TW201339920A - 光學觸控系統及光學觸控位置檢測方法 - Google Patents
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Abstract
本發明提供一種光學觸控系統，包括：一鏡頭模組，具有一透鏡及一影像感測器，使至少一觸控物透過該透鏡成像於該影像感測器；一主動光源，用以照亮該觸控物；以及一處理器，根據該影像感測器的影像大小或影像亮度來判斷該觸控物與該鏡頭模組的距離，並且根據在該影像感測器的影像位置來判斷該觸控物的方向，計算該觸控物的位置。
Description
本發明係有關於一種光學觸控系統及光學觸控位置檢測方法，且特別有關於一種使用單一鏡頭偵測觸控物距離及方向的光學觸控系統及光學觸控位置檢測方法。
使用於顯示器的觸控技術除了將螢幕內建電容式或電感式觸控面板外，更包括外加具有影像感測器的鏡頭模組於顯示器週邊，用以檢測觸控位置的光學觸控技術。
習知的光學觸控技術使用兩個鏡頭模組，並配置於觸控平面的不同角落，使兩者的視野同時涵蓋整個觸控平面。而觸控平面上的觸控點位置則是藉由觸控物與兩個鏡頭的連線後的交點來決定。
如第1圖所示，鏡頭模組101、102配置於觸控區域103的兩個角落，使鏡頭模組101與102的視野都能涵蓋整個觸控區域103。而觸控區域103的邊緣更配置了線性光源104及反向反射鏡(Retro-reflector)105，其中反向反射鏡105包圍觸控區域103的三個邊，並可將任意方向入射的光線以接近入射的方向反射回去。因此線性光源104可照亮整個觸控區域103並透過反向反射鏡105將光線反射回鏡頭模組101與102。當有一觸控物碰觸觸控區域103產生一觸控點107時，因觸控物擋住了與鏡頭模組101、102連線方向的反射光，因此鏡頭模組101、102都會在其影像感測器的某一畫素位置獲得暗點。最後，處理器106再根據鏡頭模組101、102的影像感測器的暗點位置，判斷觸控點107相對於鏡頭模組101、102的方向，並計算出觸控點107的實際位置。
除此之外，習知的光學觸控技術也有使用一個鏡頭模組配置於觸控平面的角落，再搭配平面鏡的構造。
如第2圖所示，鏡頭模組201配置於觸控區域203的一個角落，使鏡頭模組201的視野涵蓋整個觸控區域203。另外，觸控區域203的邊緣更配置了線性光源204及平面鏡(Mirror)205。因為平面鏡205可將鏡頭模組201鏡像至對稱的位置，故此架構實質上仍等同於有兩個鏡頭模組存在。而線性光源204透過平面鏡205照亮整個觸控區域203並將光線反射回鏡頭模組201。當有一觸控物碰觸觸控區域203產生一觸控點207時，因觸控物擋住了兩個方向的光線經由平面鏡205反射至鏡頭模組201，故鏡頭模組201內的影像感測器會在某兩個畫素位置產生暗點。最後，處理器206再根據鏡頭模組201的影像感測器的兩個暗點位置對應的方向，計算出觸控點207的實際位置。
因此，習知技術的光學觸控系統無論是使用兩個鏡頭模組搭配反向反射鏡或是一個鏡頭模組搭配平面鏡的架構，都會導致製造成本提高。本發明有鑑於此，而提出一種僅使用一個鏡頭模組來偵測觸控點位置的光學觸控系統及光學觸控位置檢測方法，因本發明的光學觸控系統不需要線性光源、平面鏡、反向反射鏡等組件，故可以降低整個光學觸控系統的製造成本。
有鑑於上述降低製造成本的需求，本發明提供一種光學觸控系統，包括：一鏡頭模組，具有一透鏡及一影像感測器，使至少一觸控物透過該透鏡成像於該影像感測器；一主動光源，用以照亮該觸控物；一處理器，根據該影像感測器的影像大小或影像亮度來判斷該觸控物與該鏡頭模組的距離，並且根據在該影像感測器的影像位置來判斷該觸控物的方向，計算該觸控物的位置；以及一觸控面，提供該觸控物進行觸控操作，其中該鏡頭模組係配置於該觸控面的週邊，使該鏡頭模組的視野可涵蓋該觸控面上的任意位置。
上述的光學觸控系統中，該主動光源係設置於該鏡頭模組上，並且提供足夠強度的光，使該觸控物可將來自該主動光源的光反射回該透鏡模組。
根據本發明一個實施例，上述的光學觸控系統中的該主動光源為紅外光發光二極體或紅外光雷射二極體，且該影像感測器的影像偵測範圍為紅外線影像。
根據本發明一個實施例，上述的光學觸控系統中，該影像感測器的影像大小係由該影像所佔畫素數目而定。且該處理器根據該影像感測器的影像大小來判斷該觸控物與該鏡頭模組的距離時，係依據以下公式計算：
W1/W2=D2/D1，
其中，D1、D2為該觸控物與該鏡頭模組的距離，W1、W2為該觸控物與該鏡頭模組距離D1、D2時的影像寬度。
根據本發明一個實施例，上述的光學觸控系統中，該影像感測器的影像亮度係由該影像灰階值高低而定。且該處理器根據該影像感測器的影像亮暗來判斷該觸控物與該鏡頭模組的距離時，係依據以下公式計算：
L1/L2=(D2/D1)2，
其中，D1、D2為該觸控物與該鏡頭模組的距離，L1、L2為該觸控物與該鏡頭模組距離D1、D2時的影像亮度。
根據本發明一個實施例，上述的光學觸控系統中該觸控物的方向係由該觸控物位置至該透鏡模組的連線與一既定的基準線的夾角來表示，該處理器根據該影像的中心所對應的該影像感測器的畫素決定該夾角。
本發明也提供一種光學觸控位置檢測方法，包括：使用一具有影像感測器的鏡頭模組來接收至少一觸控物的影像；根據該影像感測器的觸控物影像大小或影像亮度來判斷該觸控物與該鏡頭模組的距離；根據在該影像感測器的觸控物影像位置來判斷該觸控物的方向；根據該距離及該方向的資訊，計算該觸控物的位置。
上述的光學觸控位置檢測方法中，該影像感測器的影像大小係由該影像所佔畫素數目而定，且該影像感測器的影像亮度係由該影像灰階值高低而定。另外，該觸控物影像位置係由該影像的中心所對應的該影像感測器的畫素而定。
根據本發明的光學觸控系統及其觸控位置檢測方法，只用單一鏡頭模組來偵測觸控位置，且因採用設置於鏡頭模組上的主動光源來照亮觸控物，使鏡頭模組接收觸控物的反射光的方式來成像，故可省去習知技術的反向反射鏡或平面鏡等組件。因此本發明的光學觸控系統相對於習知技術可有效地降低生產成本。
第3圖係根據本發明實施例的光學觸控系統架構圖。如第3圖所示，本發明實施例的光學觸控系統僅包括：一個鏡頭模組301、一個主動光源302、及一個處理器303。鏡頭模組301係配置於觸控區域304的一個角落，使鏡頭模組301的視野至少能涵蓋整個觸控區域304。主動光源302固定於鏡頭模組301上。用以照亮觸控區域304上出現的觸控物，使得主動光源302所發出的光能自觸控物反射回鏡頭模組301。處理器303則用以計算觸控物的觸控點305位置。
接下來，將說明此光學觸控系統的觸控點位置檢測方法。如第3圖所示，假設觸控點305至鏡頭模組301之間的距離(為了方便說明，以後僅稱為距離或觸控物距離)為D，並且觸控點305至鏡頭模組301的連線與觸控區域304的一邊緣的夾角(為了方便說明，以後僅稱為夾角或觸控物夾角)為θ。因此只要能求得距離D及夾角θ就能決定出觸控點305在觸控區域304上唯一的位置。以下將依序說明距離D的計算方法及夾角θ的計算方法。
第4圖係本發明實施例的光學觸控系統的距離計算的示意圖。鏡頭模組301包括一透鏡306及一影像感測器307，此透鏡306與影像感測器307的搭配可以決定出鏡頭模組301的視野FOV。在視野FOV內，觸控物O1會透過透鏡306於影像感測器307形成影像I1，觸控物O2會透過透鏡306於影像感測器307形成影像I2。而本發明的距離計算方法有兩種：根據影像大小來決定距離或根據影像亮度來決定距離。
當採用根據影像大小來決定距離時，因較遠離透鏡306的觸控物O1會在影像感測器307形成較小的影像I1，較靠近透鏡306的觸控物O2會在影像感測器307形成較大的影像I2。因此本發明可根據影像感測器307上的影像所佔的畫素數目(即影像寬度)，來判斷觸控物距離鏡頭模組301的遠近。
如第5圖所示，假設當觸控物與鏡頭模組301距離D1時，影像感測器307上形成了寬度W1的影像；當觸控物與鏡頭模組301距離D2時，影像感測器307上形成了寬度W2的影像。根據幾何比例關係，影像寬度與觸控物距離成反比，故上述四個參數的關係式如下：
W1/W2=D2/D1............................................(1)
因此根據式子(1)，只要處理器303內先儲存一組已知的觸控物距離及其對應的影像寬度(畫素數目)，就可以根據任意的觸控物影像寬度計算出該觸控物的距離。
回到第4圖，當採用根據影像亮度來決定距離時，因較遠離透鏡306的觸控物O1會在影像感測器307形成較暗的影像I1(因反射回來的光量較少)，較靠近透鏡306的觸控物O2會在影像感測器307形成較亮的影像I2(因反射回來的光量較多)。因此本發明也可根據影像感測器307上的影像灰階值(即影像亮度)，來判斷觸控物距離鏡頭模組301的遠近。
如第5圖所示，假設當觸控物與鏡頭模組301距離D1時，影像感測器307上形成了亮度L1的影像；當觸控物與鏡頭模組301距離D2時，影像感測器307上形成了亮度L2的影像。因為亮度大小與觸控物距離平方成反比，故上述四個參數的關係式如下：
L1/L2=(D2/D1)2...........................................(2)
因此根據式子(2)，只要處理器303內先儲存一組已知的觸控物距離及其對應的影像亮度(灰階值)，就可以根據任意的觸控物影像亮度計算出該觸控物的距離。
以上即為本發明的兩種觸控物的距離計算方式，接著將說明觸控物的夾角的計算方式。
如先前所述，鏡頭模組301包括一透鏡306及一影像感測器307。因此，位於不同的夾角位置的觸控物透過透鏡306會成像於影像感測器307上唯一的對應畫素位置。利用此特性即可從影像感測器307的影像畫素位置反推回觸控物在觸控區域304上相對於鏡頭模組301的夾角θ。
第6圖係本發明實施例的光學觸控系統的夾角計算的示意圖。假設鏡頭模組301的視野FOV為90度，恰好涵蓋整個觸控區域304，以影像感測器307的畫素數目為900個(畫素編號0～899)為例。因此觸控物夾角每移動0.1度影像的畫素位置就會移動1個畫素。如第6圖所示，當觸控物位於夾角0度時，影像I位於第0個畫素的位置；當觸控物位於夾角45度時，影像I位於第450個畫素的位置；當觸控物位於夾角67.5度時，影像I位於第675個畫素的位置。
根據上述方法，即可由影像所在的畫素位置推得觸控物的夾角θ。需注意的是，本發明鏡頭模組的視野與影像感測器的畫素數目並未限定於上述的90度與900個，第6圖僅是舉出一個較容易理解的例子來做說明而已。
當獲得觸控物的距離D及夾角θ兩項資訊後，觸控物的在觸控區域上的唯一位置即可被確定。瞭解本發明實施例的光學觸控系統的觸控點位置檢測方法後，接下來將參照第7-10圖，以一個例子說明此光學觸控系統的觸控位置檢測步驟。
第7圖係根據本發明實施例光學觸控系統的觸控位置檢測步驟流程圖。第8圖係校正鏡頭模組角度參數的說明圖。第9圖係校正觸控物距離參數的說明圖。第10圖係實際觸控點計算的說明圖。
首先，進行步驟1：校正鏡頭模組的角度參數。將觸控區域在鏡頭模組的視野內的最大涵蓋區域邊緣分成數個校正參考點，記錄觸控區域上每個參考點所對應到的觸控感測器的畫素中心/重心位置。
如第8圖所示，將觸控區域從右上角沿著右側邊緣及下側邊緣至左下角依序分為1～N個參考點，每個參考點具有一特定的夾角(即參考點至鏡頭模組與觸控區域邊緣的夾角)。接著使觸控物接觸上述一個以上的參考點，並記錄觸控物接觸的參考點所對應的畫素中心/重心位置，如在總共640個畫素的影像感測器中，參考點1的影像中心/重心位置在第12.5個畫素的位置、參考點2的影像中心/重心位置在第100個畫素的位置、參考點3的影像中心/重心位置在第160個畫素的位置、參考點N的影像中心/重心位置在第626個畫素的位置。如此一來，即可根據每一參考點的夾角與影像所在畫素位置，求出一角度對影像位置的角度校正參數曲線。
接著，進行步驟2：校正觸控物的距離參數。將觸控域內依距離的遠近分成幾個參考點，並記錄觸控區域上每個參考點所對應到的觸控感測器的影像亮度或影像大小。
如第9圖所示，將觸控區域的對角線方向依距離的遠近分為幾個參考點(距離D1及D2的參考點)。接著使觸控物接觸上述一個以上的參考點，並記錄觸控物接觸的參考點所對應的影像亮度(L1、L2)或影像大小(W1、W2)。例如，距離30mm的參考點的影像亮度為1000個灰階；距離70mm的參考點的影像亮度為183.67個灰階；距離100mm的參考點的影像亮度為90個灰階。或者是，例如距離30mm的參考點的影像大小佔630個畫素；距離70mm的參考點的影像大小佔270個畫素；距離100mm的參考點的影像大小佔189個畫素。如此一來，即可根據每一參考點的距離與影像亮度，求出一距離對影像亮度的距離校正參數曲線，或者是根據每一參考點的距離與影像大小，求出一距離對影像大小的距離校正參數曲線。
最後，進行步驟3：實際觸控點計算。在此步驟下，使用者做實際的觸控操作，而本光學觸控系統根據觸控物的影像位置決定觸控物的角度，根據觸控物的影像亮度或影像大小決定觸控物的距離。計算完觸控點位置後，若使用者繼續觸控操作則重複步驟3。
如第10圖所示，假設當觸控物碰觸觸控區域時，影像感測器產生對應的影像。此影像的中心/重心位於第300個畫素，故根據角度對影像位置角度校正參數曲線，可得知此觸控物的觸控點位於夾角40度的延伸方向。而若此影像大小共佔270個畫素(橫跨第165至435個畫素)，故根據的距離對影像大小的距離校正曲線，可得知此觸控物位於距離鏡頭模組70mm的位置。處理器根據上述的夾角及距離計算出實際的觸控點位置。
以上即為本發明的光學觸控系統的觸控位置檢測步驟。因不同觸控物會有不同的特徵，例如粗細不同的觸控物，故在實際觸控操作前先讓觸控物點擊一個以上的指定參考點，進行角度參數及距離參數的校正，可讓實際操作時觸控點位置的計算更為精確。
根據本發明的實施例的光學觸控系統及其觸控位置檢測方法，只用單一鏡頭模組來偵測觸控位置，且因採用設置於鏡頭模組上的主動光源來照亮觸控物，使鏡頭模組接收觸控物的反射光的方式來成像，故可省去習知技術的反向反射鏡或平面鏡等組件。因此本發明的光學觸控系統相對於習知技術可有效地降低生產成本。
以上說明僅為部分實施例，並非用以限定本發明，本發明的範圍將由申請專利範圍來界定，在不脫離本發明技術思想的前提下實施例可做各種變更。例如，鏡頭模組不一定要置於觸控區域的角落，也可以在滿足鏡頭模組的視野涵蓋整個觸控區域的條件下，置於觸控區域週邊的任意位置。另外，主動光源可例如是紅外光發光二極體或紅外光雷射二極體，此時影像感測器的影像偵測範圍則必須涵蓋紅外線影像。而實施例的鏡頭模組雖只包括一透鏡，但也可以是複數個透鏡構成的透鏡組。
101、102、201、301．．．鏡頭模組
104、204．．．線性光源
105．．．反向反射鏡
205．．．平面鏡
302．．．主動光源
106、206、303．．．處理器
103、203、304．．．觸控區域
107、207、305．．．觸控點
306．．．透鏡
307．．．影像感測器
D、D1、D2．．．距離
O1、O2．．．觸控物
I、I1、I2．．．影像
L1、L2．．．亮度
W1、W2．．．寬度
θ．．．夾角
FOV．．．視野
第1圖係習知技術的光學觸控系統架構圖。
第2圖係習知技術的光學觸控系統架構圖。
第3圖係根據本發明實施例的光學觸控系統架構圖。
第4圖係本發明實施例的光學觸控系統的距離計算的示意圖。
第5圖係說明本發明實施例的距離計算方法的示意圖。
第6圖係本發明實施例的光學觸控系統的夾角計算的示意圖。
第7圖係根據本發明實施例光學觸控系統的觸控位置檢測步驟流程圖。
第8圖係校正鏡頭模組角度參數的說明圖。
第9圖係校正觸控物距離參數的說明圖。
第10圖係實際觸控點計算的說明圖。
301．．．鏡頭模組
302．．．主動光源
303．．．處理器
304．．．觸控區域
305．．．觸控點
D．．．距離
θ．．．夾角
Claims (11)
- 一種光學觸控系統，包括：一鏡頭模組，具有一透鏡及一影像感測器，使至少一觸控物透過該透鏡成像於該影像感測器；一主動光源，用以照亮該觸控物；一處理器，根據該影像感測器的影像大小或影像亮度來判斷該觸控物與該鏡頭模組的距離，並且根據在該影像感測器的影像位置來判斷該觸控物的方向，計算該觸控物的位置；以及一觸控面，提供該觸控物進行觸控操作，其中該鏡頭模組係配置於該觸控面的週邊，使該鏡頭模組的視野可涵蓋該觸控面上的任意位置。
- 如申請專利範圍第1項所述之光學觸控系統，其中該主動光源係設置於該鏡頭模組上，並且提供足夠強度的光，使該觸控物可將來自該主動光源的光反射回該鏡頭模組。
- 如申請專利範圍第2項所述之光學觸控系統，其中該主動光源為紅外光發光二極體或紅外光雷射二極體，且該影像感測器的影像偵測範圍為紅外線影像。
- 如申請專利範圍第1項所述之光學觸控系統，其中該影像感測器的影像大小係由該影像所佔畫素數目而定。
- 如申請專利範圍第1項所述之光學觸控系統，其中該處理器根據該影像感測器的影像大小來判斷該觸控物與該鏡頭模組的距離時，係依據以下公式計算：W1/W2=D2/D1，其中，D1、D2為該觸控物與該鏡頭模組的距離，W1、W2為該觸控物與該鏡頭模組距離D1、D2時的影像寬度。
- 如申請專利範圍第1項所述之光學觸控系統，其中該影像感測器的影像亮度係由該影像灰階值高低而定。
- 如申請專利範圍第1項所述之光學觸控系統，其中該處理器根據該影像感測器的影像亮度來判斷該觸控物與該鏡頭模組的距離時，係依據以下公式計算：L1/L2=(D2/D1)2，其中，D1、D2為該觸控物與該鏡頭模組的距離，L1、L2為該觸控物與該鏡頭模組距離D1、D2時的影像亮度。
- 如申請專利範圍第1項所述之光學觸控系統，其中該觸控物的方向係由該觸控物位置至該透鏡模組的連線與一既定的基準線的夾角來表示，該處理器根據該影像的中心所對應的該影像感測器的畫素決定該夾角。
- 一種光學觸控位置檢測方法，包括：使用一具有影像感測器的鏡頭模組來接收至少一觸控物的影像；根據該影像感測器的觸控物影像大小或影像亮度來判斷該觸控物與該鏡頭模組的距離；根據在該影像感測器的觸控物影像位置來判斷該觸控物的方向；根據該距離及該方向的資訊，計算該觸控物的位置。
- 如申請專利範圍第9項所述之光學觸控位置檢測方法，其中該影像感測器的影像大小係由該影像所佔畫素數目而定，且該影像感測器的影像亮度係由該影像灰階值高低而定。
- 如申請專利範圍第9項所述之光學觸控位置檢測方法，其中該觸控物影像位置係由該影像的中心所對應的該影像感測器的畫素而定。
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