专利名称：位移检测装置的图像处理方法及使用该方法的位移检测装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种位移检测装置，特别涉及一种位移检测装置的图像处理方法及使
用该方法的位移检测装置。
背景技术：
当诸如鼠标的位移检测装置中的图像感测装置所感测的图像亮度未处于预设 范围时，通常需要通过调整所述位移检测装置的曝光时间以使所述位移检测装置中的 图像感测装置能够获取具有适当亮度的图像。例如美国专利第6，297，513号的"用于 微结构表面光学导航的曝光控制机制(Exposure Servofor Optical Navigation over Micro-textured Surface)"，所述专利根据位移检测装置所获取图像的平均亮度以控制曝 光参数，所述专利的控制方法包括下列步骤(a)改变曝光控制参数的设定，直到平均亮度 为最大可能值的50X;(b)如果位移检测的相关数据(correlated data)符合要求，维持目 前的曝光参数设定，否则进一步改变曝光控制参数直到相关数据符合要求；(c)储存目前 的平均亮度；(d)以目前的曝光控制参数进行导航(navigation)以求得位移量，其中所述 导航的步骤包括储存最新的平均亮度及相关数据；以及(e)调整曝光控制参数。
然而，上述曝光控制方法仅限于当图像平均亮度未处于预设范围时用于改变曝光 控制参数以调整具有不同反射强度的表面图像亮度。当图像的平均亮度符合要求时，位移 检测装置所获取的图像并未进一步被处理，因而无法有效提升反射表面图像的动态处理能 力。 基于上述原因，确实仍有必要另提出一种位移检测装置的图像处理方法，以增加 具有不同反射强度的表面图像分辨率，进而增加反射表面图像的动态处理能力。
发明内容
本发明提供一种位移检测装置的图像处理方法及使用该方法的位移检测装置，所
述位移检测装置利用模拟/数字单元结合放大器来处理图像传感器所获取的图像，以增加
具有不同反射强度的表面图像分辨率，进而增加反射表面图像的动态处理能力。 本发明提供一种位移检测装置的图像处理方法及使用该方法的位移检测装置，所
述位移检测装置利用非线性模拟/数字函数来处理图像传感器所获取的图像，以增加具有
不同反射强度的表面图像分辨率，进而增加反射表面图像的动态处理能力。 本发明提供一种位移检测装置的图像处理方法，所述位移检测装置根据曝光参数
获取图像，所述图像处理方法包括下列步骤获取第一图像并求出所述第一图像的平均亮 度；判断所述平均亮度是否处于第一阈值与第二阈值之间；当所述平均亮度不处于所述第 一阈值与第二阈值之间时，改变所述位移检测装置的曝光参数，并比对所述第一图像与参 考图像以求得位移量；当所述平均亮度处于所述第一阈值与第二阈值之间时，判断所述第 一图像是否已扣除衰减值；当所述第一图像已扣除所述衰减值时，比对所述第一图像与参考图像以求得位移量；当所述第一图像尚未扣除所述衰减值时，更新所述衰减值和增益； 从第一图像扣除更新后的衰减值并以所述增益放大衰减后的所述第一图像；将衰减并放大 后的所述第一图像与参考图像进行比对以求得位移量；以及将所述位移量传输至图像显示 装置。 在本发明的位移检测装置的图像处理方法中，所述增益可以为线性增益或非线性 增益；数字化的方式可以为线性或非线性。 根据本发明的另一特点，本发明另提供一种位移检测装置，该位移检测装置包括 图像传感器、数字/模拟单元、加法单元、放大器、模拟/数字单元及数字信号处理器。图像 传感器用于获取表面的图像以形成模拟图像，其中所述模拟图像具有平均亮度。数字/模 拟单元用于产生衰减值。加法单元耦合所述图像传感器及所述数字/模拟单元，用于将所 述模拟图像扣除所述衰减值。放大器放大衰减后的模拟图像。模拟/数字单元数字化衰减 并放大后的所述模拟图像。数字信号处理器比对数字化后的模拟图像与参考图像以形成位 移量，并控制所述数字/模拟单元产生所述衰减值。 根据本发明的另一特点，本发明另提供一种位移检测装置，该位移检测装置包括 图像传感器、数字/模拟单元、加法单元、非线性模拟/数字单元及数字信号处理器。图像 传感器用于获取表面的图像以形成模拟图像，其中所述模拟图像具有平均亮度。数字/模 拟单元用于产生衰减值。加法单元耦合所述图像传感器及所述数字/模拟单元，用于将所 述模拟图像扣除所述衰减值。非线性模拟/数字单元数字化衰减后的模拟图像。数字信号 处理器比对数字化后的模拟图像与参考图像以形成位移量，并控制所述数字/模拟单元产 生所述衰减值。 本发明的位移检测装置中，根据不同的应用，模拟/数字单元可以为线性或非线 性模拟/数字单元，放大器可具有线性及非线性的增益，以有效增加表面图像分辨率。
图1为本发明实施例的位移检测装置的框图。 图2为本发明实施例的图像处理方法的框图，其中，(a)为图2中图像传感器所获 取的图像亮度一维分布示意图；(b)为图2中衰减后的图像亮度一维分布示意图；以及(c) 为图2中衰减并放大后的图像亮度一维分布示意图。 图3为本发明实施例的图像处理方法的另一框图，其中，(a)为图3中图像传感器
所获取的图像亮度一维分布示意图；(b)为图3中衰减后的图像亮度一维分布示意图；以及
(c)为图3中经过非线性模拟/数字单元后的图像亮度一维分布示意图。 图4为显示数字值与模拟电压的关系的图，其中，(a)为显示数字值与模拟电压的
线性关系的图；以及(b)为显示数字值与模拟电压的非线性关系的图。 图5为本发明实施例的位移检测装置的图像处理方法的流程图。 主要组件符号说明 1 :位移检测装置 10 :光源 ll:图像传感器 12:图像处理单元 121 :数字/模拟单元 122 :放大器 123 :模拟/数字单元 124 :数字信号处理器
125:传输接口单元
Dx :平均亮度
DAC :衰减值
ADD :加法单元 Ax :亮度特征变化值 g:增益 110 170:步骤
具体实施例方式
为了让本发明的上述和其它目的、特征及优点能更明显，下文列举了本发明的实 施例，并结合所附图示，作详细说明如下。 请参照图1所示，图1显示了本发明实施例的位移检测装置1，该位移检测装置1 包括光源10、图像传感器11及图像处理单元12。光源10的实施例包括发光二极管或镭射 二极管，用于照明表面S，例如桌面或鼠标垫表面。图像传感器ll的实施例包括电荷耦合组 件(CCD)图像传感器或互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器，用于感测所述表面S的 反射光以产生二维模拟图像，所述二维模拟图像为所述图像传感器11的各像素的亮度值 所组成的图像。图像处理单元12耦合所述光源10及所述图像传感器ll，用于处理所述图 像传感器11所获取的图像并控制所述光源10的发光机制，例如发光频率及亮度等。在本 发明中，通过利用所述图像处理单元12进一步处理所述图像传感器11所获取的图像，以有 效增加所述表面S的图像分辨率。 所述图像处理单元12包括数字/模拟单元(DAC) 121、放大器122、模拟/数字单 元(ADC)123、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP) 124及传输接口单元125。 数字/模拟单元121接收数字信号处理器124的数字信号以产生直流的衰减值(本说明书 中称作DAC)，所述衰减值用于衰减所述图像传感器11所获取的二维模拟图像的亮度值，以 避免在后续放大及数字化步骤中，像素亮度超出预设范围(例如0 255灰阶值)。放大器 122则用于放大已扣除所述衰减值(衰减后)的二维模拟图像，所述放大器122可为线性或 非线性放大器，且所述放大器122可根据模拟/数字单元123的种类而被省略。所述模拟/ 数字单元123可为线性或非线性模拟/数字单元，用于将所述图像传感器11所获取的二维 模拟图像(已扣除或未扣除所述衰减值并放大)转换为数字值，例如0 255范围内的灰阶 值；所述数字信号处理器124接收来自所述模拟/数字单元123的每一像素的灰阶值以形 成二维数字图像并求得位移量，例如根据不同时间的数字图像间的相关性(correlation) 求得所述位移量。此外，所述数字信号处理器124控制所述数字/模拟单元121产生衰减 值，这是根据所述数字信号处理器124所处理的图像而决定的。传输接口单元125将所述 数字信号处理器124所求得的位移量无线或有线地传输至图像显示装置(未示出)以进行 相对的控制。 请参照图2中的(a)至(c)所示，显示了本发明实施例的图像处理方法的框图。图 2中的(a)至(c)显示一种实施例在不同处理阶段中图像亮度的一维分布示意图。首先，所 述图像传感器11获取所述表面S的二维模拟图像，其中图2中的(a)表示所述二维模拟图 像中一列像素的亮度值(Dx+Ax)随所述图像传感器11的感测阵列(未示出)横向距离的变 化、Dx表示平均亮度且4表示亮度特征变化值。所述亮度值(Dx+Ax)经过加法单元ADD(亦 可利用减法器实现)与衰减值相减后成为(DX-DAC)+AX并显示于图2中的(b)，其中DAC的 大小由所述数字信号处理器124决定。所述放大器122具有增益g，接着以所述增益g放大
6衰减后的二维模拟图像的一列像素的亮度值(D,DAC)+4后成为gX (DfDAC)+gX4并显示 于图2中的(c)，其中gXA,为亮度变化的小波信号。最后，所述模拟/数字单元123将衰 减并放大后的二维模拟图像的一列像素的亮度分布以线性或非线性的方式转换为数字值 (数字化)并将其传送至所述数字信号处理器124。必须了解的是，所述亮度值(Dx+Ax)扣 除DAC的目的在于避免在后续放大及数字化步骤中有亮度值过大的情况；比较图2中(b) 与(c)可知，二维模拟图像的一列像素的亮度值经过放大后，亮度特征变化值4的峰峰值 (peak-and-peak value)明显增加，有助于增加数字化后图像的分辨率。此外，所述放大器 122的增益可为线性或非线性。可以理解的是，虽然此处以二维模拟图像的一列像素的亮度 来说明，实际上所述二维模拟图像的所有像素均利用本图像处理方法进一步处理。
请参照图4中的(a)和(b)所示，图4中的(a)显示当放大器122或模拟/数字 单元123为线性时，数字化阶段中数字值与模拟电压的关系；图4中的(b)显示当放大器 122或模拟/数字单元123为非线性时，数字化阶段中数字数值与模拟电压的关系。比较图 4中的(a)与(b)可知，在非线性放大及数字化的步骤中，相同的模拟电压变化相对于较大 的数字值变化，也可得到较高的分辨率。 请参照图3中的(a)至(c)所示，显示了本发明实施例的图像处理方法的另一框 图。图3与图2的差异在于，图3中仅使用一个非线性模拟/数字单元123而不使用放大 器122。同样地，所述图像传感器11先获取所述表面S的二维模拟图像，如图3中的(a)所 示。接着所述二维模拟图像的一列像素的亮度值(Dx+Ax)经过加法单元ADD与衰减值DAC 相减后成为(DX-DAC)+AX并显示于图3中的(b)。最后，所述非线性模拟/数字单元123以 非线性的方式数字化所述图像传感器11所获取的二维模拟图像，显示于图3中的(c)，并将 其传送至所述数字信号处理器124。所述数字信号处理器124则根据目前所处理的图像决 定所述图像传感器11在获取下一张图像时应扣除的衰减值及增益，并通知所述数字/模拟 单元121产生所述衰减值。 请参照图5，图5显示了本发明实施例的位移检测装置的图像处理方法的流程图。 所述图像处理方法包括下列步骤利用图像传感器获取第一图像，所述第一图像具有平均 亮度(步骤110);判断所述平均亮度是否收敛于第一阈值与第二阈值之间(步骤120); 若不是，更改曝光参数(步骤130)并比对所述第一图像与参考图像以输出位移量(步骤 170)，接着重新获取下一张图像；若所述平均亮度收敛于所述第一及第二阈值之间，则判断 所述第一图像是否已扣除衰减值(步骤140)，若是，则执行步骤170，若不是，则更新所述 衰减值及增益(步骤150);扣除衰减值并以所述增益放大衰减后的所述第一图像(步骤 160);以及比对衰减并放大后的所述第一图像与参考图像以输出位移量(步骤170)，最后 重新获取图像以重复上述步骤。 请再参照图1、2、3及5所示，下面说明本发明实施例的位移检测装置的图像处理 方法的详细实施方式。首先，利用所述图像传感器11获取所述表面S的第一图像，所述第 一图像具有平均亮度(例如D》，其中所述图像传感器11的感测阵列的一列像素所感测的 亮度分布可如图2中的(a)所示(步骤110)。接着所述图像处理单元12判断所述平均亮 度是否处于两阈值之间(例如在256灰阶范围中，第一阈值可为64，第二阈值可为128，但 并不限于此)(步骤120)。当所述平均亮度不处于两预设阈值之间时，所述图像处理单元12 则更改曝光参数，例如改变所述光源10的发光强度和/或频率等，以使所述图像传感器11获取的下一张图像的平均亮度可处于两预设阈值之间(步骤130);接着所述图像处理单元
12比对所述第一图像及参考图像以求得位移量(步骤170)，并将其传送至所述传输接口单 元125进行传输，其中所述参考图像例如可为所述图像传感器11所获取的所述第一图像的 前一张图像。当所述平均亮度处于两预设阈值之间时，所述图像处理单元12判断所述第一 图像是否已扣除衰减值(如图2和图3所示)(步骤140)，若已扣除衰减值，则所述图像处 理单元12直接将所述第一图像转换为数字图像并比对数字化后的第一图像及参考图像以 求得位移量(步骤170)，且所述位移量将通过所述传输接口单元125进行传输；若所述第 一图像尚未扣除衰减值，所述图像处理单元12则根据所述第一图像判断目前的衰减值及 增益，并更新根据上一张图像所求得的衰减值及增益(步骤150)，其中所述增益可为线性 增益或非线性增益。接着扣除衰减值并以所述增益放大衰减后的所述第一图像(如图2和 图3所示)(步骤160)，并利用模拟/数字单元进行图像数字化，其中所述数字化的方式可 为线性或非线性；当所述模拟/数字单元为非线性模拟/数字单元时，可省略步骤150中的 更新增益步骤以及步骤160。最后，所述图像处理单元12比对数字化后的所述第一图像及 参考图像以求得位移量(步骤170)，并通过所述传输接口单元125进行传输，其中所述位移 量例如可通过比对所述第一图像及所述参考图像的相关性求得。最后，所述图像传感器11 重新获取新的图像并重复步骤110 170。 综上所述，由于常用的位移检测装置的曝光控制方法仅在图像平均亮度不处于预 设范围时进行曝光控制参数调整，并且无法有效提升反射表面图像的动态处理能力。本发 明利用线性或非线性的方式进一步处理图像传感器所获取的图像(如图2和图3所示)以 增加图像亮度特征变化的峰峰值，具有增加不同反射强度的表面图像分辨率及增加反射表 面图像的动态处理能力的效果。 虽然本发明已以前述较佳实施例揭示，但其并非用于限定本发明，任何本发明所 属技术领域中的普通技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，可做出各种更正与修改。 因此本发明的保护范围应当视所附的权利要求所界定的范围为准。
8
权利要求
一种位移检测装置的图像处理方法，该位移检测装置根据曝光参数获取图像，该图像处理方法包括下列步骤获取第一图像并求出该第一图像的平均亮度；判断所述平均亮度是否处于第一阈值与第二阈值之间；当所述平均亮度处于所述第一阈值与第二阈值之间时，判断所述第一图像是否已扣除衰减值；当所述第一图像尚未扣除所述衰减值时，更新所述衰减值和增益；从第一图像扣除更新后的衰减值并以所述增益放大衰减后的所述第一图像；以及将衰减并放大后的所述第一图像与参考图像进行比对以求得位移量。
2. 根据权利要求1所述的图像处理方法，该图像处理方法还包括下列步骤 当所述平均亮度不处于所述第一阈值与第二阈值之间时，改变所述位移检测装置的所 述曝光参数；以及比对所述第一图像与所述参考图像以求得位移量。
3. 根据权利要求1所述的图像处理方法，该图像处理方法还包括下列步骤当所述第 一图像已扣除所述衰减值时，比对所述第一图像与所述参考图像以求得位移量。
4. 根据权利要求1所述的图像处理方法，其中所述参考图像为所述位移检测装置所获 取的所述第一图像的前一张图像。
5. 根据权利要求1所述的图像处理方法，其中在256灰阶范围内，所述第一阈值为64 且所述第二阈值为128。
6. 根据权利要求1所述的图像处理方法，该图像处理方法还包括下列步骤将所述位 移量传输至图像显示装置。
7. 根据权利要求1所述的图像处理方法，其中以所述增益放大衰减后的所述第一图像 的步骤中，所述增益为线性增益或非线性增益。
8. 根据权利要求1所述的图像处理方法，其中在比对衰减并放大后的所述第一图像与 所述参考图像之前，还包括下列步骤将衰减并放大后的所述第一图像数字化。
9. 根据权利要求8所述的图像处理方法，其中所述数字化的方式可以为线性或非线性。
10. —种位移检测装置，该位移检测装置包括图像传感器，用于获取表面的图像以形成模拟图像，其中所述模拟图像具有平均亮度；数字/模拟单元，用于产生衰减值；加法单元，耦合所述图像传感器和所述数字/模拟单元，用于从所述模拟图像扣除所 述衰减值；放大器，放大衰减后的模拟图像；模拟/数字单元，将衰减并放大后的所述模拟图像数字化；以及数字信号处理器，比对数字化后的所述模拟图像与参考图像以形成位移量，并控制所 述数字/模拟单元产生所述衰减值。
11. 根据权利要求io所述的位移检测装置，该位移检测装置还包括传输接口单元，该传输接口单元用于将所述位移量传输至图像显示装置。
12. 根据权利要求IO所述的位移检测装置，其中所述放大器为线性放大器或非线性放 大器。
13. 根据权利要求10所述的位移检测装置，其中所述模拟/数字单元为线性或非线性 模拟/数字单元。
14. 根据权利要求IO所述的位移检测装置，该位移检测装置还包括光源，该光源用于 照明所述表面。
15. —种位移检测装置，该位移检测装置包括图像传感器，用于获取表面的图像以形成模拟图像，其中所述模拟图像具有平均亮度；数字/模拟单元，用于产生衰减值；加法单元，耦合所述图像传感器和所述数字/模拟单元，用于从所述模拟图像扣除所 述衰减值；非线性模拟/数字单元，将衰减后的模拟图像数字化；以及数字信号处理器，比对数字化后的所述模拟图像与参考图像以形成位移量，并控制所 述数字/模拟单元产生所述衰减值。
16. 根据权利要求15所述的位移检测装置，该位移检测装置还包括传输接口单元，该 传输接口单元用于将所述位移量传输至图像显示装置。
全文摘要
一种位移检测装置的图像处理方法，该方法包括下列步骤获取第一图像并求出所述第一图像的平均亮度；判断所述平均亮度是否处于第一阈值与第二阈值之间；当所述平均亮度处于所述第一阈值与第二阈值之间时，判断所述第一图像是否已扣除衰减值；当所述第一图像尚未扣除所述衰减值时，更新所述衰减值和增益；从第一图像扣除更新后的衰减值并以所述增益放大衰减后的所述第一图像；以及将衰减并放大后的所述第一图像与参考图像进行比对以求得位移量。本发明还提供一种位移检测装置。
文档编号G06F3/033GK101763175SQ20081018940
公开日2010年6月30日 申请日期2008年12月23日 优先权日2008年12月23日
发明者苏宗敏, 赵子毅, 陈信嘉 申请人:原相科技股份有限公司