CN105021131A - 定位装置及用于定位装置的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种定位装置及用于定位装置的方法，用于定位装置的方法包含经由影像感应器阵列在相异的时间取得多个影像；根据时间差，从该多个影像中选择第一影像与第二影像，其中取得该第一影像的时间与取得该第二影像的时间相隔该时间差；比较该第一影像与该第二影像，以决定该第一影像与该第二影像之间的重迭量；及根据该第一影像与该第二影像之间的该重迭量，调整该时间差。

Description

定位装置及用于定位装置的方法

技术领域

本发明提供一种定位装置及用于定位装置的方法，尤指具备超高图框率撷取系统(ultra high frame rate acquisition system)且所需的硅晶粒尺寸已被减低的定位装置。

背景技术

定位感应器(navigation sensor)(例如安装于电脑鼠标中的定位感应器)，会通过比较输入影像与参考影像，决定X方向与Y方向的位移量(displacement)。为了达成高精准度的轨迹追踪，输入影像与参考影像之间必须存在足够的重迭量。此重迭量是包含了定位程序所需的信号，而这些所需的信号可指示出追踪表面的精细特征。在追踪表面的各个位置上，输入影像与参考影像的互相比较结果，会反应出定位感应器的移动速度与移动方向。

在现有技术的定位感应器中，影像撷取(image acquisition)是以图框为计量基准，也就是说，介于连续的图框撷取之间，有固定的时段。举例而言，定位感应器若具有每秒5000图框的图框率，则定位感应器将于每200us撷取影像。

又以具有20画素×20画素阵列的定位感应器为例，每个画素是具有30um x30um的尺寸。假设为了达到理想的定位处理，输入影像与参考影像之间的重迭量必须至少为10画素×10画素的画素区块，则定位感应器的移动速度，将受到有效最大「速限」限制。假使定位感应器移动时，速度高于此速限，则重迭量将会小于10画素×10画素的影像重迭量，而导致定位资讯不足。图1是为上述举例提及的定位感应器移动时，其具有10画素×10画素的影像重迭的示意图。由图1可见，当使用数字信号处理器(digital signal processor；DSP)进行定位处理时，输入影像与参考影像之间必须维持至少10画素×10画素的影像重迭量。

图1的范例中，每秒有5000图框，图框IMG10是撷取时间T0撷取的参考影像的图框，具有20画素×20画素的面积；图框IMG11是撷取时间T1撷取的输入影像的图框，也具有20画素×20画素的面积；图框IMG10和图框IMG11之间有影像重迭面积OVE1，具有10画素×10画素的面积。在图1的范例中，撷取时间T1与撷取时间T0之间的时间差距是200us，也就是T1-T0＝200us。其中，影像重迭面积OVE1是供数字信号处理(DSP)使用。因为每一画素的尺寸是30um×30um，所以图1中，X轴的位移量是：在200us的时段内，10画素×30um，也就是300um。X轴方向的移动速度就是300um/200us＝1.5m/sec＝每秒60英寸。

在此范例的定位感应器中，其最大速限可通过1比1(非放大)透镜被计算得知：在200us的时段内有10画素的X轴位移量，也就是等于在200us的时段内具有300um的X轴位移量。因此，X轴方向的最大速限是为300um/200us＝1.5m/s，也就是大约为每秒60英寸(即60inches per second；60ips)。

当上述的定位感应器以超过最大速限的速度移动时，将导致介于输入影像与参考影像之间的重迭量太小。图2是为当移动速度高于最大速限，导致介于输入影像与参考影像的重迭量太小的示意图。如图2所示，两影像间仅有5画素×5画素的画素区块的重迭量，当使用数字信号处理(DSP)进行定位处理时，此重迭量是不够的。

图2的范例中，每秒有5000图框，图框IMG20是撷取时间T0撷取的参考影像的图框，具有20画素×20画素的面积；图框IMG21是撷取时间T1撷取的输入影像的图框，也具有20画素×20画素的面积；图框IMG20和图框IMG21之间有影像重迭面积OVE2，具有5画素×5画素的面积。在图1的范例中，撷取时间T1与撷取时间T0之间的时间差距是200us，也就是T1-T0＝200us。其中，影像重迭面积OVE2是供数字信号处理(DSP)使用。但是因为影像重迭面积OVE2的面积太小，所以不足以供数字讯号处理使用。

如上所述，为了执行正确的定位处理，定位感应器的移动速度必须小于最大速限。当图框转变的同时，在定位感应器的移动量仍足以供作实际应用的前提下，上述介于输入影像与参考影像之间的重迭画素必须够大的前提，已对于现有的定位感应器阵列设下了限制。由于此限制，在现有技术中，定位感应器阵列(navigation sensor array)的尺寸也必须够大，且已占据了定位感应器大约30％至45％的硅晶粒(silicon die area)面积。该尺寸范围是很难缩减的，且硅晶粒的价格是相当昂贵。因此，虽然晶粒已随科技进步日趋微型化，但时至今日，定位感应器仍然无法受益于科技进展而减少面积，进而降低成本。

发明内容

本发明实施例提供了一种用于定位装置的方法，该方法包含经由影像感应器阵列在相异的时间取得多个影像；根据时间差，从该多个影像中选择第一影像与第二影像，其中取得该第一影像的时间与取得该第二影像的时间相隔该时间差；比较该第一影像与该第二影像，以决定该第一影像与该第二影像之间的重迭量(amount of overlap)；及根据该第一影像与该第二影像之间的该重迭量，调整该时间差。

本发明另一实施例提供了一种定位装置，包含定位感应器与控制电路。该定位感应器用以感应影像。该控制电路用以当该定位装置以大于或等于秒速1.0公尺的速度移动时，以足够高的图框率接收该定位感应器感应的多个影像，并比较该多个影像以决定该定位装置的位移量；其中，该足够高的图框率是高到足以在比较该多个影像中的两连续影像时产生预定重迭面积，且该定位感应器的尺寸是小于特定尺寸的画素阵列。

本发明另一实施例提供了一种用于定位装置的方法，该方法包含提供用以感应影像的定位感应器；及当该定位装置以大于或等于秒速1.0公尺的速度移动时，以足够高的图框率接收该定位感应器感应的多个影像，并比较该多个影像以判断该定位装置的位移量；其中该足够高的图框率是高到足以在比较该多个影像中的两连续影像时产生预定重迭面积。

通过本发明实施例提供的定位装置与方法，可使定位装置的成本、硅晶粒尺寸、搭配的硬体资源、处理资讯所需的记忆体单元数量及电路复杂度，均全面性下降。

附图说明

图1是20画素×20画素的画素阵列的影像之间，影像重迭量为10画素×10画素的画素区块的示意图。

图2是当定位感应器的移动速度高于最大速限，导致输入影像与参考影像之间的重迭量太小的示意图。

图3是当使用12画素×12画素的画素阵列时，两连续影像之间的位移量在X轴方向和Y轴方向各为两画素的示意图。

图4是对于预定时间差做动态调整的示意图。

图5是本发明实施例中定位装置的功能方块示意图。

其中，附图标记说明如下：

IMG10、IMG11、IMG20、IMG21、     图框

IMG30、IMG31

T0、T1、T30、T31、T41、T42、T43  撷取时间

OVE1、OVE2、OVE3                 影像重迭面积

500                              定位装置

520     定位感应器

540     高速转换放大器

560     模拟数字转换器

580     控制电路

具体实施方式

为了克服上述现有技术的问题，以下提出了一种新颖、小型化且可达成超高速成像(ultra high speed imaging)的画素阵列定位感应器。

根据本发明实施例，可在定位感应器中，采用小面积定位感应器阵列(smallnavigation sensor array)，例如以12画素×12画素的画素阵列作为定位感应器阵列。然而，所使用的画素阵列不限于特定尺寸。即使12画素×12画素的画素阵列只稍微大于经常用于定位处理的10画素×10画素的画素区块重迭面积，如果图框率够高，则根据本发明实施例，此小面积定位感应器阵列与重迭面积之间的尺寸差值，已经足供实用。

举例而言，当使用高速转换放大器(high speed transfer amplifier)与操作于100MHz(一亿赫兹)的模拟数字转换器(ADC)，将撷取的影像资料从定位感应器转换且传送到控制电路时，将得到高达(但不限于)每秒25,000图框的图框率。在此高速成像的定位系统中，当定位感应器的移动速度如上述为每秒60英寸时(此是传统的定位感应器阵列，移动时的最高速限)，在两连续影像的撷取时间之间的40us周期内，只能在X轴方向与Y轴方向各自产生大约2画素的位移量。

请参考图3，图3是当采用12画素×12画素的画素阵列为定位感应器阵列时，两连续影像之间的位移量在X轴方向和Y轴方向各为两画素的示意图。

图3的范例中，每秒有25000图框，图框IMG30是撷取时间T30撷取的参考影像的图框，具有12画素×12画素的面积；图框IMG31是撷取时间T31撷取的输入影像的图框，也具有12画素×12画素的面积；图框IMG30和图框IMG31之间有影像重迭面积OVE3，具有10画素×10画素的面积。在图3的范例中，撷取时间T31与撷取时间T30之间的时间差距是40us，也就是T31-T30＝40us。其中，影像重迭面积OVE3是供数字信号处理(DSP)使用。因为每一画素的尺寸是30um×30um，所以图1中，X轴的位移量是：在40us的时段内，2画素×30um，也就是60um。X轴方向的移动速度就是60um/40us＝1.5m/sec＝每秒60英寸。

如图3所示，当图3揭露的12画素×12画素的画素阵列的定位感应器阵列，在X轴方向和Y轴方向的位移量各是两画素时，可提供10画素×10画素的画素区块的重迭面积。此重迭面积是相同于现有技术中，具有20画素×20画素的画素阵列的定位感应器阵列，在移动时所产生的重迭面积(请参考图1所示)，因此，图3所示的定位感应器阵列，可具有与现有技术相似的追踪效能。

虽然具有相似于现有技术的追踪效能，但图3揭露的定位感应器，其所需的硅晶粒尺寸(silicon die size)相较于图1中现有技术的定位感应器已大为减少。假设图3的定位感应器使用了相同于现有技术的画素设计，也就是说，每个画素的尺寸是30um×30um，则现有技术中，20画素×20画素的画素阵列的定位感应器阵列，其面积是：

(20×30um)×(20×30um)＝0.36mm2；

但图3的本发明实施例揭露的12画素×12画素的画素阵列的定位感应器阵列，其面积仅为：

(12×30um)×(12×30um)＝0.1296mm2≒0.13mm2；

也就是说，相较于现有技术，图3中本发明实施例的定位感应器的感应器阵列，仅需约三分之一的晶粒面积。

除此之外，用以处理12画素×12画素的画素阵列的定位感应器阵列(其是对应144个资料点)所需的数字硬体尺寸与记忆体单元数量，相较于现有技术中，用以处理20画素×20画素的画素阵列的定位感应器阵列(其是对应200个资料点)所需的硬体与记忆体，仅占了比例上的一小部份，故根据本发明实施例，更降低了成本与复杂度。

请参考图5。图5是本发明实施例中，定位装置500的功能方块示意图。定位装置500包含定位感应器520，高速转换放大器540，模拟数字转换器560及控制电路580。定位感应器520包含定位感应器阵列，其是画素阵列，用以撷取影像，且其尺寸是小于20画素×20画素。定位感应器520撷取到的影像是由高速转换放大器540与模拟数字转换器560处理后，被传送到控制电路580。模拟数字转换器560可为操作于高频的模拟数字转换器，例如操作于100MHz(1亿赫兹)。

控制电路580是用于比较两影像，以决定两影像之间的重迭部份，以及判断介于两影像的撷取时间之间的时段内，定位感应器520的移动速度与位移量。

根据本发明其他实施例所揭露的定位装置，在所有可能的处理速率中，以最高速率处理影像，并不一定是最佳选择。举例来说，当定位感应器以前述的每秒60英寸(60ips)的移动速度移动时，若佐以最高速率进行影像处理，即可在两连续影像的撷取时间之间的40us时段内，求得X轴方向和Y轴方向的位移量分别为大约2画素，而不衍生问题。然而，若定位感应器的移动速度很慢，也就是以慢于每秒60英寸很多的移动速度移动时，例如，当定位感应器以每秒10英寸(10ips)的移动速度移动时，此时若以最高速率处理影像，则在两连续影像的撷取时间之间的40us时段内，其X轴方向与Y轴方向的位移量会被判读为小于1个画素的位移量，因此可能会导致误判，也就是误以为定位感应器是固定不动，而导致定位错误。

为了避免类似上述的定位错误，本发明实施例揭露的定位装置可通过定位感应器阵列撷取多个影像。多个影像中的每一影像，都是各自撷取于相异的时间，因此每一个影像各具有不同的相对应撷取时间。从撷取的多个影像中，根据预定的预定时间差，挑选第一影像与第二影像。此预定时间差，其长度是介于第一影像的相对应撷取时间，与第二影像的相对应撷取时间之间。第一影像与第二影像是用以互相比较，以决定第一影像与第二影像之间的重迭量。又根据第一影像与第二影像之间的重迭量，调整上述的预定时间差。如此一来，控制电路580即可更加动态地调整上述的预定时间差，而该预定时间差又用来决定要挑选哪些影像作为连续影像比较所用。

换句话说，当定位装置根据门槛值(threshold)侦测到定位感应器的移动速度增快时，介于用以互相比较的多个影像的撷取时间之间的时间量(也就是上述的预定时间差)可能会动态地减少。当定位装置根据门槛值侦测到定位感应器的速度减缓时，该预定时间差可能会动态地增加。通过对预定时间差的动态调整，维持较佳的影像重迭尺寸，可确保判断得到正确的位移量。根据本发明实施例，亦可使用一个以上的门槛值，以判断是否增加或减少该预定时间差。又根据本发明若干实施例，其并非根据两个比较影像之间的重迭量，而是根据定位感应器的位移量，动态地调整上述的预定时间差。此两种方法是均落于本发明的范围中。

请参考图4。图4是对预定时间差做动态调整的示意图。图4中，垂直轴是表示移动速度。在移动速度增加的情况下，在此例中，移动速度增加即表示：用于互相比较的多个影像，其各自相对应的撷取时间之间的时间量下降，也就是表示上述的预定时间差下降。水平轴则代表时间，选项A与选项B中，多个短垂直线段则各自表示撷取图框的时间点。

图4的选项A中，是根据移动速度动态地调整影像撷取时间之间的预定时间差，其中图框率从每秒25000图框，降到每秒12000图框、每秒8000图框，最后是每秒6000图框，因此影像撷取时间之间的预定时间差渐渐变大。图4的选项B中，是固定撷取时间之间的预定时间差，但有些撷取到的影像不被选取。例如选项B中，撷取时间T41、撷取时间T42及撷取时间T43所撷取的影像的图框，是「非选取影像」的图框(以上只是举例，而非列举所有的非选取影像的图框)，不被用于定位装置的影像处理。

如图4的选项A所示，根据本发明实施例，当第一影像与第二影像的重迭量由大于或等于预定门槛，改变为小于预定门槛时，可通过提高定位感应器阵列执行感应影像的图框率，调整预定时间差。当第一影像与第二影像的重迭量由小于预定门槛，改变为大于或等于预定门槛时，则可通过降低图框率调整预定时间差。

如图4的选项B所示，可使用大于或小于固定图框率(constant frame rate)的图框率，连续撷取影像。然而，并非所有撷取到的影像都可被选取并用来计算位移量。若干撷取到的影像并不会被选取且将被忽略，以下将这种不会被选取且被忽略的影像称为「非选取影像」(non-selected images)。

根据本发明实施例，当第一影像与第二影像的重迭量由大于或等于预定门槛，改变为小于预定门槛时，可通过从多个具有相对应撷取时间的影像中，减少非选取影像(例如选取更多影像)以调整预定时间差，其中多个影像各自的相对应撷取时间，是介于第一影像的相对应撷取时间，与第二影像的相对应撷取时间之间。

根据本发明实施例，当第一影像与第二影像的重迭量由小于预定门槛，改变为大于或等于预定门槛时，可通过从多个具有相对应撷取时间的影像中，增加非选取影像(例如选取更少影像)以调整预定时间差。其中多个影像各自的相对应撷取时间，是介于第一影像的相对应撷取时间，与第二影像的相对应撷取时间之间。

此处所述的定位装置，影像之间的重迭面积并不限于使用10画素×10画素的画素区块为重迭面积。10画素×10画素的画素区块的重迭面积仅为示例，是用以清楚描绘本发明，并非用以限制本发明的范围。定位装置使用的影像重迭面积，可根据定位装置的噪声比(noise ratio)决定，亦可根据定位装置的滤波器强度决定。

根据本发明实施例，定位装置可以至少每秒15,000图框的图框率运作。定位感应器阵列可为小于20画素×20画素的画素阵列。定位装置在X轴方向或Y轴方向，是具有至少每秒1公尺(1.0m/s)的移动速度，也就是约为每秒40英寸(40ips)的速度。

综上所述，本发明提出了一种可超高速成像且具有小面积定位感应器阵列的定位装置及其控制方法，其是根据第一影像和第二影像的重迭量，动态地调整介于第一影像的撷取时间，与第二影像的撷取时间之间的预定时间差。通过定位装置使用适宜的预定时间差执行定位与判断位移量，此种可超高速成像且动态调整影像挑选的新解决方案相较于现有技术有诸多优点，可使成本、硅晶粒尺寸、搭配的硬体资源、处理资讯所需的记忆体单元数量以及电路复杂度，均全面下降。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (17)

1.一种用于定位装置的方法，其特征在于，该方法包含：

经由影像感应器阵列在相异的时间取得多个影像；

根据时间差，从该多个影像中选择第一影像与第二影像，其中取得该第一影像的时间与取得该第二影像的时间相隔该时间差；

比较该第一影像与该第二影像，以决定该第一影像与该第二影像之间的重迭量；及

根据该第一影像与该第二影像之间的该重迭量，调整该时间差。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其中根据该第一影像与该第二影像之间的该重迭量，调整该时间差包含：

当该第一影像与该第二影像之间的该重迭量从大于或等于预定门槛改变为小于该预定门槛时，通过调升该影像感应器阵列的图框率调整该时间差。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其中根据该第一影像与该第二影像之间的该重迭量，调整该时间差包含：

当该第一影像与该第二影像之间的该重迭量由小于预定门槛改变为大于或等于该预定门槛时，通过调降该影像感应器阵列的图框率调整该时间差。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其中根据该第一影像与该第二影像之间的该重迭量，调整该时间差包含：

当该第一影像与该第二影像之间的该重迭量由大于或等于预定门槛改变为小于该预定门槛时，通过减少被选择的两影像之间的未被选择的影像的数量，以调整该时间差。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其中根据该第一影像与该第二影像之间的该重迭量，调整该时间差包含：

当该第一影像与该第二影像之间的该重迭量由小于预定门槛改变为大于或等于该预定门槛时，通过增加被选择的两影像之间的未被选择的影像的数量，以调整该时间差。

6.一种定位装置，其特征在于，包含：

定位感应器，用以感应影像；及

控制电路，用以当该定位装置以大于或等于秒速1.0公尺的速度移动时，以足够高的图框率接收该定位感应器感应的多个影像，并比较该多个影像以决定该定位装置的位移量；

其中，该足够高的图框率高到足以在比较该多个影像中的两连续影像时产生预定重迭面积，且该定位感应器的尺寸小于特定尺寸的画素阵列。

7.如权利要求6所述的定位装置，其特征在于，其中该控制电路更用以：根据该多个影像中的两连续影像之间的重迭量调整该图框率。

8.如权利要求6所述的定位装置，其特征在于，其中该控制电路更用以：根据该多个影像中的两连续影像之间的重迭量，决定是否使用该两连续影像判断该定位装置的位移量。

9.如权利要求6所述的定位装置，其特征在于，其中该特定尺寸的画素阵列小于20画素乘以20画素的画素阵列。

10.如权利要求6所述的定位装置，其特征在于，其中该控制电路是用以从该定位感应器以大于或等于每秒15,000个图框的图框率接收影像。

11.如权利要求6所述的定位装置，其特征在于，还包含高速转换放大器与模拟数字转换器，用以操作于高达1亿赫兹的频率。

12.一种用于定位装置的方法，其特征在于，该方法包含：

提供用以感应影像的定位感应器；及

当该定位装置以大于或等于秒速1.0公尺的速度移动时，以足够高的图框率接收该定位感应器感应的多个影像，并比较该多个影像以判断该定位装置的位移量；

其中该足够高的图框率是高到足以在比较该多个影像中的两连续影像时产生预定重迭面积。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，还包含：

根据该多个影像中的两连续影像之间的重迭量调整该图框率。

14.如权利要求12所述的方法，其特征在于，还包含：

根据该多个影像中的两连续影像之间的重迭量，决定是否使用该两连续影像判断该定位装置的位移量。

15.如权利要求12所述的方法，其特征在于，还包含：

将该定位感应器的尺寸设为小于20画素乘以20画素的画素阵列。

16.如权利要求12所述的方法，其特征在于，其中以足够高的图框率接收该定位感应器感应的多个影像为以大于或等于每秒15,000个图框的图框率接收该定位感应器感应的多个影像。

17.如权利要求12所述的方法，其特征在于，该方法还包含：

以实质上为1亿赫兹的频率，操作高速转换放大器与模拟数字转换器以处理该定位感应器感应的多个影像。