運動圖像位移檢測方法及裝置、光電滑鼠的製作方法
2023-06-11 03:15:06 2
專利名稱：運動圖像位移檢測方法及裝置、光電滑鼠的製作方法
技術領域：
本發明涉及以運動圖像為分析對象的電數字數據處理技術，尤其涉及用於光電滑鼠領域的運動位移檢測的數據處理方法及裝置。
背景技術：
作為當前滑鼠界的主流，光電滑鼠所採用的發光二極體定位方法也成了目前的主流定位方法。
圖1示意了光電滑鼠的內部結構，包括發光二極體1，來自該發光二極體1的光線被一組光學反射鏡2引導並照射往與光電滑鼠底部相接觸的表面；被該表面反射回的光線一部分經一組光學透鏡2'傳輸到光感應器件3(例如但不限於可輸出數字圖像信號的微成像器)進行成像。這樣，當光電滑鼠移動時，其移動軌跡便會被高速「連拍」所記錄下來的一組圖像所揭示。利用光電滑鼠所包括的圖像分析器4(可以是基於數位訊號處理器DSP 的專用晶片)來分析處理該組圖像，即可得出所述移動軌跡。在實際應用中，所述光感應器件3和圖像分析器4往往被集成在一顆晶片內。圖2示意了光電滑鼠的電工作原理，虛線框內示意的是光電滑鼠的電結構，具有一連接按鍵的接口及一連接電腦主機的接口。該電結構包括圖像傳感器(sensor)，用來採集並將光圖像信號轉換為電圖像信號；該電圖像信號被送往模數轉換器以轉換成數字圖像信號，再被送往圖像信號處理單元來計算生成滑鼠位移矢量；微控制單元通過電連接來控制包括圖像傳感器、模數轉換器或圖像信號處理單元在內的各電路模塊，及接收來自各電路模塊的狀態信號；來自圖像信號處理單元的位移矢量數據和來自滑鼠按鍵的按鍵信息通過該微控制單元一起打包發送給電腦主機。所述微成像器至少包括了圖像傳感器和模數轉換器。圖像信號處理單元可以採用專用的一顆晶片，或者與微控制單元一起集成在一顆晶片內。圖3示意了所述滑鼠位移矢量。假設a、b為對應先後時間的兩幀圖像，三角形代表圖像上的同一特徵點，則圖像信號處理單元通過提取所述特徵點和分析其位置變化來判斷滑鼠的移動方向和移動距離。圖c示意了特徵點位置變化所計算得出的ΔΧ，ΔΥ，唯一地對應於滑鼠位移矢量，從而完成光標定位。現有定位方法大多採用基於相關匹配的插值算法來獲取滑鼠的運動矢量，如圖4所示，可以通過在下一幀(如圖b)中尋找與當前幀(如圖a)特徵點最佳匹配的位置來獲得當前的位移矢量(如圖c)，其中圖d示意了一個3*3像素的模板，可以以該模板為單元在圖像區域中尋找最佳匹配。該方法具有性能穩定的優點， 但由於插值算法的局限性，無法有效獲得亞像素大小的精度。為了獲得較高的運動精度，現有技術進一步將計算區域光流的方法用於滑鼠定位，以獲得高達1/4像素以上的精度。該方法先對圖像上的像素建立超定二元光流方程，通過該方程來求解獲得單個像素的運動矢量，並用最小二乘法來擬合出多個像素的運動矢量均值，即滑鼠的位移向量。為了簡化對該方法的描述，圖5把來自光感應器件的圖像信號簡化成一維信號為例進行示意。設曲線A為t時刻信號，曲線B為t+ Δ t時刻信號；假定在t 時刻，χ位置的信號幅度值為f (x, t)；在t+ Δ t時刻，χ+Δχ位置的信號幅度值為f (χ+ Δ χ， t+At)。如果信號在t時間內移動了 Δ χ距離，那麼在不考慮其它幹擾的情況下，可以知道
f (χ+Δχ, t+At) = f (χ, t)對上式左邊作泰勒展開得
權利要求
1. 一種運動圖像位移檢測方法，用於分析具有時間關係的圖像序列以確定採集該圖像序列時光感應器件相對於物體的運動軌跡，包括步驟A.圖像信號處理單元按時間順序接收所述圖像序列；其特徵在於所述圖像序列包括三幀或三幀以上的圖像；還包括步驟B.基於所述圖像序列，依次對各當前圖像進行數據處理，依據與該當前圖像相對應的差分圖像上的各像素進行計算，按下列公式計算並輸出與當前圖像對應的位移矢量(ux，uy)
2.根據權利要求1所述的運動圖像位移檢測方法，其特徵在於，還包括步驟C.根據步驟B中的各位移矢量及其對應圖像間的時間間隔來擬合出所述運動軌跡。
3.根據權利要求1所述的運動圖像位移檢測方法，其特徵在於，所述步驟B具體為包括步驟①根據所述圖像序列來產生差分圖像序列，即把該圖像序列中的一幀後幀圖像數據減去當前幀圖像數據後作為當前幀的差分圖像數據，再設定該後幀圖像數據為當前幀圖像數據，......依此類推直到獲得兩幀或兩幀以上的差分圖像來構成所述差分圖像序列；②利用當前差分圖像及其一後幀差分圖像來計算當前差分圖像中每一像素的所述空間導數Dx，Dy和時間導數Dt;③通過兩兩相乘來運算得到所述公式中的各中間係數仏2，Di，DxDy，DxDt『DyDt ；④在當前差分圖像範圍內計算所述公式中的各中間係數的累加和；並進而計算得到所述位移矢量(ux，uy)。
4.根據權利要求1所述的運動圖像位移檢測方法，其特徵在於，所述步驟B具體為包括步驟①根據所述圖像序列利用當前圖像及其一後幀圖像來計算獲得當前圖像中每一像素的空間導數Ix，Iy和時間導數It;②把一後幀圖像中各像素的空間導數Ix，Iy和時間導數It減去當前幀圖像中相應像素的空間導數和時間導數，來產生與當前圖像相對應的差分圖像的每一像素的所述空間導數 Dx, Dy和時間導數Dt ；③通過兩兩相乘來運算得到所述公式中的各中間係數Α2，^> ，DxDy，DxDt『DyDt ；④在當前差分圖像範圍內計算所述公式中的各中間係數的累加和；並進而計算得到所述位移矢量(ux，uy)。
5.根據權利要求3或4所述的運動圖像位移檢測方法，其特徵在於所述後幀圖像或者為所述圖像序列中當前圖像的下一幀圖像，或者為所述圖像序列中當前圖像的下若干幀圖像。
6.根據權利要求1所述的運動圖像位移檢測方法，其特徵在於步驟B對各當前圖像進行數據處理時，處理區域最大為圖像區域的可求導數的最大相關區域。
7. —種運動圖像位移檢測裝置，用於光電滑鼠；包括一個用來接收數字圖像信號的數據接口以及一個數據輸出口 ；其特徵在於還包括串連連接的差分處理模塊及求導處理模塊，來自所述數據接口的數字圖像信號經差分處理模塊以幀為單位進行幀間數據的差分運算及求導處理模塊的求導運算後，輸出與當前幀圖像相對應的差分圖像的每一像素的空間導數Dx，Dy和時間導數Dt 送往全局運算模塊，分別計算該圖像預定範圍內所有像素的各個中間係數D〗，ii，DxDy， DxDt' DvDt的累加和；該全局運算模塊輸出這些累加和往位移矢量計算單元，以按公式
8.根據權利要求7所述的運動圖像位移檢測裝置，其特徵在於還包括兩個相串連的幀延遲器或幀緩存存儲器，連接所述數據接口，將所述數字圖像信號以幀為單位進行分離；令遠離所述數據接口的第二幀延遲器或第二幀緩存存儲器輸出當前幀圖像數據，則第一幀延遲器或第一幀緩存存儲器輸出的是該當前幀的一後幀圖像的數據，所述數據接口同時輸出的是該後幀圖像的一後幀圖像的數據，這三幀圖像數據同時輸出往差分處理模塊和求導處理模塊的串連支路。
9.根據權利要求8所述的運動圖像位移檢測裝置，其特徵在於所述差分處理模塊串連在所述數據接口和求導處理模塊之間，所述第二幀延遲器/幀緩存存儲器和第一幀延遲器/幀緩存存儲器分別提供一路輸出送往所述差分處理模塊進行幀間差分，從而該差分處理模塊同時產生兩幀差分圖像數據送往所述求導處理模塊。
10.根據權利要求8所述的運動圖像位移檢測裝置，其特徵在於所述求導處理模塊串連在所述數據接口和差分處理模塊之間，所述第二幀延遲器/幀緩存存儲器和第一幀延遲器/幀緩存存儲器分別提供一路輸出送往所述求導處理模塊，從而該求導處理模塊同時產生兩幀空間導數Ix，Iy和時間導數It送往所述差分處理模塊進行幀間差分以獲得差分後的空間導數Dx，Dy和時間導數Dt。
11.根據權利要求7所述的運動圖像位移檢測裝置，其特徵在於還包括一微控制單元，該微控制單元具有用來接收按鍵信號的按鍵接口 ；該微控制單元接收來自所述按鍵接口的數據和來自所述位移矢量計算單元的位移矢量數據，並將這些數據打包輸出往所述數據輸出口。
12.一種光電滑鼠，包括提供照射光的發光二極體，用來感應被物面反射的照射光並將光信號轉換成模擬圖像信號的圖像傳感器，將所述模擬圖像信號轉換成數字圖像信號的模數轉換器，以及一個接收所述數字圖像信號的圖像信號處理單元；還包括一用來電連接電腦主機和滑鼠按鍵的微控制單元，該微控制單元通過電連接來控制所述圖像傳感器、模數轉換器或圖像信號處理單元，及接收來自所述圖像傳感器、模數轉換器或圖像信號處理單元的狀態信號；所述圖像信號處理單元的數據輸出口連接所述微控制單元；其特徵在於 該圖像信號處理單元為權利要求7 10中任一項所述的運動圖像位移檢測裝置。
13.根據權利要求12所述的光電滑鼠，其特徵在於所述圖像傳感器與所述模數轉換器為一體的微成像器，或，所述圖像信號處理單元和所述微控制單元被集成在一顆晶片內。
全文摘要
一種運動圖像位移檢測方法及裝置，用於分析具有時間關係的圖像序列以確定採集該圖像序列過程中光感應器件相對於物體的運動軌跡，可用於光電滑鼠。令圖像信號處理單元按時間順序接收所述圖像序列；基於所述圖像序列，依次對各當前圖像進行數據處理，依據與該當前圖像相對應的差分圖像上的各像素進行二維光流計算處理，採用全局矩陣運算方法來計算並輸出與當前圖像對應的位移矢量。採用本發明的光電滑鼠，導航定位的精確度和檢測的穩定性均得到有效提高。
文檔編號G06F3/033GK102243537SQ201010176100
公開日2011年11月16日 申請日期2010年5月14日 優先權日2010年5月14日
發明者李冰, 楊智明, 王卓華 申請人:深圳市匯春科技有限公司