專利名稱：光學位置輸入系統(tǒng)和方法
光學位置輸入系統(tǒng)和方法
背景技術：
目前，觸摸屏用于自動取款機(ATM)和其它互動式設備。使用者一般通過筆或者手指與ATM的輸入設備的屏幕互動，目前也可使用電腦的其它輸入設備，例如手寫板或輸入板。例如，手寫板廣泛用于書寫字符，例如語言單詞。一些輸入設備可能需要特殊的指示物(pointing object)例如特殊的筆，其可能不如手指方便。大的觸摸屏可能也需要輸入設備，這種大觸摸屏通常設置為會議室或教室里經常使用的白板。為了記錄白板上的書寫內容，可以使用線性傳感器以掃描白板，進而記錄書寫內容。一段時間之后，傳感器相對于板的運動可能不穩(wěn)定且不可靠。在白板上進行讀寫的其它方法中包括使用帶有非移動的壓力傳感器的觸摸屏白板，并且在白板的邊緣分別設置有紅外發(fā)光二極管(LED)。然而，對于大的觸摸屏來說，提供大量不移動的壓力傳感器及密集的LED，其成本極其高昂?，F有技術中公開了基于三角測量(triangulation)的單位置光學觸摸屏，如名稱為“Optical Touch Screen Arrangement”的美國專利7，；355，594。然而，這種系統(tǒng)不能保證多個觸摸(即多于一個的指示物)的分辨率，而且相對于三角測量的基線，其位置精度是隨觸摸而變化的。這種系統(tǒng)也受觸摸區(qū)域外的運動的影響，可能報告錯誤的位置。

發(fā)明內容
根據本發(fā)明一實施方式，本發(fā)明提供了一種光學輸入系統(tǒng)，用于在有效觸摸區(qū)內檢測一系列輸入位置，其包括至少三個成像模塊，該至少三個成像模塊分布于有效觸摸區(qū)的周邊，每個成像模塊在有效觸摸區(qū)內獲取至少一個指示物的圖像。該系統(tǒng)進一步包括處理器，用于基于獲取的圖像確定相對于有效觸摸區(qū)的一系列輸入位置中的每一輸入位置。根據本發(fā)明另一實施方式，本發(fā)明提供了一種用于在有效觸摸區(qū)內確定一個或多個指示物的位置的方法，其包括利用至少三個布置于有效觸摸區(qū)周邊的成像模塊，同步獲取指示物的圖像。對于相鄰成像模塊所獲取的每對圖像，基于每一相鄰成像模塊所獲取的圖像，對該一個或多個指示物的可能位置進行三角測量，并將該一個或多個指示物的位置確定為每對所獲取圖像之可能位置的共同部分。根據本發(fā)明又一實施方式，本發(fā)明提供了一種光學輸入系統(tǒng)，其能在一矩形有效觸摸區(qū)內檢測一個或多個輸入位置。該系統(tǒng)包括四個成像模塊，該四個成像模塊緊鄰矩形有效觸摸區(qū)的四個角布置，每一成像模塊獲取位于矩形有效觸摸區(qū)內至少一個指示物的圖像，其中，每兩個相鄰成像模塊之間的連接形成基線，這樣整個系統(tǒng)包括四條基線，每條基線與相鄰的兩條基線垂直、并與另外一條基線平行。該光學輸入系統(tǒng)還進一步包括處理器， 以基于至少一個指示物的獲取圖像對一個或多個輸入位置進行三角測量，而且該一個或多個輸入位置的確定是由來自每對相鄰成像模塊之共同部分來確定的。根據本發(fā)明再一實施方式，本發(fā)明還提供了一種用于在有效觸摸區(qū)內檢測一個或多個指示物的方法。該方法包括使用四個成像模塊同時獲取一個或多個指示物的圖像，該四個成像模塊位于矩形有效觸摸區(qū)的周邊，且緊鄰矩形有效觸摸區(qū)的四個角布置。對于相鄰成像模塊所獲取的每對圖像，處理器基于每對獲取的圖像，對該一個或多個指示物的可能位置進行三角測量，而且該一個或多個指示物的位置的確定是由每對所獲取圖像之可能位置的共同部分來確定的。本發(fā)明提供了用于輸入及檢測一個或多個指示物或設備之位置的光學系統(tǒng)和方法，以及包括至少三個成像模塊的光學位置輸入系統(tǒng)。光學位置輸入系統(tǒng)的某些實施方式和相關方法提供了物體位置的基本上一致的分辨率。此外，某些實施方式是很有優(yōu)點的，其能識別多個指示物，和/或能從背景的變化中區(qū)分出指示物。例如，觸摸屏上的指示物的位置是從一對相鄰的成像模塊所獲取的圖像來確定的。指示物的最終位置是由從不同對的成像模塊所獲取圖像計算出的兩個、三個、或四個位置來確定的。指示物的位置從背景的變化中予以識別和區(qū)分。進一步地，利用某些光學位置輸入系統(tǒng)的實施方式，可以同時識別多個指示物。


圖IA顯示了一實施方式中一示例性的光學位置輸入系統(tǒng)。圖IB-圖ID顯示了圖IA所示光學位置輸入系統(tǒng)的成像模塊之示例性的圖像。圖2A-圖2C顯示了示例性的三角測量，其根據圖IA的光學位置輸入系統(tǒng)的每對相鄰成像模塊所獲取的圖像，確定多個輸入位置。圖2D顯示了由兩個成像模塊所觀察的物體的坐標Pm(A)和Pm(B)。圖3為維恩圖(Verm diagram)，其顯示了基于圖2A-圖2C的中間坐標集的重疊， 來選族用于輸出坐標集(coordinates set)的坐標。圖4為圖3的光學位置輸入系統(tǒng)的側面圖。圖5顯示了根據一實施方式的光學位置輸入系統(tǒng)，其包括四個成像模塊、擴散光源、處理器。圖6是在一成像模塊所獲取的圖像中確定指示物(pointing object)之位置的流程圖。圖7是基于至少三個成像模塊所獲取的圖像而在觸摸屏上確定指示物之位置的流程圖。圖8顯示了采用兩個成像模塊的光學位置輸入系統(tǒng)的位置分辨率的分析。圖9顯示了根據一實施方式、采用三個正交布置的成像模塊的光學位置輸入系統(tǒng)的位置分辨率的分析。圖10顯示了根據一實施方式、采用四個成像模塊的光學位置輸入系統(tǒng)的位置分辨率的分析。
具體實施例方式圖IA顯示了示例性的光學位置輸入系統(tǒng)100，其帶有形成三角形的三個成像模塊 102 (A)-102 (C)。雖然圖中顯示的是等邊三角形，但該三角形的形狀并不限于等邊三角形。 每一成像模塊102 (A)-102 (C)分別包括一個光學傳感器陣列104 (A)-104 (C)，每個光學傳感器陣列104 (A)-104 (C)分別帶有起始于基準點107 (A)-107 (C)的視場106㈧-106 (C)。 成像模塊102設置于有效觸摸區(qū)108的周邊，以獲取有效觸摸區(qū)108內的多個指示物(例如，指示物M和N)的圖像。有效觸摸區(qū)108具有坐標系109，其具有相對于有效觸摸區(qū)108 之操作所定義的方向，并且基準點107 (A)-107 (C)的坐標(即X和Y坐標)是相對于坐標系109確定的。雖然顯示了兩個指示物，但系統(tǒng)100可以操作更少或更多的指示物。每對相鄰成像模塊102的基準點107之間形成概念上的基線110?；€IlO(AB) 為基準點107(A)和107(B)之間的直線，基線IlO(BC)為基準點107(B)和107(C)之間的直線，基線IlO(AC)為基準點107 (A)和107(C)之間的直線。基線IlO(AB)和基線IlO(BC) 形成角112 (AC)，成像模塊102(B)的視場基準114(B)與基線IlO(BC)形成角116(B)。雖然為了清楚未在圖1中顯示，基線110(AB)-110(AC)和基線110(AC)-110(BC)分別形成角 112 (BC)和112 (AB)，視場基準114(A)和114(C)分別和角112 (BC)和112 (AB)形成角。有效觸摸區(qū)108可以是選自以下的、一項或多項的檢測觸摸區(qū)域白板、簽字板、 電腦繪圖輸入設備。每個成像模塊102可以包括透鏡以在光學傳感器陣列104上形成圖像。例如，光學傳感器陣列104可為電荷耦合元件(CCD)圖像傳感器或互補金屬氧化物半導體(CM0Q圖像傳感器。在一實施方式中，圖像傳感器陣列104為線性圖像傳感器，其僅具有一行像素；并且透鏡至少部分為圓柱形，其具有一維光學功率(optical power) 0在另一實施方式中，光學圖像傳感器陣列104為像素的二維陣列；透鏡為球形的，且具有二維光學功率?；蛘?，透鏡可以為具有一維光學功率的圓柱形。成像模塊102由處理器130控制，處理器130接收由成像模塊102獲取的圖像120。 成像模塊102(A)將圖像120㈧發(fā)送到處理器130，成像模塊102(B)將圖像120(B)發(fā)送到處理器130，成像模塊102(C)將圖像120(C)發(fā)送到處理器130。處理獲取的圖像也可以由位于每個成像模塊102之內的處理器處理，或由每個成像模塊102的局部處理器處理，這同樣不偏離本發(fā)明的范圍。處理器130確定位于有效觸摸區(qū)108內的每個指示物的坐標，并輸出這些坐標作為輸出坐標集124，以用于其它系統(tǒng)、子系統(tǒng)、或部件。例如，指示物M顯示位于坐標(X1, Y1),指示物N顯示位于坐標在一實施方式中，處理器130可以為這里未顯示的其它系統(tǒng)和設備提供其它功能。處理器130可以輸出指示物的其它信息，其可從確定的坐標中推出，例如定義了速度的方向矢量，這仍不偏離本發(fā)明的宗旨。在一操作實例中，當指示物不在有效觸摸區(qū)108內，處理器130從每個成像模塊 102獲取圖像，并將其存儲在內存132中，作為背景基準圖像133。然后，處理器130從相應的圖像120中減去這些背景基準圖像133，以更好地識別指示物M和N。圖IB-圖ID顯示了來自圖IA的光學輸入系統(tǒng)100的成像模塊102的示例性圖像120。圖像120(A)為一維的圖像，其由成像模塊102(A)所捕獲的二維圖像或一維圖像處理而得到。圖像120㈧包括指示物M和N各自的圖像M’和N’。圖像120㈧內，視場基準114(A)和圖像M’中點之間的距離確定為Pm(A)。類似的，圖像120(A)內，視場基準 114(A)和圖像N’的中點的距離確定為I3n(A)。Pm(A)取決于角122 (AM)，角122 (AM)為從基準點107(A)至指示物M的位置、相對于視場基準114㈧的角。類似的，Pn(A)取決于角 122 (AN)，角122 (AN)為從基準點107(A)至指示物N的位置、相對于視場基準114(A)的角。 圖像120(B)為成像模塊102(B)所成的一維圖像，其包括指示物M和N各自的圖像M’和 N’。圖像120(B)內，視場基準114(B)和圖像M’的中點的距離確定為Pm(B)。類似的，圖像 120(B)內，視場基準114(B)和圖像N’的中點的距離確定為⑶。為了清楚，圖IA中未顯示角122 (BM)和角122 (BN)。Pm(B)取決于角122 (BM)，角122 (BM)為從基準點107(B)至指示物M的位置、相對于視場基準114(B)的角；I\(B)取決于從基準點107(A)至指示物N的位置、相對于視場基準114(B)的角。圖像120(C)為成像模塊102(C)所成的一維圖像，其包括指示物M禾Π N各自的圖像Μ’和N’。圖像120 (C)內，視場基準114 (C)和圖像Μ’的中點的距離確定為Pm(C)。類似的，圖像120(C)內，視場基準114(C)和圖像N’的中點的距離確定為I3n(C)。為了清楚，圖IA中未顯示角122 (CM)和角122 (CN)。Pm(C)取決于角122 (CM)， 角122 (CM)為從基準點107(C)至指示物M的位置、相對于視場基準114(C)的角;PN(C)取決于角122 (CN)，角122 (CN)為從基準點107(C)至指示物N的位置、相對于視場基準114(C) 的角。圖2A-圖2C顯示了示例性的三角測量，以從每對相鄰成像模塊102所獲取的圖像來確定多個輸入位置。基于來自獲取圖像的確定位置值Pm(A)、Pn(A)、Pm(B)、Pn(B)、Pn(C)、 I3n(C)，系統(tǒng)100利用三角測量，來確定每對相鄰成像模塊102可能的輸入位置的坐標。這些三角測量計算的原理顯示于圖2A-圖2C中三個獨立的方案(scenario) 200、220、240。由于在初始時系統(tǒng)100不知道指示物的數目(例如，指示物M和N)，因而，對于每一對成像模塊102均生成來自矢量202所有可能的輸入位置。也即，如果兩個獲取圖像中的每一個均包括兩個指示物圖像，在由那些圖像所獲得的角122所生成的矢量的交叉點處，可以識別到四個可能的輸入位置。換句話說，圖IB (圖像120(A))和圖1C(圖像120(B))中的M’和N’的位置將生成四個可能的指示物位置。在這四個可能位置中，兩個位置分別為指示物M和N，兩個可能位置代表指示物的幻象(phantom)。后文將描述如何排除指示物的幻象。指示物的幻象問題源于系統(tǒng)不能識別圖像M’和N’，或不能將M’和N’區(qū)別開。值得注意的是，在常規(guī)視覺的三角測量中，操作人員可以識別物體M的圖像M，和物體N的圖像N’，這樣不會使用圖像 M，和N，來實施三角測量。僅僅將來自圖像120(A)的圖像M，，或者僅僅將來自圖像120(B) 的圖像N’，用于三角測量。在這種情況下，僅僅產生兩個位置。圖2A中，方案200顯示了基于確定的Pm(A)、Pn(A)、Pm(B)、Pn⑶，對基線IlO(AB) 和矢量202 (AM)、202 (AN)、202 (BM)和202 (BN)實施三角測量。在方案200中，處理器130 生成中間坐標集204，其具有四個可能的輸入位置(X3, Y3)、(X1, Y1)、(X4, Y4)、(X2，Y2)。圖2B 中，方案 220 顯示了基于確定的 Pm(A)、Pn(A)、Pm(C)、Pn(C)，對基線 IlO(AC) 和矢量202 (AM)、202 (AN)、202 (CM)和202 (CN)實施三角測量。在方案220中，處理器130 生成中間坐標集224，其具有四個可能的輸入位置(X5, Y5)、(X1, Y1)、(X6, Y6)、(X2, Y2)。圖2C 中，方案 240 顯示了基于確定的 Pm(B)、Pn(B)、Pm(C)、Pn(C)，對基線 IlO(BC) 和矢量202 (BM)、202 (BN)、202 (CM)和202 (CN)實施三角測量。在方案MO中，處理器130 生成中間坐標集244，其具有四個可能的輸入位置(X7, Y7)、(X1, Y1)、(X2, Y2)、(X8, Y8)。圖2D中，成像模塊102(A)和102(B)觀察到物體M。Pm(A)為物體M到成像模塊 102(A)的視場基準114(A)的距離。Pm(B)為物體M到成像模塊102 (B)的視場基準114(B) 的距離。視場基準114(A)和114(B)分別垂直于成像模塊102(A)和102(B)的圖像平面A 和圖像平面B。基于如L所示的、沿著連接成像模塊102(A)和102 (B)的基線IlO(AB)的、成像模塊102(A)和102(B)之間的距離，以及視場基準114(A)和114(B)相對于基線IlO(AB) 的角度，可以從Pm(A)和Pm⑶得到物體M的(X，Y)坐標位置。圖3為維恩圖(Venn diagram) 300，其顯示了基于圖2A-圖2C的中間坐標集204、224,244的重疊，來選擇用于輸出坐標集124的坐標。如圖所示，輸出的坐標集1 僅僅由所有三個可能的坐標集204、224、M4中共同的坐標形成。圖4為光學位置輸入系統(tǒng)100的部分側面圖。每個成像模塊102設置為具有光軸 402，該光軸402與有效觸摸區(qū)108的表面404平行、且剛好位于該表面404之前。在一實施方式中，表面404不在成像模塊102的視場106中，從而降低了表面404光反射的效果。 指示物X為手指，但一可以是其它指示物，例如筆、白板筆、木指示器，或其它選項。圖5顯示了一示例性的光學位置輸入系統(tǒng)500，其具有位于矩形有效觸摸區(qū)508的四個角的四個成像模塊502 (A)、502 (B)、502 (C)、502 (D)。例如，光學位置輸入系統(tǒng)500為電腦的輸入設備，如手寫板或輸入板或白板。成像模塊502連接于處理器530，處理器530 識別位于有效觸摸區(qū)508內一個或多個指示物中每一個的位置。在一實施方式中，有效觸摸區(qū)508可以為手寫板或白板，以獲取其所用指示物的輸入。例如，成像模塊502和處理器 530可以構造為一個單元，以與其它設備結合，以獲取書寫設備或指示器的位置。光學位置輸入系統(tǒng)500也可以包括擴散光源M0，擴散光源540的位置靠近有效觸摸區(qū)508的四條邊中的每條邊，或為靠近有效觸摸區(qū)508的任何其它結構。擴散光源540 有助于為成像模塊提供適當的照明(illumination)，以便精確檢測物體。擴散光源540可以具有細長的形狀，或其它形狀。可以使用不同類型的擴散光源。在一可選擇的實施方式中，可以使用一個擴散光源M0。擴散光源MO的強度可以由處理器530控制，以在各種變化的環(huán)境中獲取指示物的圖像。本發(fā)明的實施方式可以包括擴散光源的多種架構，包括光源的類型、形狀、光源相對于有效觸摸區(qū)508的位置。有效觸摸區(qū)508可以位一個或多個手寫板或輸入板、白板、ATM觸摸屏、電腦顯示器、大屏幕顯示器或任何用于記錄設備和/或包括游戲的互動式設備的位置輸入屏幕。圖6為光學位置輸入方法600的流程圖。例如，方法600由圖1所示系統(tǒng)100的處理器130和存儲器132、以及圖5所示系統(tǒng)500來實現。方法600通過使用一個成像模塊識別指示物，并確定其在獲取的圖像中的位置。方法600也可以應用于三個成像模塊中的每一個，這里三個成像模塊共同使用，以識別及確定指示物的位置。在步驟602中，從每一個成像模塊獲取圖像。在步驟602的一實施例中，處理器130從每一成像模塊102獲取圖像 120。在步驟602的另一實施例中，處理器530從每一成像模塊502獲取圖像。對于每個獲取的圖像，重復步驟604到步驟620 (如虛線外輪廓線603所示)。特別地，在每個獲取的圖像中識別指示物圖像的位置。步驟604為判斷步驟。在步驟604中，如果方法600確定這些圖像為第一圖像，方法繼續(xù)執(zhí)行步驟606，否則方法600繼續(xù)執(zhí)行步驟610和614。在步驟604的一實施例中，當系統(tǒng)100啟動(例如打開開關)，步驟604識別從成像模塊102接收的第一圖像120。方法600假定在系統(tǒng)(如系統(tǒng)100、500)開始的時候，有效觸摸區(qū)(如有效觸摸區(qū)108、508)內沒有指示物。方法600也可以利用來自每個成像模塊的一組圖像 (例如，開始的10張圖像)，使得判斷步驟604僅在接收到這些圖像之后，轉換到步驟610 和614。在步驟606中，方法600產生背景圖像。在步驟606的一實施例中，處理器130使用來自每個成像模塊102的第一圖像120，為該成像模塊生成背景圖像。在一實施例中，處理器130對來自一成像模塊102的圖像進行求平均，以產生該成像模塊的背景圖像133。在步驟608中，方法600根據步驟606所生成的每個背景圖像來計算背景紋理。當檢測到指示物時，北京紋理可以用來減少陰影和反射的影響。然后，方法600返回步驟602以接收下一個圖像。如圖所示，步驟序列(a)610和612，以及序列(b)614、616、618可以平行地進行，或先后進行。步驟610中，方法600提取差分圖像(differential image) 0在步驟610的一實施例中，處理器130從當前圖像集120中減去背景圖像133，以為每一成像模塊102形成差分圖像。在步驟612中，方法600分割(segment)該差分圖像。在步驟612的一實施例中，處理器130分割步驟610所形成的差分圖像。分割后的圖像可以是指示物、觸摸屏上的陰影、觸摸屏反射的光。在步驟614中，方法600計算當前圖像的圖像紋理。在步驟614的一實施例中，處理器130從當前圖像120生成圖像紋理。在步驟616中，方法600提取差分紋理。在步驟 616的一實施例中，處理器130確定步驟608之背景紋理與步驟614之圖像紋理的差值。在步驟618中，方法600識別紋理改變的區(qū)域。在步驟618的一實施例中，處理器130通過與步驟608形成的背景紋理進行比對，以識別步驟614形成的圖像紋理中紋理發(fā)生改變的區(qū)域。在步驟620中，方法600將步驟612中形成的分割圖像與步驟618中識別到的紋理發(fā)生改變的區(qū)域進行合并，以在圖像中識別指示物。分割步驟610中形成的差分圖像，會使指示物的圖像與陰影和觸摸屏的反射產生更好的區(qū)別。提取差分紋理能夠識別變化的紋理區(qū)域?；谧兓募y理區(qū)域，可以更好地識別指示物的圖像。特別地，在每個成像模塊(如成像模塊102、50幻所接收的圖像中，能夠確定指示物 M 和 N 的位置，即 Pm(A)、Pn(A)、Pm(B)、Pn(B)、Pm(C)、Pn(C)。步驟622為判斷步驟。在步驟622中，如果方法600確定在獲取的圖像中識別到至少一個指示物，那么方法600繼續(xù)步驟624 ；否則方法600繼續(xù)步驟626。在步驟624中， 方法600輸出與該成像模塊相關的指示物的位置，其中，該成像模塊捕獲了用于確定位置的圖像。在步驟624的一實施例中，處理器130輸出關于圖像120(A)的位置值Pm(A)和 Pn(A)、關于圖像120(B)的位置值Pm(B)和(B)、關于圖像120 (C)的位置值Pm(C)和I3n(C)。 然后，方法600繼續(xù)步驟602。在步驟626中，方法600輸出圖像中沒有識別到指示物的指示。在步驟擬6的一實施例中，處理器130輸出“NULL”，以表明在當前圖像中沒有識別到位置。需要重點注意的是，這些位置值Pm(A)、I\(A)、Pm(B)、I\(B)、PM(C) Jn(C)不是指示物M和N關于有效觸摸區(qū)的X-Y坐標。如果在步驟620中沒有成功地檢測到指示物，在步驟 626就分配一個特殊值，以表明沒有檢測到指示物。如前所述，位置值Pm(A)、Pn(A)、Pm(B)、 Pn(B),Pm(C),Pn(C)是一維的，而且是從獲取的一維圖像中或由獲取的二維圖像處理得到的一維圖像中獲得的。圖7是確定指示物M和N關于有效觸摸區(qū)108的X-Y坐標的、示例性方法700的流程圖。方法700可以分別由圖IA和圖5所示的系統(tǒng)100、500的處理器130和530實現。在步驟702中，方法700輸入識別到的、由圖6的方法600獲取到的圖像中的位置值。在步驟 702的一實施例中，處理器130輸入來自方法600的步驟624的位置值Pm(A)、I\(A)、Pm(B)、 Pn (B), Pm (C), Pn (C)0步驟704為可選步驟。若包括步驟704，在步驟704中，方法700修正變形，以提高識別到的位置值的精確性。在步驟704的一實施例中，基于系統(tǒng)100的校準處理中所確定的結構參數，校正位置值Pm(A)、Pn(A)、Pm(B)、Pn(B)、Pm(C)、Pn(C)。對于具有大的觀察角度的成像模塊102、502，步驟704可能很重要。
在步驟706中，方法700計算相對于有效觸摸區(qū)的、識別到的指示物的X_Y位置。 在步驟706的一實施例中，處理器130基于如圖2A-2D所示的三角測量，確定位置值Pm(A)、 Pn(A)、Pm(B)、Pn(B)、Pm(C)、Pn(C)的 X-Y 坐標(X1, Y1)、(X2, Y2)、(X3, Y3)、(X4，Y4)、(X5，Y5)、 (X6，Y6)、(X7，Y7)、(Xs' Υδ)。在步驟708中，方法700為識別到的指示物確定最終的Χ_Υ值。在步驟708的一實施例中，處理器130選擇(XnY1)和( , )作為由每對成像模塊102所識別的指示物M 和N的實際位置，如圖3的維恩圖300所示。特別地，如下文更詳細的描述，基于每對成像模塊位置分辨率，可以進一步處理共同的X-Y位置(XpY1)、(X2,Y2)，以提高識別到的位置的精確性。在步驟710中，方法700輸出最終X-Y值。在步驟710的一實施例中，處理器130 輸出(X1, Y1)、(X2, Y2)為輸出坐標集124。光學位置輸入系統(tǒng)100、500的校準可能是必要的，因為相機的對中通常是不完善的。通過在有效觸摸區(qū)108、508內設置校準接觸點，可以對系統(tǒng)100、500進行校準。這些校準接觸點可以由使用者在系統(tǒng)啟動的時候或在系統(tǒng)第一次使用的時候予以設置。例如， 可以指導使用者在標記的校準接觸點之內或之上放置指示物?？梢曰趦蓚€點集(set of points)實現校準，其中一個點集為已知位置的校準接觸點的點集，另一個則是指示物計算位置的點集?？梢曰谀J的系統(tǒng)對中參數計算該位置。例如，可使用反雙線性插值和/ 或非線性轉換或其它方法進行校準。使用三個或更多成像模塊(如成像模塊102、50幻具有進一步的優(yōu)點，其改進了位置分辨率的均勻性。圖8顯示了使用兩個成像模塊802 (A)和802 (B)的光學位置輸入的分辨率的分析。每個成像模塊802 (A)和802 (B)分別包括線性陣列傳感器804 (A)和804 (B)， 例如，每個具有十個像素。圖中顯示了從每個像素出發(fā)的示例性的射線痕跡806，來說明每個像素所成像的區(qū)域。如圖所示，位置分辨率在成像區(qū)內是變化的。例如，在靠近位于成像模塊802 (A)和802(B)之間的基線的位置，如坐標軸808所示，Y方向的分辨率隨著向有效觸摸區(qū)的中心移動迅速增加，并且隨著接近有效觸摸區(qū)的基線的對面而輕微減小，如箭頭 810(3),810(2),810(1)和810(4)所示。請注意，較長的箭頭代表較低的分辨率。類似地， 在離開成像模塊802的區(qū)域，X分辨率如箭頭812(1)、812(2)、812(3)的指示迅速減小。如區(qū)域814和816所示，傳感器804所分辨的區(qū)域顯著變化。圖9顯示了帶有三個正交設置的成像模塊902 (A)、902 (B)、902 (C)的分辨率分析， 例如，每個成像模塊分別具有包括十個像素的傳感器陣列。圖中顯示了從每個像素出發(fā)的示例性的射線痕跡906，來說明每個像素所成像的區(qū)域。通過選擇由成像模塊902 (B)和 902(C)獲取的圖像的位置值，對于靠近成像模塊902 (A)和902 (B)之間的基線的區(qū)域，坐標軸908所示的Y方向的分辨率比雙模塊系統(tǒng)提高，如箭頭910(1)和910( 所示，因為這些圖像模塊在該區(qū)域中具有更好的Y分辨率。類似的，X方向的分辨率在離開成像模塊902 (A) 和902(B)的區(qū)域也得以提高，如箭頭910(1)和910(2)所示。這樣，通過使用來自在該區(qū)域中具有最高的分辨率成像模塊的圖像，選擇確定的X和Y位置，提高了結果的精度。進一步地，具有四個成像模塊的光學位置輸入系統(tǒng)具有額外的優(yōu)勢。例如，圖10 顯示了一種基于圖8所示系統(tǒng)但另外包括兩個附加的成像模塊1002(C)和1002(D)。為了顯示清楚，在圖10中，來自成像模塊802(A)和802(B)的像素的射線未予顯示。成像模塊 1002(C)和成像模塊1002(D)設置于成像模塊802 (A)和成像模塊802 (B)的對面。例如，四個成像模塊中的每一個分別靠近矩形的一個角設置。如圖10所示，對于靠近802 (A)和 802(B)之間基線的指示物，成像模塊1002(C)和1002(D)比成像模塊802(A)和802(B)提供了更好的Y分辨率，如圖所示，圖10中的箭頭1010(5)較短，而圖8中的箭頭810(3)較長。對于具有相同光學分辨率的成像模塊，位于成像模塊802 (A)和802 (B)之間基線上的Y 分辨率，與位于成像模塊1002(C)和1002(D)之間基線上的Y分辨率相同。當指示物向著連接成像模塊1002(C)和1002(D)的基線移動時，可以選擇成像模塊802(A)和802 (B)的圖像，以生成比成像模塊1002 (C)和1002⑶的圖像具有更好的Y分辨率的成像的指示物。 例如，較短的箭頭810 (4)所指示的Y分辨率，比較長的箭頭1010 C3)所指示的Y分辨率好。 可以基于已分辨的指示物的位置的分辨率的值，選擇成像模塊對。在具有四個成像模塊的系統(tǒng)的操作的一實施例中，成像模塊802(A)和802(B)的圖像用于當指示物接近連接成像模塊802(A)和802(B)之間的基線時，提供更好的X分辨率，如圖8中的箭頭812(1)、8120)、812(3)所示。成像模塊1002(C)和1002(D)的圖像用于當指示物接近連接成像模塊1002(C)和1002(D)之間的基線時，提供更好的X分辨率，如圖10中的箭頭1012(1)、1012Q)、1012(3)所示。成像模塊對可以簡單地基于X分辨率選擇。在所有相鄰的成像模塊對中，如成像模塊802 (A)和802 (B)、成像模塊802 (B)和 1002 (C)、成像模塊802 (A)和1002 (D)、以及成像模塊1002 (C)和1002 (D)，對于指示物的給定位置，采用具有最好X分辨率的相鄰成像模塊對的圖像來確定X坐標，采用具有最好Y分辨率的相鄰成像模塊對的圖像來確定Y坐標。選擇這樣的成像模塊對，可以實現指示物的位置分辨率的最佳均勻性。在一可選擇的實施方式中，對于指示物的給定位置，成像模塊對具有最好的X分辨率和Y分辨率的結合的圖像，用于確定指示物的X坐標和Y坐標。X分辨率和Y分辨率的最優(yōu)結合定義為X分辨率和Y分辨率的最高平均分辨率。在具有四個成像模塊的系統(tǒng)的操作的另一實施例中，對于指示物，成像模塊 802 (B)和1002 (C)比成像模塊802 (A)和802 (B)提供了 X分辨率和Y分辨率的更好結合。 特別地，接近連接成像模塊802 (A)和802 (B)的基線，成像模塊802 (A)和802 (B)比成像模塊802 (B)和1002(C)提供了更好的X分辨率，如圖9中的箭頭912 C3)和圖8中的箭頭 812(4)所示。然而，成像模塊802 (A)和802 (B)在接近連接成像模塊802 (A)和802 (B)的基線處提供了非常差的Y分辨率，如圖8中的810 (3)所示。成像模塊802 (B)和1002 (C) 比成像模塊802(A)和802(B)提供了更好的Y分辨率，如圖9的910 (1)所示。因此，成像模塊802 (B)和1002(C)的圖像用于確定指示物的X、Y坐標，因為與其它成像模塊對相比， 這些圖像提供了 X分辨率和Y分辨率的最優(yōu)結合。如圖9所示，使用三個成像模塊的系統(tǒng)可以具有連接成像模塊的正交基線，但是不包括平行基線，而在圖10所示的使用四個成像模塊的系統(tǒng)則具有兩對額外的平行基線。 在有效區(qū)域內，與具有三個成像模塊的系統(tǒng)相比，帶有該兩對額外的平行基線、使用四個成像模塊的系統(tǒng)的X分辨率和Y分辨率更加均勻。例如，通過選擇成像模塊對，可以說使得具有四個成像模塊的系統(tǒng)在接近每一條平行基線之處的X分辨率和Y分辨率基本相同。具有三個成像模塊的系統(tǒng)的X分辨率和Y分辨率具有較低的均勻性。在一可選擇的實施方式中，可以通過求平均值、加權平均值或選擇性地合并計算后的位置來確定最終輸入。例如，對于每對相鄰成像模塊計算X坐標。這些X坐標隨后基于不同的權重求平均值，以生成最終輸入位置的最終X坐標。每個X坐標的權重取決于其X 分辨率。在一種特殊的實施方式中，每個X坐標的權重隨著其X分辨率增加。類似的，對于每對相鄰成像模塊計算Y坐標。這些Y坐標隨后基于不同的權重求平均值，以生成最終輸入位置的最終X坐標。每個Y坐標的權重取決于其Y分辨率。在一種特殊的實施方式中， 每個Y坐標的權重隨著其Y分辨率增加。進一步地，可以基于選擇的或合并的生成位置值 (x，Y)的統(tǒng)計確定最終物體位置值(x，Y)以提供實質上均勻的X分辨率和Y分辨率。描述了幾種實施方式之后，本領域的技術人員會認識到，在不偏離本發(fā)明宗旨的前提下，可以做出許多修改、替代的結構及其等同，例如，步驟序列的變化和成像模塊及透鏡的架構和數目，等等。此外，未描述許多已知的數學推導和表達式、流程和單元，以避免不必要的模糊本發(fā)明。因而，上述描述不應作為本發(fā)明范圍的限制。應該注意的是，上述描述或相關附圖中包括的內容應該解釋為說明性的，而非限制性的。后面的權利要求的目的是覆蓋這里描述的通用及特定特征，以及本方法和系統(tǒng)的范圍的所有陳述。
權利要求
1.一種光學輸入系統(tǒng)，用于在有效觸摸區(qū)內檢測一個或多個輸入位置，其包括至少三個成像模塊，其設置于所述有效觸摸區(qū)的周邊，每一成像模塊在所述有效觸摸區(qū)內能獲取至少一個指示物的圖像；以及處理器，相對于所述有效觸摸區(qū)，該處理器能根據所獲取的圖像確定一個或多個輸入位置中的每一輸入位置。
2.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述的處理器根據相鄰成像模塊對所獲取的圖像， 對所述的一個或多個輸入位置進行三角測量，然后將該一個或多個輸入位置確定為由每對相鄰成像模塊所確定位置中的共同部分。
3.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述有效觸摸區(qū)為矩形，且所述至少三個成像模塊中的每一個都緊鄰所述有效觸摸區(qū)的三個角中的不同角。
4.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其中，兩個相鄰的成像模塊是彼此正交的。
5.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其中，該系統(tǒng)進一步包括用于存儲每個成像模塊之基準圖像的存儲器，并從獲取的圖像中減去該基準圖像，以識別所述至少一個指示物的位置。
6.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述至少三個成像模塊中的每一成像模塊均包括圖像傳感器，該圖像傳感器選自于線性圖像傳感器和二維圖像傳感器。
7.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述至少三個成像模塊是如此設置的，其能在所述有效觸摸區(qū)中提供最優(yōu)的位置分辨率的均勻性。
8.一種用于在有效觸摸區(qū)內確定一個或多個指示物的位置的方法，其包括利用至少三個設置于所述有效觸摸區(qū)的周邊的成像模塊，同步獲取該一個或多個指示物的圖像；對于相鄰的成像模塊所獲取的每對圖像根據每對圖像進行三角測量，得到該一個或多個指示物的可能位置；以及確定位置將該一個或多個指示物的位置確定為由每對圖像所確定的可能位置中的共同部分。
9.如權利要求8所述的方法，其進一步包括基于校準處理對變形進行校正。
10.如權利要求8所述的方法，其中，確定位置的步驟包括根據每對相鄰成像模塊的位置分辨率，來確定共同的位置。
11.如權利要8所述的方法，其中，確定位置的步驟包括利用所在位置的每對圖像，來確定每一位置的X坐標和Y坐標；根據該位置的最高X分辨率，選擇一個X坐標；根據該位置的最高Y分辨率，選擇一個Y坐標。
12.如權利要求8所述的方法，其中，確定位置的步驟包括為每對相鄰成像模塊，確定每一位置的X坐標和Y坐標；對于所有的相鄰成像模塊對，根據該位置處X分辨率和Y分辨率的最優(yōu)結合，來選擇一對相鄰的成像模塊。
13.如權利要求8所述的方法，其中，確定位置的步驟包括為每對圖像，確定每一位置的X坐標和Y坐標；計算每一位置相應的X坐標和Y坐標的加權平均值，作為最終的χ坐標和Y坐標，其中，每一 X坐標和Y坐標的權重隨著該位置相應的X分辨率和Y分辨率的增加而增加。
14.如權利要求8所述的方法，其進一步包括為每一成像模塊存儲背景圖像；在所獲取的圖像和與其相關的背景圖像之間提取差分圖像；以及分割該差分圖像。
15.如權利要求14所述的方法，其進一步包括利用每一所存儲的背景圖像，計算并存儲背景圖像紋理；計算所獲取圖像的圖像紋理；以及提取具有差分紋理的區(qū)域，該差分紋理為所獲取圖像的計算的圖像紋理與相關的背景圖像紋理之間的差分紋理。
16.如權利要求14所述的方法，該方法進一步包括如果至少三個成像模塊沒有同時檢測到指示物，則更新背景圖像。
17.一種光學輸入系統(tǒng)，用于在一個矩形有效觸摸區(qū)內檢測一個或多個輸入位置，其包括四個成像模塊，該四個成像模塊設置為緊鄰所述矩形有效觸摸區(qū)的四個角，每一成像模塊捕獲位于所述矩形有效觸摸區(qū)內至少一個指示物的圖像，其中，每兩個相鄰成像模塊之間的連接形成基線，使得該系統(tǒng)包括四條基線，該四條基線中的每一條都與相鄰的每一基線垂直、而與另外的那條基線平行；以及處理器，該處理器根據所獲取的該至少一個指示物的圖像，對所述的一個或多個輸入位置進行三角測量，并將該一個或多個輸入位置確定為由每對相鄰成像模塊所確定位置中的共同部分。
18.如權利要求17所述的系統(tǒng)，其中，所述處理器根據每對相鄰成像模塊的位置分辨率來確定共同的位置。
19.如權利要求17所述的系統(tǒng)，其中，所述處理器根據所有相鄰的成像模塊對中至少一個最高的X分辨率和最高的Y分辨率，來選擇確定的位置。
20.如權利要求17所述的系統(tǒng)，其中，所確定的位置包括X坐標和Y坐標，并根據具有最高X分辨率的第一對相鄰成像模塊的位置來確定X坐標，根據具有最高Y分辨率的第二對相鄰成像模塊的位置來確定Y坐標。
21.如權利要求17所述的系統(tǒng)，其中，所確定的位置包括X坐標和Y坐標，并根據所有相鄰成像模塊對中具有X分辨率和Y分辨率的最優(yōu)組合的那對相鄰成像模塊，來確定X坐標和Y坐標。
22.如權利要求17所述的系統(tǒng)，其中，確定位置的步驟包括為每對相鄰成像模塊，確定每一位置的X坐標和Y坐標；分別計算每一位置的X坐標和Y坐標的加權平均值，作為最終的X坐標和Y坐標，其中，每一 X坐標和Y坐標的權重隨著該位置相應的X分辨率和Y分辨率的增加而增加。
23.一種用于在一矩形有效觸摸區(qū)內檢測一個或多個指示物的方法，其包括使用四個成像模塊同時獲取一個或多個指示物的圖像，該四個成像模塊位于所述矩形有效觸摸區(qū)的周邊，且分別設置于緊鄰該矩形有效觸摸區(qū)的四個角；對于相鄰成像模塊所獲取的每對圖像對該一個或多個指示物的可能位置進行三角測量；以及確定一個或多個指示物的位置將該一個或多個指示物的位置確定為由每對圖像所確定的可能位置中的共同部分。
24.如權利要求23所述的方法，其中，確定一個或多個指示物的位置的步驟包括根據每對相鄰成像模塊的位置分辨率，來確定共同的位置。
25.如權利要求23所述的方法，其中，確定一個或多個指示物位置的步驟包括根據具有最高X分辨率的第一對相鄰成像模塊的位置，來確定X坐標；根據具有最高Y分辨率的第二對相鄰成像模塊的位置，來確定Y坐標。
26.如權利要求23所述的方法，其中，確定一個或多個指示物位置的步驟包括在一對相鄰的成像模塊中，根據具有X分辨率和Y分辨率之最優(yōu)組合的位置來確定X坐標和Y坐標。
27.如權利要求23所述的方法，其中，確定一個或多個指示物位置的步驟包括為每對圖像確定每一位置的X坐標和Y坐標；計算每一位置的X坐標和Y坐標的加權平均值，作為最終的X坐標和Y坐標，其中，每一 X坐標和Y坐標的權重隨著相應的X分辨率和Y分辨率的增加而增加。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種光學位置輸入系統(tǒng)，其用于確定有效觸摸區(qū)內的至少一個指示物。該光學位置輸入系統(tǒng)包括至少三個成像模塊和處理器；其中，至少三個成像模塊形成位于有效觸摸區(qū)內的至少一個指示物的圖像；處理器根據至少三個成像模塊所形成的圖像，來計算至少一個指示物中的每一個指示物的位置。
文檔編號G06F3/042GK102375619SQ201110232700
公開日2012年3月14日 申請日期2011年8月15日 優(yōu)先權日2010年8月13日
發(fā)明者劉冠松, 單繼章, 吳東輝, 李進 申請人:豪威科技有限公司