TWI438658B - 人機介面系統及手指滑鼠系統 - Google Patents

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TWI438658B TW100142660A TW100142660A TWI438658B TW I438658 B TWI438658 B TW I438658B TW 100142660 A TW100142660 A TW 100142660A TW 100142660 A TW100142660 A TW 100142660A TW I438658 B TWI438658 B TW I438658B
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Description

人機介面系統及手指滑鼠系統
本發明係關於一種人機介面系統，特別係關於一種可同時偵測使用者生理特徵以及手指位移量及接觸狀態之人機介面系統及手指滑鼠系統。
光學手指滑鼠(optical finger mouse,OFM)由於體積小，通常適合用於可攜式電子裝置。一般光學手指滑鼠可偵測一使用者手指表面反射光線之光強度變化，並藉以判斷手指之一接觸狀態以及手指相對於一觸控面之一位移量。然而，隨著工業化的發展，使用者使用可攜式電子裝置的時間逐漸增加，甚至超出體力負荷而不自覺。因此，如果一可攜式電子裝置同時具有偵測使用者生理特徵之功能並能於必要時提出警示，則可避免過度使用的情形發生。
習知血氧飽和儀(pulse oximeter)係利用非侵入式的方式來偵測使用者之血氧濃度及脈搏數，其可產生一紅光光束(波長約660奈米)及一紅外光光束(波長約910奈米)穿透待測部位，並利用帶氧血紅素(oxyhemoglobin)及去氧血紅素(Deoxyheamo-globin)對特定光譜具有不同吸收率之特性以偵測穿透光的光強度變化，例如參照美國專利第7,072,701號，標題為血氧濃度的監測方式(Method for spectrophotometric blood oxygenation monitoring)。偵測出兩種波長之穿透光的光強度變化後，再以下列公式計算血氧濃度
血氧濃度=100%×[HbO2 ]/([HbO2 ]+[Hb])；
其中，[HbO2 ]表示帶氧血紅素濃度；[Hb]表示去氧血紅素濃度。
一般血氧飽和儀所偵測到的兩種波長之穿透光的光強度會隨著心跳而呈現如第1圖所示的變化，這是由於血管會隨著心跳而不斷地擴張及收縮而使得光束所通過的血液量改變，進而改變光能量被吸收的比例。藉此，根據不斷變化的光強度資訊則可計算血液對不同光譜的吸收率，以分別計算帶氧血紅素濃度及去氧血紅素濃度等濃度資訊，最後再利用上述血氧濃度公式計算血氧濃度。
然而，由於血氧飽和儀係偵測穿透光線之光強度變化，因而會隨著不同的待測部位而偵測到不同的光強度信號；此外，當習知血氧飽和儀所偵測之待測部位發生移動時，則會偵測到劇烈變動的混亂波形而無法據以正確計算出生理特徵，因而其並不適用於可攜式電子裝置或需要移動操作的裝置。
有鑑於此，本發明提出一種可同時偵測使用者生理特徵以及手指位移量及接觸狀態之人機介面系統及手指滑鼠系統，其可於偵測手指位移量的同時偵測使用者的生理特徵，並可有效消除移動所造成的訊號雜訊。
本發明之一目的在提供一種人機介面系統及手指滑鼠系統，其透過分析手指的反射光訊號以同時計算手指位移量及接觸狀態以及使用者生理特徵。
本發明之另一目的在提供一種人機介面系統及手指滑鼠系統，其可同時偵測手指位移量及接觸狀態以及使用者生理特徵，並具有消除環境光源影響的機制。
本發明之另一目的在提供一種人機介面系統及手指滑鼠系統，其可同時偵測手指位移量及接觸狀態以及使用者生理特徵，並具有降噪及省頻寬機制。
本發明之另一目的在提供一種人機介面系統及手指滑鼠系統，其可同時偵測手指位移量及接觸狀態以及使用者生理特徵，並具有系統頻率校正機制。
本發明之另一目的在提供一種人機介面系統及手指滑鼠系統，其可同時偵測手指位移量及接觸狀態以及使用者生理特徵，並在閒置一預設時間後即進入休眠模式。
本發明之另一目的在提供一種人機介面系統及手指滑鼠系統，其可同時偵測手指位移量及接觸狀態以及使用者生理特徵，當位移量太大時可捨棄或不回應生理特徵。
本發明之另一目的在提供一種人機介面系統及手指滑鼠系統，其可同時偵測手指位移量及接觸狀態以及使用者生理特徵，並具有查核主從裝置間資料傳輸的機制。
為達上述目的，本發明提供一種人機介面系統，包含一從裝置及一主裝置。該從裝置提供兩不同波長的光以照明該手指、接收來自該手指之反射光以產生相對該兩不同波長的光點亮之複數第一影像圖框及複數第二影像圖框、計算並輸出關於預設張該第一影像圖框之第一影像圖框資訊及關於預設張該第二影像圖框之第二影像圖框資訊。該主裝置根據該第一影像圖框資訊及該第二影像圖框資訊計算該位移量及該生理特徵。
根據本發明之另一特點，本發明另提供一種手指滑鼠系統，包含一光學偵測裝置及一主機。該光學偵測裝置包含一第一光源、一第二光源、一光源控制單元、一影像感測器及一處理單元。該第一光源發出一第一波長的光至該手指。該第二光源發出一第二波長的光至該手指。該光源控制單元控制該第一光源及該第二光源之點亮及熄滅。該影像感測器以一取樣頻率接收來自該手指之反射光以產生相對該第一光源點亮之複數第一影像圖框及相對該第二光源點亮之複數第二影像圖框。該處理單元計算並輸出關於預設張該第一影像圖框之第一影像圖框資訊及關於預設張該第二影像圖框之第二影像圖框資訊。該主機接收並檢查該第一影像圖框資訊及該第二影像圖框資訊，並據以計算該位移量及該生理特徵。
根據本發明之另一特點，本發明另提供一種人機介面系統，包含一手指滑鼠裝置及一主機。該手指滑鼠裝置提供兩不同波長的光以照明一手指、接收來自該手指之反射光以產生相對該兩不同波長的光點亮之複數第一影像圖框及複數第二影像圖框、計算並輸出關於預設張該第一影像圖框之第一影像圖框資訊及關於預設張該第二影像圖框之第二影像圖框資訊。該主機包含一處理單元及一表示單元。該處理單元根據該第一影像圖框資訊及該第二影像圖框資訊計算一位移量及一生理特徵。該表示單元，用以回應該位移量及該生理特徵。
本發明之人機介面系統及手指滑鼠系統中，該生理特徵包含一血氧濃度及一脈搏數。本發明透過使用獨立元件分析法或盲訊號源分離法來分離移動資訊及生理資訊，可有效消除移動造成的訊號雜訊。
本發明之人機介面系統中，該從裝置可為一滑鼠、一遙控器、一鍵盤、一光學測距裝置或其他電子週邊裝置；該主裝置例如為一電視、一投影裝置、一遊戲機系統或一計算機系統。
為了讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯，下文將配合所附圖示，作詳細說明如下。於本發明之說明中，相同之構件係以相同之符號表示，於此合先敘明。
請參照第2A圖所示，其顯示本發明實施例之人機介面系統之示意圖，包含一從裝置(slave device)1及一主裝置(master device)2。該從裝置1較佳為一電子週邊裝置；該主裝置2較佳為包含一表示單元之電子裝置，用以回應該從裝置1之輸出(例如進行游標控制、軟體執行及/或生理狀態顯示等)；其中該表示單元例如為一顯示器、一燈號、一七字節顯示及/或一聲音裝置；該電子裝置例如為一可攜式電子裝置或一般家用電子裝置。一實施例中，人機介面系統可為一手指滑鼠系統，該從裝置1為一光學偵測裝置而該主裝置2為一主機，彼此透過有線或無線方式進行資料傳輸。另一實施例中，人機介面系統可包含一手指滑鼠裝置及一主機，該主機另包含一表示單元用以回應該手指滑鼠裝置輸出之資訊。
本發明之人機介面系統用以偵測一使用者之一手指9之一位移量及一接觸狀態，以及該使用者之一生理特徵，例如包括血氧濃度及脈搏數等。一般而言，該人機介面系統在判斷該接觸狀態為一接觸態時，方始進行該位移量及該生理特徵之計算。
該從裝置1包含兩光源111及112、一導光件12、一觸控件13、一影像感測器14、一第一處理單元15及一光源控制單元16；第2A圖中，各構件之空間關係僅為例示性，並非用以限定本發明。該兩光源111及112例如可為發光二極體或雷射二極體，其分別發出不同波長的光，且較佳為習知血氧儀所使用的兩個波長，例如660奈米之紅光以及905、910或940奈米之紅外光。可以了解的是，此處所述波長係指光譜之中心波長。
該導光件12用以將該等光源111及112所發出的光引導至該觸控件13；該導光件12並非限定為反射面，其亦可使該等光源111及112所發出的光以穿透的方式傳送至該觸控件13，並無特定限制。其他實施例中，如果該等光源111及112所發出的光能夠入射至該觸控件13，亦可省略該導光件12。
該觸控件13具有一觸控面13S供該手指9於其上操控，該觸控件13較佳相對於該等光源111及112所發出的光為透明。當該手指9靠近或接觸該觸控面13S時，該等光源111及112所發出的光被反射。可以了解的是，該觸控面13S之面積可大於或小於該手指表面9S，並無特定限制。
該影像感測器14以一取樣參數接收來自該觸控件13(該手指表面9S)之反射光以產生複數影像圖框(每一張影像圖框例如具有16×16畫素)；其中該取樣參數例如包含曝光時間、影像增益等，但並不以此為限。可以了解的是，第2A圖中可另外包含其他用以引導反射光至該影像感測器14之透鏡，以增加該影像感測器14之感光效率。該影像感測器14較佳為主動陣列式影像感測器，例如CMOS影像感測器，但亦可為其他用以感測影像圖框之元件。
該第一處理單元15計算並輸出關於預設張該等影像圖框之影像圖框資訊，例如M張影像圖框之影像圖框和、影像圖框平均、歸一化影像圖框和或歸一化影像圖框平均；亦即，當該影像感測器14每輸出M張影像圖框，該處理單元15計算並輸出該M張影像圖框之影像圖框和或影像圖框平均，或進一步對該影像圖框和或影像圖框平均進行歸一化處理(容詳述於後)；換句話說，一張影像圖框資訊為一張處理過(相加、平均、歸一化處理)的影像圖框。該主裝置2則根據該影像圖框資訊計算該手指9相對該觸控面13S之一位移量及一接觸狀態，以及該使用者之一生理特徵。
該光源控制單元16耦接該第一處理單元15，以配合該影像感測器14之影像圖框擷取控制該等光源111及112之點亮及熄滅(容詳述於後)。
請參照第2A及2B圖所示，第2B圖顯示本發明實施例之人機介面系統之方塊圖，其包含該從裝置1及該主裝置2。該從裝置1包含一第一光源111、一第二光源112、該影像感測器14、該第一處理單元15、該光源控制單元16、一第一記憶單元17、一傳輸介面18及一時脈產生器19。該主裝置2包含一第二記憶單元21、一查核單元22、一第二處理單元23及一表示單元24；其中，該第二處理單元23係進行多功能運算，其可另包含一移動/接觸偵測單元231用以計算該手指9相對該觸控面13S之該位移量及該接觸狀態以及一生理特徵偵測單元232用以計算該使用者之該生理特徵；亦即，該第二處理單元23可為單一元件或分為兩個元件。
該第一光源111例如發出波長約為660奈米之紅光；該第二光源112例如發出波長約為905、910或940奈米之紅外光；廣義的說，該第一光源111及該第二光源112分別發出習知血氧儀所使用的兩個波長的光。該光源控制單元16控制該第一光源111及該第二光源112之點亮或熄滅，使該影像感測器14以一取樣頻率接收來自該手指9之反射光以產生相對該第一光源111點亮之複數第一影像圖框及相對該第二光源112點亮之複數第二影像圖框。該第一處理單元15計算預設張該等第一影像圖框之第一影像圖框資訊，例如M張該等第一影像圖框之第一影像圖框和、第一影像圖框平均、歸一化第一影像圖框和或歸一化第一影像圖框平均，並計算預設張該等第二影像圖框之第二影像圖框資訊，例如M張該等第二影像圖框之第二影像圖框和、第二影像圖框平均、歸一化第二影像圖框和或歸一化第二影像圖框平均。該第一記憶單元17例如為一緩衝器(buffer)用以儲存該第一處理單元15所求得之該第一影像圖框資訊及該第二影像圖框資訊。該傳輸介面18用以將該第一記憶單元17中儲存之該第一影像圖框資訊及該第二影像圖框資訊透過有線或無線傳輸的方式傳送至該主裝置2；其中，有線及無線傳輸技術已為習知，故於此不再贅述。必須說明的是，若該從裝置1與該主裝置2間之資料傳輸調校的夠精準，該第一記憶單元17可不實施。該時脈產生器19則用以提供該從裝置1之系統頻率。
該第二記憶單元21用以儲存自該從裝置1接收之該第一影像圖框資訊及該第二影像圖框資訊。該查核單元22則用以檢查該第一影像圖框資訊及該第二影像圖框資訊是否有過取樣(oversampling)或資料遺失(loss)的情形。若該第一影像圖框資訊及該第二影像圖框資訊存在過取樣的情形，則直接將過取樣的資訊捨棄；若該第一影像圖框資訊及該第二影像圖框資訊存在資料移失的情形，則例如可利用內插(interleaving)的方式回復遺失的資料；若資訊沒有上述問題，則直接將該第一影像圖框資訊及該第二影像圖框資訊傳送至該第二處理單元23。可以了解的是，由於該查核單元23係執行複數功能，其可以單一元件執行所有功能或包含複數元件以分別執行所述查核、捨棄及內插等功能。該第二處理單元23(或該移動/接觸偵測單元231)用以根據該第一影像圖框資訊及該第二影像圖框資訊計算該手指9相對該觸控面13S之該位移量及該接觸狀態；該第二處理單元23(或該生理特徵偵測單元232)用以根據該第一影像圖框資訊及該第二影像圖框資訊計算該使用者之該生理特徵。該表示單元24用以顯示及/或回應該第二處理單元23所求出之該位移量、接觸狀態及生理特徵。
一種實施例中，該主裝置2該例如為一電視、一投影裝置、一計算機系統、一遊戲系統或其他具有一表示單元之電子裝置；該從裝置1可為一遙控器、一滑鼠、一鍵盤、一光學測距裝置或其他電子週邊裝置。換句話說，該從裝置1及該主裝置2係相互有線或無線的耦接，以形成一個單一元件(例如可攜式裝置)或複數元件(例如家電系統)；該從裝置1送出相對該第一光源111點亮之第一影像圖框資訊及相對該第二光源112點亮之第二影像圖框資訊，該主裝置2則根據該第一影像圖框資訊及該第二影像圖框資訊計算及/或回應該位移量、接觸狀態及生理特徵。
因此，本發明之從裝置1可搭配具有表示單元24之一主裝置2，讓一使用者在透過該從裝置1控制該表示單元24所顯示之一游標或該主裝置2所執行之一軟體的同時，表示該使用者之生理特徵以供該使用者參考，並於生理特徵顯示為疲勞狀態時(根據生理特徵的數值)對該使用者提出警示；其中，顯示生理特徵及警示的方式例如可利用軟體執行畫面顯示、燈號顯示或聲音顯示的方式來達成。
其他實施例中，該從裝置1亦可使用兩個影像感測器用以分別偵測兩個不同波長的光，其中一個影像感測器或兩個影像感測器可設置一帶通濾光器(bandpass filter)來選擇所欲接收的光譜。
取樣機制
本發明之人機介面系統包含兩個光源並同時執行兩種功能；其中，位移量及接觸狀態之偵測功能並無限定使用特定波長之影像圖框，而生理特徵功能之偵測則必須對應不同波長之影像圖框分別計算。以下首先說明本發明中影像圖框之取樣機制。
一種實施例中，該光源控制單元16控制該第一光源111及該第二光源112輪流發光，該影像感測器14則以高速且固定的一取樣頻率(例如每秒3000張)同步該第一光源111或該第二光源112之點亮擷取影像圖框，並輸出如第3圖所示複數影像圖框I1 ~I6 …至該第一處理單元15，其中該等影像圖框I1 ~I6 …包含第一影像圖框I1 、I3 、I5 …，其例如相對該第一光源111之點亮；第二影像圖框I2 、I4 、I6 …，其例如相對該第二光源112之點亮。該第一處理單元15則分別求出M張第一影像圖框I1 、I3 、I5 …之第一影像圖框資訊，例如第一影像圖框和(I1 +I3 +I5 …)、第一影像圖框平均(I1 +I3 +I5 …)/M、歸一化第一影像圖框和(I1 +I3 +I5 …)/(取樣參數)或歸一化第一影像圖框平均(I1 +I3 +I5 …)/(M×取樣參數)，以及M張第二影像圖框I2 、I4 、I6 …之第二影像圖框資訊，例如第二影像圖框和(I2 +I4 +I6 …)、第二影像圖框平均(I2 +I4 +I6 …)/M、歸一化第二影像圖框和(I2 +I4 +I6 …)/(取樣參數)或歸一化第二影像圖框平均(I2 +I4 +I6 …)/(M×取樣參數)。一種實施例中，該第一處理單元15將每10張該等第一及第二影像圖框進行一次處理，即M=10；但不以此為限。
該第二處理單元23(或該移動/接觸偵測單元231)可根據該第二記憶單元21中儲存的該第一及第二影像圖框資訊判斷一接觸狀態並計算一位移量，例如根據該等第一影像圖框資訊及該等第二影像圖框資訊之亮度與至少一門檻值的比較結果判定該手指9是否靠近或接觸該觸控面13S，其中當該等影像圖框資訊之亮度大於或小於該至少一門檻值時，即判定進入接觸態；進入接觸態後，該第二處理單元23可根據兩張第一影像圖框資訊、一張第一影像圖框資訊與一張第二影像圖框資訊或兩張第二影像圖框資訊間之相關性(correlation)計算該位移量。必須說明的是，判定該接觸狀態及計算該位移量之方式雖可使用習知方式，本發明中係必須利用相對應兩不同波長的反射光之影像圖框資訊進行判定及計算，而不同於傳統導航裝置(navigation device)。
該第二處理單元23(或該生理特徵偵測單元232)則必須根據該等第一影像圖框資訊計算出複數第一影像圖框資訊之亮度變化，並根據該等第二影像圖框資訊計算出複數第二影像圖框資訊之亮度變化(容詳述於後)，並據以分別計算出兩種光譜被吸收的比例以求出帶氧血紅素濃度[HbO2 ]及去氧血紅素濃度[Hb]，最後利用血氧濃度公式計算出血氧濃度；並透過該等第一影像圖框資訊及/或該等第二影像圖框資訊之亮度變化與至少一閾值的比較結果計算脈搏數。
另一種實施例中，該光源控制單元16控制該第一光源111及該第二光源112同步於該影像感測器14之影像圖框擷取同時發光；亦即，該影像感測器14會同時接收到兩種波長的反射光。因此，此實施例中，該影像感測器14之一感測面14S的一部分前方可另設置一濾光器141(如第4圖所示)，其中該濾光器141可為一帶通濾光器以使該濾光器141後方的部分感測面僅能感測該第一光源111之光譜或該第二光源112之光譜，以使該第二處理單元23(或該移動/接觸偵測單元231及該生理特徵偵測單元232)能夠分辨第一影像圖框資訊(相對該第一光源111之部分影像圖框)及第二影像圖框資訊(相對該第二光源112之部分影像圖框)。可以了解的是，本發明中，該濾光器141的位置及面積並不限於第4圖所示。
藉此，該第二處理單元23(或該移動/接觸偵測單元231)同樣可根據該等第一影像圖框資訊及該等第二影像圖框資訊計算一接觸狀態及一位移量。該第二處理單元23(或該生理特徵偵測單元232)同樣可根據該等第一影像圖框資訊計算出第一影像圖框資訊之亮度變化及根據該等第二影像圖框資訊計算出第二影像圖框資訊之亮度變化，並根據兩亮度變化之關係計算血氧濃度及脈搏數。
可以了解的是，由於該影像感測器14可能對不同波長的光具有不同的感光效率，或者該第一光源111及該第二光源112之發光亮度不完全相同，因此可於該光學手指滑鼠1出廠前即針對該影像感測器14所偵測影像圖框之亮度進行調整(例如調整相對不同波長影像圖框之曝光時間、影像增益等取樣參數)，以使影像感測器14所擷取的初始影像圖框具有大致相同的亮度，以消除誤判斷的可能性。
本實施方式之精神在於，以該從裝置1提供兩不同波長的光以照明一手指表面9S、接收來自該手指表面9S之反射光以產生複數影像圖框、計算並輸出關於預設張該等影像圖框之影像圖框資訊；該主裝置2則根據該影像圖框資訊計算接觸狀態、位移量及生理特徵。
消除環境光機制
第2A圖中，由於該接觸件13為透明，同時手指會透光，該從裝置1外部的環境光會透過該接觸件13與手指而被該影像感測器14接收而影響到其所擷取之影像圖框的影像品質。本發明中，該光源控制單元16可控制該第一光源111及第二光源112於部分期間不發光。
例如請參照第5圖所示，其顯示該影像感測器14之影像擷取及該第一光源111及該第二光源112之點滅情形；其中，實線箭號表示光源點亮而虛線箭號表示光源熄滅。第5A圖顯示該影像感測器14以一固定頻率持續擷取影像圖框。第5B圖顯示該第一光源111及該第二光源112係同時輪流地點亮及熄滅，因此該影像感測器14則可輪流擷取到亮影像圖框(光源點亮時)及暗影像圖框(光源熄滅時)。第5C圖顯示該第一光源111及該第二光源112每隔兩張影像圖框同時點亮一次，其通常相對於該手指9具有較低位移量之情形。如前所述，當該第一光源111及該第二光源112同時點亮時(第5B及5C圖)，該影像感測器較佳14包含一濾光器141以空間區隔不同光源之影像圖框，以使該影像感測器14之一部份可感測該第一光源111之反射光而另一部分可感測該第二光源112之反射光。
當該手指9接觸或靠近該觸控面13S時，相對於光源點亮時所擷取之亮影像圖框包含(手指反射光+雜散光+環境光)，相對於光源未點亮時所擷取之暗影像圖框僅包含(環境光)，因此若將亮影像圖框減去暗影像圖框，則可有效消除環境光之影響。該第一處理單元15則可根據亮影像圖框與暗影像圖框之差分影像圖框計算差分影像圖框資訊，例如M張差分影像圖框之差分影像圖框和、差分影像圖框平均、歸一化差分影像圖框和或歸一化差分影像圖框平均；該第二處理單元23則可根據該等差分影像圖框資訊計算位移量、接觸狀態及生理特徵。
請參照第5D圖所示，其顯示該第一光源111及該第二光源112係輪流點亮之實施方式。此實施例中，由於要使該影像感測器14擷取到暗影像圖框，因此該光源控制單元16控制該第一光源111與該第二光源112相隔一張影像圖框輪流地點亮，例如於第5D圖之時間td 時兩光源均不點亮。藉此，該第一處理單元15則可計算差分第一影像圖框(亮第一影像圖框-暗影像圖框)及差分第二影像圖框(亮第二影像圖框-暗影像圖框)，並計算差分第一影像圖框資訊及差分第二影像圖框資訊；該第二處理單元23根據該等差分影像資訊計算位移量、接觸狀態及生理特徵。如前所述，當該第一光源111及該第二光源112輪流點亮時，該影像感測器14以時間區隔相對於不同光源之影像圖框。
本實施方式之精神在於，使該光源控制單元16控制該第一光源111及該第二光源112同時或輪流發光，並使該影像感測器14能夠擷取到該等光源不發光時的暗影像圖框，並透過計算亮暗影像間的差以消除環境光影響。因此，第5圖中所示各光源之點滅情形僅為例示性，並非用以限定本發明。
降噪及省頻寬機制
由於該影像感測器14所擷取之影像圖框中會存在雜訊，且雜訊通常以隨機的方式分佈於所擷取的影像圖框中，因此本發明利用該第一處理單元15計算M張影像圖框之和來提高訊雜比(SNR)，以增加計算生理特徵的精確度；例如，將每10張影像圖框進行相加，且兩組連續的10張影像圖框可部分重複或完全不重複。因此，每10張影像可得到一張影像圖框和，除了可提升訊雜比外，由於該影像感測器14較佳具有高取樣頻率，還可有效節省從裝置1與主裝置2間的資料傳輸頻寬；其他實施例中還可對影像圖框和進行平均。可以了解的是，當該第一光源111及該第二光源112係輪流點亮時，本實施例之影像圖框和分別為該等第一影像(例如第3圖之I1 +I3 +I5 …)之和及該等第二影像(例如第3圖之I2 +I4 +I6 …)之和，這是由於必需分別計算兩組光強度變化。然而，當該第一光源111及該第二光源112係同時點亮，本實施例之影像圖框和則為連續的影像圖框(例如第3圖之I1 +I2 +I3 +I4 +I5 +I6 …)之和，並透過後處理的方式分辨兩組光強度變化。此外，當配合上述消除環境光機制時，該第一影像圖框和為差分第一影像圖框和、該第一影像圖框平均為差分第一影像圖框平均、該第二影像圖框和為差分第二影像圖框和、該第二影像圖框平均為差分第二影像圖框平均；亦即，執行完消除環境光處理後接著進行降噪處理。其他實施例中，亦可僅執行降噪處理。
如前所述，該影像感測器14有可能在不同條件下以不同的取樣參數來擷取影像，例如該影像感測器14相對於不同波長的光可能具有不同的吸收率，因此可能會以不同的曝光時間及影像增益等取樣參數來使得該等第一影像及該等第二影像具有亮度大致相同的初始影像圖框，以能夠正確根據該等影像圖框進行後處理，亦即相對該第一影像圖框及第二影像圖框之該取樣參數可能不相同。本發明中，為了排除不同取樣參數的影響，可將M張影像圖框和或影像圖框平均除以取樣參數以進行歸一化處理，例如(M張影像圖框和/取樣參數)或(M張影像圖框平均/取樣參數)；其中，M為正整數。若配合上述消除環境光機制，歸一化第一影像圖框和為歸一化差分第一影像圖框和、歸一化第一影像圖框平均為歸一化差分第一影像圖框平均、歸一化第二影像圖框和為歸一化差分第二影像圖框和、歸一化第二影像圖框平均為歸一化差分第二影像圖框平均。
資料查核機制
本發明中，由於計算生理資訊需要精確的影像圖框資料，該主裝置2之查核單元22對該從裝置1所傳送的影像圖框資料進行檢查，當出現過取樣時則捨棄過取樣影像資料；當出現資料遺失時則進行內插運算以回復資料，藉以避免誤偵測的情形。
生理特徵計算
相對於不同光源點亮時，該影像感測器14所擷取之影像圖框同時包含有生理資訊及移動資訊。因此，本發明中該第二處理單元23(或該生理特徵偵測單元232)首先需將兩種資訊分離後，才能夠正確計算生理特徵。本發明中，該第二處理單元23例如採用獨立元件分析法(Independent Component Analysis,ICA)或盲訊號源分離法(Blind Source Separation,BSS)來將兩種資訊分離。
請參照第3及6圖所示，首先以第3圖之該等第一影像I1 、I3 、I5 …為例，將關於複數第一影像圖框(M張原始影像圖框和、經過消除環境光機制的M張第一影像圖框或歸一化第一影像圖框)的影像圖框資訊分割為至少兩部分並分別求得一平均亮度，例如影像圖框資訊SI1 分割成平均亮度為B1 及B1 ' 兩部分；影像圖框資訊SI3 分割成平均亮度為B3 及B3 ' 兩部分；…；影像圖框資訊SI2N-1 分割成平均亮度為B2N-1 及B2N-1 ' 兩部分(其他實施例中可多於兩部分)；其中，影像圖框資訊SI1 例如為(I1 +I3 +…I19 )、(I1 +I3 +…I19 )/10、(I1 +I3 +…I19 )/取樣參數、(I1 +I3 +…I19 )/(10×取樣參數)；影像圖框資訊SI3 例如為(I21 +I23 +…I39 )、(I21 +I23 +…I39 )/10、(I21 +I23 +…I39 )/取樣參數、(I21 +I23 +…I39 )/(10×取樣參數)；…。接著，利用獨立元件分析法或盲訊號源分離法分離出第一移動資訊及第一生理資訊(如第6圖所示)，其皆顯示為一亮度變化線型。本發明中係將移動資訊捨棄並利用生理資訊來計算生理特徵。可以了解的是，由於該影像感測器14之取樣頻率遠遠大於脈搏頻率，因此所分離出的生理資訊可顯示出光強度隨脈搏變化的線型(類似第1圖)；分離出的移動資訊分佈並不限定如第6圖所示者。此外，該等影像圖框分割的兩個部分並不限定為上下兩部分。此外，由於必須分別計算出兩個不同波長的光的生理資訊，上述分離程序係分別針對第一影像圖框資訊SI1 、SI3 、SI5 …(相對應第一光源點亮)及第二影像圖框資訊SI2 、SI4 、SI6 …(相對應第二光源點亮)來進行。
必須強調的是，該手指9之位移量及接觸狀態係由該第二處理單元23(或該移動/接觸偵測單元231)直接根據該等第一影像圖框資訊及該等第二影像圖框資訊求得，並不需要根據分離後的移動資訊計算。獨立元件分析法或盲訊號源分離法主要用以將混合信號分離，以消除移動所造成的訊號雜訊。
本發明中，該第二處理單元23(或該移動/接觸偵測單元231)另根據至少一閾值與該第一亮度變化及/或該第二亮度變化之一比較結果計算一脈搏數。
系統頻率校正機制
一般為降低系統成本，該時脈產生器19可使用成本較低的RC震盪電路，而RC震盪電路的精度較低且其震盪頻率會隨著製程及操作溫度而改變；其他實施例中亦可使用石英震盪電路，並無特別限制。由於計算生理特徵時需要較精準的系統頻率(例如計算脈搏數時要準確)，該從裝置1出廠前，較佳使用具有精準閃爍頻率之一外部光源貼近該觸控件13之接觸面13S，以使該影像感測器14感測該外部光源之亮度變化，以作為調整該時脈產生器19之震盪頻率的基準。例如，可事先求出該時脈產生器19在不同溫度下與精準頻率間的差異值以作為一系統頻率校正參數，並儲存於該第一記憶單元17中。當使用到系統頻率時，只要利用該系統頻率校正參數即可得到準確的震盪頻率。
休眠模式
本發明之人機介面系統在閒置一預設時間後，可進入休眠模式。例如，該第二處理單元23於一預設時間判斷該手指9未靠近或接觸該觸控面13S時，即可進入休眠模式。
生理特徵捨棄機制
本發明之人機介面系統之第二處理單元23可同時計算位移量及生理特徵，然而精確的生理特徵計算較佳是在位移量較低的情形。因此，本發明可事先判斷該位移量是否大於一預設值，若該位移量大於該預設值，則該影像感測器14所擷取之影像圖框僅用以計算位移量或判斷接觸狀態而不用以計算生理特徵，或者即使計算出生理特徵也不透過該表示單元24進行回應。
本發明提出一種根據手指表面之反射光偵測生理特徵的方法，包含下列步驟：以一從裝置提供一第一波長及一第二波長的光至一手指、擷取該第一波長的光之反射光以產生複數第一影像圖框並擷取該第二波長的光之反射光以產生複數第二影像圖框、計算並輸出該等第一影像圖框之第一影像圖框資訊及該第二影像圖框之第二影像圖框資訊(步驟S11 )；以及以一主裝置根據該第一影像圖框資訊及該第二影像圖框資訊計算該手指之一接觸狀態、一位移量及一生理特徵(步驟S12 )。本實施例之生理特徵偵測方法中，該第一影像圖框資訊及該第二影像圖框資訊之定義如前所述。此外，本實施例各步驟之詳細實施方式已詳述於前，故於此不再贅述。
本發明之生理特徵偵測方法可透過偵測一人體待測部位的皮膚表面以計算一生理特徵；因此，將上述本發明實施例中之手指9換成人體其他之待測部位亦可執行偵測功能；本發明之人機介面系統具有降噪、省頻寬、錯誤查核、消除環境光、休眠模式及系統頻率校正等機制。所述待測部位例如為習知血氧儀用以偵測血氧濃度之身體部位。
綜上所述，習知光學手指滑鼠並無法偵測使用者的生理特徵，且血氧儀計算血氧濃度的方式因具有無法判斷移動中的待測部位等因素而無法相容於光學手指滑鼠上。因此，本發明另提供一種人機介面系統(第2A及2B圖)，其可於偵測手指位移量的同時偵測使用者的生理特徵，並可有效消除移動所造成的訊號雜訊及消除環境光源影響，並具有系統頻率校正、錯誤查核、節省頻寬、休眠模式及捨棄生理資訊的機制。
雖然本發明已以前述實施例揭示，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．．．從裝置
111．．．第一光源
112．．．第二光源
12．．．導光件
13．．．觸控件
13S．．．觸控面
14．．．影像感測器
141．．．濾光器
14S．．．感測面
15．．．第一處理單元
16．．．光源控制單元
17．．．第一記憶單元
18．．．傳輸介面
19．．．時脈產生器
2．．．主裝置
21．．．第二記憶單元
22．．．查核單元
23．．．第二處理單元
231．．．移動/接觸偵測單元
232．．．生理特徵偵測單元
24．．．表示單元
S11 ~S12 ．．．步驟
9．．．手指
9S．．．手指表面
SI1 ~SI2N ．．．影像圖框資訊
I1 ~I6 ．．．影像圖框
B1 ~B2N 、B1 ' ~B2N ' ．．．平均亮度
第1圖顯示血氧飽和儀所偵測穿透光的光強度變化之示意圖。
第2A圖顯示本發明一實施例之人機介面系統之示意圖。
第2B圖顯示本發明一實施例之人機介面系統之方塊圖。
第3圖顯示本發明實施例之人機介面系統之影像感測器所擷取影像圖框之示意圖。
第4圖顯示本發明實施例之人機介面系統之影像感測器，其包含一濾光器設置於部分感測面前方。
第5圖顯示本發明實施例之人機介面系統中，影像擷取與光源點滅之示意圖。
第6圖顯示本發明實施例之人機介面系統之第二處理單元分離移動資訊及生理資訊之示意圖。
第7圖顯示本發明實施例之生理特徵偵測方法之流程圖。
1．．．從裝置
111．．．第一光源
112．．．第二光源
12．．．導光件
13．．．觸控件
13S．．．觸控面
14．．．影像感測器
15．．．第一處理單元
16．．．光源控制單元
2．．．主裝置
9．．．手指
9S．．．手指表面

Claims (20)

  1. 一種人機介面系統，用以偵測一手指之一位移量及一生理特徵，該人機介面系統包含：一從裝置，提供兩不同波長的光以照明該手指、接收來自該手指之反射光以產生相對該兩不同波長的光點亮之複數第一影像圖框及複數第二影像圖框、計算並輸出關於預設張該第一影像圖框之第一影像圖框資訊及關於預設張該第二影像圖框之第二影像圖框資訊；以及一主裝置，根據該第一影像圖框資訊及該第二影像圖框資訊計算該位移量及該生理特徵。
  2. 依申請專利範圍第1項之人機介面系統，其中該從裝置為一滑鼠、一遙控器、一鍵盤、一光學測距裝置；該主裝置為一電視、一投影裝置、一遊戲機系統或一計算機系統。
  3. 依申請專利範圍第1項之人機介面系統，其中該生理特徵包含一血氧濃度及一脈搏數。
  4. 依申請專利範圍第1項之人機介面系統，其中該從裝置另包含：一第一光源，發出一第一波長的光至該手指；一第二光源，發出一第二波長的光至該手指；一光源控制單元，控制該第一光源及該第二光源之點亮及熄滅；一影像感測器，以一取樣頻率接收來自該手指之反射光以產生該等第一影像圖框及該等第二影像圖框；以及一第一處理單元，計算每預設張該第一影像圖框之該第一影像圖框資訊及每預設張該第二影像圖框之該第二影像圖框資訊。
  5. 依申請專利範圍第4項之人機介面系統，其中該第一影像圖框資訊為預設張該第一影像圖框之第一影像圖框和、第一影像圖框平均、歸一化第一影像圖框和或歸一化第一影像圖框平均；該第二影像圖框資訊為預設張該第二影像圖框之第二影像圖框和、第二影像圖框平均、歸一化第二影像圖框和或歸一化第二影像圖框平均。
  6. 依申請專利範圍第4項之人機介面系統，其中該光源控制單元控制該第一光源及該第二光源於預定期間熄滅，以使該影像感測器擷取複數亮第一影像圖框、複數亮第二影像圖框及複數暗影像圖框；該第一處理單元根據該等亮第一影像圖框與該等暗影像圖框之差以及該等亮第二影像圖框與該等暗影像圖框之差計算該第一影像圖框資訊及第二影像圖框資訊。
  7. 依申請專利範圍第4項之人機介面系統，其中該光源控制單元控制該第一光源及該第二光源輪流點亮以使該影像感測器輪流接收該第一光源及該第二光源之反射光；或者控制該第一光源及該第二光源同時點亮以使該影像感測器同時接收該第一光源及該第二光源之反射光，且該影像感測器包含一濾光器覆蓋於該影像感測器之一感測面的一部分。
  8. 依申請專利範圍第1項之人機介面系統，其中該主裝置另包含：一記憶單元，儲存自該從裝置接收之該第一影像圖框資訊及該第二影像圖框資訊；一查核單元，檢查該第一影像圖框資訊及該第二影像圖框資訊的過取樣及資料遺失；以及一第二處理單元，根據該第一影像圖框資訊及該第二影像圖框資訊計算該位移量及該生理特徵。
  9. 依申請專利範圍第8項之人機介面系統，其中該第二處理單元將每張該第一影像圖框資訊分割為至少兩部分並計算每一部分之一平均亮度，利用獨立元件分析法分析該等第一影像圖框資訊之該每一部分之該平均亮度以求得一第一亮度變化；將每張該第二影像圖框資訊分割為至少兩部分並計算每一部分之一平均亮度，利用獨立元件分析法分析該等第二影像圖框資訊之該每一部分之該平均亮度以求得一第二亮度變化；並根據該第一亮度變化及該第二亮度變化計算該生理特徵。
  10. 依申請專利範圍第9項之人機介面系統，其中該第二處理單元另根據至少一閾值與該第一亮度變化及/或該第二亮度變化之一比較結果計算一脈搏數。
  11. 依申請專利範圍第9項之人機介面系統，其中該主裝置另包含一表示單元用以回應該位移量及該生理特徵；該表示單元為一顯示器、一燈號、一七字節顯示及/或一聲音裝置。
  12. 依申請專利範圍第1項之人機介面系統，其在閒置一預設時間後進入一休眠模式。
  13. 依申請專利範圍第1項之人機介面系統，其中當該位移量大於一預設值，該主裝置捨棄該生理特徵。
  14. 依申請專利範圍第1項之人機介面系統，其中該從裝置另包含一記憶單元儲存一系統頻率校正參數。
  15. 依申請專利範圍第1項之人機介面系統，其中該主裝置另比較該第一影像圖框資訊及該第二影像圖框資訊之亮度與至少一門檻值以判斷一接觸狀態。
  16. 依申請專利範圍第1項之人機介面系統，其中該主裝置根據兩張該第一影像圖框資訊、一張該第一影像圖框資訊與一張該第二影像圖框資訊及兩張該第二影像圖框資訊計算該位移量。
  17. 一種手指滑鼠系統，包含：一光學偵測裝置，包含：一第一光源，發出一第一波長的光至一手指；一第二光源，發出一第二波長的光至該手指；一光源控制單元，控制該第一光源及該第二光源之點亮及熄滅； 一影像感測器，以一取樣頻率接收來自該手指之反射光以產生相對該第一光源點亮之複數第一影像圖框及相對該第二光源點亮之複數第二影像圖框；及一處理單元，計算並輸出關於預設張該第一影像圖框之第一影像圖框資訊及關於預設張該第二影像圖框之第二影像圖框資訊；以及一主機，接收並檢查該第一影像圖框資訊及該第二影像圖框資訊，並據以計算一位移量及一生理特徵。
  18. 依申請專利範圍第17項之手指滑鼠系統，其中當該主機檢查出該第一及第二影像圖框資訊為過取樣時，捨棄過取樣影像圖框資訊；當該主機檢查出該第一及第二影像圖框資訊遺失時，執行內插程序。
  19. 依申請專利範圍第17項之手指滑鼠系統，其中該主機將每張該第一影像圖框資訊分割為至少兩部分並計算每一部分之一平均亮度，利用獨立元件分析法分析該等第一影像圖框資訊之該每一部分之該平均亮度以求得一第一亮度變化；將每張該第二影像圖框資訊分割為至少兩部分並計算每一部分之一平均亮度，利用獨立元件分析法分析該等第二影像圖框資訊之該每一部分之該平均亮度以求得一第二亮度變化；並根據該第一亮度變化及該第二亮度變化計算該生理特徵。
  20. 一種人機介面系統，包含：一手指滑鼠裝置，提供兩不同波長的光以照明一手指、接收來自該手指之反射光以產生相對該兩不同波長的光點亮之複數第一影像圖框及複數第二影像圖框、計算並輸出關於預設張該第一影像圖框之第一影像圖框資訊及關於預設張該第二影像圖框之第二影像圖框資訊；以及一主機，包含：一處理單元，根據該第一影像圖框資訊及該第二影像圖框資訊計算一位移量及一生理特徵；及一表示單元，用以回應該位移量及該生理特徵。
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