CN103576911B - 位移检测装置及其省电方法 - Google Patents

Abstract

一种位移检测装置，包括图像传感器、光源及处理单元。该图像传感器用以连续获取图像。该光源以一发光频率及一发光时间提供该图像传感器获取所述图像时所需的光。该处理单元用以根据所述图像计算位移量，并根据该位移量同时调整该发光频率及该发光时间。

Description

位移检测装置及其省电方法

技术领域

本发明是关于一种人机接口装置，特别是关于一种可同时维持光源低平均耗电流及固定图像亮度的位移检测装置及其省电方法。

背景技术

传统上，光学鼠标是用作为与具有显示屏的计算机系统互动的接口设备之一。光学鼠标通常具有光源、图像传感器及处理单元。该光源投射光至工作表面。该图像传感器接收来自该工作表面的反射光并连续输出图像帧。该处理单元则根据所述图像帧计算该光学鼠标相对该工作表面的一位移量，以相对控制该计算机系统。

为了增加光学鼠标的操控便利性，该光学鼠标可通过无线传输的方式将位移信息传送至该计算机系统。因此，如何节省该光学鼠标的平均耗能以延长电池使用时间，则成为一个重要的课题。

参照图1所示，其是已知光学鼠标中，图像获取及光源点亮的示意图。该图像传感器以一取样频率依序获取图像帧。当光学鼠标以高速移动时，该光源以一较高频率点亮；当光学鼠标以低速移动时，该光源以一较低频率点亮，藉以降低该光源的耗电流。然而，此种省电方法中，该光源于高速时所消耗的电流仍大致为低速时的两倍左右。

鉴于此，本发明提出一种位移检测装置及其省电方法，其可通过同时改变光源的发光频率及发光时间来降低光源的耗电流，藉以降低整体耗能。

发明内容

本发明的一目的在于提供一种位移检测装置及其省电方法，其可同时动态改变光源的发光频率及发光时间，使光源维持低耗电流以降低整体耗能。

本发明另一目的在于提供一种位移检测装置及其省电方法，其可同时动态改变光源的发光频率及发光时间以及图像传感器的图像增益，以使光源维持相同耗电流且图像传感器输出相同亮度的图像。

本发明提供一种位移检测装置，包括图像传感器、光源及处理单元。该图像传感器用以连续获取图像。该光源以至少一发光频率及至少一发光时间提供该图像传感器获取所述图像时所需的光。该处理单元用以根据所述图像计算一位移量并根据该位移量同时调整该发光频率及该发光时间。

本发明还提供一种位移检测装置，包括图像传感器、光源及处理单元。该图像传感器以至少一图像增益连续获取并输出图像。该光源以至少一发光频率及至少一发光时间提供该图像传感器获取所述图像时所需的光。该处理单元用以根据所述图像计算一位移量，并根据该位移量同时调整该发光频率、该发光时间和/或该图像增益。

本发明还提供一种位移检测装置的省电方法，包括下列步骤：图像传感器连续获取图像；处理单元根据所述图像计算一位移量；以及该处理单元根据该位移量与至少一阈值的比较结果调整光源的一发光频率及一发光时间。

本发明的位移检测装置及其省电方法中，该发光频率的增加倍率与该发光时间的缩短倍率较佳成正相关；该发光频率的增加倍率与该图像增益的增益倍率较佳地成正相关，例如该增益倍率可等于、略小于或略大于该增加倍率。

本发明的位移检测装置及其省电方法中，当该位移量高于一第一阈值时，增加该发光频率及该图像增益并缩短该发光时间；当该位移量低于一第二阈值时，降低该发光频率及该图像增益并延长该发光时间。

本发明的位移检测装置及其省电方法中，当该位移量高于一第一阈值时，增加该发光频率并缩短该发光时间；当该位移量低于一第二阈值时，降低该发光频率并延长该发光时间。

本发明的位移检测装置及其省电方法中，该处理单元通过同时调整该发光频率及该发光时间以使该光源的平均耗电流维持大致固定的低耗电流，以有效降低整体耗能；并可通过同时调整图像增益以使图像亮度大致维持为固定，以增加计算稳定度。

附图说明

图1是已知光学鼠标的图像获取以及光源点亮的示意图；

图2A是本发明实施例的位移检测装置的示意图；

图2B是本发明实施例的位移检测装置的方块示意图；

图3是本发明实施例的位移检测装置的省电方法的运作示意图；

图4A是本发明实施例的位移检测装置的省电方法中，比较位移量与阈值的示意图；

图4B是本发明实施例的位移检测装置的省电方法的另一运作示意图；

图5是本发明实施例的位移检测装置的省电方法的流程图。

附图标记说明

1位移检测装置 10壳体

11光源 12图像传感器

121感光单元 122放大单元

123数字/模拟转换单元 13处理单元

14光源控制单元 S工作表面

H开口 S₁光源控制信号

S₂增益控制信号 SF取样频率

EF₁-EF₃发光频率 G₁-G₃图像增益

ΔT取样间隔 Δt₁-Δt₃发光时间

S₁₁-S₁₃步骤 AI模拟图像数据

GAI放大后模拟图像数据 DI数字图像。

具体实施方式

为了让本发明的上述和其它目的、特征、和优点能更明显，下文将配合所附图示，作详细说明如下。于本发明的说明中，相同的构件是以相同的符号表示，于此合先叙明。

参照图2A及2B所示，图2A是本发明实施例的位移检测装置的示意图；图2B是本发明实施例的位移检测装置的方块示意图。

位移检测装置1具有壳体10用以置放于工作表面S上并供使用者操控；例如，该位移检测装置1可为光学鼠标或其它用以检测其与该工作表面S相对动作的其它位移检测装置。

该位移检测装置1包括光源11、图像传感器12、处理单元13及光源控制单元14；其中，该光源控制单元14可包括于该处理单元13内或独立于其外。换句话说，当该光源控制单元14包括于该处理单元13内时，该处理单元13则直接控制该光源11；当该光源控制单元14不包括于该处理单元13内时，该处理单元13则通过该光源控制单元14控制该光源11。本发明说明中为简化说明，该处理单元13控制该光源11的描述，是同时包括上述两种情形。本实施例中，该位移检测装置1可检测相对该工作表面S的一位移量及其它参数，并根据所检测该位移量调整该光源11及该图像传感器12的运作参数；例如，根据该位移量与至少一位移阈值的比较结果调整该运作参数（在下文中详细说明）。

该光源11例如可为至少一发光二极管、至少一激光二极管或其它主动光源，其较佳发出红光、红外光或其它不可见光并通过该壳体10底面的开口H照明该工作表面S。该光源11以至少一发光频率及至少一发光时间提供该图像传感器12获取图像时所需的光；其中，所述发光时间是指该光源11每次点亮的点亮时间区间。

该图像传感器12例如可为CCD图像传感器、CMOS图像传感器或其它用以感测光能量的传感器，其通过该开口H接收来自该工作表面S的反射光以连续获取并输出图像。一种实施例中，参照图2B所示，该图像传感器12可还包括感光单元121、放大单元122及数字/模拟转换单元（ADC）123。该感光单元121例如可以为一感测数组（sensing array），用以接收来自该工作表面S的反射光并输出模拟图像数据AI。该放大单元122以一图像增益G放大该模拟图像数据AI成为放大后模拟图像数据GAI；也就是说，该图像增益G此时可为一模拟增益。该数字/模拟转换单元123用以将该放大后模拟图像数据GAI数字化后输出数字图像DI。换句话说，该图像传感器12可将至少一图像增益G作为内部参数以连续获取并输出图像，该图像增益G愈高，所输出图像的平均图像亮度则愈高。

该处理单元13例如可为数字处理器（DSP），用以对该图像传感器12输出的图像（严格而言为该数字图像DI）进行后处理，例如根据所述图像计算一位移量，并根据该位移量同时调整该发光频率及该发光时间，例如发出光源控制信号S₁控制该光源11的发光频率及发光时间；例如可根据该位移量同时调整该发光频率、该发光时间和/或该图像增益，除光源控制信号S₁外，例如还发出增益控制信号S₂控制该图像传感器12的图像增益。一种实施例中，该处理单元13例如根据该位移量与至少一位移阈值的比较结果调整该发光频率、该发光时间、该图像增益，并持续根据更新的运作参数计算并输出位移量。必须说明的是，虽然该图像传感器12于该光源11未点亮时仍获取图像，此时所获取的图像将被视为无效图像而不用以计算该位移量；也就是说，本实施例中该处理单元13可仅根据对应于该光源11点亮时所被获取的有效图像计算该位移量。

本发明中，由于该光源11的消耗电流是大于该放大单元122的消耗电流，因此通过降低该光源11的发光时间并增加该图像传感器12的图像增益，仍能够有效降低该位移检测装置1的整体耗能。较佳地，该处理单元13是同时调整该发光频率及该发光时间以使该光源11的平均消耗电流维持固定。本实施例中，该处理单元13计算位移量的方式已为已知，例如，但不限于，可利用图像间相关性（correlation）来计算位移量，故于此不再赘述。

参照图3所示，图3是本发明实施例的位移检测装置的省电方法的操作示意图。本实施例中，该图像传感器12是以一固定取样频率SF及一取样间隔ΔT连续获取图像。该光源11例如具有高速模式以一第一发光频率EF₁及一第一发光时间Δt₁发光，中速模式以一第二发光频率EF₂及一第二发光时间Δt₂发光，低速模式以一第三发光频率EF₃及一第三发光时间Δt₃发光；本实施例中，EF₁>EF₂>EF₃，Δt₃>Δt₂>Δt₁。一种实施例中，该第一发光频率EF₁可为该第二发光频率EF₂的2倍且该第一发光频率EF₁可为该第三发光频率EF₃的3倍；该第一发光时间Δt₁可为该第二发光时间Δt₂的1/2倍且该第一发光时间Δt₁可为该第三发光时间Δt₃的1/3倍。本发明中，当位移量增加时，增加该光源11的发光频率EF并缩短该光源11的发光时间Δt，较佳使该光源11于不同速度模式下具有大致相同的平均耗电流。

本实施例中，该光源11的发光频率EF的增加倍率较佳与该光源11的发光时间Δt的缩短倍率成正相关；例如一种实施例中，当该光源11的发光频率EF增加N倍（即N×EF），该发光时间Δt则缩短N×r倍（即Δt/（N×r））；其中，N为正数；r为比例值，其可略大于、等于或略小于1，例如r=0.8-1.2。于高速时，该位移检测装置1输出的轨迹较不受噪声图像，所以本实施例可根据具有较低对比度或较低亮度或较低讯噪比（Signal to Noise Ratio）的图像进行位移量检测。

另一实施例中，还可通过于高速时增加图像传感器12的图像增益来增加图像亮度；也就是说，除上述该光源11的发光频率EF及发光时间Δt等运作参数外，该图像传感器12例如于高速模式时以一第一图像增益G₁输出图像，于中速模式时以一第二图像增益G₂输出图像，于低速模式时以一第三图像增益G₃输出图像；本实施例中，G₁>G₂>G₃。例如一种实施例中该第一图像增益G₁可为该第二图像增益G₂的2倍且该第一图像增益G₁可为该第三图像增益G₃的3倍。换句话说，本实施例中，当该位移量增加时，增加该光源11的发光频率EF及该图像传感器12的图像增益G并缩短该光源11的发光时间Δt；当该位移量减少时，减少该光源11的发光频率EF及该图像传感器12的图像增益G并延长该光源11的发光时间Δt，藉此以使得该光源11于不同速度模式下具有大致相同的平均耗电流并使该图像传感器12输出大致相同亮度的图像。

同样地，本实施例中该光源11的发光频率EF的增加倍率较佳与该光源11的发光时间Δt的缩短倍率成正相关。此外，该发光频率EF的一增加倍率较佳与该图像增益G的增益倍率成正相关；例如该增益倍率可等于、略小于或略大于该增加倍率，例如0.8-1.2倍；然而，由于增加图像增益会同时增加噪声，因此为避免噪声过大而影响计算结果，该处理单元13还计算图像的随机噪声（random noise），并使该图像增益G的增益倍率的最大增益受限于该随机噪声，例如限制该随机噪声不超过4个灰阶。可以了解的是，上述实施例中所使用的各数值及倍率等仅为例示性，并非用以限定本发明。

参照图4A所示，图4A是本发明实施例的位移检测装置的省电方法中，根据位移量调整运作参数的示意图；其中，所述运作参数可仅包括发光频率及发光时间；或者可同时包括发光频率、发光时间及图像增益。本实施例中，该处理单元13是根据位移量与一第一阈值与一第二阈值的比较结果改变速度模式；其中，每一速度模式对应于一发光频率、一发光时间及一图像增益，但如前所述图像增益可不包括在内。该第一阈值可等于或不等于该第二阈值；其中，设计不同阈值的原因在于避免当位移量位于阈值附近时导致速度模式频繁改变的情形。本实施例中，当该位移量高于一第一阈值时，增加该发光频率及该图像增益并缩短该发光时间；当该位移量低于一第二阈值时，降低该发光频率及该图像增益并延长该发光时间；此时该第一阈值大于该第二阈值。如果不调整图像增益，当该位移量高于一第一阈值时，增加该发光频率并缩短该发光时间；当该位移量低于一第二阈值时，降低该发光频率并延长该发光时间。

例如图4A中，高速模式对应一第一发光频率及一第一发光时间（还可对应一第一图像增益），当该处理单元13判断位移量小于一第二阈值（例如，但不限于，4个像素距离）时则进入中速模式。中速模式对应一第二发光频率及一第二发光时间（还可对应一第二图像增益），当该处理单元13判断该位移量小于该第二阈值时则进入低速模式；当该处理单元13判断该位移量大于一第一阈值（例如，但不限于，8个像素距离）时则回到高速模式。低速模式对应一第三发光频率及一第三发光时间（还可对应一第三图像增益），当该处理单元13判断该位移量小于该第一阈值时则维持低速模式；当该处理单元13判断该位移量大于该第一阈值时则进入中速模式。

可以了解的是，该发光频率、发光时间以及图像增益可调整的数值并不限为三个。例如参照图4B所示，图4B是本发明实施例的位移检测装置的省电方法的另一运作示意图；其中，当位移量增加时则增加发光频率、缩短发光时间并增加图像增益，当位移量降低时则降低发光频率、延长发光时间并降低图像增益。如前所述，该图像增益可不同时被调整而仅调整该该发光频率及发光时间。该发光频率、发光时间以及图像增益可被调整的级数可根据所需要的分辨率而决定。

参照图5所示，图5是本发明实施例的位移检测装置的省电方法的流程图，包括下列步骤：图像传感器连续获取图像（步骤S₁₁）；处理单元根据所述图像计算一位移量（步骤S₁₂）；以及该处理单元根据该位移量与至少一阈值的一比较结果调整光源的发光频率及发光时间（步骤S₁₃）。另一实施例中，步骤S₁₃中，该处理单元还可根据该比较结果调整该图像传感器的一图像增益。本发明中，仅调整该发光频率及该发光时间即可达到节省光源耗能的目的，进一步调整图像增益则可稳定图像亮度以增加计算精确度。图5实施例的详细实施方式已记载于图3、4A及4B及其相关说明，故于此不再赘述。

本实施例中，虽然该处理单元13主要根据位移量决定发光频率、发光时间及图像增益，然而实施方式可以有各种变化。例如一种实施方式中，该处理单元13也可相对于该发光时间或该发光频率调整该图像传感器12的图像增益，例如当该发光频率调整为N倍，该图像增益调整为N×r倍；例如当该发光时间缩短为N倍，该图像增益调整为N×r倍；其中，r可类似前述比例值。另一实施例中，该处理单元13可先根据位移量决定速度模式，当速度模式决定后即同时决定发光频率、发光时间及图像增益。换句话说，本发明中该处理单元13可先根据位移量决定速度模式，再根据速度模式决定运作参数；也可以直接根据位移量直接决定运作参数而不涉及速度模式；该图像增益的调整可直接相关于该发光频率或该发光时间而不直接相关于该位移量。

综上所述，已知光学鼠标仅改变光源的发光频率，因而导致光源于高速模式下仍具有较高的平均耗电流。本发明还提出一种位移检测装置（图2A及2B）及其省电方法（图3-5），其可维持光源操作于低平均耗电流以节省整体耗能，并还可通过调整图像增益以稳定图像亮度。

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具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与修改。因此本发明的保护范围当视后附的申请专利范围所界定者为准。

Claims (20)

1.一种位移检测装置，该位移检测装置包括：

图像传感器，用以连续获取图像；

光源，以至少一发光频率及至少一发光时间提供所述图像传感器获取所述图像时所需的光；以及

处理单元，用以根据所述图像计算位移量，并根据该位移量同时调整所述发光频率及所述发光时间，其中，当所述位移量增加时，增加所述发光频率并缩短所述发光时间，当所述位移量减小时，降低所述发光频率并延长所述发光时间，以使所述光源的平均耗电流维持固定。

2.根据权利要求1所述的位移检测装置，其中所述发光频率的增加倍率与所述发光时间的缩短倍率成正相关。

3.根据权利要求1所述的位移检测装置，其中所述光源以第一发光频率、第二发光频率及第三发光频率发光；所述第一发光频率大于所述第二发光频率，且所述第二发光频率大于所述第三发光频率。

4.根据权利要求1或3所述的位移检测装置，其中所述光源以第一发光时间、第二发光时间及第三发光时间发光；所述第一发光时间小于所述第二发光时间，且所述第二发光时间小于所述第三发光时间。

5.一种位移检测装置，该位移检测装置包括：

图像传感器，以至少一图像增益连续获取并输出图像；

光源，以至少一发光频率及至少一发光时间提供所述图像传感器获取所述图像时所需的光；以及

处理单元，用以根据所述图像计算位移量，并根据该位移量同时调整所述发光频率、所述发光时间和/或所述图像增益，其中，当所述位移量增加时，增加所述发光频率及所述图像增益并缩短所述发光时间，当所述位移量减小时，降低所述发光频率及所述图像增益并延长所述发光时间，以使所述光源的平均耗电流维持固定并稳定图像亮度。

6.根据权利要求5所述的位移检测装置，其中所述发光频率的增加倍率与所述发光时间的缩短倍率成正相关。

7.根据权利要求5或6所述的位移检测装置，其中所述发光频率的增加倍率与所述图像增益的增益倍率成正相关。

8.根据权利要求7所述的位移检测装置，其中所述处理单元还计算所述图像的随机噪声，所述增益倍率的最大增益受限于该随机噪声。

9.根据权利要求5所述的位移检测装置，其中所述光源以第一发光频率、第二发光频率及第三发光频率发光；所述第一发光频率大于所述第二发光频率，且所述第二发光频率大于所述第三发光频率。

10.根据权利要求5或9所述的位移检测装置，其中所述光源以第一发光时间、第二发光时间及第三发光时间发光；所述第一发光时间小于所述第二发光时间，且所述第二发光时间小于所述第三发光时间。

11.根据权利要求5或9所述的位移检测装置，其中所述图像传感器以第一图像增益、第二图像增益及第三图像增益输出所述图像；所述第一图像增益大于所述第二图像增益，且所述第二图像增益大于所述第三图像增益。

12.一种位移检测装置的省电方法，该方法包括下列步骤：

图像传感器连续获取图像；

处理单元根据所述图像计算位移量；以及

所述处理单元根据所述位移量与至少一阈值的比较结果调整光源的发光频率及发光时间，其中，当所述位移量高于第一阈值时，增加所述发光频率及所述图像传感器的图像增益并缩短所述发光时间，当所述位移量低于第二阈值时，降低所述发光频率及所述图像增益并延长所述发光时间。

13.根据权利要求12所述的省电方法，其中所述第一阈值等于或不等于所述第二阈值。

14.根据权利要求12所述的省电方法，该方法还包括：

所述处理单元还相对于所述发光时间或所述发光频率调整所述图像传感器的所述图像增益。

15.根据权利要求12所述的省电方法，其中所述发光频率的增加倍率与所述发光时间的缩短倍率成正相关。

16.根据权利要求12或15所述的省电方法，其中所述发光频率的增加倍率与所述图像增益的增益倍率成正相关。

17.根据权利要求12所述的省电方法，该方法还包括：

所述光源以第一发光频率、第二发光频率及第三发光频率发光；所述第一发光频率大于所述第二发光频率，且所述第二发光频率大于所述第三发光频率。

18.根据权利要求12所述的省电方法，该方法还包括：

所述光源以第一发光时间、第二发光时间及第三发光时间发光；所述第一发光时间小于所述第二发光时间，且所述第二发光时间小于所述第三发光时间。

19.根据权利要求12或17所述的省电方法，该方法还包括：

所述图像传感器以第一图像增益、第二图像增益及第三图像增益输出所述图像；所述第一图像增益大于所述第二图像增益，且所述第二图像增益大于所述第三图像增益。

20.根据权利要求16所述的省电方法，该方法还包括：

所述处理单元还计算所述图像的随机噪声，所述增益倍率的最大增益受限于该随机噪声。