TW201327322A - 光學觸控系統 - Google Patents

Abstract

一種光學觸控系統，包含至少一發光單元、至少一影像感測模組及一處理單元。該影像感測模組用以擷取一指示物及該發光單元之光線以形成二維影像並將整個該二維影像轉換為一維特徵。該處理單元根據該一維特徵定位該指示物。

Description

光學觸控系統

本發明係關於一種互動系統，特別係關於一種光學觸控系統。

光學觸控系統係屬於一種被動式觸控系統，不同於主動式觸控系統，用以操控被動式觸控系統之一指示物不需消耗任何電力，因此使用者可使用任何物件以作為該指示物，例如使用者的手指。藉此，使用者無須隨身攜帶額外的指向裝置而大幅增加了使用便利性。一光學觸控系統中，如何判定接觸點於二維空間之位置為一重要的研究課題。

例如，美國專利第6,803,906號，標題為「被動式觸控系統及偵測使用者輸入的方法」，中揭示一種被動式觸控系統9，如第1圖所示。該觸控系統9包含一觸控面90、四個二維影像感測器91以及一處理器92。該等二維影像感測器91用以擷取橫跨該觸控面90之二維影像，該處理器92根據該等二維影像計算一指向裝置相對該觸控面90之座標。

該被動式觸控系統9中，該等二維影像感測器91所擷取的影像包含二維影像資訊，因此該處理器92需要處理較大的資料量。因此，為避免該處理器92處理過多無效資訊，該被動式觸控系統9於校正階段即於該等二維影像感測器91所擷取的二維影像中選擇一子集合(subset)以降低資料量，且於正常操作時僅根據被選擇的子集合影像資料進行運算而忽略其他未被選擇的影像資料。然而，由於這種運作方式，該被動式觸控系統9至少具有下列問題：(1)校正階段即至少必須增加一個選擇子集合的步驟；(2)所選擇出的子集合未必是最佳影像區塊，例如當觸控面90出現彎折(bending)時，即可能無法選出適當的子集合而導致後處理時產生錯誤運算的情形；(3)所選擇出的子集合為矩形，其仍包含大量的無效資訊，故無法有效降低資料傳輸量及後處理之運算量；以及(4)為了清楚的解析出指向裝置的影像，而使用了具有較大畫素陣列(pixel array)之影像感測器，因此該等影像感測器91需要較大的設置空間，故不適用於具有小面積觸控面之電子產品；但若因此縮小畫素陣列尺寸，則無法擷取到指向裝置之清晰影像，而影響到接觸狀態的判斷。

有鑑於此，本發明提出一種光學觸控系統，其先將二維資訊轉換為一維資訊後再執行指示物定位，即使使用具有較小畫素陣列之影像感測器仍能夠透過維度轉換以增加影像資料的有效性，可降低資料傳輸量並可適用於體積較小的電子產品。

本發明之一目的在提供一種光學觸控系統，其可有效降低資料傳輸量及增加可適用產品的範圍。

本發明之另一目的在提供一種光學觸控系統，其不須選擇子集合以減少運作複雜度並可避免因選擇不恰當子集合而導致誤運算的情形。

為達上述目的，本發明提供一種光學觸控系統用以定位一指示物之一二維座標。

本發明實施例之光學觸控系統，包含一觸控面、至少一發光單元、至少一影像感測模組以及一處理單元。該發光單元設置於該觸控面上。該影像感測模組擷取來自該觸控面、該指示物及該發光單元之光線以形成一二維影像，並將整個該二維影像轉換為一一維特徵。該處理單元根據該一維特徵定位該指示物。

本發明實施例之光學觸控系統，包含一觸控面、一反光鏡、至少一發光條及一CMOS影像感測器。該反光鏡以及該發光條設置於該觸控面上。該CMOS影像感測器擷取來自該觸控面、該指示物、該反光鏡及該發光條之光線以形成一二維影像，並將整個該二維影像轉換為一一維特徵。該處理單元根據該一維特徵定位該指示物。

本發明實施例之光學觸控系統，包含一觸控面、三個發光條以及兩CMOS影像感測器。該等發光條設置於該觸控面上。該等CMOS影像感測器分別擷取橫跨該觸控面並包含該指示物遮蔽該等發光條之一二維影像，並將整個該二維影像轉換為一一維特徵。該處理單元根據該等CMOS影像感測器輸出之該一維特徵定位該指示物。一實施例中，該三個發光條合成為一發光條延伸於該觸控面的三邊。

一種實施例中，該一維特徵為該二維影像中，每一行畫素之一亮度和、一平均亮度或一加權平均亮度形成之一亮度序列(intensity array)。

一種實施例中，該處理單元定義該亮度序列之一比例或一平移為一門檻值序列(threhold array)。

一種實施例中，該處理單元比較該亮度序列及該門檻值序列以判斷至少一接觸點，並根據該接觸點與該一維特徵之空間關係定位該指示物。

本發明之光學觸控系統中，該影像感測模組較佳包含一主動式影像感測器，例如一CMOS影像感測器。本發明之光學觸控系統由於不須選擇子集合，可簡化操作程序並可避免根據不適當子集合運算導致誤控制的情形。

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，其顯示本發明實施例之光學觸控系統之示意圖。光學觸控系統1用以定位一指示物8，並包含一觸控面10、至少一發光單元(此處顯示為三個發光單元111~113)、至少一影像感測模組12(例如第2A圖包含一個影像感測模組而第2B圖包含兩個影像感測模組)、一處理單元13及一傳輸介面單元14；有些實施例中，該等發光單元111~113的三個或其中兩個可合成為單一的發光單元(容詳述於後)。

該觸控面10可由適當材質所製成，供該指示物8於其上進行操控。該指示物8例如可為使用者之手指、筆、觸控桿等，並無特定限制。

該等發光單元111~113設置於該觸控面10上，其可從主動光源或被動光源中進行適當選擇，其中所述主動光源可主動發光而所述被動光源可被動地反射主動光源或環境光源所發出的光。一種實施例中，該等發光單元111及112為主動光源(例如一發光條)而該發光單元113為被動光源(例如一反光鏡)用以反射該等發光單元111及112所發出的光，此時該光學觸控系統1包含一個影像感測模組12，其視角範圍較佳至少包含該發光單元112及113(第2A圖)；另一實施例中，該發光單元111可不予實施，該光學觸控系統1僅包含該主動光源112及該被動光源113。藉此，該指示物8可遮蔽該發光單元112以形成一遮蔽光影並於該反光鏡(發光單元113)形成一鏡像，該處理單元13即可根據該遮蔽光影及該鏡像定位該指示物8之二維位置(容詳述於後)。另一實施例，該發光單元111可不予實施，該光學觸控系統1僅包含一被動光源延伸於該觸控面10之一第二邊102及一第三邊103，該光學觸控系統1另包含一點光源114用以照明該被動光源，例如第2A圖中該點光源114設置於該影像感測模組12附近。

另一實施例中，該等發光單元111~113均為主動光源，此時該光學觸控系統1較佳包含兩影像感測模組12及12'，如第2B圖所示。此實施例中，每一影像感測模組12及12'之一視角範圍至少包含兩個該等發光單元111~113，例如該影像感測模組12之視角範圍較佳至少包含該等發光單元112及113；該影像感測模組12'之視角範圍較佳至少包含該等發光單元111及113。其他實施例中，當該等發光單元111~113合成為單一發光單元延伸於該觸控面10之一第一邊101、一第二邊102及一第三邊103時，每一影像感測模組12及12'之一視角範圍至少包含該單一發光單元的至少一部分。該等影像感測模組12及12'可分別擷取該指示物8遮蔽該發光單元(或該等發光單元111~113)的遮蔽光影並透過三角運算定位該指示物8之二維位置；或者，於一映射平面空間中計算影像感測模組位置與遮蔽光影位置連線之聯立方程式的解(例如影像感測模組12及遮蔽光影之一第一連線與影像感測模組12'及遮蔽光影之一第二連線之一交點)，以作為指示物座標。

該影像感測模組12及12'較佳包含一主動式影像感測器，例如一CMOS影像感測器。該主動式影像感測器具有一二維畫素陣列，其尺寸較佳低於640×8畫素，因而可適用觸控面10之面積較小的電子裝置。該影像感測模組12及12'用以擷取橫跨該觸控面10之一二維影像，因此當該指示物8靠近或接觸該觸控面10時，該影像感測模組12及12'可擷取來自該觸控面10、該指示物8及該發光單元(或該等發光單元111~113)之光線以形成該二維影像，並將整個該二維影像轉換為一維特徵S_1d後(容詳述於後)，將該一維特徵輸出至該處理單元13進行後處理以定位該指示物8。可以了解的是，上述二維畫素陣列之尺寸僅為例示性，並非用以限定本發明。

可以了解的是，只要該等影像感測模組12及12'能夠擷取該指示物8遮蔽該等發光單元111~113的資訊，該等影像感測模組12及12'與該等發光單元111~113之位置關係並不限於第2A及2B圖揭示者。

該處理單元13接收來自該等影像感測模組12及12'之一維特徵，並根據指示物資訊(即接觸點)位於該一維特徵中的位置以及該等影像感測模組12及12'設置於該觸控面10的位置，計算該指示物8相對該觸控面10之二維位置；其中，根據接觸點之一維空間關係定位該指示物8之實施方式例如可參照讓與給本發明相同受讓人之美國專利第7,689,381號，標題為「感測系統」中所揭示者。

該傳輸介面單元14用以有線或無線地輸出該處理單元13所求得之二維位置至一外部控制單元以相對控制一電子產品執行一特定功能，其中有線及無線傳輸技術已為習知，故於此不再贅述。

以下將說明影像感測模組轉換二維影像至一維特徵的方式及處理單元判斷至少一接觸點的方式，其中此處僅以該影像感測模組12做說明，而該影像感測模組12'所執行的動作亦相同。

請參照第3A及3B圖所示，第3A圖顯示光學觸控系統1之影像感測模組12擷取之二維影像(上圖)及輸出之一維特徵(下圖)之示意圖，其不包含指示物資訊；第3B圖顯示光學觸控系統1之影像感測模組12擷取之二維影像及輸出之一維特徵之示意圖，其包含兩指示物資訊。

當該指示物8未靠近或接觸該觸控面10時(第3A圖)，該影像感測模組12例如擷取高度為H畫素且寬度為W畫素之二維影像；其中每一畫素之亮度例如以I_xy表示，x表示寬度方向畫素位置而y表示高度方向畫素位置。該影像感測模組12並根據整個H×W二維影像計算每一行畫素之亮度和(公式1)、平均亮度(公式2)或加權平均亮度(公式3)，

亮度和…(1)

平均亮度…(2)

加權平均亮度…(3)

該影像感測模組12並輸出每一行畫素之亮度和、平均亮度或加權平均亮度之一亮度序列P_B=[A_x]以作為一維特徵S_1d，其被傳送至該處理單元13進行後處理；其中加權權重w可根據所欲處理的畫素範圍決定。

該處理單元13接著定義一門檻值序列用以判定該指示物8是否接觸該觸控面10。一種實施例中，該處理單元13將一比例乘上該亮度序列r×P_B(例如r=0.5~0.9，較佳r=0.8)或將該亮度序列P_B進行平移以作為該門檻值序列。可以了解的是，該比例及平移量可選擇適當數值，例如可根據系統靈敏度決定，並無特定限制。此外，根據所擷取二維影像的亮度分佈，相對不同行的畫素可使用不同比例或平移量，例如門檻值序列亦可為r_x×P_B，其中r_x可隨X值改變並可根據所欲處理的畫素範圍決定，並無特定限制。該門檻值序列r×P_B或r_x×P_B可於每次系統開機時或受到指示時的適當時間經計算並儲存於該處理單元13中。

當該指示物8靠近或接觸該觸控面10時(第3B圖)，該影像感測模組12同樣擷取高度為H畫素且寬度為W畫素之二維影像，並輸出每一行畫素之亮度和、平均亮度或加權平均亮度之亮度序列P_B '以作為一維特徵S_1d，其同樣被傳送至該處理單元13進行後處理。該處理單元13則比較該亮度序列P_B '與該門檻值序列r×P_B或r_x×P_B以判斷該指示物8是否出現於一維特徵中。例如，當某行畫素之亮度和、平均亮度或加權平均亮度小於相對應行的門檻值時，則判斷為一接觸點，例如第3B圖顯示一接觸點1及一接觸點2。該處理單元13則根據出現接觸點之位置與寬度W的空間關係定位該指示物8。

其他實施例中，該影像感測模組12另可包含一濾光器設置於其所包含之畫素陣列前方，以使該畫素陣列可針對某特定區域進行影像擷取以降低該特定區域以外的畫素訊號對定位程序的影響程度。

請參照第4圖所示，其顯示本發明一實施例之光學觸控系統之定位方法之流程圖，包含下列步驟：以一影像感測模組擷取一二維影像(步驟S₁₁)；轉換該二維影像為一一維特徵(步驟S₁₂)；根據該一維特徵判斷至少一接觸點(步驟S₁₃)；以及根據該接觸點定位一指示物(步驟S₁₄)。

請參照第2A~5圖所示，第5圖顯示相對第4圖之定位方法之一光學觸控系統。此實施例中，該光學觸控系統包含一觸控面10、至少一發光條(此處顯示為兩發光條111~112)、一反光鏡113、一影像感測模組12及一處理單元13。該等發光條111~112及該反光鏡113均設置於該觸控面10上；該影像感測模組12包含一CMOS影像感測器，用以擷取該觸控面10、指示物8、反光鏡113及發光條111~112之光線以形成一二維影像，並將整個該二維影像轉換為一一維特徵。該處理單元13根據該一維特徵定位該指示物8。如前所述，該發光條111可不予實施；或者該發光條111及112均不予實施，而該反光鏡113延伸於該觸控面10的兩個邊，且該光學觸控系統1另包含一點光源114照明該反光鏡113。

步驟S₁₁：該CMOS影像感測器擷取如第3A及3B圖所示H×W之一二維影像。此實施例中，由於該發光單元113為一反光鏡，該觸控面10、該等發光單元111~112及該指示物8會於該反光鏡113中分別形成觸控面鏡像10'、發光單元鏡像111'~112'及指示物鏡像8'，因此該二維影像中將包含至少一指示物資訊，如第3B圖所示。

步驟S₁₂：該影像感測模組12根據公式(1)至(3)其中之一計算出每行畫素之亮度和、平均亮度或加權平均亮度後，輸出每一行畫素之亮度和、平均亮度或加權平均亮度之一亮度序列P_B作為一維特徵。

步驟S₁₃：該處理單元13根據該亮度序列P_B決定一門檻值序列r×P_B或r_x×P_B，並根據該亮度序列P_B與該門檻值序列r×P_B或r_x×P_B之比較結果判斷至少一接觸點，此時該一維特徵顯示為兩接觸點；其中一接觸點相關於該指示物8而另一接觸點相關於該指示物鏡像8'。

步驟S₁₄：該處理單元13根據該接觸點與寬度W之空間關係對該指示物8進行定位。如前所述，所述定位方式可使用習知方式，故於此不再贅述。

請參照第6圖所示，其顯示本發明另一實施例之光學觸控系統之定位方法之流程圖，包含下列步驟：以一第一影像感測模組擷取一第一二維影像(步驟S₂₁₁)；轉換該第一二維影像為一第一一維特徵(步驟S₂₁₂)；根據該第一一維特徵判斷一第一接觸點(步驟S₂₁₃)；以一第二影像感測模組擷取一第二二維影像(步驟S₂₂₁)；轉換該第二二維影像為一第二一維特徵(步驟S₂₂₂)；根據該第二一維特徵判斷一第二接觸點(步驟S₂₂₃)；以及根據該第一接觸點及該第二接觸點定位一指示物(步驟S₂₂)。

請參照第2B及6~8圖所示，第7圖顯示相對第6圖之定位方法之一光學觸控系統；第8圖顯示第7圖之光學觸控系統之兩影像感測模組所擷取之二維影像及輸出之一維特徵之示意圖。此實施例中，該光學觸控系統包含一觸控面10、三個發光條111~113、兩影像感測模組12及12'及一處理單元13。該等發光條111~113均設置於該觸控面10上；該等影像感測模組12及12'包含一CMOS影像感測器，用以分別擷取橫跨該觸控面10並包含該指示物8遮蔽該等發光條111~113之一二維影像，並將整個該二維影像轉換為一一維特徵。該處理單元13則根據該等CMOS影像感測器輸出之該一維特徵定位該指示物8。如前所述，該等發光條111~113亦可合成為單一發光條並延伸於該觸控面10的三個邊。

步驟S₂₁₁及S₂₂₁：該等CMOS影像感測器分別擷取H×W之一二維影像，如第8圖所示。

步驟S₂₁₂及S₂₂₂：該等影像感測模組12及12'根據公式(1)至(3)其中之一分別計算出每行畫素之亮度和、平均亮度或加權平均亮度後，輸出每一行畫素之亮度和、平均亮度或加權平均亮度之一亮度序列P_B作為一維特徵S_1d、S_1d '。

步驟S₂₁₃及S₂₂₃：該處理單元13定義一門檻值序列r×P_B或r_x×P_B，並根據該亮度序列P_B與該門檻值序列r×P_B或r_x×P_B的比較結果判斷一接觸點，此時每一個一維特徵顯示為一接觸點(亮度凹部)。

步驟S₂₂：該處理單元13根據該等接觸點與寬度W之空間關係對定位該指示物8。如前所述，所述定位方式可使用習知方式，故於此不再贅述。

本發明中，由於該等影像感測模組12及12'具有較小的畫素陣列，因此可有效降低元件尺寸以適用於體積較小的電子產品。透過二維與一維的轉換，即使縮小畫素陣列之尺寸，仍能夠有效判斷接觸點位置。此外，該等影像感測模組12及12'僅輸出一維特徵至該處理單元13，可有效降低該等影像感測模組12及12'與該處理單元13間的資料傳輸容量，並可降低該處理單元13之資料處理量。

綜上所述，習知被動式觸控系統具有處理資料量大、不適用於體積小之電子產品、運作過程複雜以及不易決定適當畫素子集合等問題。本發明另提出一種光學觸控系統，即使縮小畫素陣列尺寸仍能夠正確對指示物進行定位，並具有資料量小及運作簡單等優點，並且可適用於較廣泛的電子產品。

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、1'．．．光學觸控系統

10．．．觸控面

10'．．．觸控面鏡像

101~103．．．觸控面之邊

111~113．．．發光單元

114．．．點光源

111'~112'．．．發光單元鏡像

12、12'．．．影像感測模組

13．．．處理單元

14．．．傳輸介面單元

8．．．指示物

8'．．．指示物鏡像

S₁₁~S₁₄、S₂₁₁~S₂₂．．．步驟

S_1d．．．一維特徵

9．．．被動式觸控系統

90．．．觸控面

91．．．影像感測器

92．．．處理器

第1圖顯示習知被動式觸控系統之示意圖。

第2A~2B圖顯示本發明實施例之光學觸控系統之示意圖。

第3A圖顯示本發明實施例之光學觸控系統之影像感測模組所擷取之二維影像及輸出之一維特徵之示意圖，其不包含指示物資訊。

第3B圖顯示本發明實施例之光學觸控系統之影像感測模組所擷取之二維影像及輸出之一維特徵之示意圖，其包含兩指示物資訊。

第4圖顯示本發明一實施例之光學觸控系統之定位方法之流程圖。

第5圖顯示相對第4圖之定位方法之光學觸控系統。

第6圖顯示本發明另一實施例之光學觸控系統之定位方法之流程圖。

第7圖顯示相對第6圖之定位方法之光學觸控系統。

第8圖顯示第7圖之光學觸控系統之兩影像感測模組所擷取之二維影像及輸出之一維特徵之示意圖。

1．．．光學觸控系統

10．．．觸控面

111~113．．．發光單元

12．．．影像感測模組

13．．．處理單元

14．．．傳輸介面單元

8．．．指示物

S_1d．．．一維特徵

Claims (16)

1. 一種光學觸控系統，用以定位一指示物，該光學觸控系統包含：一觸控面；至少一發光單元，設置於該觸控面上；至少一影像感測模組，擷取該觸控面、該指示物及該發光單元之光線以形成一二維影像，並將整個該二維影像轉換為一一維特徵；以及一處理單元，根據該一維特徵定位該指示物。
2. 依申請專利範圍第1項之光學觸控系統，其中該一維特徵為該二維影像中，每一行畫素之一亮度和、一平均亮度或一加權平均亮度形成之一亮度序列。
3. 依申請專利範圍第2項之光學觸控系統，其中該處理單元定義該亮度序列之一比例或一平移為一門檻值序列。
4. 依申請專利範圍第3項之光學觸控系統，其中該處理單元比較該亮度序列及該門檻值序列以判斷至少一接觸點，並根據該接觸點定位該指示物。
5. 依申請專利範圍第1項之光學觸控系統，其中該至少一發光單元包含一反光鏡及至少一發光條，或包含一反光鏡延伸於該觸控面之兩個邊或一個點光源；該光學觸控系統包含一個影像感測模組。
6. 依申請專利範圍第1項之光學觸控系統，其中該發光單元包含三個發光條，或包含一發光條延伸於該觸控面之三個邊；該光學觸控系統包含兩個影像感測模組。
7. 依申請專利範圍第1項之光學觸控系統，其中該影像感測模組包含一CMOS影像感測器。
8. 一種光學觸控系統，用以定位一指示物，該光學觸控系統包含：一觸控面；一反光鏡，設置於該觸控面上；至少一發光條，設置於該觸控面上；一CMOS影像感測器，擷取該觸控面、該指示物、該反光鏡及該發光條之光線以形成一二維影像，並將整個該二維影像轉換為一一維特徵；以及一處理單元，根據該一維特徵定位該指示物。
9. 依申請專利範圍第8項之光學觸控系統，其中該一維特徵為該二維影像中，每一行畫素之一亮度和、一平均亮度或一加權平均亮度形成之一亮度序列。
10. 依申請專利範圍第9項之光學觸控系統，其中該處理單元定義該亮度序列之一比例或一平移為一門檻值序列。
11. 依申請專利範圍第10項之光學觸控系統，其中該處理單元比較該亮度序列及該門檻值序列以判斷至少一接觸點，並根據該接觸點定位該指示物。
12. 一種光學觸控系統，用以定位一指示物，該光學觸控系統包含：一觸控面；三個發光條，置於該觸控面上；兩CMOS影像感測器，分別擷取橫跨該觸控面並包含該指示物遮蔽該等發光條之一二維影像，並將整個該二維影像轉換為一一維特徵；以及一處理單元，根據該等CMOS影像感測器輸出之該一維特徵定位該指示物。
13. 依申請專利範圍第12項之光學觸控系統，其中該一維特徵為該二維影像中，每一行畫素之一亮度和、一平均亮度或一加權平均亮度形成之一亮度序列。
14. 依申請專利範圍第13項之光學觸控系統，其中該處理單元定義該亮度序列之一比例或一平移為一門檻值序列。
15. 依申請專利範圍第14項之光學觸控系統，其中該處理單元比較該亮度序列及該門檻值序列以判斷一接觸點，並根據該接觸點定位該指示物。
16. 依申請專利範圍第12項之光學觸控系統，其中該三個發光條合成一發光條延伸於該觸控面的三邊。