TWI507929B - 位移偵測裝置及其省電方法 - Google Patents

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TWI507929B
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Ming Tsan Kao
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Description

位移偵測裝置及其省電方法
本發明係關於一種人機介面裝置，特別是關於一種可同時維持光源低平均耗電流及固定影像亮度之位移偵測裝置及其省電方法。
傳統上，光學滑鼠是用作為與具有一顯示幕之一電腦系統互動的周邊設備之一。一光學滑鼠通常具有一光源、一影像感測器及一處理單元。該光源投射光至一工作表面。該影像感測器接收來自該工作表面之反射光並連續輸出影像圖框。該處理單元則根據該等影像圖框計算該光學滑鼠相對該工作表面之一位移量，以相對控制該電腦系統。
為了增加一光學滑鼠的操控便利性，該光學滑鼠可透過無線傳輸的方式將位移資訊傳送至該電腦系統。因此，如何節省該光學滑鼠之平均耗能以延長電池使用時間，則成為一個重要的課題。
請參照第1圖所示，其顯示習知光學滑鼠中，影像擷取及光源點亮之示意圖。該影像感測器以一取樣頻率依序擷取影像圖框。當光學滑鼠以高速移動時，該光源以一較高頻率點亮；當光學滑鼠以低速移動時，該光源以一較低頻率點亮，藉以降低該光源的耗電流。然而，此種省電方法中，該光源於 高速時所消耗的電流仍大致為低速時的兩倍左右。
有鑑於此，本發明另提出一種位移偵測裝置及其省電方法，其可透過同時改變光源之發光頻率及發光期間來降低光源之耗電流，藉以降低整體耗能。
本發明之一目的在提供一種位移偵測裝置及其省電方法，其可同時動態改變光源之發光頻率及發光期間，使光源維持低耗電流以降低整體耗能。
本發明另一目的在提供一種位移偵測裝置及其省電方法，其可同時動態改變光源之發光頻率及發光期間以及影像感測器之影像增益，以使光源維持相同耗電流且影像感測器輸出相同亮度的影像。
本發明提供一種位移偵測裝置，包含一影像感測器、一光源及一處理單元。該影像感測器用以連續擷取影像。該光源以至少一發光頻率及至少一發光期間提供該影像感測器擷取該等影像時所需的光。該處理單元用以根據該等影像計算一位移量並根據該位移量同時調整該發光頻率及該發光期間。
本發明另提供一種位移偵測裝置，包含一影像感測器、一光源及一處理單元。該影像感測器以至少一影像增益連續擷取並輸出影像。該光源以至少一發光頻率及至少一發光期間提供該影像感測器擷取該等影像時所需的光。該處理單元用以根據該等 影像計算一位移量，並根據該位移量同時調整該發光頻率、該發光期間及/或該影像增益。
本發明另提供一種位移偵測裝置之省電方法，包含下列步驟：以一影像感測器連續擷取影像；以一處理單元根據該等影像計算一位移量；以及以該處理單元根據該位移量與至少一門檻值之一比較結果調整一光源之一發光頻率及一發光期間。
本發明之位移偵測裝置及其省電方法中，該發光頻率之一增加倍率與該發光期間之一縮短倍率較佳成正相關；該發光頻率之一增加倍率與該影像增益之一增益倍率較佳成正相關，例如該增益倍率可等於、略小於或略大於該增加倍率。
本發明之位移偵測裝置及其省電方法中，當該位移量高於一第一門檻值時，增加該發光頻率及該影像增益並縮短該發光期間；當該位移量低於一第二門檻值時，降低該發光頻率及該影像增益並延長該發光期間。
本發明之位移偵測裝置及其省電方法中，當該位移量高於一第一門檻值時，增加該發光頻率並縮短該發光期間；當該位移量低於一第二門檻值時，降低該發光頻率並延長該發光期間。
本發明之位移偵測裝置及其省電方法中，該處 理單元透過同時調整該發光頻率及該發光期間以使該光源之一平均耗電流維持大致固定的低耗電流，以有效降低整體耗能；並可透過同時調整影像增益以使影像亮度大致維持為固定，以增加計算穩定度。
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，相同的構件係以相同的符號表示，於此合先敘明。
請參照第2A及2B圖所示，第2A圖顯示本發明實施例之位移偵測裝置之示意圖；第2B圖顯示本發明實施例之位移偵測裝置之方塊示意圖。
位移偵測裝置1具有一殼體10用以置放於一工作表面S上並供一使用者操控；例如，該位移偵測裝置1可為一光學滑鼠或其他用以偵測其與該工作表面S相對動作之其他位移偵測裝置。
該位移偵測裝置1包括一光源11、一影像感測器12、一處理單元13及一光源控制單元14；其中，該光源控制單元14可包含於該處理單元13內或獨立於其外。換句話說，當該光源控制單元14包含於該處理單元13內時，該處理單元13則直接控制該光源11；當該光源控制單元14不包含於該處理單元13內時，該處理單元13則透過該光源控制單元 14控制該光源11。本發明說明中為簡化說明，該處理單元13控制該光源11之描述，係同時包括上述兩種情形。本實施例中，該位移偵測裝置1可偵測相對該工作表面S之一位移量及其他參數，並根據所偵測該位移量調整該光源11及該影像感測器12之運作參數；例如，根據該位移量與至少一位移門檻值之一比較結果調整該運作參數(容詳述於後)。
該光源11例如可為至少一發光二極體、至少一雷射二極體或其他主動光源，其較佳發出紅光、紅外光或其他不可見光並透過該殼體10底面之一開口H照明該工作表面S。該光源11以至少一發光頻率及至少一發光期間提供該影像感測器12擷取影像時所需的光；其中，所述發光期間係指該光源11每次點亮之一點亮時間區間。
該影像感測器12例如可為一CCD影像感測器、一CMOS影像感測器或其他用以感測光能量之感測器，其透過該開口H接收來自該工作表面S之反射光以連續擷取並輸出影像。一種實施例中，請參照第2B圖所示，該影像感測器12可另包含一感光單元121、一放大單元122及一類比/數位轉換單元(ADC)123。該感光單元121例如可為一感測陣列(sensing array)，用以接收來自該工作表面S之反射光並輸出類比影像資料AI。該放大單元122以一影 像增益G放大該類比影像資料AI成為放大後類比影像資料GAI；亦即，該影像增益G此時可為一類比增益。該類比/數位轉換單元123用以將該放大後類比影像資料GAI數位化後輸出數位影像DI。換句話說，該影像感測器12可將至少一影像增益G作為內部參數以連續擷取並輸出影像，該影像增益G愈高，所輸出影像之平均影像亮度則愈高。
該處理單元13例如可為一數位處理器(DSP)，用以對該影像感測器12輸出之影像(嚴格而言為該數位影像DI)進行後處理，例如根據該等影像計算一位移量，並根據該位移量同時調整該發光頻率及該發光期間，例如發出一光源控制信號S1 控制該光源11之發光頻率及發光期間；例如可根據該位移量同時調整該發光頻率、該發光期間及/或該影像增益，除光源控制信號S1 外，例如另發出一增益控制信號S2 控制該影像感測器12之影像增益。一種實施例中，該處理單元13例如根據該位移量與至少一位移門檻值之一比較結果調整該發光頻率、該發光期間、該影像增益，並持續根據更新的運作參數計算並輸出位移量。必須說明的是，雖然該影像感測器12於該光源11未點亮時仍擷取影像，此時所擷取之影像將被視為無效影像而不用以計算該位移量；亦即，本實施例中該處理單元13可僅根據相對該光源11點亮時所被擷取之有效影像計算該位移量。
本發明中，由於該光源11之消耗電流係大於該放大單元122之消耗電流，因此透過降低該光源11之發光期間並增加該影像感測器12之影像增益，仍能夠有效降低該位移偵測裝置1之整體耗能。較佳地，該處理單元13係同時調整該發光頻率及該發光期間以使該光源11之一平均消耗電流維持固定。本實施例中，該處理單元13計算位移量之方式已為習知，例如，但不限於，可利用影像間相關性(correlation)來計算位移量，故於此不再贅述。
請參照第3圖所示，其顯示本發明實施例之位移偵測裝置之省電方法之操作示意圖。本實施例中，該影像感測器12係以一固定取樣頻率SF及一取樣期間△T連續擷取影像。該光源11例如具有一高速模式以一第一發光頻率EF1 及一第一發光期間△t1 發光，一中速模式以一第二發光頻率EF2 及一第二發光期間△t2 發光，一低速模式以一第三發光頻率EF3 及一第三發光期間△t3 發光；本實施例中，EF1 >EF2 >EF3 ，△t3 >△t2 >△t1 。一種實施例中，該第一發光頻率EF1 可為該第二發光頻率EF2 之2倍且該第一發光頻率EF1 可為該第三發光頻率EF3 之3倍；該第一發光期間△t1 可為該第二發光期間△t2 之1/2倍且該第一發光期間△t1 可為該第三發光期間△t3 之1/3倍。本發明中，當位移量增加時，增加該光源11之發光頻率EF並縮短該光源11之發光期 間△t，較佳使該光源11於不同速度模式下具有大致相同的平均耗電流。
本實施例中，該光源11之發光頻率EF之一增加倍率較佳與該光源11之發光期間△t之一縮短倍率成正相關；例如一種實施例中，當該光源11之發光頻率EF增加N倍(即N×EF)，該發光期間△t則縮短N×r倍(即△t/(N×r))；其中，N為正數；r為比例值，其可略大於、等於或略小於1，例如r=0.8~1.2。於高速時，該位移偵測裝置1輸出之軌跡較不受雜訊影像，所以本實施例可根據具有較低對比度或較低亮度或較低訊噪比(Signal to Noise Ratio)的影像進行位移量偵測。
另一實施例中，還可透過於高速時增加影像感測器12之影像增益來增加影像亮度；亦即，除上述該光源11之發光頻率EF及發光期間△t等運作參數外，該影像感測器12例如於高速模式時以一第一影像增益G1 輸出影像，於中速模式時以一第二影像增益G2 輸出影像，於低速模式時以一第三影像增益G3 輸出影像；本實施例中，G1 >G2 >G3 。例如一種實施例中該第一影像增益G1 可為該第二影像增益G2 之2倍且該第一影像增益G1 可為該第三影像增益G3 之3倍。換句話說，本實施例中，當該位移量增加時，增加該光源11之發光頻率EF及該影像感測 器12之影像增益G並縮短該光源11之發光期間△t；當該位移量減少時，減少該光源11之發光頻率EF及該影像感測器12之影像增益G並延長該光源11之發光期間△t，藉此以使得該光源11於不同速度模式下具有大致相同的平均耗電流並使該影像感測器12輸出大致相同亮度的影像。
同樣地，本實施例中該光源11之發光頻率EF之一增加倍率較佳與該光源11之發光期間△t之一縮短倍率成正相關。此外，該發光頻率EF之一增加倍率較佳與該影像增益G之一增益倍率成正相關；例如該增益倍率可等於、略小於或略大於該增加倍率，例如0.8~1.2倍；然而，由於增加影像增益會同時增加雜訊，因此為避免雜訊過大而影響計算結果，該處理單元13另計算影像之一隨機雜訊(random noise)，並使該影像增益G之增益倍率之一最大增益受限於該隨機雜訊，例如限制該隨機雜訊不超過4個灰階。可以了解的是，上述實施例中所使用的各數值及倍率等僅為例示性，並非用以限定本發明。
請參照第4A圖所示，其顯示本發明實施例之位移偵測裝置之省電方法中，根據位移量調整運作參數之示意圖；其中，所述運作參數可僅包含發光頻率及發光期間；或者可同時包含發光頻率、發光期間及影像增益。本實施例中，該處理單元13係根據 位移量與一第一門檻值與一第二門檻值之一比較結果改變速度模式；其中，每一速度模式相對一發光頻率、一發光期間及一影像增益，但如前所述影像增益可不包含在內。該第一門檻值可等於或不等於該第二門檻值；其中，設計不同門檻值的原因在於避免當位移量位於門檻值附近時導致速度模式頻繁改變的情形。本實施例中，當該位移量高於一第一門檻值時，增加該發光頻率及該影像增益並縮短該發光期間；當該位移量低於一第二門檻值時，降低該發光頻率及該影像增益並延長該發光期間；此時該第一門檻值大於該第二門檻值。若不調整影像增益，當該位移量高於一第一門檻值時，增加該發光頻率並縮短該發光期間；當該位移量低於一第二門檻值時，降低該發光頻率並延長該發光期間。
例如第4A圖中，高速模式對應一第一發光頻率及一第一發光期間(另可對應一第一影像增益)，當該處理單元13判斷一位移量小於一第二門檻值(例如，但不限於，4個畫素距離)時則進入中速模式。中速模式對應一第二發光頻率及一第二發光期間(另可對應一第二影像增益)，當該處理單元13判斷該位移量小於該第二門檻值時則進入低速模式；當該處理單元13判斷該位移量大於一第一門檻值(例如，但不限於，8個畫素距離)時則回到高速模式。低速模式對應一第三發光頻率及一第三發光期間 (另可對應一第三影像增益)，當該處理單元13判斷該位移量小於該第一門檻值時則維持低速模式；當該處理單元13判斷該位移量大於該第一門檻值時則進入中速模式。
可以了解的是，該發光頻率、發光期間以及影像增益可調整的數值並不限為三個。例如請參照第4B圖所示，其顯示本發明實施例之位移偵測裝置之省電方法之另一運作示意圖；其中，當位移量增加時則增加發光頻率、縮短發光期間並增加影像增益，當位移量降低時則降低發光頻率、延長發光期間並降低影像增益。如前所述，該影像增益可不同時被調整而僅調整該該發光頻率及發光期間。該發光頻率、發光期間以及影像增益可被調整的級數可根據所需要的解析度而決定。
請參照第5圖所示，其顯示本發明實施例之位移偵測裝置之省電方法之流程圖，包含下列步驟：以一影像感測器連續擷取影像(步驟S11 )；以一處理單元根據該等影像計算一位移量(步驟S12 )；以及以該處理單元根據該位移量與至少一門檻值之一比較結果調整一光源之一發光頻率及一發光期間(步驟S13 )。另一實施例中，步驟S13 中，該處理單元另可根據該比較結果調整該影像感測器之一影像增益。本發明中，僅調整該發光頻率及該發光期間即可達 到節省光源耗能之目的，進一步調整影像增益則可穩定影像亮度以增加計算精確度。第5圖實施例之詳細實施方式已記載於第3、4A及4B圖及其相關說明，故於此不再贅述。
本實施例中，雖然該處理單元13主要根據位移量決定發光頻率、發光期間及影像增益，然而實施方式可以有各種變化。例如一種實施方式中，該處理單元13也可相應該發光期間或該發光頻率調整該影像感測器12之影像增益，例如當該發光頻率調整為N倍，該影像增益調整為N×r倍；例如當該發光期間縮短為N倍，該影像增益調整為N×r倍；其中，r可類似前述比例值。另一實施例中，該處理單元13可先根據位移量決定一速度模式，當速度模式決定後即同時決定發光頻率、發光期間及影像增益。換句話說，本發明中該處理單元13可先根據位移量決定速度模式，再根據速度模式決定運作參數；也可以直接根據位移量直接決定運作參數而不涉及速度模式；該影像增益的調整可直接相關於該發光頻率或該發光期間而不直接相關於該位移量。
綜上所述，習知光學滑鼠僅改變光源之發光頻率，因而導致光源於高速模式下仍具有較高的平均耗電流。本發明另提出一種位移偵測裝置(第2A及2B圖)及其省電方法(第3-5圖)，其可維持光源操作 於低平均耗電流以節省整體耗能，並另可透過調整影像增益以穩定影像亮度。
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‧‧‧位移偵測裝置
10‧‧‧殼體
11‧‧‧光源
12‧‧‧影像感測器
121‧‧‧感光單元
122‧‧‧放大單元
123‧‧‧類比/數位轉換單元
13‧‧‧處理單元
14‧‧‧光源控制單元
S‧‧‧工作表面
H‧‧‧開口
S1 ‧‧‧光源控制信號
S2 ‧‧‧增益控制信號
SF‧‧‧取樣頻率
EF1 ~EF3 ‧‧‧發光頻率
G1 ~G3 ‧‧‧影像增益
△T‧‧‧取樣期間
△t1 ~△t3 ‧‧‧發光期間
S11 ~S13 ‧‧‧步驟
AI‧‧‧類比影像資料
GAI‧‧‧放大後類比影像資料
DI‧‧‧數位影像
第1圖顯示習知光學滑鼠之影像擷取以及光源點亮之示意圖。
第2A圖顯示本發明實施例之位移偵測裝置之示意圖。
第2B圖顯示本發明實施例之位移偵測裝置之方塊示意圖。
第3圖顯示本發明實施例之位移偵測裝置之省電方法之運作示意圖。
第4A圖顯示本發明實施例之位移偵測裝置之省電方法中，比較位移量與門檻值之示意圖。
第4B圖顯示本發明實施例之位移偵測裝置之省電方法之另一運作示意圖。
第5圖顯示本發明實施例之位移偵測裝置之省電方法之流程圖。
1‧‧‧位移偵測裝置
10‧‧‧殼體
11‧‧‧光源
12‧‧‧影像感測器
13‧‧‧處理單元
H‧‧‧開口
S‧‧‧工作表面

Claims (20)

  1. 一種位移偵測裝置，包含：一影像感測器，以一取樣期間連續擷取影像；一光源，以至少一發光頻率及至少一發光期間提供該影像感測器擷取該等影像時所需的光，其中該發光期間為該光源點亮之一點亮時間區間且該發光期間小於該取樣期間；以及一處理單元，用以根據該等影像計算一位移量，並根據該位移量同時調整該發光頻率及該發光期間。
  2. 依申請專利範圍第1項之位移偵測裝置，其中該處理單元同時調整該發光頻率及該發光期間以使該光源之一平均耗電流維持固定。
  3. 依申請專利範圍第1項之位移偵測裝置，其中當該位移量增加時，增加該發光頻率並縮短該發光期間。
  4. 依申請專利範圍第3項之位移偵測裝置，其中該發光頻率之一增加倍率與該發光期間之一縮短倍率成正相關。
  5. 依申請專利範圍第1項之位移偵測裝置，其中該光源以一第一發光頻率、一第二發光頻率及一第三發光頻率發光；該第一發光頻率大於該第二發光頻率且該第二發光頻率大於該第三發光頻率。
  6. 依申請專利範圍第1或5項之位移偵測裝置，其中該光源以一第一發光期間、一第二發光期間及一第三 發光期間發光；該第一發光期間小於該第二發光期間且該第二發光期間小於該第三發光期間。
  7. 一種位移偵測裝置，包含：一影像感測器，以至少一影像增益及一取樣期間連續擷取並輸出影像；一光源，以至少一發光頻率及至少一發光期間提供該影像感測器擷取該等影像時所需的光，其中該發光期間為該光源點亮之一點亮時間區間且該發光期間小於該取樣期間；以及一處理單元，用以根據該等影像計算一位移量，並根據該位移量同時調整該發光頻率、該發光期間及/或該影像增益。
  8. 依申請專利範圍第7項之位移偵測裝置，其中當該位移量增加時，增加該發光頻率及該影像增益並縮短該發光期間。
  9. 依申請專利範圍第7項之位移偵測裝置，其中該發光頻率之一增加倍率與該發光期間之一縮短倍率成正相關。
  10. 依申請專利範圍第7或9項之位移偵測裝置，其中該發光頻率之一增加倍率與該影像增益之一增益倍率成正相關。
  11. 依申請專利範圍第10項之位移偵測裝置，其中該處理單元另計算該等影像之一隨機雜訊，該增益倍率之一最大增益受限於該隨機雜訊。
  12. 依申請專利範圍第7項之位移偵測裝置，其中該光源以一第一發光頻率、一第二發光頻率及一第三發光頻率發光；該第一發光頻率大於該第二發光頻率且該第二發光頻率大於該第三發光頻率。
  13. 依申請專利範圍第7或12項之位移偵測裝置，其中該光源以一第一發光期間、一第二發光期間及一第三發光期間發光；該第一發光期間小於該第二發光期間且該第二發光期間小於該第三發光期間。
  14. 依申請專利範圍第7或12項之位移偵測裝置，其中該影像感測器以一第一影像增益、一第二影像增益及一第三影像增益輸出該等影像；該第一影像增益大於該第二影像增益且該第二影像增益大於該第三影像增益。
  15. 一種位移偵測裝置之省電方法，包含下列步驟：以一影像感測器以一取樣期間相對一光源之點亮連續擷取影像；以一處理單元根據該等影像計算一位移量；以及以該處理單元根據該位移量與至少一門檻值之一比較結果調整該光源之一發光頻率及一發光期間，其中該發光期間為該光源點亮之一點亮時間區間且該發光期間小於該取樣期間。
  16. 依申請專利範圍第15項之省電方法，另包含：以該處理單元根據該比較結果調整該影像感測器之一影像增益。
  17. 依申請專利範圍第16項之省電方法，另包含：當該位移量高於一第一門檻值時，增加該發光頻率及該影像增益並縮短該發光期間；以及當該位移量低於一第二門檻值時，降低該發光頻率及該影像增益並延長該發光期間。
  18. 依申請專利範圍第15項之省電方法，另包含：當該位移量高於一第一門檻值時，增加該發光頻率並縮短該發光期間；以及當該位移量低於一第二門檻值時，降低該發光頻率並延長該發光期間。
  19. 依申請專利範圍第17或18項之省電方法，其中該第一門檻值等於或不等於該第二門檻值。
  20. 依申請專利範圍第15項之省電方法，另包含：以該處理單元相應該發光期間或該發光頻率調整該影像感測器之一影像增益。
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