CN105824441B - 导航装置及其轨迹平滑方法 - Google Patents

Abstract

一种导航装置，包含用来进行轨迹平滑化的数字滤波器。该数字滤波器用来依序接收输入数据并输出标签和以及计算累积值除以平均数目的商及余数；其中，所述余数用来反馈至所述标签和以更新所述累积值，所述商用作为输出数据。

Description

导航装置及其轨迹平滑方法

技术领域

本发明涉及一种导航装置，更特别地涉及一种可进行轨迹平滑化的导航装置及其轨迹平滑方法。

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。所述光源投射光至工作表面。所述图像传感器接收来自所述工作表面的反射光并连续输出图像帧。所述处理单元则根据所述多个图像帧计算所述光学鼠标相对所述工作表面的位移量，并依据报告率(report rate)将所述位移量输出至计算机系统以进行相对应控制。

然而，由于所述图像传感器所获取的图像帧中会存在噪声，其会反映在所述处理单元所计算出的所述位移量中。虽然当所述位移量远大于噪声所造成的位置偏移时，所述位置偏移并不会明显影响所述位移量；然而，当所述位移量非常小而大致相等于或仅略大于所述位置偏移时，则会导致轨迹出现锯齿状的情形。尤其是在高分辨率的设定时，轨迹不平滑会变的明显而容易被使用者查觉。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种可进行轨迹平滑化的导航装置及其轨迹平滑方法。

本发明提供一种导航装置及其轨迹平滑方法，其利用N-tap滤波器对输入数据进行平均运算。

本发明还提供一种导航装置及其轨迹平滑方法，其可根据分辨率调整平滑化强度。

本发明提供一种导航装置，其包含用来进行轨迹平滑化的数字滤波器。所述数字滤波器包含延迟缓冲器、累积缓冲器、计算单元以及加法器。所述延迟缓冲器用来依序接收输入数据并输出标签和。所述累积缓冲器用来储存累积值。所述计算单元用来计算所述累积值除以平均数目的商及余数。所述加法器用来相加所述标签和以及所述余数以产生所述累积值。所述数字滤波器输出所述商以作为输出数据。

本发明还提供一种导航装置的轨迹平滑方法，所述导航装置包含具有平均数目的数字滤波器。所述轨迹平滑方法包含下列步骤：计算所述数字滤波器内的各标签的标签和；以所述标签和更新累积值；计算所述累积值除以所述平均数目的商及余数；以及输出所述商以作为输出数据。

本发明还提供一种导航装置，其包含用来进行轨迹平滑化的数字滤波器。所述数字滤波器用来计算累积值除以平均数目的商及余数、当所述商等于0时将下一笔标签和加至所述累积值以更新所述累积值且当所述商大于0时将所述下一笔标签和加上所述余数以产生新累积值。

本发明的导航装置及其轨迹平滑方法中，所述数字滤波器例如为N-tap滤波器，其中，N为延迟数目(delay number)及平均数目(average number)。一实施例中，所述标签和为所述数字滤波器内各标签的数据和。一实施例中，所述数字滤波器可被调整为8-tap滤波器、16-tap滤波器、32-tap滤波器、64-tap滤波器等，视所需要的平均强度而定。

为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显，下文将配合所附图示，详细说明如下。此外，在本发明的说明中，相同的构件以相同的符号表示，在此先述明。

附图说明

图1为本发明一实施例的导航装置的方块图；

图2为本发明一实施例的导航装置的运作示意图；

图3-4为本发明某些实施例的导航装置的轨迹平滑方法的流程图。

附图标记说明

1 导航装置

10 数字滤波器

101 延迟缓冲器

103 加法器

105 累积缓冲器

107 计算单元

109 余数缓冲器

20 光源

30 图像传感器

S 工作表面

R 余数

Q 商

Lr 主反射光束

具体实施方式

请参照图1所示，其为本发明一实施例的导航装置的方块图。本发明的导航装置1例如可被操作于工作表面S上，用来检测相对所述工作表面S的动作并输出平滑化位移量。必须说明的是，虽然图1中，所述导航装置1显示被操作于所述工作表面S上，但本发明并不以此为限。所述导航装置1也可适用于手持式导航装置，例如遥控装置(remote device)或指向装置(pointing device)等，并无特定限制。

所述导航装置1包含光源20、图像传感器30以及数字滤波器10；其中，所述数字滤波器10例如包含在处理器中。某些实施例中，所述光源20、所述图像传感器30及所述数字滤波器10均包含图像传感器封装，例如图像感测芯片(image sensing chip)中，所述图像传感器封装则用来输出平滑化轨迹。其他实施例中，所述光源20及所述图像传感器30包含在图像传感器封装中而所述数字滤波器10位于所述图像传感器封装外部的处理器中，例如中央处理器(CPU)、微控制器(MCU)等。必须说明的是，当所述导航装置1适用于手持式导航装置时，所述光源20可不予实施。

所述光源20例如为同调光源、部分同调光源或非同调光源，例如发光二极管或雷射二极管，但并不以此为限。所述光源20用来发出可识别光谱的光以照明所述工作表面S。

所述图像传感器30例如包含电荷耦合元件(CCD)图像感测元件、互补式金氧半场效晶体管(CMOS)图像感测元件或其他可检测光信号并输出电信号的光电元件。所述图像传感器30用来接收所述工作表面S的反射光以产生数字化图像帧(例如其内包含模拟数字转换单元进行数字化)，并根据数字化图像帧计算位移量，例如利用图像帧间的相关性(correlation)计算。所述图像传感器30所输出的位移量数据并未经过平滑化。本发明中，所述数字滤波器10接收所述图像传感器30输出的位移量数据并进行平滑化处理，以输出平滑化位移量数据。

必须说明的是，虽然图1显示所述图像传感器30与所述光源20相对于所述工作表面S的法线(normal line)对称地配置，以感测来自所述工作表面S的主反射光束Lr，其也可称为亮场配置(bright field arrangement)，但本发明并不以此为限。其他实施例中，所述图像传感器30与所述光源20也可形成暗场配置(dark field arrangement)，也即所述图像传感器30与所述光源20并不对称地在所述工作表面S的法线，此时所述图像传感器30感测来自所述工作表面S的散射光(scattered light)。

请同时参照图1及2所示，图2为本发明一实施例的导航装置的运作示意图。所述数字滤波器10可包含延迟缓冲器101、加法器103、累积缓冲器105、计算单元107以及余数缓冲器109；其中，所述数字滤波器10内的各单元例如可利用软件及/或固件的方式实现而并无特定限制。所述数字滤波器10用来接收来自所述图像传感器30的输入数据并经平滑化后产生输出数据。例如，图2显示所述输入数据的数据序列为[1-1 0 1 1 1 3 2 1 2 0 0 0]，其依序在时间t₀-t₁₂被输入至所述数字滤波器10；其中，所述数据序列的每一笔数据例如为位移量数据而负号例如表示相反方向。必须说明的是，所述导航装置1在所述工作表面S上的移动可为两个维度的位移量，图2仅显示其中一个维度的位移量数据(例如X轴)而另一个维度(例如Y轴)的运作方式则与图2相同，故在此不再赘述。更详而言之，当所述数字滤波器10分别计算出(例如根据图1-2)所述二维位移量的每个维度后，包含所述数字滤波器10的处理器可再利用向量运算计算其向量和，并根据分辨率设定输出所述向量和相对应的移动量。

所述延迟缓冲器101具有延迟数目并用来依序接收输入数据及输出标签和。一实施例中，当输入的数据数目大于所述延迟数目时，最先输入的数据则先从所述延迟缓冲器101中移除，也即形成先进先出(FIFO)的运作方式。所述数字滤波器10用来计算累积值除以平均数目的商(quotient)以及余数(remainder)。一实施例中，当所述商小于1(例如等于0)时，所述数字滤波器10将下一笔标签和加至所述累积值以更新所述累积值；而当所述商大于0时，所述数字滤波器10将所述下一笔标签和加上所述余数以作为新累积值。接着，所述数字滤波器10再将所述更新后累积值或所述新累积值除以所述平均数目，如此反复以进行输入数据的平滑化处理。其他实施例中，不论所述商是等于或大于0，所述数字滤波器10均将所述下一笔标签和加上所述余数以作为新累积值(举例说明于后)。较佳地，所述延迟数目等于所述平均数目。

例如，所述数字滤波器10可为N-tap滤波器(例如此处显示N＝8，但并不以此为限)，也即所述平均数目与所述延迟数目均等于N。

一实施例中，所述标签和为所述延迟缓冲器101内各标签(例如标签1-标签8)的数据和。请参照图2，例如在时间t₀时，所述标签和为标签1内的单笔数据与标签2-标签8内的数据(因此时尚未有数据，故以符号“X”表示，而实际上X＝0)的和；例如在时间t₁时，所述标签和为标签1-标签2内的两笔数据与标签3-标签8内的数据的和；同理，时间t₂-t₁₂的标签和的计算方式可依此类推。

所述累积缓冲器105用来储存累积值，所述累积值在每一时钟时间(例如t₀-t₁₂)进行更新。所述计算单元107例如可以除法器(divider)实现，其用来计算所述累积值除以所述平均数目N的商及余数；其中，所述数字滤波器10输出所述商以作为输出数据(即平滑后位移数据)，所述余数可被储存于所述余数缓冲器109。所述加法器103则用来相加所述标签和及所述余数，以产生所述累积值。

本发明中，所述累积值可利用至少两种方式求得，举例说明如下。

一实施例中，所述累积值可根据所述商来决定其更新方式。例如，当所述商小于1(例如等于0)时，所述计算单元107设定所述余数为0；且下一笔标签和被直接加至存于所述累积缓冲器105内的累积值以更新所述累积值；而当所述商大于0时，所述加法器103将所述下一笔标签和加上所述余数以作为新累积值，其接着被储存在所述累积缓冲器105内。

例如参照图2，在时间t₀时，由于标签1的数据为数值1而其他标签2-8的数据为数值0，因此所述标签和为数值1。假设初始累积值为0，所述累积值则为所述标签和1加上初始累积值0而为数值1。接着，所述计算单元107可将所述累积值1除以所述平均数目N而得到商为0及余数为1。此时，由于所述商等于0，所述计算单元107可设定所述余数为0或不将所求得的所述余数储存于所述余数缓冲器109。例如，当所述商小于1时，所述数字滤波器10重置存于所述余数缓冲器109内的余数为0。同时，所述数字滤波器10输出零位移量。

在时间t₁时，由于标签2的数据为数值1且标签1的数据为数值-1而其他标签3-8的数据为数值0，因此所述标签和为数值0。所述累积值则为下一笔(即时间t₁)标签和0加上存于所述累积缓冲器105内的所述累积值1而仍为数值1。接着，所述计算单元107进行除法运算而得到另一商为0及另一余数为1。同理，由于所述商等于0，所述计算单元107设定所述余数为0且所述数字滤波器10输出零位移量。

某些实施例中，由于所述余数已设为0，所述累积值可为所述下一笔标签和加上所述余数后再加上所述累积值，并不会影响计算结果。其他实施例中，所述计算单元107可不设定所述余数为0，只需在计算所述累积值时忽略所述余数即可，例如禁用(disable)所述加法器103或不读取所述余数缓冲器109。

同理，时间t₂-t₆的累积值的计算方式可依此类推。

在时间t₇时，由于标签8-标签1的数据依序为数值[1-1 0 1 1 1 3 2]，因此所述标签和为数值8(＝1+(-1)+0+1+1+1+3+2)。同时，由于所述计算单元107在时间t₆计算得到商为1(大于0)且余数为5，所述累积值则为所述标签和8加上前一个(即时间t₆)余数5而为数值13。接着，所述计算单元107通过除法运算得到另一商为1及另一余数为5。更详而言之，由于时间t₆时所述商不为0，故所述余数缓冲器109并未被重置。

同理，时间t₈-t₁₂的累积值的计算方式可依此类推。

本实施例中，所述数字滤波器10在每一时钟时间t₀-t₁₂接收一笔输入数据，并进行平均运算(即以所述平均数目除以所述累积值)后得到商及余数。当所述商大于0时，则将所述余数储存在所述余数缓冲器109以进行更新。当所述商小于1(例如等于0)时，可将所述余数储存在所述余数缓冲器109或重置所述余数缓冲器109的储存值为0。更详细而言，本实施例中，当所述商小于1时，所述数字滤波器10输出零位移量并重置所述余数缓冲器109内的数值为0或忽略所述余数(也即所述余数可以或不被储存至所述余数缓冲器109)；而当所述商大于0时，所述数字滤波器10输出非零平滑化位移量且将求得的余数储存至所述余数缓冲器109。

另一实施例中，所述累积值可始终为所述标签和与所述余数的和，也即所述计算单元107在每一时钟周期(例如t₀-t₁₂)更新所述余数缓冲器109内的余数。

参照图2，例如在时间t₀时，由于标签1的数据为数值1而其他标签2-8的数据为数值0，因此所述标签和为数值1。假设初始余数的值为0，所述累积值则为所述标签和1加上初始余数0而为数值1。接着，所述计算单元107可将所述累积值除以所述平均数目N而得到商为0及余数为1。因此，所述数字滤波器10输出零位移量而所述余数1则被储存在所述余数缓冲器109中。

在时间t₁时，由于标签2的数据为数值1且标签1的数据为数值-1而其他标签3-8的数据为数值0，因此所述标签和为数值0。所述累积值可为下一笔(即时间t₁)标签和0加上存于所述余数缓冲器109内的余数1而仍为数值1。接着，所述计算单元107同样进行除法运算而得到另一商为0及另一余数为1。因此，所述数字滤波器10输出零位移量而所述余数1则被用来更新所述余数缓冲器109内的余数。

同理，时间t₂-t₁₂的累积值的计算方式可依此类推。

本发明中，每一时间t₀-t₁₂所述数字滤波器10均将所述计算单元107求得的商Q输出以作为平滑化位移数据。此外，由图2可知，所述导航装置1开始移动的时间(例如t₀)与所述数字滤波器10开始输出非零位移量的时间(例如t₆)具有延迟时间，例如图2显示为延迟6个时钟周期；其中，实际延迟的时间根据所述输入数据而定，并不限于图2所揭示的时间。因此，当导航装置1相对所述工作表面S停止时，为了使所述数字滤波器10不继续输出非零位移量，例如图2的时间t₉-t₁₂时商Q并不为0而输入数据已经连续为0，某些实施例中，当预设数目的连续输入数据皆为0时，所述数字滤波器10可将所述输出数据直接设为0；其中，所述预设数目较佳小于所述平均数目N，然而并不以此为限。某些实施例中，当所述导航装置1以高帧率(frame rate)运作且所述平均数目N不大时，所述延迟时间可能不会影响操作，所述数字滤波器10则可持续输出所述计算单元107求得的输出数据(即商Q)而不另将所述输出数据设为0。

某些实施例中，所述平均数目N可与所述导航装置1的分辨率(resolution)呈正相关。由于分辨率越高时，所述导航装置1受到噪声或所述工作表面S的影响越明显，因此可选择较高的平均强度(即N值较高)以增加轨迹平滑度。例如下表1所示，本发明中所述平均数目N相对不同的分辨率例如可被调整为8、16、32或64。当所述导航装置1的分辨率改变时，则相对调整所述平均数目N。某些实施例中，当所述平均数目N较低时(例如N＝8、16)，上述延迟时间较短，所述数字滤波器10可被设定为持续输出所述计算单元107求得的输出数据而不将所述输出数据设为0。其他实施例中，当所述平均数目N较高时(例如N＝32、64)，上述延迟时间较长，所述数字滤波器10可被设定为当预设数目的连续输入数据皆为0时则将所述输出数据设为0。可以了解的是，当所述平均数目被调整时，所述延迟数目也同时被调整。

平均数目(N)	分辨率范围(DPI)
		8	50-2,000
16	2,050-3,600
		32	3,650-5,000
64	5,050-8,200

表1

请参照图3及4，其为本发明某些实施例的导航装置的轨迹平滑方法的流程图。所述轨迹平滑方法包含下列步骤：计算数字滤波器内的各标签的标签和(步骤S31)；以所述标签和更新累积值(步骤S32)；计算所述累积值除以平均数目的商及余数(步骤S33)；以及输出所述商以作为输出数据(步骤S34)。

步骤S31：如图2所示，所述延迟缓冲器101用来输出其内各标签(例如标签1-标签8)的标签和，且其标签数目可根据所需的平滑强度而定。

步骤S32：如前所述，所述累积值可利用至少两种方式求得。一实施例中，当商Q小于1(例如等于0)时，将所述标签和直接加至所述累积缓冲器105内的所述累积值(图4的步骤S321)以进行更新，且余数R可被设为0或被忽略(如前所述)；而当所述商Q大于0时，所述加法器103将所述余数R加至所述标签和(图4的步骤S322)以作为新累积值并储存至所述累积缓冲器105。其他实施例中，所述累积值可始终为所述标签和与所述余数R的和。

步骤S33：接着，所述计算单元107将所述累积值除以所述平均数目N以得到所述商Q及所述余数R。

步骤S34：所述导航装置10则输出所述商Q以作为输出数据(即平滑化位移数据)。所述余数R则根据不同实施例可储存在所述余数缓冲器109中、被忽略或被设为0。

本实施例的轨迹平滑方法可参照图1-2及其说明，故在此不再赘述。此外，本实施例的轨迹平滑方法可同样包含步骤：当预设数目的连续输入数据皆为0时，将所述输出数据设为0，藉以增加操作正确性。

必须说明的是，上述实施例中的各数值，例如平均数目、延迟数目、分辨率、输入数据、输出数据、标签和、累积值、余数以及商等仅用来说明，并非用来限定本发明。此外，虽然图2中所述多个数值均显示为整数(integer)，但本发明并不以此为限，图2中的所述多个数值也可为小数(decimal)。

综上所述，已知光学鼠标的输出轨迹会因为噪声及操作条件而出现不平滑的情形。因此，本发明还提出一种导航装置(图1)及其轨迹平滑方法(图3-4)，其可根据多个输入数据进行轨迹平滑化，且平滑化强度可根据装置分辨率而调整，藉以增加其适用性。

虽然本发明已通过前述实例披露，但是其并非用来限定本发明，任何本发明所属技术领域中具有通常知识的技术人员，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权利要求所界定的范围为准。

Claims (17)

1.一种导航装置，该导航装置包含：

数字滤波器，所述数字滤波器的标签数目为N并包含：

延迟缓冲器，用来依序接收输入数据并输出标签和；

累积缓冲器，用来储存累积值；

计算单元，用来计算所述累积值除以平均数目的商及余数，其中所述平均数目等于N；

余数缓冲器，耦接所述计算单元，其中所述计算单元用于当所述商等于0时，将计算出不为零的所述余数设为0，并用于当所述商大于0时，才将所述余数储存至所述余数缓冲器；以及

加法器，用来相加所述标签和以及所述余数以产生所述累积值；

其中，所述数字滤波器输出所述商以作为输出数据。

2.根据权利要求1所述的导航装置，其中当预设数目的连续输入数据皆为0时，所述输出数据被设为0。

3.根据权利要求2所述的导航装置，其中所述预设数目小于所述平均数目。

4.根据权利要求1所述的导航装置，其中当所述商等于0时，下一笔标签和被加至所述累积值以更新所述累积值。

5.根据权利要求1所述的导航装置，其中当所述商大于0时，所述加法器用来将下一笔标签和加上所述余数以产生新累积值。

6.根据权利要求1所述的导航装置，其中所述平均数目与所述导航装置的分辨率呈正相关。

7.一种导航装置的轨迹平滑方法，所述导航装置包含具有标签数目为N的数字滤波器，所述轨迹平滑方法包含：

计算所述数字滤波器内的各标签的标签和；

以所述标签和更新累积值；

计算所述累积值除以平均数目的商及余数，其中所述平均数目等于N；

当所述商等于0时，将计算出不为零的所述余数设为0，而当所述商大于0时，才将所述余数储存至余数缓冲器；以及

输出所述商以作为输出数据。

8.根据权利要求7所述的轨迹平滑方法，其中以所述标签和更新累积值的步骤包含：

当所述商等于0时，将所述标签和加至所述累积值；及

当所述商大于0时，将所述余数加至所述标签和。

9.根据权利要求7所述的轨迹平滑方法，该轨迹平滑方法还包含：

当预设数目的连续输入数据皆为0时，将所述输出数据设为0。

10.根据权利要求9所述的轨迹平滑方法，其中所述预设数目小于所述平均数目。

11.根据权利要求7所述的轨迹平滑方法，该轨迹平滑方法还包含：

当所述导航装置的分辨率改变时，调整所述平均数目。

12.一种导航装置，该导航装置包含：

数字滤波器，该数字滤波器的标签数目为N并包含：

计算单元，用来计算累积值除以平均数目的商及余数，用于当所述商等于0时，将计算出不为零的所述余数设为0，并用于当所述商大于0时，才将所述余数储存至余数缓冲器，其中所述平均数目等于N；以及

加法器，用来当所述商等于0时将下一笔标签和加至所述累积值以更新所述累积值且当所述商大于0时将所述下一笔标签和加上所述余数以产生新累积值。

13.根据权利要求12所述的导航装置，其中所述数字滤波器输出所述商以作为输出数据。

14.根据权利要求12所述的导航装置，其中所述平均数目与所述导航装置的分辨率呈正相关。

15.根据权利要求12所述的导航装置，其中所述下一笔标签和为所述数字滤波器内各标签的数据和。

16.根据权利要求13所述的导航装置，其中所述数字滤波器还当预设数目的连续输入数据皆为0时，将所述输出数据设为0。

17.根据权利要求16所述的导航装置，其中所述预设数目小于所述平均数目。