TWI516990B - 具有可調整追蹤參數的導航裝置 - Google Patents

具有可調整追蹤參數的導航裝置 Download PDF

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Description

具有可調整追蹤參數的導航裝置
本發明係關於一種輸入裝置，特別係關於一種導航裝置及其操作方法，其根據一工作表面形式具有可調整的追蹤參數。
一光學滑鼠通常係操作於一工作表面上且用以計算相對該工作表面之一相對移動。該光學滑鼠通常包含一影像感測器及一處理單元。該影像感測器以一曝光參數擷取影像圖框。該處理單元係用以計算該等影像圖框之一平均強度並根據所求得之平均強度決定是否調整該曝光參數。例如，如果該工作表面為一反射面，所擷取的影像圖框具有一較高的平均強度以致於一曝光時間被減少以允許該處理單元能夠正確計算該相對移動。相反地，如果該工作表面為一吸收面，所擷取的影像圖框則具有一較低的平均強度以致於可能需要延長該曝光時間來增加影像特徵。
然而，習知上該光學滑鼠的追蹤策略並不會隨著該曝光參數的調整而改變。該追蹤策略會是決定計算該相對移動的正確性之一重要因素。
有鑑於此，本發明另提出一種導航裝置及該導航裝置之一操作方法，其可基於一工作表面的不同表面形式選擇不同追蹤策略以增進計算精確度或計算效率。
本發明提出一種導航裝置及該導航裝置之一操作方法，其可對應該導航裝置目前操作所在的一工作表面之該表面形式決定一追蹤策略。
本發明另提出一種導航裝置及該導航裝置之一操作方法，其可對應該工作表面之不同表面形式施行不同的自動曝光機制以減少功率 消耗或增強影像品質。
本發明提出一種導航裝置，其包含一影像感測器、一記憶單元及一處理單元。該影像感測器係以一預設影像擷取參數擷取該工作表面之一影像圖框。該記憶單元儲存有包含關聯於該預設影像擷取參數之不同表面類別的表面品質側像之一查找表及複數組追蹤參數，其中每一該表面類別係關聯於一組該追蹤參數。該處理單元係用以計算該影像圖框的表面品質，比較該表面品質與該查找表以決定該工作表面之該表面類別，以及根據對應該工作表面之該表面類別之該組追蹤參數施行一追蹤操作。
本發明另提出一種導航裝置之一操作方法，包含下列步驟：使用一影像感測器以一預設影像擷取參數擷取該工作表面之一影像圖框；使用一處理單元計算關聯於不同品質門檻值之該影像圖框的表面品質；使用該處理單元比較該表面品質與一查找表以決定該工作表面之一表面類別，其中該查找表包含關聯於該預設影像擷取參數之不同表面類別的表面品質側像；以及根據該工作表面之該表面類別施行一追蹤操作。
本發明另提出一種導航裝置之一操作方法，包含下列步驟：使用一影像感測器以一預設影像擷取參數擷取該工作表面之一第一影像圖框；使用一處理單元計算該第一影像圖框之一平均強度以決定一操作影像擷取參數；使用該影像感測器以該操作影像擷取參數擷取該工作表面之一第二影像圖框；使用該處理單元計算關聯於不同品質門檻值之該第二影像圖框的表面品質；使用該處理單元比較該表面品質與一查找表以決定該工作表面之一表面類別，其中該查找表包含關聯於該操作影像擷取參數之不同表面類別的表面品質側像；以及根據該工作表面之該表面類別施行一追蹤操作。
一樣態中，每一該表面品質側像包含複數表面品質對照不同品質門檻值，其中該等表面品質及該等品質門檻值可為一濾波後影像圖框的像素強度。
一樣態中，每一組該追蹤參數包含一景深、一數位濾波器形式及一區塊尺寸至少其中之一。
一樣態中，該影像擷取參數可包含該光源及該影像感測器兩者擷取該等影像圖框時之參數，例如一曝光時間、一快門時間、一影像 增益、一照明持續時間及一照明亮度至少其中之一。
本發明之該導航裝置及其操作方法可對應不同表面類別來計算位移、施行抬升偵測及自動曝光機制以致於能選用不同追蹤策略來達到減少功率消耗或增加計算精確度的目的。
為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
1‧‧‧導航裝置
11‧‧‧光源
12‧‧‧影像感測器
13‧‧‧記憶單元
14‧‧‧處理單元
15‧‧‧濾波器
16‧‧‧品質單元
IF‧‧‧影像圖框
IF_filtered‧‧‧濾波後影像圖框
S‧‧‧工作表面
圖1顯示本發明一實施例之導航裝置之示意圖。
圖2顯示本發明實施例之導航裝置計算表面品質計數之示意圖。
圖3A-3B顯示本發明中包含不同表面類別的表面品質側像之示例性的查找表。
圖4顯示本發明一實施例之導航裝置之操作方法之流程圖。
圖5顯示本發明另一實施例之導航裝置之操作方法之流程圖。
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。此外，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。
請參照圖1，其顯示本發明之一實施例之導航裝置1之示意圖，其於此顯示類似於一光學滑鼠。該導航裝置1係用以在一工作表面S上操作以根據擷取該工作表面S的影像圖框施行追蹤操作，例如計算位移及/或施行抬升偵測。該導航裝置1包含一光源11、一影像感測器12、一記憶單元13及一處理單元14，其中該記憶單元13可以或不用內建在該處理單元14中。此外，本發明之該導航裝置1可另包含用以調整光程(optical path)的一透鏡或透鏡組。
本發明之該導航裝置1係用以對應該工作表面S之不同類別採取不同追蹤策略，例如在具有明顯影像特徵之一表面類別中，可採取一較小比較區塊、一較小濾波器尺寸及濾波器強度以及一較小景深(depth of field,DOF)；相反地，在不具有明顯影像特徵之一表面類別中，則採取一較大比較區塊、一較大濾波器尺寸及濾波器強度以及一較大景深。
該濾波器尺寸及濾波器強度可決定用來處理該影像感測器12所擷取的一影像圖框IF之一數位濾波器的濾波效果。該比較區塊可為計算位移所使用的參考區塊及搜尋區塊，例如，該處理單元14可在一第一影像圖框中選擇一參考區塊且於一第二影像圖框中選擇一搜尋區塊以根據該參考區塊與該搜尋區塊之間的相關性來計算位移。調整該比較區塊之一區塊尺寸的細節例如可參照本發明相同受讓人所擁有的美國專利公開第2011/0150363號，標題為”位移偵測裝置及方法(Displacement detection apparatus and method)”。該景深可用於抬升偵測。由於該景深、數位濾波器形式及區塊尺寸可影響追蹤操作，其於本發明中稱為追蹤參數。
該光源11可為至少一發光二極體、雷射二極體或其他主動發光源。該光源11係以一照明持續時間、一照明頻率及/或一照明亮度(例如由該光源的驅動電流或電壓決定)照亮該工作表面S。例如，當該照明持續時間及/或照明亮度較大時，該工作表面S可反射較強的反射光；反之，當該照明持續時間及/或照明亮度較小時，該工作表面S則反射較弱的反射光。該光源11能發出一固定波長或一可變波長之光，其較佳為不可見光的光譜。
該影像感測器12可為一電荷耦合元件(CCD)影像感測器、一互補式金氧半導體(CMOS)影像感測器或其他適用於轉換光能量至電訊號的感測器。該影像感測器12係以一曝光時間、一快門時間及/或一影像增益依次擷取自該光源11所照亮之該工作表面S的反射光以輸出影像圖框IF。例如，當該曝光時間、快門時間及/或影像增益較大時，該等影像圖框IF的平均亮度較高；反之，當該曝光時間、快門時間及/或影像增益較小時，該等影像圖框IF的平均亮度則較低。由於該曝光時間、快門時間及影像增益可影響所擷取之該等影像圖框IF，其於本發明中稱為影像擷取參數。此外，由於該光源11的操作參數，例如該照明持續時間及照明亮度亦可影響 所擷取之該影像圖框IF，於此該影像擷取參數可另包含該光源11之該照明持續時間及該照明亮度。一實施例中，該影像感測器12的一取樣頻率可高於該光源11之一照明頻率以致於能計算一亮影像圖框(亦即光源開啟時)與一暗影像圖框(亦即光源關閉時)間之一差異以消除環境雜訊。
如上所述，由於該影像擷取參數可影響所擷取之該等影像圖框IF，為了公平地對該工作表面S分類，該影像感測器12較佳以一預設影像擷取參數擷取該工作表面S之一影像圖框。該記憶單元13預先儲存有包含關聯於該預設影像擷取參數之不同表面類別的表面品質側像之一查找表以及儲存有複數組追蹤參數，其中，該查找表的每一該表面類別係關聯於一組該追蹤參數。
舉例而言，圖3A顯示包含關聯於該預設影像擷取參數之四個表面類別A至D的表面品質側像之一查找表。每一該表面類別係關聯於一組該追蹤參數，例如包含具有不同數值的景深A至景深D、濾波器A至濾波器D以及區塊尺寸A至區塊尺寸D。如圖3A所示，每一該表面品質側像係關聯於一個類別且包含複數表面品質(亦即表面品質計數)對照不同品質門檻值，例如包含8、16、24…64。本發明中，該等表面品質係表示該影像圖框IF之畫素強度的數位值，例如該影像圖框IF相鄰畫素之間的強度差或有關該光源11所發出不同光色的強度反應，但不限於此。該畫素強度亦可以是其他用以展現該影像圖框IF特徵之性質。可以瞭解的是，該類別及品質門檻值的數量並不限於圖3A所示。
舉例而言，建構一表面品質側像之一方法可如圖2所示。該影像感測器12輸出一數位影像圖框IF。一濾波器15係用以對該影像圖框IF進行濾波並輸出一濾波後影像圖框IF_filtered，其中該濾波器15係適用於展現該影像圖框IF特徵之一數位濾波器。一品質單元16接著比較該濾波後影像圖框IF_filtered之每一個畫素的強度(或相鄰畫素之間的強度差)與不同品質門檻值(例如圖3A所示之8至64)並得到具有大於該品質門檻值強度的畫素數量(例如本說明中為表面品質計數)。例如圖3A的A類別中，111個畫素的強度大於品質門檻值(TH)8、94個畫素的強度大於品質門檻值16…以此類推。而且對應該工作表面S的不同類別可施行相同程序。藉此，可以建構包含不同表面類別的表面品質側像之一查找表並預先儲存在該記 憶單元13中。更精確地說，一表面品質側像表示相對該品質門檻值之表面品質分佈。本發明中，該濾波器15及該品質單元16可以或不用內建在該處理單元14之中。
該處理單元14可為一數位訊號處理器(DSP)或用以後處理(post-process)自該影像感測器12所輸出之該等影像圖框IF者。本發明中，該處理單元14係用以計算一影像圖框IF的表面品質、比較該影像圖框IF之該表面品質與該查找表以決定該工作表面S之一表面類別、以及根據對應該工作表面S之該表面類別之該組追蹤參數施行一追蹤操作。
該處理單元14計算關聯於用以建構該查找表之不同品質門檻值(例如圖3A所示之8、16…64)的至少一部分之該影像圖框IF的表面品質以得到該工作表面S之一表面品質側像，例如圖3A所示之105、80、69…25。可以瞭解的是，計算愈多品質門檻值可得到愈高的分類精確度。
在比較該影像圖框IF之該品質側像與該查找表之後，例如計算該影像圖框IF之該影像品質與該查找表之該表面品質側像之間的一相似度，即可對該工作表面S作出分類。舉例而言，可以在每一品質門檻值下計算該影像圖框IF之該表面品質與每一表面品質側像之該表面品質計數之間的差異的絕對值加總或差異的平方值加總以作為該相似度，但不限於此，例如圖3A顯示該影像圖框IF與類別A之該表面品質側像具有最高相似度。該處理單元14接著選擇對應該工作表面S之該表面類別之該組追蹤參數，例如景深A、濾波形式A及區塊尺寸A，以計算該位移以及施行抬升偵測。可以瞭解的是，在長時間操作中，該導航裝置1可週期性地確認該工作表面S的類別以決定是否改變該追蹤策略。
此外，該導航裝置1另用以對應該工作表面S之該表面類別施行一自動曝光；亦即，每一該表面類別可關聯於一各別自動曝光機制。舉例而言，調整該影像擷取參數之一預設可調整範圍可預先設置對應每一自動曝光機制以維持該影像感測器12所擷取之該等影像圖框IF之該平均亮度在一預設範圍之內，例如一255灰階尺度的150至180灰階，但不限於此。在具有明顯特徵的類別中，可選用減少功率消耗的自動曝光機制，而在不具有明顯特徵的類別中，可選用增加計算精確度的自動曝光機制。
此外，該預設影像擷取參數可根據一先前影像圖框之一平 均亮度被一影像擷取參數所取代。也就是說，可先擷取一校對影像圖框並計算其平均亮度。接著，該導航裝置1根據求得的平均亮度決定一組影像擷取參數。本實施例中，該記憶單元13可預先儲存有關聯於影像擷取參數不同組合(亦即不同類別)的複數查找表，如圖3B所示。當決定一組影像擷取參數時(例如擷取參數1或2)，則可決定所對應的查找表。或者，該記憶單元13可僅儲存一個查找表，接著使用關聯於該影像擷取參數的不同組合之一預設偏移演算法加入一偏移至該表面品質側像，例如圖3B中A'與B'類別分別具有自A與B類別之一向下偏移(downward offset)。可以瞭解的是，該偏移並不限於向下偏移，也可以是一向上偏移(upward offset)。
請參照圖4，其顯示本發明一實施例之一導航裝置之操作方法之流程圖，其包含步驟：以一預設影像擷取參數擷取一工作表面之一影像圖框(步驟S21)；計算關聯於不同品質門檻值之該影像圖框的表面品質(步驟S22)；比較該表面品質與一查找表以決定該工作表面之一表面類別(步驟S23)；以及根據該工作表面之該表面類別施行一追蹤操作(步驟S24)。
本實施例中，為了決定一表面類別，該導航裝置1始終(即使在操作期間)使用一預設影像擷取參數，例如包含一曝光時間、一快門時間、一影像增益、一照明持續時間及一照明亮度至少其中之一來擷取一影像圖框IF(步驟S21)。該處理單元14接著計算關聯於用來建構該查找表的不同品質門檻值之該影像圖框IF的表面品質，例如圖3A所示之8、16、24…64(步驟S22)。如上所述，該處理單元14可計算僅關聯於該品質門檻值的一部分之該影像圖框IF的表面品質。在得到該影像圖框IF之該表面品質之後，該處理單元14接著比較該影像圖框IF之該表面品質與該查找表之該表面品質側像以決定該導航裝置1目前所操作之該工作表面S之一表面類別(步驟S23)。最後，該導航裝置1根據該工作表面S之該表面類別施行一追蹤操作，例如，使用對應的追蹤參數，例如一景深、一數位濾波器形式或一區塊尺寸至少其中之一，以計算該位移及/或施行抬升偵測。亦可對應所選擇的表面類別施行該自動曝光(步驟S24)。
請參照圖5，其顯示本發明另一實施例之一導航裝置之操作方法之流程圖，其包含步驟：以一預設影像擷取參數擷取該工作表面之一第一影像圖框(步驟S301)；計算該第一影像圖框之一平均強度以決定一操 作影像擷取參數(步驟S302)；以該操作影像擷取參數擷取該工作表面之一第二影像圖框(步驟S31)；計算關聯於不同品質門檻值之該第二影像圖框的表面品質(步驟S32)；比較該表面品質與一查找表以決定該工作表面之一表面類別(步驟S33)；以及根據該工作表面之該表面類別施行一追蹤操作(步驟S34)，其中，該第二影像圖框可以是在該第一影像圖框之後所擷取的任意影像圖框。
本實施例與圖4之差異在於對該工作表面S進行分類之前，先決定一適合的操作影像擷取參數。本實施例可被用於(1)確認該表面類別在操作期間是否改變，或者(2)確認用來識別該表面類別之該影像圖框是否恰當。也就是說，該導航裝置1可儲存有關聯於不同操作影像擷取參數之複數查找表，或儲存有一查找表及如圖3B所示該表面品質側像中表面品質計數之一偏移機制。該影像感測器12首先以一預設影像擷取參數擷取一第一影像圖框(步驟S301)，其中，該第一影像圖框係用來確認該預設影像擷取參數是否恰當而非用來分類該工作表面S。該處理單元14接著根據該第一影像圖框之一平均亮度決定一合適的操作影像擷取參數(步驟S302)，其中，該平均亮度可為該第一影像圖框之畫素的一部分或全部的平均。可以瞭解的是，如果該第一影像圖框夠好，例如其平均亮度在一合適範圍內，該操作影像擷取參數可與該預設影像擷取參數相同。決定該操作影像擷取參數之後，該處理單元14根據該第一影像圖框後所擷取之一第二影像圖框並根據圖5的步驟S31至S34識別該表面類別。本實施例中，由於步驟S31至S34與圖4中步驟S21至S24相似，圖4中僅該預設影像擷取參數被該操作影像擷取參數所取代以及圖4中該影像圖框被該第二影像圖框所取代，因此步驟S31至S34的細節於此不再重複說明。
如上所述，習知光學滑鼠無法對應曝光參數或表面形式調整追蹤參數。因此，為了提高計算準確度或計算效率，本發明另提出一導航裝置(圖1)及該導航裝置之一操作方法(圖4及5)，其可對應不同工作表面選擇一合適的追蹤參數組。
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‧‧‧導航裝置
11‧‧‧光源
12‧‧‧影像感測器
13‧‧‧記憶單元
14‧‧‧處理單元
IF‧‧‧影像圖框
S‧‧‧工作表面

Claims (19)

  1. 一種導航裝置，用以在一工作表面上操作，該導航裝置包含：一影像感測器，以一預設影像擷取參數擷取該工作表面之一影像圖框；一記憶單元，儲存有一查找表及複數組追蹤參數，該查找表包含關聯於該預設影像擷取參數之不同表面類別的表面品質側像，其中每一該表面類別係關聯於一組該追蹤參數；及一處理單元，用以計算該影像圖框的表面品質，比較該表面品質與該查找表以決定該工作表面之該表面類別，以及根據對應該工作表面之該表面類別之該組追蹤參數施行一追蹤操作，其中每一組該追蹤參數包含一數位濾波器尺寸及一數位濾波器強度。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之導航裝置，其中每一該表面品質側像包含複數表面品質對照不同品質門檻值。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之導航裝置，其中該處理單元係用以計算關聯於至少一部分該不同品質門檻值之該影像圖框之該表面品質。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之導航裝置，其中每一組該追蹤參數另包含一景深及一區塊尺寸至少其中之一。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之導航裝置，其中該處理單元計算該影像圖框之該表面品質與該查找表之該表面品質側像之間的一相似度以決定該工作表面之該表面類別。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之導航裝置，其中該預設影像擷取參數包含一曝光時間、一快門時間、一影像增益、一照明持續時間及一照明亮度至少其中之一。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之導航裝置，其中該處理單元另用以根據對應該工作表面之該表面類別之該組追蹤參數施行一抬升偵測。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之導航裝置，其中該導航裝置另用以對應該工作表面之該表面類別施行一自動曝光。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之導航裝置，其中該處理單元另用以根據一先前影像圖框之一平均強度決定一影像擷取參數以取代該預設影像擷取參數。
  10. 一種導航裝置之操作方法，該導航裝置係用以在一工作表面上操作，該操作方法包含：使用一影像感測器以一預設影像擷取參數擷取該工作表面之一影像圖框；使用一處理單元計算關聯於不同品質門檻值之該影像圖框的表面品質；使用該處理單元比較該表面品質與一查找表以決定該工作表面之一表面類別，其中該查找表包含關聯於該預設影像擷取參數之不同表面類別的表面品質側像；及根據該工作表面之該表面類別施行一追蹤操作， 其中該查找表的每一該表面類別係關聯於一組追蹤參數，每一組該追蹤參數包含一數位濾波器尺寸及一數位濾波器強度。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之操作方法，其中每一組該追蹤參數另包含一景深及一區塊尺寸至少其中之一。
  12. 如申請專利範圍第10項所述之操作方法，另包含：根據該工作表面之該表面類別執行一抬升偵測。
  13. 如申請專利範圍第10項所述之操作方法，其中該查找表之每一該表面類別係關聯於一各別自動曝光機制。
  14. 一種導航裝置之操作方法，該導航裝置係用以在一工作表面上操作，該操作方法包含：使用一影像感測器以一預設影像擷取參數擷取該工作表面之一第一影像圖框；使用一處理單元計算該第一影像圖框之一平均強度以決定一操作影像擷取參數；使用該影像感測器以該操作影像擷取參數擷取該工作表面之一第二影像圖框；使用該處理單元計算關聯於不同品質門檻值之該第二影像圖框的表面品質；使用該處理單元比較該表面品質與一查找表以決定該工作表面之一表面類別，其中該查找表包含關聯於該操作影像擷取參數之不同表面類別的表面品質側像；及根據該工作表面之該表面類別施行一追蹤操作， 其中該查找表之每一該表面類別係關聯一組追蹤參數，該組追蹤參數包含一數位濾波器尺寸及一數位濾波器強度。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之操作方法，其中該預設影像擷取參數及該操作影像擷取參數包含一曝光時間、一快門時間、一影像增益、一照明持續時間及一照明亮度至少其中之一。
  16. 如申請專利範圍第14項所述之操作方法，其中該組追蹤參數另包含一景深及一區塊尺寸至少其中之一。
  17. 如申請專利範圍第14項所述之操作方法，其中該導航裝置儲存有關聯於不同操作影像擷取參數之複數查找表或一偏移演算法。
  18. 如申請專利範圍第14項所述之操作方法，另包含：根據該工作表面之該表面類別執行一抬升偵測。
  19. 如申請專利範圍第14項所述之操作方法，其中該查找表之每一該表面類別係關聯於一各別自動曝光機制。
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