CN101901087B - 基于线性图像传感器的表面定位装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于线性图像传感器的表面定位装置，其包括两个安装在定位表面上方的线性图像传感器模块，以及光源模块，该线性图像传感器模块、光源模块连接有图像运算模块，图像运算模块连接数据传输模块，数据传输模块与计算机相连，该线性图像传感器模块包括线性图像传感器和光学镜头，该图像运算模块包括两个与线性图像传感器模块相对应的模数转换芯片和一个单片机，并且该图像运算模块向线性图像传感器模块提供时钟及控制信号。本发明采用线性图像传感器对定位表面进行拍摄，对拍摄到的线性图像进行计算处理，从而得到触摸坐标，与现有技术相比，体积小、成本低、帧率高。

Description

基于线性图像传感器的表面定位装置及方法

【技术领域】

本发明涉及一种图形用户界面的表面定位触摸装置，具体涉及一种基于线性图像传感器的表面定位装置及采用这种装置的表面定位方法。

【背景技术】

目前表面定位的技术一般是基于红外，方法是在定位表面的一侧发射红外光，在另一侧通过检测红外光是否被阻挡来判定定位表面是否发生触摸事件并定位触摸坐标。这种方法的缺点是，帧率较低，且安装调试复杂。由于红外发射管、接收管的物理性质决定其不能工作在很高的频率，决定了红外表面定位方法帧率无法提高。而且，红外接收管要接收到红外发射管发射的红外光，在安装时必须每对红外管管都精确对准，导致了安装调试的工艺比较复杂。

为了解决红外表面定位技术的缺点，市场上还出现了一种基于图像传感器的表面定位技术。这种技术是通过图像传感器拍摄定位表面的图像，经过图像计算处理后获取触摸信息进行定位。这种技术的优点是帧率比红外表面定位的高，但由于普通图像传感器一般体积比较大，而且工作频率高，需要几十兆赫兹的运行速度，控制时序复杂，需设置的参数很多，导致了这种技术的复杂性，需要比较多的高速外围电路来进行控制与计算才能得到触摸坐标信息。所以，这种装置的体积都比较大，而且成本昂贵。

因此，提供一种帧率高、调试简单、体积小、成本低的表面定位装置实为必要。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种体积小、成本低、帧率高的基于线性图像传感器的表面定位装置及采用这种装置的表面定位方法。

为实现本发明目的，提供以下技术方案：

本发明提供一种基于线性图像传感器的表面定位装置，其包括两个安装在定位表面上方的线性图像传感器模块，以及光源模块，该线性图像传感器模块、光源模块连接有图像运算模块，图像运算模块连接数据传输模块，数据传输模块与计算机相连，该线性图像传感器模块包括线性图像传感器和光学镜头，该图像运算模块包括两个与线性图像传感器模块相对应的模数转换芯片和一个单片机，并且该图像运算模块向线性图像传感器模块提供时钟及控制信号。

所述线性图像传感器模块用于采集定位表面图像，并把图像数据传输到所述图像运算模块，图像运算模块对图像进行计算，获得定位表面的触摸坐标后，通过所述数据传输模块传到计算机，计算机根据触摸坐标可相应地动作。

所述线性图像传感器模块在图像运算模块的控制下，把视频图像信号传输给图像运算模块。所述图像运算模块是整个系统的核心部分，由两个模数转换芯片及一个单片机组成。所述每个线性图像传感器模块对应一个模数转换芯片，所述线性图像传感器模块输出的视频图像信号为模拟信号，模数转换芯片的功能就是把模拟信号的视频图像转换为数字信号，并传输给单片机进行运算。所述图像运算模块中的单片机功能还包括提供所述线性图像传感器模块的工作时钟和控制信号。

所述图像运算模块主要实现原始图像数据传输、二值化图像数据传输、坐标计算功能。在原始图像传输模式下，所述图像运算模块在读取每路经过模数转换芯片转换为数字信号的视频图像数据后，把图像数据通过数据传输模块传输给计算机。在二值化图像传输模式下，所述图像运算模块在读取每路经过模数转换芯片转换为数字信号的视频图像数据后，先对图像数据进行二值化处理，然后把二值化后的图像数据通过数据传输模块传输给计算机。在坐标计算模式下，所述图像运算模块读取每路经过模数转换芯片转换为数字信号的视频图像数据，图像数据经过运算后，把计算得到的触摸点坐标数据通过所述数据传输模块传输给计算机。

所述光学镜头为视角大于90°的小型镜头。该线性图像传感器向定位表面内斜向安装，使两个线性图像传感器的拍摄面能拍摄到整个定位表面，该线性图像传感器的安装角度根据实际应用情况设置，较佳的，该线性图像传感器向定位表面内斜向45度安装。

所述数据传输模块功能为RS232协议转换，即把单片机输出的坐标数据转换为RS232协议发送给计算机。所述数据传输模块由一片RS232芯片及其外围电路组成。

所述光源模块由若干个红外LED组成，为线性图像传感器拍摄提供照明光源。所述光源模块安装在定位表面的上方，向下发射红外光。为了防止红外光在无触摸时发生反射，需要在定位表面的除光源模块所在的其余三方均贴上深色吸光材料，如光源模块置于定位表面上方，则需要在定位表面的左右及下方分别贴上深色吸光材料。

本发明还提供一种采用所述的基于线性图像传感器的表面定位装置的表面定位方法，其包括如下步骤：

第一步，设定线性图像传感器的拍摄有效区域，使线性图像传感器的拍摄有效区域刚好能覆盖整个定位表面。

进一步的，设定拍摄有效区域的方法是：先设置图像运算模块工作于原始图像数据传输模式，用触摸笔分别触摸定位表面的四个角，根据线性图像传感器拍摄到的定位表面的边缘的位置，由计算机软件通过RS232设置拍摄有效区域，单片机接收到设置拍摄有效区域命令后把参数保存在非易失性存储器中。

第二步，线性图像传感器拍摄到整个定位表面的图像，经模数转换后把数据传给单片机，根据第一步设定的拍摄有效区域，单片机先把拍摄有效区域外的数据丢弃，然后对拍摄有效区域内的图像数据进行二值化处理。

进一步的，二值化处理的方法是：设定一个阈值，当图像数据大于或等于阈值时认为该点为亮点，图像数据置换为FFH，当图像数据小于阈值时认为该点为暗点，图像数据置换为00H。

设置阈值大小时，先设置图像运算模块工作于二值化图像传输模式，在无触摸事件发生的情况下，调整阈值的大小，保证拍摄有效区域图像亮度值均小于阈值；然后在定位表面的边缘分别用触摸笔触摸定位表面，调整阈值大小，保证触摸笔位置图像亮度值大于阈值。

所述设置阈值大小的方法是由计算机软件通过RS232进行设置，单片机收到设置阈值大小命令后把参数保存在非易失性存储器中。

第三步，单片机对二值化后的数据流进行分析，找出图像数据中的亮斑，即值为FFH的数据，如果数据流中没有FFH，认为无触摸事件发生；如果数据中存在FFH，该数据在图像中的坐标即认为是触摸笔位置，连续的FFH数据认为是一个亮斑，即一个触摸点，亮斑中心的坐标认为是触摸笔的位置；

第四步，当第三步检测到有触摸事件发生后，单片机把触摸笔的坐标发送给计算机，由计算机进行进一步计算，从而获得触摸笔在定位表面的位置。

对比现有技术，本发明具有以下优点：

本发明采用线性图像传感器对定位表面进行拍摄，对拍摄到的线性图像进行计算处理，从而得到触摸坐标。与普通图像传感器不同，线性图像传感器只拍摄一行图像，所以不需要很高的运行速度即可满足较高的帧率要求，一般不到1MHz的运行速度即可达到超过150Hz以上的帧率，满足高帧率要求的同时，避免了采用昂贵的高速外围电路进行采样与计算。而且，线性图像传感器体积小，对安装空间要求比较低，为安装提供了很大的方便。核心处理部分，只需采用廉价的单片机即可满足处理要求，成本较低。

【附图说明】

图1是本发明表面定位装置的结构示意图；

图2是触摸事件发生时光线反射示意图；

图3是触摸事件发生时两个摄像头拍摄到图像的原始图像示意图；

图4是触摸事件发生时两个摄像头拍摄到图像的二值化图像示意图；

图5是触摸点坐标计算示意图。

【具体实施方式】

如图1所示，是本发明基于线性图像传感器的表面定位装置结构示意图。

两个线性图像传感器分别安装在定位表面的左上角与右上角，左上角的线性图像传感器1斜向右下方45°安装，右上角的线性图像传感器2斜向左下方45°安装，使两个线性图像传感器的拍摄面能拍摄到整个定位表面。定位表面左侧表面、右侧表面与下方表面贴上深色吸光材料，防止红外光在无触摸事件时发生光线反射。

当定位表面无触摸事件发生时，红外光源发出的红外光被深色吸光材料吸收，红外光不能反射到线性图像传感器，所以，线性图像传感器此时拍摄到的图像为一条亮度值比较低的暗线。

当定位表面有触摸事件发生时，红外光源发出的红外光照射到触摸笔后发生发射，红外光反射到线性图像传感器，所以，线性图像传感器此时拍摄到的图像中，触摸笔位置的亮度值远高于其它位置。图2是发生触摸事件时光线反射示意图，图3为线性图像传感器在发送触摸事件时拍摄到原始图像示意图，图4为线性图像传感器在发送触摸事件时拍摄到二值化图像示意图。

基于上述原理，触摸坐标计算实施方式如下所述：

第一步，设定线性图像传感器的拍摄有效区域，使线性图像传感器的拍摄有效区域刚好能覆盖整个定位表面。

进一步的，设定拍摄有效区域时，先设置图像运算模块工作于原始图像数据传输模式，此时计算机端通过软件能看到线性图像传感器拍摄到的图像画面。用触摸笔分别触摸定位表面的四个角，触摸笔反射红外光到线性图像传感器中，在图像中表现为亮斑，此时，触摸笔在右上角和左下角时的亮斑位置就是左上方线性图像传感器拍摄到的定位表面的边缘，同样的，触摸笔在左上角和右下角时的亮斑位置就是右上方线性图像传感器拍摄到的定位表面的边缘，然后根据边缘的位置，由计算机软件通过RS232设置拍摄有效区域，单片机接收到设置拍摄有效区域命令后把参数保存在非易失性存储器(如EEPROM、flash等)中。当系统启动时，单片机自动读取该参数并对拍摄有效区域进行设置。

第二步，线性图像传感器拍摄到整个定位表面的图像，经模数转换后把数据传给单片机，根据第一步设定的拍摄有效区域，单片机先把拍摄有效区域外的数据丢弃，然后对拍摄有效区域内的图像数据进行二值化处理。

进一步的，二值化处理的方法是，设定一个阈值，当图像数据大于或等于阈值时认为该点为亮点，图像数据置换为FFH，当图像数据小于阈值时认为该点为暗点，图像数据置换为00H。二值化处理后，图像数据变成只有FFH与00H两个值的数据流。

进一步的，设置阈值大小时，先设置图像运算模块工作于二值化图像传输模式，此时，计算机端可通过软件查看到线性图像传感器拍摄到的黑白图像。在无触摸事件发生的情况下，调整阈值的大小，保证拍摄有效区域图像为全黑画面，即拍摄有效区域图像亮度值均小于阈值。然后在定位表面的边缘分别用触摸笔触摸定位表面，调整阈值大小，保证黑白图像中触摸笔位置为白色图像，即触摸笔位置图像亮度值大于阈值。调整完成后，保证在无触摸事件发生时图像为黑色，在有触摸事件发生时，触摸笔图像为白色，其余位置图像为黑色。

进一步的，设置阈值大小的方法是由计算机软件通过RS232进行设置，单片机收到设置阈值大小命令后把参数保存在非易失性存储器中。当系统启动时，单片机自动读取该参数并对阈值进行设置。

第三步，单片机对二值化后的数据流进行分析，找出图像数据中的亮斑，即值为FFH的数据，如果数据流中没有FFH，认为无触摸事件发生；如果数据中存在FFH，该数据在图像中的坐标即认为是触摸笔位置，连续的FFH数据认为是一个亮斑，即一个触摸点，亮斑中心的坐标认为是触摸笔的位置。

第四步，当第三步检测到有触摸事件发生后，单片机把触摸笔的坐标发送给计算机，由计算机根据触摸笔在图像中的位置进行三角函数计算，从而获得触摸笔在定位表面的位置。进一步的，三角函数计算方法如下：

假设触摸点在线性图像传感器1中的位置为P₁，在线性图像传感器2中的位置为P₂，线性图像传感器分辨率为R，定位表面宽度为W，这四个参数均为已知参数，其中P₁、P₂是第三步中得到位置坐标。触摸点在定位表面的坐标为(x，y)，x为触摸点距离定位表面左侧面的坐标，y为触摸点距离定位表面顶端的坐标。α为触摸点与线性图像传感器1连接线与定位表面左侧面形成的夹角，β为触摸点与线性图像传感器2连接线与定位表面右侧面形成的夹角，如图5所示。

根据成像的原理，得到以下关系：

α＝90°*(P₁/R)

β＝90°*(1-P₂/R)

根据三角函数的正切函数，可得：

tan(α)＝x/y

tan(β)＝(W-x)/y

由于α、β与W均为已知参数，解方程可得坐标(x，y)。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，本发明的保护范围并不局限于此，任何基于本发明技术方案上的等效变换均属于本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.一种表面定位方法，该方法采用基于线性图像传感器的表面定位装置，该装置包括两个安装在定位表面上方的线性图像传感器模块，以及光源模块，该线性图像传感器模块、光源模块连接有图像运算模块，图像运算模块连接数据传输模块，数据传输模块与计算机相连，该线性图像传感器模块包括线性图像传感器和光学镜头，该图像运算模块包括两个与线性图像传感器模块相对应的模数转换芯片和一个单片机，并且该图像运算模块向线性图像传感器模块提供时钟及控制信号，其特征在于，该表面定位方法包括如下步骤：

第一步，设定线性图像传感器的拍摄有效区域，使线性图像传感器的拍摄有效区域刚好能覆盖整个定位表面；

第二步，线性图像传感器拍摄到整个定位表面的图像，经模数转换后把数据传给单片机，根据第一步设定的拍摄有效区域，单片机先把拍摄有效区域外的数据丢弃，然后对拍摄有效区域内的图像数据进行二值化处理；

第三步，单片机对二值化后的数据流进行分析，找出图像数据中的亮斑，即值为FFH的数据，如果数据流中没有FFH，认为无触摸事件发生；如果数据中存在FFH，该数据在图像中的坐标即认为是触摸笔位置，连续的FFH数据认为是一个亮斑，即一个触摸点，亮斑中心的坐标认为是触摸笔的位置；

第四步，当第三步检测到有触摸事件发生后，单片机把触摸笔的坐标发送给计算机，由计算机进行进一步计算，从而获得触摸笔在定位表面的位置。

2.如权利要求1所述的表面定位方法，其特征在于，所述第一步骤设定拍摄有效区域的方法是：先设置图像运算模块工作于原始图像数据传输模式，用触摸笔分别触摸定位表面的四个角，根据线性图像传感器拍摄到的定位表面的边缘的位置，由计算机软件通过RS232设置拍摄有效区域，单片机接收到设置拍摄有效区域命令后把参数保存在非易失性存储器中。

3.如权利要求1所述的表面定位方法，其特征在于，所述第二步骤中二值化处理的方法是：设定一个阈值，当图像数据大于或等于阈值时认为该点为亮点，图像数据置换为FFH，当图像数据小于阈值时认为该点为暗点，图像数据置换为00H。

4.如权利要求3所述的表面定位方法，其特征在于，所述第二步骤中设置阈值大小时，先设置图像运算模块工作于二值化图像传输模式，在无触摸事件发生的情况下，调整阈值的大小，保证拍摄有效区域图像亮度值均小于阈值；然后在定位表面的边缘分别用触摸笔触摸定位表面，调整阈值大小，保证触摸笔位置图像亮度值大于阈值。

5.如权利要求4所述的表面定位方法，其特征在于，所述设置阈值大小的方法是由计算机软件通过RS232进行设置，单片机收到设置阈值大小命令后把参数保存在非易失性存储器中。

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