TWI471521B

TWI471521B - 位移估測方法及使用該方法之位移偵測裝置

Info

Publication number: TWI471521B
Application number: TW99124282A
Authority: TW
Inventors: Hsin Chia Chen; Tzung Min Su; sen huang Huang
Original assignee: Pixart Imaging Inc
Priority date: 2010-07-23
Filing date: 2010-07-23
Publication date: 2015-02-01
Also published as: US9288369B2; TW201205031A; US20120020529A1

Description

位移估測方法及使用該方法之位移偵測裝置

本發明係關於一位移估測方法，特別係關於一種可動態調整影像圖框之品質門檻值之位移估測方法及使用該方法之位移估測裝置。

一光學位移估測裝置係利用一影像感測器所擷取之複數影像來估測該位移估測裝置相對於一工作表面之一位移量，例如習知可利用影像間之相關性(correlation)來計算該位移量。

然而，該影像感測器所擷取影像的品質，會影響利用該影像所估測之位移量的精確性，因而習知通常會先判斷該影像感測器所擷取之影像是否適合用以估測位移量，再利用符合要求之影像來進行位移估測。判斷影像品質之方式，例如可比較根據影像內容所求出影像之一品質參數與一預設的固定門檻值，如果該品質參數高於該固定門檻值，所述影像則為一張好的影像而適合用以計算位移量。

降低影像品質之原因往往是雜訊量太高，當該影像感測器所擷取之影像不符合要求時，習知可透過改變取樣參數的方式來調整影像品質，然而改變取樣參數卻會同時改變影像之雜訊位準(noise level)。因此，若使用固定門檻值，仍可能出現以不理想影像進行位移估測而輸出錯誤位移量之情形。

有鑑於此，一種能夠根據取樣參數或影像雜訊位準動態地調整影像品質門檻值之位移估測方法即為偵測系統業界所需。

本發明之一目的係提供一種位移估測方法及使用該方法之位移估測裝置，其可根據影像感測器之取樣參數動態地調整品質門檻值，以減少輸出錯誤位移量的可能性。

本發明另一目的係提供一種位移估測方法及使用該方法之位移估測裝置，其可根據影像感測器所擷取一影像圖框之雜訊位準動態地調整品質門檻值，以增加估測位移量之精確度。

為達上述目的，本發明提出一種位移估測方法，包含下列步驟：根據一取樣參數擷取一影像圖框及決定一預設雜訊位準；計算該影像圖框之一品質參數；根據該預設雜訊位準決定一品質門檻值；以及比較該品質參數及該品質門檻值以決定是否後處理該影像圖框。

一實施態樣中，該預設雜訊位準可根據該取樣參數理論推導而得，或根據所擷取之不包含工作表面影像之影像圖框，例如包含均勻分佈之光源的影像之一影像圖框，實際量測而得。

本發明另提出一種位移估測方法，包含下列步驟：根據一取樣參數擷取一影像圖框及決定一品質門檻值；計算該影像圖框之一品質參數；及比較該品質參數及該品質門檻值以決定是否根據該影像圖框估測一位移量及/或決定是否輸出根據該影像圖框估測之該位移量。

一實施態樣中，本發明之位移估測方法另包含下列步驟：判斷該影像圖框之一平均亮度是否介於一預設範圍以決定是否調整該取樣參數。

本發明另提出一種位移估測裝置，包含一影像感測單元根據一取樣參數擷取並輸出一影像圖框；以及一處理單元控制該影像感測單元根據該取樣參數擷取該影像圖框，根據該取樣參數決定一品質門檻值，計算該影像圖框之一品質參數以及比較該品質參數及該品質門檻值。

本發明之位移估測方法及位移估測裝置中，該取樣參數為影像感測器之一曝光時間、放大器之一增益值及/或光源之一亮度。

本發明根據不同的取樣參數動態調整該預設雜訊位準或品質門檻值，可增加取捨影像圖框之精確度，以降低誤計算位移量之可能性，其中該預設雜訊位準或該品質門檻值與該取樣參數之關係可建立成一查找表或一關係圖預先儲存於該處理單元中。

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。此外，本發明各圖示中僅顯示了部份構件並省略了與本發明說明不直接相關之構件。

請參照第1圖所示，其顯示本發明實施例之位移估測裝置。位移估測裝置1例如為一光學滑鼠，可放置於一工作表面S以估測相對於該工作表面S之一位移量，其中該工作表面S可為任何適當表面，例如桌面、滑鼠墊表面或紙面等。位移估測裝置1包含一影像感測單元10及一處理單元15。該影像感測單元10根據一取樣參數(sampling parameter)擷取並輸出一影像圖框(image frame)；該處理單元15控制該影像感測單元10根據該取樣參數擷取該工作表面S之影像圖框，根據該取樣參數決定一預設雜訊位準或一品質門檻值，計算該影像圖框之一品質參數以及比較該品質參數及該品質門檻值以決定是否後處理(post-process)該影像圖框，所述後處理例如根據該影像圖框計算該位移估測裝置1相對於該工作表面S之一位移量及/或決定是否輸出根據該影像圖框估測之一位移量。本發明中，品質參數可為表示影像圖框之品質的各種參數。

影像感測單元10包含一光源11、一影像感測器12、一類比數位轉換器(ADC)13、一類比放大器14及/或一數位放大器14' 。初始時，該光源11以一預設亮度照明該工作表面S以提供該影像感測器12擷取影像圖框時所需之光，其可為發光二極體、雷射二極體或其他適當光源。該影像感測器12以一預設曝光時間(exposure time)接收來自該工作表面S之反射光以形成類比影像圖框，其可為CCD影像感測器、CMOS影像感測器或其他適當感測器。該類比放大器14以一預設類比增益(gain)放大該影像感測器12所輸出之類比影像圖框之影像信號；本實施例中該類比放大器14可實施或不予實施。該類比數位轉換器13用以將類比影像圖框轉換為數位影像圖框。該數位放大器14' 以一預設數位增益放大該類比數位轉換器13所輸出之數位影像圖框之影像信號；本實施例中該數位放大器14' 可實施或不予實施。因此，該影像感測單元10之取樣參數例如為該曝光時間、該亮度及/或該增益等，但本發明並不限於此。此外，該影像感測單元10可另包含一導光單元16用以將來自該工作表面S之反射光引導至該影像感測器12。

接著，該處理單元15根據所接收之數位影像圖框自動控制該光源11以一亮度發光，控制該影像感測器12以一曝光時間擷取影像圖框，並控制該類比放大器14或該數位放大器14' 以一增益放大影像圖框。該處理單元15判斷所接收數位影像圖框之平均亮度是否介於一預設範圍以決定取樣參數，例如若一數位影像圖框之平均亮度範圍為0~255，則當目前影像圖框之平均亮度介於108~148時，該處理單元15則不調整取樣參數；當目前影像圖框之平均亮度落於108~148以外時，該處理單元15則調整取樣參數以使接下來該影像感測器12所擷取影像圖框之平均亮度能夠介於預設範圍內。可以了解的是，上述預設範圍之數值僅為例示性，並非用以限定本發明。

然而，當取樣參數被調整時，影像圖框之雜訊位準(NL)也會隨著改變；本發明中，雜訊位準為表示影像品質之一特徵指標。

請參照第2及3圖，其顯示本發明實施例之位移估測方法中，雜訊位準變化的情形。例如當該處理單元15所接收之影像圖框之平均亮度低於預設範圍時，於時間區間t₁ 可先增加該光源11之亮度或該影像感測器12之曝光時間；當該等取樣參數逐漸增加時，該處理單元15所接收之影像圖框之平均亮度中雜訊位準NL亦同時增加，如第2及3圖所示。假設該處理單元15無法僅透過調整光源11之發光亮度及影像感測器12之曝光時間以使影像圖框之平均亮度達到預設範圍內，因此於第2時間區間t₂ 控制該等放大器14或14' 之增益；同樣地，此時影像圖框中之雜訊位準NL亦同時增加。

本發明透過動態調整品質門檻值以減少輸出錯誤位移量的可能性；亦即，當該處理單元15判定所接收之影像圖框之品質參數低於品質門檻值，則判定該影像圖框為不可用(unusable)影像圖框，因而忽略該影像圖框；反之，當該處理單元15判定所接收之影像圖框之品質參數高於品質門檻值，則判定該影像圖框為可用(usable)影像圖框，因而後處理該影像圖框，例如利用該影像圖框計算一位移量，其中品質參數及品質門檻值將於後舉例說明。可以了解的是，上述當品質參數高於品質門檻值時後處理該影像圖框之說明並非用以限定本發明；亦即，經過適當數值處理後，可能為當品質參數低於品質門檻值時後處理該影像圖框。

第2圖中，品質門檻值Th設定為雜訊位準之一倍數或偏位(offset)；第3圖中則設定為根據所調整之取樣參數預先設定相對應之品質門檻值Th1及Th2，亦即例如可預先將取樣參數與預設雜訊位準或品質值門檻值建立一查找表或關係圖，以利該處理單元15根據當時取樣參數決定預設雜訊位準及品質門檻值。此外，雜訊位準可為根據不同取樣參數預先以理論推導而得，或利用該影像感測器12在不同取樣參數下擷取不包含該工作表面S之影像的影像圖框以實測，例如包含均勻分佈之光源的影像之一影像圖框，求得。可以了解的是，第2及3圖所示時間區間t₁ 及t₂ 中所調整之取樣參數僅為例示性，該處理單元15可以其他順序或組合分別或同時調整不同取樣參數。

請參照第4圖所示，其顯示本發明實施例之位移估測方法之流程圖，包含下列步驟：根據一取樣參數擷取一影像圖框並決定一預設雜訊位準(步驟S₁ )；計算該影像圖框之一品質參數(步驟S₂ )；根據該預設雜訊位準決定一品質門檻值(步驟S₃ )；比較該品質參數及該品質門檻值以決定是否後處理該影像圖框(步驟S₄ )；以及判斷該影像圖框之一平均亮度是否介於一預設範圍以決定是否調整該取樣參數(步驟S₅ )。

除了前述關於本發明之位移估測方法之實施方式外，以下另提出一種影像品質之實施例，但此實施例僅用以說明本發明，並非用以限定本發明。

請參照第5圖所示，其顯示本發明實施例之位移估測方法中一種影像品質參數之示意圖。影像特徵變化例如可為該影像感測單元10所擷取一影像圖框之一維畫素的灰階值變化；而該品質參數例如可設定為該一維畫素之灰階值變化的峰值數目。例如，假設一影像圖框之一列或一行畫素中，一畫素兩邊畫素之灰階值低於該畫素一定程度時，該畫素則為一上波峰；一畫素兩邊畫素之灰階值高於該畫素一定程度時，該畫素則為一下波峰；例如第5圖中包含三個上波峰U₁ ~U₃ 及三個下波峰D₁ ~D₃ 。影像品質例如可為上波峰數目、下波峰數目及/或上下波峰總數目等，例如此時波峰總數為6。該影像感測單元10所擷取之影像圖框中，波峰數目愈高則表示所擷取影像圖框之特徵變化愈明顯，愈容易成為一可用圖框；因此，可透過不同波峰總數來決定影像圖框之品質。此外，本發明中所述之影像品質還可為表示影像品質之其他特徵參數，並不限於第5圖所揭示者。關於上述品質參數之詳細實施方式例如可參照由本案申請人所共同擁有的美國專利第7,142,695號、7,444,006號及第7,116,801號。此外，另可參照公開之論文，如Y. S. Chen and F. C. Meng,“Image quality measurement based on statistics of activity regions,”Journal of the Chinese Institute of Engineers ,Vol. 24,No. 3,pp. 379-388(2001)，或M.T. Postek N. Zhang,A.E. Vladar and B. Larrabee,“A kurtosis-based statistical measure for two-dimensional processes and its application to image sharpness,”Proceedings of Section of Physical and Engineering Sciences of American Statistical Society ,pp.4730-4736,2003。

請同時參照第4及5圖，以下以波峰總數表示影像品質參數為例說明本發明之位移估測方法。首先，該處理單元15控制該影像感測單元10以一取樣參數(曝光時間、光源亮度及/或放大增益)擷取一影像圖框並根據取樣參數決定一預設雜訊位準，此時該預設雜訊位準例如為預設波峰總數5(步驟S₁ )；接著，該處理單元15計算該影像圖框之一品質參數，即計算該影像圖框之一波峰總數(步驟S₂ )；接著，該處理單元15根據該預設雜訊位準決定一品質門檻值，例如該品質門檻值可設定為預設波峰總數目之一比例或一偏移量，例如2倍為10或加3為8(步驟S₃ )；接著，該處理單元13比較該品質參數及該品質門檻值以決定是否後處理該影像圖框(步驟S₄ )，當該品質參數大於該品質門檻值，後處理該影像圖框；而當該品質參數小於該品質門檻值，忽略該影像圖框。另一實施例中，當該品質參數與該品質門檻值之一比較結果判定該影像圖框為一可用影像圖框，後處理該影像圖框；而當該品質參數與該品質門檻值之一比較結果判定該影像圖框為一不可用影像圖框，忽略該影像圖框。

最後，該處理單元15判斷該影像圖框之一平均亮度是否介於一預設範圍以決定是否調整該取樣參數，例如當該影像圖框之一平均亮度介於一預設範圍，該處理單元15控制該影像感測單元10於擷取下一張影像圖框時維持該取樣參數；而當該影像圖框之一平均亮度不介於該預設範圍，該處理單元15控制該影像感測單元10於擷取下一張影像圖框時以新的取樣參數擷取影像(步驟S₅ )。

此外，當儲存於該處理單元15中者為取樣參數與品質門檻值之關係，本發明實施例之位移估測方法之流程圖，包含下列步驟：根據一取樣參數擷取一影像圖框及決定一品質門檻值；計算該影像圖框之一品質參數；及比較該品質參數及該品質門檻值以決定是否根據該影像圖框估測一位移量或決定是否輸出該位移量。

綜上所述，由於習知位移估測方法係根據一固定門檻值決定所擷取影像圖框之優劣，仍存在可能輸出錯誤位移量的問題。本發明另提出一種可根據預設雜訊位準或取樣參數動態調整品質門檻值之位移估測方法，根據預先建立之取樣參數與預設雜訊位準或品質門檻值之關係來調整品質門檻值，可有效增進位移量計算之精確度。

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．．．位移估測裝置

10．．．影像感測單元

11．．．光源

12．．．影像感測器

13．．．類比數位轉換單元

14．．．類比放大器

14'．．．數位放大器

15．．．處理單元

16．．．導光單元

S．．．工作表面

t₁ 、t₂ ．．．時間區間

Th、Th₁ 、Th₂ ．．．品質門檻值

NL．．．雜訊位準

U₁ 、U₂ 、U₃ ．．．上波峰

D₁ 、D₂ 、D₃ ．．．下波峰

S₁ ～S₅ ．．．步驟

第1圖為本發明實施例之位移估測裝置之方塊圖。

第2圖顯示本發明實施例之位移估測方法中，品質門檻值隨雜訊位準調整之示意圖。

第3圖顯示本發明實施例之位移估測方法中，品質門檻值隨雜訊位準調整之另一示意圖。

第4圖為本發明實施例之位移估測方法之流程圖。

第5圖顯示本發明實施例之位移估測方法中，一種品質參數之示意圖。

S₁ ~S₅ ．．．步驟

Claims

一種位移估測方法，包含下列步驟：根據一取樣參數擷取一影像圖框及根據預設的該取樣參數與預設雜訊位準之關係決定一預設雜訊位準；計算該影像圖框之一品質參數；根據該預設雜訊位準動態地決定一品質門檻值；及比較該品質參數及該品質門檻值以決定是否後處理該影像圖框。
如申請專利範圍第1項所述之位移估測方法，其中該取樣參數為一曝光時間、一放大增益及/或一光源亮度。
如申請專利範圍第1項所述之位移估測方法，其中比較該品質參數及品質門檻值之步驟另包含：當該品質參數大於該品質門檻值，利用該影像圖框估測一位移量；及當該品質參數小於該品質門檻值，忽略該影像圖框。
如申請專利範圍第1項所述之位移估測方法，另包含下列步驟：計算該影像圖框之一平均亮度；當該平均亮度介於一預設範圍，維持該取樣參數；及當該平均亮度不介於該預設範圍，調整該取樣參數。
如申請專利範圍第1項所述之位移估測方法，其中該品質門檻值為該預設雜訊位準之一比例或一偏位。
如申請專利範圍第1項所述之位移估測方法，其中根據一取樣參數決定一預設雜訊位準之步驟另包含下列步驟：根據該預設雜訊位準與該取樣參數之一查找表決定該預設雜訊位準。
如申請專利範圍第1項所述之位移估測方法，其中比較該品質參數及品質門檻值之步驟另包含：當比較該品質參數及品質門檻值之一比較結果判定該影像圖框為可用影像圖框，則後處理該影像圖框；及當該比較結果判定該影像圖框為不可用影像圖框，則忽略該影像圖框。
一種位移估測方法，包含下列步驟：根據一取樣參數擷取一影像圖框及根據預設的該取樣參數與品質門檻值之關係動態地決定一品質門檻值；計算該影像圖框之一品質參數；及比較該品質參數及該品質門檻值以決定是否根據該影像圖框估測一位移量。
如申請專利範圍第8項所述之位移估測方法，其中該取樣參數為一曝光時間、一放大增益及/或一光源亮度。
如申請專利範圍第8項所述之位移估測方法，其中該品質門檻值係根據該取樣參數與該品質門檻值之一查找表所求得。
如申請專利範圍第8項所述之位移估測方法，另包含下列步驟：計算該影像圖框之一平均亮度；及判斷該平均亮度是否介於一預設範圍，以決定是否調整該取樣參數。
如申請專利範圍第8項所述之位移估測方法，其中比較該品質參數及該品質門檻值之步驟另包含：當比較該品質參數及品質門檻值之一比較結果判定該影像圖框為可用影像圖框，則根據該影像圖框估測一位移量。
如申請專利範圍第8項所述之位移估測方法，另包含下列步驟：比較該品質參數及該品質門檻值以決定是否輸出根據該影像圖框估測之該位移量。
一種位移估測裝置，包含：一影像感測單元，根據一取樣參數擷取並輸出一影像圖框；及一處理單元，控制該影像感測單元根據該取樣參數擷取該影像圖框，根據預設的該取樣參數與品質門檻值之關係動態地決定一品質門檻值，計算該影像圖框之一品質參數以及比較該品質參數及該品質門檻值，並根據比較該品質參數及該品質門檻值之一比較結果決定是否後處理該影像圖框。
如申請專利範圍第14項所述之位移估測裝置，其中該影像感測單元另包含：一影像感測器，以一曝光時間擷取該影像圖框；一光源，以一亮度提供該影像感測器擷取該影像圖框時所需之光；及一放大單元，以一增益放大該影像圖框之信號。
如申請專利範圍第15項所述之位移估測裝置，其中該取樣參數為該曝光時間、亮度及/或增益。
如申請專利範圍第15項所述之位移估測裝置，其中該影像感測單元另包含一類比數位轉換器將該影像感測器所擷取之類比影像圖框轉換為數位影像圖框；該放大單元可為一類比放大器或一數位放大器。
如申請專利範圍第14項所述之位移估測裝置，其中該處理單元中另儲存有根據該取樣參數與該品質門檻值所預先建立之一查找表。
如申請專利範圍第14項所述之位移估測裝置，其中該處理單元另判斷該影像圖框之一平均亮度是否介於一預設範圍以決定是否調整該取樣參數。
如申請專利範圍第14項所述之位移估測裝置，其中該品質門檻值為根據該取樣參數決定之一預設雜訊位準之一比例或一偏位。