对固定图案噪声具有低敏感性的屏幕指针位置控制装置的制作方法
专利名称：对固定图案噪声具有低敏感性的屏幕指针位置控制装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用以控制一屏幕指针位置之装置，其包括一至少部分相干的光源，所述光源用于照射一成像表面，由此产生反射图像。所述装置包括一导航传感器，所述导航传感器用于基于所述反射图像产生数字图像，基于所述数字图像进行运动计算，并基于所述运动计算产生运动数据，其中所述运动数据可指示所述成像表面与所述装置之间的相对运动，且其中所述运动计算包括衰减所述数字图像中的固定图案噪声。
背景技术：
手动指示装置与计算机及其显示器的配合应用已变得非常普遍。在各种类型的指示装置中，一种形式是与配套鼠标垫共同使用的传统(机械式)鼠标。机械式鼠标通常包括一具有橡胶面的钢球，当鼠标移动时，该钢球在鼠标垫上滚动。鼠标内部是滚轮或轮子，此等滚轮或轮子在钢球赤道线处接触钢球并将钢球转动转换成可表征鼠标运动正交分量的电信号。该等电信号被耦合至一计算机，且该计算机中的软件响应该些信号，使指针(光标)的显示位置根据鼠标的运动改变一ΔX及ΔY量。
除了机械式指示装置(例如传统的机械式鼠标)外，人们还已研发出光电指示装置。在一种形式的光电指示装置中，以光学方式感测一导航表面(例如一手指或一桌面)与该光电指示装置内一图像传感器之间的相对运动并将其转换成运动信息。一光源照射该导航表面以产生反射图像，该图像传感器接收该等图像以感测此相对运动。光源可为非相干光源或部分相干光源。
电子图像传感器(例如通常用于光电指示装置中的那些传感器)主要有两种类型CCD(电荷耦合装置)型及CMOS-APS(互补金属氧化物半导体-活动像素传感器)型。该两种类型的传感器通常包括一以图案形式布置的光电检测器(例如，像素)阵列。每一单独光电检测器均能够输出一信号，该信号的幅值与入射于光电检测器位置的光线强度成正比。随后，可对这些输出信号进行处理及调处，以产生一包括多个单独图元(像素)的图像，其中该图像中的每一像素皆对应于该图像传感器中的一个光电检测器。
基于使用相关算法对该等随时间推移所产生的图像进行的比较可追踪图像传感器与导航表面之间的相对运动。在运动进行期间于连续产生图像的每一像素位置处测得的光线强度变化可揭示运动量及运动方向。因此，当图像传感器沿导航表面运动时，该等强度调变将会一直发生波动，且该等处于变化之中的强度调变可提供用于引导指针在计算机上运动的信息。
然而，该等光电指示装置通常对固定图案噪声具有敏感性，固定图案噪声是一种在所产生或捕获的图像中不随图像传感器运动发生变化的强度调变。因此，该固定图案噪声并非由导航表面及图像传感器之间的相对运动造成。相反，固定图案噪声是由图像传感器中的缺陷像素、微粒污染及/或光源的不均匀性造成的。该固定图案噪声会干扰对图像传感器相对于导航表面之运动的确定，因为所产生图像的这一部分不会随时间的推移而改变。因此，对此相对运动的高精确度追踪要求排除或补偿此固定图案噪声。
数字图像传感器可作为固定图案噪声的一个来源，这是因为数字图像传感器通常包含若干由诸如杂质污染(例如，一硅中的缺陷)等制造误差导致的缺陷像素。缺陷像素会对入射光产生不当响应，并因而会在所捕获的图像中产生被观测为固定图案噪声的不精确感测值。缺陷像素主要有三种类型固定高、固定低或异常敏感型。固定高像素具有非常高或接近于全标度的输出，而固定低像素则具有非常低或接近于零的输出。当暴露于相同光线条件时，异常敏感像素可产生一与相邻像素相比其差别大于一定量的感测值。如果一光电指示装置的图像传感器包括缺陷像素，例如固定高或固定低像素，则该等像素的值可能永远不会改变，这会使导航计算发生偏差并会导致错误。异常敏感像素的值可发生改变，但这些像素不会发挥期望作用且亦会导致错误。
在制造过程之后及客户使用期间产生的其它条件亦会使某些像素有时像缺陷像素一样发挥作用，并由此产生固定图案噪声。外部微粒污染，例如灰尘或污物等，亦会落在阵列上遮挡住光电阵列上的某些像素从而使其像缺陷像素一样发挥作用。灰尘或污物亦可能会落在照射光源或聚焦光学装置上，从而在照射导航表面时造成不均匀性，此最终会导致所产生图像中的像素像缺陷像素一样发挥作用。最后，包括相干光源的光电指示装置较具有非相干光源的光电指示装置对固定图案噪声错误更为敏感。
此外，与微粒污染无关的光源自身中的不均匀性亦可导致光电检测器阵列中的某些像素过“暗”，并因而会像缺陷像素一样发挥作用并产生固定图案噪声。该状况可对所用激光的类型及其封装产生特殊限制以获得相对洁净的高斯光束。而特殊的封装容器及高性能的激光源又会增加光电指示装置的成本。即使使用这些高成本的光源，该等光电指示装置仍可能会对图像传感器中的缺陷像素及/或微粒污染非常敏感。
因此，光学导航中的固定图案噪声仍是亟待解决的问题。
发明内容
本发明之一形式提供了一种屏幕指针位置控制装置。该装置包括一用于照射一成像表面的光源，由此产生反向图像。所述装置包括一导航传感器，所述导航传感器用于基于所述反射图像产生数字图像，基于所述数字图像进行运动计算，并基于所述运动计算产生运动数据，其中所述运动数据可指示所述成像表面与所述装置之间的相对运动，且其中所述运动计算对数字图像中由微粒污染引起的效应具有低敏感性。
图1为一方块图，其图解说明本发明一实施例的一光电指示装置的主要部件。
图2为一方块图，其图解说明本发明一实施例的一光电指示装置的其它部件。
图3为一流程图，其展示本发明一实施例之一种使用光电指示装置来产生运动数据的方法。
图4为一流程图，其展示本发明一实施例之一种用于产生运动数据以便自数字图像中分离固定图案噪声的方法。
图5展示本发明一实施例之与一种运动数据产生方法相关的一固定图案噪声地图。
图6为一流程图，其展示本发明一实施例之一种用于产生运动数据以便过滤数字图像中固定图案噪声的方法。
图7展示本发明一实施例之与一种运动数据产生方法相关的固定图案噪声过滤。
具体实施例方式
下文将参照附图进行详细说明，该等附图作为本发明的一部分且其中以图解方式示出了可实施本发明的具体实施例。为此，诸如“前方”、“后方”等方向性术语用于指所述图中的方位。由于本发明实施例之部件可以多个方位定位，因此，方向性术语仅用于阐释目的而非具有限制性。应了解，亦可使用其它实施例，且可进行结构或逻辑方面的改变而不脱离本发明的范围。因此，下述详细说明并不具有限制意义，且本发明的范围系由随附权利要求来界定。
如上文背景技术中所述，由微粒污染、光源中的不均匀性及制造缺陷造成的固定图案噪声可对光电指示装置的性能产生负面影响，尤其是使用相干照射的那些光电指示装置。要想完全消除这些光电指示装置中的固定图案噪声是很难的。
因此，本发明的一形式提供了一种补偿机制来处理固定图案噪声问题。在一实施例中，补偿包括于图像的数字处理中，其中该处理是在捕获图像后由一导航处理器进行的。在本发明之一形式中，导航处理器所进行的数字处理或计算对所获得数字图像中的图像效应具有低敏感性(即高容差)。因此，本发明的一形式提供了一种用于衰减固定图案噪声的方法，该衰减系通过分离或过滤来自一光电指示装置捕获的数字图像中之固定图案噪声来达成。
尽管补偿机制对相干照射或部分相干照射特别有效，但其亦可用于衰减使用非相干光源的光电指示装置中的固定图案噪声。非相干光电指示装置的性能亦会因同样的固定图案噪声来源而降格，但此降格较使用相干光源的光电指示装置为低。因此，本发明的补偿机制并不仅限于相干光源。
图1是一方块图，其展示本发明一实施例之一光电指示装置100的主要部件。光电指示装置100包括光学导航传感器集成电路(IC)102、光源118及透镜120。光学导航传感器102包括数字输入/输出电路106、导航处理器108、模数转换器(ADC)112、光电检测器阵列(光电阵列)114及光源驱动电路116。在一实施例中，光电指示装置100是一用于台式个人计算机、工作站、便携式计算机或其它装置的光电鼠标。在另一实施例中，将光电指示装置100配置成一光电指纹感测指示装置或其它指示装置。
在作业过程中，根据一实施例，光源118将光线122发射至导航表面124(该表面为一桌面或其它适宜成像表面)上，并产生反射图像。在一实施例中，光源118是一相干光源或一至少部分相干的光源。在一实施例中，光源118为一激光源。在本发明之一形式中，光源118是一垂直腔面发射激光(VCSEL)二极管。在本发明之另一形式中，光源118为一边射型激光二极管。在其它实施例中，光源118是一非相干光源，例如，发光二极管(LED)光源。
在本发明之一形式中，光源118包括一单模或多模激光且可置于多种带或不带玻璃保护盖的封装容器中。特定言之，由于本发明实施例能够最大程度地降低固定图案噪声的影响，因此，可放宽相干照射源通常采用的严格设计及测试条件，例如，噪声频带限制。因此，激光光源可使用价格更低廉的光源封装容器，例如，通常用于LED光源的那些封装容器，且甚至可使用诸如多模二极管等价格更低廉的激光光源来代替较为昂贵的单模二极管。
光源118由驱动电路116控制，驱动电路116由导航处理器108通过控制线路110来控制。在一实施例中，导航处理器108使用控制线路110使驱动电路116通电及断电，并相应地使光源118通电及断电。
来自表面124的反射光线经透镜120到达光电检测器阵列114上。光电检测器阵列114中的每一光电检测器(被称为像素)可提供一信号，该信号的幅值根据入射于光电检测器上的光线之强度而变化。来自光电检测器阵列114的信号输出至模数转换器112，并由该模数转换器将这些信号转换成具有适宜分辩率(例如，8位)的数值。这些数值即表示位于光电指示装置100下面的桌面或其它导航表面部分的数字图像或数字表示。这些由模数转换器112产生的数值被输出至导航处理器108。这些数值由导航处理器108接收后储存于存储器111中作为帧。
光电检测器阵列114的总体尺寸较佳足够大，以便可接收一具有若干特征的图像。当光电指示装置100沿导航表面124运动时，此等空间特征之图像会产生经转换的像素信息图案。阵列114中的光电检测器数量和捕获帧内容并将其数字化所用的帧速率将共同发挥作用，从而影响光电指示装置100跨越一表面运动且仍可受到追踪所能达到的速度。追踪由导航处理器108通过比较一新捕获的样本帧与一先前捕获的基准帧以确定运动方向和运动量而完成。该通过图像比较进行的追踪可使用已知图案辩识方法、交叉相关方法或其它已知用于计算图像运动数据的图像比较方法来进行。
在一实施例中，导航处理器108对顺序帧进行交叉相关以确定运动信息。在本发明之一形式中，导航处理器108可相继沿单像素偏置试验位移(offset trialshift)所允许的8个方向(一上、一上及一下、一下、一上、一上及一上、沿另一方向的一上，等等)中的任一方向将一个帧的全部内容移动一个像素的距离。此总计为8个试验。此外，由于可能不一定存在任何运动，亦使用第9个试验“零位移”。在每一试验位移之后，导航处理器108逐像素扣减那些彼此重叠的帧部分，且较佳对所得差值求平方并随后求和，以在该重叠区域内形成一相似度(相关)指标。在另一实施例中，可使用较大试验位移(例如，两上及一下)。具有最小差值(最大相关)的试验位移可作为两个帧之间的运动之指示。换言之，其可提供原始运动信息，并可对此原始运动信息进行换算或加和以提供具有适宜粒度及适当信息交换速率的运动信息(ΔX及ΔY)，并通过数据及控制线路104上的数字输入/输出电路106将此运动信息输出至一主机装置。光电指示装置100亦配置成能够通过数据及控制线路104自一主机装置接收数据及控制信号。
在本发明之一形式中，所述像素位移方法可采用多像素偏置位移来实施。
在本发明之一形式中，并未如上述那样对未经改变的连续数字图像进行图像比较来确定运动信息，而是将导航处理器108配置成基于经连续修改的数字图像来进行用于运动计算的图像比较，从而衰减所捕获数字图像中来自诸如灰尘或其它来源的固定噪声图案。
固定图案噪声来源会使装置100所捕获的数字图像中的像素具有不适当的像素值，其随时间的变化非常小。因此，受微粒污染影响的像素被称为缺陷像素或固定噪声像素。除微粒污染外，其它问题(例如光电阵列中的硅缺陷)亦可引起固定噪声像素。固定噪声像素之定义包括畸变像素或无效像素，例如一仅显示“ON”或“OFF”状态的像素、一产生低于或高于期望值之强度的像素或一其操作不一致或不规则的像素。无论缺陷来源如何，该等像素皆可在所捕获数字图像中形成一基本上一致的噪声图案，此被称为固定噪声图案。
本发明之一形式提供一种产生运动数据且总体上对固定噪声像素具有低敏感性的方法，而无论导致缺陷的原因如何。下文参照图2至图7阐述了本发明各种实施例中由导航处理器108进行的噪声衰减位移计算。
图2为一方块图，其图解说明本发明一实施例的导航处理器108的主要部件。在本发明之一形式中，导航处理器108包括存储器111以及图像比较器150和噪声衰减器160。在本发明之一形式中，图像比较器150包括相关模块152，在本发明之另一形式中，图像比较器150包括图案辩识模块154。噪声衰减器160包括图像缓存器162且亦包括固定噪声分离器164及/或固定噪声过滤器164。
图像比较器150利用模数转换器112所获得的连续数字图像并对其进行比较以确定运动量及运动方向。图像比较器150的相关模块152对连续数字图像进行交叉相关比较以进行运动计算，而图案辩识模块154比较该等连续数字图像中的图案来进行运动计算。
噪声衰减器160用于将多个数字图像(例如，一样本图像及一基准图像)储存于其图像缓存器162中，以供在图像比较器150中计算运动数据之前用于鉴别及衰减固定图案噪声。特定言之，当发生运动时，多个数字图像将被储存于图像缓存器152中并随后定期(例如，每50、100、150、200或更多个帧)通过逐像素平均所存储图像来形成一复合图像，以显示固定噪声图案。随后，噪声衰减器160使用此固定图案噪声之图案在计算运动数据之前修改数字图像，由此可补偿固定图案噪声，同时产生用于光电指示装置的精确运动信息。
在本发明之一形式中，噪声衰减器160的固定噪声分离器164用于通过自数字图像的其它可变噪声或低噪声部分中分离或排除固定噪声像素来衰减固定噪声图案。在本发明的另一形式中，噪声衰减器160的固定噪声过滤器166用于通过一逻辑运算逐像素改变数字图像(例如，拟比较的样本图像及基准图像)以将每一像素值减少一对应于该固定图案噪声强度的量来衰减固定噪声图案。噪声衰减器160包括图像缓存器162、固定噪声分离器164及固定噪声过滤器166，下文将结合本发明之实施例来详细阐述噪声衰减器及用于产生运动数据之方法，如图3至7所示。
尽管图1所示的噪声衰减器160系作为导航处理器108的一部分，但在本发明之另一形式中，噪声衰减器160可包括一设置于导航处理器108外部的单独模块。在此布置中，噪声衰减器160位于模数转换器112及导航处理器108之间以使噪声衰减器160在来自模数转换器112的数字图像进入导航处理器进行图像比较及相关处理之前作用于该等数字图像。
图3为一流程图，其展示本发明一实施例之一种用于产生运动数据的方法200。在一实施例中，方法200使用光电指示装置100实施；而在另一实施例中，方法200使用用于产生运动数据的其它装置来实施。方法200包括第一部分202及第二部分204，其代表不同但相关的运动数据产生方面。第一部分202及第二部分204通常彼此并联同时运作，且其间定期发生相互作用。具体而言，方法200的第一部分202通常表示通过重复一基准图像及一样本图像的获得顺序并随后对其加以比较以确定运动信息来产生运动信息。方法200的第二部分204通常表示在发生运动时存储样本图像(在方法200的第一部分202中获得的图像)并随后自大量存储样本图像形成一复合帧以鉴别样本图像中的永久性固定噪声并随后衰减此来自每一基准图像及样本图像(该等图像在方法200的第一部分202中进行比较)的固定噪声。因此，第一部分202将图像提供给第二部分204以使第二部分204随后作为第一部分202的反馈机制从而衰减来自第一部分202所进行的计算中的固定噪声。
方法200的第一部分202包括在方框210处，通过光电阵列114捕获一基准图像；在方框212处，通过光电阵列114捕获一样本图像。模数转换器112将所捕获的图像转换成数字图像并将该等数字图像输出至导航处理器108。在214处，导航处理器108可视情况衰减来自该等数字样本图像及基准图像的固定图案噪声。换言之，导航处理器108将保留对何时使用来自方法200之第二部分204的信息来抑制固定噪声作为运动计算的一部分以及该等信息的使用频率之控制。因此，可在样本图像及基准图像中连续进行用于确定固定噪声图案的相关，或可在导航处理器108选择的时刻或间隔进行该相关。
在图3中的216处，导航处理器108通过图像比较器150对基准图像及样本图像进行一图像比较并基于此比较确定运动量及运动方向。该图像比较可由导航处理器108使用相关模块152或图案辩识模块154来进行或采用其它图像比较技术来进行。
在图3中的218处，导航处理器108基于在步骤216中进行的图像比较产生运动信息，并通过数字输入/输出电路106将此运动信息输出至一主机装置。此外，此运动信息及一个样本图像(在212处捕获)通过输出路径219输出至方法200之第二部分204的决策方框250处。
在方法200的220处，基准图像由样本图像代替，然后此样本图像变成方法200之下一迭代的基准图像。然后，在212处捕获另一样本图像，并自214或216处开始重复方法200。在方法200中可进行任意期望数量的迭代。
方法200的第二部分204使用多个存储样本图像提供补偿机制，以便在方法200之第一部分202中的216处进行图像比较之前衰减来自基准图像及样本图像的固定图案噪声(在214处)。具体而言，如图3中250所示，评价通过输出路径219将运动信息自218输出以确定是否发生了运动。为此目的，包括至少二分之一像素运动的运动皆被视为运动。如果图像传感器未相对于一导航表面发生运动，则沿第二部分204中的路径不会采取任何进一步的措施。
若已发生运动，则在图3的260处将会完成第二部分204中的路径，包括将来自方法200之第一部分202的一个最新样本图像存储于图像缓存器162中之一第一动作。当然，在每次发生运动时，最新的样本图像皆存储于图像缓存器162中。
在方法200的262处，图像缓存器162中的所有样本图像皆会定期组合并形成一复合图像，该复合图像中包括所存储图像之每一像素的平均值，其中该平均值具有针对该等图像逐像素进行计算的平均强度值。在一实施例中，约使用100个存储样本图像来形成此复合图像。在本发明之一形式中，当每一样本图像存储于图像缓存器162中时，此样本图像将与先前存储的样本图像进行逐像素平均。以此方式，每一新样本图像皆立即被纳入一由已存储于图像缓存器162中之图像产生的正在使用的样本图像的复合中。用于形成复合图像的图像之数量可不相同(例如，50、100、150、200或更多)且所选数量应与足够大以检测固定图案噪声的特征图像影响的帧的数量相当。可根据独特的固定噪声图案发生的频率及/或使用光电指示装置观测到的固定噪声图案的大小/尺寸以及其它因素来选择用于形成复合图像的帧的数量(一更高数量或一更低数量)。
在本发明之另一形式中的262处，每一样本图像皆存储并收集于图像缓存器162中，随后，仅当已存储了多个帧之后，才会对该等样本图像进行平均以形成一个复合图像。用于形成此复合图像的图像之数量可如上述加以选择。
在方法200中的264处，评价复合图像以鉴别其强度值超出预定噪声阈值的像素位置。该等像素位置被视为固定噪声像素，即，其永久性噪声水平足够高以致可妨碍产生精确运动数据的像素。预定噪声阈值通过图像比较器150可耐受的噪声量来确定。此噪声阈值亦与模数转换器112的性能特征及导航处理器108中的习用图像过滤设定值有关。
基于大量帧(即，样本图像)的平均值形成的一复合图像可增强固定噪声像素与可变噪声像素之间的对比度，这是因为当逐像素对帧与帧之间各不相同的噪声进行平均时会产生一较低强度值，而当逐像素对帧与帧之间基本上处于相同位置的噪声进行平均时会产生一较高强度值。换言之，在许多帧中持续存在于相同位置的高噪声像素在复合图像中显得较其它在许多帧中其位置或强度各不相同的噪声像素更亮一些。此特征使得鉴别更易于进行，且因此可限制运动信息中固定图案噪声导致的误差。
在本发明之一形式中，对任何固定噪声像素或固定噪声图案之检测可通过导航传感器102以一警报的形式传递至一用户，以便于通过清洁或其它措施对光电指示装置100进行维护从而改良所检测的固定噪声。
在266处，自复合图像形成一固定图案噪声地图，其逐像素对应于样本图像及基准图像的像素。在本发明之一形式中，通过输出路径280将该形成地图的固定噪声信息输出至方法200之第一部分202的214处，此处将在于216处进行用于运动计算的图像比较之前使用该固定图案噪声地图来衰减样本图像及基准图像以降低其对固定图案噪声的敏感性。
在此实施例的另一形式中，当在262处形成一复合图像后，该复合图像立即通过输出路径282输出至方法200之第一部分202的214处，以供在于216处进行用于运动计算的图像比较之前衰减来自样本图像及基准图像的固定图案噪声。
因此，方法200的第一部分202连续运作以产生用于光电指示装置之一般运作的运动运算，同时方法200的第二部分204并列运作，且在第一部分202与第二部分204之间一直进行相互作用。具体而言，在每一部分202的每一次迭代时，信息皆以最新样本信息及运动信息之拷贝的形式被传递到第二部分204(通过输出路径219)。此外，诸如一复合图像(在262处产生)或一固定噪声地图(在266处产生)等信息分别通过输出路径282或280传递回第一部分202。
图4为一流程图，其展示一种使用光电指示装置100来衰减固定图案噪声的方法300，就如方法200中于214处进行的部分一般(图3)。在302处，将样本图像和基准图像与一固定图案噪声地图(自方法200第二部分204的266处捕获)进行比较，以鉴别样本图像及基准图像中对应于固定噪声地图中之高噪声像素位置的像素位置。在304处，通过排除样本图像及基准图像中那些对应于固定噪声图案地图上高噪声像素的像素来形成经修改的样本图像及基准图像。在306处，提供该等经过修改的样本图像及基准图像使其相对于彼此相互比较以产生运动数据。当使用导航传感器102来实施方法300时，由导航处理器108的图像比较器152来进行此图像比较。基于经修改样本图像和基准图像之比较的运动数据可通过分离出来自数字图像其余部分的固定图案噪声而产生相对而言不含固定图案噪声的运动信息，从而可仅针对载有不含固定图案噪声的运动信息之像素来进行运动计算。
图5以图形方式展示了固定图案噪声与经修改数字图像(用于图4的方法300中)之一地图，以便在进行运动计算时将永久性高噪声像素与可变噪声像素或低噪声像素分离。方法300可通过导航处理器108中噪声衰减器160之分离器模块164实施(参见图2)，或可通过其它适宜模块来实施。地图350包括固定噪声像素356、正常像素区域352及固定噪声图案区域354。如方法300中所用，区域354的尺寸和形状需经选择以涵盖固定噪声像素356，从而可将其自涵盖可变噪声像素及/或低噪声像素的部分352中分离出来。随后，以固定噪声地图的区域354为指导将样本图像或基准图像360之区域364中的像素(其位置对应于区域354的像素)自其余像素部分362中排除，并由此将此等固定噪声像素自用于产生运动信息的图像比较中排除。
图6为一流程图，其展示一种使用图1所示的光电指示装置100来产生运动数据的方法400，就如方法200中于214处实施的部分一般(图3)。方法400可通过导航处理器108中噪声衰减器160之过滤器模块164实施(参见图2)，或可通过其它适宜系统来实施。在方法400中于402处通过一逻辑运算器施加复合图像(在图3中的方法200之262处产生)，以逐像素调整一基准图像及一样本图像的每一像素值，从而形成经修改的样本及基准图像。该逻辑运算器包括任何一或多种逻辑运算(例如，减法器、乘法器、除法器、加法器)，以将复合图像的像素值逐像素施加至样本图像和基准图像的像素值上，从而可衰减样本图像和基准图像中的固定图案噪声。此运作可将永久性高噪声像素(即，固定噪声像素)有效地自样本图像和基准图像中滤除。
经此过滤后，于方法400的404处，提供该等经过修改的样本图像及基准图像使其相对于彼此相互比较以产生运动数据。当使用导航传感器102实施方法300时，由导航处理器108的图像比较器152来进行此图像比较。基于该等经修改样本图像及基准图像之比较的运动数据可通过逐像素滤除任何量来自数字图像每一像素的固定图案噪声来产生相对而言不含固定图案噪声的运动信息。最后，使用该过滤方法400可不需形成一固定噪声图案地图即能够衰减固定噪声，正如方法300中(图4及图5)或方法200中第二部分204之264、266处(图3)所发生的一般。
图7展示了运作图6之方法400的若干方面。如图7所示，样本图像及基准图像410包括像素411，固定噪声掩码412包括像素413，像素413对应于图像410中像素411之位置。逻辑运算414(例如，减法器、乘法器、除法器、加法器)将复合图像掩码412的像素413之数值施加至样本图像/基准图像410的像素411上，以产生具有像素417的经修改样本图像和基准图像416，其中的固定图案噪声已被滤除。
本发明实施例使得即使当存在来自不同来源的固定噪声图案时亦可通过使用存储样本图像为指导鉴别随时间一直存在的高噪声像素并将其自运动计算中分离出来或将其自样本图像及基准图像中滤除来持续使用光电指示装置。该等实施例对非相干照射或相干照射都很有效。此外，对固定噪声图案或固定噪声像素之检测可用于提醒用户需要以清洁的形式或采取其它措施来进行装置维护。
熟习本项技术的人员应了解，可将光电指示装置100及500(包括导航处理器108及其图像比较器150及/或噪声衰减器160)执行的功能建置于硬件、软件、固件或其任何组合中。此建置可通过一微处理器、可编程逻辑装置或状态机实现。本发明之部件可驻存于一或多个计算机可读媒体中的软件内。本文所用术语计算机可读媒体被定义为包括任何种类的易失性或非易失性存储器，例如，软盘、硬盘、CD-ROM、快闪存储器、只读存储器(ROM)及随机存取存储器。
尽管本文已阐述及说明了若干具体实施例，但熟习本项技术的人员应了解，可以各种替代性及/或等效实施方案来替代所展示的及所阐述的具体实施例且不脱离本发明之范围。本申请案意欲涵盖对本文所讨论的具体实施例的任何改进或修改。因此，本发明仅将受到权利要求书及其等效内容的限制。
权利要求
1.一种用以控制屏幕指针位置之装置，所述装置包括一光源，其配置成用于照射一成像表面，由此产生反射图像；及一导航传感器，其配置为用于基于所述反射图像产生数字图像，基于所述数字图像进行运动计算，并基于所述运动计算产生运动数据，其中所述运动数据可指示所述成像表面与所述装置之间的相对运动，且其中所述运动计算包括衰减所述数字图像中的固定图案噪声。
2.如权利要求1的装置，其中所述导航传感器包括一处理器，所述处理器包括一图像比较器及一噪声衰减器。
3.如权利要求1的装置，其中所述图像比较器包括一图案辩识模块及一交叉相关模块中至少之一，所述图案辩识模块及交叉相关模块各配置为用于比较数字图像以进行所述运动计算。
4.如权利要求2的装置，其中所述噪声衰减器包括一图像缓存器以及至少一噪声分离器与一噪声过滤器其中之一，其中所述图像缓存器配置为用于在导航传感器相对于所述成像表面运动时储存数字图像。
5.如权利要求4的装置，其中所述噪声衰减器定期自存储于所述图像缓存器中的多个图像形成一复合图像，其中将逐像素对所述图像的强度值进行平均以产生所述复合图像。
6.如权利要求5的装置，其中所述噪声衰减器的过滤器配置为用于衰减来自所述数字图像的固定图案噪声，所述衰减通过一逻辑运算将所述复合图像的一平均像素值逐像素施于每一数字图像而达成。
7.如权利要求5的装置，其中所述噪声衰减器配置为用于将所述复合图像中其局部对比度值高于预定对比度阈值的像素位置鉴别为高噪声像素。
8.如权利要求7的装置，其中所述噪声衰减器配置为用于形成一高噪声像素地图以鉴别固定图案噪声区域。
9.如权利要求8的装置，其中所述噪声衰减器的分离器能够在进行运动计算之前自所述数字图像中排除对应于所述固定图案噪声区域中之像素位置的像素。
10.如权利要求1的装置，其中在所述导航传感器中进行所述运动计算包括根据所述数字图像进行实质上连续的运动计算，同时在比较所述运动计算中的连续数字图像之前定期将一固定噪声衰减掩码施加于所述数字图像上。
11.如权利要求10的装置，其中施加所述固定噪声衰减掩码包括形成多个存储数字图像的一复合图像，其中所述复合图像的每一像素皆为所述存储图像像素值的逐像素计算平均值。
12.如权利要求1的装置，其中所述光源包括一至少部分相干的光源。
13.如权利要求1的装置，其中所述光源包括一非相干光源。
14.一种使用一光电指示装置产生运动数据的方法，所述方法包括使用一至少部分相干的光源照射一成像表面，由此产生反射图像；基于所述反射图像产生数字图像；及基于所述数字图像产生运动数据，包括进行衰减所述数字图像中的固定图案噪声的运动计算。
15.如权利要求14的方法，其中进行所述运动计算包括形成存储数字图像的一复合图像，包括增强永久性高噪声像素及可变噪声像素之间的一对比度以根据永久性高噪声像素及可变噪声像素之分布来形成一固定图案噪声地图。
16.如权利要求15的方法，其中进行所述运动计算包括自所述运动计算排除所述数字图像中对应于所述永久性高噪声像素之像素位置的像素位置。
17.如权利要求15的方法，其中形成所述复合图像包括将多个数字图像存储于存储器中并随后自所述多个存储的数字图像逐像素计算所述数字图像之每一像素的平均强度值。
18.如权利要求17的方法，其中进行所述运动计算包括过滤所述运动计算中所述数字图像的像素值，所述过滤系通过一逻辑运算将所述复合图像的像素值逐像素施于所述数字图像而达成。
19.如权利要求14的方法，其中产生运动数据包括连续进行所述运动计算，同时在每一运动计算之前定期将一自存储数字图像之复合图像计算得到的像素值之固定噪声衰减掩码施加于所述数字图像上。
20.一种导航传感器，其用于产生运动数据以控制屏幕指针位置，所述导航传感器包括一传感器阵列，其配置为用于感测由一光源产生的来自一成像表面的反射图像；一模数转换器，其配置为用于基于所述传感器阵列的输出产生数字图像；及一处理器，其配置为用于基于所述数字图像产生运动数据，其中所述运动数据基于运动计算产生，且所述运动计算对所述数字图像中由固定图案噪声引起的效应具有低敏感性。
全文摘要
本发明涉及一种用以控制一屏幕指针位置之装置，其包括一至少部分相干的光源，所述光源用于照射一成像表面，由此产生反射图像。所述装置包括一导航传感器，所述导航传感器用于基于所述反射图像产生数字图像，基于所述数字图像进行运动计算，并基于所述运动计算产生运动数据，其中所述运动数据可指示所述成像表面与所述装置之间的相对运动，且其中所述运动计算包括衰减所述数字图像中的固定图案噪声。
文档编号G06F3/038GK1744018SQ200510064249
公开日2006年3月8日 申请日期2005年4月12日 优先权日2004年9月1日
发明者谢彤, 马歇尔·托马斯·迪普 申请人:安捷伦科技公司
技术领域：
本发明涉及一种用以控制一屏幕指针位置之装置，其包括一至少部分相干的光源，所述光源用于照射一成像表面，由此产生反射图像。所述装置包括一导航传感器，所述导航传感器用于基于所述反射图像产生数字图像，基于所述数字图像进行运动计算，并基于所述运动计算产生运动数据，其中所述运动数据可指示所述成像表面与所述装置之间的相对运动，且其中所述运动计算包括衰减所述数字图像中的固定图案噪声。
背景技术：
手动指示装置与计算机及其显示器的配合应用已变得非常普遍。在各种类型的指示装置中，一种形式是与配套鼠标垫共同使用的传统(机械式)鼠标。机械式鼠标通常包括一具有橡胶面的钢球，当鼠标移动时，该钢球在鼠标垫上滚动。鼠标内部是滚轮或轮子，此等滚轮或轮子在钢球赤道线处接触钢球并将钢球转动转换成可表征鼠标运动正交分量的电信号。该等电信号被耦合至一计算机，且该计算机中的软件响应该些信号，使指针(光标)的显示位置根据鼠标的运动改变一ΔX及ΔY量。
除了机械式指示装置(例如传统的机械式鼠标)外，人们还已研发出光电指示装置。在一种形式的光电指示装置中，以光学方式感测一导航表面(例如一手指或一桌面)与该光电指示装置内一图像传感器之间的相对运动并将其转换成运动信息。一光源照射该导航表面以产生反射图像，该图像传感器接收该等图像以感测此相对运动。光源可为非相干光源或部分相干光源。
电子图像传感器(例如通常用于光电指示装置中的那些传感器)主要有两种类型CCD(电荷耦合装置)型及CMOS-APS(互补金属氧化物半导体-活动像素传感器)型。该两种类型的传感器通常包括一以图案形式布置的光电检测器(例如，像素)阵列。每一单独光电检测器均能够输出一信号，该信号的幅值与入射于光电检测器位置的光线强度成正比。随后，可对这些输出信号进行处理及调处，以产生一包括多个单独图元(像素)的图像，其中该图像中的每一像素皆对应于该图像传感器中的一个光电检测器。
基于使用相关算法对该等随时间推移所产生的图像进行的比较可追踪图像传感器与导航表面之间的相对运动。在运动进行期间于连续产生图像的每一像素位置处测得的光线强度变化可揭示运动量及运动方向。因此，当图像传感器沿导航表面运动时，该等强度调变将会一直发生波动，且该等处于变化之中的强度调变可提供用于引导指针在计算机上运动的信息。
然而，该等光电指示装置通常对固定图案噪声具有敏感性，固定图案噪声是一种在所产生或捕获的图像中不随图像传感器运动发生变化的强度调变。因此，该固定图案噪声并非由导航表面及图像传感器之间的相对运动造成。相反，固定图案噪声是由图像传感器中的缺陷像素、微粒污染及/或光源的不均匀性造成的。该固定图案噪声会干扰对图像传感器相对于导航表面之运动的确定，因为所产生图像的这一部分不会随时间的推移而改变。因此，对此相对运动的高精确度追踪要求排除或补偿此固定图案噪声。
数字图像传感器可作为固定图案噪声的一个来源，这是因为数字图像传感器通常包含若干由诸如杂质污染(例如，一硅中的缺陷)等制造误差导致的缺陷像素。缺陷像素会对入射光产生不当响应，并因而会在所捕获的图像中产生被观测为固定图案噪声的不精确感测值。缺陷像素主要有三种类型固定高、固定低或异常敏感型。固定高像素具有非常高或接近于全标度的输出，而固定低像素则具有非常低或接近于零的输出。当暴露于相同光线条件时，异常敏感像素可产生一与相邻像素相比其差别大于一定量的感测值。如果一光电指示装置的图像传感器包括缺陷像素，例如固定高或固定低像素，则该等像素的值可能永远不会改变，这会使导航计算发生偏差并会导致错误。异常敏感像素的值可发生改变，但这些像素不会发挥期望作用且亦会导致错误。
在制造过程之后及客户使用期间产生的其它条件亦会使某些像素有时像缺陷像素一样发挥作用，并由此产生固定图案噪声。外部微粒污染，例如灰尘或污物等，亦会落在阵列上遮挡住光电阵列上的某些像素从而使其像缺陷像素一样发挥作用。灰尘或污物亦可能会落在照射光源或聚焦光学装置上，从而在照射导航表面时造成不均匀性，此最终会导致所产生图像中的像素像缺陷像素一样发挥作用。最后，包括相干光源的光电指示装置较具有非相干光源的光电指示装置对固定图案噪声错误更为敏感。
此外，与微粒污染无关的光源自身中的不均匀性亦可导致光电检测器阵列中的某些像素过“暗”，并因而会像缺陷像素一样发挥作用并产生固定图案噪声。该状况可对所用激光的类型及其封装产生特殊限制以获得相对洁净的高斯光束。而特殊的封装容器及高性能的激光源又会增加光电指示装置的成本。即使使用这些高成本的光源，该等光电指示装置仍可能会对图像传感器中的缺陷像素及/或微粒污染非常敏感。
因此，光学导航中的固定图案噪声仍是亟待解决的问题。
发明内容
本发明之一形式提供了一种屏幕指针位置控制装置。该装置包括一用于照射一成像表面的光源，由此产生反向图像。所述装置包括一导航传感器，所述导航传感器用于基于所述反射图像产生数字图像，基于所述数字图像进行运动计算，并基于所述运动计算产生运动数据，其中所述运动数据可指示所述成像表面与所述装置之间的相对运动，且其中所述运动计算对数字图像中由微粒污染引起的效应具有低敏感性。
图1为一方块图，其图解说明本发明一实施例的一光电指示装置的主要部件。
图2为一方块图，其图解说明本发明一实施例的一光电指示装置的其它部件。
图3为一流程图，其展示本发明一实施例之一种使用光电指示装置来产生运动数据的方法。
图4为一流程图，其展示本发明一实施例之一种用于产生运动数据以便自数字图像中分离固定图案噪声的方法。
图5展示本发明一实施例之与一种运动数据产生方法相关的一固定图案噪声地图。
图6为一流程图，其展示本发明一实施例之一种用于产生运动数据以便过滤数字图像中固定图案噪声的方法。
图7展示本发明一实施例之与一种运动数据产生方法相关的固定图案噪声过滤。
具体实施例方式
下文将参照附图进行详细说明，该等附图作为本发明的一部分且其中以图解方式示出了可实施本发明的具体实施例。为此，诸如“前方”、“后方”等方向性术语用于指所述图中的方位。由于本发明实施例之部件可以多个方位定位，因此，方向性术语仅用于阐释目的而非具有限制性。应了解，亦可使用其它实施例，且可进行结构或逻辑方面的改变而不脱离本发明的范围。因此，下述详细说明并不具有限制意义，且本发明的范围系由随附权利要求来界定。
如上文背景技术中所述，由微粒污染、光源中的不均匀性及制造缺陷造成的固定图案噪声可对光电指示装置的性能产生负面影响，尤其是使用相干照射的那些光电指示装置。要想完全消除这些光电指示装置中的固定图案噪声是很难的。
因此，本发明的一形式提供了一种补偿机制来处理固定图案噪声问题。在一实施例中，补偿包括于图像的数字处理中，其中该处理是在捕获图像后由一导航处理器进行的。在本发明之一形式中，导航处理器所进行的数字处理或计算对所获得数字图像中的图像效应具有低敏感性(即高容差)。因此，本发明的一形式提供了一种用于衰减固定图案噪声的方法，该衰减系通过分离或过滤来自一光电指示装置捕获的数字图像中之固定图案噪声来达成。
尽管补偿机制对相干照射或部分相干照射特别有效，但其亦可用于衰减使用非相干光源的光电指示装置中的固定图案噪声。非相干光电指示装置的性能亦会因同样的固定图案噪声来源而降格，但此降格较使用相干光源的光电指示装置为低。因此，本发明的补偿机制并不仅限于相干光源。
图1是一方块图，其展示本发明一实施例之一光电指示装置100的主要部件。光电指示装置100包括光学导航传感器集成电路(IC)102、光源118及透镜120。光学导航传感器102包括数字输入/输出电路106、导航处理器108、模数转换器(ADC)112、光电检测器阵列(光电阵列)114及光源驱动电路116。在一实施例中，光电指示装置100是一用于台式个人计算机、工作站、便携式计算机或其它装置的光电鼠标。在另一实施例中，将光电指示装置100配置成一光电指纹感测指示装置或其它指示装置。
在作业过程中，根据一实施例，光源118将光线122发射至导航表面124(该表面为一桌面或其它适宜成像表面)上，并产生反射图像。在一实施例中，光源118是一相干光源或一至少部分相干的光源。在一实施例中，光源118为一激光源。在本发明之一形式中，光源118是一垂直腔面发射激光(VCSEL)二极管。在本发明之另一形式中，光源118为一边射型激光二极管。在其它实施例中，光源118是一非相干光源，例如，发光二极管(LED)光源。
在本发明之一形式中，光源118包括一单模或多模激光且可置于多种带或不带玻璃保护盖的封装容器中。特定言之，由于本发明实施例能够最大程度地降低固定图案噪声的影响，因此，可放宽相干照射源通常采用的严格设计及测试条件，例如，噪声频带限制。因此，激光光源可使用价格更低廉的光源封装容器，例如，通常用于LED光源的那些封装容器，且甚至可使用诸如多模二极管等价格更低廉的激光光源来代替较为昂贵的单模二极管。
光源118由驱动电路116控制，驱动电路116由导航处理器108通过控制线路110来控制。在一实施例中，导航处理器108使用控制线路110使驱动电路116通电及断电，并相应地使光源118通电及断电。
来自表面124的反射光线经透镜120到达光电检测器阵列114上。光电检测器阵列114中的每一光电检测器(被称为像素)可提供一信号，该信号的幅值根据入射于光电检测器上的光线之强度而变化。来自光电检测器阵列114的信号输出至模数转换器112，并由该模数转换器将这些信号转换成具有适宜分辩率(例如，8位)的数值。这些数值即表示位于光电指示装置100下面的桌面或其它导航表面部分的数字图像或数字表示。这些由模数转换器112产生的数值被输出至导航处理器108。这些数值由导航处理器108接收后储存于存储器111中作为帧。
光电检测器阵列114的总体尺寸较佳足够大，以便可接收一具有若干特征的图像。当光电指示装置100沿导航表面124运动时，此等空间特征之图像会产生经转换的像素信息图案。阵列114中的光电检测器数量和捕获帧内容并将其数字化所用的帧速率将共同发挥作用，从而影响光电指示装置100跨越一表面运动且仍可受到追踪所能达到的速度。追踪由导航处理器108通过比较一新捕获的样本帧与一先前捕获的基准帧以确定运动方向和运动量而完成。该通过图像比较进行的追踪可使用已知图案辩识方法、交叉相关方法或其它已知用于计算图像运动数据的图像比较方法来进行。
在一实施例中，导航处理器108对顺序帧进行交叉相关以确定运动信息。在本发明之一形式中，导航处理器108可相继沿单像素偏置试验位移(offset trialshift)所允许的8个方向(一上、一上及一下、一下、一上、一上及一上、沿另一方向的一上，等等)中的任一方向将一个帧的全部内容移动一个像素的距离。此总计为8个试验。此外，由于可能不一定存在任何运动，亦使用第9个试验“零位移”。在每一试验位移之后，导航处理器108逐像素扣减那些彼此重叠的帧部分，且较佳对所得差值求平方并随后求和，以在该重叠区域内形成一相似度(相关)指标。在另一实施例中，可使用较大试验位移(例如，两上及一下)。具有最小差值(最大相关)的试验位移可作为两个帧之间的运动之指示。换言之，其可提供原始运动信息，并可对此原始运动信息进行换算或加和以提供具有适宜粒度及适当信息交换速率的运动信息(ΔX及ΔY)，并通过数据及控制线路104上的数字输入/输出电路106将此运动信息输出至一主机装置。光电指示装置100亦配置成能够通过数据及控制线路104自一主机装置接收数据及控制信号。
在本发明之一形式中，所述像素位移方法可采用多像素偏置位移来实施。
在本发明之一形式中，并未如上述那样对未经改变的连续数字图像进行图像比较来确定运动信息，而是将导航处理器108配置成基于经连续修改的数字图像来进行用于运动计算的图像比较，从而衰减所捕获数字图像中来自诸如灰尘或其它来源的固定噪声图案。
固定图案噪声来源会使装置100所捕获的数字图像中的像素具有不适当的像素值，其随时间的变化非常小。因此，受微粒污染影响的像素被称为缺陷像素或固定噪声像素。除微粒污染外，其它问题(例如光电阵列中的硅缺陷)亦可引起固定噪声像素。固定噪声像素之定义包括畸变像素或无效像素，例如一仅显示“ON”或“OFF”状态的像素、一产生低于或高于期望值之强度的像素或一其操作不一致或不规则的像素。无论缺陷来源如何，该等像素皆可在所捕获数字图像中形成一基本上一致的噪声图案，此被称为固定噪声图案。
本发明之一形式提供一种产生运动数据且总体上对固定噪声像素具有低敏感性的方法，而无论导致缺陷的原因如何。下文参照图2至图7阐述了本发明各种实施例中由导航处理器108进行的噪声衰减位移计算。
图2为一方块图，其图解说明本发明一实施例的导航处理器108的主要部件。在本发明之一形式中，导航处理器108包括存储器111以及图像比较器150和噪声衰减器160。在本发明之一形式中，图像比较器150包括相关模块152，在本发明之另一形式中，图像比较器150包括图案辩识模块154。噪声衰减器160包括图像缓存器162且亦包括固定噪声分离器164及/或固定噪声过滤器164。
图像比较器150利用模数转换器112所获得的连续数字图像并对其进行比较以确定运动量及运动方向。图像比较器150的相关模块152对连续数字图像进行交叉相关比较以进行运动计算，而图案辩识模块154比较该等连续数字图像中的图案来进行运动计算。
噪声衰减器160用于将多个数字图像(例如，一样本图像及一基准图像)储存于其图像缓存器162中，以供在图像比较器150中计算运动数据之前用于鉴别及衰减固定图案噪声。特定言之，当发生运动时，多个数字图像将被储存于图像缓存器152中并随后定期(例如，每50、100、150、200或更多个帧)通过逐像素平均所存储图像来形成一复合图像，以显示固定噪声图案。随后，噪声衰减器160使用此固定图案噪声之图案在计算运动数据之前修改数字图像，由此可补偿固定图案噪声，同时产生用于光电指示装置的精确运动信息。
在本发明之一形式中，噪声衰减器160的固定噪声分离器164用于通过自数字图像的其它可变噪声或低噪声部分中分离或排除固定噪声像素来衰减固定噪声图案。在本发明的另一形式中，噪声衰减器160的固定噪声过滤器166用于通过一逻辑运算逐像素改变数字图像(例如，拟比较的样本图像及基准图像)以将每一像素值减少一对应于该固定图案噪声强度的量来衰减固定噪声图案。噪声衰减器160包括图像缓存器162、固定噪声分离器164及固定噪声过滤器166，下文将结合本发明之实施例来详细阐述噪声衰减器及用于产生运动数据之方法，如图3至7所示。
尽管图1所示的噪声衰减器160系作为导航处理器108的一部分，但在本发明之另一形式中，噪声衰减器160可包括一设置于导航处理器108外部的单独模块。在此布置中，噪声衰减器160位于模数转换器112及导航处理器108之间以使噪声衰减器160在来自模数转换器112的数字图像进入导航处理器进行图像比较及相关处理之前作用于该等数字图像。
图3为一流程图，其展示本发明一实施例之一种用于产生运动数据的方法200。在一实施例中，方法200使用光电指示装置100实施；而在另一实施例中，方法200使用用于产生运动数据的其它装置来实施。方法200包括第一部分202及第二部分204，其代表不同但相关的运动数据产生方面。第一部分202及第二部分204通常彼此并联同时运作，且其间定期发生相互作用。具体而言，方法200的第一部分202通常表示通过重复一基准图像及一样本图像的获得顺序并随后对其加以比较以确定运动信息来产生运动信息。方法200的第二部分204通常表示在发生运动时存储样本图像(在方法200的第一部分202中获得的图像)并随后自大量存储样本图像形成一复合帧以鉴别样本图像中的永久性固定噪声并随后衰减此来自每一基准图像及样本图像(该等图像在方法200的第一部分202中进行比较)的固定噪声。因此，第一部分202将图像提供给第二部分204以使第二部分204随后作为第一部分202的反馈机制从而衰减来自第一部分202所进行的计算中的固定噪声。
方法200的第一部分202包括在方框210处，通过光电阵列114捕获一基准图像；在方框212处，通过光电阵列114捕获一样本图像。模数转换器112将所捕获的图像转换成数字图像并将该等数字图像输出至导航处理器108。在214处，导航处理器108可视情况衰减来自该等数字样本图像及基准图像的固定图案噪声。换言之，导航处理器108将保留对何时使用来自方法200之第二部分204的信息来抑制固定噪声作为运动计算的一部分以及该等信息的使用频率之控制。因此，可在样本图像及基准图像中连续进行用于确定固定噪声图案的相关，或可在导航处理器108选择的时刻或间隔进行该相关。
在图3中的216处，导航处理器108通过图像比较器150对基准图像及样本图像进行一图像比较并基于此比较确定运动量及运动方向。该图像比较可由导航处理器108使用相关模块152或图案辩识模块154来进行或采用其它图像比较技术来进行。
在图3中的218处，导航处理器108基于在步骤216中进行的图像比较产生运动信息，并通过数字输入/输出电路106将此运动信息输出至一主机装置。此外，此运动信息及一个样本图像(在212处捕获)通过输出路径219输出至方法200之第二部分204的决策方框250处。
在方法200的220处，基准图像由样本图像代替，然后此样本图像变成方法200之下一迭代的基准图像。然后，在212处捕获另一样本图像，并自214或216处开始重复方法200。在方法200中可进行任意期望数量的迭代。
方法200的第二部分204使用多个存储样本图像提供补偿机制，以便在方法200之第一部分202中的216处进行图像比较之前衰减来自基准图像及样本图像的固定图案噪声(在214处)。具体而言，如图3中250所示，评价通过输出路径219将运动信息自218输出以确定是否发生了运动。为此目的，包括至少二分之一像素运动的运动皆被视为运动。如果图像传感器未相对于一导航表面发生运动，则沿第二部分204中的路径不会采取任何进一步的措施。
若已发生运动，则在图3的260处将会完成第二部分204中的路径，包括将来自方法200之第一部分202的一个最新样本图像存储于图像缓存器162中之一第一动作。当然，在每次发生运动时，最新的样本图像皆存储于图像缓存器162中。
在方法200的262处，图像缓存器162中的所有样本图像皆会定期组合并形成一复合图像，该复合图像中包括所存储图像之每一像素的平均值，其中该平均值具有针对该等图像逐像素进行计算的平均强度值。在一实施例中，约使用100个存储样本图像来形成此复合图像。在本发明之一形式中，当每一样本图像存储于图像缓存器162中时，此样本图像将与先前存储的样本图像进行逐像素平均。以此方式，每一新样本图像皆立即被纳入一由已存储于图像缓存器162中之图像产生的正在使用的样本图像的复合中。用于形成复合图像的图像之数量可不相同(例如，50、100、150、200或更多)且所选数量应与足够大以检测固定图案噪声的特征图像影响的帧的数量相当。可根据独特的固定噪声图案发生的频率及/或使用光电指示装置观测到的固定噪声图案的大小/尺寸以及其它因素来选择用于形成复合图像的帧的数量(一更高数量或一更低数量)。
在本发明之另一形式中的262处，每一样本图像皆存储并收集于图像缓存器162中，随后，仅当已存储了多个帧之后，才会对该等样本图像进行平均以形成一个复合图像。用于形成此复合图像的图像之数量可如上述加以选择。
在方法200中的264处，评价复合图像以鉴别其强度值超出预定噪声阈值的像素位置。该等像素位置被视为固定噪声像素，即，其永久性噪声水平足够高以致可妨碍产生精确运动数据的像素。预定噪声阈值通过图像比较器150可耐受的噪声量来确定。此噪声阈值亦与模数转换器112的性能特征及导航处理器108中的习用图像过滤设定值有关。
基于大量帧(即，样本图像)的平均值形成的一复合图像可增强固定噪声像素与可变噪声像素之间的对比度，这是因为当逐像素对帧与帧之间各不相同的噪声进行平均时会产生一较低强度值，而当逐像素对帧与帧之间基本上处于相同位置的噪声进行平均时会产生一较高强度值。换言之，在许多帧中持续存在于相同位置的高噪声像素在复合图像中显得较其它在许多帧中其位置或强度各不相同的噪声像素更亮一些。此特征使得鉴别更易于进行，且因此可限制运动信息中固定图案噪声导致的误差。
在本发明之一形式中，对任何固定噪声像素或固定噪声图案之检测可通过导航传感器102以一警报的形式传递至一用户，以便于通过清洁或其它措施对光电指示装置100进行维护从而改良所检测的固定噪声。
在266处，自复合图像形成一固定图案噪声地图，其逐像素对应于样本图像及基准图像的像素。在本发明之一形式中，通过输出路径280将该形成地图的固定噪声信息输出至方法200之第一部分202的214处，此处将在于216处进行用于运动计算的图像比较之前使用该固定图案噪声地图来衰减样本图像及基准图像以降低其对固定图案噪声的敏感性。
在此实施例的另一形式中，当在262处形成一复合图像后，该复合图像立即通过输出路径282输出至方法200之第一部分202的214处，以供在于216处进行用于运动计算的图像比较之前衰减来自样本图像及基准图像的固定图案噪声。
因此，方法200的第一部分202连续运作以产生用于光电指示装置之一般运作的运动运算，同时方法200的第二部分204并列运作，且在第一部分202与第二部分204之间一直进行相互作用。具体而言，在每一部分202的每一次迭代时，信息皆以最新样本信息及运动信息之拷贝的形式被传递到第二部分204(通过输出路径219)。此外，诸如一复合图像(在262处产生)或一固定噪声地图(在266处产生)等信息分别通过输出路径282或280传递回第一部分202。
图4为一流程图，其展示一种使用光电指示装置100来衰减固定图案噪声的方法300，就如方法200中于214处进行的部分一般(图3)。在302处，将样本图像和基准图像与一固定图案噪声地图(自方法200第二部分204的266处捕获)进行比较，以鉴别样本图像及基准图像中对应于固定噪声地图中之高噪声像素位置的像素位置。在304处，通过排除样本图像及基准图像中那些对应于固定噪声图案地图上高噪声像素的像素来形成经修改的样本图像及基准图像。在306处，提供该等经过修改的样本图像及基准图像使其相对于彼此相互比较以产生运动数据。当使用导航传感器102来实施方法300时，由导航处理器108的图像比较器152来进行此图像比较。基于经修改样本图像和基准图像之比较的运动数据可通过分离出来自数字图像其余部分的固定图案噪声而产生相对而言不含固定图案噪声的运动信息，从而可仅针对载有不含固定图案噪声的运动信息之像素来进行运动计算。
图5以图形方式展示了固定图案噪声与经修改数字图像(用于图4的方法300中)之一地图，以便在进行运动计算时将永久性高噪声像素与可变噪声像素或低噪声像素分离。方法300可通过导航处理器108中噪声衰减器160之分离器模块164实施(参见图2)，或可通过其它适宜模块来实施。地图350包括固定噪声像素356、正常像素区域352及固定噪声图案区域354。如方法300中所用，区域354的尺寸和形状需经选择以涵盖固定噪声像素356，从而可将其自涵盖可变噪声像素及/或低噪声像素的部分352中分离出来。随后，以固定噪声地图的区域354为指导将样本图像或基准图像360之区域364中的像素(其位置对应于区域354的像素)自其余像素部分362中排除，并由此将此等固定噪声像素自用于产生运动信息的图像比较中排除。
图6为一流程图，其展示一种使用图1所示的光电指示装置100来产生运动数据的方法400，就如方法200中于214处实施的部分一般(图3)。方法400可通过导航处理器108中噪声衰减器160之过滤器模块164实施(参见图2)，或可通过其它适宜系统来实施。在方法400中于402处通过一逻辑运算器施加复合图像(在图3中的方法200之262处产生)，以逐像素调整一基准图像及一样本图像的每一像素值，从而形成经修改的样本及基准图像。该逻辑运算器包括任何一或多种逻辑运算(例如，减法器、乘法器、除法器、加法器)，以将复合图像的像素值逐像素施加至样本图像和基准图像的像素值上，从而可衰减样本图像和基准图像中的固定图案噪声。此运作可将永久性高噪声像素(即，固定噪声像素)有效地自样本图像和基准图像中滤除。
经此过滤后，于方法400的404处，提供该等经过修改的样本图像及基准图像使其相对于彼此相互比较以产生运动数据。当使用导航传感器102实施方法300时，由导航处理器108的图像比较器152来进行此图像比较。基于该等经修改样本图像及基准图像之比较的运动数据可通过逐像素滤除任何量来自数字图像每一像素的固定图案噪声来产生相对而言不含固定图案噪声的运动信息。最后，使用该过滤方法400可不需形成一固定噪声图案地图即能够衰减固定噪声，正如方法300中(图4及图5)或方法200中第二部分204之264、266处(图3)所发生的一般。
图7展示了运作图6之方法400的若干方面。如图7所示，样本图像及基准图像410包括像素411，固定噪声掩码412包括像素413，像素413对应于图像410中像素411之位置。逻辑运算414(例如，减法器、乘法器、除法器、加法器)将复合图像掩码412的像素413之数值施加至样本图像/基准图像410的像素411上，以产生具有像素417的经修改样本图像和基准图像416，其中的固定图案噪声已被滤除。
本发明实施例使得即使当存在来自不同来源的固定噪声图案时亦可通过使用存储样本图像为指导鉴别随时间一直存在的高噪声像素并将其自运动计算中分离出来或将其自样本图像及基准图像中滤除来持续使用光电指示装置。该等实施例对非相干照射或相干照射都很有效。此外，对固定噪声图案或固定噪声像素之检测可用于提醒用户需要以清洁的形式或采取其它措施来进行装置维护。
熟习本项技术的人员应了解，可将光电指示装置100及500(包括导航处理器108及其图像比较器150及/或噪声衰减器160)执行的功能建置于硬件、软件、固件或其任何组合中。此建置可通过一微处理器、可编程逻辑装置或状态机实现。本发明之部件可驻存于一或多个计算机可读媒体中的软件内。本文所用术语计算机可读媒体被定义为包括任何种类的易失性或非易失性存储器，例如，软盘、硬盘、CD-ROM、快闪存储器、只读存储器(ROM)及随机存取存储器。
尽管本文已阐述及说明了若干具体实施例，但熟习本项技术的人员应了解，可以各种替代性及/或等效实施方案来替代所展示的及所阐述的具体实施例且不脱离本发明之范围。本申请案意欲涵盖对本文所讨论的具体实施例的任何改进或修改。因此，本发明仅将受到权利要求书及其等效内容的限制。
权利要求
1.一种用以控制屏幕指针位置之装置，所述装置包括一光源，其配置成用于照射一成像表面，由此产生反射图像；及一导航传感器，其配置为用于基于所述反射图像产生数字图像，基于所述数字图像进行运动计算，并基于所述运动计算产生运动数据，其中所述运动数据可指示所述成像表面与所述装置之间的相对运动，且其中所述运动计算包括衰减所述数字图像中的固定图案噪声。
2.如权利要求1的装置，其中所述导航传感器包括一处理器，所述处理器包括一图像比较器及一噪声衰减器。
3.如权利要求1的装置，其中所述图像比较器包括一图案辩识模块及一交叉相关模块中至少之一，所述图案辩识模块及交叉相关模块各配置为用于比较数字图像以进行所述运动计算。
4.如权利要求2的装置，其中所述噪声衰减器包括一图像缓存器以及至少一噪声分离器与一噪声过滤器其中之一，其中所述图像缓存器配置为用于在导航传感器相对于所述成像表面运动时储存数字图像。
5.如权利要求4的装置，其中所述噪声衰减器定期自存储于所述图像缓存器中的多个图像形成一复合图像，其中将逐像素对所述图像的强度值进行平均以产生所述复合图像。
6.如权利要求5的装置，其中所述噪声衰减器的过滤器配置为用于衰减来自所述数字图像的固定图案噪声，所述衰减通过一逻辑运算将所述复合图像的一平均像素值逐像素施于每一数字图像而达成。
7.如权利要求5的装置，其中所述噪声衰减器配置为用于将所述复合图像中其局部对比度值高于预定对比度阈值的像素位置鉴别为高噪声像素。
8.如权利要求7的装置，其中所述噪声衰减器配置为用于形成一高噪声像素地图以鉴别固定图案噪声区域。
9.如权利要求8的装置，其中所述噪声衰减器的分离器能够在进行运动计算之前自所述数字图像中排除对应于所述固定图案噪声区域中之像素位置的像素。
10.如权利要求1的装置，其中在所述导航传感器中进行所述运动计算包括根据所述数字图像进行实质上连续的运动计算，同时在比较所述运动计算中的连续数字图像之前定期将一固定噪声衰减掩码施加于所述数字图像上。
11.如权利要求10的装置，其中施加所述固定噪声衰减掩码包括形成多个存储数字图像的一复合图像，其中所述复合图像的每一像素皆为所述存储图像像素值的逐像素计算平均值。
12.如权利要求1的装置，其中所述光源包括一至少部分相干的光源。
13.如权利要求1的装置，其中所述光源包括一非相干光源。
14.一种使用一光电指示装置产生运动数据的方法，所述方法包括使用一至少部分相干的光源照射一成像表面，由此产生反射图像；基于所述反射图像产生数字图像；及基于所述数字图像产生运动数据，包括进行衰减所述数字图像中的固定图案噪声的运动计算。
15.如权利要求14的方法，其中进行所述运动计算包括形成存储数字图像的一复合图像，包括增强永久性高噪声像素及可变噪声像素之间的一对比度以根据永久性高噪声像素及可变噪声像素之分布来形成一固定图案噪声地图。
16.如权利要求15的方法，其中进行所述运动计算包括自所述运动计算排除所述数字图像中对应于所述永久性高噪声像素之像素位置的像素位置。
17.如权利要求15的方法，其中形成所述复合图像包括将多个数字图像存储于存储器中并随后自所述多个存储的数字图像逐像素计算所述数字图像之每一像素的平均强度值。
18.如权利要求17的方法，其中进行所述运动计算包括过滤所述运动计算中所述数字图像的像素值，所述过滤系通过一逻辑运算将所述复合图像的像素值逐像素施于所述数字图像而达成。
19.如权利要求14的方法，其中产生运动数据包括连续进行所述运动计算，同时在每一运动计算之前定期将一自存储数字图像之复合图像计算得到的像素值之固定噪声衰减掩码施加于所述数字图像上。
20.一种导航传感器，其用于产生运动数据以控制屏幕指针位置，所述导航传感器包括一传感器阵列，其配置为用于感测由一光源产生的来自一成像表面的反射图像；一模数转换器，其配置为用于基于所述传感器阵列的输出产生数字图像；及一处理器，其配置为用于基于所述数字图像产生运动数据，其中所述运动数据基于运动计算产生，且所述运动计算对所述数字图像中由固定图案噪声引起的效应具有低敏感性。
全文摘要
本发明涉及一种用以控制一屏幕指针位置之装置，其包括一至少部分相干的光源，所述光源用于照射一成像表面，由此产生反射图像。所述装置包括一导航传感器，所述导航传感器用于基于所述反射图像产生数字图像，基于所述数字图像进行运动计算，并基于所述运动计算产生运动数据，其中所述运动数据可指示所述成像表面与所述装置之间的相对运动，且其中所述运动计算包括衰减所述数字图像中的固定图案噪声。
文档编号G06F3/038GK1744018SQ200510064249
公开日2006年3月8日 申请日期2005年4月12日 优先权日2004年9月1日
发明者谢彤, 马歇尔·托马斯·迪普 申请人:安捷伦科技公司
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