CN103123536B - 位移检测装置及其操作方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种位移检测装置，包括光源、图像传感器及处理单元。所述光源以光源参数提供光线至手指。所述图像传感器接收来自所述手指的反射光，在所述光源点亮时输出有效图像并在所述光源未点亮时输出暗图像。所述处理单元根据一张所述暗图像及一张所述有效图像决定接触状态，根据两张所述有效图像计算位移量并据以调整所述光源参数。

Description

位移检测装置及其操作方法

技术领域

本发明是关于一种位移检测装置及其操作方法，特别是关于一种可降低系统耗能的位移检测装置及其操作方法。

背景技术

可携式电子装置因其极佳的操作便利性而广受使用者的青睐，目前许多可携式电子装置具有显示屏供使用者观看各种应用程式，并包括光学式鼠标，例如光学式手指鼠标(optical finger mouse)供使用者操控光标以选择所欲操作的应用程式，而如何降低该光学式鼠标的消耗电能是为节省可携式电子装置总耗能的方法之一。

已知技术中，已存在有通过改变图像感应器的图像获取频率的方式来降低光学式鼠标的消耗电能，例如美国专利公开第20050110746号的“光学导航装置的省电方法(Power-saving method for an optical navigation device)”，其公开了一种依据光学导航装置的移动速度，亦即光学导航装置单位时间内水平位移量及垂直位移量的变化量大小，据以控制图像感应器的取样频率的方法；其中，当该光学导航装置的移动速度越快，取样频率越高且图像传感器的曝光时间越短；反之，当该光学导航装置的移动速度越慢，取样率越低且图像传感器的曝光时间越长，藉以节省该光学导航装置的整体耗能。

然而，通过改变图像感应器的取样频率及曝光时间长短以节省光学导航装置消耗电能的方式仍至少具有下列问题：(1)由于图像感应器的曝光时间长短会随着光学导航装置的移动速度而改变，导致其所获取图像的整体亮度会产生较大的变动而具有较差的稳定性；(2)当光学导航装置的移动速度降低时，虽然可降低图像感应器的取样频率，但是为了要在低速移动下获得与高速移动时相同的最大可检测加速度，则必须增加图像感应器的检测范围，因而光学导航装置所包括的数位信号处理器的信号处理负载并不会随着取样频率的降低而线性地降低。

鉴于此，本发明提出一种位移检测装置及其操作方法，其可根据所检测的位移量控制光源点亮时间，并可在排除环境光源的影响下，当预定期间未检测到物件时进入待机状态，以进而节省耗能。

发明内容

本发明的一个目的在提供一种位移检测装置及其操作方法，其可有效降低系统耗能。

本发明的另一个目的在提供一种可排除环光干扰的位移检测装置及其操作方法。

本发明的位移检测装置是用于检测手指与触控界面的接触状态及位移量。

为达上述目的，本发明提供一种位移检测装置，包括触控界面、光源、图像传感器及处理单元。该触控界面包括第一面及第二面，其中该位移检测装置检测该手指与该第一面的该接触状态。该光源以光源参数提供光线至该触控界面的该第二面。该图像传感器以取样频率接收来自该触控界面的反射光以输出图像，以在该光源点亮时输出有效图像并在该光源未点亮时输出暗图像。该处理单元根据一张该暗图像及一张该有效图像判定该接触状态，根据两张该有效图像计算该位移量并据以调整该光源参数。

根据本发明的另一个方面，本发明还提供一种位移检测装置的操作方法，包括下列步骤：以光源根据光源参数照射触控界面；以图像传感器根据取样频率接收来自该触控界面的反射光以输出图像，以在该光源点亮时输出有效图像并在该光源未点亮时输出暗图像；以处理单元根据一张该有效图像及一张该暗图像计算静态参数；以及以该处理单元根据该静态参数与预设参数的差异量判定接触状态。

根据本发明的另一个方面，本发明还提供一种位移检测装置，包括触控界面、光源、图像传感器及处理单元。该触控界面包括第一面及第二面，其中该位移检测装置检测该手指与该第一面的该接触状态。该光源以光源参数提供光线至该触控界面的该第二面。该图像传感器以取样频率接收来自该触控界面的反射光以输出图像，以在该光源点亮时输出有效图像并在该光源未点亮时输出暗图像。该处理单元计算一张该有效图像及一张该暗图像的亮度差，并根据该亮度差与预设亮度差的差异量判定该接触状态。

本发明的位移检测装置及其操作方法中，该第二阈值可小于该第一阈值，以避免所检测的接触状态不断在两种状态间转换。该光源参数包括速度模式(点亮频率)、略过张数和/或曝光参数。该静态参数及该预设参数可为亮度、品质参数和/或其他用以表示图像特征的参数。该差异量为该静态参数及该预设参数的比例或差值；其中，该预设参数可为每次系统开机或接受指示且手指未接触该触控界面时所预先得到。

附图说明

图1为本发明实施例的位移检测装置的示意图；

图2A为本发明实施例的位移检测装置的不同速度模式的示意图；

图2B为本发明实施例的位移检测装置计算最大可检测位移量的示意图；

图2C显示本发明实施例的位移检测装置的不同速度模式对应的最大可检测速度；

图3A为本发明实施例的位移检测装置的不同速度模式的略过模式的示意图；

图3B显示图3A的不同速度模式的略过模式对应的最大可检测速度；

图4A为本发明实施例的位移检测装置的不同速度模式的略过模式的另一示意图；

图4B显示图4A的不同速度模式的略过模式对应的最大可检测速度；

图5A为本发明实施例的位移检测装置的操作方法的流程图；

图5B为图5A的判定接触状态的流程图。

附图标记说明

1位移检测装置 11触控界面

11A触控界面的第一面 11B触控界面的第二面

12光源 13图像传感器

14处理单元 20第一图像

21参考搜寻框 30第二图像

31搜寻框 S₁₁-S₁₅₁步骤

8电子装置 9手指

I₁有效图像 I₂、I₂′暗图像

具体实施方式

为了让本发明的上述和其他目的、特征、和优点能更明显，下文将配合附图，作详细说明如下。在本发明的说明中，相同的构件是以相同的符号表示，在此先说明。

请参照图1所示，其显示本发明实施例的位移检测装置。位移检测装置1包括触控界面11、光源12、图像传感器13及处理单元14。

该触控界面11具有第一面11A及第二面11B，该第一面11A作为触控面供使用者利用其手指在其上触碰或移动。该触控界面11可为适当材质制成，并相对于该光源12所发出的光为透明。

该光源12例如可为红外光等的不可见光光源，用以相对该图像传感器13的图像获取而发光。该光源12提供光线至该触控界面11的该第二面11B；当该手指9触碰该第一面11A时，该光源12的光线被反射；当该手指9未触碰该第一面11A时，该光源12的光线则穿过该触控界面11而射出。

该图像传感器13以固定取样频率获取该触控界面11的反射光以产生有效图像或暗图像；其中，所述有效图像定义为当该图像传感器13获取图像的同时该光源12点亮；所述暗图像定义为当该图像传感器13获取图像的同时该光源12未点亮。图1中是绘示了该图像传感器13的传感阵列以表示该图像传感器13，但其仅为例示性。可以了解的是，该图像传感器13的内部或外部可另包括光学元件(未示出)，以增加其感光效率。

该处理单元14接收该图像传感器13所输出的有效图像或暗图像，并根据一张暗图像及一张有效图像计算静态参数并据以判定接触状态，根据两张有效图像计算位移量并根据至少一张有效图像的图像内容调整曝光参数。本发明中，该处理单元14根据该静态参数与预设参数的差异量判定该手指9与该第一面11A的接触状态(在后面详述)；其中，当该接触状态为未接触态且持续预设时间，则该位移检测装置1进入休眠模式；当为接触态时，则计算位移量并据以调整光源参数。该处理单元14另根据至少一张有效图像的图像内容，例如图像亮度或图像品质，调整该曝光参数，例如曝光时间及图像增益。可以了解的是，该处理单元14还可包括储存单元用以储存该预设参数或相关参数；还可包括计数单元用以计数该预设时间。该处理单元14可直接控制该光源12的发光，或通过光源控制单元控制该光源12的发光。

该处理单元14还将所得到的位移量或其他控制参数传送至电子装置8以进行相对控制，其中该处理单元14对该电子装置8控制的功能包括一般人机界面装置的功能，故在此不再赘述。

请参照图2A所示，其显示本发明的一种实施例中，该图像传感器13的图像取样以及该光源12的三种发光模式的时序图，其中每种发光模式相对于一种点亮频率。本实施例中，假设图像取样周期＝1/2,385秒、高速模式的发光周期＝1/2,385秒、中速模式的发光周期＝1/1,193秒，低速模式的发光周期＝1/795秒；该等发光周期为该图像取样周期的整数倍并形成同步，也就是在该图像传感器13的图像获取期间，该光源12提供图像获取所需的光。藉此，虽然该图像传感器13以固定的图像取样周期获取图像，但由于该光源12受到该处理单元14的控制而并非在每次图像取样时均提供获取图像所需的光，因此该图像传感器13所获取的有效图像是受到该光源12的发光周期所控制。该处理单元14则基于该图像传感器13所获取的有效图像进行位移量的计算。可以了解的是，第2A图中所揭示的图像取样周期、发光周期以及其数值仅为例示性，并非用以限定本发明。

请参照图2A及2B所示，接着说明该处理单元14在两张有效图像的间所能检测的最大位移量及最大可检测速度。一种实施方式中，该图像传感器13相对该光源12的点亮获取两张有效图像，例如第一图像20及第二图像30。该处理单元14在该第一图像20选定参考搜寻框21并在该第二图像30选定搜寻框31。该处理单元14接着计算该参考搜寻框21与该搜寻框31间的位移量以作为该位移检测装置1所检测到的位移量。为简化说明，图2B中仅考虑X轴方向位移(即图中水平方向)，在实际操作时该位移量可包括X轴方向分量以及Y轴方向分量。最大可检测位移量是根据该参考搜寻框21位于该第一图像20的最左侧以及该搜寻框31位于该第二图像30最右侧的情形计算而得。在此实施例中，假设每张图框(即该图像传感器的传感阵列尺寸)具有16×16个像素，该搜寻框31及该参考搜寻框21设定为8×8个像素，则该处理单元14在连续两张有效图像间的最大可检测位移量为8个像素距离。由于此最大可检测位移量是由每张图框的尺寸决定，因而不受该光源12的发光周期所影响，亦即该最大可检测位移量在该光源12的各种发光周期均相同。

由此可知，当该位移检测装置1在连续两张有效图像间的位移量超过8个像素距离时，该光源12必须缩短发光周期，如此该处理单元14才能够检测到位移量；换句话说，当该位移检测装置1的位移量超过该最大可检测位移量时，该处理单元14则无法计算该位移量，因而必须缩短光源12的发光周期以使该位移检测装置1正常运作。因此，该处理单元14可根据所计算的位移量控制该光源12进入高速模式、中速模式或低速模式。可以了解的是，本说明所举出的所有数值设定仅为本发明的1种实施方式，并非用以限定本发明。

然而，不同速度模式下的最大可检测速度并不相同。例如，假设每个像素尺寸为40×40微米，则每种模式下的最大可检测速度＝最大可检测像素数目×每个像素尺寸×图框率。因此，高速模式的最大可检测速度＝8×40×2385＝30.05时/秒(IPS)；同理，中速及低速模式的最大可检测速度显示在图2C中，其中有效图框率是相对该光源12的点亮频率。

参照图3A及3B所示，其显示本发明的位移检测装置1依据所检测位移量改变有效图框率的示意图。本实施例中，除了高速、中速及低速模式外，每一种速度模式中，该处理单元14另可根据所检测位移速度(或位移量)进入略过模式，当该处理单元14所检测位移速度未超过速度阈值，则可在连续获取两张有效图像后，使该光源12略过一张图像不发光以节省耗电。例如在高速模式下，略过一张图像会使有效图框率降低为原高速模式的2/3，即2385×2/3＝1590(FPS)；因此，高速模式的略过模式的最大可检测速度＝8×40×1590＝20.03时/秒；同理，其他速度模式下的最大可检测速度显示在第3B图，其中低速模式并未显示有略过图像，但并不以此为限。

请参照第4A及4B图所示，其显示本发明的位移检测装置1依据所检测位移量改变有效图框率的另一示意图。本实施例中，略过模式可略过的张数显示为两张(I₂)，而每个速度模式下的最大可检测速度显示在图4B中，同理低速模式并未显示有略过图像。换句话说，本发明中当该处理单元14判定所检测位移量较低或检测速度较慢而可降低有效图框率时，可选择进入不同速度模式或进入略过模式，亦即该光源12的光源参数包括速度模式(即点亮频率)、略过张数及/或曝光参数，其中该曝光参数包括曝光时间、光圈值及放大增益等。例如在高速模式下，可选择进入中速模式、低速模式或略过模式。设计略过模式的优点可增加有效图框率的可调整精细度，且被略过的图像可用于以下后处理中用以消除环境光的干扰。此外，略过模式中可略过的张数则可根据光源参数对应的最大可检测速度以及当时所检测的速度(或位移量)决定。图3A及4A中，I₂表示略过模式的暗图像；I₂′表示正常模式的暗图像；I₁表示有效图像。

参照图5A及5B所示，其显示本发明实施例的位移检测装置的操作方法的流程图，包括下列步骤：对应光源参数获取有效图像及暗图像(步骤S₁₁)；根据一张该有效图像及一张该暗图像计算静态参数(步骤S₁₂)；根据该静态参数与预设参数的差异量判定接触状态(步骤S₁₃)；当该接触状态为未接触态且持续预设时间(步骤S₁₄)，则进入休眠模式(步骤S₁₄₁)；当该接触状态为接触态，则计算位移量(步骤S₁₅)，并根据该位移量调整该光源参数(步骤S₁₅₁)；其中，判定该接触状态的步骤S₁₃中，是根据该差异量与至少一阈值的比较结果判定为接触态或未接触态(图5B)。

步骤S₁₁：

同时参照图1、3A及5A所示，该处理单元14控制该光源12以光源参数发光照射该触控界面11的第二面11B，例如以高速模式并略过一张(图3A)来发光；该图像传感器13则根据取样频率接收来自该触控界面11的反射光以输出图像，并输出有效图像I₁(相对该光源12发光的图像)及暗图像I₂(相对该光源12未发光的图像)；其中若该光源12以中速模式发光，则该暗图像可为任何一张相对该光源12未发光的图像(包括I₂及I₂′)，并不限于被略过的暗图像I₂。

步骤S₁₂：

该处理单元14则计算该有效图像I₁与该暗图像I₂的差分图像的静态参数。例如当该手指9大致接触该触控界面11第一面11A时，该图像传感器13所获取该有效图像I₁包括(手反射光+杂散光+环境光)的成分，暗图像I₂仅包括(环境光)的成分；因此，该有效图像I₁与该暗图像I₂的差值(即差分图像)可消去环境光的影响。同理，当该手指9未接触该触控界面11时，该图像传感器13所获取该有效图像I₁包括(杂散光+环境光)的成分，暗图像I₂仅包括(环境光)的成分；因此，该有效图像I₁与该暗图像I₂的差值可消去环境光的影响。一种实施例中，该静态参数可根据下列方程式得到：

I₁-I₂ (1)

(I₁-I₂)/第一曝光时间 (2)

I₁/第一曝光时间-I₂/第二曝光时间 (3)

QI₁-QI₂ (4)

(QI₁-QI₂)/第一曝光时间 (5)

QI₁/第一曝光时间-QI₂/第二曝光时间 (6)

其中，I₁及I₂表示亮度(灰阶值)；QI₁及QI₂表示品质参数；第一曝光时间表示相对于该光源12点亮时该图像传感器13的曝光时间；第二曝光时间表示相对于该光源12未点亮时该图像传感器13的曝光时间，其中除以曝光时间的目的是对静态参数进行归一化。

步骤S₁₃：

该处理单元14则计算步骤S₁₂中得到的静态参数与预设参数的差异量以判断该手指9与该触控界面11的接触状态。本实施例中，该预设参数是为当该手指9未靠近该触控界面11时所预先计算出的预设静态参数，其同样可根据方程式(1)-(6)所得到。例如，该预设静态参数优选为该位移检测装置在每次系统开机或开机后受到使用者的指示所预先得到，或事先储存在系统的。本实施例中，该差异量为该静态参数与该预设参数的比例或差值；例如当该静态参数与该预设参数为图像亮度时，该差异量可为该静态参数与该预设参数的亮度比例；例如当该静态参数与该预设参数是图像品质参数时，该差异量可为该静态参数与该预设参数的品质参数差值，但本发明并不以此为限。

判断该手指9是否与该触控界面11接触的方式例如可将该差异量与至少一阈值相比较。一种实施例中，由于该图像传感器13所获取图像是受到数种因素影响，例如温度偏移、系统组装偏移、手指差异等影响，因此例如当该静态参数大于该预设参数的1.5倍亮度，优选的大于2倍亮度时，则可判定手指9大致接触该触控界面11，亦即该倍数可被设定为阈值。此外，当该静态参数及该预设参数为品质参数时，阈值的设定则根据不同参数而决定。

步骤S₁₃₀-步骤S₁₃₃：

例如当手指9为未接触态时(步骤S₁₃₀)，且该处理单元14判定该差异量大于第一阈值(例如亮度大于2倍)，则判定该手指9接触该触控界面11(步骤S₁₃₁-步骤S₁₃₂)而进入接触态；如果该处理单元14判定该差异量小于该第一阈值(例如亮度小于2倍)，则判定该手指9未接触该触控界面11而回到步骤S₁₃₀。例如当该手指9为接触态时(步骤S₁₃₂)，且该处理单元14判定该差异量小于第二阈值(例如亮度小于1.5倍)，则判定该手指9离开该触控界面11而回到步骤S₁₃₀(步骤S₁₃₂-步骤S₁₃₃)；如果该处理单元14判定该差异量仍大于该第二阈值(例如亮度大于1.5倍)，则判定该手指9仍接触该触控界面11而持续步骤S₁₃₂。可以了解的是，该第二阈值小于该第一阈值可避免接触状态不断往复在接触态与未接触态两种状态，但亦可仅设定一个阈值。此外，该第一阈值与该第二阈值的数值仅为例示性。

步骤S₁₄-步骤S₁₄₁：

当根据步骤S₁₃₀-步骤S₁₃₃判定该接触状态为未接触态且持续预设时间，则可判定使用者未对该位移检测装置1进行操作，则可选择进入休眠模式以节省系统耗能；其中，休模模式的定义已为已知，故在此不再赘述。此外，所述预设时间可根据实际需求设定，并无特定限制。

步骤S₁₅-步骤S₁₅₁：

当根据步骤S₁₃₀-步骤S₁₃₃判定该接触状态为接触，该处理单元14则可根据至少两张有效图像计算位移量，并根据所得到的位移量调整该光源12的光源参数，包括速度模式及略过张数等，并重新回到步骤S₁₁重新进行下一循环的操作。根据两张有效图像计算位移量的方式已为已知，例如根据图像相关性(correlation)计算位移量，故在此不再赘述。

综上所述，已知光学导航装置的省电方式具有稳定性及省电效果不佳的问题。本发明另提供一种位移检测装置(第1图)及其操作方法(第5A-5B图)，除了可有效降低系统耗能外，亦可排除环光干扰以增进判定精确度。

虽然本发明已以前述实施例公开，然其并非用以限定本发明，任何本发明所属技术领域中普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的变更与修改。因此本发明的保护范围当视为后附的权利要求书所限定的范围。

Claims (17)

1.一种位移检测装置，用于检测手指的接触状态及位移量，该位移检测装置包括：

触控界面，包括第一面及第二面，其中所述位移检测装置检测所述手指与所述第一面的所述接触状态；

光源，以发光周期提供光线至所述触控界面的所述第二面；

图像传感器，以取样频率接收来自所述触控界面的反射光以输出图像，以在所述光源点亮时输出有效图像并在所述光源未点亮时输出暗图像，其中，所述有效图像为当所述图像传感器获取所述图像的同时所述光源点亮，所述暗图像为当所述图像传感器获取所述图像的同时所述光源未点亮；以及

处理单元，根据一张所述暗图像及一张所述有效图像的差分图像判定所述接触状态，当所述处理单元判定所述接触状态为接触态时，则根据两张所述有效图像计算所述位移量，并当所述位移量超过最大可检测位移量时缩短所述光源的所述发光周期。

2.根据权利要求1所述的位移检测装置，其中所述处理单元还根据至少一张所述有效图像的图像内容调整曝光时间及放大增益。

3.根据权利要求1所述的位移检测装置，其中所述处理单元计算一张所述暗图像及一张所述有效图像的所述差分图像的静态参数，并计算所述静态参数与预设参数的差异量。

4.根据权利要求3所述的位移检测装置，其中所述预设参数是根据所述手指未接触所述触控界面时所预先得到的一张所述暗图像及一张所述有效图像的差分图像所得到。

5.根据权利要求3所述的位移检测装置，其中所述处理单元比较所述差异量与至少一阈值以判定所述接触状态为所述接触态或未接触态。

6.根据权利要求5所述的位移检测装置，其中当所述处理单元判定所述接触状态为所述未接触态且持续预设时间，则控制所述位移检测装置进入休眠模式。

7.根据权利要求3所述的位移检测装置，其中所述静态参数及所述预设参数为亮度或品质参数。

8.一种位移检测装置的操作方法，所述位移检测装置包括光源、图像传感器及处理单元，并用于检测手指与触控界面的接触状态，所述操作方法包括：

以所述光源根据发光周期照射所述触控界面；

以所述图像传感器根据取样频率接收来自所述触控界面的反射光以输出图像，以在所述光源点亮时输出有效图像并在所述光源未点亮时输出暗图像，其中，所述有效图像为当所述图像传感器获取所述图像的同时所述光源点亮，所述暗图像为当所述图像传感器获取所述图像的同时所述光源未点亮；

以所述处理单元根据一张所述有效图像及一张所述暗图像的差分图像计算静态参数；

以所述处理单元根据所述静态参数与预设参数的差异量判定所述接触状态；

当所述接触状态为接触态时，则根据两张有效图像计算位移量；以及

当所述位移量超过最大可检测位移量时缩短所述光源的所述发光周期。

9.根据权利要求8所述的操作方法，其中所述接触状态包括所述接触态及未接触态，所述操作方法还包括下列步骤：

在所述接触状态为所述未接触态的情况下，当所述差异量大于第一阈值时转换至所述接触态，当所述差异量小于所述第一阈值时维持所述未接触态；及

在所述接触状态为所述接触态的情况下，当所述差异量小于第二阈值时转换至所述未接触态，当所述差异量大于所述第二阈值时维持所述接触态；其中所述第一阈值大于所述第二阈值。

10.根据权利要求9所述的操作方法，该方法还包括：

当所述接触状态为所述未接触态且持续预设时间，进入休眠模式。

11.根据权利要求10所述的操作方法，该方法还包括：

以所述处理单元根据至少一张所述有效图像的图像内容调整曝光参数。

12.根据权利要求11所述的操作方法，其中所述曝光参数包括曝光时间及放大增益。

13.根据权利要求8所述的操作方法，其中所述静态参数及所述预设参数为亮度或品质参数。

14.根据权利要求8所述的操作方法，其中所述预设参数是根据所述手指未接触所述触控界面时所预先得到的一张所述暗图像及一张所述有效图像的差分图像所得到。

15.一种位移检测装置，用于检测手指的接触状态，所述位移检测装置包括：

触控界面，包括第一面及第二面，其中所述位移检测装置检测所述手指与所述第一面的所述接触状态；

光源，以发光周期提供光线至所述触控界面的所述第二面；

图像传感器，以取样频率接收来自所述触控界面的反射光以输出图像，以在所述光源点亮时输出有效图像并在所述光源未点亮时输出暗图像，其中，所述有效图像为当所述图像传感器获取所述图像的同时所述光源点亮，所述暗图像为当所述图像传感器获取所述图像的同时所述光源未点亮；以及

处理单元，计算一张所述有效图像及一张所述暗图像的亮度差，并根据所述亮度差与预设亮度差的差异量判定所述接触状态，当所述接触状态为接触态时根据两张有效图像计算位移量，并当所述位移量超过最大可检测位移量时缩短所述光源的所述发光周期。

16.根据权利要求15所述的位移检测装置，其中所述预设亮度差为所述手指未接触所述触控界面时所预先得到的一张所述暗图像及一张所述有效图像的亮度差。

17.根据权利要求15所述的位移检测装置，其中所述亮度差及所述预设亮度差为所述有效图像与所述暗图像的平均亮度差除以曝光时间，或者为所述有效图像的平均亮度除以第一曝光时间的商减去所述暗图像的平均亮度除以第二曝光时间的商。