专利名称：光学触控屏幕的准确度校正方法
技术领域：
本发明是有关于一种触控屏幕校正方法，且特别是有关于一种光学触控屏幕的准确度校正方法。
背景技术：
随着窗口操作系统Win dows 7的推行，主打多点触控功能的一体成型计算机(All-in-one PC, AIO PC)已经渐渐成为市场上的主流趋势。在以往使用的电阻式、电容式、背投影式的触控屏幕中，以电容式触控屏幕的触控效果最好，但其成本也最为昂贵且会随着屏幕尺寸的变大而增加，连带使得其经济效益越显得不足。为寻求电容式触控屏幕的替代方案，目前有提出一种利用感光元件或光学镜头检测触碰位置的光学式触控屏幕，其优点为成本低、准确度佳，在竞争的市场中更具有优势，目前也已成为大尺寸触控屏幕的另外一种选择。光学式触控屏幕大多使用多个感光(light-sensitive)元件或光学镜头检测手指遮断反射光，并将各元件所检测到的信息转换为屏幕上的坐标位置，而进行实现手指的触控功能。其中，光学式触控屏幕一般是采用线性系统，而使用线性的坐标转换方式，将所检测到的信息转换为坐标位置。然而，当实际情况为非线性系统时，就会产生以下情况在两点之间的连线会有无限多种可能，如图I所示的点Pl与点P2之间的连线。此时，若仍使用已知的内插法来建立转换模型，则容易造成计算误差，其转换结果往往无法切实符合实际需求。
发明内容
本发明提供一种光学触控屏幕的准确度校正方法，利用非线性函数转换触碰光学触控屏幕的触控物的位置信息，可获得较准确的转换结果。本发明提出一种光学触控屏幕的准确度校正方法，用于具有第一镜头及第二镜头的光学触控屏幕，其中第一镜头及第二镜头配置于光学触控屏幕的同一侧且朝向光学触控屏幕的另一侧。此方法是利用一触控物触碰光学触控屏幕上多个控制点(Control Point,CP)其中之一，并分别利用第一镜头及第二镜头拍摄第一图像及第二图像。接着，分别检测此触控物在第一图像及第二图像中出现的第一位置及第二位置。然后，移动触控物以触碰光学触控屏幕的其它控制点，并重复上述步骤以求得触控物触碰各个控制点时，触控物在所拍摄第一图像及第二图像中出现的第一位置及第二位置。之后，将触控物触碰各个控制点所求得的第一位置及第二位置代入一个非线性转换函数，以计算系统转换所使用的权重矩阵，其中此非线性转换函数包括由仿射转换函数及放射基底函数组合而成。最后，当触控物触碰光学触控屏幕的触碰点时，检测触控物触碰光学触控屏幕的触碰位置并使用权重矩阵及非线性转换函数将触碰位置转换为光学触控屏幕的屏幕坐标。在本发明的一实施例中，上述将触控物触碰各个控制点所求得的第一位置及第二位置代入非线性转换函数，以计算系统转换所使用的权重矩阵的步骤包括利用各个控制点在光学触控屏幕上的位置所对应的空间坐标形成一个空间位置矩阵，接着将各个控制点的第一位置及第二位置作为图像位置坐标代入仿射转换函数，以形成一个图像位置矩阵。然后，计算两两控制点之间的距离，并代入放射基底函数，以形成一个放射基底矩阵。最后，将空间位置矩阵、图像位置矩阵及放射基底矩阵代入非线性转换函数，以求取权重矩阵。在本发明的一实施例中，上述检测触控物触碰光学触控屏幕的触碰位置并使用权重矩阵及非线性转换函数将触碰位置转换为光学触控屏幕的屏幕坐标的步骤包括分别利用第一镜头及第二镜头拍摄第一图像及第二图像，并分别检测触控物在第一图像及第二图像中出现的第一位置及第二位置以作为触碰位置。接着，将此触碰位置作为图像位置坐标代入仿射转换函数，以形成一个图像位置矩阵。然后，计算触碰点与各个控制点之间的距离，并代入放射基底函数，以形成一个放射基底矩阵。最后，将图像位置矩阵、放射基底矩阵及所计算的权重矩阵代入非线性转换函数，以将触碰位置转换为光学触控屏幕的屏幕坐 标。在本发明的一实施例中，上述的放射基底函数包括高斯函数、二次多变函数、多谐曲线函数或细版曲线函数。在本发明的一实施例中，上述的放射基底函数为任两个取样点间的距离的对数值与距离的η次方的乘积，其中所述取样点包括控制点或触碰点，且η为正整数。在本发明的一实施例中，上述的第一镜头及该第二镜头被配置于光学触控屏幕同一侧的两个角落。在本发明的一实施例中，上述的光学触控屏幕还包括第三镜头及第四镜头，其中第一镜头及第二镜头被配置于光学触控屏幕的上半部的两个角落，用以检测并校正触控物触碰光学触控屏幕的下半部的触碰位置；第三镜头及第四镜头则配置于光学触控屏幕的下半部的两个角落，用以检测并校正触控物触碰光学触控屏幕的上半部的触碰位置。在本发明的一实施例中，上述的控制点是分布于光学触控屏幕的边缘区域及中央区域，且这些控制点分布在边缘区域中的密度大于分布在中央区域的密度。在本发明的一实施例中，上述分别检测触控物在第一图像及第二图像中出现的第一位置及第二位置的步骤包括识别在第一图像及第二图像中出现的触控物，而取触控物在第一图像及第二图像的一横轴方向上的坐标值作为第一位置及第二位置。在本发明的一实施例中，上述识别在第一图像及第二图像中出现的触控物的步骤包括对第一图像及第二图像进行图像处理以识别触控物，所述图像处理包括旋转、平移、剪力变形其中之一或其组合。基于上述，本发明的光学触控屏幕的准确度校正方法是利用放射基底函数的非线性转换特性来涵括光学触控屏幕所检测的触碰位置的形变，使得光学触控屏幕进行坐标转换后的结果能够符合实际需求，而不会造成过大的误差。为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图式作详细说明如下。
图I是已知非线性系统中两点之间连线的范例。图2是依照本发明一实施例所绘示的使用细版曲线函数作为转换模型转换坐标的范例。图3是依照本发明一实施例所绘示的光学触控屏幕的示意图。图4则是依照本发明一实施例所绘示的准确度校正方法的流程图。图5A及图5B是依照本发明一实施例所绘示的控制点的配置图。图6A及图6B是依照本发明一实施例所绘示的使用细版曲线函数作为转换模型转换坐标的范例。图7则是依照本发明一实施 例所绘示的权重矩阵计算方法的流程图。图8则是依照本发明一实施例所绘示的坐标转换方法的流程图。图9是依照本发明一实施例所绘示的光学触控屏幕的示意图。[主要元件标号说明]300,500 :光学触控屏幕310 :第一镜头320 :第二镜头510 :边缘区域520:中央区域610 :左边输入图像620 :右边输入图像S402 S414 :本发明一实施例的准确度校正方法的各步骤S702 S708 :本发明一实施例的权重矩阵计算方法的各步骤S802 S810 :本发明一实施例的坐标转换方法的各步骤
具体实施例方式光学触控技术主要的运作原理是通过多组光学元件读取触控物在图像上的位置，进而通过不同的方法，转换为屏幕上的坐标，而实现光学触控。本发明假设光学触控屏幕为非线性系统，将一个适用于大范围与小范围形变的放射基底函数应用于光学触控屏幕的坐标转换，藉以取得较理想的转换结果。其中，本发明将基本线性转换所使用的仿射转换(affine transform)函数加上一个非线性的放射基底函数(radial basis function,RBF)，藉以对非线性转换有一个盖括的描述。上述的放射(radial)是一个很重要的概念，其表示每个触碰位置都是一个放射函数，且都可以根据周遭其它点的变形而做改变，这样的特性更符合非线性转换的特性。非线性转换函数F(u，v)的基本型表示如下
NF(u, v) = a0 +auu + avv + ^ crg((u, v), (U1, Vi))
口1(I)其中，(u, v)代表触碰点的位置坐标，(UyVi)代表控制点i的位置坐标,Ci代表权重系数，g((u, V), (Ui, Vi))代表触碰点与控制点i的距离，N代表控制点数量，a0> au、av代表仿射转换函数的系数值。另一方面，放射基底函数有以下几种不同基底函数可供选择I.高斯(Gaussian)函数φ{γ) = exp(-y^r2) ，β > O⑵2. 二次多变(Multiquadric)函数
φ{τ、= 士2 + β2 ，β > O(3)3.多谐曲线(Polyharmonic spline)函数φ(τ) = rk ,k = 1,3,5, . . . (4)φ{τ) = rk ln(r)，k = 2,4,6,··· (5)4.细版曲线(Thin plate spline，TPS)函数p(r) = 土r” ln(r) ,n = 1,2,3,... (6)其中，经过实际测试，细版曲线函数较其它放射基底函数适合用于图像对位或坐 标转换的任务，因此以下实施例也是以细版曲线函数为例做说明，惟其它不同形态的细版曲线函数或是其它种类的放射基底函数亦适用于本发明，而不限于此。图2是依照本发明一实施例所绘示的使用细版曲线函数作为转换模型转换坐标的范例。请参照图2，使用细版曲线函数作为转换模型的优点为可保证已校正过的控制点(例如控制点Pl及P2)可正确转换于所检测的触碰位置与实际屏幕坐标之间，至于控制点之外的其它各个触碰点(例如触碰点P3)，也会因为受到已校正的控制点Pl及P2的影响，不会有过大的误差，也符合本系统为非线性系统的假设。图3是依照本发明一实施例所绘示的光学触控屏幕的示意图，图4则是依照本发明一实施例所绘示的准确度校正方法的流程图。请同时参照图3及图4，本实施例的准确度校正方法适用于具有第一镜头310及第二镜头320的光学触控屏幕300,第一镜头310及第二镜头320是配置于光学触控屏幕300的同一侧(例如上侧的左右两个角落)，且朝向光学触控屏幕300的另一侧(即下侧的两个对角)。以下则搭配图3中的各项元件说明准确度校正方法的详细步骤首先，利用触控物触碰光学触控屏幕300上的多个控制点其中之一(步骤S402)，然后分别利用第一镜头310及第二镜头320拍摄第一图像及第二图像(步骤S404)。其中，控制点的数量及位置可依光学触控屏幕300的物理特性配置于光学触控屏幕300上的特定位置，藉以校正光学触控屏幕300所识别的触碰位置。举例来说，图5A及图5B是依照本发明一实施例所绘示的控制点的配置图。其中，图5A是绘示5个控制点的配置范例，其中控制点P1 P5被分别配置于光学触控屏幕500的左上、右上、左下、右下以及中央区域的中央点，藉以涵括整个光学触控屏幕500的显示范围。另一方面，图5B是绘示100个控制点的配置范例，其中由于光学触控屏幕500的特性是中央区域的准确性较高、边缘区域的准确性较低，因此较佳的做法是将光学触控屏幕500区分为边缘区域510及中央区域520来配置控制点，使得分布在边缘区域510的控制点的密度大于分布在中央区域520的控制点的密度，藉以获得最佳的校正效果。接着，分别检测触控物在第一图像及第二图像中出现的第一位置及第二位置(步骤S406)，其例如可先对第一图像及第二图像进行旋转、平移、剪力变形等图像处理，藉以识别出触控物，然后再取触控物在第一图像及第二图像的横轴方向(即X轴方向)上的坐标值来作为第一位置及第二位置。在经由图像处理与物体检测之后，即可得知触控物在左右两张图像的坐标位置，然而因为光学系统是通过多个光学元件来检测触控物，故感兴趣的仅为触控物在图像上的横坐标(即X坐标)值。据此，本实施例即将在第二图像及第一图像中检测到的触控物的X坐标值分别订为U与V，而将触控物经由摄影机拍摄图像的坐标定为P (U，V)，转换后在屏幕上坐标则定为P(x，y)，u为第二图像所读取到的触控物的X坐标值，V为第一图像所读到的触控物的X坐标值。举例来说，图6A及图6B是依照本发明一实施例所绘示的使用细版曲线函数作为转换模型转换坐标的范例。请参照图6A及图6B，本实施例假设两个镜头所拍摄的第一图像及第二图像的宽度为640像素(pixel),而因为所需的信息仅止于触控物在x轴方向的坐标值，故由图6A所绘示的第二图像610中可检测到触碰物(在此为手指)位于第520个像素的位置，而可将触控物的位置P (U，V)中的u设为520。接着，由图6B所绘示的第一图像620中可检测到触碰物(在此为手指)位 于第300个像素的位置，而可将触控物的位置P (U，V)中的V设为300。最后将两者合并，即可得到触控物的触碰位置P (U，V) = (520,300).需说明的是，每当完成一个控制点的检测后，即判断是否还有其它控制点未检测(步骤S408)。其中，若还有其它控制点未检测，则可移动触控物以触碰光学触控屏幕300的其它控制点(步骤S410)，并回到步骤S404，重复执行步骤S404及S406，以求得触控物触碰各个控制点时，触控物在所拍摄第一图像及第二图像中出现的第一位置及第二位置。在步骤S408中，若判断所有的控制点均已完成检测，则可将触控物触碰各个控制点所求得的第一位置及第二位置代入一个非线性转换函数，以计算系统转换所使用的权重矩阵(步骤S412)。其中，所述的非线性转换函数例如是由仿射变换(affine transform)函数及放射基底函数(radial basis function, RBF)组合而成,而放射基底函数又可分为高斯函数、二次多变函数、多谐曲线函数及细版曲线函数，在此不设限。详言之，在系统坐标的转换上，本实施例考虑光学触控屏幕300的系统坐标为非线性转换，因此使用细版曲线函数。此细版曲线函数的定义为任两个取样点间的距离的对数值与距离的η次方的乘积，其中η为正整数，以下仅以η = I为例做说明，但不限制其范围。当η = I时，细版曲线函数U的数学模型为U = -rlnr(7)其中，r为两个控制点的距离或是触碰点与控制点的距离。另一方面，本实施例的触控物经由摄影机拍摄图像的坐标p(u，V)与屏幕坐标P(X，y)之间的坐标转换公式如下P(x，y) = aQ+auu + avv + YJwU (p(u, v\ p(uc，vc))
all(8)其中，u为第二图像所读取到的触控物的X坐标值，V为第一图像所读到的触控物的X坐标值,a0>au>av为仿射转换函数的系数值。本实施例计算触控物坐标P (u, v)与控制点坐标P(ue，v。)之间的距离，并将此距离分别代入细版曲线函数U并相乘对应权重系数w，将其总和相加便为基底函数项计算结果。与仿射函数项(即afauU+a^)相加，最终获得所求的屏幕坐标P(x，y)。上述的转换公式⑶若将其延伸至光学触控屏幕300中的所有控制点Pi (ui； Vi)，其中i = l，2，3...n，而η代表控制点的数目，则上述公式⑶经整理后，可用线性代数表示如下Y = Lff(9)
其中，Y为触碰点的屏幕坐标P(x，y)所形成的空间位置矩阵山为细版曲线函数K与触控物的触碰位置P (U，V)所形成的图像位置矩阵P的组合。其中，K为触控物的触碰位置p(u，v)与各个控制点位置Pi (Ui, Vi)之间的距离代入细版曲线函数U后所形成的细版曲线矩阵，W为系统转换的权重矩阵。详言之，图7则是依照本发明一实施例所绘示的权重矩阵计算方法的流程图。请参照图7，首先利用各个控制点在光学触控屏幕300上的位置所对应的空间坐标P(x，y)形成一个空间位置的转置矩阵Yt (步骤S702)，其公式如下
T X1 X9 O O OYt= 1Λ Λ，2χ( + 3)
A 凡 O O OJ(10)
其中，η代表控制点的数目，将这些控制点在屏幕上的坐标Pi (xi； Yi).代入上述公式(10)，其中i = 1，2，3... n，则可获得维度为(n+3)行及2列的转置矩阵Yt。接着，将各个控制点的第一位置V及第二位置u作为图像位置坐标代入仿射转换函数，以形成图像位置矩阵P (步骤S704)，其公式如下
I ux V1
I U0 VnP=. . .，nx3
_1 Un Vw」(η)其中，(Ul，V1)是分析第一镜头与第二镜头拍摄第一控制点所得的二个图像之后，所得到的位置坐标，(u2,v2)是分析第一镜头与第二镜头拍摄第二控制点所得的二个图像之后，所得到的位置坐标，...，(un, Vn)是分析第一镜头与第二镜头拍摄第η个控制点所得的二个图像之后，所得到的位置坐标，而将这些坐标代入上述公式(11)，则可获得维度为3行η列的细版曲线矩阵K。然后，计算两两控制点之间的距离r，并代入细版曲线函数U，以形成细版曲线矩阵K (步骤S706)，其公式如下
'O Uirl2)…U(rln)_ U(r21) O ... U{rln)
K =. ., ηχη
_"(厂《I)"(厂《2) ...O _(12)其中，r12代表第一个控制点P1Oi1, V1)与第二控制点P2(u2，v2)之间的距离，而U(r12)则是将此距离r12代入细版曲线函数U后计算所得的结果，以此类推，将其它两两控制点之间距离代入细版曲线函数U中计算，并将所有的计算结果代入上述公式(12)后，则可获得维度为η行η列的细版曲线矩阵K。最后，将空间位置矩阵Y、图像位置矩阵P及细版曲线矩阵K代入非线性转换函数，以求取权重矩阵W (步骤S708)。其中，细版曲线矩阵K、图像位置矩阵P以及图像位置矩阵P的转置矩阵Pt可填入一个维度为(Π+3)行及(n+3)列的矩阵后，即可获得矩阵L，其中O为全零矩阵，公式如下
权利要求
1.ー种光学触控屏幕的准确度校正方法，用于具有一第一镜头及一第二镜头的一光学触控屏幕，其中该第一镜头及该第二镜头配置于该光学触控屏幕的同一侧且朝向该光学触控屏幕的另ー侧，该方法包括下列步骤 利用一触控物触碰该光学触控屏幕上的多个控制点其中之一； 分别利用该第一镜头及该第二镜头拍摄ー第一图像及一第二图像； 分别检测该触控物在该第一图像及该第二图像中出现的ー第一位置及一第二位置； 移动该触控物以触碰该光学触控屏幕的其它控制点，并重复上述步骤以求得该触控物触碰各该多个控制点吋，该触控物在所拍摄该第一图像及该第二图像中出现的该第一位置及该第二位置；以及 将该触控物触碰各该多个控制点所求得的该第一位置及该第二位置代入一非线性转换函数，以计算系统转换所使用的ー权重矩阵，其中该非线性转换函数包括由ー仿射转换函数及一放射基底函数组合而成；以及 当该触控物触碰该光学触控屏幕的一触碰点时，检测该触控物触碰该光学触控屏幕的ー触碰位置并使用该权重矩阵及该非线性转换函数将该触碰位置转换为该光学触控屏幕的ー屏幕坐标。
2.根据权利要求I所述的光学触控屏幕的准确度校正方法，其中将该触控物触碰各该多个控制点所求得的该第一位置及该第二位置代入该非线性转换函数，以计算系统转换所使用的该权重矩阵的步骤包括 利用各该多个控制点在该光学触控屏幕上的位置所对应的一空间坐标形成一空间位置矩阵； 将各该多个控制点的该第一位置及该第二位置作为ー图像位置坐标代入该仿射转换函数，以形成一图像位置矩阵； 计算两两控制点之间的ー距离，并代入该放射基底函数，以形成一放射基底矩阵；以及将该空间位置矩阵、该图像位置矩阵及该放射基底矩阵代入该非线性转换函数，以求取该权重矩阵。
3.根据权利要求I所述的光学触控屏幕的准确度校正方法，其中上述当该触控物触碰该光学触控屏幕的一触碰点时，检测该触控物触碰该光学触控屏幕的该触碰位置并使用该权重矩阵及该非线性转换函数将该触碰位置转换为该光学触控屏幕的该屏幕坐标的步骤包括 分别利用该第一镜头及该第二镜头拍摄该第一图像及该第二图像； 分别检测该触控物在该第一图像及该第二图像中出现的该第一位置及该第二位置以作为该触碰位置； 将该触碰位置作为ー图像位置坐标代入该仿射转换函数，以形成ー图像位置矩阵；计算该触碰点与各该多个控制点之间的ー距离，并代入该放射基底函数，以形成一放射基底矩阵；以及 将该图像位置矩阵、该放射基底矩阵及所计算的该权重矩阵代入该非线性转换函数，以转换该触碰位置为该光学触控屏幕的该屏幕坐标。
4.根据权利要求I所述的光学触控屏幕的准确度校正方法，其中该放射基底函数包括高斯函数、二次多变函数、多谐曲线函数或细版曲线函数。
5.根据权利要求4所述的光学触控屏幕的准确度校正方法，其中该细版曲线函数为任两个取样点间的一距离的一对数值与该距离的η次方的乘积，其中该两个取样点包括该控制点或该触碰点，且η为正整数。
6.根据权利要求I所述的光学触控屏幕的准确度校正方法，其中该第一镜头及该第二镜头被配置于该光学触控屏幕同一侧的两个角落。
7.根据权利要求I所述的光学触控屏幕的准确度校正方法，其中该光学触控屏幕还包括一第三镜头及一第四镜头，该第一镜头及该第二镜头配置于该光学触控屏幕的一上半部的两个角落，用以检测并校正该触控物触碰该光学触控屏幕的一下半部的该触碰位置，而该第三镜头及该第四镜头配置于该光学触控屏幕的该下半部的两个角落，用以检测并校正该触控物触碰该光学触控屏幕的该上半部的该触碰位置。
8.根据权利要求I所述的光学触控屏幕的准确度校正方法，其中该多个控制点分布于该光学触控屏幕的ー边缘区域及一中央区域，且该多个控制点分布在该边缘区域中的一第一密度大于分布在该中央区域的一第二密度。
9.根据权利要求I所述的光学触控屏幕的准确度校正方法，其中分别检测该触控物在该第一图像及该第二图像中出现的该第一位置及该第二位置的步骤包括 识别在该第一图像及该第二图像中出现的该触控物；以及 取该触控物在该第一图像及该第二图像的ー横轴方向上的坐标值作为该第一位置及该第二位置。
10.根据权利要求9所述的光学触控屏幕的准确度校正方法，其中识别在该第一图像及该第二图像中出现的该触控物的步骤包括 对该第一图像及该第二图像进行图像处理以识别该触控物，该图像处理包括旋转、平移、剪力变形其中之一或其组合。
全文摘要
一种光学触控屏幕的准确度校正方法，用于具有第一镜头及第二镜头的光学触控屏幕，其中第一镜头及第二镜头配置于光学触控屏幕的同一侧且朝向光学触控屏幕的另一侧。此方法是利用触控物触碰光学触控屏幕上的多个控制点其中之一，而将触控物在第一镜头及第二镜头所拍摄图像中出现的第一位置及第二位置代入一个非线性转换函数，以计算系统转换所使用的权重矩阵，而当触控物触碰光学触控屏幕的触碰点时，检测触控物触碰光学触控屏幕的触碰位置并使用权重矩阵及非线性转换函数将触碰位置转换为光学触控屏幕的屏幕坐标。
文档编号G06F3/042GK102681729SQ20111006925
公开日2012年9月19日 申请日期2011年3月22日 优先权日2011年3月14日
发明者王淳玮 申请人:纬创资通股份有限公司