KR20170025665A - 광학방식의 터치스크린장치 및 이를 이용한 좌표 검출 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 광학방식의 터치스크린장치 및 이를 이용한 좌표 검출 방법은 터치감지영역을 스캐닝하는 스캐닝부, 스캐닝부로부터 입력받은 스캔 데이터를 이미지 데이터로 변환하는 데이터 변환부, 데이터 변환부로부터 입력받은 이미지 데이터의 필터링을 위한 필터링부 및 필터링부에서 입력받은 이미지 데이터로부터 터치위치의 좌표를 검출하기 위한 좌표 검출부를 포함한다. 본 발명의 광학방식의 터치스크린장치 및 이를 이용한 좌표 검출 방법은 세분화된 광량에 대한 정보를 반영하여 보다 정교한 터치 좌표를 검출할 수 있고, 터치 지점을 형상화하여 이미지 데이터로 검출함으로써 다중 터치에 대한 인식이 가능하다. 그리고 고속으로 처리 가능한 이미지 라이브러리를 이용하여 다중 터치 인식 시 종래의 복잡한 연산과정을 거치지 않고도 보다 용이하고 효과적으로 터치 좌표를 검출할 수 있다.

Description

광학방식의 터치스크린장치 및 이를 이용한 좌표 검출 방법{Optical touch screen apparatus and sensing method}

본 발명은 광학방식의 터치스크린장치에 관한 것으로, 이미지처리를 통해 터치좌표를 검출하는 광학방식의 터치스크린장치 및 이를 이용한 좌표 검출 방법에 관한 것이다.

터치스크린 패널(Touch Screen Panel, TSP)은 스크린에 사용자가 손가락이나 펜 등으로 화면을 누르거나 접촉하면, 그 위치를 인지하여 시스템에 전달하는 입력장치로서, 스마트폰의 보급에 힘입어 널리 확대되고 있는 기술이다. TSP는 터치패널, 컨트롤러IC, 드라이버SW 등으로 구성되어 있고, 터치패널은 투명전극(Indium Tin Oxide, ITO)이 증착된 상판과 하판(Film 또는 Glass)으로 구성되며, 접촉이 발생하거나 전기적 용량 변화에 따른 신호발생 위치를 파악하여, 이를 컨트롤러 IC에 전송하는 역할을 수행한다. 컨트롤러 IC는 터치패널에서 전송된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변경하여 화면상에 나타낼 수 있는 좌표형태로 바꿔주는 역할을 하고, 드라이버SW는 컨트롤러 IC에서 들어오는 디지털신호를 받아 터치패널이 각 운영시스템에 맞게 구현되도록 제어하는 프로그램이다. TSP는 적용기술에 따라, 저항막방식, 정전용량방식, 초음파, 적외선, 그리고 광학 방식 등으로 구분된다.

저항막 방식은 투명전극(ITO Metal Layer)층이 코팅되어 있는 두 장의 기판을 Dot Spacer를 사이에 두고 투명전극 층이 서로 마주보도록 합착시키는 구조로 이루어져 있고, 특수 필름의 안쪽에 투명전극이 코팅되어 있기 때문에 손가락이나 펜에 의해 상부 기판을 접촉하였을 경우 위치 검출을 위한 신호가 인가되고, 하부 기판의 투명 전극층과 접촉되었을 때 전기적 신호를 검출하여 위치를 결정하게 되는 동작 원리를 가지고 있다. 이러한 저항막 방식은 제조 비용이 낮고, 고해상도가 가능하며, 다양한 장치를 입력 도구로 활용하고 있다는 장점을 갖고 있으나, 대형화에 어려움이 있고, 내구성이 낮다는 단점을 있다. 주사용처로는 휴대폰, 게임기, 네비게이션 등이다.

정전용량 방식은 현재 대부분의 스마트폰에 사용되고 있는 터치스크린 방식으로 터치화면 센서를 구성하는 기판(Substrate)의 양면에 특수 전도성 금속을 코팅하여 투명전극을 형성하고, 일정량의 전류를 유리 표면에 흐르게 하면 두 도체 간의 전위차를 통해서 사용자가 터치를 할 때 사람의 몸에 있는 정전용량을 이용하여 전류의 양이 변경된 부분을 인식하고 크기를 계산하여 위치를 검출하는 원리로 작동한다. 정전용량 방식은, 손가락, 전용펜 등을 모두 입력 장치로 활용할수 있으며, 멀치터치가 가능하고, 고해상도가 가능해 스마트폰, 태블릿PC 등에 적용되고 있으며, 가격이 비싸고, 대형화가 어렵다는 단점을 갖고 있다

적외선 방식은 적외선의 직진성을 이용하여 적외선이 장애물에 부딪히면 차단되는 속성을 활용한 방식이다. 발광소자(LED)와 수광소자(Photo Sensor)가 마주보도록 패널 주위에 광을 다수 배치해서 Matrix를 만드는 구조로, 손가락이 화면에 닿아서 광선을 차단하면, 차단된 부분의 출력이 저하되고 그 부분의 X, Y 좌표를 얻어서 입력 좌표를 판단하는 원리이다. 입력 장치로는 손가락 및 전용펜을 사용할 수 있으며, 빛 투과율이 높고, 내구성이 좋으며, 대화면에 적용할 수 있는 장점을 갖고 있다.

그러나 이러한 기존의 적외선 방식의 터치스크린장치는 세분화되지 않은 광량의 변화 데이터를 이용하여 물체를 인식하므로 정교한 터치를 검출하는 데에 한계가 있을 뿐만 아니라 다중 터치 시 허상의 제거를 위한 처리에도 많은 조건이 필요하다. 또한, 다중 터치 인식 시 많은 양의 연산이 필요하여 시스템 전체 성능에 큰 영향을 미칠 수 있다.

본 발명의 목적은 세분화된 광량 데이터를 반영하여 보다 정교한 터치좌표를 검출할 수 있는 광학방식의 터치스크린장치 및 이를 이용한 좌표 검출 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 고속으로 처리 가능한 이미지 라이브러리를 이용하여 다중 터치 인식 시 보다 용이하고 효과적으로 터치 좌표를 검출할 수 있는 광학방식의 터치스크린장치 및 이를 이용한 좌표 검출 방법을 제공하는데 있다.

상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일면은 광학방식의 터치스크린장치 및 이를 이용한 좌표 검출 방법에 관한 것이다. 본 발명의 광학방식의 터치스크린장치 및 이를 이용한 좌표 검출 방법은 터치감지영역을 스캐닝하는 스캐닝부; 상기 스캐닝부로부터 입력받은 스캔 데이터를 이미지 데이터로 변환하는 데이터 변환부; 상기 데이터 변환부로부터 입력받은 이미지 데이터의 필터링을 위한 필터링부; 및 상기 필터링부에서 입력받은 이미지 데이터로부터 터치위치의 좌표를 검출하기 위한 좌표 검출부를 포함한다.

그리고 상기 데이터 변환부는 스캔 신호의 전기적 특성 값의 양자화를 통해 스캔 데이터를 이미지 데이터로 변환하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 필터링부는 가우시안 필터링 또는 히스테리시스 방식 중 어느 하나 이상을 통해 이미지 데이터를 필터링 하는 것을 특징으로 한다.

그리고 상기 좌표 검출부는 발광부의 특성을 반영하여 터치위치의 좌표를 검출하는 것을 특징으로 한다.

또한 터치감지영역을 스캐닝하는 단계; 스캔 데이터를 이미지 데이터로 변환하는 단계; 변환된 상기 이미지 데이터를 필터링하여 추출하는 단계; 및 상기 추출된 데이터로부터 터치 좌표를 검출하는 단계를 포함한다.

그리고 상기 스캔 데이터를 이미지 데이터로 변환하는 단계는 스캔 신호의 전기적 특성 값의 양자화를 통해 스캔 데이터를 이미지 데이터로 변환하는 단계인 것을 특징으로 한다.

또한 변환된 상기 이미지 데이터를 필터링하여 추출하는 단계는 가우시안 필터링 또는 히스테리시스 방식 중 어느 하나 이상을 통해 이미지 데이터를 필터링 하는 단계인 것을 특징으로 한다.

그리고 발광부의 특성을 반영하여 터치위치의 좌표를 검출하는 단계인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 광학방식의 터치스크린장치 및 이를 이용한 좌표 검출 방법은 세분화된 광량에 대한 정보를 반영하여 보다 정교한 터치 좌표를 검출할 수 있고, 터치 지점을 형상화하여 이미지 데이터로 검출함으로써 다중 터치에 대한 인식이 가능하다.

그리고 고속으로 처리 가능한 이미지 라이브러리를 이용하여 다중 터치 인식 시 종래의 복잡한 연산과정을 거치지 않고도 보다 용이하고 효과적으로 터치 좌표를 검출할 수 있다.

도 1은 본 발명의 전체적인 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 스캔 데이터가 이미지 데이터로 투영되는 것을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 터치스크린장치의 좌표검출방법을 순차적으로 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 터치좌표검출을 위한 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.

본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공 되어지는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어 표현될 수 있다. 각 도면에서 동일한 구성은 동일한 참조부호로 도시한 경우가 있음을 유의하여야 한다. 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략된다.

도 1은 본 발명의 전체적인 구성을 도시한 도면이다.

도 1을 참조하여, 본 발명의 터치스크린장치는 터치감지영역(71)을 갖는 터치패널(70), 스캔구동회로(20), 스캔신호처리회로(30), 터치 컨트롤러(40), 메모리(50), 호스트(60)를 포함한다. 터치패널(70)은 광학방식의 터치패널로, 예를 들어 LED와 같은 발광소자(11, 13)로부터 광을 발광하고, 포토다이오드(PD)와 같은 수광소자(15, 17)가 광을 수광하여 터치감지영역(71)을 스캐닝하여 터치여부 및 터치좌표를 검출할 수 있다. 터치패널(70)은 Display에 설치되거나, 화이트보드와 같이 영상이 표시되지 않는 장치에 설치될 수 있다.

스캔구동회로(20)는 발광부(10, 13)에 구동신호를 인가하여 광을 발산하게 한다. 스캔신호처리 회로(30)는 수광부(14, 16)로부터 스캔 신호를 입력받아 신호처리를 거쳐 터치 컨트롤러(40)에 전달한다. 터치 컨트롤러(40)는 스캔구동회로(20)를 포함한 터치패널(70) 전체를 제어하고, 스캔신호를 입력받아 이에 대한 스캔 데이터를 이미지 데이터로 변환하여 필터링 및 추출을 거쳐 터치 좌표를 검출한다. 터치 좌표 검출에 대한 보다 자세한 설명은 도 2 및 도 3을 참조하여 아래에서 하도록 한다. 메모리(50)는 변환된 이미지 데이터에 대한 정보를 저장하며, 예를 들어 비디오 메모리 또는 linear 메모리일 수 있다. 또한 메모리(50)는 터치 컨트롤러(40)에 포함되거나, 호스트(60)에 포함될 수 있다. 호스트(60)는 예를 들어 PC, 테블릿 등과 같이 터치패널(70)이 적용되어 운용될 수 있는 장치이다.

도 2는 스캔 데이터가 이미지 데이터로 투영되는 것을 도시한 도면이다.

도 2를 참조하여, 발광부(10, 12)는 광을 발산하고, 수광부(14, 16)는 발산된 광을 수광하여 터치감지영역(71) 전체의 스캐닝을 진행한다. 먼저, 터치가 발생되지 않았을 때 터치감지영역(71) 내의 광량에 따른 스캔 데이터를 저장한다. 배경 데이터는 발광소자(11, 12) 예를 들어 LED의 소자적 특성을 반영한 세분화된 광량의 변화를 나타낸 데이터이며, 이를 이용하여 정교한 터치 이미지를 검출할 수 있다. 소자적 특성이란, LED가 제품의 종류별로 가지고 있는 광의 세기 등과 같은 파라미터 및 LED의 중앙으로부터 발산되는 광의 광량이 비교적 가장 많고, 가장자리로 갈수록 광량이 감소하는 특성을 말한다. 이러한 배경 데이터와 오브젝트에 의해 가려진 부분 즉, 터치 발생 시 감지된 데이터를 비교하고, 변화값에 따라 이미지 데이터로 변환하여 터치여부 및 터치 좌표를 검출하게 된다.

터치감지영역(71) 내의 스캔 데이터는 이와 동일한 가상의 이미지 데이터 시트(80)에 투영되어 스캔 데이터를 이미지 데이터로 변환하여 메모리에 저장한다. 예를 들어 터치감지영역(71)의 분할된 여러 구획 중 하나인 스캔 데이터 영역(72)의 스캔 데이터가 이미지 데이터 시트(80)의 한 구획인 이미지 데이터 영역(82)의 이미지 데이터로 변환되어 저장된다. 따라서 터치감지영역(71) 전면의 광량에 대한 스캔 데이터를 이미지 데이터 시트(80)에 이미지 데이터로 투영시킨다. 여기서 이미지 데이터는 픽셀단위로 매핑될 수 있다. 스캔신호의 광량에 대한 전기적 특성 값은 양자화를 통해 스캔 데이터에서 이미지 데이터로 변환된다. 여기서 광량의 분포에 따라 line의 굵기 또는 진하기가 변하도록 이미지 데이터가 저장 되도록 설정한다.

이와 같은 방법을 통해 세분화된 광량에 대한 정보를 반영하여 보다 정교한 터치 좌표를 검출할 수 있고, 터치 지점을 형상화하여 이미지 데이터로 검출함으로써 다중 터치에 대한 인식이 가능하다.

도 3은 본 발명의 터치스크린장치의 좌표검출방법을 순차적으로 도시한 도면이다.

도 3을 참조하여, IR scanning 단계(S100)는 광학방식의 터치스크린의 발광부 및 수광부를 동작시켜 터치감지영역을 스캐닝하는 단계이다. IR scan data를 이미지 data로 저장하는 단계(S110)는 터치감지영역의 스캐닝을 통해 얻어진 광량에 대한 정보인 스캔 데이터를 예를 들어 양자화를 통해 이미지 데이터로 변환하여 메모리에 저장하는 단계이다. 필터링 및 추출단계(S120)는 터치 위치에 대한 보다 정교한 이미지 데이터를 얻기 위해 필터링을 거쳐 추출하는 단계이다. 필터링 방법은 예를 들어 가우시안 필터링 및 히스테리시스 방식을 이용한다.

가우시안 필터링은 블러링 효과를 위해서 많이 사용하는 방식으로, 기본적으로 아래의 수학식 1 및 수학식 2로 정의할 수 있다.

상기 수학식 1 및 수학식 2를 참조하여, x, y 좌표에서의 현재의 픽셀 값을 위의 G(x,y)의 값만큼 고려하여 새로 결정하게 된다. 여기서 중요한 것은 "σ"이다. 필터처리를 하기 위하여 윈도우(kernel)을 설정하는데 중요한 요소이다. 여기서 말하는 윈도우는 가우시안 필터를 적용하는 범위(NxM)를 말한다. 가우시안 필터를 적용하면 이미지의 윤곽선을 더욱 모호하게 만든다.

먼저, 1차 미분의 Gradient 크기를 사용하여 에지를 검출한다. 예를 들어 3x3 윈도우를 갖는 sobel 함수를 적용하면, 입력된 픽셀을 아래와 같이 정의할때,

f(x-1,y-1)	f(x,y-1)	f(x+1,y-1)
f(x-1,y)	f(x,y)	f(x+1,y)
f(x-1,y+1)	f(x,y+1)	f(x+1,y+1)

x축 편미분에 대한 윈도우 gx는

-1	0	1
-2	0	2
-1	0	1

표 2와 같고, 이는 아래 수학식 3과 같이 계산할 수 있다.

y축 편미분에 대한 윈도우 gy는

-1	-2	-1
0	0	0
1	2	1

표 3과 같고, 이는 아래 수학식 4와 같이 계산할 수 있다.

x축, y축 방향으로 각각 sobel 연산자를 적용하여 필터링을 적용하면 가느다란 이미지의 윤곽선 특징을 형성할 수 있다.

이후 벡터 방향으로 최대값만 남기고 0으로 처리한 후 최대 임계값에서 최소 임계값이 나올 때까지 이미지를 추적하여 에지를 연결하는 히스테리시스 방식을 이용한다. 이러한 히스테리시스 방식을 이용하여 이진화에 의해 발생될 수 있는 경계에 걸친 모호한 값들에 대한 오류를 최소화할 수 있도록 자신의 값뿐만 아니라 주변의 값을 같이 참조하여 값을 결정할 수 있다. 이와 같은 기능을 실행하는 이미지 라이브러리는 고속으로 처리가 가능하여 스캐닝 시간을 단축시킬 수 있다. 터치 좌표 검출 단계(S130)는 추출된 이미지 데이터로부터 터치 좌표를 검출하는 단계를 말한다.

도 4는 본 발명의 터치좌표검출을 위한 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.

도 4를 참조하여, 본 발명의 터치 컨트롤러 내부의 기능 블록을 나타내면 스캐닝부(42), 데이터 변환부(44), 필터링부(46) 및 좌표검출부(48)로 표현할 수 있다. 스캐닝부(42)는 광학방식을 통해 터치감지영역의 스캐닝을 진행한다. 데이터 변환부(44)는 스캐닝을 통해 입력받은 스캔 데이터를 이미지 데이터로 변환한다. 필터링부(46)는 예를 들어 가우시안 필터링 및 히스테리시스 방식을 통해 변환된 이미지 데이터를 필터링한다. 좌표검출부(48)는 추출된 이미지 데이터로부터 터치 좌표를 검출한다.

이상에서 설명된 본 발명의 광학방식의 터치스크린장치 및 이를 이용한 좌표 검출 방법의 실시예는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 잘 알 수 있을 것이다.

그럼으로 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 형태로만 한정되는 것은 아님을 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. 또한, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 그 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

10, 13 : 발광부 11, 12 : 발광소자
14, 16 : 수광부 15, 17 : 수광소자
20 : 스캔구동회로 30 : 스캔신호처리 회로
40 : 터치 컨트롤러 42 : 스캐닝부
44 : 데이터 변환부 46 : 필터링부
48 : 좌표 검출부 50 : 메모리
60 : 호스트 70 : 터치패널
71 : 터치감지영역 72 : 스캔 데이터 영역
80 : 이미지 데이터 시트 82 : 이미지 데이터 영역
100 : 터치스크린장치

Claims (8)

1. 터치감지영역을 스캐닝하는 스캐닝부;
   상기 스캐닝부로부터 입력받은 스캔 데이터를 이미지 데이터로 변환하는 데이터 변환부;
   상기 데이터 변환부로부터 입력받은 이미지 데이터의 필터링을 위한 필터링부; 및
   상기 필터링부에서 입력받은 이미지 데이터로부터 터치위치의 좌표를 검출하기 위한 좌표 검출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학방식의 터치스크린장치.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 데이터 변환부는
   스캔 신호의 전기적 특성 값의 양자화를 통해 스캔 데이터를 이미지 데이터로 변환하는 것을 특징으로 하는 광학방식의 터치스크린장치.
3. 제1 항에 있어서,
   상기 필터링부는
   가우시안 필터링 또는 히스테리시스 방식 중 어느 하나 이상을 통해 이미지 데이터를 필터링 하는 것을 특징으로 하는 광학방식의 터치스크린장치.
   
4. 제1 항에 있어서,
   상기 좌표 검출부는
   발광부의 특성을 반영하여 터치위치의 좌표를 검출하는 것을 특징으로 하는 광학방식의 터치스크린장치.
5. 터치감지영역을 스캐닝하는 단계;
   스캔 데이터를 이미지 데이터로 변환하는 단계;
   변환된 상기 이미지 데이터를 필터링하여 추출하는 단계; 및
   상기 추출된 데이터로부터 터치 좌표를 검출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학방식의 터치스크린 장치의 좌표 검출 방법.
6. 제5 항에 있어서,
   상기 스캔 데이터를 이미지 데이터로 변환하는 단계는
   스캔 신호의 전기적 특성 값의 양자화를 통해 스캔 데이터를 이미지 데이터로 변환하는 단계인 것을 특징으로 하는 광학방식의 터치스크린 장치의 좌표 검출 방법.
7. 제5 항에 있어서,
   변환된 상기 이미지 데이터를 필터링하여 추출하는 단계는
   가우시안 필터링 또는 히스테리시스 방식 중 어느 하나 이상을 통해 이미지 데이터를 필터링 하는 단계인 것을 특징으로 하는 광학방식의 터치스크린 장치의 좌표 검출 방법.
8. 제5 항에 있어서,
   발광부의 특성을 반영하여 터치위치의 좌표를 검출하는 단계인 것을 특징으로 하는 광학방식의 터치스크린 장치의 좌표 검출 방법.

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