一種新型鼠標(biāo)的制作方法
【專利摘要】一種新型鼠標(biāo)，包括一個(gè)攝像頭和主控單元，實(shí)現(xiàn)裸手直接控制鼠標(biāo)，操作時(shí)，手不需要離開鍵盤，直接在鍵盤表面移動(dòng)，以控制光標(biāo)移動(dòng)。該鼠標(biāo)非常適合于工作場合使用。
【專利說明】
一種新型鼠標(biāo)
[0001]技術(shù)領(lǐng)域:本發(fā)明涉及一種用手指直接控制光標(biāo)的鼠標(biāo)裝置。
[0002]【背景技術(shù)】:鼠標(biāo)是電腦上除了鍵盤以外，最重要的外圍輸入裝置之一。光電鼠標(biāo)是最常見的鼠標(biāo)裝置，由于光電鼠標(biāo)是采用光學(xué)技術(shù)來進(jìn)行移動(dòng)位置的判定，因此具有不易沾染灰塵、分辨率高、移動(dòng)順滑等優(yōu)點(diǎn)，故已逐漸取代傳統(tǒng)式的滾輪鼠標(biāo)。
[0003]然而，光電鼠標(biāo)的使用者需要一定的空間來握持鼠標(biāo)沿一平面移動(dòng)，才能有效控制光標(biāo)移動(dòng)，因此必定占去相當(dāng)多空間，使用上并非十分方便，尤其對于常常隨身攜帶的筆記本電腦，要求其盡量輕便、小巧，而鼠標(biāo)則會(huì)占用一定的空間或重量，攜帶、使用時(shí)不夠方便。
[0004]如果既需要打字，又需要使用鼠標(biāo)時(shí)，使用者的手不得不在鍵盤和鼠標(biāo)之間來回移動(dòng)，這會(huì)降低用戶的工作效率。
[0005 ] 針對光電鼠標(biāo)的不足，2014101091614提出了一種新型鼠標(biāo)，可以在鍵盤上直接控制光標(biāo)移動(dòng)，手不需要離開鍵盤，操作很方便，也不占用空間。但是，這種產(chǎn)品需要使用兩個(gè)攝像頭，成本高，如果使用一個(gè)攝像頭，實(shí)現(xiàn)技術(shù)復(fù)雜。為了解決上述問題，本技術(shù)提出一種只用一個(gè)攝像頭的技術(shù)方案，其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)更簡單，成本更低。
[0006]
【發(fā)明內(nèi)容】
:一種用手指直接控制光標(biāo)的鼠標(biāo)裝置，包括一個(gè)攝像頭和主控單元，攝像頭安裝在工作平面?zhèn)让嫔愿哂谄矫娴奈恢?，工作時(shí)，攝像頭連續(xù)工作，如果手指貼在工作區(qū)域表面，則手指(指尖)成像與攝像頭感光材料中央的一個(gè)平行于工作平面的狹長部位，通過分析圖像中手指(指尖)位置是否落在狹長部位，判斷出手指是否貼在工作區(qū)域，手指稍高于工作區(qū)域，也視為貼在工作區(qū)域上;計(jì)算出手指位置或者移動(dòng)速度，如果手指是貼在工作區(qū)域，則根據(jù)手指移動(dòng)速度，主控單元控制光標(biāo)移動(dòng)。其特征是:計(jì)算手指位置或移動(dòng)速度時(shí):用單目測距計(jì)算手指與攝像頭的距離，再通過手指在狹長部位的像的位置，根據(jù)像的位置與物的方位的對應(yīng)關(guān)系，計(jì)算手指的位置或相對位置，或者在連續(xù)圖像中的變化，計(jì)算出移動(dòng)速度;或者通過手指落在背景圖像中的位置，計(jì)算手指位置或者聯(lián)系圖像中的位置變化計(jì)算出速度。
[0007]如圖1所示，攝像頭光軸與工作平面平行或者接近平行，所以工作平面在攝像頭像平面垂直或接近垂直，因此，工作區(qū)域在像平面的成像為一個(gè)狹長區(qū)域(灰色區(qū)域)，狹長區(qū)域的高度取決于攝像頭與工作平面的高度和偏轉(zhuǎn)角度，高度越小，則狹長區(qū)域的高度(豎直方向)也越小，當(dāng)光心O位于工作平面上時(shí)，工作平面在像平面上為一條直線。當(dāng)手指P貼在工作區(qū)域上時(shí)或手指與工作區(qū)域的距離很小時(shí)，手指就會(huì)在狹長區(qū)域上成像P’；手指Q離工作區(qū)域越遠(yuǎn)，則像Q’離狹長區(qū)域越遠(yuǎn)。通過分析像與狹長區(qū)域的距離，可以判斷手指是否在工作區(qū)域上。當(dāng)像落在狹長區(qū)域上時(shí)，分析像在水平方向的位置，計(jì)算出物相對光軸的偏轉(zhuǎn)角Θ。通過單目測距法，測量出物與攝像頭光心的距離P，即可算出物的位置，或者通過連續(xù)圖像中位置，算出位移，根據(jù)位移控制光標(biāo)移動(dòng)。
[0008]工作區(qū)域包括多個(gè)按鍵，形成背景，按鍵表面的字符，構(gòu)成特征點(diǎn)，特征點(diǎn)的大小和位置關(guān)系是固定且已知的，工作區(qū)域上的點(diǎn)與像的位置是一一對應(yīng)，對應(yīng)關(guān)系是已知的或者通過攝像頭標(biāo)定步驟，使用攝像頭參數(shù)計(jì)算出來，然后通過物像在背景中的位置，通過對應(yīng)關(guān)系求出物的位置，或者連續(xù)圖像求出位移。由主控單元控制光標(biāo)移動(dòng)。
[0009]使用單目測距法時(shí)，使用幾何光學(xué)測量法，包括聚焦法和離焦法以及兩者的結(jié)合。單目測距法有很多不同的方法，如幾何相似法，結(jié)構(gòu)光法，輔助法等，本文件中使用幾何光學(xué)測量法，聚焦法指在焦距是可調(diào)的情況下，使被測點(diǎn)處于聚焦位置，成像清晰，然后根據(jù)透鏡成像公式以及攝像頭參數(shù)可求得被測點(diǎn)相對于相機(jī)的距離，以達(dá)到測量目的。本技術(shù)方案中，攝像頭的內(nèi)參數(shù)是已知的，工作時(shí)，攝像頭的位置是固定，鍵盤及特征物(按鍵、字母等)的大小也是固定且已知的，可以利用參照物或者特征物的大小及距離，在工作前，建立定焦模型。定焦模型是物像與距離的關(guān)系，模型可以有多種，例如物像大小或者物像上特征大小與距離的關(guān)系，或者連續(xù)圖像上物像的變化(例如位置與大小的變化)與速度的關(guān)系。鍵盤上的一個(gè)或多個(gè)特定的按鍵可以作為標(biāo)定靶標(biāo)。
[0010]離焦法不要求相機(jī)相對于被測點(diǎn)處于聚焦位置，而是根據(jù)標(biāo)定出的離焦模型計(jì)算被測點(diǎn)相對于相機(jī)的距離。離焦模型有很多種，其中一種是圖像的模糊程度和物體偏離焦點(diǎn)的距離有對應(yīng)關(guān)系，偏離越大，邊緣越模糊;越接近焦點(diǎn)，邊緣越清晰。在本技術(shù)方案的應(yīng)用中，該模型能夠預(yù)先標(biāo)定。在工作時(shí)，可以通過對圖像邊緣清晰度的分析，按照離焦模型，測量出距離。
[0011]測量出距離之后，在連續(xù)圖像中，距離的變化，即可算出速度?；蛘呓⒒谒俣鹊碾x焦模型，建立連續(xù)圖像中邊緣的清晰度的變化與速度的關(guān)系，通過分析連續(xù)圖像邊緣的清晰度的變化，直接計(jì)算出速度。
[0012]工作區(qū)域是鍵盤中央按鍵部位。具體地說，就是TYUGHJB匪這幾個(gè)按鍵的位置，當(dāng)放置在鍵盤上的是標(biāo)準(zhǔn)手型時(shí)，這幾個(gè)按鍵上是空的，沒有手指。這些按鍵上方的字母，可以作為參照物或靶標(biāo)。這些參照物大小和形狀都是固定且已知的，如果攝像頭位置移動(dòng)，則通過鍵盤中央的按鍵進(jìn)行標(biāo)定。
[0013]—個(gè)手指在鍵盤上方向下按下一次，接觸按鍵但不按下按鍵，代表單擊鼠標(biāo)左鍵；按下兩次，接觸按鍵但不按下按鍵，代表單擊鼠標(biāo)右鍵。手指向下的運(yùn)動(dòng)軌跡基本上與像平面平行，與光軸垂直，因此，像的運(yùn)動(dòng)檢測的精度很高。當(dāng)像朝向狹長區(qū)域運(yùn)動(dòng)，且進(jìn)入狹長區(qū)域，但是沒有檢測到按鍵被按下時(shí)，即為單擊鼠標(biāo)左鍵。當(dāng)檢測到兩次這樣的運(yùn)動(dòng)時(shí)，為單擊鼠標(biāo)右鍵。為了更好地與其他動(dòng)作區(qū)分，限定手指為一個(gè)，當(dāng)手從鍵盤外往鍵盤上放時(shí)，有多個(gè)手指從上往下運(yùn)動(dòng)，此時(shí)不做為左右鍵單擊動(dòng)作。
[0014]為了節(jié)約電量，在不使用鼠標(biāo)時(shí)，攝像頭應(yīng)該關(guān)閉，使用時(shí)再打開。打開的方式是:當(dāng)任一按鍵被按下時(shí)，打開攝像頭。本技術(shù)方案中，鼠標(biāo)是與鍵盤是融合的，目的是為了在打字時(shí)的少量鼠標(biāo)操作可以在鍵盤上直接完成，不用移動(dòng)到外接光電鼠標(biāo)或觸摸板上進(jìn)行操作。因此，按鍵被按下時(shí)，同時(shí)開啟鼠標(biāo)。當(dāng)鍵盤操作停止了一段時(shí)間，比如5分鐘后，鼠標(biāo)關(guān)閉，或者屏幕保護(hù)啟動(dòng)時(shí)，電腦休眠時(shí)，鼠標(biāo)關(guān)閉。使用按鍵作為開關(guān)而不是另外設(shè)置一個(gè)開關(guān)，可以節(jié)約成本，同時(shí)通過打字打開鼠標(biāo)而不用專門打開，也方便了操作。
[0015]鍵盤表面為黑色，黑色與手指皮膚的顏色反差明顯，有利于圖像識別。
[0016]確定工作平面上點(diǎn)的物距與像的位置的對應(yīng)關(guān)系，判斷手指的像的位置和測出的手指的距離是否滿足該關(guān)系，從而判斷手指是否與工作平面接觸，該關(guān)系稱為工作平面對應(yīng)關(guān)系。
【附圖說明】
[0017]圖1原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]實(shí)施例1筆記本鼠標(biāo)
采用一顆100M像素的微型攝像頭，尺寸8*8mm，安裝于筆記本電腦鍵盤的F5鍵側(cè)面，光軸與鍵盤表面平行，高于鍵盤表面2mm，鏡頭定焦于GH鍵，手指在GH鍵上時(shí)，能清晰成像，遠(yuǎn)離時(shí)，成像模糊。鏡頭焦距約為6mm，工作區(qū)域?yàn)門YUGHJBM1這幾個(gè)按鍵的上表面，工作區(qū)域在攝像頭上成像為一個(gè)高度約20像素，寬度約200像素的與鍵盤表面平行的圖像。
[0019]采用離焦法進(jìn)行測量，在工作前，建立圖像模糊程度與距離的關(guān)系。在工作時(shí)，攝像頭位置固定不變，焦距不變，因此離焦模型也固定不變。同時(shí)還要建立角度關(guān)系，也就是像在狹長區(qū)域的位置和物體相對于光軸的偏轉(zhuǎn)角度的對應(yīng)關(guān)系。手指的像有多個(gè)點(diǎn)組成，取中心點(diǎn)作為計(jì)算依據(jù)。工作時(shí)，連續(xù)拍攝圖像，如果圖像落在狹長區(qū)域，則采用常規(guī)的邊緣檢測算法對模糊度進(jìn)行分析，按照離焦模型，測算出手指距離；同時(shí)計(jì)算出偏轉(zhuǎn)角度。在以攝像頭光心為原點(diǎn)的極坐標(biāo)系中，長度和角度構(gòu)成了一個(gè)點(diǎn)，代表了在平面上位置，分析連續(xù)圖像中的位置變化，算出速度，將速度數(shù)據(jù)發(fā)送給主控單元，主控單元控制光標(biāo)移動(dòng)。
[0020]如果圖像落在狹長區(qū)域，同時(shí)還落在上下兩側(cè)之外，則判斷手指沒有貼著工作區(qū)域。
[0021]鼠標(biāo)的移動(dòng)需要的不是手指的絕對坐標(biāo)，而是手指的位移或速度，也就是連續(xù)幀中的位置差，以此對測距精度的要求可以適當(dāng)降低，而電腦上光標(biāo)的移動(dòng)和手指的移動(dòng)并不是精確相等，而是一個(gè)大致的對應(yīng)關(guān)系，因此對測距精度的要求并不高，測距采用離焦法可以滿足精度的要求。
[0022]單擊鼠標(biāo)左鍵的方式:一個(gè)手指在鍵盤上，從上往下點(diǎn)擊鍵盤按鍵，但是不按下按鍵，為單擊左鍵;快速點(diǎn)擊兩次，為單擊右鍵。手指做點(diǎn)擊按鍵運(yùn)動(dòng)時(shí)，其圖像的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)為從狹長區(qū)域之外朝向狹長區(qū)域運(yùn)動(dòng)，且接觸到狹長區(qū)域，而且沒有穿透狹長區(qū)域，分析圖像，發(fā)現(xiàn)上述圖像運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，并且沒有按鍵被按下的信號，即視為單擊左鍵，分析圖像，如果發(fā)現(xiàn)了連續(xù)兩次這樣的運(yùn)動(dòng)，即視為單擊右鍵。
[0023]為了便于圖像識別，鍵盤顏色為黑色，字母顏色為藍(lán)色。
[0024]當(dāng)電腦系統(tǒng)休眠，或者鍵盤操作停止5分鐘時(shí)，鼠標(biāo)關(guān)閉；從關(guān)閉狀態(tài)到打開狀態(tài)，只需要任意按鍵被按下。以按鍵作為開關(guān)，一方面可以節(jié)約成本，另一方面可以方便操作，用戶在操作鍵盤時(shí)，同時(shí)打開鼠標(biāo)，而不用特意去打開開關(guān)。
[0025]鼠標(biāo)的操作方法非常方便，食指貼著TYUGHJBM1按鍵的表面移動(dòng)，就可以操作光標(biāo)，食指點(diǎn)擊按鍵表面，但不按下按鍵，為單擊鼠標(biāo)左鍵，快速點(diǎn)擊兩次，為單擊鼠標(biāo)右鍵。這種鼠標(biāo)在同時(shí)需要打字和鼠標(biāo)操作的應(yīng)用場景，比普通光電鼠標(biāo)的使用更加方便。這種鼠標(biāo)可以和普通光電鼠標(biāo)配合使用，在不需要使用鍵盤時(shí)，如瀏覽網(wǎng)頁或看視頻時(shí)，使用普通光電鼠標(biāo);如果在需要同時(shí)使用鍵盤和鼠標(biāo)的應(yīng)用場合，如使用word打字，制作ppt時(shí)，使用這種鼠標(biāo)。這種鼠標(biāo)適用于通常的工作應(yīng)用，不適合娛樂應(yīng)用。
[0026]實(shí)施例2臺(tái)式機(jī)鼠標(biāo)產(chǎn)品是獨(dú)立結(jié)構(gòu)，高約3cm，用usb接口連接電腦，產(chǎn)品用膠帶粘貼在鍵盤的上側(cè)邊。采用一顆10M像素的微型攝像頭，攝像頭高約2.5cm，光軸對準(zhǔn)GH鍵的中間，與鍵盤平面的夾角約15度，工作區(qū)域?yàn)門YUGHJBNM這幾個(gè)按鍵的上表面，工作區(qū)域在攝像頭中能清晰成像，工作區(qū)的像是一個(gè)扁平的梯形，長邊平行于鍵盤，與例I中相比，例I中，由于攝像頭更靠近工作平面，工作區(qū)域的像呈一個(gè)更狹長的帶狀區(qū)域，此例中，由于攝像頭的位置更高，所以工作區(qū)域的像的面積更大，呈一個(gè)扁平的梯形。
[0027]當(dāng)手指貼在工作區(qū)域上時(shí)，手指(指尖)的像必然位于長方形區(qū)域，根據(jù)像的位置可以判斷出手指是否貼在表面。如果是貼在表面，用幀差法對連續(xù)圖像進(jìn)行分析，求出手指的像的位置差，進(jìn)一步求出速度，控制光標(biāo)移動(dòng)。
[0028]本例中，工作區(qū)域的像有一定的高度，因此，當(dāng)手指稍微高于鍵盤表面時(shí)，手指像也會(huì)落在梯形區(qū)域中，這也會(huì)被認(rèn)定為貼在鍵盤表面，這種“誤判斷”的情況并不會(huì)影響應(yīng)用，因?yàn)?，操作時(shí)，用戶更習(xí)慣于貼在鍵盤上操作，而不是懸空操作，因此出現(xiàn)“誤判斷”的機(jī)會(huì)很少。
[0029]實(shí)施例3臺(tái)式機(jī)鼠標(biāo)
鼠標(biāo)安裝在顯示器下邊框的中間，使用一個(gè)100M的攝像頭，光軸大致對著鍵盤中間，由于攝像頭和鍵盤的位置是不固定的，所以必須進(jìn)行標(biāo)定，以確定它們的關(guān)系，因?yàn)殒I盤和按鍵的尺寸是固定的且已知，所以鍵盤可以充當(dāng)標(biāo)定物。當(dāng)檢測到位置變化時(shí)，都需要重新進(jìn)行標(biāo)定。
[0030]物點(diǎn)和像點(diǎn)是一一對應(yīng)的，在標(biāo)定了攝像頭和鍵盤的相對位置之后，可以進(jìn)一步確定像點(diǎn)的位置與物點(diǎn)距離的對應(yīng)關(guān)系。例如，G鍵右上角在圖像中的位置為(200，300)，G鍵與攝像頭的距離為30cm，則位置與距離是一一對應(yīng)的關(guān)系，稱為工作平面對應(yīng)關(guān)系。工作區(qū)域所有的點(diǎn)都具有這種對應(yīng)關(guān)系，工作前，求出所有點(diǎn)的對應(yīng)關(guān)系，作為判斷是否貼著平面的依據(jù)。
[0031 ]測距使用聚焦法，拍攝手指時(shí)，調(diào)節(jié)焦距，使手指清晰成像，根據(jù)透鏡成像公式，算出距離。根據(jù)工作平面對應(yīng)關(guān)系，判斷出手指是否在平面上。例如，手指(指尖)的圖像在(200，300)位置，與G鍵右上角的圖像重合，但是測出的距離為28cm，不是30cm，不滿足對應(yīng)關(guān)系，所以手指不是貼在鍵盤上，實(shí)際上是在鍵盤上方。
[0032]如果判斷手指貼著工作區(qū)域，則使用幀差法，判斷連續(xù)圖像中手指位置的變化，主控單元據(jù)此控制光標(biāo)的移動(dòng)。
[0033]以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并非對本發(fā)明做任何形式上的限制，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)，可以利用上述揭示的方法及技術(shù)內(nèi)容做出些許的更改，但是凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明技術(shù)實(shí)質(zhì)對以上實(shí)施例所做的任何簡單修改、等同變化與修飾，均屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種用手指直接控制光標(biāo)的鼠標(biāo)裝置，包括一個(gè)攝像頭和主控單元，攝像頭安裝在工作平面?zhèn)让嫔愿哂谄矫娴奈恢?，工作區(qū)域在攝像頭感光元件中的成像區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)平行于工作區(qū)域的狹長區(qū)域，工作時(shí)，攝像頭連續(xù)工作，如果手指貼在工作區(qū)域表面，則手指(指尖)成像于上述狹長區(qū)域，通過分析圖像中手指(指尖)位置是否落在狹長部位，判斷出手指是否在工作區(qū)域;計(jì)算出手指距離、位置或者移動(dòng)速度，如果手指是貼在工作區(qū)域，則根據(jù)手指移動(dòng)速度，主控單元控制光標(biāo)移動(dòng)，其特征是:計(jì)算手指距離、位置或移動(dòng)速度時(shí):用單目測距計(jì)算手指與攝像頭的距離，再通過手指在狹長部位的像的位置，根據(jù)像的位置與物的方位的對應(yīng)關(guān)系，計(jì)算手指的位置或相對位置，或者在連續(xù)圖像中的變化，計(jì)算出移動(dòng)速度;或者通過手指落在背景圖像中的位置，計(jì)算手指位置或者聯(lián)系圖像中的位置變化計(jì)算出速度。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鼠標(biāo)裝置，其特征是:所述的單目測距法為幾何光學(xué)測量法，包括聚焦法和離焦法以及兩者的結(jié)合。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鼠標(biāo)裝置，工作區(qū)域是鍵盤中央按鍵。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的鼠標(biāo)裝置，其特征是:其特征是:鍵盤上的一個(gè)或多個(gè)特定的按鍵為標(biāo)定特征物。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鼠標(biāo)裝置，其特征是:如果攝像頭位置移動(dòng)，則通過鍵盤特征物進(jìn)行標(biāo)定。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鼠標(biāo)裝置，其特征是:一個(gè)手指在鍵盤上朝下按下一次，接觸到按鍵但不按下按鍵，代表單擊鼠標(biāo)左鍵;按下兩次，接觸到按鍵但不按下按鍵，代表單擊鼠標(biāo)右鍵。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鼠標(biāo)裝置，其特征是:鍵盤表面為黑色。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鼠標(biāo)裝置，其特征是:確定工作平面上點(diǎn)的物距與像的位置的對應(yīng)關(guān)系，判斷手指的像的位置和測出的手指的距離是否滿足該關(guān)系，從而判斷手指是否與工作平面接觸。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鼠標(biāo)裝置，其特征是:當(dāng)按鍵被按下時(shí)，打開鼠標(biāo)。
【文檔編號】G06F3/0354GK106020519SQ201610553738
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月14日
【發(fā)明人】不公告發(fā)明人
【申請人】胡世曦