专利名称：光学指向装置的图像预处理方法
技术领域：
本发明方法涉及指针或光学指向装置，如鼠标的信号处理方法，特别是一种应用于指针或光学指向装置(如光学鼠标)的图像传感信号的预处理方法。
背景技术：
随着电脑的普及应用和快速发展，指针或光学指向装置，如鼠标的发展也日新月异，现在普遍使用的光学鼠标便是大大优于传统的机械鼠标。光学鼠标的原理是通过鼠标底部的发光装置，如LED灯，照射出粗糙表面所产生的图像或图案，然后再通过平面的折射透过另一块透镜反馈到传感器上。鼠标在平面上移动的时候，传感器会得到连续的图案，然后通过每帧图像进行前后对比分析处理，以判断鼠标的移动方向及距离，从而得到X，Y方向的移动距离，由鼠标的微处理器对这些数值进行处理后，传给电脑主机，从而控制屏幕上光标的移动。
但是，一般的光学鼠标还是存在一些问题，如当不同颜色或是不同材料的桌面反射固定波长的LED光时，灵敏度会有差异，这样使得光学鼠标的接收信号有强有弱，参差不齐。
桌面的粗糙程度不同，使得鼠标感应器采样到的图像对比度差异也比较大，通常光滑的桌面上，采样到的图像对比度很小，灰阶较为集中，不利于后续分析的处理。
同时，在电子开关控制的曝光过程及图像阵列扫描中必然会产生一定的固有噪声和随机噪声，干扰真正的桌面纹理信息。
另外，由于光斑效应造成的光强度的梯度分布一定程度上掩盖了真正的桌面纹理信息，相当于噪声信号，如图5所示的光斑分布示意图。
以上问题都会造成鼠标感应器不能准确地采样到桌面信息，进而反映到计算机桌面上的光标移动也会有偏差，不容易准确，快速地利用鼠标处理信息。
因此，现有一般的光学鼠标需要一种克服噪声，淡化光斑效应，拉伸对比度的处理方法。
发明内容
本发明目的在于提供一种可克服上述缺陷，有效增强对比度、克服噪声及淡化光斑效应的图像预处理方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的一种光学指向装置的图像预处理方法，包括如下步骤步骤一，接收新图像帧；步骤二，取该新图像帧中的若干个像素组成一个矩阵Z，并确定表示其图像帧像素灰度的比特数；步骤三，取上述矩阵Z中的若干像素点作为待处理的像素点，针对每一待处理的像素点为中心取一相关区域矩阵Y，该区域矩阵Y的大小小于矩阵Z；步骤四，计算出当前要处理的像素点的灰度值Alfa以及相关区域矩阵Y内除了该像素点以外的其余像素点的灰度平均值A；步骤五，将|Alfa-A|与一预设值Frate作比较，如果|Alfa-A|大于该预设值Frate，进入步骤六；步骤六，将该像素作信号增强处理；以及步骤七，处理完步骤三中取的所有像素点后结束。
通过本算法处理的图像帧，使得灰阶集中，对比度不强的图像得到对比度拉伸，集中的灰阶得到一定的分散，在直方图上就是由原来集中在均一化值的数值变为较为平展的灰度分布图，即部分更集中为均一化值，部分更远离均一化值。
通过本发明的技术方案，可以实现放大信号，特别是针对暗反射面的非常弱小的信号，可以大幅度地提高图像对比度，同时有利于提高信噪比。
增强信号，特别是针对光滑反射面的对比度非常差的信号，可以大幅度地提高图像的对比度，同时有利于提高信噪比。
减弱光斑效应，光斑效应造成的光的梯度分布掩盖了真正的桌面纹理信息，可视为噪声信号，本算法可以部分地去除噪声，也就一定程度上减弱了光斑效应的影响。
图1是本发明方法的流程图；图2是未经本发明方法处理的图像直方图；图3是经本发明方法处理的图像直方图；图4是经发明方法处理前后的效果图对比；图5是光斑效应的示意图。
具体实施例方式
本发明的实施方式和图示只是表示为了更好的理解本发明，本发明优选的实施方式中具体的数值等数据，并不作为本发明权利要求范围的限定。
请参看图1，图1是本发明方法的流程图。
步骤一接收新图像帧；步骤二取该新图像帧中的若干个像素(或者也可是全部像素)组成一个矩阵Z，预先确定表示其像素灰度的比特数，从而确定其灰度表示范围F-G，并求出该整个矩阵所有像素的平均值，以在需要扩充矩阵Z时以该求出的平均值填充；步骤三取上述矩阵Z中全部像素点，或其中若干像素点处理，以每一像素点为中心，取一相关的区域矩阵Y，一般使该区域矩阵Y的纵横像素点都为奇数，这样使得当前要处理的像素点位于该区域矩阵的中心，且该区域矩阵Y小于矩阵Z。若当前像素点在靠近矩阵Z较为边缘的位置，使得该区域矩阵Y的边界超出矩阵Z的范围时，将上述步骤二求得的平均值作为扩展矩阵Z时的像素填充值；步骤四计算出当前要处理的像素点的灰度值Alfa以及相关区域矩阵Y内除了Alfa以外的其余像素点的灰度平均值A，即A＝其余像素点的灰度值的和/其余像素点个数；步骤五将Alfa-A的绝对值与一预设值Frate作比较，如果|Alfa-A|＞Frate，进入步骤六；步骤六将该像素的信号进一步增强；其中增强的方式有多种，通过下述公式像素灰度＝128+(Alfa-A)*fPower是其中一种方式。诚然，也可以根据实际需要，采取其他类似的增强公式或增强方法。此等变换为该领域的一般技术者能易于思及的。
将增加后的像素信号作一个越界判断，使其灰度值在比特数确定的灰度值范围内，即在F-G范围内，如该像素信号的灰度值小于该范围的最小值，则让其等于该最小值，如该像素信号的灰度值大于该范围的最大值，则让其等于该最大值。诚然，如该像素信号的灰度值小于该范围的最小值时，也可以让其灰度值接近该最小值；如该像素信号的灰度值大于该范围的最大值时，也可以让其灰度值接近该最大值。只要确定其灰度值在比特数确定的灰度值范围内。
步骤六中如果|Alfa-A|＜Frate，则将该像素点的信号归一化为范围F-G的中间灰度值；最后都将该像素点Alfa的值赋给一变量fout；步骤七矩阵Z中每个像素点都处理完后结束。
其中Frate的通常取值大于2，其上限由图像的强度和比特数决定，使得计算得到的像素灰度不越界即可。
在本方法实施中，有一些较优的实施例在第一较优实施例中步骤一为接收新图像帧；步骤二中将得到的图像帧设为16*16个像素的矩阵Z，并确定该灰度数值用一个8比特的数位表示，该8比特的数位能表示的范围为256种，这样灰度就为介于0～255的一个范围；步骤三，针对每个像素点，以该像素为中心，取一个相关的区域矩阵Y，在此实施例中，针对矩阵Z的每一像素点为中心取一个5*5的一个区域矩阵Y。步骤四，将当前处理的像素点的灰度值设为Alfa，将这个像素点去除，其他的24个点的像素值作一个均值计算，得到一个均值A；步骤五，将其与一个预先设定的值Frate作比较，在此实施例中，经实验得到该Frate的值最佳为3，如果Alfa-A的绝对值大于上述设定的值Frate，那就进入步骤六，将该像素点的信号作加强，如上述加强方法就是在中间灰度值的基础上叠加上强信号点的灰阶适量差的Fpower倍，Fpower的通常取值大于2，其上限同Frate，由图像强度及比特数决定。在此实施例中，经实验得到该Fpower最佳为3，即像素灰度＝128+(Alfa-A)*fPower。
如果Alfa-A的绝对值小于该设定的值Frate，就将该像素点Alfa的值归一化为中间灰度级256/2＝128；或邻近128的一个数值。
最后无论是归一化的值还是增强的值都赋给一输出变量。
其中灰度数值用多少个比特的数位表示，其图像帧设为多少个像素的矩阵可根据前期电路及项目来确定最合适的数值。同样以处理的像素点为中心，取相关的区域矩阵的大小也是人为设定比较合适的一个数值，如3*5，5*7等也可，一般取奇数，可达到中心对称取块，即使得当前像素点处于该区域矩阵中心，该区域矩阵大小只要小于该选定的图像帧的矩阵Z即可，中间灰度值在实际实施中可以是在128左右的一个范围，并不完全限定于中间值128。
如上所述，表示灰度情况的比特数不一定是8位，如第二实施例，在步骤二中灰度情况用16位表示，这样16位能表示的范围为216＝65536，这样灰度值就为介于0～65535的一个范围，中间灰度级为32768。得到的图像帧可设为如上第一实施例的16*16，也可设为其它适合的矩阵阵列，在此实施例中设为256*256的一个图像帧矩阵，这样以每个像素点为中心，取一个相关的区域矩阵，该矩阵大小小于上述的256*256的图像帧矩阵即可，在此实施例步骤三中，可针对每个像素点为中心，取一个17*19的一个相关区域矩阵，下面如第一实施例一样处理，步骤四中取当前中心像素点的灰度值设为一变量Alfa，将其余322个点的像素值作一个均值计算，得到一个均值A。
步骤五中如果Alfa-A的绝对值大于一个设定的值Frate，那就进入步骤六，将该像素点的信号作加强，在均一化点的基础上叠加上强信号点的灰阶矢量差的Fpower倍，即32768+(Alfa-A)*Fpower。Frate和Fpower通过实验确定最佳值。
如果Alfa-A的绝对值小于一个设定的值，就将该像素点Alfa的值归一化为中间灰度级32768，或是邻近32768的一个数值；再比如，步骤二中用比特数为9位的表示图像的灰度情况，这样能表示的范围为29＝512，这样灰度值就为介于0～511这样一个范围，中间灰度级为256，步骤三中再设一个合适的相邻区域矩阵如7*9的一个区域矩阵。下面可同上实施例处理，Frate和Fpower的值也是通过实验确定最佳值。
如上的实施例都是本发明方法的流程图的一些优选方案，而非限制性的。
通过上述像素的处理，在一定程度上减弱了光斑效应的影响，提升了对比度，通过本发明方法处理后在直方图上的对比请参见图2-3，其中图2的灰阶较为集中在均一化值，这是不利于后续处理的一种情况。而图3除了原来较靠近中间灰度值的均等于中间灰度值，而其它的远离中间灰度值，在直方图上的体现就是更为平展和分散，大大改善了由于图像灰阶集中而不利于后续算法处理的弊端。
图4是经过本发明方法处理的效果图，可以明显看到经处理过的图像对比度得到拉伸。
因此，通过本发明的技术方案，可以实现放大信号，特别是针对暗反射面的非常弱小的信号，可以大幅度地提高图像对比度，同时有利于提高信噪比。
增强信号，特别是针对光滑反射面的对比度非常差的信号，可以大幅度地提高图像的对比度，同时有利于提高信噪比。
减弱光斑效应，光斑效应造成的光的梯度分布掩盖了真正的桌面纹理信息，可视为噪声信号，本算法可以部分地去除噪声，也就一定程度上减弱了光斑效应的影响。
上文中，参照附图描述了本发明的具体实施方式
。但是，本领域中的普通技术人员能够理解，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，还可以对本发明的具体实施方式
中的具体步骤和业务流程等作各种变更和替换。这些变更和替换都落在本发明权利要求书所限定的范围内。
权利要求
1.一种光学指向装置的图像预处理方法，其特征在于，包括如下步骤步骤一，接收新图像帧；步骤二，取该新图像帧中的若干个像素组成一个矩阵Z，并确定表示其图像帧像素灰度的比特数；步骤三，取上述矩阵Z中的若干像素点作为待处理的像素点，针对每一待处理的像素点为中心取一相关区域矩阵Y，该区域矩阵Y的大小小于矩阵Z；步骤四，计算出当前要处理的像素点的灰度值Alfa以及相关区域矩阵Y内除了该像素点以外的其余像素点的灰度平均值A；步骤五，将|Alfa-A|与一预设值Frate作比较，当|Alfa-A|大于该预设值Frate，进入步骤六；步骤六，将该像素作信号增强处理；以及步骤七，处理完步骤三中取的所有像素点后结束。
2.根据权利要求1所述的光学指向装置的图像预处理方法，其特征在于步骤五中，如果|Alfa-A|小于或等于该预设值Frate，则将该像素的灰度值作归一化处理。
3.根据权利要求2所述的光学指向装置的图像预处理方法，其特征在于归一化的值为中间灰度值，即矩阵Z的灰度值范围的中间值。
4.根据权利要求1中所述的光学指向装置的图像预处理方法，其特征在于步骤三中，当所述区域矩阵Y边界超出矩阵Z的范围的时候，对矩阵Z进行扩展处理。
5.根据权利要求4所述的光学指向装置的图像预处理方法，其特征在于所述矩阵Z所有像素的平均值，作为扩展矩阵Z时的像素灰度填充值。
6.根据权利要求1所述的光学指向装置的图像预处理方法，其特征在于步骤二中的矩阵Z为16*16的矩阵，其像素灰度的比特数为8位，得其灰度表示为256种。
7.根据权利要求6所述的光学指向装置的图像预处理方法，其特征在于该相关区域矩阵Y设为5*5的矩阵。
8.根据权利要求7所述的光学指向装置的图像预处理方法，其特征在于Frate的值大于2。
9.根据权利要求8所述的光学指向装置的图像预处理方法，其特征在于Frate的值为3。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的光学指向装置的图像预处理方法，其特征在于步骤六中将该像素的信号增强的方法为中间灰度值+(Alfa-A)*Fpower，其中Fpower为一预设值。
11.根据权利要求10所述的光学指向装置的图像预处理方法，其特征在于该Fpower的值大于2。
12.根据权利要求11所述的光学指向装置的图像预处理方法，其特征在于该Fpower的值为3。
13.根据权利要求10所述的光学指向装置的图像预处理方法，其特征在于将步骤六中经增强后的像素信号作越界判断，使其灰度值在比特数确定的灰度值范围内，如该像素信号的灰度值小于该范围的最小值，则让其等于该最小值，如该像素信号的灰度值大于该范围的最大值，则让其等于该最大值。
14.根据权利要求1所述的光学指向装置的图像预处理方法，其特征在于将步骤六中经增强后的像素信号作越界判断，使其灰度值在比特数确定的灰度值范围内。
15.根据权利要求14所述的光学指向装置的图像预处理方法，其特征在于如该像素信号的灰度值小于该范围的最小值，则让其等于该最小值，如该像素信号的灰度值大于该范围的最大值，则让其等于该最大值。
全文摘要
本发明光学指向装置的图像预处理方法是将一帧图像中的像素进行逐个处理，以每个当前处理的像素点为中心，取一个纹理相关的小区域，计算出除去该像素点的其余点的均值，再将该均值与该像素点作比较，如果比较差值的绝对值小于等于一个预先设定值，就将该像素点归一化为中间灰度级；反之，如果比较差值大于该预先设定值，就将该像素点进一步增强。通过这种方法，使得灰阶较集中图像的对比度得到拉伸，直方图上的分布也进一步得到平展，有利于后续算法的进行。
文档编号G06F3/033GK101046714SQ20071004000
公开日2007年10月3日 申请日期2007年4月26日 优先权日2007年4月26日
发明者刘建, 侯舒维, 林豹 申请人:埃派克森微电子(上海)有限公司, 埃派克森微电子有限公司