TWI524220B - 位移偵測裝置及其運作方法 - Google Patents

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Description

位移偵測裝置及其運作方法
本發明係關於一種互動裝置，特別係關於一種位移偵測裝置及其運作方法。
由於無線光學滑鼠不具有連接主機之信號線，因而大幅提升了其操作便利性，尤其作為一行動電腦之輸入裝置時，更是逐漸取代了傳統的有線滑鼠。然而，無線光學滑鼠一般包含有一光源、一數位信號處理器(Digital Signal Processor)、一影像感測器以及一無線傳輸單元等主動元件，其整體電能消耗量大，因而具有電池使用壽命不足的問題。
為了解決此一問題，習知可透過改變影像感測器之影像擷取頻率及曝光時間的方式來降低無線光學滑鼠之消耗電能；然而於實際使用上，此種方式至少具有下列問題：由於影像感測器之曝光時間會隨著光學滑鼠之移動速度而改變，導致所擷取影像之整體亮度會產生較大變動，而具有較差的穩定性。
另一種習知降低無線光學滑鼠耗能的方式為改變光源之發光頻率。例如參照第1圖所示，根據無線光學滑鼠之位移量，光源之發光頻率例如可分別固定為3000張/秒、1500張/秒或1000張/秒。然而，此種運作方式中，每種發光頻率仍然會消耗不同的電流，例如高速模式消耗的電流可為低速模式3倍。
有鑑於此，本發明另提出一種位移偵測裝置及其運作方法，其可根據不同位移量改變光源之一發光模式，以進一步降低位移偵測裝置之整體耗能。
本發明之一目的在提供一種位移偵測裝置及其運作方法，其根據不同位移量或移動速度改變光源之發光模式，使每種發光模式具有相同的低耗電流。
本發明提供一種位移偵測裝置，包含一影像感測器、一光源、一光源控制單元及一處理單元。該影像感測器以一取樣頻率擷取影像圖框。該光源以至少一速度模式提供該影像感測器擷取影像圖框時所需的光。該光源控制單元以該速度模式控制該光源以一發光頻率點亮或連續熄滅。該處理單元根據該光源點亮時所擷取影像圖框計算一位移量以作為該光源熄滅期間之一預估位移量。
本發明另提供一種位移偵測裝置之運作方法，包含下列步驟：利用一影像感測器以一取樣頻率擷取影像圖框；控制一光源以至少一發光頻率點亮或連續熄滅；以及利用一處理單元根據該光源點亮時所擷取影像圖框計算一位移量以作為該光源熄滅期間之一預估位移量。
本發明另提供一種位移偵測裝置之運作方法，包含下列步驟：利用一影像感測器以一取樣頻率擷取影像圖框；利用一光源同步該取樣頻率連續點亮；利用一處理單元根據該影像感測器所擷取之影像圖框計算一位移量並據以決定該光源之一速度模式；控制該光源以該速度模式點亮或連續熄滅；以及利用該處理單元根據該光源點亮時所擷取影像圖框計算一位移量以作為該光源熄滅期間之一預估位移量。
本發明實施例中，該光源相對應N張影像圖框連續地點亮，接著相對應M張影像圖框連續地熄滅。
一種實施例中，該位移偵測裝置另包含一傳輸介面單元以一報告率輸出該位移量及該預估位移量，其中(M+N)較佳小於等於該光源之一圖框率除以該報告率所得之商；且N較佳大於等於4。
一種實施例中，該處理單元另計算該N張影像圖框之一影像品質，當該影像品質不佳(例如低於一品質門檻值)時，增加N之數值。
一種實施例中，不同的速度模式下該光源之一每秒點亮次數均相同，而且低速模式下N之數值較佳大於高速模式下N之數值。
一種實施例中，該處理單元另根據該位移量即時切換該速度模式。
本發明之位移偵測裝置及其運作方法中，由於N的數值可根據該光源之速度模式及影像圖框之影像品質改變，可有效增加位移量之計算精確度。由於該光源之每秒點亮次數可設計成相等於最低速度模式之每秒點亮次數，可有效降低整體耗能。
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圖，其中位移偵測裝置10雖顯示為一光學滑鼠，但本發明並不限於此；例如位移偵測裝置10亦可為一光學手指滑鼠。
該位移偵測裝置10包含一光源101、一光源控制單元102、一影像感測器103、一記憶單元104、一處理單元105以及一傳輸介面單元106；其他實施例中，該位移偵測裝置10可另包含一光學元件107用以調整該光源101之一照明範圍以及一光學元件108用以調整該影像感測器103之一感光效率。
該影像感測器103例如可為一CCD影像感測器、一CMOS影像感測器或其他用以擷取影像資料之感測裝置，其以一固定的取樣頻率擷取影像圖框。
該光源101例如可為一發光二極體或一雷射二極體，以至少一速度模式發出紅外光或不可見光，用以提供該影像感測器103擷取影像圖框時所需的光，例如此處係透過該位移偵測裝置10之一殼體100的底面上一開孔H照明一工作表面S。此外，當該位移偵測裝置10為一光學手指滑鼠時，該光源101則用以照明一手指表面。
該光源控制單元102用以控制該光源101以不同的速度模式以至少一發光頻率點亮或連續熄滅；例如於一被選定的速度模式下控制該光源101相對應(可同步或不同步)該影像感測器103之取樣頻率發光，以相對應N張影像圖框連續地點亮後，接著相對應M張影像圖框連續地熄滅，如此反覆操作以於該M張影像圖框期間節省光源101之耗能，其中不同速度模式下該光源101之一每秒點亮次數較佳設計為相同(容詳述於後)。
該記憶單元104耦接該處理單元105，用以儲存位移量(速度)門檻值、品質門檻值及其他系統參數。
該處理單元105例如可根據兩張影像間的相關性(correlation)來計算位移量或移動速度，並比對一目前位移量與該位移量門檻值(或一目前移動速度及該速度門檻值)，並根據比較結果透過該光源控制單元102對該光源101進行控制，以進行不同速度模式的切換；其中，該處理單元105只要是能夠處理影像資料的處理器即可，例如數位信號處理器(DSP)，並無特定限制。本發明實施例中，該處理單元105係根據該光源101點亮時所擷取影像圖框計算一位移量，以作為該光源101熄滅期間之一預估位移量。例如一種實施例中，該處理單元105可根據該N張影像圖框計算一位移量或一平均位移量，以作為該M張影像圖框期間之一預估位移量，如此便不需要於M張影像圖框期間計算位移量；亦即，該光源101熄滅期間所擷取之影像圖框可予以捨棄。該處理單元105並可根據該位移量進行該速度模式之切換。此外，該處理單元105另可決定N之數值，例如計算該N張影像圖框之一影像品質，當該影像品質低於一品質門檻值時增加N之數值；亦即，當影像品質不佳時較佳連續擷取較多有效影像圖框以避免求出錯誤的預估門檻值；其中，該影像品質的定義已為習知，故於此不再贅述。此外，該處理單元105另可透過該光源控制單元102控制該光源101於低速模式比高速模式具有較大的N值。
該傳輸介面單元106以一報告率(report rate)將動作資訊(例如，位移量、平均位移量或移動速度)及預估動作資訊(例如，預估位移量、預估平均位移量或預估移動速度)有線或無線地輸出至一外部電子裝置，例如一電腦系統或包含顯示單元之一電子系統，以進行相對應控制；其中，該傳輸介面單元106例如可為有線或無線傳輸介面，其報告率例如為125張/秒或120張/秒，但本發明並不以此為限。
首先，說明本發明之位移偵測裝置10中，該光源101之不同速度模式。例如參照第3A圖所示，其顯示本發明實施例中，該影像感測器103之影像擷取以及該光源101的三種速度模式之示意圖，其中每種速度模式均對應一發光頻率。例如本實施例中，假設影像取樣週期=1/3000秒、高速模式之發光週期=1/3000秒、中速模式之發光週期=1/1500秒，低速模式之發光週期=1/1000秒；其中該等發光週期為該影像取樣週期之整數倍並形成同步，亦即於該影像感測器103之影像擷取期間，該光源101提供擷取影像圖框時所需的光。藉此，雖然該影像感測器103以一固定的影像取樣週期擷取影像，但由於該光源101受到該光源控制單元102之控制而並非相對每次影像圖框擷取時均點亮，因此該影像感測器13所擷取之有效影像係受到該光源101之發光週期所控制；其中，該有效影像例如為圖中實線箭號(表示光源發光)所示者，而虛線箭號表示光源並未發光而使得影像感測器103無法擷取到有效影像(即無效影像)。該處理單元105則基於該影像感測器103所擷取的有效影像進行位移量及移動速度的計算。可以了解的是，第3A圖中所揭示之影像取樣週期(取樣頻率)、發光週期(發光頻率)的數值僅為例示性，並非用以限定本發明。
請參照第3A及3B圖所示，接著說明該處理單元105於兩張有效影像之間所能偵測的最大位移量及最大可偵測速度。一種實施方式中，該影像感測器103相對該光源101之點亮擷取兩張有效影像，例如一第一影像20及一第二影像30。該處理單元105於該第一影像20選定一參考搜尋框21並於該第二影像30選定一搜尋框31。該處理單元105接著計算該參考搜尋框21與該搜尋框31間之一距離以作為該位移偵測裝置10偵測之一目前位移量。為簡化說明，第3B圖中僅考慮X軸方向位移(即圖中水平方向)，實際操作時該位移量可包含X軸方向分量以及Y軸方向分量。最大可偵測位移量係根據該參考搜尋框21位於該第一影像20之最左側以及該搜尋框31位於該第二影像30最右側之情形計算而得者。此實施例中，假設每張影像圖框(即影像感測器之感測陣列尺寸)具有16×16個畫素，該搜尋框31及該參考搜尋框21假設為8×8個畫素，則該處理單元105於連續兩張有效影像間之最大可偵測位移量為8個畫素距離(即最大可偵測畫素數目)。由於該最大可偵測位移量係由每張圖框的尺寸決定，因而不受該光源101之發光頻率影響，亦即該最大可偵測位移量於該光源101之各種速度模式下均相同。
由此可知，當該位移偵測裝置10於連續兩張有效影像間之位移量超過8個畫素距離時，該光源101必須縮短發光週期，如此該處理單元105才能夠偵測到位移量；換句話說，當該位移偵測裝置10之位移量超過該最大可偵測位移量時，該處理單元105則無法計算該位移量，因而必須縮短光源101之發光週期以使該位移偵測裝置10正常運作。因此，該處理單元105可根據所計算之位移量(例如前述位移量)控制該光源101進入不同速度模式，例如高速模式、中速模式或低速模式。可以了解的是，本說明所舉出所有數值設定僅為本發明之一種實施方式，並非用以限定本發明。
然而，不同速度模式下的最大可偵測速度並不相同。例如，假設每個畫素尺寸為40×40微米，則每種模式下之最大可偵測速度=最大可偵測畫素數目×每個畫素尺寸×圖框率。因此，高速模式的最大可偵測速度=8×40×3000=960000微米/秒=37.8吋/秒(IPS)；同理，中速及低速模式之最大可偵測速度顯示於第3C圖，其中有效圖框率係為該光源101之發光週期的倒數。
為了進一步降低位移偵測裝置10之光源101的耗能，本發明進而使高速模式及中速模式中光源之 一每秒點亮次數相等於低速模式，因此該光源101可以最低的每秒點亮次數點亮，以有效降低耗能。
請參照第4A圖所示，其顯示本發明實施例之位移偵測裝置10之影像擷取及光源點亮之示意圖。首先決定該光源101之速度模式，該影像感測器103以一固定的取樣頻率(例如每秒3000張)擷取影像圖框，該光源101則同步該取樣頻率連續點亮。該處理單元105根據該影像感測器103所擷取的影像圖框計算一位移量，並根據該位移量與至少一位移量門檻值的比較結果決定一速度模式，例如高速、中速或低速模式。接著，該處理單元105通知該光源控制單元102以該速度模式控制該光源101以不同發光方式發光，例如相對應N張影像圖框連續地點亮以使該影像感測器103於該N張影像圖框期間得以連續擷取N張有效影像，接著控制該光源101相對應M張影像圖框連續地熄滅，因而該影像感測器103於該M張影像圖框期間無法擷取有效影像。例如第4A圖中，I1表示相對應N張影像圖框之有效影像，I2表示相對應M張影像圖框之無效影像；例如第4A圖中，高速模式中該光源101連續點亮4張後，接著連續8張不點亮；中速模式中該光源101連續點亮8張後，接著連續4張不點亮；低速模式中該光源101則維持固定發光頻率點亮。可以了解的是，第4A圖中該光源101之點亮(N)及熄滅(M) 的張數僅為例示性，並非用以限定本發明。
該處理單元105則根據有效影像計算位移量，例如根據該N張影像圖框計算一位移量或一平均位移量以作為該M張影像圖框期間之一預估位移量。較佳地，所述N之數目係大於等於4，以使得該處理單元105得以正確估測M張影像圖框期間之該估測位移量。一種實施例中，低速模式下N之數值大於高速模式下N之數值，以增加系統穩定性。此外，由於M張影像圖框期間的長短係受到該傳輸介面單元106之報告率的限制，因此該M張影像圖框期間較佳低於8毫秒(報告率為125次/秒時)，或者(M+N)較佳低於該光源101之圖框率(此處該圖框率係指一速度模式下該光源101於正常兩張連續點亮時間間隔的倒數)與該報告率相除所得之商，以避免無法正確計算該位移量；例如當報告率為125次/秒，高速模式下(M+N)較佳低於25，中速模式下(M+N)較佳低於13，其中該數值僅為例示性。
請參照第4B圖所示，透過上述運作方法，該光源101之每秒點亮次數均為1000張，因此每種速度模式下該光源101之耗電流均相同，且總耗電流相較於第3A圖更低。此外，由於該影像感測器103於N張影像圖框期間仍然是根據原本的圖框率進行取樣，故最大可偵測速度仍可維持與第3C圖相同。
本發明實施例之位移偵測裝置之運作方法係包含下列步驟：利用一影像感測器以一取樣頻率擷取影像圖框；控制一光源以至少一發光頻率點亮或連續熄滅；以及利用一處理單元根據該光源點亮時所擷取影像圖框計算一位移量以作為該光源熄滅期間之一預估位移量。
請參照第4A及5A圖所示，例如一種實施例中，本發明之位移偵測裝置之運作方法可包含下列步驟：利用該影像感測器103以一固定的取樣頻率擷取影像圖框(步驟S11)；控制該光源101以一發光頻率發光，以相對應N張影像圖框連續地點亮，使該影像感測器103連續擷取N張有效影像圖框；接著相對應M張影像圖框連續地熄滅，以節省該M張影像圖框期間該光源101之耗能(步驟S12)；以及利用該處理單元105根據該N張有效影像圖框計算一位移量以作為該M張影像圖框期間之一預估位移量(步驟S13)。本實施例中，N較佳大於等於4。該運作方法可另包含下列步驟：利用該傳輸介面單元106以一報告率輸出該位移量及該預估位移量，其中(M+N)小於等於該光源101之一圖框率除以該報告率所得之商，以避免得到錯誤位移量(步驟S14)；以及利用該處理單元105根據該N張影像圖框計算一影像品質，當該影像品質低於一品質門檻值時增加N之數值，以增加計算精確度(步驟S15)。
本發明另一實施例之位移偵測裝置之運作方法係包含下列步驟：利用一影像感測器以一取樣頻率擷取影像圖框；利用一光源同步該取樣頻率連續點亮；利用一處理單元根據該影像感測器所擷取之影像圖框計算一位移量並據以決定該光源之一速度模式；控制該光源以該速度模式點亮或連續熄滅；以及利用該處理單元根據該光源點亮時所擷取影像圖框計算一位移量以作為該光源熄滅期間之一預估位移量。
請參照第4A及5B圖所示，例如一種實施例中，該位移偵測裝置之光源101具有多個速度模式，本發明之位移偵測裝置之運作方法可包含下列步驟：利用該影像感測器103以一固定的取樣頻率擷取影像圖框(步驟S21)；利用該光源101同步該取樣頻率連續點亮(步驟S22)；利用該處理單元105根據該影像感測器103所擷取之影像圖框計算一位移量並據以決定該光源101之一速度模式(步驟S23)；控制該光源101以該速度模式發光，以相對應N張影像圖框連續地點亮，使該影像感測器103連續擷取N張有效影像圖框；接著相對應M張影像圖框連續地熄滅，以節省該M張影像圖框期間該光源101之耗能(步驟S24)；以及利用該處理單元105根據該N張有效影像圖框計算一位移量以作為該M張影像圖框期間之一預估位移量(步驟S25)。此實施例中，該處理單元105另可根據該位移量即時切換該速度模式。本實施例中，低速模式下N的數值較佳大於高速模式下N的數值，以增加系統穩定性。同樣地，N較佳大於等於4，以增加計算該位移量之精確度。本實施例可另包含下列步驟：利用該傳輸介面單元106以一報告率輸出該位移量及該預估位移量，其中(M+N)小於等於該光源101之一圖框率除以該報告率所得之商，以避免得到錯誤的位移量(步驟S26)；以及利用該處理單元105根據該N張影像圖框計算一影像品質，且當該影像品質低於一品質門檻值時增加N之數值，以增加計算精確度(步驟S27)。必須說明的是，步驟S22中光源101可以任意速度模式連續點亮，例如以最低速度模式連續點亮2~3張或3張以上。本發明實施例中，所述有效影像圖框係指相對光源點亮時所被擷取之影像圖框。
本發明實施例中，該光源101係相對應N張影像圖框連續地點亮後，接著相對應M張影像圖框連續地熄滅；該處理單元105根據該光源101點亮時所擷取影像圖框計算一位移量以作為一參考位移量，該參考位移量可作為該光源熄滅期間之位移量。
綜上所述，習知光學滑鼠雖可透過改變影像擷取頻率或光源頻率節省耗能，但卻分別具有穩定性差及耗電流不固定等問題。本發明另提出一種位移偵測裝置(第2A及2B圖)及其運作方法(第5A及5B圖)，其於不同速度模式下均具有相同耗電流，具有較佳的穩定性並可有效降低整體消耗電流。
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。
10．．．位移偵測裝置
100．．．殼體
101．．．光源
102．．．光源控制單元
103．．．影像感測器
104．．．記憶單元
105．．．處理單元
106．．．傳輸介面單元
107、108．．．光學元件
20．．．第一影像
21．．．參考搜尋框
30．．．第二影像
31．．．搜尋框
I1、I2．．．影像圖框
S11~S15．．．步驟
S21~S27．．．步驟
S．．．工作表面
H．．．開孔
第1圖顯示習知光學滑鼠之影像擷取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圖。
第3A圖顯示本發明實施例之位移偵測裝置之光源的不同速度模式。
第3B圖顯示本發明實施例之位移偵測裝置計算最大可偵測位移量之示意圖。
第3C圖顯示本發明實施例之位移偵測裝置中，有效圖框率以及相對應的最大可偵測速度。
第4A圖顯示本發明實施例之位移偵測裝置之影像擷取及光源點亮之示意圖。
第4B圖顯示本發明實施例之位移偵測裝置中，光源之每秒點亮次數以及相對應的最大可偵測速度。
第5A~5B圖顯示本發明實施例之位移偵測裝置之運作方法之流程圖。
10．．．位移偵測裝置
100．．．殼體
101．．．光源
103．．．影像感測器
107．．．光學元件
108．．．光學元件
S．．．工作表面
H．．．開孔

Claims (20)

  1. 一種位移偵測裝置，包含：一影像感測器，以一取樣頻率擷取影像圖框；一光源，以至少一速度模式提供該影像感測器擷取影像圖框時所需的光；一光源控制單元，以該速度模式控制該光源以一發光頻率相對應N張影像圖框連續地點亮後，接著相對應M張影像圖框連續地熄滅；以及一處理單元，根據該速度模式下該光源點亮時所擷取影像圖框計算一位移量以作為該速度模式下該光源熄滅期間之一預估位移量。
  2. 依申請專利範圍第1項之位移偵測裝置，其中N大於等於4。
  3. 依申請專利範圍第1項之位移偵測裝置，另包含一傳輸介面單元以一報告率輸出該位移量及該預估位移量，其中(M+N)小於等於該光源之一圖框率除以該報告率所得之商。
  4. 依申請專利範圍第1項之位移偵測裝置，其中該速度模式包含一高速模式及一低速模式，該處理單元另根據該位移量切換該速度模式。
  5. 依申請專利範圍第4項之位移偵測裝置，其中該高速模式及該低速模式下，該光源之一每秒點亮次數相同。
  6. 依申請專利範圍第4或5項之位移偵測裝置，其中該低速模式下N之數值大於該高速模式下N之數值。
  7. 依申請專利範圍第6項之位移偵測裝置，其中該處理單元另計算該N張影像圖框之一影像品質，並當該影像品質低於一品質門檻值時增加N之數值。
  8. 依申請專利範圍第1項之位移偵測裝置，其中該位移偵測裝置為一光學滑鼠或一光學手指滑鼠。
  9. 一種位移偵測裝置之運作方法，包含下列步驟：利用一影像感測器以一取樣頻率擷取影像圖框；控制一光源以至少一發光頻率相對應N張影像圖框連續地點亮後，接著相對應M張影像圖框連續地熄滅；以及利用一處理單元根據該光源點亮時所擷取影像圖框計算一位移量以作為該光源熄滅期間之一預估位移量。
  10. 依申請專利範圍第9項之運作方法，另包含下列步驟：利用一傳輸介面單元以一報告率輸出該位移量及該預估位移量，其中(M+N)小於等於該光源之一圖框率除以該報告率所得之商。
  11. 依申請專利範圍第9項之運作方法，其中N大於等於4。
  12. 依申請專利範圍第9項之運作方法，另包含下列步驟：利用該處理單元根據該N張影像圖框計算一 影像品質，並當該影像品質低於一品質門檻值時增加N之數值。
  13. 一種位移偵測裝置之運作方法，包含下列步驟：利用一影像感測器以一取樣頻率擷取影像圖框；利用一光源同步該取樣頻率連續點亮；利用一處理單元根據該影像感測器所擷取之影像圖框計算一位移量並據以決定該光源之一速度模式；控制該光源以該速度模式點亮或連續熄滅；以及利用該處理單元根據該光源點亮時所擷取影像圖框計算一位移量以作為該光源熄滅期間之一預估位移量。
  14. 依申請專利範圍第13項之運作方法，另包含下列步驟：利用該處理單元根據該位移量即時切換該速度模式。
  15. 依申請專利範圍第14項之運作方法，其中不同的速度模式下，該光源之一每秒點亮次數相同。
  16. 依申請專利範圍第14或15項之運作方法，其中該光源相對應N張影像圖框連續地點亮後，接著相對應M張影像圖框連續地熄滅。
  17. 依申請專利範圍第16項之運作方法，其中該速度模式包含一高速模式及一低速模式，且該低速模式下N之數值大於該高速模式下N之數值。
  18. 依申請專利範圍第16項之運作方法，其中N大於等於4。
  19. 依申請專利範圍第16項之運作方法，另包含下列步驟：利用該處理單元根據該N張影像圖框計算一影像品質，並當該影像品質低於一品質門檻值時增加N之數值。
  20. 依申請專利範圍第16項之運作方法，另包含下列步驟：利用一傳輸介面單元以一報告率輸出該位移量及該預估位移量，其中(M+N)小於等於該光源之一圖框率除以該報告率所得之商。
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