CN107193428B - 光学式触摸屏及其触摸定位方法、以及光学畸变标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光学式触摸屏及其触摸定位方法、以及光学畸变标定方法，其包括线状连续红外背景光源、第一类光学传感器和第二类光学传感器，线状连续红外背景光源连续围绕于主控屏四周，构成光幕平面，第一类光学传感器设置在主控屏四角，构成与光幕平面重合的第一光学传感平面，第二类光学传感器设置在主控屏四边，构成略高于光幕平面的第二光学传感平面，线状连续红外背景光源发射角度较大且光强均匀，第一类光学传感器的可视角度略超过90度，使得整个屏幕都在第一类光学传感器的可视范围内，第二类光学传感器的可视角度能够达到120度左右，保证触摸点较多时也不出现鬼点问题；且不会中断线状连续红外背景光源而造成额外的暗斑。

Description

光学式触摸屏及其触摸定位方法、以及光学畸变标定方法

技术领域

本发明涉及一种多点触控装置，具体涉及一种光学式触摸屏装置及其触摸定位方法、以及光学畸变标定方法。

背景技术

在现有市场上，可应用于65英寸以上的大尺寸多点触摸技术一般只有红外扫描式及光学式两种。目前的红外扫描式多点触摸屏从红外扫描式单点触摸屏改进而来，通过采用射束角更大的红外发射二极管、斜扫描以及求连通域的方法来确定多触摸点的位置，计算量稍大，如专利号为CN201410142719的一种基于红外触摸主控屏的触摸点识别方法。红外红外扫描式多点触摸屏对于红外对管的安装及指向精度要求较高，且更大的射束角需要更高的扫描电流以减小环境光的影响，因而厂家一般需要使用较特殊的生产工艺来保证安装精度及高扫描电流，并设置检测电路扫描每个红外管来检出故障红外管，如专利号为CN201320073519.3的一种红外触摸屏故障自检电路。目前的光学式触摸屏则由于作为光学传感器的摄像头光心须和背影光源平面重合，会造成作为背景光源的导光条或红外灯条的断点从而影响暗斑检测，因而只能使用数量较少的摄像头(2个或4个)，导致可有效识别的触摸点个数偏少，在触摸点较多的情况下易出现鬼点问题，如专利号为CN201410084129.5的一种光学触摸模组的成像定位方法及光学触摸控制设备。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种可视角度足够大，保证触摸点较多时也不出现鬼点问题；且安装精度要求低、易于维护的光学式触摸屏装置及其触摸定位方法、以及光学畸变标定方法。

本发明提供一种光学式触摸屏，其包括主控屏、线状连续红外背景光源、第一层传感结构、第二层传感结构和主控板，

所述线状连续红外背景光源内置于光学式触摸框结构内，且连续围绕于主控屏四周设置；

第一层传感结构，由位于主控屏四角的四个第一类光学传感器构成，所述第一类光学传感器的光学传感平面与主控屏四周的线状连续红外背景光源构成的光幕平面重合；

所述第二层传感结构，由位于主控屏四边的多个第二类光学传感器构成，所述第二层传感结构的光学传感平面高于主控屏四周的线状连续红外背景光源构成的光幕平面；

主控板，用于产生线阵传感器的驱动逻辑及光源驱动电流，接收第一层传感结构及第二层传感结构采集的光学传感数据并解算触摸坐标发回主机。

一种对上述光学式触摸屏的光学畸变标定方法，所述光学畸变标定方法包括如下步骤：

S1、制作四条长度分别和主控屏四边的长度相等的标定棒，所述标定棒上每隔一段距离设置一条透光窄缝；

S2、将所述标定棒设置在对应外缘的线状连续红外背景光源之前；

S3、红外光透过所述透光狭缝在线阵传感器的感应线形成亮点尖峰，求取尖峰的像素位置，并将尖峰的像素位置和与对应的透光狭缝的几何坐标做四阶数学拟合；

S4、再利用五个四阶拟合参数求取主控屏四边每隔很短距离的点和线阵传感器的像素间的对应关系表，即为标定表。

一种上述光学式触摸屏的光学式触摸屏的触摸定位方法，所述触摸定位方法包括如下步骤：

S1、主控板接收来自两组光学传感器的10个周期的亮度信号并进行比对，如果平均每个周期内变化幅度超过3的像素不超过5个，则将第1个周期内的像素亮度数据记下，作为各传感器的背景数组；

S2、正常工作并接收一个周期内光学传感器的亮度信号，称为实时数组；

S3、将各传感器的背景数组减去实时数组，得到暗斑数组，并对暗斑数组进行边缘检测和质心法处理，得到各传感器暗斑边缘及中心位置；

S4、查标定表并进行比例插值运算确定各暗斑边缘对应的线状连续红外背景光源在触摸框上的位置；

S5、根据第一类光学传感器的暗斑边缘在触摸框上的位置以扫描画线算法确定所有可能含有单个或多个触摸点区域的连通域；

S6、根据第二类光学传感器的暗斑边缘在触摸框上的位置以扫描画线算法对步骤S5中的区域进行细分，得到一系列只含有单个触摸点的连通域，舍去其中面积明显小于触摸点面积的连通域，剩下的即为各只含有单触摸点的连通域；

S7、计算各单触摸点连通域重心坐标，即为触摸点坐标。

本发明所述的光学式触摸屏及其触摸定位方法、以及光学畸变标定方法，通过设置连续围绕于主控屏四周的线状连续红外背景光源，构成光幕平面，并在主控屏四角设置第一类光学传感器，构成与所述光幕平面重合的第一光学传感平面，由设置在主控屏四边的第二类光学传感器构成略高于所述光幕平面的第二光学传感平面，所述第一类光学传感平面与第二类光学传感平面组合形成一双层传感结构来检测多触摸点位置。

所述线状连续红外背景光源结构简单、易于维护、发射角度较大且光强均匀，第一类光学传感器的可视角度略超过90度，则使得整个屏幕都在第一类光学传感器的可视范围内，所述第二类光学传感器的可视角度能够达到120度左右，超大的视角可保证屏幕的触摸区域被较多的第二类光学传感器检测到，从而保证触摸点较多时也不出现鬼点问题；且所述第二类光学传感器的线状传感区域略高于线状连续红外背景光源，从而不会中断线状连续红外背景光源而造成额外的暗斑，通过增加第二类光学传感器的数量以检测定位更多触摸点，因此，采用本发明所述触摸屏装置进行的触摸定位方法，能够精确的查找到触控点。

所述光学标定及触摸定位方法，其通过使红外光透过标定棒上设置的窄缝而在线阵传感器的感应线形成亮点尖峰，求取尖峰的位置同将其和对应透光窄缝的几何坐标做四阶数学拟合，再利用5个四阶拟和参数求取屏幕四边每隔很短距离的点和线阵传感器的像素间的对应关系表，即得到标定表，从而解决了光学畸变问题并避免了三角函数运算。

附图说明

图1为本发明实施例所述光学式触摸屏的一个示例性实施的结构示意图；

图2为本发明实施例所述管状红外光源的结构示意图；

图3为本发明实施例所述侧导光光纤的结构示意图；

图4为本发明实施例所述第一类光学传感器结构示意图；

图5为本发明实施例所述第二类光学传感器结构示意图；

图6为本发明实施例所述第二类光学传感器结构安装时成像面略高于侧导光光纤的剖面示意图；

图7为本发明实施例所述UV印刷在标定棒表面的标定结构示意图；

图8为本发明实施例所述第一类和第二类光学传感器使用标定棒进行标定时的数据曲线；

图9为本发明实施例所述触摸定位方法的步骤流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供一种光学式触摸屏，其包括主控屏100、线状连续红外背景光源、第一层传感结构、第二层传感结构和主控板。

所述线状连续红外背景光源内置于光学式触摸框结构130130内，且连续围绕于主控屏100四周设置；具体的，如图1所示，所述线状连续红外背景光源由装有OSRAM SFH4715S大功率红外LED211的带有聚光结构的8个管状红外光源210，以及4条3mm直径的侧导光光纤220组成，其中，如图2所示，所述管状红外光源210包括焊接在与主控板电连接的铝基板上的LED211；一端套装在LED211外部、另一端设有出光孔的管状壳体212，所述侧导光光纤220的两入光端分别自出光孔伸入管状壳体212内，所述LED211与侧导光光纤220之间设有聚光透镜213，所述LED211、聚光透镜213以及侧导光光纤220的入光端均同轴设置，通过聚光透镜213将LED211的光纤聚焦至侧导光光纤220中。

所述侧导光光纤220安装在光学式触摸框结构130130内，且朝向主控屏100一侧设有长条形出光面221，如图3所示，所述出光面221上有印刷点、蚀刻点、V型开槽或微透镜等微光学结构。所述大功率红外发射LED211SFH4715S的光从侧导光光纤220两侧的入光端面处入射，其中部分在圆柱侧面处发生全反射并被反射到出光面221，由于出光面221上有印刷点、蚀刻点、V型开槽或微透镜等微光学结构，因而出光面221的全反射条件被破坏，部分红外光被微光学结构折射为各向较均匀的红外光源，部分反射回圆柱侧面并继续进行全反射和出光面221折射的循环。因为是两个入光端面入光，因此两侧的光强叠加会导致整个出光面221的光强都比较均匀。由于不是所有入光端面处的红外光都在圆柱侧面上满足全反射条件，因此还可以在圆柱侧面上镀反射膜来提高出射光强。SFH4715S工作时红外光的中心波长为850nm，因而本光源的波长范围主要在780nm～900nm之间，中心波长为850nm。

第一层传感结构，由位于主控屏100四角的四个第一类光学传感器300构成，如图4所示，所述第一类光学传感器300包括第一金属成像结构301、第一平凸柱面透镜302、第一光阑303和第一红外滤光片304、以及第一传感器AD采样板305和第一线阵传感器306，所述第一金属成像结构301设有入光端，所述入光端与侧导光光纤220的出光面221位于同一水平高度；所述第一平凸柱面透镜302设置在第一金属成像结构301入光端、且凸透面朝向第一金属成像结构301底端设置，所述第一平凸柱面透镜302与凸透面相对设置的一侧水平端面依次粘贴有中间开有窄缝的第一光阑303和第一红外滤光片304；所述第一传感器AD采样板305设置于第一金属成像结构301底端，其朝向第一金属成像结构301入光端的一侧焊接有第一线阵传感器306，且所述第一传感器AD采样板305与主控板通过FFC电缆连接。所述第一传感器AD采样板305上还设有运算放大器AD8031和8位并行AD转换器AD9057-40，所述运算放大器AD8031和8位并行AD转换器AD9057-40电性连接在第一传感器AD采样板305与主控板之间的连接通路上。所述第一类光学传感器300的第一线阵传感器306的型号优选为第一线阵传感器306Lis-770i。

成像时来自线状连续红外背景光源的红外光经第一平凸柱面透镜302的聚焦而在第一线阵传感器306Lis-770i的感应线上聚焦为一个狭长的矩形，该矩形的长边与感应线平行，窄边具有一定宽度并和感应线正交。相比使用球面透镜，第一平凸柱面透镜302在垂直圆柱母线的方向上不聚焦的特点保证了即使第一金属成像结构301的安装面并不和主控屏100表面精确平行而对准图1中的侧导光光纤220，侧导光光纤220仍然可有相当部分的光线能射到Lis-770i的感应线上，因而对安装精度要求低且易于维护。具体的，所述第一线阵传感器306Lis-770i的感应平面长6mm，配合焦距为2.8mm的H-ZF13第一平凸柱面透镜302，其可视角度为95度左右，超过了90度，因而将第一类光学传感器300与水平方向呈45度安装于主控屏100四角处，其可视范围可以覆盖整个主控屏100，所述第一层传感结构的四个第一线阵传感器306的线状传感区域构成的光学传感平面与主控屏100四周的线状连续红外背景光源构成的光幕平面重合。

所述第二层传感结构，由位于主控屏100四边的多个第二类光学传感器400400构成，所述第二类光学传感器400的结构与第一类光学传感器300的结构一致，其结构如图5和图6所示，所述第二类光学传感器400包括第二金属成像结构401、第二平凸柱面透镜402、第二光阑403和第二红外滤光片404、以及第二传感器AD采样板405和第二线阵传感器406，所述第二金属成像结构401设有入光端，所述入光端与侧导光光纤220的出光面221位于同一水平高度；所述第二平凸柱面透镜402设置在第二金属成像结构401入光端、且凸透面朝向第二金属成像结构401底端设置，所述第二平凸柱面透镜402与凸透面相对设置的一侧水平端面依次粘贴有中间开有窄缝的第二光阑403和第二红外滤光片404；所述第二传感器AD采样板405设置于第二金属成像结构401底端，其朝向第二金属成像结构401入光端的一侧焊接有第二线阵传感器406，且所述第二传感器AD采样板405与主控板通过FFC电缆连接。所述第二传感器AD采样板405上还设有运算放大器AD8031和8位并行AD转换器AD9057-40，所述运算放大器AD8031和8位并行AD转换器AD9057-40电性连接在第二传感器AD采样板405与主控板之间的连接通路上。所述第二类光学传感器400的第二线阵传感器406的型号优选为第二线阵传感器406RPLIS-2K。

所述光学式触摸框结构130130为一端设有透光窗口的矩形框，所述第二类光学传感器400内置于光学式触摸框结构130130内，且第二金属成像结构401前端朝向矩形框的透光窗口设置，所述第二类光学传感器400的第二金属成像结构401前端下侧设有一内凹槽131，所述侧导光光纤220容置在所述内凹槽131中，从而保证了第二类光学传感器400不会对线状连续红外背景光源造成中断因而不会产生多余的暗斑影响触摸定位，因而可设置多个第二类光学传感器400以检测定位更多触摸点。

成像时来自线状连续红外背景光源的红外光经第二平凸柱面透镜402的聚焦而在第二线阵传感器406RPLIS-2K的感应线上聚焦为一个狭长的矩形，该矩形的长边与感应线平行，窄边具有一定宽度并和感应线正交。相比使用球面透镜，所述平凸柱面透镜在垂直圆柱母线的方向上不聚焦的特点保证了虽然第二线阵传感器406的感应线高于侧导光光纤220，侧导光光纤220仍然可有相当部分的光线能射到第二线阵传感器406RPLIS-2K的感应线上。具体的，所述第二线阵传感器406RPLIS-2K的感应平面长8.2mm，配合焦距为2.8mm的H-ZF13第二平凸柱面透镜402，其可视角度为120度左右，超大的视角可保证主控屏100的触摸区域被较多的第二类光学传感器400检测到，从而保证触摸点较多时也不出现鬼点问题。所述第二层传感结构的四个第二线阵传感器406的线状传感区域构成的光学传感平面略高于主控屏100四周的线状连续红外背景光源构成的光幕平面。

主控板包括Spartan3S400的FPGA，Cypress 68013USB单片机、升降压电路、相关的周边电路、电源开关及电源插口，用于产生线阵传感器的驱动逻辑及光源驱动电流，接收第一层传感结构及第二层传感结构采集的光学传感数据并解算触摸坐标发回主机；并通过Cypress 68013USB单片机以Slave FIFO的方式上传2类共14个光学传感器的原始数据于大端点，以及多点触摸坐标和TrackID于小端点。

在采用上述光学式触摸屏进行触摸定位工作之前，还需要对该光学式触摸屏进行光学畸变标定检测，因此，本发明基于所述光学式触摸屏提供一种光学畸变标定方法，所述光学畸变标定方法包括如下步骤：

S1、制作四条长度分别和主控屏100四边的长度相等的标定棒，所述标定棒上每隔一段距离设置一条透光窄缝；

S2、将所述标定棒设置在对应外缘的线状连续红外背景光源之前；

S3、红外光透过所述透光狭缝在线阵传感器的感应线形成亮点尖峰，求取尖峰的像素位置，并将尖峰的像素位置和与对应的透光狭缝的几何坐标做四阶数学拟合；

S4、再利用五个四阶拟合参数求取主控屏100四边每隔很短距离的点和线阵传感器的像素间的对应关系表，即为标定表。

如图7所示为以UV印刷的方式印刷在有机玻璃板上的标定图案举例，印刷完毕后将印有此标定图案的有机玻璃条从有机玻璃板上切下成为标定棒。屏幕四边各需1根相应长度的标定棒。标定时将此标定棒置于相应边的线状连续红外背景光源之前，紧贴光学式触摸框结构130130前端的有机玻璃片132放置。

光源透过狭缝成像于传感器上的数据曲线如图8所示，两条曲线分别对应于1个第一类光学传感器300和1个第二类光学传感器400，很明显狭缝处为一高而窄的尖峰，这些尖峰位置对应的第一线阵传感器306Lis-770i和第二线阵传感器406RPLIS-2K上的像素位置很容易利用尖峰识别算法得到。

具体的，以主控屏100左上角的第1个第一类光学传感器300及对侧的红外背景光源为例，其光学模型满足以下的对应关系：

P＝B4·X4+B3·X3+B2·X2+B1·X+B0

X为每隔20mm的光学狭缝的像素间距，在70寸1080p分辨率大屏的光学触摸框的情况下分别为25,50…，P则为上位机接收主控板68013单片机的第一类光学传感器300101的数据后以亮斑尖峰识别算法得出的Lis-770i上对应的像素位置。至少取11组X和对应的P，利用数学拟合软件进行拟合，求出相应的B4～B0这5个参数。对于其他13个传感器及对侧的红外背景光源，过程相同只是参数不同。利用4个标定棒分别标定这14个传感器对于主控屏100四周红外背景光源的标定参数，即得到了全部标定参数。再利用标定参数代入P＝B4·X4+B3·X3+B2·X2+B1·X+B0进行计算，如对于下侧边，取X的间隔为1个像素，自主控屏100左侧X＝0至主控屏100右侧X＝1920求取对应的P，对于左侧边及右侧边亦同样处理，即得到了标定表。

在光学式触摸屏光学畸变标定合格后，基于上述光学式触摸屏，本发明还提供一种光学式触摸屏的触摸定位方法，所述触摸定位方法包括如下步骤：

S1、主控板接收来自两组光学传感器的10个周期的亮度信号并进行比对，如果平均每个周期内变化幅度超过3的像素不超过5个，则将第1个周期内的像素亮度数据记下，作为各传感器的背景数组；

S2、正常工作并接收一个周期内光学传感器的亮度信号，称为实时数组；

S3、将各传感器的背景数组减去实时数组，得到暗斑数组，并对暗斑数组进行边缘检测和质心法处理，得到各传感器暗斑边缘及中心位置；

S4、查标定表并进行比例插值运算确定各暗斑边缘对应的线状连续红外背景光源在触摸框上的位置；

S5、根据第一类光学传感器300的暗斑边缘在触摸框上的位置以扫描画线算法确定所有可能含有单个或多个触摸点区域的连通域；

S6、根据第二类光学传感器400的暗斑边缘在触摸框上的位置以扫描画线算法对步骤S5中的区域进行细分，得到一系列只含有单个触摸点的连通域，舍去其中面积明显小于触摸点面积的连通域，剩下的即为各只含有单触摸点的连通域；

S7、计算各单触摸点连通域重心坐标，即为触摸点坐标。

下面结合图9说明触摸定位方法的详细步骤，以下步骤中提到的扫描画线可为计算机图形学中任一的经典扫描画线算法，如Bresenham扫描画线算法。算法步骤实际分为以下5个部分：

1.环境光检测部分

步骤1：装置上电，程序加载运行后各组光学传感器将LIS-770i及RPLIS-2048的亮度成像数据发给触摸控制板。如果接收的10个扫描周期内的亮度数据分别无明显变化，即判别标准为灰度数据变化超过3的像元个数超过5个，则将此次记录的亮度成像数据存储为背景光源数组。判别成功后环境光检测部分结束。

2.暗斑检测及标定表查表对应部分

步骤2：触摸解算状态下当有触摸发生时，屏框四周的侧导光光纤220形成的均匀线状红外背景光源被触摸物体遮挡而在各光学传感器的成像面上出现相应的暗斑。将各光学传感器的背景光源数组减去此时各光学传感器的实时亮度数据，其差值数据曲线即为因触摸点遮挡各像元的红外线亮度下降了多少。以阈值法处理差值数据曲线，即得到了各暗斑的边缘位置。再用标定表对各暗斑的边缘位置进行插值计算，即得到了触摸点遮挡对应的屏框暗斑中心位置、边缘位置及宽度信息。

3.第一层传感结构确定所有可能含有触摸点区域的连通区域

步骤3：设置一个M×N的和主控屏100的像素分辨率成比例的像素矩阵并置每个像素的初始权值为0。例如对于1个1920×1080显示分辨率的大屏，设置M＝1920，N＝1080；

步骤4：依次以图1中第一类传感器101的光心为直线一端，触摸点遮挡对应的屏框暗斑两侧边缘位置为直线另外一端两两确定若干组直线，以计算机图形学中的扫描画线算法计算每组直线的两条直线和N行水平像素确定的直线的交点在M×N的像素矩阵中的位置；

步骤5：以计算机图形学中的交点配对及区间填色的区域填充算法处理步骤4中的交点列表，对M×N的像素矩阵在每组两条直线之间的连通区域进行“填色”处理，即区域内对应像素的权值加1；

步骤6：依次以第一类传感器102的光心为直线一端，触摸点遮挡对应的屏框暗斑两侧边缘位置为直线另外一端两两确定若干组直线，以计算机图形学中的扫描画线算法计算每组直线的两条直线和N行水平像素确定的直线的交点在M×N的像素矩阵中的位置；

步骤7：以计算机图形学中的交点配对及区间填色的区域填充算法处理步骤6中的交点列表，对M×N的像素矩阵在每组两条直线之间的连通区域进行“填色”处理，即区域内对应像素的权值加1；

步骤8：依次以第一类传感器103的光心为直线一端，触摸点遮挡对应的屏框暗斑两侧边缘位置为直线另外一端两两确定若干组直线，以计算机图形学中的扫描画线算法计算每组直线的两条直线和N行水平像素确定的直线的交点在M×N的像素矩阵中的位置；

步骤9：以计算机图形学中的交点配对及区间填色的区域填充算法处理步骤8中的交点列表，对M×N的像素矩阵在每组两条直线之间的连通区域进行“填色”处理，即区域内对应像素的权值加1；

步骤10：依次以第一类传感器104的光心为直线一端，触摸点遮挡对应的屏框暗斑两侧边缘位置为直线另外一端两两确定若干组直线，以计算机图形学中的Bresenham扫描画线算法计算每组直线的两条直线和N行水平像素确定的直线的交点在M×N的像素矩阵中的位置；

步骤11：以计算机图形学中的交点配对及区间填色的区域填充算法处理步骤10中的交点列表，对M×N的像素矩阵在每组两条直线之间的连通区域进行“填色”处理，即区域内对应像素的权值加1；

步骤12：计算步骤5、7、9、11所确定的连通区域的相交部分，仍然是一系列的连通区域，这些连通区域的所有点的权值都为4，且像素矩阵中所有权值都为4的点都包含在这些连通区域内。

4.第二层传感结构细分含有单个触摸点的连通区域并去除鬼点

步骤13：依次以第二类传感器130的光心为直线一端，两侧视角边界与屏框交点及触摸点遮挡对应的屏框暗斑两侧边缘位置按照大小顺序两两分组为直线另外一端，两两确定若干组直线，以扫描画线算法计算每组直线的两条直线和N行水平像素确定的直线的交点在M×N的像素矩阵中的位置；

步骤14：以计算机图形学中的交点配对及区间填色的区域填充算法处理步骤13中的交点列表，对M×N的像素矩阵在每组两条直线之间的连通区域进行反“填色”处理，即区域内对应像素的权值减1；

步骤15：依次以第二类传感器131的光心为直线一端，两侧视角边界与屏框交点及触摸点遮挡对应的屏框暗斑两侧边缘位置按照大小顺序两两分组为直线另外一端，两两确定若干组直线，以扫描画线算法计算每组直线的两条直线和N行水平像素确定的直线的交点在M×N的像素矩阵中的位置；

步骤16：以计算机图形学中的交点配对及区间填色的区域填充算法处理步骤15中的交点列表，对M×N的像素矩阵在每组两条直线之间的连通区域进行反“填色”处理，即区域内对应像素的权值减1；

步骤17：依次以第二类传感器132的光心为直线一端，两侧视角边界与屏框交点及触摸点遮挡对应的屏框暗斑两侧边缘位置按照大小顺序两两分组为直线另外一端，两两确定若干组直线，以扫描画线算法计算每组直线的两条直线和N行水平像素确定的直线的交点在M×N的像素矩阵中的位置；

步骤18：以计算机图形学中的交点配对及区间填色的区域填充算法处理步骤17中的交点列表，对M×N的像素矩阵在每组两条直线之间的连通区域进行反“填色”处理，即区域内对应像素的权值减1；

步骤19：依次以第二类传感器133的光心为直线一端，两侧视角边界与屏框交点及触摸点遮挡对应的屏框暗斑两侧边缘位置按照大小顺序两两分组为直线另外一端，两两确定若干组直线，以扫描画线算法计算每组直线的两条直线和N行水平像素确定的直线的交点在M×N的像素矩阵中的位置；

步骤20：以计算机图形学中的交点配对及区间填色的区域填充算法处理步骤19中的交点列表，对M×N的像素矩阵在每组两条直线之间的连通区域进行反“填色”处理，即区域内对应像素的权值减1；

步骤21：依次以第二类传感器134的光心为直线一端，两侧视角边界与屏框交点及触摸点遮挡对应的屏框暗斑两侧边缘位置按照大小顺序两两分组为直线另外一端，两两确定若干组直线，以扫描画线算法计算每组直线的两条直线和N行水平像素确定的直线的交点在M×N的像素矩阵中的位置；

步骤22：以计算机图形学中的交点配对及区间填色的区域填充算法处理步骤21中的交点列表，对M×N的像素矩阵在每组两条直线之间的连通区域进行反“填色”处理，即区域内对应像素的权值减1；

步骤23：依次以第二类传感器135的光心为直线一端，两侧视角边界与屏框交点及触摸点遮挡对应的屏框暗斑两侧边缘位置按照大小顺序两两分组为直线另外一端，两两确定若干组直线，以扫描画线算法计算每组直线的两条直线和N行水平像素确定的直线的交点在M×N的像素矩阵中的位置；

步骤24：以计算机图形学中的交点配对及区间填色的区域填充算法处理步骤23中的交点列表，对M×N的像素矩阵在每组两条直线之间的连通区域进行反“填色”处理，即区域内对应像素的权值减1；

步骤25：依次以第二类传感器136的光心为直线一端，两侧视角边界与屏框交点及触摸点遮挡对应的屏框暗斑两侧边缘位置按照大小顺序两两分组为直线另外一端，两两确定若干组直线，以扫描画线算法计算每组直线的两条直线和N行水平像素确定的直线的交点在M×N的像素矩阵中的位置；

步骤26：以计算机图形学中的交点配对及区间填色的区域填充算法处理步骤25中的交点列表，对M×N的像素矩阵在每组两条直线之间的连通区域进行反“填色”处理，即区域内对应像素的权值减1；

步骤27：依次以第二类传感器137的光心为直线一端，两侧视角边界与屏框交点及触摸点遮挡对应的屏框暗斑两侧边缘位置按照大小顺序两两分组为直线另外一端，两两确定若干组直线，以扫描画线算法计算每组直线的两条直线和N行水平像素确定的直线的交点在M×N的像素矩阵中的位置；

步骤28：以计算机图形学中的交点配对及区间填色的区域填充算法处理步骤27中的交点列表，对M×N的像素矩阵在每组两条直线之间的连通区域进行反“填色”处理，即区域内对应像素的权值减1；

步骤29：依次以第二类传感器138的光心为直线一端，两侧视角边界与屏框交点及触摸点遮挡对应的屏框暗斑两侧边缘位置按照大小顺序两两分组为直线另外一端，两两确定若干组直线，以扫描画线算法计算每组直线的两条直线和N行水平像素确定的直线的交点在M×N的像素矩阵中的位置；

步骤30：以计算机图形学中的交点配对及区间填色的区域填充算法处理步骤29中的交点列表，对M×N的像素矩阵在每组两条直线之间的连通区域进行反“填色”处理，即区域内对应像素的权值减1；

步骤31：依次以第二类传感器139的光心为直线一端，两侧视角边界与屏框交点及触摸点遮挡对应的屏框暗斑两侧边缘位置按照大小顺序两两分组为直线另外一端，两两确定若干组直线，以扫描画线算法计算每组直线的两条直线和N行水平像素确定的直线的交点在M×N的像素矩阵中的位置；

步骤32：以计算机图形学中的交点配对及区间填色的区域填充算法处理步骤31中的交点列表，对M×N的像素矩阵在每组两条直线之间的连通区域进行反“填色”处理，即区域内对应像素的权值减1；

步骤33：在剩下的像素权值为4的连通区域中，删除面积明显小于指尖触摸区域面积的连通区域以去除鬼点，对剩下的权值为4的连通区域求重心，即各触摸点的坐标位置。

5.依据相邻周期触摸相关性分配TrackID并对坐标进行运动滤波

步骤34：此部分为公开的通用算法，从略，将TrackID及滤波后的坐标填入触摸数据包并上传，即完成了整个触摸周期。

本发明所述的光学式触摸屏及其触摸定位方法、以及光学畸变标定方法，通过设置连续围绕于主控屏100四周的线状连续红外背景光源，构成光幕平面，并在主控屏100四角设置第一类光学传感器300，构成与所述光幕平面重合的第一光学传感平面，由设置在主控屏100四边的第二类光学传感器400构成略高于所述光幕平面的第二光学传感平面，所述第一类光学传感平面与第二类光学传感平面组合形成一双层传感结构来检测多触摸点位置，

所述线状连续红外背景光源结构简单、易于维护、发射角度较大且光强均匀，第一类光学传感器300的可视角度略超过90度，则使得整个屏幕都在第一类光学传感器300的可视范围内，所述第二类光学传感器400的可视角度能够达到120度左右，超大的视角可保证屏幕的触摸区域被较多的第二类光学传感器400检测到，从而保证触摸点较多时也不出现鬼点问题；同时，所述第二类光学传感器400的线状传感区域略高于线状连续红外背景光源，从而不会中断线状连续红外背景光源而造成额外的暗斑，通过增加第二类光学传感器400的数量以检测定位更多触摸点，因此，采用本发明所述触摸屏装置进行的触摸定位方法，能够精确的查找到触控点，且第一类光学传感器300和第二类光学传感器400的成像结构对安装精度要求低且易于维护。

所述光学标定及触摸定位方法，其通过使红外光透过标定棒上设置的窄缝而在线阵传感器的感应线形成亮点尖峰，求取尖峰的位置同将其和对应透光窄缝的几何坐标做四阶数学拟合，再利用5个四阶拟和参数求取屏幕四边每隔很短距离的点和线阵传感器的像素间的对应关系表，即得到标定表，从而解决了光学畸变问题并避免了三角函数运算。

以上装置实施例与方法实施例是一一对应的，装置实施例简略之处，参见方法实施例即可。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能性一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应超过本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机储存器、内存、只读存储器、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其他形式的存储介质中。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (9)

1.一种光学式触摸屏，其特征在于，包括主控屏(100)、线状连续红外背景光源、第一层传感结构、第二层传感结构和主控板，

所述线状连续红外背景光源内置于光学式触摸框结构(130)内，且连续围绕于主控屏(100)四周设置；

第一层传感结构，由位于主控屏(100)四角的四个第一类光学传感器(300)构成，所述第一类光学传感器(300)的光学传感平面与主控屏(100)四周的线状连续红外背景光源构成的光幕平面重合；

所述第二层传感结构，由位于主控屏(100)四边的多个第二类光学传感器(400)构成，所述第二层传感结构的光学传感平面高于主控屏(100)四周的线状连续红外背景光源构成的光幕平面；

主控板，用于产生线阵传感器的驱动逻辑及光源驱动电流，接收第一层传感结构及第二层传感结构采集的光学传感数据并解算触摸坐标发回主机。

2.根据权利要求1所述光学式触摸屏，其特征在于，所述线状连续红外背景光源包括侧导光光纤(220)以及设置于侧导光光纤(220)两入光端的管状红外光源(210)，所述管状红外光源(210)包括焊接在与主控板电连接的铝基板上的LED(211)；一端套装在LED(211)外部、另一端设有出光孔的管状壳体(212)，所述侧导光光纤(220)的入光端自出光孔伸入管状壳体(212)内，所述LED(211)与侧导光光纤(220)之间设有聚光透镜(213)。

3.根据权利要求2所述光学式触摸屏，其特征在于，所述侧导光光纤(220)安装在光学式触摸框结构(130)内，且朝向主控屏(100)一侧设有长条形出光面(221)。

4.根据权利要求1所述光学式触摸屏，其特征在于，第一类光学传感器(300)包括，

设有入光端的第一金属成像结构(301)；

设置在第一金属成像结构(301)入光端、且凸透面朝向第一金属成像结构(301)底端设置的第一平凸柱面透镜(302)，与凸透面相对设置的一侧水平端面依次粘贴有中间开有窄缝的第一光阑(303)和第一红外滤光片(304)；

设置于第一金属成像结构(301)底端的第一传感器AD采样板(305)，所述第一传感器AD采样板(305)朝向第一金属成像结构(301)入光端的一侧焊接有第一线阵传感器(306)，所述第一传感器AD采样板(305)与主控板电连接；

第二类光学传感器(400)的结构与第一类光学传感器(300)的结构一致。

5.根据权利要求2所述光学式触摸屏，其特征在于，所述第一类光学传感器(300)的入光端与侧导光光纤(220)的出光面(221)位于同一水平高度。

6.根据权利要求2所述光学式触摸屏，其特征在于，所述光学式触摸框结构(130)为一端设有透光窗口的矩形框，所述第二类光学传感器(400)内置于光学式触摸框结构(130)内，且金属成像结构前端朝向矩形框的透光窗口设置，所述第二类光学传感器(400)的金属成像结构前端下侧设有一内凹槽(131)，所述侧导光光纤(220)容置在所述内凹槽(131)中。

7.根据权利要求1所述光学式触摸屏，其特征在于，所述主控板包括现场可编程门阵列模块、单片机模块、升降压电路以及周边电路。

8.一种对权利要求1所述光学式触摸屏的光学畸变标定方法，其特征在于，

S1、制作四条长度分别和主控屏(100)四边的长度相等的标定棒，所述标定棒上每隔一段距离设置一条透光窄缝；

S2、将所述标定棒设置在对应外缘的线状连续红外背景光源之前；

S3、红外光透过所述透光狭缝在线阵传感器的感应线形成亮点尖峰，求取尖峰的像素位置，并将尖峰的像素位置和与对应的透光狭缝的几何坐标做四阶数学拟合；

S4、再利用五个四阶拟合参数求取主控屏(100)四边每隔很短距离的点和线阵传感器的像素间的对应关系表，即为标定表。

9.一种权利要求1所述光学式触摸屏的光学式触摸屏的触摸定位方法，其特征在于：

S1、主控板接收来自两组光学传感器的10个周期的亮度信号并进行比对，如果平均每个周期内变化幅度超过3的像素不超过5个，则将第1个周期内的像素亮度数据记下，作为各传感器的背景数组；

S2、正常工作并接收一个周期内光学传感器的亮度信号，称为实时数组；

S3、将各传感器的背景数组减去实时数组，得到暗斑数组，并对暗斑数组进行边缘检测和质心法处理，得到各传感器暗斑边缘及中心位置；

S4、查标定表并进行比例插值运算确定各暗斑边缘对应的线状连续红外背景光源在触摸框上的位置；

S5、根据第一类光学传感器(300)的暗斑边缘在触摸框上的位置以扫描画线算法确定所有可能含有单个或多个触摸点区域的连通域；

S6、根据第二类光学传感器(400)的暗斑边缘在触摸框上的位置以扫描画线算法对步骤S5中的区域进行细分，得到一系列只含有单个触摸点的连通域，舍去其中面积明显小于触摸点面积的连通域，剩下的即为各只含有单触摸点的连通域；

S7、计算各单触摸点连通域重心坐标，即为触摸点坐标。

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