TWI424343B - 光學觸控系統及其感測方法 - Google Patents

Description

光學觸控系統及其感測方法

本發明係關於一種觸控系統，特別是關於一種可利用影像資訊或鏡像資訊等之光學特徵判斷出正確物件座標之觸控系統。

觸控螢幕裝置，一種現今受歡迎的電腦系統的輸入方式，可讓使用者直接在螢幕上進行輸入操作。使用者可利用觸控筆(stylus)、指尖或其他類似者，碰觸螢幕。觸控螢幕裝置偵測與計算出產生碰觸的位置後，將座標輸出至電腦系統，以進行後續的計算處理。至今，被開發以偵測碰觸位置的觸控技術有很多，包括：電阻式(resistive)、電容式(capacitive)、光學式(infrared)、表面聲波式(surface acoustic wave)、電磁式(magnetic)、靜電式(near field imaging)等技術。

偵測單一手指或一觸控筆產生之碰觸事件(touch event)及計算碰觸座標之單點觸控(Single Touch)技術已被廣泛地運用在許多電子裝置中。而，另一種可偵測或辨識第二個觸控事件或稱為手勢事件(gesture event)之多點觸控技術，則逐漸地擴大使用。使用具備多觸控點偵測能力的觸控螢幕裝置，使用者可在螢幕上同時移動多個指尖，以產生控制裝置可轉換成輸入指令之一移動型態(pattern)。以例言，一種常見的移動型態為：在一圖片上，以兩手指做捏取(pinch)的動作，讓該圖片縮小。

然而，在單點觸控(Single Touch)技術的基礎上，所發展出的多點觸控技術，要能準確地決定出同時在觸控螢幕上之多個觸控點之座標，仍有許多困難之處。例如，以光學式觸控螢幕裝置而言，當兩指尖接觸觸控螢幕後，控制器根據所擷取之感測影像，會計算出四個座標，而無法直接計算出兩指尖之真正座標，因此現有的光學式觸控螢幕裝置仍難以輕易地計算出多觸控點之座標。

根據上述問題，本發明一實施例提供一種光學觸控系統，其包含一感測單元以及一處理單元。感測單元具有一第一感測器以及一第二感測器。第一感測器及第二感測器分別擷取一影像，其中該等影像包含複數個物件之影像資訊。處理單元根據該等影像中該等物件之影像資訊產生一組候選座標，及根據該等影像中該等物件之影像資訊的光學特徵，從該組候選座標中選擇部份座標作為輸出座標進行輸出。

本發明另一實施例提供一種光學觸控系統，其包含一感測單元以及一處理單元。感測單元具有一鏡面元件以及一感測器。感測器擷取一影像，其中該影像包含複數個物件之影像資訊以及由該鏡面元件所反射該等物件之鏡像資訊。處理單元根據該影像中該等物件之影像資訊以及鏡像資訊產生一組候選座標，及根據該等物件之影像資訊的一光學特徵或鏡像資訊的一光學特徵，從該組候選座標中選擇部份座標作為輸出座標進行輸出。

本發明一實施例提供一種光學觸控系統之計算方法，其包含一感測單元偵測複數個物件，一計算單元根據該感測單元之偵測結果，計算出複數個候選座標，以及根據各該物件在該感測單元上產生之光學特徵，從該些候選座標中，選擇各該物件之座標等之步驟。

圖1為本發明一實施例之光學觸控系統1之示意圖。光學觸控系統1為一多點觸控系統，其可利用物件14和15在影像中所呈現之光學特徵，從計算所得的物件14和15座標中，選擇出正確的座標。光學觸控系統1包含一感測單元10及一處理單元11，其中處理單元11耦接感測單元10。感測單元10係用於提供分析物件14和15座標之影像，而處理單元11根據感測單元10所提供之影像，計算出物件14和15之座標。

在一實施例中，感測單元10包含一鏡面元件12及一感測器13。鏡面元件12可與兩長條元件16和17共同圍繞出一感測區域，其中長條元件16和17可為發光元件或反光元件。鏡面元件12包含一鏡面，該鏡面面向該感測區域，以產生進入感測區域之物件14和15之鏡像。感測器13置放於與鏡面元件12相對之長條元件17之一端旁，其感測面(sensing surface)朝向感測區域。

圖2為本發明一實施例之感測器13所擷取之一影像2之示意圖。圖3例示物件14和15之座標計算。參照圖1至3所示，當物件14和15同時進入感測區域時，鏡面元件12會分別產生物件14和15之虛像(virtual images)14'及15'。同時，物件14和15和其虛像改變感測器13之感測面上的明暗分佈。於此刻，感測器13可擷取到呈現明暗分佈之一影像2，其中影像2包含由物件14形成之影像資訊21；由物件15形成之影像資訊22；由物件14之虛像14'形成之鏡像資訊23；以及由物件15之虛像15'形成之鏡像資訊24。

在一實施例中，光學觸控系統1被設計以使物件14與15遮蔽投向感測器13之光線，以在感測器13上形成較影像2之背景亮度低之遮蔽資訊。在此類光學觸控系統1中，物件14和15之虛像14'和15'產生之鏡像資訊23和24亦會較影像2之背景亮度低之遮蔽資訊。

在另一實施例中，光學觸控系統1被設計成將光投射至物件14與15上，使物件14與15反射投射光，以讓感測器13接收物件14與15之反射光線，如此物件14與15將會在感測器13產生較影像2之背景亮度高之反射資訊。

參照圖3所示，關於物件14和15之座標P₁ 和P₂ 計算，以下以物件15為例來說明，而同樣的計算步驟，可運用在物件14上。在感測器13擷取到影像2後，處理單元11可根據影像2上物件15產生之影像資訊22計算出以感測器13為原點並延伸通過物件15之觀測線(viewing line)31。之後，處理單元11可計算出觀測線31與長條元件17間之夾角θ₁ 。此外，處理單元11可根據影像2上物件15產生虛像15'之影像資訊24計算出以感測器13為原點並延伸至虛像15'之觀測線32，及觀測線32與長條元件17間之夾角θ₂ 。最後，處理單元11再根據下列公式(1)和(2)，計算出物件15之座標P₂ (x,y)。

y =x ×tanθ₁ 　(2)

其中，D₁ 為鏡面元件12與長條元件17間之距離。

光學觸控系統1之感測區域雖為四邊形，但本發明不以此為限。有關此實施例之物件14和15之座標計算，更詳盡的計算方法，可參考中華民國公開號第201003477號專利申請案及中華民國公開號第201030581號專利申請案。

關於觀測線31或32之建立方法，若以觀測線31為例，可先計算出通過物件15兩側邊緣之觀測線37和38，然後將兩觀測線37和38平均。詳細的計算方法，可參考美國公告號第4,782,328號專利。

參照圖2與圖3所示，實際上，處理單元11在計算物件14和15的座標時，無從事先判斷影像資訊21和22與鏡像資訊23和24間之對應關係，而需先計算物件14和15之座標P₁ 和P₂ 。因此，處理單元11根據影像資訊21和22與鏡像資訊23和24間可能之排列組合，計算出複數個候選座標P₁ 、P₂ 、P₃ 和P₄ 。複數個候選座標P₁ 、P₂ 、P₃ 和P₄ 位於觀測線31、32、33和34的交點處，而觀測線31、32、33和34可以視為物件15、虛像15'、物件14和虛像14'在感測器13上產生影像資訊22、鏡像資訊24、影像資訊21和鏡像資訊23所有可能位置所形成的假想線。而由於鏡面元件12為反射元件之緣故，故觀測線32和34延伸到鏡面元件12之鏡面時，會以類似光線反射方式被轉向延伸。

當物件14或15越靠近感測器13時，其產生之影像資訊21或22之面積A3或A4會越大，且若影像資訊21或22為遮蔽資訊時，影像資訊21或22上最低亮度值25或26會越低；若是光投射至物件14與15上，而物件14與15反射投射光至感測器13上的情形時，影像資訊21或22為反射資訊時，影像資訊21或22上最高亮度值25或26會越高。基於此原理，若再次利用影像2之影像資訊21或22之前述光學特徵，應可進一步判斷出正確的物件14和15的座標P₁ 和P₂ 。參照圖2與圖3所示，在完成候選座標P₁ 、P₂ 、P₃ 和P₄ 的計算後，處理單元11會根據物件14和15之影像資訊21和22之光學特徵及虛像14'及15'之鏡像資訊23和24之光學特徵，選擇出正確的物件14和15的座標P₁ 和P₂ ，其中該光學特徵可為影像資訊(21或22)或鏡像資訊(23或24)之面積A1、A2、A3或A4；或者該光學特徵可為影像資訊(21或22)或鏡像資訊(23或24)之最低亮度值25、26、27或28。

在一實施例中，處理單元11比較影像資訊21之面積A3和影像資訊22之面積A4，可發現影像資訊21之面積A3較影像資訊22之面積A4為大，因此，可確認在觀測線33上之物件14較在觀測線31上之物件15更為靠近感測器13，所以處理單元11會依據比較結果會選擇在觀測線33上靠近感測器13之座標P₁ ，並選擇在觀測線31上遠離感測器13之座標P₂ 。類似地，處理單元11可比較鏡像資訊23和24之面積A1和A2，確認出虛像14'和15'之遠近，做出最後選擇。

在另一實施例中，處理單元11比較影像資訊21之最低亮度值25和影像資訊22之最低亮度值26，可發現影像資訊21之最低亮度值25較影像資訊22之最低亮度值26為低，因此可確認出在觀測線33上之物件14應較在觀測線31之物件15更為靠近感測器13。因此，處理單元11會選擇出在觀測線33上較靠近感測器13之座標P₁ ，且選擇出在觀測線31上較遠離處理單元11之座標P₂ 。處理單元11亦可比較鏡像資訊23和24中之最低亮度值27和28，並以同樣的判斷方式選擇出正確的輸出座標P₁ 和P₂ 。

圖4顯示本發明另一實施例之光學觸控系統4之示意圖。參照圖2所示，本案另一實施例之光學觸控系統4包含一感測單元41及一處理單元42，其中感測單元41耦接處理單元42。感測單元41包含一第一感測器411以及一第二感測器412，其中第一感測器411以及第二感測器412分別設置於以長條元件46在一基板43上所圍繞出之感測區域之兩相鄰角落上。在一實施例中，長條元件46可為反光元件。在另一實施例中，長條元件46可為發光元件。

參照圖4至圖6所示，當兩物件44與45觸及基板43時，物件44與45會分別改變第一感測器411與第二感測器412之感測面上的明暗分佈狀況。此時，第一感測器411所擷取的影像5上，會顯示由物件44與45所產生之影像資訊51和52，而第二感測器412所擷取的影像6上，會顯示由物件44與45所產生之影像資訊61和62。

在一實施例中，光學觸控系統4被設計以使物件44與45遮蔽投向第一感測器411與第二感測器412之光線，以在第一感測器411與第二感測器412上形成的影像資訊51、52、61和62為較影像5或6之背景亮度低之遮蔽資訊。

在另一實施例中，光學觸控系統4被設計成讓第一感測器411與第二感測器412接收物件44與45之反射光線，如此物件44與45將分別在第一感測器411與第二感測器412上產生的影像資訊51、52、61和62，其亮度會較影像5或6之背景亮度為高之反射資訊。

參照圖7所示，處理單元42根據第一感測器411產生之影像5中之影像資訊51、52建立出以第一感測器411為原點之觀測線71和72，其中觀測線71和72之建立可參考美國第4,782,328號專利。處理單元42另可根據第二感測器412產生之影像6中之影像資訊61、62建立出以第二感測器412為原點之觀測線73和74。接著，處理單元42利用複數條觀測線71、72、73和74計算出複數個候選座標P₅ 、P₆ 、P₇ 和P₈ 。最後，處理單元42比較影像資訊(51和52)或(61和62)之光學特徵，從而選擇出輸出座標P₅ 和P₆ 。

在一實施例中，經處理單元42比較後，由於影像資訊51之面積A5較影像資訊52之面積A6為大，因此選擇及輸出在觀測線71上較靠近第一感測器411的座標P₅ ，並選擇及輸出在觀測線72上離第一感測器411較遠之座標P₆ 。或者，處理單元42可比較影像資訊61和影像資訊62，由於影像資訊62之面積A8較影像資訊61之面積A7為大，因此選擇及輸出在觀測線73上離第二感測器412較遠的座標P₅ ，並選擇及輸出在觀測線74上離第二感測器412較近之座標P₆ 。

在另一實施例中，處理單元42比較影像資訊51和影像資訊52中最低亮度值53和54，藉此確認出產生影像資訊51之物件44較產生影像資訊52之物件45靠近第一感測器411。之後，處理單元42選擇及輸出在觀測線71上較靠近第一感測器411的座標P₅ ，及在觀測線72上離第一感測器411較遠之座標P₆ 。或者，處理單元42可選擇比較影像資訊61和影像資訊62之最低亮度值63和64，以選擇出輸出座標P₅ 和P₆ 。

參照圖4與圖8所示，在一實施例中，物件44與45在基板43之座標亦可同時以物件44與45在第一感測器411上產生之複數個影像資訊之面積A11和A12，以及在第二感測器412產生之複數個影像資訊之面積A21和A22決定，其中影像資訊可為遮蔽資訊或反射資訊。處理單元42利用第一感測器411及第二感測器412上產生之影像資訊，可得出觀測線81、82、83和84，藉此計算出候選座標P_a 、P_b 、P_c 、P_d 。而關於物件44與45之真實座標，可以表1所列之任一關係式決定。

在另一實施例中，物件44與45在基板43上之座標可同時以物件44與45在第一感測器411上產生之複數影像資訊之最低亮度值(當該影像資訊為遮蔽資訊時)或最高亮度值(當該影像資訊為反射資訊時)I11和I12，以及在第二感測器412上產生之影像資訊之最低或最高亮度值I21和I22來決定，如此可確保所得之物件44與45之座標之正確性。而關於物件44與45之座標，可以表2所列之任一關係式決定。

本發明揭示之光學觸控系統，可利用擷取影像中之影像/鏡像資訊之光學特徵，從候選座標中，選擇出多個物件之真正座標。本發明揭示之座標計算方法可直接運用在單點觸控技術上，因此可避免開發複雜多點觸控系統。再者，本發明揭示之座標計算方法簡單，因此可快速、有效率地計算出多觸控點的座標。

本揭露之技術內容及技術特點已揭示如上，然而熟悉本項技術之人士仍可能基於本揭露之教示及揭示而作種種不背離本揭露精神之替換及修飾。因此，本揭露之保護範圍應不限於實施例所揭示者，而應包括各種不背離本揭露之替換及修飾，並為以下之申請專利範圍所涵蓋。

1．．．光學觸控系統

2．．．影像

4．．．光學觸控系統

5、6．．．影像

10．．．感測單元

11．．．處理單元

12．．．鏡面元件

13．．．感測器

14、15．．．物件

14'、15'．．．虛像

16．．．長條元件

17．．．長條元件

21、22．．．影像資訊

23、24．．．鏡像資訊

25、26、27、28．．．最低亮度值

31、32、33、34．．．觀測線

37、38．．．觀測線

41．．．感測單元

42．．．處理單元

43．．．基板

44、45．．．物件

46．．．長條元件

51、52、61、62．．．影像資訊

53、54、63、64．．．最低亮度值

71、72、73、74．．．觀測線

81、82、83、84．．．觀測線

411．．．第一感測器

412．．．第二感測器

D1．．．距離

A1、A2、A3、A4．．．面積

A5、A6、A7、A8．．．面積

A11、A12、A21、A22．．．影像資訊

I11、I12、I21、I22．．．亮度值

P₁ 、P₂ 、P₃ 、P₄ ．．．座標

P₅ 、P₆ 、P₇ 、P₈ ．．．座標

P_a 、P_b 、P_c 、P_d ．．．候選座標

x、y．．．座標值

θ₁ 、θ₂ ．．．夾角

「引用參考文獻」

中華民國公開號第201003477號專利申請案；中華民國公開號第201030581號專利申請案；及美國第4,782,328號專利。

圖1為本發明一實施例之光學觸控系統之示意圖；

圖2為本發明一實施例之感測器所擷取之一影像之示意圖；

圖3例示物件之座標計算；

圖4顯示本發明另一實施例之光學觸控系統之示意圖；

圖5為本發明一實施例之第一感測器所擷取之一影像之示意圖；

圖6為本發明一實施例之第二感測器所擷取之一影像之示意圖；

圖7例示物件之座標計算；及

圖8例示觀測線及物件之候選座標。

11．．．處理單元

12．．．鏡面元件

13．．．感測器

14、15．．．物件

14'、15'．．．虛像

16．．．長條元件

17．．．長條元件

31、32、33、34．．．觀測線

37．．．觀測線

38．．．觀測線

D1．．．距離

P₁ 、P₂ 、P₃ 、P₄ ．．．座標

x、y．．．座標值

θ₁ 、θ₂ ．．．夾角

Claims (22)

1. 一種光學觸控系統，包括：一感測單元，具有一第一感測器以及一第二感測器，分別擷取一影像，其中該等影像包含複數個物件之影像資訊；以及一處理單元，根據該等影像中該等物件之影像資訊產生一組候選座標，及比較該等影像中該等物件之影像資訊的光學特徵，以從該組候選座標中選擇部份座標作為輸出座標進行輸出。
2. 根據請求項1所述之光學觸控系統，其中該影像資訊是該等物件遮蔽光線在該感測器中所形成之遮蔽資訊，或是該等物件反射光線在該影像中所形成之反射資訊。
3. 根據請求項1所述之光學觸控系統，其中該影像資訊的該光學特徵是面積或亮度。
4. 根據請求項1所述之光學觸控系統，其中該處理單元利用該影像之影像資訊建立出分別由該第一感測器與該第二感測器為原點的複數個影像觀測線，計算出該等影像觀測線之交點，以產生該組候選座標。
5. 根據請求項4所述之光學觸控系統，其中該處理單元根據產生各該影像觀測線之該影像資訊之光學特徵，在各該影像觀測線所產生的該等交點中，取出一輸出座標。
6. 一種光學觸控系統，包含：一感測單元，具有一鏡面元件以及一感測器，該感測器擷取一影像，其中該影像包含複數個物件之影像資訊以 及由該鏡面元件所反射該等物件之鏡像資訊；以及一處理單元，根據該影像中該等物件之影像資訊以及鏡像資訊產生一組候選座標，及比較該等物件之影像資訊的一光學特徵或鏡像資訊的一光學特徵，以從該組候選座標中選擇部份座標作為輸出座標進行輸出。
7. 根據請求項6所述之光學觸控系統，其中該影像資訊是該等物件遮蔽光線在該感測器中所形成之遮蔽資訊，或是該等物件反射光線在該影像中所形成之反射資訊。
8. 根據請求項6所述之光學觸控系統，其中該鏡像資訊是該等物件遮蔽光線在該鏡面元件中所形成之鏡像遮蔽資訊，或是該等物件反射光線在該鏡面元件中所形成之鏡像反射資訊。
9. 根據請求項6所述之光學觸控系統，其中該影像資訊的該光學特徵是面積或亮度；而該鏡像資訊的該光學特徵是面積或亮度。
10. 根據請求項6所述之光學觸控系統，其中該處理單元利用該影像之影像資訊建立出由該感測器為原點的複數個影像觀測線，且利用該影像之鏡像資訊建立出在該鏡面元件上該感測器所形成鏡像為原點之複數個鏡像觀測線，並計算出該等影像觀測線與該等鏡像觀測線之交點，以產生該組候選座標。
11. 根據請求項10所述之光學觸控系統，其中該處理單元根據產生各該影像觀測線之該影像資訊之光學特徵，在各該影像觀測線所產生的該等交點中，取出一輸出座標。
12. 一種光學觸控系統之計算方法，其包含下列步驟：一感測單元偵測複數個物件；一計算單元根據該感測單元之偵測結果，計算出複數個候選座標；以及比較各該物件在該感測單元上產生之光學特徵，從該些候選座標中，選擇部份座標作為輸出座標進行輸出。
13. 根據請求項12所述之計算方法，其中該感測單元包含一鏡面元件以及一感測器，而該計算方法更包含下列步驟：該感測器擷取一影像，其中該影像包含複數個物件之影像資訊以及由該鏡面元件所反射該等物件之鏡像資訊。
14. 根據請求項13所述之計算方法，其更包含下列步驟：利用該影像之影像資訊建立出由該感測器為原點的複數個影像觀測線；利用該影像之鏡像資訊建立出在該鏡面元件上該感測器所形感鏡像為原點之複數個鏡像觀測線；以及計算出該等影像觀測線與該等鏡像觀測線之交點，以產生該組候選座標。
15. 根據請求項14所述之計算方法，其更包含：根據產生各該影像觀測線之該影像資訊之光學特徵，在各該影像觀測線所產生的該等交點中，取出一輸出座標之步驟。
16. 根據請求項12所述之計算方法，其中該感測單元具有一第一感測器以及一第二感測器，而該計算方法更包含下列步驟：該第一感測器與該第二感測器分別擷取一影像，其中 該等影像包含複數個物件之影像資訊。
17. 根據請求項16所述之計算方法，其更包含下列步驟：利用該影像之影像資訊建立出分別由該第一感測器與該第二感測器為原點的複數個影像觀測線；以及計算出該等影像觀測線之交點，以產生該組候選座標。
18. 根據請求項12所述之計算方法，其更包含該感測單元擷取該等物件之遮蔽資訊之步驟。
19. 根據請求項12所述之計算方法，其更包含該感測單元擷取該等物件之反射資訊之步驟。
20. 根據請求項12所述之計算方法，其更包含該感測單元擷取該等物件之鏡像遮蔽資訊之步驟。
21. 根據請求項12所述之計算方法，其更包含該感測單元擷取該等物件之鏡像反射資訊之步驟。
22. 根據請求項12所述之計算方法，其中該光學特徵是面積或亮度。