台湾专利TW201305883A 具有物件偵測之光學導航系統

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专利摘要:
本發明提供一種用於在一使用者之手指已自導航表面抬起之情況下防止游標移動之具有物件偵測之光學手指導航系統。該光學手指導航系統可包含一光源、一影像感測器及一物件偵測引擎。該物件偵測引擎可與該影像感測器及該光源操作地耦合以在藉由比較一按比例增加之像素值與一臨限值而判定一物件之存在之後旋即選擇性地報告運動資料。該抬起偵測引擎可併入於一微控制器中，其中該微控制器可係添加至一導航系統以提供一額外物件偵測特徵。
公开号:TW201305883A
申请号:TW101115252
申请日:2012-04-27
公开日:2013-02-01
发明作者:Willie Song；Zi Hao Tan；Shan Chong Tan
申请人:Avago Tech Ecbu Ip Sg Pte Ltd；
IPC主号:G06F3-00

专利说明:
具有物件偵測之光學導航系統
光學導航感測器習用於諸如一光學滑鼠之一輸入裝置中之表面導航。一習用輸入裝置追蹤一導航表面與該輸入裝置內之一影像感測器之間的相對移動。光係藉由一光源而朝向該導航表面或一目標物件照明。一般而言，該經照明導航表面之影像或該經照明目標物件之數位影像資料之多個圖框係由該感測器擷取且隨後經處理並進一步轉譯為該輸入裝置上之一游標移動。
最近，光學手指導航裝置已廣泛用於諸多可攜式手持裝置(諸如一行動手機)中。一光學手指導航裝置准許使用者藉由簡單地在此一可攜式裝置之一手指介面表面上移動一手指而操縱導航功能。與一習用光學滑鼠系統相比，一光學手指導航裝置使用一光源來照明使用者之手指。一光學手指導航裝置之一般操作概念係類似於一習用光學滑鼠，惟併入於該裝置中以用於手指導航之感測器一般係自該裝置面向上而非面向下定位除外。另外，該光學手指導航系統之追蹤表面係一使用者之手指，而非一桌面工作表面。
關於手動地操縱之一光學手指導航裝置，需要辨識何時手指已抬離導航表面。出於節省電力以及防止游標滑動之目的，當手指已抬離導航表面時，使導航操作暫停係重要。存在可經實施以防止輸入裝置可能基於影像散焦或影像表面品質值而進行追蹤之習用抬起偵測系統或物件偵測系統。然而，此等系統通常涉及複雜設計且通常係在晶片設計期間整合為導航系統之部分。此外，某些物件偵測系統可需要感測器擷取多個影像以供比較；此將需要始終接通LED。
諸多手指導航裝置之另一已知限制係在一手指最初放置於導航表面上時或隨著其抬離該導航表面之非預期游標移動。一手指之此種放置及抬起可致使非預期游標抖動、非預期游標移動或游標之突然跳動。
在整個說明及圖式中，可使用類似元件符號來識別類似元件。
光學手指導航(下文稱為OFN)裝置適合於小型手持式電子裝置，諸如行動電話、遙控器、遊戲控制台控制器或通常需要可藉由一使用者之手指操作之一導航功能之可攜式音樂播放器。舉例而言，一OFN可併入至一行動電話中以在該裝置之圖形使用者介面內提供手指導航。圖1圖解說明具有物件偵測之一OFN系統100之一示意性方塊圖。OFN系統100包含：一光源102，其用於發射光；一感測器104，其耦合至光源102；及一物件偵測引擎106，其耦合至感測器104。雖然與圖1之OFN系統100一起展示了某些組件部分，但其他實施例可實施較少或較多組件部分以用於提供具有物件偵測功能之一類似導航。在一項實施例中，OFN系統100可實施為一單個晶片系統，其中影像感測器104、抬起偵測引擎106及光源102可整合為一單個積體電路(IC)晶片系統。雖然該物件偵測引擎可併入於諸多輸入裝置中，諸如一滑鼠、一光學手指導航控制器或其他類似輸入裝置。然而，為簡化該圖解說明，在對實施例之說明中將使用一OFN來表示輸入裝置。
如下文較詳細地闡述，在一項實施例中，OFN系統100可經組態以僅在報告一手指103存在於手持式裝置(未展示)之導航表面101上時准許導航操作。OFN系統100可併入至一手持式裝置中以追蹤使用者之手指103相對於導航表面101之移動。該OFN系統可包含：一光源102，其用以朝向導航表面101發射光脈衝；及影像感測器104，其用以擷取朝向感測器104引導之入射光。
在一項實施例中，光源102可係能夠以一所要波長及強度發射光之任何適合電磁輻射源。一般而言，光源102可係一同調或一非同調光源。對光源102之選擇可較佳地基於其應用。光源102可係一可見或一非可見光源(例如，IR LED)且某些應用可受益於一個以上光源。
感測器104包含複數個光敏元件(未展示)或電極且可與一快門記錄器109耦合。在一項實施例中，感測器104可操作以接收來自導航表面101之入射光。具體而言，若一手指103係放置於導航表面101處或導航表面101附近，則感測器104可擷取來自偵測區域101之經反射手指影像。感測器104可擷取手指103之一系列影像圖框且比較連續影像圖框以判定運動資料120。感測器104可就沿方向性差量X及差量Y之移動向量而言判定手指103與導航表面101之間的相對運動。OFN系統100可隨後處理手指移動且進一步將該手指移動轉譯為該手持式裝置上之一對應游標移動。影像感測器104可係一CCD(電荷耦合裝置)、一CMOS(互補金屬氧化物半導體)或此項技術中已知之任何其他類型之光學感測器。
在一項實施例中，感測器104係耦合至光源102且經組態以擷取一有光照圖框107且隨後擷取一無光照圖框108，該等圖框對應於由光源102產生之光脈衝。感測器104可經組態以在接通光源102時擷取一有光照圖框107且隨後在關閉光源102時擷取一無光照圖框108。在一項實施例中，感測器104經組態以在同一快門值114下擷取有光照圖框107及無光照圖框108兩者。感測器104可與一快門產生器109耦合，該快門產生器經組態以回應於由感測器104接收之光之亮度而產生快門值114。根據感測器104之曝光演算法，快門產生器109可在感測器104接收高強度之光時產生一低快門值114且在光變暗時產生一高快門值114。因此，若一手指103係放置於偵測區域101上，則由光源102發射之光可完全反射至感測器104上。因此，預期感測器104接收具有與由光源102發射之光實質上類似之一亮度之影像資料。相反地，若在偵測區域101上不存在手指103來反射由光源102發射之光脈衝，則由感測器104接收之入射光(若存在)將係實質上環境光。
在一項實施例中，影像感測器104可包含經組態以接收自導航表面101反射之一影像之複數個光敏像素元件(未展示)。經整合以產生一良好影像的影像感測器104之該等光敏像素元件可稱為用於獲取影像之主動光敏像素元件之設定數目。舉例而言，用於獲取一影像圖框之像素元件之數目可根據該影像之亮度位準或品質而變化。特定而言，感測器104可分別需要用於擷取有光照圖框107及無光照圖框108之不同數目個像素元件。
在一項實施例中，光學導航系統100可包含耦合至影像感測器104之一物件偵測引擎106。物件偵測引擎106可經組態以判定用於獲取有光照圖框107之光敏像素元件之一第一設定數目110、用於獲取無光照圖框108之光敏像素元件之一第二設定數目112及用於擷取此兩個圖框之一快門值114。物件偵測引擎106可進一步包含一計算器116以基於第一設定數目110、第二設定數目112及快門值114計算一按比例增加之像素值118。在一項實施例中，藉由首先判定第一設定數目110與第二設定數目112之間的一像素差而計算按比例增加之像素值118。然後，判定該像素差與快門值114之一比率。且最後，將該比率乘以一倍增因數。在一項實施例中，為判定是否存在一物件，將關於該按比例增加之像素值之所有該等計算變換為同一絕對比例。因此，為判定一物件之存在，利用同一比例因數變換所有經量測按比例增加之像素值以使得可應用一單個臨限值來區分一物件之存在或不存在。
在一項實施例中，物件偵測引擎106可經組態以在按比例增加之像素值118大於一臨限值119之情況下報告運動資料120。在另一實施例中，物件偵測引擎106可經組態以在判定按比例增加之像素值118大於一臨限值119之後旋即報告物件122之存在。臨限值119可係一預定最小按比例增加之像素值118，在該預定最小按比例增加之像素值下物件偵測引擎106偵測到一物件(諸如手指103)之存在。舉例而言，可透過藉由收集在各種模擬之環境情況(例如有手指、無手指、有光照、無光照及與外部光位準之各項例項組合)下量測之若干按比例增加之像素值118之實驗而估計臨限值數119。
OFN系統100可進一步包含經組態以儲存快門值114及第一設定數目110之一記憶體124。在一項實施例中，物件偵測引擎106可能夠在不必須接通光源102之情況下執行物件偵測操作。在偵測到一物件之一不存在之後，物件偵測引擎106可經組態以旋即在不必須接通光源之情況下執行物件偵測操作。物件偵測引擎106可經組態以藉由使用所儲存第一設定數目110、所儲存快門值114及來自一新擷取之無光照圖框108之一新第二設定數目112來計算按比例增加之像素值118以供後續比較。在一項實施例中，對按比例增加之像素值計算而言，可僅需要一「暗圖框」或一無光照圖框。感測器104可經組態以僅擷取一無光照圖框108且產生用於獲取無光照圖框108之光敏像素元件之一第二設定數目112。由於需要接通光源102以便物件偵測操作，因此可明顯減小該OFN系統之電力消耗。在另一實施例中，物件偵測引擎106可經組態以僅執行累加按比例增加之像素值118、執行簡單計算及比較之簡單處理步驟。因此，該系統可整合至任何系統中而不需要同樣多的電力消耗。
圖2展示包括至少一光學導航系統202及一微控制器204之一OFN系統200之一示意性方塊圖。光學導航系統202可包含一光源205、一感測器207及一導航引擎209。在一項實施例中，微控制器204可包含一物件偵測引擎206及一記憶體208。微控制器204可操作地耦合至光學導航系統202以控制OFN系統200之導航功能。微控制器204可經組態以在判定於導航表面201之偵測區域處存在一物件(例如一手指203)之後旋即允許導航操作。當手指203已抬離手持式裝置(未展示)之導航表面201時，可暫停OFN系統200之導航操作。如此，OFN系統200可有效地實施於一手持式裝置上以避免非預期游標抖動。
微控制器204可經組態以給OFN系統200提供一物件偵測功能或抬起偵測且防止在一手指203已自導航表面201抬起之情況下報告運動資料210。在一項實施例中，微控制器204可提供一靈活構件以用於將一額外物件偵測功能添加至一光學導航系統202，光學導航系統202先前不具有作為裝置之部分之此一特徵。因此，可以最小努力將物件偵測功能實施至一現有光學導航系統202上而不必須重新設計該系統。本文中上文已關於圖1闡述了導航系統202之各種組件及物件偵測引擎206。在一項替代實施例中，可以一演算法或韌體之形式將物件偵測引擎206實施至一微控制器204中。亦可將預定臨限值作為韌體之部分儲存於微控制器204之記憶體208中。
圖3圖解說明用於一OFN系統中之物件偵測之一方法300之一項實施例的一方塊圖。在方塊302處，感測器104擷取一有光照圖框107且隨後在同一快門值114下擷取一無光照圖框108。在方塊304處，物件偵測引擎106自感測器104判定一第一設定數目110、一第二設定數目112及快門值114。在一項實施例中，第一設定數目110及第二設定數目112係感測器104在於同一快門值114下分別獲取有光照及無光照圖框中使用之光敏像素元件之數目。在方塊306處，物件偵測引擎106將自感測器104接收之一第一設定數目110及快門值114儲存於一記憶體124中。在方塊308處，物件偵測引擎106基於第一設定數目110、第二設定數目112及快門值114而判定一按比例增加之像素值118。在一項實施例中，可藉由以下方式計算按比例增加之像素值118：首先，判定第一設定數目110與第二設定數目112之間的像素差；判定該像素差與快門值114之一比率；及將該比率乘以一倍增因數。
在方塊310處，物件偵測引擎106藉由比較預定按比例增加之像素值118與一臨限值119而偵測一物件。在一項實施例中，臨限值119係一預定最小按比例增加之值118，在該預定最小按比例增加之值下物件偵測引擎106偵測到一物件(諸如手指103)之存在。物件偵測引擎106在該按比例增加之像素值大於臨限值119之情況下報告一物件之一存在。在方塊312處，若偵測到一物件，則物件偵測引擎106報告移動資料且准許根據正常導航操作之游標移動。相反，在方塊314處，若未偵測到一物件，則物件偵測引擎106抑制報告運動資料且暫停游標移動。在方塊316處，若未偵測到一物件，則感測器104類似於之前地在一快門值114下擷取一無光照圖框108。在方塊318處，物件偵測引擎106自記憶體124判定第一設定數目110及快門值114以及一新第二設定數目。在一項實施例中，該新第二設定數目係感測器104在獲取新的無光照圖框中使用之光敏像素元件之數目。在方塊320處，物件偵測引擎106自所儲存第一設定數目110、所儲存快門值114及該新第二設定數目判定一按比例增加之像素值118。
圖4展示適合於諸如行動電話等小型手持式電子裝置(未展示)之一OFN系統400之一項實施例之一示意性方塊圖。OFN系統400可包含：一光源402，其用於朝向導航表面401發射光脈衝；及影像感測器404，其用以擷取朝向感測器404引導之入射光。OFN系統400可包含耦合至感測器404之一物件偵測引擎406。在此實施例中，物件偵測引擎406係操作地耦合至一導航引擎408以提供一導航操作以便操縱手持式裝置(未展示)之一圖形使用者介面(GUI)功能(未展示)。物件偵測引擎406經組態以在判定一物件(諸如一手指403)之存在之後旋即准許導航操作。
在一項實施例中，感測器404係耦合至光源402且經組態以在由快門產生器410產生之同一快門值下擷取一有光照圖框且隨後擷取一無光照圖框，該等圖框對應於由光源402產生之光脈衝。物件偵測引擎406係耦合至感測器404且可經組態以自感測器404判定用於獲取有光照及無光照圖框之光敏像素元件之一設定數目。物件偵測引擎406可進一步包含一計算器412以基於該等設定數目及該快門值而計算一按比例增加之像素值414。由於已關於圖1詳細闡述了關於物件偵測引擎406如何判定按比例增加之值414之細節操作，因此此處將不會對此進行進一步詳細說明。
在一項實施例中，物件偵測引擎406可操作以在按比例增加之像素值414大於一臨限值416之情況下選擇性地報告運動資料420。在另一實施例中，物件偵測引擎406可經組態以在判定按比例增加之像素值414大於一臨限值416之後旋即報告一物件422之存在。在一項實施例中，物件偵測引擎406係與一導航引擎408耦合以在偵測到一物件之後旋即提供一導航功能。導航引擎408可經組態以僅在已報告於偵測區域401處存在一物件(例如一手指403)時操作。因此，當手指403已抬離手持式裝置(未展示)之導航表面時，物件偵測引擎406可經有效地實施以立即暫停導航操作。如此，當一手指403最初放置於手持式裝置(未展示)之導航表面401上時或隨著其抬離導航表面401，OFN系統400可有效地實施於一手持式裝置(未展示)上以避免非預期游標抖動或游標之突然跳動。另外，如先前已闡述，物件偵測引擎406能夠在不必須接通光源402之情況下執行物件偵測操作。因此，亦可進一步達成電力節省。
OFN系統400可包含經組態以儲存快門值114及第一設定數目110之一記憶體418。在一項實施例中，記憶體418可整合為物件偵測引擎406之一部分。物件偵測引擎406可經組態以藉由使用該所儲存第一設定數目、該所儲存快門值連同自一新無光照圖框獲得之一新的第二設定數目一起來在不必須接通光源402之情況下計算按比例增加之像素值414。換言之，對按比例增加之像素值414計算而言，僅需要一「暗圖框」。因此，可明顯減小OFN系統之電力消耗。
雖然以一特定次序展示及闡述本文中之方法之操作，但熟習此項技術者將理解，可更改每一方法之次序(舉例而言)以使得可以一不同、以一相反次序執行某些操作，或者以使得可至少部分地與其他操作同時執行某些操作。
雖然已闡述及圖解說明瞭本發明之特定實施例，但本發明並不限制於如此闡述及圖解說明之特定形式或部件之配置。本發明之範疇應由隨附申請專利範圍及其等效物定義。
100‧‧‧光學手指導航系統/光學導航系統
101‧‧‧導航表面/偵測區域
102‧‧‧光源
103‧‧‧手指
104‧‧‧感測器/影像感測器
106‧‧‧物件偵測引擎/抬起偵測引擎
107‧‧‧有光照圖框
108‧‧‧無光照圖框/新擷取之無光照圖框
109‧‧‧快門產生器/快門記錄器
110‧‧‧第一設定數目
112‧‧‧第二設定數目/新第二設定數目
114‧‧‧快門值
116‧‧‧計算器
118‧‧‧按比例增加之像素值/按比例增加之值
119‧‧‧臨限值/臨限值數
120‧‧‧運動資料
122‧‧‧物件
124‧‧‧記憶體
200‧‧‧光學手指導航系統
201‧‧‧導航表面
202‧‧‧光學導航系統/導航系統
203‧‧‧手指
204‧‧‧微控制器
205‧‧‧光源
206‧‧‧物件偵測引擎
207‧‧‧感測器
208‧‧‧記憶體
209‧‧‧導航引擎
210‧‧‧運動資料
400‧‧‧光學手指導航系統
401‧‧‧導航表面/偵測區域
402‧‧‧光源
403‧‧‧手指
404‧‧‧感測器/影像感測器
406‧‧‧物件偵測引擎
408‧‧‧導航引擎
410‧‧‧快門產生器
412‧‧‧計算器
414‧‧‧按比例增加之像素值/按比例增加之值
416‧‧‧臨限值
418‧‧‧記憶體
420‧‧‧運動資料
422‧‧‧物件
圖1圖解說明具有物件偵測之一光學導航系統之一項實施例之一示意性方塊圖；圖2圖解說明具有物件偵測之一光學導航系統之另一實施例之一方塊圖；圖3圖解說明一物件偵測操作方法之一流程圖；及圖4圖解說明一光學手指導航系統之一項實施例之一示意性方塊圖。
100‧‧‧光學手指導航系統/光學導航系統
101‧‧‧導航表面/偵測區域
102‧‧‧光源
103‧‧‧手指
104‧‧‧感測器/影像感測器
106‧‧‧物件偵測引擎/抬起偵測引擎
107‧‧‧有光照圖框
108‧‧‧無光照圖框/新擷取之無光照圖框
109‧‧‧快門產生器/快門記錄器
110‧‧‧第一設定數目
112‧‧‧第二設定數目/新第二設定數目
114‧‧‧快門值
116‧‧‧計算器
118‧‧‧按比例增加之像素值/按比例增加之值
119‧‧‧臨限值/臨限值數
120‧‧‧運動資料
122‧‧‧物件
124‧‧‧記憶體

权利要求:
Claims (20)
[1] 一種光學導航系統，其包括：一光源，其經組態以發射光；一感測器，其經組態以擷取一有光照圖框及一無光照圖框；其中兩個圖框係在一快門值下擷取；及一物件偵測引擎，其耦合至該感測器，該物件偵測引擎經組態以判定在獲取該有光照圖框中使用之光敏像素元件之一第一設定數目及在獲取該無光照圖框中使用之光敏像素元件之一第二設定數目，該物件偵測引擎經組態以藉由比較一按比例增加之像素值與一臨限值而報告一運動資料。
[2] 如請求項1之光學導航系統，其中該物件偵測引擎經組態以基於該第一設定數目、該第二設定數目及該快門值而計算該按比例增加之像素值。
[3] 如請求項1之光學導航系統，其中該物件偵測引擎經組態以在該按比例增加之像素值大於該臨限值之情況下報告該運動資料。
[4] 如請求項1之光學導航系統，其中該物件偵測引擎經組態以在該按比例增加之像素值大於該臨限值之情況下報告一物件之一存在。
[5] 如請求項4之光學導航系統，其中該物件偵測引擎經組態以在判定一物件之該存在之後旋即報告該運動資料。
[6] 如請求項4之光學導航系統，其中該臨限值係一預定最小按比例增加之值，在該預定最小按比例增加之值下該物件偵測引擎偵測到一物件之該存在。
[7] 如請求項2之光學導航系統，其中該物件偵測引擎進一步包括經組態以計算該按比例增加之像素值之一計算器，其中該計算器：判定該第一設定數目與該第二設定數目之間的一像素差；判定該像素差與該快門值之一比率，及將該比率乘以一倍增因數。
[8] 如請求項1之光學導航系統，其進一步包括經組態以儲存該快門值、該第一設定數目及該第二設定數目之一記憶體。
[9] 如請求項8之光學導航系統，其中該物件偵測引擎經組態在不具有一有光照圖框之情況下計算後續按比例增加之像素值。
[10] 如請求項9之光學導航系統，其中該物件偵測引擎經組態以基於儲存於該記憶體中之該第一設定數目及該快門值以及來自一當前無光照圖框之一新的第二設定數目而計算後續按比例增加之值。
[11] 一種光學導航方法，其包括：在同一快門值下擷取一有光照圖框及一無光照圖框；判定在獲取該有光照圖框中使用之光敏像素元件之一第一設定數目及在獲取該無光照圖框中使用之光敏像素元件之一第二設定數目，及在藉由比較一按比例增加之像素值與一臨限值而判定一物件之一存在之後旋即報告一運動資料。
[12] 如請求項11之方法，其進一步包括基於該第一設定數目、該第二設定數目及該快門值而計算該按比例增加之像素值。
[13] 如請求項11之方法，其進一步包括在判定該按比例增加之像素值大於該臨限值之後旋即報告該運動資料。
[14] 如請求項11之方法，其進一步包括在該按比例增加之像素值大於該臨限值之情況下報告一物件之一存在。
[15] 如請求項14之方法，其進一步包括：判定該第一設定數目與該第二設定數目之間的一像素差，及判定該像素差與該快門值之一比率，及將該比率乘以一倍增因數。
[16] 如請求項11之方法，其中該臨限值係一預定最小按比例增加之值，在該預定最小按比例增加之值下該物件偵測引擎偵測到一物件之該存在。
[17] 如請求項11之方法，其進一步包括將該第一設定數目及該第二設定數目以及該臨限值儲存於一記憶體中。
[18] 如請求項17之方法，其進一步包括基於儲存於該記憶體中之該第一設定數目及該快門值以及來自當前無光照圖框之一新的第二設定數目而計算一後續按比例增加之值。
[19] 一種光學導航裝置，其包括：一光源，其經組態以發射光；一感測器，其經組態以擷取一有光照圖框及一後續無光照圖框，其中兩個圖框係在同一快門值下擷取；一導航引擎，其經組態以提供一導航操作；及一物件偵測引擎，其耦合至該感測器及該導航引擎，該物件偵測引擎經組態以判定在獲取該有光照圖框中使用之光敏像素元件之一第一設定數目及用於獲取該無光照圖框之光敏像素元件之一第二設定數目，該物件偵測引擎經組態以藉由比較一按比例增加之像素值與一臨限值而報告用於導航操作之一運動資料；其中該物件偵測引擎經組態以使用該第一設定數目、該第二設定數目及該快門值計算該按比例增加之像素值。
[20] 如請求項19之光學導航裝置，其中該物件偵測引擎經組態以在該按比例增加之像素值大於該臨限值之情況下報告該運動資料。

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