TW201337649A - 光學式輸入裝置及其輸入偵測方法 - Google Patents

Abstract

一種光學式輸入裝置及其輸入偵測方法，提供接觸面供手指接觸，對該接觸面投射光線，從來自該接觸面的光線擷取影像，辨識該影像以偵測該接觸面上的手勢，據以產生相對應的手勢訊號。

Description

光學式輸入裝置及其輸入偵測方法

本發明係有關一種光學式輸入裝置，特別是關於一種光學觸控手勢偵測裝置。

觸控輸入已經獲得廣泛的應用，進一步的發展更擴大到觸控手勢輸入，例如美國專利號7966578的多指觸控手勢偵測方法，不但簡化了輸入裝置，而且提供使用者直覺式的輸入功能。然而習知的觸控手勢偵測裝置大多以電阻式或電容式的觸控板(touch pad)或觸控面板(touch panel)來實現，有難以克服的問題。電阻式的觸控裝置係使用軟性膜板接受觸控筆尖的施壓而產生形變(deformation)，因此耐用度很差，而且位置解析度較低，也不易實現多點觸控功能。電容式的觸控裝置具有較堅韌的優點，但位置解析度取決於偵測跡線的密度，偵測跡線本身的粗細及偵測跡線之間的間距限制了位置解析度的上限，只能仰賴後端電路的演算法對其進一步優化，數量龐大的偵測跡線與微控制器晶片之間的連接也增加印刷電路板的繞線困難，而且微控制器晶片的接腳數目很多，造成微控制器晶片的尺寸無法縮小，數量龐大的焊接點也會導致可靠度降低。此外，電容式的觸控裝置在偵測時必須對偵測跡線充放電，因此需要較大的耗電量和較長的偵測時間。不論電阻式或電容式的觸控裝置，其偵測程序包含對所有的感應器掃描，因此需要高速掃描及運算，而且獲得一幀(frame)資料所需的時間長，幀速率(frame rate)也很難提高，所以響應速度會比較慢。

本發明的目的之一，在於提出一種光學式輸入裝置及光學式輸入偵測方法。

本發明的目的之一，在於提出一種光學觸控手勢偵測裝置及方法。

本發明的目的之一，在於提出一種整合手勢偵測及滑鼠功能的輸入裝置。

根據本發明，一種光學式輸入裝置包含供手指接觸的接觸面，提供光線投射到該接觸面的發光源，從來自該接觸面的光線擷取影像的影像擷取單元，以及辨識該影像以偵測手勢的處理單元。

根據本發明，一種光學式輸入偵測方法包含提供接觸面供手指接觸，對該接觸面投射光線，從來自該接觸面的光線擷取影像，辨識該影像以偵測該接觸面上的手勢，據以產生相對應的手勢訊號。

圖1係根據本發明的第一實施例，其中光學式輸入裝置10包含發光模組12提供光線對接觸面14照射，接觸面14係供手指接觸，影像擷取單元16接收來自接觸面14的光線，從其擷取影像以產生輸入訊號Si，處理單元18從輸入訊號Si辨識該影像以偵測在接觸面14上的手勢，據以產生相對應的手勢訊號Sg。若有手指在接觸面14上，則其接觸點會造成光線反射，因而在影像擷取單元16獲得的影像中產生光斑，處理單元18可從該影像的光斑數目及位置偵測到在接觸面14上的手指的數目及位置，並從該影像的變化偵測到手指的數目變化及位移方向和距離，進而偵測到在接觸面14上的各種手勢。如同相關技術領域已知的，影像擷取單元16包含光學感測器，例如互補金氧半導體影像感測器(CIS)或電荷耦合裝置(CCD)，將光線轉換為電子訊號，還可包含鏡頭或針孔來取像。較佳者，影像擷取單元16係以某個或某些取像率產生以幀為單位的影像，因此輸入訊號Si將會包含在時序上為一幀一幀的影像內容，處理單元18比較前後兩幀或更多幀的影像內容可得知影像的變化，處理單元18還可從已知的取像率及偵測到的手指位移量計算出手指的位移速度。由於處理單元18係從輸入訊號Si中分辨出不同的手勢，因此能產生各種手勢相對應的手勢訊號Sg。

光學式輸入裝置10還可將滑鼠的功能也整合在一起，例如參照圖1，位移偵測模組20包含滾球機構、光學偵測器、動感偵測器(motion sensor)或陀螺儀等核心來偵測光學式輸入裝置10的移動，產生位移訊號Sm，傳輸介面單元22接收手勢訊號Sg及位移訊號Sm，將其重新編碼轉換為符合通訊協定的輸出訊號So傳給主機24，主機24根據位移訊號Sm控制游標，根據手勢訊號Sg執行相對應的指令。圖2係這種整合裝置的一個實施例，在滑鼠機殼100內有位移偵測模組20裝設在滑鼠機殼100的底部，當滑鼠機殼100置於操作平面30上時，位移偵測模組20貼近操作平面30。如同一般的光學滑鼠一樣，位移偵測模組20包含發光源32提供光線經透鏡投射到操作平面30上，被操作平面30反射的光線經透鏡成像在影像擷取單元34上，影像擷取單元34持續擷取影像，處理單元(圖中未示)根據影像的變化產生位移訊號Sm。在此實施例中，接觸面14係導光板的上表面，導光板安裝在滑鼠機殼100的頂部前方，取代一般滑鼠的按鍵和滾輪的位置。發光源26固定在導光板的側邊，提供一特定光譜的光如一紅外光對導光板照射，光線經導光板散射，當手指在接觸面14上時，接觸點將形成反射面，將光線反射到影像擷取單元16。在另一實施例中，導光板只能給紅外光等不可見光穿透，以濾除環境中可見光造成的干擾。在圖2的實施例中，藉由偵測在接觸面14上的手勢，不但能產生一般滑鼠的按鍵訊號和滾輪訊號，還能產生更多一般滑鼠無法實現的控制訊號。

回到圖1，較佳者，除了發光源26以外，發光模組12還包含光源控制單元28控制發光源26，例如在關機或待機時關閉發光源26，或在待機時維持發光源26僅消耗很小的靜音電流，或是只有在影像擷取單元16要擷取影像時才點亮發光源26。此外，處理單元18還可根據輸入訊號Si得知影像的亮度，進而產生控制訊號Sc給光源控制單元28，以調控發光源26的亮度，最佳化影像的清晰度。較佳者，處理單元18在取像時控制發光源26快速閃爍，讓影像擷取單元16分別在發光源26明、滅時擷取影像，再取其差值以消除環境光產生的背景值。因為影像擷取單元16在發光源26關閉時取得的影像為環境光所造成的背景值，因此消除此背景值可以降低環境光的干擾。在其他的實施例中，亦可改用其他的方式明、滅照射接觸面14的光線，例如使用光遮斷器，供影像擷取單元16分別取像。

圖3係根據本發明的第二實施例，其中光學式輸入裝置36也是整合了手勢偵測和滑鼠功能，但與前述實施例不同的是，其共用某些組件來實現手勢偵測和滑鼠功能。在光學式輸入裝置36中，發光模組12、接觸面14、影像擷取單元42及處理單元44組成光學觸控手勢偵測模組，其操作與圖1的實施例相同；發光模組38、影像擷取單元42及處理單元44組成位移偵測模組，如同圖2的實施例一樣，執行光學滑鼠的功能。如圖4所示，將光學組件適當地配置，並利用透鏡或反射鏡控制光路，讓接觸面14反射的光線和操作平面30反射的光線皆成像在影像擷取單元42上。因為光學式輸入裝置36只使用單一影像擷取單元42與處理單元44來完成手勢偵測與位移偵測，所以可以降低成本。參照圖3及圖4，處理單元44提供控制訊號Sc1及Sc2分別給發光模組12及38中的光源控制單元28及40，以控制發光源26及32，例如開、關發光源26及32或調控其亮度。較佳者，發光源26及32受控在時序上交錯發光，在發光源26發光時，影像擷取單元42擷取到接觸面14反射的影像而產生輸入訊號Si1，在發光源32發光時，影像擷取單元42擷取到操作平面30反射的影像而產生輸入訊號Si2，處理單元44分開處理輸入訊號Si1及Si2，分別產生手勢訊號Sg及位移訊號Sm給傳輸介面單元22，再重新編碼後傳到主機24，主機24根據手勢訊號Sg執行相對應的指令，根據位移訊號Sm控制游標。較佳者，處理單元44還可分別根據輸入訊號Si1及Si2得知影像的亮度，據以調控發光源26及32的亮度，最佳化影像的清晰度。

已經有很多先前技術揭示各種手勢的偵測以執行相對應的指令，除了單擊、雙擊、托曳、捲動這些常見的滑鼠操作指令以外，還有縮小、放大、順時針旋轉、順時針旋轉、向上翻轉、向下翻轉這些指令，更多的手勢觸發指令可從先前技術中找到。在一實施例中，參照如圖5的影像示意圖，從手指(即影像中的光斑)的數目及其獨立或相對的移動方向可判斷出多種手勢，其相對應的指令如下表所示：

在不同的實施例中，亦可將手指的位移量及/或位移速度亦納入手勢的判斷依據。在其他的實施例中，還可讓使用者於主機24的作業系統下或是使用配合的軟體自行設定各種手勢的條件及其相對應的指令，使操作最佳化。

在本發明的光學式輸入裝置10及36中，由於接觸面14是硬板，例如玻璃板，所以具有極高的耐用性；而接觸面14上的接觸點係藉光學感測而成像，不但在瞬間即取得影像，而且其位置的解析度取決於影像擷取單元16或42的解析度，遠高於電阻式或電容式的觸控裝置；發光源26可以使用LED，其耗電量很小。

以上對於本發明之較佳實施例所作的敘述係為闡明之目的，而無意限定本發明精確地所揭露的形式，基於以上的教導或從本發明的實施例學習而作修改或變化是可能的，實施例係為解說本發明的原理以及讓熟習該項技術者以各種實施例利用本發明在實際應用上而選擇及敘述，本發明的技術思想企圖由以下的申請專利範圍及其均等來決定。

10．．．光學式輸入裝置

12．．．發光模組

14．．．接觸面

16．．．影像擷取單元

18．．．處理單元

20．．．位移偵測模組

22．．．傳輸介面單元

24．．．主機

26．．．發光源

28．．．光源控制單元

30．．．操作平面

32．．．發光源

34．．．影像擷取單元

36．．．光學式輸入裝置

38．．．發光模組

40．．．光源控制單元

42．．．影像擷取單元

44．．．處理單元

100．．．滑鼠機殼

圖1係根據本發明的第一實施例；

圖2係圖1的裝置整合光學滑鼠功能的實施例；

圖3係根據本發明的第二實施例；

圖4係圖3的裝置整合光學滑鼠功能的實施例；以及

圖5係多種手勢的影像的示意圖。

10．．．光學式輸入裝置

12．．．發光模組

14．．．接觸面

16．．．影像擷取單元

18．．．處理單元

20．．．位移偵測模組

22．．．傳輸介面單元

24．．．主機

26．．．發光源

28．．．光源控制單元

Claims (41)

1. 一種光學式輸入裝置，包含：接觸面，供手指接觸；發光源，提供光線對該接觸面照射；影像擷取單元，從來自該接觸面的光線擷取影像以產生輸入訊號；以及處理單元，連接該影像擷取單元，從該輸入訊號辨識該影像以偵測在該接觸面上的手勢，並據以產生相對應的手勢訊號。
2. 如請求項1之裝置，其中該接觸面係導光板的上表面。
3. 如請求項2之裝置，其中該導光板安裝在滑鼠機殼上。
4. 如請求項3之裝置，更包含位移偵測模組安裝在該滑鼠機殼的底部，偵測該光學式輸入裝置的移動以產生位移訊號。
5. 如請求項1之裝置，更包含光源控制單元連接該發光源，控制該發光源。
6. 如請求項5之裝置，其中該光源控制單元連接該處理單元，該處理單元提供控制訊號給該光源控制單元，藉以控制該發光源。
7. 如請求項6之裝置，其中該處理單元根據該影像的亮度決定該控制訊號，進而調控該發光源的亮度。
8. 如請求項6之裝置，其中該處理單元控制該發光源閃爍，供該影像擷取單元分別在該發光源發光及不發光時取像。
9. 如請求項1之裝置，其中該處理單元從該影像的變化偵測在該接觸面上的手指的數目變化或位移方向，再據以判斷該手勢。
10. 如請求項1之裝置，其中該影像擷取單元產生以幀為單位的該影像，因而該輸入訊號包含在時序上為一幀一幀的影像內容。
11. 如請求項10之裝置，其中該處理單元比較前後兩幀或更多幀的該影像內容得知該影像的變化，藉以偵測在該接觸面上的手指的數目變化或位移方向，再據以判斷該手勢。
12. 如請求項1之裝置，更包含：位移偵測模組，偵測該光學式輸入裝置的移動，產生位移訊號；以及傳輸介面單元，連接該處理單元及該位移偵測模組，將該手勢訊號及該位移訊號轉換為輸出訊號。
13. 一種光學式輸入裝置的輸入偵測方法，該光學式輸入裝置具有接觸面供手指接觸，該方法包含下列步驟：A)提供光線對該接觸面照射；B)從來自該接觸面的光線擷取影像以產生輸入訊號；C)從該輸入訊號辨識該影像以偵測在該接觸面上的手勢；以及D)根據偵測到的手勢產生相對應的手勢訊號。
14. 如請求項13之方法，其中該步驟A包含明滅該照射該接觸面的光線，供該步驟B分別在有無該光線時取像。
15. 如請求項13之方法，更包含根據該影像的亮度調整該照射該接觸面的光線。
16. 如請求項13之方法，其中該步驟B包含產生以幀為單位的該影像，因而該輸入訊號包含在時序上為一幀一幀的影像內容。
17. 如請求項16之方法，其中該步驟C包含比較前後兩幀或更多幀的該影像內容得知該影像的變化，藉以偵測在該接觸面上的手指的數目變化或位移方向，再據以判斷該手勢。
18. 如請求項13之方法，其中該步驟C包含從該影像的變化偵測在該接觸面上的手指的數目變化或位移方向，再據以判斷該手勢。
19. 如請求項13之方法，更包含偵測該光學式輸入裝置的移動以產生位移訊號。
20. 一種光學式輸入裝置，包含：接觸面，供手指接觸；第一發光源，提供第一光線對該接觸面照射；第二發光源，提供第二光線投射到該光學式輸入裝置的操作平面；影像擷取單元，從來自該接觸面的光線擷取第一影像以產生第一輸入訊號，以及從來自該操作平面的光線擷取第二影像以產生第二輸入訊號；以及處理單元，連接該影像擷取單元，從該第一輸入訊號辨識該第一影像以偵測在該接觸面上的手勢，並據以產生相對應的手勢訊號，以及從該第二輸入訊號辨識該第二影像以偵測該光學式輸入裝置的移動，並據以產生位移訊號。
21. 如請求項20之裝置，其中該接觸面係導光板的上表面。
22. 如請求項21之裝置，其中該導光板安裝在滑鼠機殼上。
23. 如請求項20之裝置，更包含光源控制單元連接該第一發光源，控制該第一發光源。
24. 如請求項23之裝置，其中該光源控制單元連接該處理單元，該處理單元提供控制訊號給該光源控制單元，藉以控制該第一發光源。
25. 如請求項24之裝置，其中該處理單元根據該第一影像的亮度決定該控制訊號，進而調控該第一發光源的亮度。
26. 如請求項20之裝置，更包含光源控制單元連接該第二發光源，控制該第二發光源。
27. 如請求項26之裝置，其中該光源控制單元連接該處理單元，該處理單元提供控制訊號給該光源控制單元，藉以控制該第二發光源。
28. 如請求項27之裝置，其中該處理單元根據該第二影像的亮度決定該控制訊號，進而調控該第二發光源的亮度。
29. 如請求項20之裝置，其中該處理單元控制該第一發光源閃爍，供該影像擷取單元分別在該第一發光源發光及不發光時取像。
30. 如請求項20之裝置，其中該第一及第二發光源係在時序上交錯提供該第一及第二光線。
31. 如請求項20之裝置，其中該處理單元從該第一影像的變化偵測在該接觸面上的手指的數目變化或位移方向，再據以判斷該手勢。
32. 如請求項20之裝置，其中該影像擷取單元產生以幀為單位的該第一影像，因而該第一輸入訊號包含在時序上為一幀一幀的第一影像內容。
33. 如請求項32之裝置，其中該處理單元比較前後兩幀或更多幀的該第一影像內容得知該第一影像的變化，藉以偵測在該接觸面上的手指的數目變化或位移方向，再據以判斷該手勢。
34. 一種光學式輸入裝置的輸入偵測方法，該光學式輸入裝置具有接觸面供手指接觸，該方法包含下列步驟：A)提供第一光線對該接觸面照射；B)從來自該接觸面的光線擷取第一影像以產生第一輸入訊號；C)從該第一輸入訊號辨識該第一影像以偵測在該接觸面上的手勢；D)根據偵測到的手勢產生相對應的手勢訊號；E)提供第二光線投射到該光學式輸入裝置的操作平面；F)從來自該操作平面的光線擷取第二影像以產生第二輸入訊號；G)從該第二輸入訊號辨識該第二影像以偵測該光學式輸入裝置的移動；以及H)根據該光學式輸入裝置的移動產生位移訊號。
35. 如請求項34之方法，其中該步驟A包含明滅該照射該接觸面的第一光線，供該步驟B分別在有無該第一光線時取像。
36. 如請求項34之方法，更包含根據該第一影像的亮度調整該照射該接觸面的第一光線。
37. 如請求項34之方法，其中該步驟B包含產生以幀為單位的該第一影像，因而該第一輸入訊號包含在時序上為一幀一幀的第一影像內容。
38. 如請求項37之方法，其中該步驟C包含比較前後兩幀或更多幀的該第一影像內容得知該第一影像的變化，藉以偵測在該接觸面上的手指的數目變化或位移方向，再據以判斷該手勢。
39. 如請求項34之方法，其中該步驟C包含從該第一影像的變化偵測在該接觸面上的手指的數目變化或位移方向，再據以判斷該手勢。
40. 如請求項34之方法，更包含根據該第二影像的亮度調整該投射到該操作平面的第二光線。
41. 如請求項34之方法，其中該第一及第二影像係在時序上交錯擷取。