具有游标旋转能力的光学鼠标、仪器、移动检测器与方法
【专利摘要】本申请提供具有游标旋转能力的光学鼠标、仪器、移动检测器与方法。该仪器至少包含有：一个移动装置，被置于与参考表面相对的位置上，在该参考表面上有多个被追踪物体；一个空孔；至少一个光检测器；以及至少一个光源；该仪器利用至少一个光检测器产生一个图像框，该图像框由电子像素图像代表，在该像素图像里有一些被追踪物体的图像；该仪器从图像的变化里产生出被追踪物体的概括笼统的运动向量；该概括笼统的运动向量被解析出平移运动以及旋转运动的部分。本发明的仪器能迅速且准确地将与上述的运动相关的位移运动向量与旋转运动向量传达至电脑的显示屏幕或其他显示器上，借以控制显现在该电脑或该显示器上的游标的移动。
【专利说明】具有游标旋转能力的光学鼠标、仪器、移动检测器与方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一动作导航器(Motion navigation device)有关,可以用于一附带有图形显示器(Graphical display)的电脑或其他电子器材上使用。
【背景技术】
[0002]传统的光学鼠标通常是在一个表面上移动,该表面可以是一个桌子的表面或其它的表面；在操作时，传统的光学鼠标能够计算并且提供给予一个与其连接的电脑所需要的游标移动的向量(Translational motion vector ;例如，位移量Δ χ, Δ y ;或者基于需要，该向量是某一种速度值)，此一移动向量与该鼠标与该表面的相对位置有关。借由这些位移向量，一个电脑或是一个具有图案显示能力的仪器可以移动一个游标，或是移动一个在其它的画面(在本发明里也称之为图像)上显示出来的物体(Objects)，甚至改变软件物件(Object)的状态(注意，在英文里，Object具有至少以下两种含意:(1)看得见或摸得到的物体，(2)软件的物件；所谓软件的物件，其意义为一个不一定有固定形体的、由软件的名词(例如:数字、字串，或变数等数据)与软件的动词(例如:函数Functions)所形成的一个组合)。值得注意的是，传统的光学鼠标仅能为电脑提供二维(2D)的平移运动，至于第三维(The third dimension),那是与鼠标本身的旋转运动有关。该第三维运动的功能是能以在屏幕上直接根据鼠标的旋转动作去旋转游标或者物件。传统光学鼠标并无法提供上述第三维的运动的参数给电脑使用，因此现今的电脑或电子器材的画面上所呈现的物件或游标并无法轻易地或直接地根据鼠标的旋转运动来旋转。
[0003]当电子工业走到了当今的世代，传统的光学鼠标的上述功能限制，已经不能再满足许多消费者的需求。有越来越多的应用程序在操作时，或是在以图案方式显现物体(该物体通常是软件物件输出的结果)时，需要使用三维的绘图法(3D perspective)，对于此类的应用而言，其所呈现出来的物体的运动至少包括平移与旋转两种。举例来说，电脑绘图程序AUTOCAD?是一个被很多工程师与设计人员使用的工具程序，借由AUTOCAD?，工程师可以以三维写实(Three-dimensional realism)的方式来呈现(Render)出机械制图的零件(Mechanical parts drawings)。当AUTOCAD?程序的功能逐渐演进成具有3D绘图能力时，很多管子、阀件，以及用类似的写实绘图法所绘制的机械零件，都将需要在图形显示器(Graphical display)上随着操作员的指示(Instruction)迅速地、准确地旋转。不幸的是，由于传统的光学鼠标只有二维的功能(2D functionality),上述绘图法的改变(Perspective adjustment,例如，改变观察某物体的视角)，并无法由传统光学鼠标来直接完成。更有甚者，即使操作员能在某表面上旋转上述的二维鼠标，其旋旋转作所得出的结果也无法有效地在电脑上发挥功能。
[0004]在当今电脑视觉工业(Computer vision industry)里,有一主要的目的、功能,是处理图形显示器(Graphical display)里的正在运动中的物体的动作。关于这一功能,相关从业者曾花费相当大的努力去分析视频(Video)或是图形显示器里的物件的动作(Motionanalysis);在这一领域里,一个典型的动作分析(Motion analysis),可以被粗略地分类为2D-2D，2D-3D，以及3D-3D几类。上述这些分类的不同，主要是来自于一种关联性，该关联性与移动检测器(Motion sensing device)与用来呈现欲移动的物件的呈像器材(Renderingdevice,例如,平面显示器(flat panel display))之间的关联性有关。不过值得注意的是，与近年来呈像器材(Rendering device)的长足进步相对比的是,在过去很长的一段时间里，电脑视觉工业只有花极少的努力在改良屏幕上的游标移动上，而改良上述的功能(借由改良游标移动器的功能来改良屏幕上的游标移动的动作)，正是本发明的主要目标。
[0005]为了要能够清楚地了解到公知技术的缺点，以及将这些缺点与本发明做一比较，我们先从公式(I)开始说明。公式(1)能以解释一物体最基本的两种运动-平移运动与旋转运动。对于一个位于P的物体而言，它的直角座标位置是X，y，而这个地址亦可以表达
【权利要求】
1.一种仪器，用来操控一个物件的位置，或者控制一个电脑或电子系统上的一种功能，该电脑或该电子系统与一显示器连接，该仪器至少包含有: 一个移动装置，该移动装置被置于与一参考表面相对的位置上，该移动装置与该参考表面之间具有一相对速度，在该参考表面上有多个被追踪物体； 一个空孔，该空孔形成在该移动装置之上或之内，该空孔经由一个开口朝向该参考表面； 至少一个光检测器，嵌于该空孔之内； 至少一个光源，嵌于该空孔之内； 该仪器能够利用该至少一个光检测器产生一个图像框，该图像框能够由电子像素图像来代表，该像素图像能够以数字的方式来代表被该至少一个光源照射的该参考表面的一个部分，在该像素图像里有一些该被追踪物体的图像； 该仪器能够形成多个如上所述的像素图像，而且所述像素图像与两种位置有对应的关系，第一种位置为所述被追踪物体相对于该参考表面之间的相对位置，第二种位置为该移动装置与该参考表面之间的相对位置； 该仪器能够比较上述图像框，借由数学解算的方式，以及/或者几何分析的方式，该仪器能够从这些图像的变化里，产生出这些被追踪物体的概括笼统的运动向量； 该概括笼统的运动向量能够被解析出平移运动的部分以及旋转运动的部分。
2.如权利要求1所述的仪器，其中，所述被追踪物体在经过该仪器挑选以后，形成多个群组，所述群组大致均匀地落于一虚拟圆上，且该各群组分别由一个点状物来代表其圆心，该各群组的圆心的运动是一个概括笼统的运动向量，该概括笼统的运动向量是一个由平移运动向量以及一个旋转运动向 量所合并而成的，该仪器能够以加权平均的方式或无加权平均的方式，根据各个群组的概括笼统的运动向量的值，计算出其总平均值，该总平均值被该仪器用来作为一常用项，提供给该电脑或该电子仪器拿来作为平移运动向量使用，当一个群组的概括笼统的运动向量减掉该仪器常用的平移运动向量以后，即产生出一旋转运动向量。
3.权利要求1所述的仪器，其中，当该移动装置与该参考表面之间有相对运动时，该参考表面上的所述多个被追踪物体彼此之间并无相对运动。
4.如权利要求1所述的仪器，其中，该参考表面上的所述多个被追踪物体至少包括由光学现象所制造出来的物体，该由光学现象所制造出来的物体至少包括阴影、闪光以及由该至少一个光检测器所截捕到的多彩光。
5.如权利要求1所述的仪器，其中，该概括笼统的运动向量所包含的平移运动以及旋转运动的部分，该两部分皆与该移动装置与该参考表面之间的相对运动有关，且该平移运动的部分以及旋转运动的部分的向量可以分别独立地控制该显示器上的物件的平移与旋转运动。
6.如权利要求1所述的仪器，其中，该概括笼统的运动向量是借由比较多个图像框而得出的，所述多个图像框以数字的格式来代表施加于该仪器的一种操作，该比较为一种数学解算法，该比较使用图像区块比对演算法，得出平均绝对值差、平均平方差或其它具有相同效果的参数，作为该演算法的结果。
7.如权利要求1所述的仪器，其中，该概括笼统的运动向量与该移动装置的平移运动有线性相关的关系，该概括笼统的运动向量还有一旋转运动的部分，该旋转运动的部分与该移动装置的运动有非线性相关的关系。
8.如权利要求1所述的仪器，其中，该移动装置借由该概括笼统的运动向量所产生的位移的数字数据，在经过傅立叶转换后，能使该仪器在频域里表达出该概括笼统的运动向量。
9.如权利要求1所述的仪器，其中，该参考表面上的一个部分包含有多个由所述被追踪物体所构成的群组，所述群组中的每一个单一的群组都被安置在一虚拟圆的圆周上，借由几何的方法，该仪器根据所述群组在该圆周上的角位移，计算出旋转运动向量。
10.如权利要求9所述的仪器，其中，所述光源以一个近乎对称的方式被安置于该仪器上，并借由此安置光源的方法决定出一个有旋转对称性的团体，该团体用来决定出该仪器的旋转向量。
11.如权利要求1所述的仪器，其中，所述位于该参考表面上的被追踪物体是一些阴影，当该移动装置移动时，所述阴影也随之移动，所述阴影的移动提供给该仪器作为计算旋转运动向量的信息。
12.如权利要求11所述的仪器，其中，所述阴影由不同波长的光源所构成，所述阴影的移动是借由计算各个阴影里不同波长的光的强度比值而得出的。
13.如权利要求1所述的仪器，其中，该至少一个光检测器为单色光检测器，该至少一个光源为单色光。
14.如权利要求1所述的仪器，其中，该至少一个光检测器为多色光检测器，所述多色光检测器能对不只一个波长的光线敏感，该至少一个光源由多个发出单色光的光源组合而成，至少有一个该发出单色光的光源的波长，落在所述多色光检测器的敏感波长范围之内。`
15.如权利要求1所述的仪器，其中，该光检测器上包含有一过滤层，能以改变其对颜色的灵敏度或景深。
16.如权利要求1所述的仪器，其中，该仪器所作的像素的比较，其结果是以模糊逻辑的来解读，比较的结果仅对判断的真伪作出机率性的解读。
17.如权利要求1所述的仪器，其中，该旋转运动的部分产生出一个图形化显示器上的游标的旋转运动。
18.如权利要求1所述的仪器，其中，该旋转运动的部分被用来启动该电脑或该电子仪器的一个功能。
19.如权利要求1所述的仪器，其中，该仪器为一游戏控制器。
20.如权利要求1所述的仪器，其中，该仪器嵌于一智能型电话里。
21.如权利要求1所述的仪器，其中，该电子像素图像为手指指纹的图像。
22.如权利要求1所述的仪器，其中，该仪器为一触摸板，或者该仪器被镶嵌于一光学式触摸板之内。
23.如权利要求1所述的仪器，其中，该光检测器能够检测人的手部、手指、手腕或胳膊的姿态或动作。
24.一种方法，该方法根据一个漫游于一个参考面的仪器的运动来移动一个电子屏幕上的图像，或者打开或关闭一个由电脑控制的功能的方法，该方法至少包括: 提供一参考表面，该参考表面上有多个被追踪物体；提供一仪器，该仪器能够改变其仪器本身与该参考表面之间的相对位置，该仪器上有一空孔，该空孔自其上的一个开口朝向该参考表面，该仪器上有至少一个光检测器以及至少一个光源，该光源的波长与该光检测器的灵敏度互相对应，该仪器形成一系列该参考表面一个部分的图像框，在所述图像框里，所述被追踪物体的运动被该仪器所追踪，所述被追踪物体的运动与该仪器相对于该参考表面之间的运动有关； 根据两个图像框决定出所述被追踪物体的一个概括笼统的运动向量； 将上述该概括笼统的运动向量解析成平移运动的部分以及旋转运动的部分； 将所述平移运动的部分与旋转运动的部分传输给该电脑或一个电子系统。
25.如权利要求24所述的方法，其中，一与该电脑或该电子系统连接的屏幕，该屏幕上的图像根据该仪器概括笼统的运动向量的平移或旋转的部分，进行平移或旋转的运动。
26.如权利要求24所述的方法，其中，该概括笼统的运动向量的平移或旋转的部分，用来启动或关闭一个电脑的功能，或者打开或关闭一个电子系统上的一个功能。
27.如权利要求24所述的方法，其中，该仪器的运动包括由该仪器操作者的手部、手指的姿势或动作使该仪器产生的运动。
28.如权利要求24所述的方法，其中，该概括笼统的运动向量是根据所述被追踪物体被安排成群组以后，安置于一虚拟圆的圆周上的位置所解算出来的。
29.如权利要求28所述的方法，其中，该解算法使用图像区块比对演算法。
30.如权利要求28所述的方法，其中，借由一几何分析，该概括笼统的运动向量里的非线性项被提取出来，该非线性项被当作该概括笼统运动向量里的旋转运动的部分，或者高次项的部分。`
31.如权利要求24所述的方法，其中，所述被追踪物体包括具有固定形体的物体以及由光学现象所形成的物体，所述由光学现象所形成的物体包括阴影、闪光以及该光检测器所截捕到的多彩色光。
32.如权利要求29所述的方法，其中，所述图像区块比对演算法至少包括平均绝对值差、平均平方差或其它具有类似效能的方法，所述方法以解算法来比较数字化的图像区块。
33.如权利要求24所述的方法，其中，该概括笼统的运动向量的平移运动部分与该仪器的相对运动有线性相关的关系，该概括笼统的运动向量的旋转运动部分与该仪器的相对运动有非线性相关的关系。
34.如权利要求24所述的方法，其中，该参考表面的一部分至少包含有多个由被所述追踪物体所组成的群组，其中每一群组都是被安排放置于一虚拟圆的圆周上，借由计算所述群组在该圆周上的角位移量，该方法得出旋转运动向量。
35.如权利要求24所述的方法，其中，有一部分的群组离旋转轴心较远，使得该仪器在决定旋转运动向量时，具有较高的灵敏度。
36.如权利要求24所述的方法，其中，一些按照对称的方法摆置的光源决定出一个具有旋转对称性的团体，该团体的代表被用来决定该团体的旋转运动向量。
37.如权利要求24所述的方法，其中，所述被追踪物体在该参考表面上投射出阴影，所述阴影的动作提供该方法作为计算旋转运动向量所需的信息。
38.如权利要求24所述的方法，其中，至少有一个光检测器是单色光检测器，至少有一个光源是单色光光源。
39.如权利要求24所述的方法，其中，至少有一个光检测器是多色光检测器，该多色光检测器对第一种多种光的波长敏感，该方法至少还有一个光源是由第二种多个单色光的光源组成，该第二种多个单色光的光源发出至少一种光线，该光线的波长在该第一种多光的波长范围之内。
40.如权利要求39所述的方法，其中，该多色光检测器至少包含有一膜层，该膜层与该多色光检测器联合起来运作，使得该多色光检测器的景深得以增加。
41.如权利要求24所述的方法，其中，该旋转运动向量使用模糊逻辑来解释，满足该模糊逻辑的条件与否的依据，是一种判断可能为真的机率。
42.如权利要求41所述的方法，其中，该模糊逻辑的解释被用来启动一个电脑的动作，而且该解释与一个在一个范围内的数值有关，而不是一个单一的数值。
43.如权利要求37所述的方法，其中，该阴影的动作是借由模糊逻辑来解释，该模糊逻辑能判断出一个物体的旋转的角度在一个范围之内的机率。
44.如权利要求43所述的方法，其中，当某一个参数的数值在一定范围之内时，而不是一个固定的数值时，该模糊逻辑将该参数解释为启动一个电脑或电子系统的活动。
45.如权利要求28所述的方法，其中，该概括笼统的运动向量经过傅立叶转换以后，用来在频域里分析该概括笼统的运动向量。
46.如权利要求24所述的方法，其中，该参考表面是桌子表面。
47.一种用来做移动检测用的方法，至少包含: 取得第一多个图像，在该第一多个图像里含有第二多个被追踪物； 将该第二多个被追踪物分组成多个群组； 借由分析来自所述多个被追踪物所投射到所述图像里的光线的强度的变化，决定出各个群组的概括笼统的运动向量； 决定出一个被所述被追踪物群组共同使用的线性运动向量； 决定出数个被各个被追踪物群组使用的非线性运动向量； 使用所述线性运动向量以及非线性运动向量的数据，决定出一个电脑、电子系统或其他具有相似功能系统上的某一特定的功能的数值或状态。
48.一种用来做移动检测用的仪器，至少包含: 一图像处理系统，该系统能够取得第一多个图像，在该第一多图像里含有第二多个被追踪物； 该图像处理系统能够将该第二多个被追踪物分组成多个群组； 该图像处理系统能够借由分析从该第二多个被追踪物所投射到该第一多个图像里的光线的强度的变化，决定出各个群组的概括笼统的运动向量； 该图像处理系统能还能够决定出一个所述被追踪物群组共同使用的线性运动向量； 该图像处理系统能还能够决定出各个被追踪物群组分别使用的非线性运动向量； 该仪器使用所述线性运动向量以及非线性运动向量的数据，决定出一个电脑、电子系统或其他具有相似功能系统上的某一特定的功能的数值或状态。
【文档编号】G06F3/0354GK103870026SQ201310656260
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2013年12月6日 优先权日:2012年12月7日
【发明者】李文杰 申请人:李文杰