CN100590577C - 触摸屏定位装置及其定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种触摸屏定位装置及其定位方法，包括显示屏幕、单个图像感应器，单色线状光源设置在显示屏幕的任一侧面或任一角落，单色线状光源发出的线状单色光与显示屏幕平行且尽可能地贴近显示屏幕，单色线状光可以覆盖到整个屏幕显示区域；图像感应器安装在离开显示屏幕一定距离且可以拍摄到整个显示屏幕的位置；高亮光斑检测处理模块连接在图像感应器与计算机之间。本发明可以仅采用单个图像感应器来获得图像，简化了结构；不需要进行图像同步处理，简化了定位算法；不需要有源发光笔作为图像信号发生设备，使用灵活、方便；采用单色光源，提高了***的抗外界光干扰能力。
Description
【技术领域】
本发明涉及一种使用摄像头或图像感应器的定位装置，特别是涉及一种用作触摸屏的摄像头或图像感应器屏幕定位装置及其定位方法。
【背景技术】
现有的使用摄像头的触摸屏定位装置，其***组成主要有两种形式：一种是使用两个或两个以上的数字摄像头如CCD摄像头连续获取目标图像，然后利用数字信号处理器(DSP)对每个摄像头获得的图像进行处理，最后对图像进行合成分析计算出目标物在屏幕上的位置坐标。类似的技术在申请号为200510100255.6国内专利中有叙述。
采用这种方案，虽然可以不使用有源发光笔，定位也比较准确，但同时也存在以下几个方面的不足：
一、***结构较为复杂，需要多个摄像头同时工作，并需要解决不同摄像头之间的图像同步问题。
二、图像处理算法以及定位算法均较复杂。
三、成本较高。
另外一种形式是使用单个摄像头，通过有源的发光笔在屏幕上产生图像点，摄像头获取图像点的图像后送到数字信号处理器(DSP)中进行处理，最后对图像进行分析，计算出目标图像在屏幕上的位置坐标。如申请号为200410077389.6的国内专利公开了一种用于背投显示的使用单个摄像头的定位装置和校准方法；申请号为99110572.9的国内专利就公开了一种基于大屏幕显示的“光电虚拟黑板”***，它采用头部带有可控红外点状光源的光笔指示棒作为图像信号的产生设备，通过带有CCD摄像器件的视频处理装置获取图像信号，使用计算机来处理图像的位置信息和指令信息。
采用这种方案，虽然***结构比上一种方案简单，成本有所降低，但由于自身原理的限制，仍然存在以下几点问题：
一、需要使用有源的发光笔作为图像信号的产生设备，因此需要经常更换电池或充电，实际使用中极为不便；另外，发光笔作为必备的设备，一旦遗失或损坏就会造成定位装置无法使用，极大的限制了使用的灵活性与便利性。
二、容易受到外界环境光的干扰。使用此种方案，当外界环境光稍强时***就会出现定位不准甚至无法使用的状况。
因此，对现有技术进行改进，能够提供一种结构简单、使用灵活便利、抗干扰能力强、成本较低的屏幕定位装置实为必要。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种结构简单、使用灵活便利、抗干扰能力强、成本较低的屏幕定位装置。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种使用图像感应器的屏幕定位装置，其包括：与屏幕平行设置的单色线状光源，单个含有光学镜头和单色滤光片的图像感应器，所述图像感应器可采用数字摄像头，其中单色滤光片作为可选件；以及包含有预处理电路和单片机或其它信号处理器芯片，用来处理信号、计算坐标位置的高亮光斑检测处理模块。单色线状光源安装在屏幕任一侧面或任一角落且靠近屏幕边缘，发出与屏幕平行、尽可能贴近屏幕并且可以覆盖到整个屏幕显示区域的线状单色光，图像感应器安装在离屏幕一定距离并且可以拍摄到整个屏幕的位置。当操作物体在屏幕上操作时，就会遮挡单色线状光源所发出的光线，并在操作物体上形成一个单色亮斑，该单色亮斑具有较高的亮度，因此也称作为高亮光斑或亮斑。装有单色滤光片的图像感应器捕捉到该亮斑，经过光学镜头的成像转换后，输出图像信号或数据至高亮光斑检测处理模块，在该模块中对光斑图像进行亮度检测、筛选，提取出亮斑图像的特征数据，并根据提取的特征数据进行位置坐标计算，高亮光斑检测处理模块或计算机根据定位校准时获得的位置修正参数对算出的位置坐标进行校准修正，以此作为操作物体的位置坐标交给计算机处理。
上述单色线状光源可以是经过线状处理的激光光源，也可以是经过单色处理的其它类型光源；既可以采用可见光单色光源，也可以采用红外或紫外单色光源。考虑到线状光源的扇角和亮度问题，该光源可以采用单个光源，也可以采用两个或两个以上的组合光源；如果采用单个光源，可以使用亮度足够且扇角大于90°的线状光源安装在显示屏幕的任一角落。图像感应器所使用的单色滤光片仅允许与光源发出的光颜色相同的光进入，当光源的亮度足够时，也可以不选用单色滤光片。
采用本发明技术方案的触摸屏定位装置既可以应用于前投影显示的触摸屏或背投影显示的触摸屏，也可以应用于平板显示(如LCD、PDP等)或其它类型的显示的触摸屏。
本发明触摸屏定位装置在初次使用或有需要的时候可以进行定位校准，通过计算确定校准图样的位置参数，形成操作体的位置修正参数，用来修正由于摄像头或图像感应器安装误差以及使用环境变化所带来的定位误差，这种定位校准可以在高亮光斑检测处理模块中完成，也可以由计算机软件来完成。
与现有技术相比，本发明有如下有益效果：
一、本发明屏幕定位装置可以仅采用单个图像感应器来获得图像，相对于现有技术需要两个或两个以上的摄像头或图像感应器，可以大大简化定位装置的结构，从而降低成本。
二、本发明屏幕定位装置不需要使用有源的发光笔作为图像信号发生设备，操作物体可以是手指、粉笔或其它的物体，因此极大的改善了定位装置的使用灵活性与便利性。
三、本发明屏幕定位装置采用单色光源和可选的单色滤光片，提高***抗外界光干扰的能力，极大地提高了摄像头或图像感应器定位装置的环境适应性。
【附图说明】
图1是本发明触摸屏定位装置的第一种结构示意图；
图2是本发明触摸屏定位装置的第二种结构示意图；
图3是亮斑中心点位置计算示意图；
图4是本发明触摸屏定位装置图像处理计算流程图。
【具体实施方式】
请参照图1，是本发明触摸屏定位装置的第一种结构示意图，显示屏幕101可以是前投影显示***的投影屏幕，也可以是平板显示器件如PDP、LCD的显示屏幕或其它类型的显示屏幕。与显示屏幕101平行设置的单色线状光源102安装在显示屏幕任一侧面或任一角落并靠近屏幕101的边缘，使得发出的线状单色光不仅与屏幕平行、尽可能贴近屏幕，而且可以覆盖到整个屏幕显示区域，该光源可以是经过线状处理的激光光源，也可以是经过单色处理的其它类型光源；既可以是可见光单色光源，也可以是红外或紫外单色光源。考虑到线状光源的扇角和亮度问题，该光源可以采用单个光源，也可以采用两个或两个以上的组合光源；如果采用单个光源，可以使用亮度足够且扇角大于90°的线状光源安装在显示屏幕的任一角落。含有光学镜头和单色滤光片的图像感应器103安装在离显示屏幕101的前方有一定距离并且可以拍摄到整个屏幕的位置上。其中单色滤光片作为可选件，仅允许与光源发出的光颜色相同的光进入；当线状光源102的亮度足够时，可以不使用单色滤光片。虚线107和108表示图像感应器103所能拍摄的范围。
如图1所示，单色线状光源102发出与屏幕平行的线状单色光，当操作物体106在屏幕上操作时，就会遮挡单色线状光源102所发出的光线，并在操作物体106上形成一个单色亮斑，该单色亮斑具有较高的亮度，因此也称作为高亮光斑或亮斑。装有单色滤光片的图像感应器103捕捉到该亮斑，经过光学镜头的成像转换后，输出图像信号或数据至包含有预处理电路和单片机或其它信号处理器芯片的高亮光斑检测模块104，在该模块中对光斑图像进行运算处理，计算亮斑中心点位置坐标，高亮光斑检测处理模块或计算机根据定位校准时获得的位置修正参数对算出的位置坐标进行校准修正，计算完成后将结果交给计算机105执行。
图3表示的是亮斑中心点位置计算示意图，301是图像感应器捕捉的亮斑图像，302以及图中虚线所指的黑点是一部分经过信号处理程序亮度检测、筛选后，提取出来的亮斑图像的特征数据，算法程序使用特征数据拟合得到一段圆弧303，圆弧的圆心304就是拟合的亮斑图像中心点，所述获得亮斑图像中心点的方法为现有技术。
本发明触摸屏定位装置的图像处理计算流程参见图4，主要有如下步骤：
1.图像感应器捕捉亮斑图像；
2.信号处理程序处理亮斑图像信号或数据；
3.坐标计算程序根据图像中特征值计算亮斑中心坐标位置；
4.根据定位校准时获得的位置修正参数对坐标数据进行校准修正；
5.计算出的结果交给计算机处理。
结合上述内容可以得出本实施例所述触摸屏定位装置的定位方法，包括如下步骤：
a、单色线状光源102发出的线状单色光贴近显示屏幕101，操作物体106在显示屏幕101上操作时，遮挡线状单色光，并在该操作物体上形成单色亮斑；
b、图像感应器103捕捉到所述亮斑的图像，经过光学镜头的成像和数字图像传感器的转换，输出图像信号或者数据；
c、高亮光斑检测处理模块104接收到所述图像信号或者数据，对亮斑图像进行亮度检测、筛选，提取出亮斑图像的特征数据，并依此计算亮斑图像中心点位置坐标；
e、计算机接收所述位置坐标，根据操作物体的操作，控制显示装置在显示屏幕上显示操作物体的操作结果。
本发明触摸屏定位装置在初次使用或有需要的时候可以进行定位校准，用来修正由于图像感应器安装误差以及使用环境变化所带来的定位误差，这种定位校准可以在高亮光斑检测处理模块中完成，也可以由计算机软件来完成。所以可以在上述步骤c、e之间增加步骤d、高亮光斑检测处理模块104或计算机根据定位校准时获得的位置修正参数对步骤c算出的位置坐标进行校准修正，以此作为操作物体的位置坐标。
图2是本发明触摸屏定位装置的第二种结构示意图，在背投影显示***中，投影显示设备201发出的光线照射在显示屏幕202上，图中虚线表示投影图像的显示范围。平行于显示屏幕202的单色线状光源203安装在显示屏幕202任一侧面或任一角落并靠近屏幕的边缘，可以发出与屏幕201平行、尽可能贴近屏幕并且可以覆盖到整个屏幕显示区域的线状单色光，该光源可以是经过线状处理的激光光源，也可以是经过单色处理的其它类型光源，考虑到线状光源的扇角和亮度问题，该光源可以采用单个光源，也可以采用两个或两个以上的组合光源；如果采用单个光源，可以使用亮度足够且扇角大于90°的线状光源安装在显示屏幕的任一角落。含有光学镜头和单色滤光片的图像感应器204安装在投影显示设备的同侧，其距离显示屏幕202有一定距离并且可以拍摄到整个屏幕。其中单色滤光片作为可选件，仅允许与光源发出的光颜色相同的光进入；当线状光源203的亮度足够时，可以不使用单色滤光片。单色线状光源203发出与屏幕平行的线状单色光，当操作物体205在屏幕上操作时，就会遮挡单色线状光源203所发出的光线，并在操作物体205上形成一个单色亮斑，装有单色滤光片的图像感应器204捕捉到该亮斑，经过光学镜头的成像和数字图像传感器的转换，输出图像信号或数据至包含有预处理电路和单片机或其它信号处理器芯片的高亮光斑检测处理模块206，在该模块中对光斑图像进行亮度检测、筛选，提取出亮斑图像的特征数据，并根据提取的特征数据进行位置坐标计算，高亮光斑检测处理模块或计算机根据定位校准时获得的位置修正参数对算出的位置坐标进行校准修正，计算完成后将结果交给计算机207执行。使用这种触摸屏定位装置也可以较容易的进行定位校准，这种定位校准可以在高亮光斑检测处理模块中完成，也可以在计算机中由软件来完成。
对于本发明所采用的技术方案，基于实验测试效果，我们认识到，如要改善亮斑图像的识别效果，提高触摸定位的精度，在有需要的情况下，可以通过改善操作体在屏幕上移动的姿态或者对操作体的外形形状作必要的改进等方式来实现。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，事实上，采用两个或两个以上的摄像头或图像感应器也可以较好地实现本发明的效果；对于显示面积较大的触摸屏，可以将触摸屏划分为小的区域，每个区域由与其对应的单个摄像头或图像感应器进行拍摄；在单色光源的选用以及安装排布上也可以选择多种不同的形式等等，本发明的保护范围并不局限于此，本领域中的技术人员任何基于本发明技术方案上非实质性变更均包括在本发明保护范围之内。
Claims (10)
1、一种触摸屏定位装置，包括显示屏幕(101)、单个图像感应器(103)，其特征在于：单色线状光源(102)设置在显示屏幕(101)的任一侧面或任一角落，单色线状光源(102)发出的线状单色光与显示屏幕(101)平行且尽可能地贴近显示屏幕，单色线状光可以覆盖到整个屏幕显示区域；图像感应器(103)安装在离开显示屏幕一定距离且可以拍摄到整个显示屏幕的位置；高亮光斑检测处理模块(104)连接在图像感应器(103)与计算机(105)之间，高亮光斑检测处理模块(104)通过对操作物体上形成的亮斑图像进行亮度检测、筛选，提取出亮斑图像的特征数据，并依此计算亮斑图像中心点位置坐标，然后将计算结果交给计算机，由计算机根据操作物体的操作，控制显示装置在显示屏幕上显示操作物体的操作结果。
2、根据权利要求1所述的一种触摸屏定位装置，其特征在于：所述图像感应器采用数字摄像头。
3、根据权利要求2所述的一种触摸屏定位装置，其特征在于：单色线状光源(102)靠近显示屏幕(101)的边缘且与显示屏幕(101)平行安装。
4、根据权利要求1或3所述的一种触摸屏定位装置，其特征在于：图像感应器(103)上装有单色滤光片。
5、根据权利要求1或3所述的一种触摸屏定位装置，其特征在于：单色线状光源(102)可以是单个光源，也可以是两个或者两个以上的组合光源。
6、根据权利要求1或3所述的一种触摸屏定位装置，其特征在于：单色线状光源可以是可见光单色光源，也可以是红外或紫外单色光源。
7、根据权利要求1或3所述的一种触摸屏定位装置，其特征在于：触摸屏既可以是前投影显示或背投影显示，也可以是平板显示。
8、根据权利要求1或3所述的一种触摸屏定位装置，其特征在于：可以将触摸屏划分为小的区域，每个区域由与其对应的单个图像感应器进行拍摄。
9、一种使用如权利要求1所述触摸屏定位装置的定位方法，包括如下步骤：
a、单色线状光源(102)发出的线状单色光贴近显示屏幕(101)，操作物体(106)在显示屏幕(101)上操作时，遮挡线状单色光，并在该操作物体上形成单色亮斑；
b、图像感应器(103)捕捉到所述亮斑的图像，经过光学镜头的成像和数字图像传感器的转换，输出图像信号或者数据；
c、高亮光斑检测处理模块(104)接收到所述图像信号或者数据，对亮斑图像进行亮度检测、筛选，提取出亮斑图像的特征数据，并依此计算亮斑图像中心点位置坐标；
e、计算机接收所述位置坐标，根据操作物体的操作，控制显示装置在显示屏幕上显示操作物体的操作结果。
10、根据权利要求9所述触摸屏定位装置的定位方法，其特征在于：在所述步骤c、e之间增加步骤d、高亮光斑检测处理模块(104)或计算机根据定位校准时获得的位置修正参数对步骤c算出的位置坐标进行校准修正，以此作为操作物体的位置坐标。
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