数变化值，C_inv(x+1,y)为最小元素右边相邻元素的相关系数变化值，C_inv(x-1,y)为最小元素左边相邻元素的相关系数变化值，C_inv(x,y+1)为最小元素下方相邻元素的相关系数变化值，C_inv(x,y-1)为最小元素上方相邻元素的相关系数变化值；

S7、将S4中的整像素级位移与S6中的亚像素级位移相加，得出鼠标的总位移量；

S8、将当前样本帧更新为参考帧，返回S1获取下一样本帧。

在S1中，采集到的样本帧初始图像包括A行B列个像素点；

所述S2具体包括：

S201、对样本帧初始图像进行去噪处理；

S202、将去噪后的样本帧初始图像中各像素点的灰度值除以一常数；

S203、建立一个中间矩阵，将去噪后样本帧初始图像中第a+1行第b+2列的像素点的灰度值减去第a行第b列的像素点的灰度值，得到的值作为中间矩阵的第a行第b+1列的值，其中1≤a≤A-1，1≤b≤B-2；

S204、将去噪后样本帧初始图像中第a+1行第2列的像素点灰度值减去第a行第1列的像素点的灰度值，得到的值作为中间矩阵的第a行第1列的值；

S205、将中间矩阵中大于0的像素点设为1，将小于或等于0的像素点设为0，得到的矩阵即为二值化处理后的样本帧。

所述S3具体包括：

S301、去除样本帧中的忽略计算区域，确定待计算区域；

S302、在样本帧的待计算区域内，使用一矩阵采样模板采集多个样本矩阵；

S303、根据各样本矩阵在样本帧中的位置，将参考帧的待计算区域内相同位置的矩阵作为对应样本矩阵的参考矩阵；

S304、计算每一对位置相对应的样本矩阵和参考矩阵的相关系数；

S305、将所有相关系数按照对应的样本矩阵或参考矩阵在样本帧或参考帧中的相对位置关系，排列形成相关系数矩阵。

所述S302具体包括，在样本帧的待计算区域内，使用所述矩阵采样模板从横向和纵向边缘开始，按照同一步长横向或纵向移动；当矩阵采样模板处于起始位置，以及每完成一次移动时，都对样本帧落在矩阵采样模板区域内的矩阵进行采样，作为样本矩阵，直至历遍样本帧的待计算区域中的所有可移动区域。

所述矩阵采样模板每次移动的步长为一个或多个像素。

进一步地，所述相关系数矩阵为M行N列的矩形，其中，M和N为奇数。

作为改进，M与N相等。

所述S304中，所述相关系数等于样本矩阵与参考矩阵相减后得出的差值矩阵中所有元素的绝对值之和。

所述S4中，确定鼠标的整像素级位移的方法包括：

S401、确定相关系数矩阵中的最小元素；

S402、将位于相关系数矩阵中心的元素作为参考元素，从所述参考元素到所述最小元素的向量值即为鼠标的整像素级位移，其中，每相邻一个元素为一个单位向量。

在S6中，所述k大于2且小于3。

作为改进，所述k的值为2.4。

本发明提供的一种精确定位光电鼠标位移量的方法，在确定图像的整像素级位移后，继续在图像中心周围进行亚像素级位移搜索，提高了位移的计算精度。实现了在使用相同的光电鼠标硬件条件下，更精确地判断鼠标的移动方向和移动距离，可以显著提高光电鼠标的光标定位精度和运行轨迹的平滑度，增强了光电鼠标的性能。

附图说明

图1为本发明实施例提供的精确定位光电鼠标位移量的方法的流程示意图。

图2为本发明实施例中样本矩阵的采集方法示意图。

图3为本发明实施例中相关系数矩阵的示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体的实施例对本发明的内容进行详细的说明。

如图1所示，本发明实施例提供的一种精确定位光电鼠标位移量的方法，具体包括以下步骤：

S1、周期性采集鼠标底部反射回的光学影像，获取样本帧和参考帧；其中，参考帧的采集时间早于样本帧；

S2、对样本帧进行二值化处理；

S3、计算样本帧和参考帧的相关系数矩阵；

S4、根据相关系数矩阵中最小元素的位置，确定鼠标的整像素级位移；

S5、计算相关系数变化值：计算最小元素的相关系数变化值，并计算在相关系数矩阵中与最小元素横向或纵向相邻的四个元素的相关系数变化值；其中，所述相关系数变化值等于相关系数矩阵各元素的平均值与该元素的差；

S6、根据S5中计算得出的相关系数变化值，计算鼠标的亚像素级位移；

S7、将S4中的整像素级位移与S6中的亚像素级位移相加，得出鼠标的总位移量；

S8、将当前样本帧更新为参考帧，返回S1获取下一样本帧。

在S1中，所述参考帧反映了鼠标移动的初始位置；样本帧即为光学影像的当前帧，反映了鼠标当前所在位置，即鼠标移动的终点位置。样本帧和参考帧均是不断变化的，是相对的，而不是绝对的。具体而言，当前位移运算中的参考帧可以是上一次计算中的样本帧；对应的，当前位移运算中的样本帧也可以在下一次计算中作为参考帧。本发明的目的就是通过对比样本帧和参考帧，利用亚像素级的相关性搜索和计算，得出鼠标的亚像素级位移。通俗地说，现有技术中的光电鼠标位移量测算方法均停留在整像素级层面，即所得出的位移量只能精确到整数位；而本发明的目的是获取光电鼠标位移量的小数位，使位移量的精度提高，进而提高鼠标移动的光标定位精度和运行轨迹的平滑度。

在上述方法中，所述S2的目的在于将获取的样本帧初始图像简化为一二值化矩阵，以简化计算。假设所述反射回的光学影像包括18行18列个像素点，即样本帧初始图像包括18行18列个像素点，则所述S2具体包括：

S201、对样本帧初始图像进行去噪处理；

S202、将去噪后的样本帧初始图像中各像素点的灰度值除以4；

S203、建立一个18行18列的零矩阵作为中间矩阵，将去噪后样本帧初始图像中第a+1行第b+2列的像素点的灰度值减去第a行第b列的像素点的灰度值，得到的值作为中间矩阵的第a行第b+1列的值，其中1≤a≤17，1≤b≤16；

S204、将去噪后样本帧初始图像中第a+1行第2列的像素点灰度值减去第a行第1列的像素点的灰度值，得到的值作为中间矩阵的第a行第1列的值；

S205、将中间矩阵中大于0的像素点设为1，将小于或等于0的像素点设为0，得到的矩阵即为二值化处理后的样本帧。

经过上述二值化处理后，包含18行18列个多灰度级像素点的样本帧初始图像变换成了一个包含18行18列的仅由0和1组成的矩阵。需要注意的是，对样本帧进行二值化处理的方法有很多种，在实际应用中可灵活选用。本发明实施例仅仅是例举了其中一种优选的二值化处理方法，使用上述二值化处理方法，可进一步提高光电鼠标亚像素级位移量计算的精确性，其描述较为具体，并不能以此作为对本发明所提供的精确定位光电鼠标位移量的方法的限定。

本发明实施例中所述的S3具体包括：

S301、去除样本帧中的忽略计算区域，确定待计算区域。由于二值化处理后的样本帧中所含信息并不一定全部反映了鼠标的移动距离，在实际运算中，为了简化计算，并不一定会把完整的样本帧作为处理对象。如图2所示，根据S2中所述的二值化处理方法处理后的样本帧为一18×18的矩阵图像，其中，由于处理过程中引用了一个18行18列的零矩阵作为中间矩阵，而S203至S204中仅定义了中间矩阵前17行和前17列的各元素值，因此，二值化处理后的样本帧的最末行18a和最末列18b均为0；为简化计算，可将二值化处理后的样本帧的最末行18a和最末列18b作为忽略计算区域去除，仅留下17×17的矩阵图像作为待计算区域。

S302、在样本帧的待计算区域内，使用一矩阵采样模板采集多个样本矩阵。

具体地，在样本帧的待计算区域内，使用所述矩阵采样模板从横向和纵向边缘开始，按照同一步长横向或纵向移动；当矩阵采样模板处于起始位置，以及每完成一次移动时，都对样本帧落在矩阵采样模板区域内的矩阵进行采样，作为样本矩阵，直至历遍样本帧的待计算区域中的所有可移动区域。其中，所述矩阵采样模板每次移动的步长可以为1个像素，也可以为多个像素。

以图2为例，在样本帧中17×17的待计算区域内，使用一11×11的矩阵采样模板20从左上角开始，以1个像素为步长横向移动至待计算区域的右上角。然后将矩阵采样模板20向下移动1个像素，再将矩阵采样模板20在该行横向移动至该行的底端，依此类推，矩阵采样模板20每历遍一行则向下移动一列，直至历遍待计算区域中的所有可移动的区域。当矩阵采样模板20处于左上角的起始位置，以及每完成一次移动时，都对落在矩阵采样模板20区域内的矩阵进行采样，将其作为样本矩阵。由于总共能够纵向移动6次，每一行中又分别能够横向移动6次，再加上初始位置所采集到的样本矩阵，最终能够采集得到7×7个样本矩阵。

S303、根据各样本矩阵在样本帧中的位置，将参考帧的待计算区域内相同位置的矩阵作为对应样本矩阵的参考矩阵。本步骤中，相当于对参考帧进行和样本帧同样的操作，然后根据位置关系将采集到的7×7个参考矩阵分别与7×7个样本矩阵进行对应。由于鼠标的位移量计算是一个循环往复的过程，当前位移运算中的参考帧可能是上一次位移运算中的样本帧，因此，该步骤中所述的参考矩阵可以直接从历史运算数据中获取，并不一定需要重新运算。

S304、计算每一对位置相对应的样本矩阵和参考矩阵的相关系数。其中，所述相关系数等于样本矩阵与对应参考矩阵相减后得出的差值矩阵中所有元素的绝对值之和。

S305、将所有相关系数按照对应的样本矩阵或参考矩阵在样本帧或参考帧中的相对位置关系，排列形成相关系数矩阵。如图3所示，由于在S302和S303中分别采集到了7×7个样本矩阵和7×7个参考矩阵，所以对应生成的相关系数矩阵即为一个7×7的矩阵。结合图2和图3，矩阵采样模板20在待计算区域左上角采集到的样本矩阵和参考矩阵的相关系数，即为图3所示相关系数矩阵中第1行第1列的X₁；相对左上角的初始位置，矩阵采样模板20右移1个像素后，所采集到的样本矩阵和参考矩阵的相关系数即为图3所示相关系数矩阵中第1行第2列的X₂；当矩阵采样模板20移动到初始位置的向下1个像素位置时，对应样本矩阵和参考矩阵的相关系数即为图3所示相关系数矩阵中第2行第1列的X₈；依此类推，直至待计算区域的右下角，矩阵采样模板20采集到的样本矩阵和参考矩阵的相关系数即为图3所示相关系数矩阵中第7行第7列的X₄₉。

所述S4中，确定鼠标的整像素级位移的方法包括：

S401、确定相关系数矩阵中的最小元素；

S402、将位于相关系数矩阵中心的元素作为参考元素，从所述参考元素到所述最小元素的向量值即为鼠标的整像素级位移，其中，每相邻一个元素为一个单位向量。以图3为例，7×7的相关系数矩阵中心的元素为第4行第4列的X₂₅，因此将其作为参考元素，建立平面直角坐标系。假设相关系数矩阵中的最小值是第6行第6列的X₄₁，由于建立的平面直角坐标系中，每相邻一个元素为一个单位向量，所以参考元素X₂₅到最小元素X₄₁的向量为(2，-2)。即鼠标的整像素级位移为(2，-2)。

在此需要说明的是，可以选取合适大小的待计算区域和矩阵采集模板，使采集得出的相关系数矩阵的行数和列数都为奇数。当相关系数矩阵的行数和列数都为奇数时，其矩阵的中心刚好落于其中一个元素上，可以简化计算，直接得出鼠标的整像素级位移。

计算出鼠标的整像素级位移后，即可根据S5和S6计算鼠标的亚像素级位移。

在S6中，所述亚像素级位移的计算公式为：

$d_x=\frac{C_{\mathrm{inv}}(x+1,y)-C_{\mathrm{inv}}(x-1,y)}{k(C_{\mathrm{inv}}(x,y)-C_{\mathrm{inv}}(x+1,y)-C_{\mathrm{inv}}(x-1,y))}$

$d_y=\frac{C_{\mathrm{inv}}(x,y+1)-C_{\mathrm{inv}}(x,y-1)}{k(C_{\mathrm{inv}}(x,y)-C_{\mathrm{inv}}(x,y+1)-C_{\mathrm{inv}}(x,y-1))}$

其中，d_x为X轴方向上的亚像素级位移矢量，d_y为Y轴方向上的亚像素级位移矢量，C_inv(x,y)为相关系数矩阵中最小元素的相关系数变化值，C_inv(x+1,y)为最小元素右边相邻元素的相关系数变化值，C_inv(x-1,y)为最小元素左边相邻元素的相关系数变化值，C_inv(x,y+1)为最小元素下方相邻元素的相关系数变化值，C_inv(x,y-1)为最小元素上方相邻元素的相关系数变化值。

k为精度调整参数，通过对k选取合适的值，可以适当调整计算得出的亚像素级位移矢量的精度。一般而言，k的取值范围为2和3之间的小数。具体的，根据反复的试验和测算证明，当k的值为2.4时，计算得出的亚像素级位移矢量的精确度是最高的。

结合图3所示，C_inv(x,y)为X₄₁的相关系数变化值，C_inv(x+1,y)为X₄₂的相关系数变化值，C_inv(x-1,y)为X₄₀的相关系数变化值，C_inv(x,y+1)为X₄₈的相关系数变化值，C_inv(x,y-1)为X₃₄的相关系数变化值。根据以上公式计算得出的d_x和d_y的值的范围是-1到1之间的小数或0。也就说计算得出的位移矢量是小于单位向量的，即所得结果为鼠标的亚像素级位移。

根据以上计算结果，将S4中的整像素级位移与S6中的亚像素级位移相加，即得出了鼠标的总位移量。

本发明提供的一种精确定位光电鼠标位移量的方法，在确定图像的整像素级位移后，继续在图像中心周围进行亚像素级位移搜索，提高了位移的计算精度。实现了在使用相同的光电鼠标硬件条件下，更精确地判断鼠标的移动方向和移动距离，可以明显提高光电鼠标的光标定位精度和运行轨迹的平滑度，增强了光电鼠标的性能。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种精确定位光电鼠标位移量的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、周期性采集鼠标底部反射回的光学影像，获取样本帧和参考帧；其中，参考帧的采集时间早于样本帧；

S2、对样本帧进行二值化处理；

S3、计算样本帧和参考帧的相关系数矩阵；

S4、根据相关系数矩阵中最小元素的位置，确定鼠标的整像素级位移；

S5、计算最小元素的相关系数变化值，并计算在相关系数矩阵中与最小元素横向或纵向相邻的四个元素的相关系数变化值；其中，所述相关系数变化值的计算方法是：某个元素的相关系数变化值等于该元素所在的相关系数矩阵中各元素的平均值与该元素的差；

S6、根据S5中计算得出的相关系数变化值，计算鼠标的亚像素级位移；

所述亚像素级位移的计算公式为：

$d_x=\frac{C_{\mathrm{inv}}(x+1,y)-C_{\mathrm{inv}}(x-1,y)}{k(C_{\mathrm{inv}}(x,y)-C_{\mathrm{inv}}(x+1,y)-C_{\mathrm{inv}}(x-1,y))}$

$d_y=\frac{C_{\mathrm{inv}}(x,y+1)-C_{\mathrm{inv}}(x,y-1)}{k(C_{\mathrm{inv}}(x,y)-C_{\mathrm{inv}}(x,y+1)-C_{\mathrm{inv}}(x,y-1))}$

其中，dx为X轴方向上的亚像素级位移矢量，dy为Y轴方向上的亚像素级位移矢量，k为精度调整参数，Cinv(x,y)为相关系数矩阵中最小元素的相关系数变化值，Cinv(x+1,y)为最小元素右边相邻元素的相关系数变化值，Cinv(x-1,y)为最小元素左边相邻元素的相关系数变化值，Cinv(x,y+1)为最小元素下方相邻元素的相关系数变化值，Cinv(x,y-1)为最小元素上方相邻元素的相关系数变化值；

S7、将S4中的整像素级位移与S6中的亚像素级位移相加，得出鼠标的总位移量；

S8、将当前样本帧更新为参考帧，返回S1获取下一样本帧；

所述S3具体包括：

S301、去除样本帧中的忽略计算区域，确定待计算区域；

S302、在样本帧的待计算区域内，使用一矩阵采样模板采集多个样本矩阵；

S303、根据各样本矩阵在样本帧中的位置，将参考帧的待计算区域内相同位置的矩阵作为对应样本矩阵的参考矩阵；

S304、计算每一对位置相对应的样本矩阵和参考矩阵的相关系数；

S305、将所有相关系数按照对应的样本矩阵或参考矩阵在样本帧或参考帧中的相对位置关系，排列形成相关系数矩阵。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

在S1中，采集到的样本帧初始图像包括A行B列个像素点；

所述S2具体包括：

S201、对样本帧初始图像进行去噪处理；

S202、将去噪后的样本帧初始图像中各像素点的灰度值除以一常数；

S203、建立一个中间矩阵，将去噪后样本帧初始图像中第a+1行第b+2列的像素点的灰度值减去第a行第b列的像素点的灰度值，得到的值作为中间矩阵的第a行第b+1列的值，其中1≤a≤A－1，1≤b≤B－2；

S204、将去噪后样本帧初始图像中第a+1行第2列的像素点灰度值减去第a行第1列的像素点的灰度值，得到的值作为中间矩阵的第a行第1列的值；

S205、将中间矩阵中大于0的像素点设为1，将小于或等于0的像素点设为0，得到的矩阵即为二值化处理后的样本帧。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S302具体包括，在样本帧的待计算区域内，使用所述矩阵采样模板从横向和纵向边缘开始，按照同一步长横向或纵向移动；当矩阵采样模板处于起始位置，以及每完成一次移动时，都对样本帧落在矩阵采样模板区域内的矩阵进行采样，作为样本矩阵，直至历遍样本帧的待计算区域中的所有可移动区域。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述矩阵采样模板每次移动的步长为一个或多个像素。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述相关系数矩阵为M行N列的矩形，其中，M和N为奇数。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，M与N相等。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S304中，所述相关系数等于样本矩阵与参考矩阵相减后得出的差值矩阵中所有元素的绝对值之和。

8.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述S4中，确定鼠标的整像素级位移的方法包括：

S401、确定相关系数矩阵中的最小元素；

S402、将位于相关系数矩阵中心的元素作为参考元素，从所述参考元素到所述最小元素的向量值即为鼠标的整像素级位移，其中，每相邻一个元素为一个单位向量。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在S6中，所述k大于2且小于3。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述k的值为2.4。