专利名称：运动图像位移检测方法及装置、光电鼠标的制作方法
技术领域：
本发明涉及以运动图像为分析对象的电数字数据处理技术，尤其涉及用于光电鼠标领域的运动位移检测的数据处理方法及装置。
背景技术：
作为当前鼠标界的主流，光电鼠标所采用的发光二极管定位方法也成了目前的主流定位方法。
图1示意了光电鼠标的内部结构，包括发光二极管1，来自该发光二极管1的光线被一组光学反射镜2引导并照射往与光电鼠标底部相接触的表面；被该表面反射回的光线一部分经一组光学透镜2'传输到光感应器件3(例如但不限于可输出数字图像信号的微成像器)进行成像。这样，当光电鼠标移动时，其移动轨迹便会被高速“连拍”所记录下来的一组图像所揭示。利用光电鼠标所包括的图像分析器4(可以是基于数字信号处理器DSP 的专用芯片)来分析处理该组图像，即可得出所述移动轨迹。在实际应用中，所述光感应器件3和图像分析器4往往被集成在一颗芯片内。图2示意了光电鼠标的电工作原理，虚线框内示意的是光电鼠标的电结构，具有一连接按键的接口及一连接电脑主机的接口。该电结构包括图像传感器(sensor)，用来采集并将光图像信号转换为电图像信号；该电图像信号被送往模数转换器以转换成数字图像信号，再被送往图像信号处理单元来计算生成鼠标位移矢量；微控制单元通过电连接来控制包括图像传感器、模数转换器或图像信号处理单元在内的各电路模块，及接收来自各电路模块的状态信号；来自图像信号处理单元的位移矢量数据和来自鼠标按键的按键信息通过该微控制单元一起打包发送给电脑主机。所述微成像器至少包括了图像传感器和模数转换器。图像信号处理单元可以采用专用的一颗芯片，或者与微控制单元一起集成在一颗芯片内。图3示意了所述鼠标位移矢量。假设a、b为对应先后时间的两帧图像，三角形代表图像上的同一特征点，则图像信号处理单元通过提取所述特征点和分析其位置变化来判断鼠标的移动方向和移动距离。图c示意了特征点位置变化所计算得出的ΔΧ，ΔΥ，唯一地对应于鼠标位移矢量，从而完成光标定位。现有定位方法大多采用基于相关匹配的插值算法来获取鼠标的运动矢量，如图4所示，可以通过在下一帧(如图b)中寻找与当前帧(如图a)特征点最佳匹配的位置来获得当前的位移矢量(如图c)，其中图d示意了一个3*3像素的模板，可以以该模板为单元在图像区域中寻找最佳匹配。该方法具有性能稳定的优点， 但由于插值算法的局限性，无法有效获得亚像素大小的精度。为了获得较高的运动精度，现有技术进一步将计算区域光流的方法用于鼠标定位，以获得高达1/4像素以上的精度。该方法先对图像上的像素建立超定二元光流方程，通过该方程来求解获得单个像素的运动矢量，并用最小二乘法来拟合出多个像素的运动矢量均值，即鼠标的位移向量。为了简化对该方法的描述，图5把来自光感应器件的图像信号简化成一维信号为例进行示意。设曲线A为t时刻信号，曲线B为t+ Δ t时刻信号；假定在t 时刻，χ位置的信号幅度值为f (x, t)；在t+ Δ t时刻，χ+Δχ位置的信号幅度值为f (χ+ Δ χ， t+At)。如果信号在t时间内移动了 Δ χ距离，那么在不考虑其它干扰的情况下，可以知道
f (χ+Δχ, t+At) = f (χ, t)对上式左边作泰勒展开得
权利要求
1. 一种运动图像位移检测方法，用于分析具有时间关系的图像序列以确定采集该图像序列时光感应器件相对于物体的运动轨迹，包括步骤A.图像信号处理单元按时间顺序接收所述图像序列；其特征在于所述图像序列包括三帧或三帧以上的图像；还包括步骤B.基于所述图像序列，依次对各当前图像进行数据处理，依据与该当前图像相对应的差分图像上的各像素进行计算，按下列公式计算并输出与当前图像对应的位移矢量(ux，uy)
2.根据权利要求1所述的运动图像位移检测方法，其特征在于，还包括步骤C.根据步骤B中的各位移矢量及其对应图像间的时间间隔来拟合出所述运动轨迹。
3.根据权利要求1所述的运动图像位移检测方法，其特征在于，所述步骤B具体为包括步骤①根据所述图像序列来产生差分图像序列，即把该图像序列中的一帧后帧图像数据减去当前帧图像数据后作为当前帧的差分图像数据，再设定该后帧图像数据为当前帧图像数据，......依此类推直到获得两帧或两帧以上的差分图像来构成所述差分图像序列；②利用当前差分图像及其一后帧差分图像来计算当前差分图像中每一像素的所述空间导数Dx，Dy和时间导数Dt;③通过两两相乘来运算得到所述公式中的各中间系数仏2，Di，DxDy，DxDt‘DyDt ；④在当前差分图像范围内计算所述公式中的各中间系数的累加和；并进而计算得到所述位移矢量(ux，uy)。
4.根据权利要求1所述的运动图像位移检测方法，其特征在于，所述步骤B具体为包括步骤①根据所述图像序列利用当前图像及其一后帧图像来计算获得当前图像中每一像素的空间导数Ix，Iy和时间导数It;②把一后帧图像中各像素的空间导数Ix，Iy和时间导数It减去当前帧图像中相应像素的空间导数和时间导数，来产生与当前图像相对应的差分图像的每一像素的所述空间导数 Dx, Dy和时间导数Dt ；③通过两两相乘来运算得到所述公式中的各中间系数Α2，^> ，DxDy，DxDt‘DyDt ；④在当前差分图像范围内计算所述公式中的各中间系数的累加和；并进而计算得到所述位移矢量(ux，uy)。
5.根据权利要求3或4所述的运动图像位移检测方法，其特征在于所述后帧图像或者为所述图像序列中当前图像的下一帧图像，或者为所述图像序列中当前图像的下若干帧图像。
6.根据权利要求1所述的运动图像位移检测方法，其特征在于步骤B对各当前图像进行数据处理时，处理区域最大为图像区域的可求导数的最大相关区域。
7. —种运动图像位移检测装置，用于光电鼠标；包括一个用来接收数字图像信号的数据接口以及一个数据输出口 ；其特征在于还包括串连连接的差分处理模块及求导处理模块，来自所述数据接口的数字图像信号经差分处理模块以帧为单位进行帧间数据的差分运算及求导处理模块的求导运算后，输出与当前帧图像相对应的差分图像的每一像素的空间导数Dx，Dy和时间导数Dt 送往全局运算模块，分别计算该图像预定范围内所有像素的各个中间系数D〗，ii，DxDy， DxDt' DvDt的累加和；该全局运算模块输出这些累加和往位移矢量计算单元，以按公式
8.根据权利要求7所述的运动图像位移检测装置，其特征在于还包括两个相串连的帧延迟器或帧缓存存储器，连接所述数据接口，将所述数字图像信号以帧为单位进行分离；令远离所述数据接口的第二帧延迟器或第二帧缓存存储器输出当前帧图像数据，则第一帧延迟器或第一帧缓存存储器输出的是该当前帧的一后帧图像的数据，所述数据接口同时输出的是该后帧图像的一后帧图像的数据，这三帧图像数据同时输出往差分处理模块和求导处理模块的串连支路。
9.根据权利要求8所述的运动图像位移检测装置，其特征在于所述差分处理模块串连在所述数据接口和求导处理模块之间，所述第二帧延迟器/帧缓存存储器和第一帧延迟器/帧缓存存储器分别提供一路输出送往所述差分处理模块进行帧间差分，从而该差分处理模块同时产生两帧差分图像数据送往所述求导处理模块。
10.根据权利要求8所述的运动图像位移检测装置，其特征在于所述求导处理模块串连在所述数据接口和差分处理模块之间，所述第二帧延迟器/帧缓存存储器和第一帧延迟器/帧缓存存储器分别提供一路输出送往所述求导处理模块，从而该求导处理模块同时产生两帧空间导数Ix，Iy和时间导数It送往所述差分处理模块进行帧间差分以获得差分后的空间导数Dx，Dy和时间导数Dt。
11.根据权利要求7所述的运动图像位移检测装置，其特征在于还包括一微控制单元，该微控制单元具有用来接收按键信号的按键接口 ；该微控制单元接收来自所述按键接口的数据和来自所述位移矢量计算单元的位移矢量数据，并将这些数据打包输出往所述数据输出口。
12.一种光电鼠标，包括提供照射光的发光二极管，用来感应被物面反射的照射光并将光信号转换成模拟图像信号的图像传感器，将所述模拟图像信号转换成数字图像信号的模数转换器，以及一个接收所述数字图像信号的图像信号处理单元；还包括一用来电连接电脑主机和鼠标按键的微控制单元，该微控制单元通过电连接来控制所述图像传感器、模数转换器或图像信号处理单元，及接收来自所述图像传感器、模数转换器或图像信号处理单元的状态信号；所述图像信号处理单元的数据输出口连接所述微控制单元；其特征在于 该图像信号处理单元为权利要求7 10中任一项所述的运动图像位移检测装置。
13.根据权利要求12所述的光电鼠标，其特征在于所述图像传感器与所述模数转换器为一体的微成像器，或，所述图像信号处理单元和所述微控制单元被集成在一颗芯片内。
全文摘要
一种运动图像位移检测方法及装置，用于分析具有时间关系的图像序列以确定采集该图像序列过程中光感应器件相对于物体的运动轨迹，可用于光电鼠标。令图像信号处理单元按时间顺序接收所述图像序列；基于所述图像序列，依次对各当前图像进行数据处理，依据与该当前图像相对应的差分图像上的各像素进行二维光流计算处理，采用全局矩阵运算方法来计算并输出与当前图像对应的位移矢量。采用本发明的光电鼠标，导航定位的精确度和检测的稳定性均得到有效提高。
文档编号G06F3/033GK102243537SQ201010176100
公开日2011年11月16日 申请日期2010年5月14日 优先权日2010年5月14日
发明者李冰, 杨智明, 王卓华 申请人:深圳市汇春科技有限公司