專利名稱：觸摸屏定位裝置及其定位方法
技術領域：
本發明涉及一種使用攝像頭或圖像感應器的定位裝置，特別是涉及一種用作觸摸屏的攝像頭或圖像感應器屏幕定位裝置及其定位方法。
背景技術：
現有的使用攝像頭的觸摸屏定位裝置，其系統組成主要有兩種形式一種是使用兩個或兩個以上的數字攝像頭如CCD攝像頭連續獲取目標圖像，然后利用數字信號處理器(DSP)對每個攝像頭獲得的圖像進行處理，最后對圖像進行合成分析計算出目標物在屏幕上的位置坐標。類似的技術在申請號為200510100255.6國內專利中有敘述。
采用這種方案，雖然可以不使用有源發光筆，定位也比較準確，但同時也存在以下幾個方面的不足一、系統結構較為復雜，需要多個攝像頭同時工作，并需要解決不同攝像頭之間的圖像同步問題。
二、圖像處理算法以及定位算法均較復雜。
三、成本較高。
另外一種形式是使用單個攝像頭，通過有源的發光筆在屏幕上產生圖像點，攝像頭獲取圖像點的圖像后送到數字信號處理器(DSP)中進行處理，最后對圖像進行分析，計算出目標圖像在屏幕上的位置坐標。如申請號為200410077389.6的國內專利公開了一種用于背投顯示的使用單個攝像頭的定位裝置和校準方法；申請號為99110572.9的國內專利就公開了一種基于大屏幕顯示的“光電虛擬黑板”系統，它采用頭部帶有可控紅外點狀光源的光筆指示棒作為圖像信號的產生設備，通過帶有CCD攝像器件的視頻處理裝置獲取圖像信號，使用計算機來處理圖像的位置信息和指令信息。
采用這種方案，雖然系統結構比上一種方案簡單，成本有所降低，但由于自身原理的限制，仍然存在以下幾點問題
一、需要使用有源的發光筆作為圖像信號的產生設備，因此需要經常更換電池或充電，實際使用中極為不便；另外，發光筆作為必備的設備，一旦遺失或損壞就會造成定位裝置無法使用，極大的限制了使用的靈活性與便利性。
二、容易受到外界環境光的干擾。使用此種方案，當外界環境光稍強時系統就會出現定位不準甚至無法使用的狀況。
因此，對現有技術進行改進，能夠提供一種結構簡單、使用靈活便利、抗干擾能力強、成本較低的屏幕定位裝置實為必要。
發明內容本發明的目的是提供一種結構簡單、使用靈活便利、抗干擾能力強、成本較低的屏幕定位裝置。
為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案一種使用攝像頭或圖像感應器的屏幕定位裝置，其包括與屏幕平行設置的單色線狀光源，單個含有光學鏡頭和單色濾光片的數字攝像頭或圖像感應器，其中單色濾光片作為可選件；以及包含有預處理電路和單片機或其它信號處理器芯片，用來處理信號、計算坐標位置的高亮光斑檢測處理模塊。單色線狀光源安裝在屏幕任一側面或任一角落且靠近屏幕邊緣，發出與屏幕平行、盡可能貼近屏幕并且可以覆蓋到整個屏幕顯示區域的線狀單色光，數字攝像頭或圖像感應器安裝在離屏幕一定距離并且可以拍攝到整個屏幕的位置。當操作物體在屏幕上操作時，就會遮擋單色線狀光源所發出的光線，并在操作物體上形成一個單色亮斑，裝有單色濾光片的數字攝像頭或圖像感應器捕捉到該亮斑，經過光學鏡頭的成像轉換后，輸出圖像信號或數據至高亮光斑檢測處理模塊，在該模塊中對光斑圖像進行亮度檢測、篩選，提取出亮斑圖像的特征數據，并根據提取的特征數據進行位置坐標計算，高亮光斑檢測處理模塊或計算機根據定位校準時獲得的位置修正參數對算出的位置坐標進行校準修正，以此作為操作物體的位置坐標交給計算機處理。
上述單色線狀光源可以是經過線狀處理的激光光源，也可以是經過單色處理的其它類型光源；既可以采用可見光單色光源，也可以采用紅外或紫外單色光源。考慮到線狀光源的扇角和亮度問題，該光源可以采用單個光源，也可以采用兩個或兩個以上的組合光源；如果采用單個光源，可以使用亮度足夠且扇角大于90°的線狀光源安裝在顯示屏幕的任一角落。數字攝像頭或圖像感應器所使用的單色濾光片僅允許與光源發出的光顏色相同的光進入，當光源的亮度足夠時，也可以不選用單色濾光片。
采用本發明技術方案的觸摸屏定位裝置既可以應用于前投影顯示的觸摸屏或背投影顯示的觸摸屏，也可以應用于平板顯示(如LCD、PDP等)或其它類型的顯示的觸摸屏。
本發明觸摸屏定位裝置在初次使用或有需要的時候可以進行定位校準，通過計算確定校準圖樣的位置參數，形成操作體的位置修正參數，用來修正由于攝像頭或圖像感應器安裝誤差以及使用環境變化所帶來的定位誤差，這種定位校準可以在高亮光斑檢測處理模塊中完成，也可以由計算機軟件來完成。
與現有技術相比，本發明有如下有益效果一、本發明屏幕定位裝置可以僅采用單個數字攝像頭或圖像感應器來獲得圖像，相對于現有技術需要兩個或兩個以上的攝像頭或圖像感應器，可以大大簡化定位裝置的結構，從而降低成本。
二、本發明屏幕定位裝置不需要使用有源的發光筆作為圖像信號發生設備，操作物體可以是手指、粉筆或其它的物體，因此極大的改善了定位裝置的使用靈活性與便利性。
三、本發明屏幕定位裝置采用單色光源和可選的單色濾光片，提高系統抗外界光干擾的能力，極大地提高了攝像頭或圖像感應器定位裝置的環境適應性。
圖1是本發明觸摸屏定位裝置的第一種結構示意圖；圖2是本發明觸摸屏定位裝置的第二種結構示意圖；圖3是亮斑中心點位置計算示意圖；圖4是本發明觸摸屏定位裝置圖像處理計算流程圖。
具體實施方式請參照圖1，是本發明觸摸屏定位裝置的第一種結構示意圖，顯示屏幕101可以是前投影顯示系統的投影屏幕，也可以是平板顯示器件如PDP、LCD的顯示屏幕或其它類型的顯示屏幕。與顯示屏幕101平行設置的單色線狀光源102安裝在顯示屏幕任一側面或任一角落并靠近屏幕101的邊緣，使得發出的線狀單色光不僅與屏幕平行、盡可能貼近屏幕，而且可以覆蓋到整個屏幕顯示區域，該光源可以是經過線狀處理的激光光源，也可以是經過單色處理的其它類型光源；既可以是可見光單色光源，也可以是紅外或紫外單色光源。考慮到線狀光源的扇角和亮度問題，該光源可以采用單個光源，也可以采用兩個或兩個以上的組合光源；如果采用單個光源，可以使用亮度足夠且扇角大于90°的線狀光源安裝在顯示屏幕的任一角落。含有光學鏡頭和單色濾光片的數字攝像頭或圖像感應器103安裝在離顯示屏幕101的前方有一定距離并且可以拍攝到整個屏幕的位置上。其中單色濾光片作為可選件，僅允許與光源發出的光顏色相同的光進入；當線狀光源102的亮度足夠時，可以不使用單色濾光片。虛線107和108表示數字攝像頭或圖像感應器103所能拍攝的范圍。
如圖1所示，單色線狀光源102發出與屏幕平行的線狀單色光，當操作物體106在屏幕上操作時，就會遮擋單色線狀光源102所發出的光線，并在操作物體106上形成一個單色亮斑，裝有單色濾光片的數字攝像頭或圖像感應器103捕捉到該亮斑，經過光學鏡頭的成像轉換后，輸出圖像信號或數據至包含有預處理電路和單片機或其它信號處理器芯片的高亮光斑檢測模塊104，在該模塊中對光斑圖像進行運算處理，計算亮斑中心點位置坐標，高亮光斑檢測處理模塊或計算機根據定位校準時獲得的位置修正參數對算出的位置坐標進行校準修正，計算完成后將結果交給計算機105執行。
圖3表示的是亮斑中心點位置計算示意圖，301是數字攝像頭或圖像感應器捕捉的亮斑圖像，302以及圖中虛線所指的黑點是一部分經過信號處理程序亮度檢測、篩選后，提取出來的亮斑圖像的特征數據，算法程序使用特征數據擬合得到一段圓弧303，圓弧的圓心304就是擬合的亮斑圖像中心點，所述獲得亮斑圖像中心點的方法為現有技術。
本發明觸摸屏定位裝置的圖像處理計算流程參見圖4，主要有如下步驟
1.數字攝像頭或圖像感應器捕捉亮斑圖像；2.信號處理程序處理亮斑圖像信號或數據；3.坐標計算程序根據圖像中特征值計算亮斑中心坐標位置；4.根據定位校準時獲得的位置修正參數對坐標數據進行校準修正；5.計算出的結果交給計算機處理。
結合上述內容可以得出本實施例所述觸摸屏定位裝置的定位方法，包括如下步驟a、單色線狀光源102發出的線狀單色光貼近顯示屏幕101，操作物體106在顯示屏幕101上操作時，遮擋線狀單色光，并在該操作物體上形成單色亮斑；b、數字攝像頭或圖像感應器103捕捉到所述亮斑的圖像，經過光學鏡頭的成像和數字圖像傳感器的轉換，輸出圖像信號或者數據；c、高亮光斑檢測處理模塊104接收到所述圖像信號或者數據，對亮斑圖像進行亮度檢測、篩選，提取出亮斑圖像的特征數據，并依此計算亮斑圖像中心點位置坐標；e、計算機接收所述位置坐標，根據操作物體的操作，控制顯示裝置在顯示屏幕上顯示操作物體的操作結果。
本發明觸摸屏定位裝置在初次使用或有需要的時候可以進行定位校準，用來修正由于攝像頭或圖像感應器安裝誤差以及使用環境變化所帶來的定位誤差，這種定位校準可以在高亮光斑檢測處理模塊中完成，也可以由計算機軟件來完成。所以可以在上述步驟c、e之間增加步驟d、高亮光斑檢測處理模塊104或計算機根據定位校準時獲得的位置修正參數對步驟c算出的位置坐標進行校準修正，以此作為操作物體的位置坐標。
圖2是本發明觸摸屏定位裝置的第二種結構示意圖，在背投影顯示系統中，投影顯示設備201發出的光線照射在顯示屏幕202上，圖中虛線表示投影圖像的顯示范圍。平行于顯示屏幕202的單色線狀光源203安裝在顯示屏幕202任一側面或任一角落并靠近屏幕的邊緣，可以發出與屏幕201平行、盡可能貼近屏幕并且可以覆蓋到整個屏幕顯示區域的線狀單色光，該光源可以是經過線狀處理的激光光源，也可以是經過單色處理的其它類型光源，考慮到線狀光源的扇角和亮度問題，該光源可以采用單個光源，也可以采用兩個或兩個以上的組合光源；如果采用單個光源，可以使用亮度足夠且扇角大于90°的線狀光源安裝在顯示屏幕的任一角落。含有光學鏡頭和單色濾光片的數字攝像頭或圖像感應器204安裝在投影顯示設備的同側，其距離顯示屏幕202有一定距離并且可以拍攝到整個屏幕。其中單色濾光片作為可選件，僅允許與光源發出的光顏色相同的光進入；當線狀光源203的亮度足夠時，可以不使用單色濾光片。單色線狀光源203發出與屏幕平行的線狀單色光，當操作物體205在屏幕上操作時，就會遮擋單色線狀光源203所發出的光線，并在操作物體205上形成一個單色亮斑，裝有單色濾光片的數字攝像頭或圖像感應器204捕捉到該亮斑，經過光學鏡頭的成像和數字圖像傳感器的轉換，輸出圖像信號或數據至包含有預處理電路和單片機或其它信號處理器芯片的高亮光斑檢測處理模塊206，在該模塊中對光斑圖像進行亮度檢測、篩選，提取出亮斑圖像的特征數據，并根據提取的特征數據進行位置坐標計算，高亮光斑檢測處理模塊或計算機根據定位校準時獲得的位置修正參數對算出的位置坐標進行校準修正，計算完成后將結果交給計算機207執行。使用這種觸摸屏定位裝置也可以較容易的進行定位校準，這種定位校準可以在高亮光斑檢測處理模塊中完成，也可以在計算機中由軟件來完成。
對于本發明所采用的技術方案，基于實驗測試效果，我們認識到，如要改善亮斑圖像的識別效果，提高觸摸定位的精度，在有需要的情況下，可以通過改善操作體在屏幕上移動的姿態或者對操作體的外形形狀作必要的改進等方式來實現。
以上所述僅為本發明的較佳實施例，事實上，采用兩個或兩個以上的攝像頭或圖像感應器也可以較好地實現本發明的效果；對于顯示面積較大的觸摸屏，可以將觸摸屏劃分為小的區域，每個區域由與其對應的單個攝像頭或圖像感應器進行拍攝；在單色光源的選用以及安裝排布上也可以選擇多種不同的形式等等，本發明的保護范圍并不局限于此，本領域中的技術人員任何基于本發明技術方案上非實質性變更均包括在本發明保護范圍之內。
權利要求
1.一種觸摸屏定位裝置，包括顯示屏幕(101)、單個數字攝像頭或圖像感應器(103)，其特征在于單色線狀光源(102)設置在顯示屏幕(101)的任一側面或任一角落，單色線狀光源(102)發出的線狀單色光與顯示屏幕(101)平行且盡可能地貼近顯示屏幕，單色線狀光可以覆蓋到整個屏幕顯示區域；數字攝像頭或圖像感應器(103)安裝在離開顯示屏幕一定距離且可以拍攝到整個顯示屏幕的位置；高亮光斑檢測處理模塊(104)連接在數字攝像頭或圖像感應器(103)與計算機(105)之間。
2.根據權利要求1所述的一種觸摸屏定位裝置，其特征在于單色線狀光源(102)靠近顯示屏幕(101)的邊緣且與顯示屏幕(101)平行安裝。
3.根據權利要求1或2所述的一種觸摸屏定位裝置，其特征在于數字攝像頭或圖像感應器(103)上裝有單色濾光片。
4.根據權利要求1或2所述的一種觸摸屏定位裝置，其特征在于單色線狀光源(102)可以是單個光源，也可以是兩個或者兩個以上的組合光源。
5.根據權利要求1或2所述的一種觸摸屏定位裝置，其特征在于單色線狀光源可以是可見光單色光源，也可以是紅外或紫外單色光源。
6.根據權利要求1或2所述的一種觸摸屏定位裝置，其特征在于觸摸屏既可以是前投影顯示或背投影顯示，也可以是平板顯示。
7.根據權利要求1或2所述的一種觸摸屏定位裝置，其特征在于對于顯示面積較大的觸摸屏，可以將觸摸屏劃分為小的區域，每個區域由與其對應的單個攝像頭或圖像感應器進行拍攝。
8.一種如權利要求1所述觸摸屏定位裝置的定位方法，包括如下步驟a、單色線狀光源(102)發出的線狀單色光貼近顯示屏幕(101)，操作物體(106)在顯示屏幕(101)上操作時，遮擋線狀單色光，并在該操作物體上形成單色亮斑；b、數字攝像頭或圖像感應器(103)捕捉到所述亮斑的圖像，經過光學鏡頭的成像和數字圖像傳感器的轉換，輸出圖像信號或者數據；c、高亮光斑檢測處理模塊(104)接收到所述圖像信號或者數據，對亮斑圖像進行亮度檢測、篩選，提取出亮斑圖像的特征數據，并依此計算亮斑圖像中心點位置坐標；e、計算機接收所述位置坐標，根據操作物體的操作，控制顯示裝置在顯示屏幕上顯示操作物體的操作結果。
9.根據權利要求8所述觸摸屏定位裝置的定位方法，其特征在于在所述步驟c、e之間增加步驟d、高亮光斑檢測處理模塊(104)或計算機根據定位校準時獲得的位置修正參數對步驟c算出的位置坐標進行校準修正，以此作為操作物體的位置坐標。
全文摘要
本發明公開了一種觸摸屏定位裝置及其定位方法，包括顯示屏幕、單個數字攝像頭或圖像感應器，單色線狀光源設置在顯示屏幕的任一側面或任一角落，單色線狀光源發出的線狀單色光與顯示屏幕平行且盡可能地貼近顯示屏幕，單色線狀光可以覆蓋到整個屏幕顯示區域；數字攝像頭或圖像感應器安裝在離開顯示屏幕一定距離且可以拍攝到整個顯示屏幕的位置；高亮光斑檢測處理模塊連接在數字攝像頭或圖像感應器與計算機之間。本發明可以僅采用單個數字攝像頭或圖像感應器來獲得圖像，簡化了結構；不需要進行圖像同步處理，簡化了定位算法；不需要有源發光筆作為圖像信號發生設備，使用靈活、方便；采用單色光源，提高了系統的抗外界光干擾能力。
文檔編號H04N5/14GK1928799SQ20061012246
公開日2007年3月14日 申請日期2006年9月27日 優先權日2006年9月27日
發明者盧如西, 李軍明 申請人:廣東威創日新電子有限公司