专利名称：具有目标检测的光学导航系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及光学导航系统。
背景技术：
光学导航传感器通常在输入装置(例如光学鼠标)中用于表面导航。常规输入装置跟踪导航表面和输入装置内的图像传感器之间的相对运行。光源向导航表面或目标对象照射光。通常，受照射的导航表面的图像或受照射的目标对象的数字图像数据的多个帧被传感器捕捉，随后经过处理，并进一步转变为输入装置上的光标移动。
最近，光学手指导航装置已经广泛地用于很多便携式手持设备(例如，手机)中。光学手指导航装置使得用户能够通过简单地在这样的便携式设备的手指接口表面(fingerinterface surface)上移动手指来操纵导航功能。与常规光学鼠标系统相对，光学手指导航装置使用光源来照射用户的手指。除了为进行手指导航而结合的传感器通常定位成从光学手指导航装置面向上方而非下方之外，该光学手指导航装置的一般操作概念与常规光学鼠标类似。此外，光学手指导航系统的跟踪表面是用户的手指，而不是桌面工作表面。采用手动操纵的光学手指导航装置，需要识别手指何时被提离导航表面。为了节省电力、以及防止光标发飘，重要的是在手指被提离导航表面时暂时中止导航操作。存在有常规的提离检测系统或目标检测系统，该提离检测系统或目标检测系统可以基于图像离焦或图像表面质量值来实现阻止输入装置跟踪。但是，这些系统通常涉及复杂的设计，并且在芯片设计过程中通常集成作为导航系统的一部分。此外，一些目标检测系统会需要传感器捕捉多个图像以进行对比，而这将需要LED始终被打开。对于很多手指导航装置的另一已知限制是当手指初始放置在导航表面上时或者手指被提离导航表面时非预期的光标移动。这样放置和提离手指会引起非预期的光标抖动、非预期的光标移动或光标突然跳动。
发明内容
在一个方面，本发明提供了一种光学导航系统，包括光源，其构造成发出光；传感器，其构造成捕捉开灯帧和关灯帧，其中，所述开灯帧和关灯帧是以快门值来捕捉的；目标检测引擎，其联接到所述传感器，所述目标检测引擎构造成确定在获取所述开灯帧时所使用的光敏像素元件的第一设定数量、以及在获取所述关灯帧时所使用的光敏像素元件的第二设定数量，所述目标检测引擎构造成通过将按比例放大的像素值与阈值进行比较来报告运动数据。在另一个方面，本发明提供了一种光学导航方法，包括如下步骤以相同的快门值捕捉开灯帧和关灯帧；确定在获取所述开灯帧时所使用的光敏像素元件的第一设定数量、以及在获取所述关灯帧时所使用的光敏像素元件的第二设定数量；通过将按比例放大的像素值与阈值进行比较，在确定存在目标时报告运动数据。在另一个方面，本发明提供了一种光学导航设备，包括光源，其构造成发出光；传感器，其构造成捕捉开灯帧和后续的关灯帧，其中，所述开灯帧和关灯帧是以相同的快门值捕捉的；导航引擎，其构造成提供导航操作；目标检测引擎，其联接到所述传感器和所述导航引擎，所述目标检测引擎构造成确定在获取所述开灯帧时所使用的光敏像素元件的第一设定数量、以及在获取所述关灯帧时所使用的光敏像素元件的第二设定数量，所述目标检测引擎构造成通过将按比例放大的像素值与阈值进行比较来报告用于导航操作的运动数据；其中，所述目标检测引擎构造成使用所述第一设定数量、所述第二设定数量和所述快门值来计算所述按比例放大的像素值。
在整个说明书和附图中，类似的附图标记可以用于标识类似的元件。图I示出具有目标检测的光学导航系统的一个实施例的示意性框图；图2示出具有目标检测的光学导航系统的另一实施例的示意性框图；
图3示出目标检测操作的方法的流程图；和图4示出光学手指导航系统的一个实施例的示意性框图。
具体实施例方式光学手指导航(在下文中称作0FN)装置适合于通常需要可以由用户的手指操作的导航功能的小型手持电子设备，例如，移动电话、远程控制器、游戏机控制器或便携式音乐播放器。例如，OFN可以结合到移动电话中，以在该设备的图形用户界面内提供手指导航。图I示出具有目标检测的OFN系统100的示意性框图。OFN系统100包括用于发出光的光源102、联接到光源102的传感器104和联接到传感器104的目标检测引擎106。尽管结合图I的OFN系统100示出某些组成部件，但是其他实施例可以实现更多或更少的组成部件以提供具有目标检测功能的类似导航装置。在一个实施例中，OFN系统100可以实现为单芯片系统，从而传感器104、提离检测引擎106和光源102可以集成为单一集成电路(IC)芯片系统。尽管目标检测引擎可以结合于很多输入装置中，例如，鼠标、光学手指导航控制器或其他类似的输入装置。但是，为了简化图示，在对本实施例的描述中OFN将用于表示输入
>j-U ρ α装直。如下文更详细描述的，在一个实施例中，OFN系统100可以构造成只有在手指103被报告为处于手持设备(未示出)的导航表面101上时运行进行导航操作。OFN系统100可以结合于手持设备中，以跟踪用户的手指103相对于导航表面101的移动。OFN系统可以包括光源102和传感器104，光源102用以朝向导航表面101发出光脉冲，传感器104用以捕捉指向传感器104的入射光。在一个实施例中，光源102可以是任意适合的电磁福射源,该电磁福射源能够在期望的波长和强度下发出光。通常，光源102可以是相干或非相干光源。优选地可以基于光源102的应用来选择光源102。光源102可以是可见光或非可见光光源(例如，IR LED)，并且某些应用会受益于多于一个光源。传感器104包括多个光敏元件(未示出)或电极，并且可以与快门记录器109联接。在一个实施例中，传感器104能够接收来自导航表面101的入射光。具体地，如果手指103放置在导航表面101处或附近，传感器104可以捕捉从检测区域101反射的手指图像。传感器104可以手指103的一系列图像帧，并比较连续的图像帧以确定运动数据120。传感器104可以按照方向性的增量(delta)X和增量Y的移动矢量形式，来确定手指103与导航表面101之间的相对运动。OFN系统100可以随后处理并将手指移动转化为在手持设备上的相应光标移动。传感器104可以是CCD (电荷稱合器件)、CM0S(互补金属氧化物半导体)或本领域中已知的任意其他类型的光学传感器。在一个实施例中，传感器104联接到光源102，并且构造成捕捉与由光源102产生的光脉冲相对应的开灯(light-on)帧107和后续的关灯(light-off)帧108。传感器104可以构造成在光源102打开时捕捉开灯帧107、并且随后在光源102关闭时捕捉关灯帧108。在一个实施例中，传感器104构造成以相同的快门值114来捕捉开灯帧107和关灯帧108。传感器104可以与快门产生器109联接，快门产生器109构造成响应于由传感器104接收的光的亮度而产生快门值114。根据传感器104的曝光算法，快门产生器109可以在传感器104接收高强度光时产生低快门值114、并且在光暗淡时产生高快门值114。因此，如果手指103放置在检测区域101上，由光源102发出的光可以完全反射在 传感器104上。因此，传感器104预期将接收与由光源102发出的光具有基本类似亮度的图像数据。相反，如果手指103没有放置在检测区域101上以对由手指103发出的光脉冲进行反射，则由传感器104接收的入射光(如果有的话)将基本是环境光。在一个实施例中，图像传感器104可以包括多个光敏像素元件(未示出)，光敏像素元件构造成接收从导航表面101反射的图像。图像传感器104的光敏像素元件经集成以产生良好的图像，这些光敏像素元件指的是用于获取图像的设定数量的主动光敏像素元件。例如，用于获取图像帧的像素元件的数量可以根据图像的亮度等级或质量而改变。具体地，传感器104会需要不同数量的像素元件，以用于分别捕捉开灯帧107和关灯帧108。在一个实施例中，光学导航系统100可以包括联接到图像传感器104的目标检测引擎106。目标检测引擎106可以构造成用于获取开灯帧107的光敏像素元件的第一设定数量110、用于获取关灯帧108的光敏像素元件的第二设定数量112、以及用于获取这两类帧的快门值114。目标检测引擎106还可以包括计算器116，以根据第一设定数量110、第二设定数量112和快门值114来计算按比例放大(scaled-up)的像素值118。在一个实施例中，通过确定第一设定数量110和第二设定数量112之间的像素差来计算按比例放大的像素值118。然后，确定像素差对快门值114的比率。最后，将该比率乘以倍乘系数。在一个实施例中，为确定是否存在目标，对按比例放大的像素值的所有计算结果都转变成相同的绝对比例。因此，为确定存在目标，使用相同的比例因子对所有测量的按比例放大的像素值进行转变，以使得可以应用单一阈值来区别存在或不存在目标。在一个实施例中，目标检测引擎106可以构造成在按比例放大的像素值118大于阈值119时报告运动数据120。在另一实施例中，目标检测引擎106可以构造成一旦确定按比例放大的像素值118大于阈值119就报告存在目标122。阈值119可以是目标检测引擎106可检测出存在目标(例如手指103)的预定最小的按比例放大的像素值118。例如，可以通过对在各种模拟环境状况(例如，手指在、手指不在、开灯、关灯)并结合外部光照等级的各种情况下测量的按比例放大的像素值118的数量进行收集的试验，来估计阈值数量119。OFN系统100还可以包括存储器124，存储器124构造成存储快门值114和第一设定数量110。在一个实施例中，目标检测引擎106能够在不打开光源102的情况下执行目标检测操作。在检测到不存在目标时，目标检测引擎106可以构造成在不打开光源102的情况下执行目标检测操作。目标检测引擎106可以构造成通过使用存储的第一设定数量110、存储的快门值114、和来自新捕捉的关灯帧108的新的第二设定数量112，来计算按比例放大的像素值118以进行后续比较。在一个实施例中，只需要“暗帧”或关灯帧以进行按比例放大的像素值计算。传感器104可以构造成只捕捉关灯帧108并产生用于获取开灯帧107的光敏像素元件的第二设定数量112。因为光源102被要求打开以进行目标检测操作，所以可以显著地降低OFN系统的功耗。在另一实施例中，目标检测引擎106可以构造成只执行累积按比例放大的像素值118、执行简单计算并进行比较的简单处理步骤。结果，该系统可以集成于任意系统中，而不需要同样多的功耗。图2示出至少包括光学导航系统202和微控制器204的OFN系统200的示意性框图。光学导航系统202可以包括光源205、传感器207和导航引擎209。在一个实施例中，微控制器204可以包括目标检测引擎206和存储器208。微控制器204可以有效地联接到光学导航系统202，以控制OFN系统200的导航功能。微控制器204可以构造成在判定导航
表面201的检测区域上存在目标(例如手指203)时允许进行导航操作。当手指203被提离手持设备(未示出)的导航表面201时，可以中止OFN系统200的导航操作。如此，可以在手持设备上有效地实现OFN系统200，以避免非预期的光标抖动。微控制器204可以构造成向OFN系统200提供目标检测功能或提离检测，并在手指203被提离导航表面201时阻止报告运动数据210。在一个实施例中，微控制器204可以提供灵活的方式给光学导航系统202增加额外目标检测功能(光学导航系统202之前并没有这样的特征作为装置的一部分)。因此，可以在现有光学导航系统202上用最少的努力实现目标检测功能，而不需要重新设计系统。上文相对图I已经描述了导航系统202和目标检测引擎206的各种组件。在一个替换实施例中，可以在微控制器202中以算法或固件的形式实现目标检测引擎206。预定阈值也可以存储在微控制器204的存储器208中，作为固件的一部分。图3示出用于在OFN系统中进行目标检测的方法300的一个实施例的框图。在框302，传感器104以相同的快门值114捕捉开灯帧107并随后捕捉关灯帧108。在框304，目标检测引擎106从传感器104确定第一设定数量110、第二设定数量112和快门值114。在一个实施例中，第一设定数量110和第二设定数量112是传感器104在相同的快门值114下分别获取开灯帧和关灯帧时所使用的光敏像素元件的数量。在框306，目标检测引擎106将从传感器104接收的第一设定数量110和快门值114存储在存储器124中。在框308，目标检测引擎106根据第一设定数量110、第二设定数量112和快门值114来确定按比例放大的像素值118。在一个实施例中，可以通过首先确定第一设定数量110和第二设定数量112之间的像素差；确定像素差与快门值114的比率；并将该比例乘以倍乘系数来计算按比例放大的像素值118。在框310，目标检测引擎106将确定的按比例放大的像素值118与阈值119进行比较来检测目标。在一个实施例中，阈值119是目标检测引擎106可检测出存在目标(例如手指103)的预定最小的按比例放大的像素值118。如果按比例放大的像素值大于阈值119，则目标检测引擎106报告存在目标。在框312，如果检测到目标，目标检测引擎106报告运动数据，并允许根据常规导航操作进行光标移动。与此相对，在框314，如果没有检测到目标，目标检测引擎106阻止报告运动数据，并中止光标移动。在框316，如果没有检测到目标，与前述类似，传感器104以快门值114捕捉关灯帧108。在框318，目标检测引擎106从存储器124确定第一设定数量110和快门值114、以及确定新的第二设定数量。在一个实施例中，新的第二设定数量是传感器104在获取新的关灯帧时所使用的光敏像素元件的数量。在框320，目标检测引擎106从存储的第一设定数量110、存储的快门值114和新的第二设定数量确定按比例放大的像素值118。图4不出适合于小型手持电子设备(未不出，例如移动电话)的OFN系统400的一个实施例的示意性框图。OFN系统400可 以包括光源402和图像传感器404，光源402用于朝向导航表面401发出光脉冲，图像传感器404用以捕捉指向传感器404的入射光。OFN系统400可以包括联接到传感器404的目标检测引擎406。在本实施例中，目标检测引擎406有效地联接到导航引擎408，以提供用于操作手持设备(未示出)的图形用户界面(GUI)功能(未示出)的导航操作。目标检测引擎406构造成在判定存在目标(例如手指403)时允许进行导航操作。在一个实施例中，传感器404联接到光源402，并构造成在由快门产生器410所产生的相同快门值下、响应于由光源402产生的光脉冲来捕捉开灯帧并随后捕捉关灯帧。目标检测引擎406联接到传感器404，并且可以构造成从传感器404确定用于获取开灯帧和关灯帧的光敏像素元件的设定数量。目标检测引擎406还可以包括计算器412，以根据设定数量和快门值来计算按比例放大的像素值414。对于目标检测引擎406如何确定按比例放大的像素值414的详细操作由于已经相对于图I进行了详细描述，因此将不会在此进一步阐述。在一个实施例中，目标检测引擎406可以用于在按比例放大的像素值414大于阈值416时选择性地报告运动数据420。在另一实施例中，目标检测引擎406可以构造成一旦确定按比例放大的像素值414大于阈值416就报告存在目标422。在一个实施例中，目标检测引擎406与导航引擎408连接，以在检测到目标时提供导航功能。导航引擎408可以构造成只有在目标(例如手指403)被报告为处于检测区域401上时运行。因此，目标检测引擎406可以有效地实现在手指403被提离手持设备(未示出)的导航表面时立即中止导航操作。如此，可以在手持设备(未示出)上有效地实现OFN系统400，以避免在手指403初始放置在导航表面401上时或者手指403被提离手持设备(未示出)的导航表面401时非预期的光标抖动或光标突然跳动。此外，如前所述，目标检测引擎406能够在不打开光源402的情况下执行目标检测操作。相应地，还可以进一步实现节能。OFN系统400可以包括存储器418，存储器418构造成存储快门值114和第一设定数量110。在一个实施例中，存储器418可以集成为目标检测引擎406的一部分。目标检测引擎406可以构造成通过使用存储的第一设定数量、存储的快门值、以及从新的关灯帧获得的新第二设定数量来计算按比例放大的像素值414，而不用打开光源404。也就是说，只需要“暗帧”以进行对按比例放大的像素值414的计算。结果，可以显著地降低OFN系统的功耗。尽管在本文中以特定顺序示出并描述方法的操作，但是本领域技术人员将理解，每个方法的顺序可以改变，例如以使得可以按照不同的顺序、或以相反的顺序执行某些操作，或者以使得可以至少部分地与其他操作同时地执行某些操作。
尽管描述和示出本发明的特定实施例，但是本发明不限于如此描述和示出的部件的特定形式或布置。本发明的范围由权利要求书和其等价形式来限定。
权利要求
1.一种光学导航系统，其包括 光源，其构造成发出光； 传感器，其构造成捕捉开灯帧和关灯帧，其中，所述开灯帧和关灯帧是以快门值来捕捉的；和 目标检测引擎，其联接到所述传感器，所述目标检测引擎构造成确定在获取所述开灯帧时所使用的光敏像素元件的第一设定数量、以及在获取所述关灯帧时所使用的光敏像素元件的第二设定数量，所述目标检测引擎构造成通过将按比例放大的像素值与阈值进行比较来报告运动数据。
2.根据权利要求I所述的光学导航系统，其中，所述目标检测引擎构造成根据所述第一设定数量、所述第二设定数量和所述快门值来计算所述按比例放大的像素值。
3.根据权利要求I所述的光学导航系统，其中，所述目标检测引擎构造成如果所述按比例放大的像素值大于所述阈值，则报告所述运动数据。
4.根据权利要求I所述的光学导航系统，其中，所述目标检测引擎构造成如果所述按比例放大的像素值大于所述阈值，则报告存在目标。
5.根据权利要求4所述的光学导航系统，其中，所述目标检测引擎构造成在确定存在目标时报告所述运动数据。
6.根据权利要求4所述的光学导航系统，其中，所述阈值是所述目标检测引擎可检测到存在目标的、预定的最小的按比例放大的值。
7.根据权利要求2所述的光学导航系统，其中，所述目标检测引擎还包括计算器，所述计算器构造成计算所述按比例放大的像素值，其中，所述计算器 确定所述第一设定数量和所述第二设定数量之间的像素差； 确定所述像素差对所述快门值的比率；和 将所述比率乘以倍乘系数。
8.根据权利要求I所述的光学导航系统，还包括存储器，所述存储器构造成存储所述阈值、所述第一设定数量和所述第二设定数量。
9.根据权利要求8所述的光学导航系统，其中，所述目标检测引擎构造成在没有所述关灯帧的情况下计算后续的按比例放大的像素值。
10.根据权利要求9所述的光学导航系统，其中，所述目标检测引擎构造成根据存储在所述存储器中的所述第一设定数量和所述快门值、以及来自当前关灯帧的新的第二设定数量，来计算后续的按比例放大的像素值。
11.一种光学导航方法，包括如下步骤 以相同的快门值捕捉开灯帧和关灯帧； 确定在获取所述开灯帧时所使用的光敏像素元件的第一设定数量、以及在获取所述关灯帧时所使用的光敏像素元件的第二设定数量；和 通过将按比例放大的像素值与阈值进行比较，在确定存在目标时报告运动数据。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括根据所述第一设定数量、所述第二设定数量和所述快门值来计算所述按比例放大的像素值。
13.根据权利要求11所述的方法，还包括在确定所述按比例放大的像素值大于所述阈值时报告所述运动数据。
14.根据权利要求11所述的方法，还包括如果所述按比例放大的像素值大于所述阈值，则报告存在目标。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括 确定所述第一设定数量与所述第二设定数量之间的像素差；以及 确定所述像素差对所述快门值的比率，并将所述比率乘以倍乘系数。
16.根据权利要求11所述的方法，其中，所述阈值是所述目标检测引擎可检测到存在目标的预定最小的按比例放大值。
17.根据权利要求11所述的方法，还包括将所述第一设定数量和所述第二设定数量、以及所述阈值存储在存储器中。
18.根据权利要求17所述的方法，还包括根据存储在所述存储器中的所述第一设定数量和所述快门值、以及来自当前关灯帧的新的第二设定数量来计算后续的按比例放大的像素值。
19.一种光学导航设备,包括 光源，其构造成发出光； 传感器，其构造成捕捉开灯帧和后续的关灯帧，其中，所述开灯帧和关灯帧是以相同的快门值捕捉的； 导航引擎，其构造成提供导航操作；和 目标检测引擎，其联接到所述传感器和所述导航引擎，所述目标检测引擎构造成确定在获取所述开灯帧时所使用的光敏像素元件的第一设定数量、以及在获取所述关灯帧时所使用的光敏像素元件的第二设定数量，所述目标检测引擎构造成通过将按比例放大的像素值与阈值进行比较来报告用于导航操作的运动数据； 其中，所述目标检测引擎构造成使用所述第一设定数量、所述第二设定数量和所述快门值来计算所述按比例放大的像素值。
20.根据权利要求19所述的光学导航设备，其中，所述目标检测引擎构造成如果所述按比例放大的像素值大于所述阈值，则报告所述运动数据。
全文摘要
本发明涉及具有目标检测的光学导航系统。提供具有目标检测的光学手指导航系统，以在用户的手指被提离导航表面时阻止光标移动。光学手指导航系统可以包括光源、图像传感器和目标检测引擎。目标检测引擎可以有效地与图像传感器和光源联接，以在通过比较按比例放大的像素值与阈值来确定存在目标时选择性地报告运动数据。提离检测引擎可以结合于微控制器中，其中微控制器可以增加到导航系统，以提供附加目标检测特征。
文档编号G06F3/042GK102855026SQ20121013261
公开日2013年1月2日 申请日期2012年4月27日 优先权日2011年4月27日
发明者宋威力, 谭子豪, 谭山彤 申请人:安华高科技Ecbu Ip(新加坡)私人有限公司