TWI397003B - 位移偵測裝置之影像處理方法及使用該方法之位移偵測裝置 - Google Patents

位移偵測裝置之影像處理方法及使用該方法之位移偵測裝置 Download PDF

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Description

位移偵測裝置之影像處理方法及使用該方法之位移偵測裝置
本發明係關於一種位移偵測裝置，特別係關於一種位移偵測裝置之影像處理方法及使用該方法之位移偵測裝置。
當一位移偵測裝置，例如一滑鼠，中之影像感測裝置所感測之影像亮度未介於一預設範圍時，通常需透過調整該位移偵測裝置之曝光時間以使該位移偵測裝置中之影像感測裝置能夠擷取具有適當亮度之影像。例如美國專利第6,297,513號之「於微結構表面導航之曝光控制機制(Exposure Servo for Optical Navigation over Micro-textured Surface)」，其根據位移偵測裝置所擷取影像之平均亮度以控制曝光參數，該控制方法包含下列步驟：(a)改變曝光控制參數之設定，直到平均亮度為最大可能值之50%；(b)如果位移偵測之相關性資料(correlated data)符合要求，維持目前之曝光參數設定，否則進一步改變曝光控制參數直到相關性資料符合要求；(c)儲存目前之平均亮度；(d)以目前之曝光控制參數進行導航(navigation)以求得一位移量，其中該導航步驟包含儲存最新之平均亮度及相關性資料；以及(e)調整曝光控制參數。
然而，上述曝光控制方法僅限於當影像平均亮度未介於預設範圍時用以改變曝光控制參數以調整具有不同反射強度之表面影像亮度。當影像平均亮度符合要求時，位移偵測裝置所擷取影像並未進一步被處理，因而無法有效提升反射表面影像之動態處理能力。
基於上述原因，其確實仍有必要另提出一種位移偵測裝置之影像處理方法，以增加具有不同反射強度之表面影像解析度，進而增加反射表面影像之動態處理能力。
本發明提供一種位移偵測裝置之影像處理方法及使用該方法之位移偵測裝置，其利用一類比/數位單元結合一放大器處理影像感測器所擷取之影像，藉以增加具有不同反射強度之表面影像解析度，進而增加反射表面影像之動態處理能力。
本發明提供一種位移偵測裝置之影像處理方法及使用該方法之位移偵測裝置，其利用一非線性類比/數位函數處理影像感測器所擷取之影像，藉以增加具有不同反射強度之表面影像解析度，進而增加反射表面之動態處理能力。
本發明提供一種位移偵測裝置之影像處理方法，該位移偵測裝置根據一曝光參數擷取影像，該影像處理方法包含下列步驟：擷取一第一影像並求出該第一影像之一平均亮度；判斷該平均亮度是否介於一第一門檻值與一第二門檻值之間；當該平均亮度不介於該第一及第二門檻值之間時，改變該位移偵測裝置之曝光參數，並比對該第一影像與一參考影像以求得一位移量；當該平均亮度介於該第一及第二門檻值之間時，判斷該第一影像是否已扣除一衰減值；當該第一影像已扣除該衰減值時，比對該第一影像與一參考影像以求得一位移量；當該第一影像尚未扣除該衰減值時，更新該衰減值及一增益；將該第一影像扣除更新後之衰減值並以該增益放大衰減後之該第一影像；將衰減並放大後之該第一影像與一參考影像進行比對以求 得一位移量；及將該位移量傳輸至一影像顯示裝置。
於本發明之位移偵測裝置之影像處理方法中，該增益可為線性增益或非線性增益；數位化之方式可為線性或非線性。
根據本發明之另一特點，本發明另提供一種位移偵測裝置，包含一影像感測器、一數位/類比單元、一加法單元、一放大器、一類比/數位單元及一數位處理器。該影像感測器用以擷取一表面之影像以形成一類比影像，其中該類比影像具有一平均亮度。該數位/類比單元用以產生一衰減值。該加法單元耦接該影像感測器及該數位/類比單元，用以將該類比影像扣除該衰減值。該放大器放大衰減後之該類比影像。該類比/數位單元數位化衰減並放大後之該類比影像。該數位處理器比對數位化後之該類比影像與一參考影像以形成一位移量，並控制該數位/類比單元產生該衰減值。
根據本發明之另一特點，本發明另提供一種位移偵測裝置，包含一影像感測器、一數位/類比單元、一加法單元、一非線性類比/數位單元及一數位處理器。該影像感測器用以擷取一表面之影像以形成一類比影像，其中該類比影像具有一平均亮度。該數位/類比單元用以產生一衰減值。該加法單元耦接該影像感測器及該數位/類比單元，用以將該類比影像扣除該衰減值。該非線性類比/數位單元數位化衰減後之該類比影像。該數位處理器比對數位化後之該類比影像與一參考影像以形成一位移量，並控制該數位/類比單元產生該衰減值。
本發明之位移偵測裝置中，根據不同之應用，類比/數位單元(digital to analog converter)可為線性或非線性類比/數位單 元，放大器可具有線性及非線性之增益，以有效增加表面影像解析度。
為了讓本發明之上述和其他目的、特徵及優點能更明顯，下文特舉本發明實施例，並配合所附圖示，作詳細說明如下。
請參照第1圖所示，其顯示本發明實施例之位移偵測裝置1，其包含一光源10、一影像感測器11及一影像處理單元12。該光源10之實施例包括一發光二極體或一雷射二極體，其係用以照明一表面S，例如一桌面或一滑鼠墊表面。該影像感測器11之實施例包含一電荷耦合元件(CCD)影像感測器或一互補金屬氧化半導體(CMOS)影像感測器，其係用以感測該表面S之反射光以產生二維類比影像，該二維類比影像為該影像感測器11之各像素之亮度值所組成之影像。該影像處理單元12耦接該光源10及該影像感測器11，用以處理該影像感測器11所擷取之影像並控制該光源10之發光機制，例如發光頻率及亮度等。於本發明中，透過利用該影像處理單元12進一步處理該影像感測器11所擷取之影像，以有效增加該表面S之影像解析度。
該影像處理單元12包含一數位/類比單元(DAC)121、一放大器122、一類比/數位單元(ADC)123、一數位處理器(Digital Signal Processor,DSP)124及一傳輸介面單元125。該數位/類比單元121接收該數位處理器124之數位信號以產生一直流之衰減值(本說明書中稱作DAC)，該衰減值係用以衰減該影像感測器11所擷取之二維類比影像之亮度值，以避免於後續放大 及數位化步驟中，像素亮度超出一預設範圍(例如0~255灰階值)。該放大器122則用以放大已扣除該衰減值(衰減後)之二維類比影像，該放大器122可為一線性或非線性放大器，且該放大器122可根據該類比/數位單元123之種類而被省略。該類比/數位單元123可為一線性或非線性類比/數位單元，其用以將該影像感測器11所擷取之二維類比影像(已扣除或未扣除該衰減值並放大)轉換為一數位數值，例如0~255範圍內之灰階值；該數位處理器124接收來自該類比/數位單元123之每一像素之灰階值以形成二維數位影像並求得一位移量，例如根據不同時間之數位影像間之相關性(correlation)求得該位移量。此外，該數位處理器124並控制該數位/類比單元121產生一衰減值，其係根據該數位處理器124所處理之影像而決定。該傳輸介面單元125將該數位處理器124所求得之位移量無線或有線地傳輸至一影像顯示裝置(未繪示)以進行相對之控制。
請參照第2、2a至2c圖所示，其顯示本發明實施例之影像處理方法之方塊示意圖。第2a至2c圖係顯示一種實施例中，於不同處理階段中影像亮度之一維分布示意圖。首先，該影像感測器11擷取該表面S之一二維類比影像，其中第2a圖表示該二維類比影像中一列像素之亮度值(Dx +Ax )隨該影像感測器11之感測陣列(未繪示)橫向距離之變化、Dx 表示平均亮度且Ax 表示亮度特徵變化值。該亮度值(Dx +Ax )經過一加法單元ADD(亦可利用一減法器實現)與一衰減值相減後成為(Dx -DAC)+Ax 並顯示於第2b圖，其中DAC之大小係由該數位處理器124所決定。該放大器122具有一增益g，接著以該增 益g放大衰減後之二維類比影像之一列像素之亮度值(Dx -DAC)+Ax 後成為g×(Dx -DAC)+g×Ax 並顯示於第2c圖，其中g×Ax 為亮度變化之小波訊號。最後，該類比/數位單元123將衰減並放大後之二維類比影像之一列像素之亮度分布以線性或非線性之方式轉換為數位數值(數位化)並將其傳送至該數位處理器124。必須了解的是，該亮度值(Dx +Ax )扣除DAC之目的在於避免於後續放大及數位化步驟中有亮度值過大的情形；比較第2b圖與第2c圖可知，二維類比影像之一列像素之亮度值經過放大後，亮度特徵變化值Ax 的峰對峰值(peak-and-peak value)明顯增加，其有助於增加數位化後影像之解析度。此外，該放大器122之增益可為線性或非線性。可以了解的是，雖然此處係以二維類比影像之一列像素之亮度說明，實際上該二維類比影像之所有像素均利用本影像處理方法進一步處理。
請參照第4a及4b圖所示，第4a圖顯示當該放大器122或類比/數位單元123為線性時，數位化階段中數位數值與類比電壓之關係；第4b圖所示為當該放大器122或類比/數位單元123為非線性時，數位化階段中數位數值與類比電壓之關係。比較第4a圖及第4b圖可知，於非線性放大及數位化之步驟中，相同之類比電壓變化相對於較大之數位數值變化，亦即可得到較高之解析度。
請參照第3、3a至3c圖所示，其顯示本發明實施例之影像處理方法之另一方塊示意圖。第3圖與第2圖之差異在於，第3圖中僅使用一個非線性類比/數位單元123而不使用該放大器122。同樣地，該影像感測器11先擷取該表面S之一二維 類比影像，如第3a圖所示。接著該二維類比影像之一列像素之亮度值(Dx +Ax )經過一加法單元ADD與一衰減值DAC相減後成為(Dx -DAC)+Ax 並顯示於第3b圖。最後，該非線性類比/數位單元123以非線性之方式數位化該影像感測器11所擷取之二維類比影像，顯示於第3c圖，並將其傳送至該數位處理器124。該數位處理器124則根據目前所處理之影像決定該影像感測器11於擷取下一張影像時所應扣除之衰減值及增益，並通知該數位/類比單元121產生該衰減值。
請參照第5圖，其顯示本發明實施例之位移偵測裝置之影像處理方法之流程圖。該影像處理方法包含下列步驟：利用一影像感測器擷取一第一影像，其具有一平均亮度(步驟110)；判斷該平均亮度是否收斂於一第一門檻值與一第二門檻值之間(步驟120)；若否，更改曝光參數(步驟130)並比對該第一影像與一參考影像以輸出一位移量(步驟170)，接著重新擷取下一張影像；若該平均亮度收斂於該第一及第二門檻值間，則判斷該第一影像是否已扣除衰減值(步驟140)，若是，則執行步驟170，若否，則更新該衰減值及增益(步驟150)；扣除衰減值並以該增益放大衰減後之該第一影像(步驟160)；以及比對衰減並放大後之該第一影像與一參考影像以輸出一位移量(步驟170)，最後重新擷取一影像以重複上述步驟。
請再參照第1、2、3及5圖所示，以下說明本發明實施例之位移偵測裝置之影像處理方法之詳細實施方式。首先，利用該影像感測器11擷取該表面S之一第一影像，該第一影像具有一平均亮度(例如Dx )，其中該影像感測器11之感測陣列一列像素所感測之亮度分布可如第2a圖所示(步驟110)。接著該 影像處理單元12判斷該平均亮度是否介於兩門檻值之間(例如於256灰階範圍中，第一門檻值可為64，第二門檻值可為128，但並不限於此)(步驟120)。當該平均亮度不介於兩預設門檻值之間時，該影像處理單元12則更改曝光參數，例如改變該光源10之發光強度及/或頻率等，以使該影像感測器11所擷取下一張影像之平均亮度可介於兩預設門檻值間(步驟130)；接著該影像處理單元12比對該第一影像及一參考影像以求得一位移量(步驟170)，並將其傳送至該傳輸介面單元125進行傳輸，其中該參考影像例如可為該影像感測器11所擷取該第一影像之前一張影像。當該平均亮度介於兩預設門檻值之間時，該影像處理單元12判斷該第一影像是否已扣除衰減值(如第2及3圖所示)(步驟140)，若已扣除衰減值，則該影像處理單元12直接將該第一影像轉換為一數位影像並比對數位化後之第一影像及一參考影像以求得一位移量(步驟170)，且該位移量將透過該傳輸介面單元125進行傳輸；若該第一影像尚未扣除衰減值，該影像處理單元12則根據該第一影像判斷目前之衰減值及增益，並更新根據上一張影像所求得之衰減值及增益(步驟150)，其中該增益可為線性增益或非線性增益。接著扣除衰減值並以該增益放大衰減後之該第一影像(如第2及3圖所示)(步驟160)，並利用類比/數位單元進行影像數位化，其中該數位化之方式可為線性或非線性；當該類比/數位單元為非線性類比/數位單元，可省略步驟150中之更新增益步驟及步驟160。最後，該影像處理單元12比對數位化後之該第一影像及一參考影像以求得一位移量(步驟170)，並透過該傳輸介面單元125進行傳輸，其中該位移量例如可透過比對 該第一影像及該參考影像之相關性(correlation)求得。最後，該影像感測器11則重新擷取一新的影像並重複步驟110~170。
綜上所述，由於習用之位移偵測裝置之曝光控制方法僅於影像平均亮度不介於一預設範圍時進行曝光控制參數調整，並無法有效提升反射表面影像之動態處理能力。本發明利用線性或非線性之方式進一步處理影像感測器所擷取之影像(如第2及3圖所示)以增加影像亮度特徵變化之峰對峰值，具有增加不同反射強度之表面影像解析度及增加反射表面影像之動態處理能力之功效。
雖然本發明已以前述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與修改。因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
1‧‧‧位移偵測裝置
10‧‧‧光源
11‧‧‧影像感測器
12‧‧‧影像處理單元
121‧‧‧數位/類比單元
122‧‧‧放大器
123‧‧‧類比/數位單元
124‧‧‧數位處理器
125‧‧‧傳輸介面單元
ADD‧‧‧加法單元
Dx ‧‧‧平均亮度
Ax ‧‧‧亮度特徵變化值
DAC‧‧‧衰減值
g‧‧‧增益
110~170‧‧‧步驟
第1圖：本發明實施例之位移偵測裝置之方塊示意圖。
第2圖：本發明實施例之影像處理方法之方塊示意圖。
第2a圖：第2圖中影像感測器所擷取之影像亮度一維分布示意圖。
第2b圖：第2圖中衰減後之影像亮度一維分布示意圖。
第2c圖：第2圖中衰減並放大後之影像亮度一維分布示意圖。
第3圖：本發明實施例之影像處理方法之另一方塊示意圖。
第3a圖：第3圖中影像感測器所擷取之影像亮度一維分布示意圖。
第3b圖：第3圖中衰減後之影像亮度一維分布示意圖。
第3c圖：第3圖中經過非線性類比/數位單元後之影像亮度一維分布示意圖。
第4a圖：顯示數位數值與類比電壓之線性關係圖。
第4b圖：顯示數位數值與類比電壓之非線性關係圖。
第5圖：本發明實施例之位移偵測裝置之影像處理方法之流程圖。
110~170‧‧‧步驟

Claims (16)

  1. 一種位移偵測裝置之影像處理方法，該位移偵測裝置根據一曝光參數擷取影像，該影像處理方法包含下列步驟：擷取一第一影像並求出該第一影像之一平均亮度；判斷該平均亮度是否介於一第一門檻值與一第二門檻值之間；當該平均亮度介於該第一及第二門檻值之間時，判斷該第一影像是否已扣除一衰減值；當該第一影像尚未扣除該衰減值時，更新該衰減值及一增益；將該第一影像扣除更新後之衰減值並以該增益放大衰減後之該第一影像；及將衰減並放大後之該第一影像與一參考影像進行比對以求得一位移量。
  2. 依申請專利範圍第1項之影像處理方法，另包含下列步驟：當該平均亮度不介於該第一及第二門檻值之間時，改變該位移偵測裝置之該曝光參數；及比對該第一影像與一參考影像以求得一位移量。
  3. 依申請專利範圍第1項之影像處理方法，另包含下列步驟：當該第一影像已扣除該衰減值時，比對該第一影像與一參考影像以求得一位移量。
  4. 依申請專利範圍第1項之影像處理方法，其中該參考影像 為該位移偵測裝置所擷取之該第一影像之前一張影像。
  5. 依申請專利範圍第1項之影像處理方法，其中於一256灰階範圍，該第一門檻值為64且該第二門檻值為128。
  6. 依申請專利範圍第1項之影像處理方法，另包含下列步驟：將該位移量傳輸至一影像顯示裝置。
  7. 依申請專利範圍第1項之影像處理方法，其中以該增益放大衰減後之該第一影像之步驟中，該增益為線性增益或非線性增益。
  8. 依申請專利範圍第1項之影像處理方法，其中於比對衰減並放大後之該第一影像與該參考影像之前，另包含下列步驟：數位化衰減並放大後之該第一影像。
  9. 依申請專利範圍第8項之影像處理方法，其中該數位化之方式可為線性或非線性。
  10. 一種位移偵測裝置，包含：一影像感測器，用以擷取一表面之影像以形成一類比影像，其中該類比影像具有一平均亮度；以及一影像處理單元，包含：一數位/類比單元，用以產生一衰減值；一加法單元，耦接該影像感測器及該數位/類比單元，用以將該類比影像扣除該衰減值；一放大器，放大衰減後之該類比影像；一類比/數位單元，數位化衰減並放大後之該類比影像；及 一數位處理器，比對數位化後之該類比影像與一參考影像以形成一位移量，並控制該數位/類比單元產生該衰減值；其中，該影像處理單元判斷該平均亮度是否介於一第一門檻值與一第二門檻值之間，當該平均亮度介於該第一及第二門檻值之間時判斷該類比影像是否已扣除該衰減值，當該類比影像尚未扣除該衰減值時更新該衰減值及該放大器之一增益，以使該類比影像被更新後之衰減值衰減並被該增益放大後才輸入至該類比/數位單元。
  11. 依申請專利範圍第10項之位移偵測裝置，另包含一傳輸介面單元將該位移量傳輸至一影像顯示裝置。
  12. 依申請專利範圍第10項之位移偵測裝置，其中該放大器為一線性放大器或一非線性放大器。
  13. 依申請專利範圍第10項之位移偵測裝置，其中該類比/數位單元為一線性或非線性類比/數位單元。
  14. 依申請專利範圍第10項之位移偵測裝置，另包含一光源用以照明該表面。
  15. 一種位移偵測裝置，包含：一影像感測器，用以擷取一表面之影像以形成一類比影像，其中該類比影像具有一平均亮度；以及一影像處理單元，包含：一數位/類比單元，用以產生一衰減值；一加法單元，耦接該影像感測器及該數位/類比單 元，用以將該類比影像扣除該衰減值；一非線性類比/數位單元，數位化衰減後之該類比影像；及一數位處理器，比對數位化後之該類比影像與一參考影像以形成一位移量，並控制該數位/類比單元產生該衰減值；其中，該影像處理單元判斷該平均亮度是否介於一第一門檻值與一第二門檻值之間，當該平均亮度介於該第一及第二門檻值之間時判斷該類比影像是否已扣除該衰減值，當該類比影像尚未扣除該衰減值時更新該衰減值，以使該類比影像被更新後之衰減值衰減後才輸入至該非線性類比/數位單元。
  16. 依申請專利範圍第15項之位移偵測裝置，另包含一傳輸介面單元將該位移量傳輸至一影像顯示裝置。
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