光學指向裝置的圖像預處理方法
2023-05-05 06:41:56
專利名稱：光學指向裝置的圖像預處理方法
技術領域：
本發明方法涉及指針或光學指向裝置，如滑鼠的信號處理方法，特別是一種應用於指針或光學指向裝置(如光學滑鼠)的圖像傳感信號的預處理方法。
背景技術：
隨著電腦的普及應用和快速發展，指針或光學指向裝置，如滑鼠的發展也日新月異，現在普遍使用的光學滑鼠便是大大優於傳統的機械滑鼠。光學滑鼠的原理是通過滑鼠底部的發光裝置，如LED燈，照射出粗糙表面所產生的圖像或圖案，然後再通過平面的折射透過另一塊透鏡反饋到傳感器上。滑鼠在平面上移動的時候，傳感器會得到連續的圖案，然後通過每幀圖像進行前後對比分析處理，以判斷滑鼠的移動方向及距離，從而得到X，Y方向的移動距離，由滑鼠的微處理器對這些數值進行處理後，傳給電腦主機，從而控制屏幕上光標的移動。
但是，一般的光學滑鼠還是存在一些問題，如當不同顏色或是不同材料的桌面反射固定波長的LED光時，靈敏度會有差異，這樣使得光學滑鼠的接收信號有強有弱，參差不齊。
桌面的粗糙程度不同，使得滑鼠感應器採樣到的圖像對比度差異也比較大，通常光滑的桌面上，採樣到的圖像對比度很小，灰階較為集中，不利於後續分析的處理。
同時，在電子開關控制的曝光過程及圖像陣列掃描中必然會產生一定的固有噪聲和隨機噪聲，幹擾真正的桌面紋理信息。
另外，由於光斑效應造成的光強度的梯度分布一定程度上掩蓋了真正的桌面紋理信息，相當於噪聲信號，如圖5所示的光斑分布示意圖。
以上問題都會造成滑鼠感應器不能準確地採樣到桌面信息，進而反映到計算機桌面上的光標移動也會有偏差，不容易準確，快速地利用滑鼠處理信息。
因此，現有一般的光學滑鼠需要一種克服噪聲，淡化光斑效應，拉伸對比度的處理方法。
發明內容
本發明目的在於提供一種可克服上述缺陷，有效增強對比度、克服噪聲及淡化光斑效應的圖像預處理方法。
本發明的目的是通過以下技術方案實現的一種光學指向裝置的圖像預處理方法，包括如下步驟步驟一，接收新圖像幀；步驟二，取該新圖像幀中的若干個像素組成一個矩陣Z，並確定表示其圖像幀像素灰度的比特數；步驟三，取上述矩陣Z中的若干像素點作為待處理的像素點，針對每一待處理的像素點為中心取一相關區域矩陣Y，該區域矩陣Y的大小小於矩陣Z；步驟四，計算出當前要處理的像素點的灰度值Alfa以及相關區域矩陣Y內除了該像素點以外的其餘像素點的灰度平均值A；步驟五，將|Alfa-A|與一預設值Frate作比較，如果|Alfa-A|大於該預設值Frate，進入步驟六；步驟六，將該像素作信號增強處理；以及步驟七，處理完步驟三中取的所有像素點後結束。
通過本算法處理的圖像幀，使得灰階集中，對比度不強的圖像得到對比度拉伸，集中的灰階得到一定的分散，在直方圖上就是由原來集中在均一化值的數值變為較為平展的灰度分布圖，即部分更集中為均一化值，部分更遠離均一化值。
通過本發明的技術方案，可以實現放大信號，特別是針對暗反射面的非常弱小的信號，可以大幅度地提高圖像對比度，同時有利於提高信噪比。
增強信號，特別是針對光滑反射面的對比度非常差的信號，可以大幅度地提高圖像的對比度，同時有利於提高信噪比。
減弱光斑效應，光斑效應造成的光的梯度分布掩蓋了真正的桌面紋理信息，可視為噪聲信號，本算法可以部分地去除噪聲，也就一定程度上減弱了光斑效應的影響。
圖1是本發明方法的流程圖；圖2是未經本發明方法處理的圖像直方圖；圖3是經本發明方法處理的圖像直方圖；圖4是經發明方法處理前後的效果圖對比；圖5是光斑效應的示意圖。
具體實施例方式
本發明的實施方式和圖示只是表示為了更好的理解本發明，本發明優選的實施方式中具體的數值等數據，並不作為本發明權利要求範圍的限定。
請參看圖1，圖1是本發明方法的流程圖。
步驟一接收新圖像幀；步驟二取該新圖像幀中的若干個像素(或者也可是全部像素)組成一個矩陣Z，預先確定表示其像素灰度的比特數，從而確定其灰度表示範圍F-G，並求出該整個矩陣所有像素的平均值，以在需要擴充矩陣Z時以該求出的平均值填充；步驟三取上述矩陣Z中全部像素點，或其中若干像素點處理，以每一像素點為中心，取一相關的區域矩陣Y，一般使該區域矩陣Y的縱橫像素點都為奇數，這樣使得當前要處理的像素點位於該區域矩陣的中心，且該區域矩陣Y小於矩陣Z。若當前像素點在靠近矩陣Z較為邊緣的位置，使得該區域矩陣Y的邊界超出矩陣Z的範圍時，將上述步驟二求得的平均值作為擴展矩陣Z時的像素填充值；步驟四計算出當前要處理的像素點的灰度值Alfa以及相關區域矩陣Y內除了Alfa以外的其餘像素點的灰度平均值A，即A＝其餘像素點的灰度值的和/其餘像素點個數；步驟五將Alfa-A的絕對值與一預設值Frate作比較，如果|Alfa-A|＞Frate，進入步驟六；步驟六將該像素的信號進一步增強；其中增強的方式有多種，通過下述公式像素灰度＝128+(Alfa-A)*fPower是其中一種方式。誠然，也可以根據實際需要，採取其他類似的增強公式或增強方法。此等變換為該領域的一般技術者能易於思及的。
將增加後的像素信號作一個越界判斷，使其灰度值在比特數確定的灰度值範圍內，即在F-G範圍內，如該像素信號的灰度值小於該範圍的最小值，則讓其等於該最小值，如該像素信號的灰度值大於該範圍的最大值，則讓其等於該最大值。誠然，如該像素信號的灰度值小於該範圍的最小值時，也可以讓其灰度值接近該最小值；如該像素信號的灰度值大於該範圍的最大值時，也可以讓其灰度值接近該最大值。只要確定其灰度值在比特數確定的灰度值範圍內。
步驟六中如果|Alfa-A|＜Frate，則將該像素點的信號歸一化為範圍F-G的中間灰度值；最後都將該像素點Alfa的值賦給一變量fout；步驟七矩陣Z中每個像素點都處理完後結束。
其中Frate的通常取值大於2，其上限由圖像的強度和比特數決定，使得計算得到的像素灰度不越界即可。
在本方法實施中，有一些較優的實施例在第一較優實施例中步驟一為接收新圖像幀；步驟二中將得到的圖像幀設為16*16個像素的矩陣Z，並確定該灰度數值用一個8比特的數位表示，該8比特的數位能表示的範圍為256種，這樣灰度就為介於0～255的一個範圍；步驟三，針對每個像素點，以該像素為中心，取一個相關的區域矩陣Y，在此實施例中，針對矩陣Z的每一像素點為中心取一個5*5的一個區域矩陣Y。步驟四，將當前處理的像素點的灰度值設為Alfa，將這個像素點去除，其他的24個點的像素值作一個均值計算，得到一個均值A；步驟五，將其與一個預先設定的值Frate作比較，在此實施例中，經實驗得到該Frate的值最佳為3，如果Alfa-A的絕對值大於上述設定的值Frate，那就進入步驟六，將該像素點的信號作加強，如上述加強方法就是在中間灰度值的基礎上疊加上強信號點的灰階適量差的Fpower倍，Fpower的通常取值大於2，其上限同Frate，由圖像強度及比特數決定。在此實施例中，經實驗得到該Fpower最佳為3，即像素灰度＝128+(Alfa-A)*fPower。
如果Alfa-A的絕對值小於該設定的值Frate，就將該像素點Alfa的值歸一化為中間灰度級256/2＝128；或鄰近128的一個數值。
最後無論是歸一化的值還是增強的值都賦給一輸出變量。
其中灰度數值用多少個比特的數位表示，其圖像幀設為多少個像素的矩陣可根據前期電路及項目來確定最合適的數值。同樣以處理的像素點為中心，取相關的區域矩陣的大小也是人為設定比較合適的一個數值，如3*5，5*7等也可，一般取奇數，可達到中心對稱取塊，即使得當前像素點處於該區域矩陣中心，該區域矩陣大小隻要小於該選定的圖像幀的矩陣Z即可，中間灰度值在實際實施中可以是在128左右的一個範圍，並不完全限定於中間值128。
如上所述，表示灰度情況的比特數不一定是8位，如第二實施例，在步驟二中灰度情況用16位表示，這樣16位能表示的範圍為216＝65536，這樣灰度值就為介於0～65535的一個範圍，中間灰度級為32768。得到的圖像幀可設為如上第一實施例的16*16，也可設為其它適合的矩陣陣列，在此實施例中設為256*256的一個圖像幀矩陣，這樣以每個像素點為中心，取一個相關的區域矩陣，該矩陣大小小於上述的256*256的圖像幀矩陣即可，在此實施例步驟三中，可針對每個像素點為中心，取一個17*19的一個相關區域矩陣，下面如第一實施例一樣處理，步驟四中取當前中心像素點的灰度值設為一變量Alfa，將其餘322個點的像素值作一個均值計算，得到一個均值A。
步驟五中如果Alfa-A的絕對值大於一個設定的值Frate，那就進入步驟六，將該像素點的信號作加強，在均一化點的基礎上疊加上強信號點的灰階矢量差的Fpower倍，即32768+(Alfa-A)*Fpower。Frate和Fpower通過實驗確定最佳值。
如果Alfa-A的絕對值小於一個設定的值，就將該像素點Alfa的值歸一化為中間灰度級32768，或是鄰近32768的一個數值；再比如，步驟二中用比特數為9位的表示圖像的灰度情況，這樣能表示的範圍為29＝512，這樣灰度值就為介於0～511這樣一個範圍，中間灰度級為256，步驟三中再設一個合適的相鄰區域矩陣如7*9的一個區域矩陣。下面可同上實施例處理，Frate和Fpower的值也是通過實驗確定最佳值。
如上的實施例都是本發明方法的流程圖的一些優選方案，而非限制性的。
通過上述像素的處理，在一定程度上減弱了光斑效應的影響，提升了對比度，通過本發明方法處理後在直方圖上的對比請參見圖2-3，其中圖2的灰階較為集中在均一化值，這是不利於後續處理的一種情況。而圖3除了原來較靠近中間灰度值的均等於中間灰度值，而其它的遠離中間灰度值，在直方圖上的體現就是更為平展和分散，大大改善了由於圖像灰階集中而不利於後續算法處理的弊端。
圖4是經過本發明方法處理的效果圖，可以明顯看到經處理過的圖像對比度得到拉伸。
因此，通過本發明的技術方案，可以實現放大信號，特別是針對暗反射面的非常弱小的信號，可以大幅度地提高圖像對比度，同時有利於提高信噪比。
增強信號，特別是針對光滑反射面的對比度非常差的信號，可以大幅度地提高圖像的對比度，同時有利於提高信噪比。
減弱光斑效應，光斑效應造成的光的梯度分布掩蓋了真正的桌面紋理信息，可視為噪聲信號，本算法可以部分地去除噪聲，也就一定程度上減弱了光斑效應的影響。
上文中，參照附圖描述了本發明的具體實施方式
。但是，本領域中的普通技術人員能夠理解，在不偏離本發明的精神和範圍的情況下，還可以對本發明的具體實施方式
中的具體步驟和業務流程等作各種變更和替換。這些變更和替換都落在本發明權利要求書所限定的範圍內。
權利要求
1.一種光學指向裝置的圖像預處理方法，其特徵在於，包括如下步驟步驟一，接收新圖像幀；步驟二，取該新圖像幀中的若干個像素組成一個矩陣Z，並確定表示其圖像幀像素灰度的比特數；步驟三，取上述矩陣Z中的若干像素點作為待處理的像素點，針對每一待處理的像素點為中心取一相關區域矩陣Y，該區域矩陣Y的大小小於矩陣Z；步驟四，計算出當前要處理的像素點的灰度值Alfa以及相關區域矩陣Y內除了該像素點以外的其餘像素點的灰度平均值A；步驟五，將|Alfa-A|與一預設值Frate作比較，當|Alfa-A|大於該預設值Frate，進入步驟六；步驟六，將該像素作信號增強處理；以及步驟七，處理完步驟三中取的所有像素點後結束。
2.根據權利要求1所述的光學指向裝置的圖像預處理方法，其特徵在於步驟五中，如果|Alfa-A|小於或等於該預設值Frate，則將該像素的灰度值作歸一化處理。
3.根據權利要求2所述的光學指向裝置的圖像預處理方法，其特徵在於歸一化的值為中間灰度值，即矩陣Z的灰度值範圍的中間值。
4.根據權利要求1中所述的光學指向裝置的圖像預處理方法，其特徵在於步驟三中，當所述區域矩陣Y邊界超出矩陣Z的範圍的時候，對矩陣Z進行擴展處理。
5.根據權利要求4所述的光學指向裝置的圖像預處理方法，其特徵在於所述矩陣Z所有像素的平均值，作為擴展矩陣Z時的像素灰度填充值。
6.根據權利要求1所述的光學指向裝置的圖像預處理方法，其特徵在於步驟二中的矩陣Z為16*16的矩陣，其像素灰度的比特數為8位，得其灰度表示為256種。
7.根據權利要求6所述的光學指向裝置的圖像預處理方法，其特徵在於該相關區域矩陣Y設為5*5的矩陣。
8.根據權利要求7所述的光學指向裝置的圖像預處理方法，其特徵在於Frate的值大於2。
9.根據權利要求8所述的光學指向裝置的圖像預處理方法，其特徵在於Frate的值為3。
10.根據權利要求1至9中任一項所述的光學指向裝置的圖像預處理方法，其特徵在於步驟六中將該像素的信號增強的方法為中間灰度值+(Alfa-A)*Fpower，其中Fpower為一預設值。
11.根據權利要求10所述的光學指向裝置的圖像預處理方法，其特徵在於該Fpower的值大於2。
12.根據權利要求11所述的光學指向裝置的圖像預處理方法，其特徵在於該Fpower的值為3。
13.根據權利要求10所述的光學指向裝置的圖像預處理方法，其特徵在於將步驟六中經增強後的像素信號作越界判斷，使其灰度值在比特數確定的灰度值範圍內，如該像素信號的灰度值小於該範圍的最小值，則讓其等於該最小值，如該像素信號的灰度值大於該範圍的最大值，則讓其等於該最大值。
14.根據權利要求1所述的光學指向裝置的圖像預處理方法，其特徵在於將步驟六中經增強後的像素信號作越界判斷，使其灰度值在比特數確定的灰度值範圍內。
15.根據權利要求14所述的光學指向裝置的圖像預處理方法，其特徵在於如該像素信號的灰度值小於該範圍的最小值，則讓其等於該最小值，如該像素信號的灰度值大於該範圍的最大值，則讓其等於該最大值。
全文摘要
本發明光學指向裝置的圖像預處理方法是將一幀圖像中的像素進行逐個處理，以每個當前處理的像素點為中心，取一個紋理相關的小區域，計算出除去該像素點的其餘點的均值，再將該均值與該像素點作比較，如果比較差值的絕對值小於等於一個預先設定值，就將該像素點歸一化為中間灰度級；反之，如果比較差值大於該預先設定值，就將該像素點進一步增強。通過這種方法，使得灰階較集中圖像的對比度得到拉伸，直方圖上的分布也進一步得到平展，有利於後續算法的進行。
文檔編號G06F3/033GK101046714SQ20071004000
公開日2007年10月3日 申請日期2007年4月26日 優先權日2007年4月26日
發明者劉建, 侯舒維, 林豹 申請人:埃派克森微電子(上海)有限公司, 埃派克森微電子有限公司