TWI451295B - 光學手指滑鼠、滑鼠控制模組及其生理特徵偵測方法 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種人機介面裝置，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並輸出經編碼、排序及/或壓縮的手指及生理資訊之滑鼠控制模組及光學手指滑鼠。
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。一光學手指滑鼠可用以偵測一使用者手指表面反射光線之光強度變化，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。
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滑鼠控制模組及光學手指滑鼠，可於偵測手指位移量的同時偵測使用者的生理特徵，並輸出經編碼、排序及/或壓縮之手指資訊及生理資訊。本發明之滑鼠控制模組及光學手指滑鼠可有效消除移動造成的訊號雜訊。
本發明之一目的在提供一種滑鼠控制模組及光學手指滑鼠，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，並輸出經編碼、排序及/或壓縮之手指及生理資訊。
本發明之另一目的在提供一種滑鼠控制模組及光學手指滑鼠，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，並輸出經編碼、排序及/或壓縮之手指及生理資訊，且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滑鼠控制模組及光學手指滑鼠，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，並輸出經編碼、排序及/或壓縮之手指及生理資訊，且具有降低雜訊的機制。
本發明之另一目的在提供一種滑鼠控制模組及光學手指滑鼠，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，並輸出經編碼、排序及/或壓縮之手指及生理資訊，且具有系統頻率校正機制。
本發明之另一目的在提供一種滑鼠控制模組及光學手指滑鼠，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，並輸出經編碼、排序及/或壓縮之手指及生理資訊，且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滑鼠控制模組及光學手指滑鼠，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，並輸出經編碼、排序及/或壓縮之手指及生理資訊，且在位移量太大時可捨棄或不計算生理特徵，以避免輸出錯誤生理資訊。
為達上述目的，本發明提供一種滑鼠控制模組，用以輸出相關於一手指之一手指資訊及一生理資訊。該滑鼠控制模組包含一第一光源、一第二光源、一光源控制單元、一影像感測器、一處理單元以及一通訊協定單元。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。該處理單元根據該等第一影像圖框及該等第二影像圖框計算一位移量及一生理特徵。該通訊協定單元對該位移量及該生理特徵進行編碼及/或排序以產生該手指及生理資訊。
根據本發明之另一特點，本發明提供一種光學手指滑鼠，包含一滑鼠殼體及一滑鼠晶片。該滑鼠殼體包含一觸控件供一手指進行觸控。該滑鼠晶片設置於該滑鼠殼體內，用以同時或輪流提供兩不同波長的光至該手指、以一取樣頻率接收來自該手指之反射光以產生相對該兩不同光源點亮之複數第一影像圖框及複數第二影像圖框、根據該等第一影像圖框及該等第二影像圖框計算一位移量及一生理特徵並對該位移量及該生理特徵進行編碼及/或排序以產生一手指資訊及一生理資訊。
根據本發明之另一特點，本發明提供一種生理特徵偵測方法，用於一滑鼠控制模組以輸出相關於一手指之一手指資訊及一生理資訊。該生理特徵偵測方法包含下列步驟：提供一第一波長及一第二波長的光至該手指；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；將每張該第一影像圖框及每張該第二影像圖框分割成至少兩部分並求得每一部分之一平均亮度；利用盲訊號源分離法分析該等第一影像圖框之該每一部分之該平均亮度以求得一第一亮度變化並分析該等第二影像圖框之該每一部分之該平均亮度以求得一第二亮度變化；根據該第一亮度變化及該第二亮度變化求得一生理特徵並根據該等第一影像圖框及該等第二影像圖框求得一位移量；以及編碼及/或排序壓縮該生理特徵及該位移量以輸出該手指及生理資訊。
本發明之滑鼠控制模組及光學手指滑鼠另可比較該等第一影像圖框及該等第二影像圖框之亮度與至少一門檻值以判斷一接觸狀態。
本發明之滑鼠控制模組及光學手指滑鼠中，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料及生理資料，可有效消除移動造成的訊號雜訊。
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光學手指滑鼠之示意圖，該光學手指滑鼠包含一滑鼠控制模組1及一滑鼠殼體2；其中該滑鼠控制模組1係設置於該滑鼠殼體2內，且該滑鼠控制模組1係可製作為一滑鼠晶片或一封裝體(package)。可以了解的是，第2A圖中該滑鼠控制模組1之位置及尺寸僅為例示性，並非用以限定本發明。該滑鼠控制模組1用以偵測並輸出經編碼、排序及/或壓縮之一手指資訊及一生理資訊；其中該手指資訊例如包含一使用者之一手指9相對於該光學手指滑鼠之一位移量及一接觸狀態，該生理資訊例如包含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，該光學手指滑鼠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。
第2A圖中，該滑鼠控制模組1包含兩光源111及112及一影像感測器12，該滑鼠殼體2包含一導光件21及一觸控件22；其中，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，例如約660奈米之紅光以及約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源發光光譜之中心波長。
該導光件21用以將該等光源111及112所發出的光引導至該觸控件22；該導光件21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22，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22，亦可省略該導光件21。
該觸控件22具有一觸控面22S供該手指9於其上操控，該觸控件22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22S時，該等光源111及112所發出的光被朝向該滑鼠殼體2內反射。可以了解的是，該觸控面22S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12以一取樣參數接收來自該觸控件22(該手指表面9S)之反射光以產生複數影像圖框(該影像圖框例如具有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12之透鏡，以增加該影像感測器12之感光效率。該影像感測器12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。
該滑鼠控制模組1根據該等影像圖框偵測該手指9相對該觸控面22S之一位移量及一接觸狀態，以及該使用者之一生理特徵，並對其進行編碼、排序及/或壓縮等程序。該滑鼠控制模組1所求得之經編碼、排序及/或壓縮之手指及生理資訊例如可經過一傳輸介面傳送至具有表示單元之一外部裝置以進行顯示或進行相對應控制；其中該表示單元例如可為一顯示器、一燈號、一七字節顯示等，亦或可為一聲音裝置。該外部裝置可為一可攜式電子裝置或一般家用電子裝置。
請參照第2A及2B圖所示，第2B圖顯示本發明實施例之滑鼠控制模組1之方塊圖，其包含一第一光源111、一第二光源112、該影像感測器12、一處理單元13、一光源控制單元14、一濾波單元15、一記憶單元16、一通訊協定單元17、一輸出單元18及一時脈產生器19；其中，由於該處理單元13係進行多功能運算，該處理單元13可另包含一移動/接觸偵測單元131用以偵測該手指9相對該觸控面22S之該位移量及該接觸狀態以及一生理特徵偵測單元132用以偵測該使用者之該生理特徵；亦即，該處理單元13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可分別發出習知血氧儀所使用的兩個波長的光。該影像感測器12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。該處理單元13根據該等第一影像圖框及該等第二影像圖框計算一位移量、一接觸狀態及一生理特徵。該濾波單元15例如可為一低通濾波器，用以對該處理單元13所輸出之資料進行雜訊濾除。該光源控制單元14耦接該處理單元13，用以配合該影像感測器12之影像圖框擷取控制該等光源111及112之點亮及熄滅。該記憶單元16用以儲存該處理單元13所求得並經濾波之該位移量、接觸狀態、生理特徵以及運算過程中所需的各種參數資訊。該通訊協定單元17對該記憶單元16所儲存之該位移量、接觸狀態及生理特徵進行編碼、排序及/或壓縮等處理以輸出手指及生理資訊。其他實施例中，所述壓縮處理可由該輸出單元執行，或另外設置一壓縮單元進行。該輸出單元18則用以將該手指及生理資訊輸出至一外部裝置80。此外，本發明之該光學手指滑鼠較佳可另包含一傳輸介面單元用以定義該光學手指滑鼠與該外部裝置80間之通訊。該外部裝置80較佳具有至少一表示單元80以顯示及/或回應所接收之該手指及生理資訊。該時脈產生器19則用以提供系統頻率。其他實施例中，該濾波單元15可不實施。
本發明之光學手指滑鼠可搭配具有表示單元之該外部裝置80，讓一使用者在透過該光學手指滑鼠控制該表示單元所顯示之一游標或該外部裝置80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。該外部裝置80可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；例如可利用軟體執行畫面顯示、燈號顯示或聲音表示的方式來顯示生理特徵及提出警示。
其他實施例中，該滑鼠控制模組1亦可具有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)用來選擇所欲接收的光譜。
本發明之滑鼠控制模組1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14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12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
…至該處理單元13(或同時輸出至該移動/接觸偵測單元131及該生理特徵偵測單元132)，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。
該處理單元13(或該移動/接觸偵測單元131)可根據該等第一及第二影像圖框I1
~I6
…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及該等第二影像圖框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22S，其中當該等影像圖框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，該處理單元13可根據兩張第一影像圖框、一張第一影像圖框與一張第二影像圖框或兩張第二影像圖框間之相關性(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，但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進行判定及計算，而不同於傳統導航裝置(navigation device)。
該處理單元13(或該生理特徵偵測單元132)則必須根據該等第一影像圖框I1
、I3
、I5
…計算出該等第一影像圖框之亮度變化，並根據該等第二影像圖框I2
、I4
、I6
…計算出該等第二影像圖框之亮度變化(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及/或該等第二影像圖框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14控制該第一光源111及該第二光源112同步於該影像感測器12之影像圖框擷取同時發光；亦即，該影像感測器12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12之一感測面12S的一部分前方可另設置一濾光器121(如第4圖所示)，其中該濾光器121可為一帶通濾光器以使該濾光器121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，以使該處理單元13(或該移動/接觸偵測單元131及該生理特徵偵測單元132)能夠分辨第一影像圖框(相對該第一光源111之部分影像圖框)及第二影像圖框(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121的設置位置及面積並不限於第4圖所示。
藉此，該處理單元13(或該移動/接觸偵測單元131)同樣可根據該等第一影像圖框及第二影像圖框I1
~I6
…計算一接觸狀態及一位移量。該處理單元13(或該生理特徵偵測單元132)同樣可根據該等第一影像圖框I1
、I3
、I5
…計算出該第一影像圖框之亮度變化及根據該等第二影像圖框I2
、I4
、I6
…計算出該第二影像圖框之亮度變化(容述於後)，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12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，因此可於該滑鼠控制模組1出廠前即針對該影像感測器12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12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。
本發明之精神在於，該滑鼠控制模組1同時或輪流提供兩不同波長的光至該手指9、以一取樣頻率接收來自該手指9之反射光以產生相對該兩不同光源點亮之複數第一影像圖框及複數第二影像圖框並根據該等第一影像圖框及該等第二影像圖框計算接觸狀態、位移量及生理特徵。該滑鼠控制模組1對該位移量及/或生理特徵進行編碼、排序及/或壓縮等處理後，輸出一手指資訊(即處理過的位移量)及一生理資訊(即處理過的生理特徵)。
第2A圖中，由於該接觸件22為透明，同時手指會透光，該光學手指滑鼠外部的環境光會透過該接觸件22與該手指9被該影像感測器12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14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12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12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12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12包含一濾光器121(如第4圖)以空間區隔不同光源之影像圖框，以使該影像感測器12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22S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。該處理單元13則可根據亮影像圖框與暗影像圖框之差分影像圖框計算位移量、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12擷取到暗影像圖框，因此該光源控制單元14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，該處理單元13則可計算差分第一影像(亮第一影像圖框-暗影像圖框)及差分第二影像(亮第二影像圖框-暗影像圖框)，並根據該等差分影像計算位移量、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，該滑鼠控制模組1以時間區隔不同光源之影像圖框。
本實施例之精神在於，使該光源控制單元14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12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。
由於該影像感測器12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，因此本發明可進一步計算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。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之和分別為該等第一影像之和(例如第3圖之I1
+I3
+I5
…)及該等第二影像之和(例如第3圖之I2
+I4
+I6
…)，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之和則為連續的影像圖框之和(例如第3圖之I1
+I2
+I3
+I4
+I5
+I6
…)，並透過後處理的方式以空間區隔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，本實施例之影像圖框之和係指差分影像圖框之和；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，亦可僅執行消除環境光處理及降噪處理其中之一。
如前所述，該影像感測器12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12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該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，可將每張影像圖框或M張影像圖框之和或平均以取樣參數進行歸一化處理，例如(M張影像圖框之和/取樣參數)或(M張影像圖框之平均/取樣參數)；其中，M為正整數。
相對於不同光源點亮時，該影像感測器12所擷取之影像圖框同時包含有生理資料及移動資料。因此，本發明中該處理單元13(或該生理特徵偵測單元132)首先需將兩種資料分離後，才能夠正確計算生理特徵。本發明中，該處理單元13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)來將兩種資料分離。
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，將複數張第一影像圖框(可為原始影像圖框、經過消除環境光機制及/或降噪機制處理過的第一影像圖框)或複數第一影像圖框和(M張原始影像圖框和、經過消除環境光機制及/或降噪機制處理過的M張第一影像圖框和)的每張影像圖框或影像圖框和分割為至少兩部分並分別求得一平均亮度，例如影像圖框I1
分割成平均亮度為B1
及B1 '
兩部分；影像圖框I3
分割成平均亮度為B3
及B3 '
兩部分；…；影像圖框I2N-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)。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料及第一生理資料(如第6圖所示)，其均顯示為一亮度變化線型。本發明中係將移動資料捨棄並利用生理資料來計算生理特徵。可以了解的是，由於該影像感測器12之取樣頻率遠遠大於脈搏頻率，因此所分離出的生理資料可顯示出光強度隨脈搏變化的線型(類似第1圖)；分離出的移動資料分佈並不限定如第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I1
、I3
、I5
…(相對應第一光源點亮)及第二影像圖框I2
、I4
、I6
…(相對應第二光源點亮)來進行；該等第二影像圖框(I2
、I4
、I6
…)亦被分離成第二移動資料及第二生理資料。必須說明的是，當利用影像圖框和或平均來進行資料分離時，第6圖中之I1
~I2N-1
及I2
~I2N
每一個均表示M張影像圖框之和或平均。
必須強調的是，該手指9之位移量及接觸狀態係由該處理單元13(該移動/接觸偵測單元131)直接根據該等第一影像圖框及該等第二影像圖框求得，並不需要經過分離後的移動資料。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，分離出的移動資料捨棄後，可消除移動造成的訊號雜訊。
本發明中，該處理單元13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。
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)，於該滑鼠控制模組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22之接觸面22S，以使該影像感測器12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，並儲存於該記憶單元16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。
本發明之滑鼠控制模組1在閒置一預設時間後，可進入休眠模式。例如，該處理單元13於一預設時間判斷該手指9未靠近或接觸該觸控面22S時，即可進入休眠模式。
本發明之滑鼠控制模組1之處理單元13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，該處理單元13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12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經過通訊協定單元17進行任何處理而直接從該記憶單元16中捨棄。該預設值則根據實際應用決定，例如可根據該感測面12S及/或搜尋框之尺寸決定。
本發明之滑鼠控制模組1係根據下述生理特徵偵測方法偵測並輸出相關於一手指之一手指資訊及一生理資訊，所述方法包含下列步驟：提供一第一波長及一第二波長的光至一手指表面(步驟S11
)；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(步驟S12
)；將每張該第一影像圖框及每張該第二影像圖框分割成至少兩部分並求得每一部分之一平均亮度(步驟S13
)；利用獨立元件分析法或盲訊號源分離法分析該等第一影像圖框之該每一部分之該平均亮度以求得一第一亮度變化並分析該等第二影像圖框之該每一部分之該平均亮度以求得一第二亮度變化(步驟S14
)；根據該第一亮度變化及該第二亮度變化求得一生理特徵並根據該等第一影像圖框及該等第二影像圖框求得一位移量(步驟S15
)；以及編碼、排序及/或壓縮該生理特徵及該位移量以輸出該手指及生理資訊(步驟S16
)。
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；本發明之生理特徵偵測裝置具有降噪、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，本發明另提供一種光學手指滑鼠(第2A圖)及滑鼠控制模組(第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，並輸出經編碼、排序及/或壓縮之手指及生理資訊，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、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．．．滑鼠控制模組
111．．．第一光源
112．．．第二光源
12．．．影像感測器
121．．．濾光器
12S．．．感測面
13．．．處理單元
131．．．移動/接觸偵測單元
132．．．生理特徵偵測單元
14．．．光源控制單元
15．．．濾波單元
16．．．記憶單元
17．．．通訊協定單元
18．．．輸出單元
19．．．時脈產生器
2．．．滑鼠殼體
21．．．導光件
22．．．觸控件
22S．．．觸控面
80．．．外部裝置
9．．．手指
9S．．．手指表面
I1
~I2N
．．．影像圖框
B1
~B2N
、B1 '
~B2N '
．．．平均亮度
S11
~S15
．．．步驟
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光學手指滑鼠之示意圖。
第2B圖顯示本發明一實施例之滑鼠控制模組之方塊圖。
第3圖顯示本發明實施例之滑鼠控制模組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滑鼠控制模組之影像感測器，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滑鼠控制模組中，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滑鼠控制模組之處理單元分離移動資料及生理資料之示意圖。
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．．．滑鼠控制模組
111．．．第一光源
112．．．第二光源
12．．．影像感測器
2．．．滑鼠殼體
21．．．導光件
22．．．觸控件
22S．．．觸控面
9．．．手指
9S．．．手指表面
Claims (18)
- 一種滑鼠控制模組，用以輸出相關於一手指之一手指資訊及一生理資訊，該滑鼠控制模組包含：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；一處理單元，根據該等第一影像圖框及該等第二影像圖框計算一位移量及一生理特徵；以及一通訊協定單元，對該位移量及該生理特徵進行編碼及/或排序以產生該手指及生理資訊，其中，該處理單元將每張該第一影像圖框分割為至少兩部分並計算每一部分之一平均亮度，分析該等第一影像圖框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分割為至少兩部分並計算每一部分之一平均亮度，分析該等第二影像圖框之該每一部分之該平均亮度以求得一第二亮度變化；根據該第一亮度變化及該第二亮度變化計算該生理特徵。
- 依申請專利範圍第1項之滑鼠控制模組，其係為一滑鼠晶片或一封裝體。
- 依申請專利範圍第1或2項之滑鼠控制模組，其中該生理特徵包含一血氧濃度及一脈搏數。
- 依申請專利範圍第1項之滑鼠控制模組，其中該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。
- 依申請專利範圍第1項之滑鼠控制模組，其中該處理單元計算M張影像圖框之和以降低雜訊，並根據一取樣參數歸一化該影像圖框之和或平均，其中M為正整數。
- 依申請專利範圍第1項之滑鼠控制模組，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位移量及該生理特徵。
- 依申請專利範圍第1項之滑鼠控制模組，其在閒置一預設時間後進入一休眠模式。
- 依申請專利範圍第1項之滑鼠控制模組，其中當該位移量大於一預設值，該處理單元不計算該生理特徵或捨棄該生理特徵。
- 依申請專利範圍第1項之滑鼠控制模組，另包含一記憶單元儲存一系統頻率校正參數、該位移量及該生理特徵。
- 依申請專利範圍第1項之滑鼠控制模組，其中該處理單元另比較該等第一影像圖框及該等第二影像圖框之亮度與至少一門檻值以判斷一接觸狀態。
- 依申請專利範圍第1項之滑鼠控制模組，其中該處理單元根據兩張該第一影像圖框、一張該第一影像圖框與一張該第二影像圖框及兩張該第二影像圖框計算該位移量。
- 依申請專利範圍第1項之滑鼠控制模組，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。
- 依申請專利範圍第1項之滑鼠控制模組，另包含一輸出單元輸出該位移及生理資訊或輸出經壓縮之該位移及生理資訊。
- 一種光學手指滑鼠，包含：一滑鼠殼體，包含一觸控件供一手指進行觸控；及一滑鼠晶片，設置於該滑鼠殼體內，用以同時或輪流提供兩不同波長的光至該手指、以一取樣頻率接收來自該手指之反射光以產生相對該兩不同光源點亮之複數第一影像圖框及複數第二影像圖框、根據該等第一影像圖框及該等第二影像圖框計算一位移量及 一生理特徵並對該位移量及該生理特徵進行編碼及/或排序以產生一手指資訊及一生理資訊，其中，該滑鼠晶片將每張該第一影像圖框分割為至少兩部分並計算每一部分之一平均亮度，分析該等第一影像圖框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分割為至少兩部分並計算每一部分之一平均亮度，分析該等第二影像圖框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。
- 依申請專利範圍第14項之光學手指滑鼠，其中該生理特徵包含一血氧濃度及一脈搏數。
- 依申請專利範圍第14項之光學手指滑鼠，其中該滑鼠晶片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。
- 依申請專利範圍第14項之光學手指滑鼠，其中該滑鼠晶片另比較該等第一影像圖框及該等第二影像圖框之亮度與至少一門檻值以判斷一接觸狀態。
- 一種生理特徵偵測方法，用於一滑鼠控制模組以輸出相關於一手指之一手指資訊及一生理資訊，該生理特徵偵測方法包含下列步驟：提供一第一波長及一第二波長的光至該手指； 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；將每張該第一影像圖框及每張該第二影像圖框分割成至少兩部分並求得每一部分之一平均亮度；利用盲訊號源分離法分析該等第一影像圖框之該每一部分之該平均亮度以求得一第一亮度變化並分析該等第二影像圖框之該每一部分之該平均亮度以求得一第二亮度變化；根據該第一亮度變化及該第二亮度變化求得一生理特徵並根據該等第一影像圖框及該等第二影像圖框求得一位移量；以及編碼及/或排序該生理特徵及該位移量以輸出該手指及生理資訊。
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