CN103186291B - 光学触控系统 - Google Patents

Abstract

一种光学触控系统，包含至少一个发光单元、至少一个图像传感模块及处理单元。所述图像传感模块用于获取指示物及所述发光单元的光线以形成二维图像并将整个所述二维图像转换为一维特征。所述处理单元根据所述一维特征定位所述指示物。

Description

光学触控系统

技术领域

本发明涉及一种互动系统，特别涉及一种光学触控系统。

背景技术

光学触控系统属于一种被动式触控系统，不同于主动式触控系统，用于操控被动式触控系统的指示物不需消耗任何电力，因此使用者可使用任何物件作为所述指示物，例如使用者的手指。藉此，使用者无需随身携带额外的指向装置而大幅增加了使用便利性。光学触控系统中，如何判定接触点在二维空间的位置是重要的研究课题。

例如，美国专利第6,803,906号，标题为“被动式触控系统及检测使用者输入的方法”中公开一种被动式触控系统9，如图1所示。所述触控系统9包含触控面90、四个二维图像传感器91以及处理器92。所述二维图像传感器91用于获取横跨所述触控面90的二维图像，所述处理器92根据所述二维图像来计算指向装置对应于所述触控面90的坐标。

所述被动式触控系统9中，所述二维图像传感器91所获取的图像包含二维图像信息，因此所述处理器92需要处理较大的资料量。因此，为避免所述处理器92处理过多无效信息，所述被动式触控系统9在校正阶段即在所述二维图像传感器91所获取的二维图像中选择子集(subset)以降低资料量，且在正常操作时仅根据被选择的子集图像资料进行运算而忽略其他未被选择的图像资料。然而，由于这种运作方式，所述被动式触控系统9至少具有下列问题：

(1)校正阶段即至少必须增加一个选择子集的步骤；(2)所选择出的子集未必是最佳图像区块，例如当触控面90出现弯曲(bending)时，即可能无法选出适当的子集而导致后处理时产生错误运算的情形；(3)所选择出的子集为矩形，其仍包含大量的无效信息，故无法有效降低资料传输量及后处理的运算量；以及(4)为了清楚地解析出指向装置的图像，而使用了具有较大像素阵列(pixelarray)的图像传感器，因此所述图像传感器91需要较大的设置空间，故不适用于具有小面积触控面的电子产品；但若因此缩小像素阵列尺寸，则无法获取到指向装置的清晰图像，而影响到接触状态的判断。

鉴于此，本发明提出一种光学触控系统，其先将二维信息转换为一维信息后再执行指示物定位，即使使用具有较小像素阵列的图像传感器仍能够通过维度转换来增加图像资料的有效性，可降低资料传输量并可适用于体积较小的电子产品。

发明内容

本发明的目的是提供一种光学触控系统，该光学触控系统可有效降低资料传输量及增加可适用产品的范围。

本发明的另一目的是提供一种光学触控系统，该光学触控系统不需选择子集以减少运作复杂度并可避免因选择不恰当的子集而导致误运算的情形。

为了达到上述目的，本发明提供一种光学触控系统用于定位指示物的二维坐标。

本发明实施方式的光学触控系统，包含触控面、至少一个发光单元、至少一个图像传感模块以及处理单元。所述发光单元设置于所述触控面上。所述图像传感模块获取来自所述触控面、所述指示物及所述发光单元的光线以形成二维图像，并将整个所述二维图像转换为一维特征。所述处理单元根据所述一维特征定位所述指示物。

本发明实施方式的光学触控系统，包含触控面、反光镜、至少一个发光条及CMOS图像传感器。所述反光镜以及所述发光条设置于所述触控面上。所述CMOS图像传感器获取来自所述触控面、所述指示物、所述反光镜及所述发光条的光线以形成二维图像，并将整个所述二维图像转换为一维特征。所述处理单元根据所述一维特征定位所述指示物。

本发明实施方式的光学触控系统，包含触控面、三个发光条以及两个CMOS图像传感器。所述发光条设置于所述触控面上。所述CMOS图像传感器分别获取横跨所述触控面并包含所述指示物遮蔽所述发光条的二维图像，并将整个所述二维图像转换为一维特征。所述处理单元根据所述CMOS图像传感器输出的所述一维特征定位所述指示物。在一个实施方式中，所述三个发光条合成为延伸于所述触控面的三边的一个发光条。

一个实施方式中，所述一维特征为所述二维图像中，每一行像素的亮度和、平均亮度或加权平均亮度形成的亮度序列(intensityarray)。

一个实施方式中，所述处理单元定义所述亮度序列的比例或平移为阈值序列(thresholdarray)。

一个实施方式中，所述处理单元比较所述亮度序列及所述阈值序列以判断至少一个接触点，并根据所述接触点与所述一维特征的空间关系定位所述指示物。

本发明的光学触控系统中，所述图像传感模块优选包含主动式图像传感器，例如CMOS图像传感器。本发明的光学触控系统由于不需要选择子集，可简化操作程序并可避免根据不适当子集运算导致错误控制的情形。

附图说明

图1示出熟知被动式触控系统的示意图。

图2A和2B示出本发明实施方式的光学触控系统的示意图。

图3A示出本发明实施方式的光学触控系统的图像传感模块所获取的二维图像及输出的一维特征的示意图，其不包含指示物信息。

图3B示出本发明实施方式的光学触控系统的图像传感模块所获取的二维图像及输出的一维特征的示意图，其包含两个指示物信息。

图4示出本发明一个实施方式的光学触控系统的定位方法的流程图。

图5示出对应于图4的定位方法的光学触控系统。

图6示出本发明另一实施方式的光学触控系统的定位方法的流程图。

图7示出对应于图6的定位方法的光学触控系统。

图8示出图7的光学触控系统的两个图像传感模块所获取的二维图像及输出的一维特征的示意图。

附图标记说明

1、1′光学触控系统10触控面

10′触控面镜像101-103触控面的边

111-113发光单元114点光源

111′-112′发光单元镜像12、12′图像传感模块

13处理单元14传输界面单元

8指示物8′指示物镜像

S₁₁-S₁₄、S₂₁₁-S₂₂步骤S_1d一维特征

9被动式触控系统90触控面

91图像传感器92处理器

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，相同的构件用相同的符号表示，在此先说明。

参照图2A和2B所示，其示出本发明实施方式的光学触控系统的示意图。光学触控系统1用于定位指示物8，并包含触控面10、至少一个发光单元(此处示出为三个发光单元111-113)、至少一个图像传感模块12(例如图2A包含一个图像传感模块而图2B包含两个图像传感模块)、处理单元13及传输界面单元14；有些实施方式中，所述发光单元111-113的三个或其中两个可合成为单一的发光单元(详述于后)。

所述触控面10可由适当材质所制成，供所述指示物8在它上面进行操控。所述指示物8例如可以是使用者的手指、笔、触控杆等，并无特定限制。

所述发光单元111-113设置于所述触控面10上，它可从主动光源或被动光源中进行适当选择，其中所述主动光源可主动发光而所述被动光源可被动地反射主动光源或环境光源所发出的光。一种实施方式中，所述发光单元111及112为主动光源(例如发光条)而所述发光单元113为被动光源(例如反光镜)用于反射所述发光单元111及112所发出的光，此时所述光学触控系统1包含一个图像传感模块12，其视角范围优选至少包含所述发光单元112及113(图2A)；另一实施方式中，所述发光单元111可不予实施，所述光学触控系统1仅包含所述主动光源112及所述被动光源113。藉此，所述指示物8可遮蔽所述发光单元112以形成遮蔽光影并于所述反光镜(发光单元113)形成镜像，所述处理单元13即可根据所述遮蔽光影及所述镜像来定位所述指示物8的二维位置(详述于后)。另一实施方式中，所述发光单元111可不予实施，所述光学触控系统1仅包含延伸于所述触控面10的第二边102及第三边103的被动光源，所述光学触控系统1还包含点光源114用于照明所述被动光源，例如图2A中，所述点光源114设置于所述图像传感模块12附近。

另一实施方式中，所述发光单元111-113均为主动光源，此时所述光学触控系统1优选包含两个图像传感模块12及12′，如图2B所示。此实施方式中，每一图像传感模块12及12′的视角范围至少包含两个所述发光单元111-113，例如所述图像传感模块12的视角范围优选至少包含所述发光单元112及113；所述图像传感模块12′的视角范围优选至少包含所述发光单元111及113。其他实施方式中，当所述发光单元111-113合成为延伸于所述触控面10的第一边101、第二边102及第三边103的单一发光单元时，每一图像传感模块12及12′的视角范围至少包含所述单一发光单元的至少一个部分。所述图像传感模块12及12′可分别获取所述指示物8遮蔽所述发光单元(或所述发光单元111-113)的遮蔽光影并通过三角运算定位所述指示物8的二维位置；或者，在映射平面空间中计算图像传感模块位置与遮蔽光影位置连线的联立方程式的解(例如图像传感模块12及遮蔽光影的第一连线与图像传感模块12′及遮蔽光影的第二连线的交点)，作为指示物坐标。

所述图像传感模块12及12′优选包含主动式图像传感器，例如CMOS图像传感器。所述主动式图像传感器具有二维像素阵列，其尺寸优选低于640×8像素，因而可适用于触控面10的面积较小的电子装置。所述图像传感模块12及12′用于获取横跨所述触控面10的二维图像，因此当所述指示物8靠近或接触所述触控面10时，所述图像传感模块12及12′可获取来自所述触控面10、所述指示物8及所述发光单元(或所述发光单元111-113)的光线以形成所述二维图像，并将整个所述二维图像转换为一维特征S_1d后(详述于后)，将所述一维特征输出至所述处理单元13进行后处理以定位所述指示物8。可以了解的是，上述二维像素阵列的尺寸仅为示例性，并非用于限制本发明。

可以了解的是，只要所述图像传感模块12及12′能够获取所述指示物8遮蔽所述发光单元111-113的信息，所述图像传感模块12及12′与所述发光单元111-113的位置关系并不限于图2A和2B所公开的。

所述处理单元13接收来自所述图像传感模块12及12′的一维特征，并根据指示物信息(即接触点)位于所述一维特征中的位置以及所述图像传感模块12及12′设置于所述触控面10的位置，计算所述指示物8相对所述触控面10的二维位置；其中，根据接触点的一维空间关系定位所述指示物8的实施方式，例如可参照让给本发明相同受让人的美国专利第7,689,381号，标题为“传感系统”中所公开的。

所述传输界面单元14用于有线或无线地输出所述处理单元13所求得的二维位置到外部控制单元以相对控制电子产品执行特定功能，其中有线及无线传输技术已为熟知，故于此不再赘述。

以下将说明图像传感模块转换二维图像至一维特征的方式及处理单元判断至少一个接触点的方式，其中此处仅以所述图像传感模块12作说明，而所述图像传感模块12′所执行的动作也相同。

参照图3A和3B所示，图3A示出光学触控系统1的图像传感模块12获取的二维图像(上图)及输出的一维特征(下图)的示意图，其不包含指示物信息；图3B示出光学触控系统1的图像传感模块12获取的二维图像及输出的一维特征的示意图，其包含两个指示物信息。

当所述指示物8未靠近或接触所述触控面10时(图3A)，所述图像传感模块12例如获取高度为H像素且宽度为W像素的二维图像；其中每一像素的亮度例如以I_xy表示，x表示宽度方向像素位置而y表示高度方向像素位置。所述图像传感模块12根据整个H×W二维图像计算每一行像素的亮度和(公式1)、平均亮度(公式2)或加权平均亮度(公式3)，

亮度和 $A_X=\underset{y=1}{\overset{H}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{\mathrm{xy}}...\left(1\right)$

平均亮度 $A_X=\left(\underset{y=1}{\overset{H}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{\mathrm{xy}}\right)/H...\left(2\right)$

加权平均亮度 $A_X=\left(\underset{y=1}{\overset{H}{\mathrm{\Σ}}}w{I}_{\mathrm{xy}}\right)/H...\left(3\right)$

所述图像传感模块12输出每一行像素的亮度和、平均亮度或加权平均亮度的亮度序列P_B＝[A_x]作为一维特征S_1d，其被传送到所述处理单元13进行后处理；其中加权权重w可根据所要处理的像素范围决定。

所述处理单元13接着定义阈值序列用于判定所述指示物8是否接触所述触控面10。一种实施方式中，所述处理单元13将比例乘以所述亮度序列r×P_B(例如r＝0.5-0.9，优选r＝0.8)或将所述亮度序列P_B进行平移作为所述阈值序列。可以了解的是，所述比例及平移量可选择适当数值，例如可根据系统灵敏度决定，并无特定限制。此外，根据所获取的二维图像的亮度分布，相对不同行的像素可使用不同比例或平移量，例如阈值序列也可为r_x×P_B，其中r_x可随X值改变并可根据所要处理的像素范围决定，并无特定限制。所述阈值序列r×P_B或r_x×P_B可在每次系统开机时或受到指示时的适当时间经计算并储存于所述处理单元13中。

当所述指示物8靠近或接触所述触控面10时(图3B)，所述图像传感模块12同样获取高度为H像素且宽度为W像素的二维图像，并输出每一行像素的亮度和、平均亮度或加权平均亮度的亮度序列P_B′作为一维特征S_1d，其同样被传送至所述处理单元13进行后处理。所述处理单元13则比较所述亮度序列P_B′与所述阈值序列r×P_B或r_x×P_B以判断所述指示物8是否出现于一维特征中。例如，当某行像素的亮度和、平均亮度或加权平均亮度小于相对应行的阈值时，则判断为接触点，例如图3B示出接触点1及接触点2。所述处理单元13则根据出现接触点的位置与宽度W的空间关系定位所述指示物8。

其他实施方式中，所述图像传感模块12还可包含滤光器设置于其所包含的像素阵列前方，以使所述像素阵列可以针对某特定区域进行图像获取以降低所述特定区域以外的像素信号对定位程序的影响程度。

参照图4所示，其示出本发明一个实施方式的光学触控系统的定位方法的流程图，包含下列步骤：以图像传感模块获取二维图像(步骤S₁₁)；转换所述二维图像为一维特征(步骤S₁₂)；根据所述一维特征判断至少一个接触点(步骤S₁₃)；以及根据所述接触点定位指示物(步骤S₁₄)。

参照图2A-5所示，图5示出对应于图4的定位方法的光学触控系统。此实施方式中，所述光学触控系统包含触控面10、至少一个发光条(此处示出为两发光条111-112)、反光镜113、图像传感模块12及处理单元13。所述发光条111-112及所述反光镜113均设置于所述触控面10上；所述图像传感模块12包含CMOS图像传感器，用于获取所述触控面10、指示物8、反光镜113及发光条111-112的光线以形成二维图像，并将整个所述二维图像转换为一维特征。所述处理单元13根据所述一维特征定位所述指示物8。如前所述，所述发光条111可不予实施；或者所述发光条111及112均不予实施，而所述反光镜113延伸于所述触控面10的两个边，且所述光学触控系统1还包含点光源114以照明所述反光镜113。

步骤S₁₁：所述CMOS图像传感器获取如图3A和3B所示H×W的二维图像。此实施方式中，由于所述发光单元113为反光镜，所述触控面10、所述发光单元111-112及所述指示物8会在所述反光镜113中分别形成触控面镜像10′、发光单元镜像111′-112′及指示物镜像8′，因此所述二维图像中将包含至少一个指示物信息，如图3B所示。

步骤S₁₂：所述图像传感模块12根据公式(1)至(3)其中之一计算出每行像素的亮度和、平均亮度或加权平均亮度后，输出每一行像素的亮度和、平均亮度或加权平均亮度的亮度序列P_B作为一维特征。

步骤S₁₃：所述处理单元13根据所述亮度序列P_B决定阈值序列r×P_B或r_x×P_B，并根据所述亮度序列P_B与所述阈值序列r×P_B或r_x×P_B的比较结果判断至少一个接触点，此时所述一维特征示出为两个接触点；其中一个接触点对应于所述指示物8而另一接触点对应于所述指示物镜像8′。

步骤S₁₄：所述处理单元13根据所述接触点与宽度W的空间关系对所述指示物8进行定位。如前所述，所述定位方式可使用熟知方式，故于此不再赘述。

参照图6所示，其示出本发明另一实施方式的光学触控系统的定位方法的流程图，包含下列步骤：以第一图像传感模块获取第一二维图像(步骤S₂₁₁)；转换所述第一二维图像为第一一维特征(步骤S₂₁₂)；根据所述第一一维特征判断第一接触点(步骤S₂₁₃)；以第二图像传感模块获取第二二维图像(步骤S₂₂₁)；转换所述第二二维图像为第二一维特征(步骤S₂₂₂)；根据所述第二一维特征判断第二接触点(步骤S₂₂₃)；以及根据所述第一接触点及所述第二接触点定位指示物(步骤S₂₂)。

参照图2B和6-8所示，图7示出对应于图6的定位方法的光学触控系统；图8示出图7的光学触控系统的两个图像传感模块所获取的二维图像及输出的一维特征的示意图。此实施方式中，所述光学触控系统包含触控面10、三个发光条111-113、两图像传感模块12及12′及处理单元13。所述发光条111-113均设置于所述触控面10上；所述图像传感模块12及12′包含CMOS图像传感器，用于分别获取横跨所述触控面10并包含所述指示物8遮蔽所述发光条111-113的二维图像，并将整个所述二维图像转换为一维特征。所述处理单元13则根据所述CMOS图像传感器输出的所述一维特征定位所述指示物8。如前所述，所述发光条111-113也可合成为单一发光条并延伸于所述触控面10的三个边。

步骤S₂₁₁及S₂₂₁：所述CMOS图像传感器分别获取H×W的二维图像，如图8所示。

步骤S₂₁₂及S₂₂₂：所述图像传感模块12及12′根据公式(1)至(3)其中之一分别计算出每行像素的亮度和、平均亮度或加权平均亮度后，输出每一行像素的亮度和、平均亮度或加权平均亮度的亮度序列P_B作为一维特征S_1d、S_1d′。

步骤S₂₁₃及S₂₂₃：所述处理单元13定义阈值序列r×P_B或r_x×P_B，并根据所述亮度序列P_B与所述阈值序列r×P_B或r_x×P_B的比较结果判断接触点，此时每一个一维特征示出为接触点(亮度凹部)。

步骤S₂₂：所述处理单元13根据所述接触点与宽度W的空间关系对定位所述指示物8。如前所述，所述定位方式可使用熟知方式，故于此不再赘述。

本发明中，由于所述图像传感模块12及12′具有较小的像素阵列，因此可有效降低元件尺寸以适用于体积较小的电子产品。通过二维与一维的转换，即使缩小像素阵列的尺寸，仍能够有效判断接触点位置。此外，所述图像传感模块12及12′仅输出一维特征至所述处理单元13，可有效降低所述图像传感模块12及12′与所述处理单元13间的资料传输容量，并可降低所述处理单元13的资料处理量。

综上所述，熟知被动式触控系统具有处理资料量大、不适用于体积小的电子产品、运作过程复杂以及不易决定适当像素子集等问题。本发明还提出一种光学触控系统，即使缩小像素阵列尺寸仍能够正确对指示物进行定位，并具有资料量小及运作简单等优点，并且可适用于较广泛的电子产品。

虽然本发明已以上述实施方式公开，然而它并非用于限制本发明，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可以作各种变动与修改。因此本发明的保护范围应以所附的权利要求书所界定的为准。

Claims (13)

1.一种光学触控系统，用于定位指示物，所述光学触控系统包含：

触控面；

至少一个发光单元，设置于所述触控面上；

至少一个图像传感模块，获取所述触控面、所述指示物及所述发光单元的光线以形成二维图像，并将整个所述二维图像转换为一维特征，其中所述一维特征为所述二维图像中每一行像素的亮度和、平均亮度或加权平均亮度形成的亮度序列；以及

处理单元，根据所述一维特征定位所述指示物。

2.根据权利要求1所述的光学触控系统，其中所述处理单元定义所述亮度序列的比例或平移为阈值序列。

3.根据权利要求2所述的光学触控系统，其中所述处理单元比较所述亮度序列及所述阈值序列以判断至少一个接触点，并根据所述接触点定位所述指示物。

4.根据权利要求1所述的光学触控系统，其中所述至少一个发光单元包含反光镜及至少一个发光条，或包含延伸于所述触控面的两个边的反光镜及一个点光源；所述光学触控系统包含一个图像传感模块。

5.根据权利要求1所述的光学触控系统，其中所述发光单元包含三个发光条，或包含延伸于所述触控面的三个边的发光条；所述光学触控系统包含两个图像传感模块。

6.根据权利要求1所述的光学触控系统，其中所述图像传感模块包含CMOS图像传感器。

7.一种光学触控系统，用于定位指示物，所述光学触控系统包含：

触控面；

反光镜，设置于所述触控面上；

至少一个发光条，设置于所述触控面上；

CMOS图像传感器，获取所述触控面、所述指示物、所述反光镜及所述发光条的光线以形成二维图像，并将整个所述二维图像转换为一维特征，其中所述一维特征为所述二维图像中每一行像素的亮度和、平均亮度或加权平均亮度形成的亮度序列；以及

处理单元，根据所述一维特征定位所述指示物。

8.根据权利要求7所述的光学触控系统，其中所述处理单元定义所述亮度序列的比例或平移为阈值序列。

9.根据权利要求8所述的光学触控系统，其中所述处理单元比较所述亮度序列及所述阈值序列以判断至少一个接触点，并根据所述接触点定位所述指示物。

10.一种光学触控系统，用于定位指示物，所述光学触控系统包含：

触控面；

三个发光条，置于所述触控面上；

两个CMOS图像传感器，分别获取横跨所述触控面并包含所述指示物遮蔽所述发光条的二维图像，并将整个所述二维图像转换为一维特征，其中所述一维特征为所述二维图像中每一行像素的亮度和、平均亮度或加权平均亮度形成的亮度序列；以及

处理单元，根据所述CMOS图像传感器输出的所述一维特征定位所述指示物。

11.根据权利要求10所述的光学触控系统，其中所述处理单元定义所述亮度序列的比例或平移为阈值序列。

12.根据权利要求11所述的光学触控系统，其中所述处理单元比较所述亮度序列及所述阈值序列以判断接触点，并根据所述接触点定位所述指示物。

13.根据权利要求10所述的光学触控系统，其中所述三个发光条合成延伸于所述触控面的三边的一个发光条。