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光标 定位系统

阅读：14发布：2023-02-25

专利汇可以提供光标定位系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本实用新型揭示一种光标定位系统，通过一图像摄取单元与随机拍摄的物体间的相对三维运动来驱动光标的运动；随机拍摄的物体作为所述图像摄取单元三维运动的瞬时测量基准；所述图像摄取单元的三维运动引起其视野中随机拍摄的物体的像点的运动；根据随机拍摄的物体的像点的二维运动驱动光标的运动；其包括图像摄取单元、图像处理及解算单元、数据发送单元、数据接收单元、处理单元。本实用新型通过摄像装置的相对与其拍摄物体的运动驱动光标移动，用户无需以平整的桌面为依托，可以在空间范围内随心所欲地使用。，下面是光标定位系统专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种光标定位系统，其特征在于，其包括：
图像摄取单元，用以拍摄图像，并把拍摄的各帧图像发送至一图像处理及解算单元；
图像处理及解算单元，用以把所述图像摄取单元与随机拍摄的物体间的相对三维运动处理成光标位置补偿数据，而后传输至一数据发送单元；所述图像摄取单元的三维运动引起其视野中随机拍摄的物体的像的运动，根据所述随机拍摄的物体的像的二维运动驱动光标的运动；
数据发送单元，用以把所述计算得到的光标位置补偿发送至一数据接收单元；
数据接收单元，用以接收数据发送单元发送的光标位置补偿，并把该光标位置补偿发送至一处理单元中；
处理单元，用以驱动光标在相应位置显示。
2.根据权利要求1所述的光标定位系统，其特征在于：
所述系统包括输入控制单元，所述输入控制单元包括所述图像摄取单元；
所述输入控制单元包括摄像装置及至少一控制按键；
在所述控制按键上设置操作功能。
3.根据权利要求2所述的光标定位系统，其特征在于：
所述输入控制单元包括一呈笔状的壳体；
在该壳体头部设置摄像装置；
在该壳体的侧边设置至少三个按键，其功能分别设置为普通鼠标的左键、右键、及电源开关。
4.根据权利要求2所述的光标定位系统，其特征在于：
所述输入控制单元包括一便于戴在手指上的指环、设置在该指环上的摄像装置、与所述指环分开设置的按键单元；
所述按键单元至少包括三个按键，其功能分别设置为普通鼠标的左键、右键、及电源开关。
5.根据权利要求4所述的光标定位系统，其特征在于：
所述按键单元设置于键盘上、或者为与其他机构分离的单独的一部分。

说明书全文

光标 定位系统

技术领域

[0001] 本实用新型属于电子信息技术领域，涉及一种定位系统，尤其涉及一种光标定位系统。

背景技术

[0002] 现有的计算机鼠标，按照结构来分通常分为机械鼠标、光电鼠标。

[0003] 机械鼠标在出现之初，是通过滑动电位器来判断它的移动方向，所以它的灵敏度低、磨损大。但是随着技术的进步，机械鼠标吸收了光电鼠标的一些设计，由纯机械式结构发展成为了光学机械式鼠标，光学机械式鼠标采用了与纯机械式鼠标不同的编码器，并使用了一个滚球靠在两个转轴上的结构。经过多年的发展，光学机械式鼠标成为了目前技术最为成熟的一种鼠标，结构简单、成本低廉，到现在仍然是市场上享有一定份额。

[0004] 光电鼠标是1981年由Dick Lyon和Steve Kirsch实用新型的，这种没有滚球的鼠标采用光学定位，最初的光电必须和特殊额垫板配合才能使用，造成诸多不便。随着技术的进步，光电鼠标最终抛弃了垫板，工作的时候通过发送一束红色的光线照射到桌面上，然后通过桌面不同颜色或凹凸点的运动和反射来判断鼠标的运动。光电鼠标的精度相对来说要高一些，再加上重量轻，不用定期清洁鼠标，因此以前常用于需要精确定位的设计领域。目前随着成本的降低，也逐渐推广开来。

[0005] 上述两种鼠标的缺陷在于，均需要放在一个平整的接触面上，通过该接触面来完成移动光标的操作，因此用户不得不在一个狭小的空间内操作；常此以往，容易生成职业病，对用户的健康有不利影响。

[0006] 此外，有一种空中鼠标，是基于陀螺和加速度计来实现，这种鼠标价格过于昂贵。实用新型内容

[0007] 本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种光标定位系统，可以随心所欲的在空间范围内使用。

[0008] 为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：

[0009] 一种光标定位系统，其包括图像摄取单元、图像处理及解算单元、数据发送单元、数据接收单元、处理单元；图像摄取单元用以拍摄图像，并把拍摄的各帧图像发送至一图像处理及解算单元；图像处理及解算单元用以把所述图像摄取单元与随机拍摄的物体间的相对三维运动处理成光标位置补偿数据，而后传输至一数据发送单元；所述图像摄取单元的三维运动引起其视野中随机拍摄的物体的像的运动，根据所述随机拍摄的物体的像的二维运动驱动光标的运动；数据发送单元用以把所述计算得到的光标位置补偿发送至一数据接收单元；数据接收单元用以接收数据发送单元发送的光标位置补偿，并把该光标位置补偿发送至一处理单元中；处理单元用以驱动光标在相应位置显示。

[0010] 作为本实用新型的一种优选方案，所述随机拍摄的物体作为所述图像摄取单元三维运动的瞬时测量基准。

[0011] 作为本实用新型的一种优选方案，所述图像处理及解算单元记录第i帧图像中瞬时测量基准的像点的位置；所述图像处理及解算单元通过模板匹配的方法寻找所述瞬时测量基准在第i+1帧图像中的像点；所述图像处理及解算单元根据上述两像点的位置计算随机拍摄的物体的像点的二维运动。

[0012] 作为本实用新型的一种优选方案，所述图像摄取单元把拍摄的第i帧图像发送至图像处理及解算单元；每经过一次拍摄，i的值加1；所述图像处理及解算单元取得瞬时测量基准的像点，并把其位置赋予位置C；所述图像处理及解算单元在第i+1帧图像中匹配寻找在拍摄第i帧时的瞬时测量基准的像点；若匹配寻找瞬时测量基准的像点成功，把匹配寻找成功的最佳匹配位置赋予位置D；位置偏移向量V’＝D-C；光标位置Q＝Q’+V；其中，Q为本次移动后的光标位置，Q’为本次移动前的光标位置；V为光标位置补偿量，V＝k*V’，k为比例系数。

[0013] 作为本实用新型的一种优选方案，所述图像摄取单元为摄像机；选取位于摄像机光轴Z轴上的空间点P(0，0，z)作为摄像机三维运动的瞬时测量基准；所述瞬时测量基准的像点位于像平面的中心。

[0014] 作为本实用新型的一种优选方案，所述图像摄取单元摄取i帧图像时，取图像摄T取单元的坐标系为相对坐标系o0；取该坐标系中取位于z轴上的点P([00z])作为瞬时测量基准，瞬时测量基准P的像位于像平面的中心p0(00)；

[0015] 图像摄取单元发生运动(Rt)后，形成新的坐标系o1，此时摄取第i+1帧图像，瞬时测量基准P的像的位置移动到p1(u v)；线性摄像机成像模型

[0016]

[0017]

[0018]

[0019] 即：

[0020]

[0021]

[0022] 其中，为摄像机内参数矩阵；为摄像机旋转矩阵；为摄像机平动矩阵；X为瞬时测量基准在坐标系o0中的坐标；为瞬时测量基准的像点在像坐标系中的坐标；s为比例常数。

[0023] 作为本实用新型的一种优选方案，所述输入控制单元包括摄像装置及至少一控制按键；在所述控制按键上设置操作功能。

[0024] 作为本实用新型的一种优选方案，所述输入控制单元包括一呈笔状的壳体；在该壳体头部设置摄像装置；在该壳体的侧边设置至少三个按键，其功能分别设置为普通鼠标的左键、右键、及电源开关。

[0025] 作为本实用新型的一种优选方案，所述输入控制单元包括一便于戴在手指上的指环、设置在该指环上的摄像装置、与所述指环分开设置的按键单元；所述按键单元至少包括三个按键，其功能分别设置为普通鼠标的左键、右键、及电源开关。所述按键单元设置于键盘上、或者为与其他机构分离的单独的一部分。

[0026] 本实用新型的有益效果在于：本实用新型揭示的光标定位系统，用户无需以平整的桌面为依托，可以在空间范围内随心所欲地使用。同时，本实用新型可以随机拍摄物体，无需仅拍摄设定的参照物。附图说明

[0027] 图1为实施例一中光标定位系统的组成示意图。

[0028] 图2为实施例一中光标定位系统定位方法的流程图。

[0029] 图3为本实用新型的工作原理示意图。

[0030] 图4-1、图4-2为实施例四中输入控制单元的结构示意图。

[0031] 图5-1、图5-2为实施例五中输入控制单元的结构示意图。

[0032] 图6为实施例六中光标定位系统的组成示意图。

[0033] 附图标记说明：

[0034] 10：光标定位系统 11：图像摄取单元

[0035] 111：壳体 112：摄像装置

[0036] 113：按键 114：按键

[0037] 115：按键 116：摄像装置

[0038] 117：指环 12：图像处理及解算单元

[0039] 13：数据发送单元 14：数据接收单元

[0040] 15：处理单元 20：电子产品

具体实施方式

[0041] 下面结合附图详细说明本实用新型的优选实施例。

[0042] 实施例一

[0043] 【工作原理】

[0044] 本实用新型通过摄像机的运动驱动光标运动。在详细阐述本实用新型前，首先说明本实用新型的工作原理，即为何光标的运动是摄像机运动的反映。

[0045] 依据摄影成像理论，摄像机的运动和目标物体的像的运动之间有某种关系。如果只考虑位于摄像机光轴上的目标物体，则可以发现其像的运动和摄像机的运动之间的关系大大简化了。这里以摄影成像原理为理论基础，研究摄像机的运动、位于摄像机光轴上的目标物体的像的运动、光标运动三者之间的关系，实现对光标运动的控制。

[0046] 1、位于摄像机光轴上的目标物体的像的运动和摄像机运动的关系。

[0047] 线性摄像机成像模型：其中为摄像机内参数矩阵；为摄像机旋转矩阵；为摄像机平动矩阵；X为瞬时测
量基准在坐标系o0中的坐标；为瞬时测量基准的像点在像坐标系中的坐标；s为比例常数。

[0048] 如图3所示，假定相机摄取i帧图像时的相机坐标系为世界坐标系o0(i为整数，T每经过一次拍摄，i的值加1)，取该坐标系中取位于z轴上的点P([00z])作为考察的目标点，此时目标点p的像位于像平面的中心p0(00)。相机发生运动(Rt)后，形成新的摄像机坐标系o1，此时摄取第i+1帧图像，p的像的位置移动到p1(u v)：

[0049]

[0050]

[0051]

[0052] 即：

[0053]

[0054]

[0055] 上式表明，摄像机从拍i帧到i+1帧时，产生了运动(Rt)，并由此引起了p(00z)点的像的运动[uv]。p(00z)点的像的运动[uv]和摄像机的运动(Rt)以及p(00z)的z坐标值有关系。

[0056] 2、光标的运动控制。

[0057] 在空中鼠标的图像处理中，用匹配的方法寻找相邻两帧图像中的p(00z)点。因此p(00z)点是一个统计量，和物理意义上真实的物体上的某一点没有直接的对应关系。由于是在一个图像窗口中统计求出p(00z)点，因此p(00z)点的位置和由整个统计窗口中所有的物体来决定。这和物理意义上的点的坐标的一个区别是p(00z)点的z坐标值是一个缓慢变化的非跳变的量。结合上式，可以看出，p(00z)点的像的运动[uv]主要决定因素是摄像机自身的运动(Rt)。而摄像机自身的运动(Rt)是用户完全可以控制的因素。另外，由于用户不可控因素z的存在，p(00z)点的像的运动[uv]是摄像机本身运动的一个不精确的反映，如果用p(00z)点的像的运动[uv]来驱动光标，光标的运动也是摄像机运动的不精确的反映。虽然不是绝对精确，毫无疑问，其可以反映摄像机运动的趋势。这种用摄像机的运动驱动光标的方法，和用毛笔来写字有类似之处，手的运动轨迹显然和要写的字的形状有差异的，虽然这个差异存在，还是可以随心所欲地描绘出一幅漂亮的书法。

[0058] 【系统组成】

[0059] 如图1所示，本实用新型揭示了一种光标定位系统10，包括图像摄取单元11、图像处理及解算单元12、数据发送单元13、数据接收单元14、处理单元15。

[0060] 图像摄取单元11用以拍摄图像，并把拍摄的各帧图像发送至一图像处理及解算单元12。本实施例中，用户通过移动图像摄取单元11，使得图像摄取单元11与拍摄物体间产生相对三维运动；当然也可以通过移动拍摄物体，使图像摄取单元11与拍摄物体间产生相对三维运动。

[0061] 图像处理及解算单元12用以把所述图像摄取单元11与随机拍摄的物体间的相对三维运动处理成光标位置补偿数据，而后传输至数据发送单元13；所述图像摄取单元11的相对三维运动引起其视野中随机拍摄的物体的像的运动，所述随机拍摄的物体作为所述图像摄取单元11三维运动的瞬时测量基准，根据所述随机拍摄的物体的像的二维运动驱动光标的运动。

[0062] 数据发送单元13用以把所述计算得到的光标位置补偿发送至数据接收单元14。

[0063] 数据接收单元14用以接收数据发送单元13发送的光标位置补偿，并把该光标位置补偿发送至处理单元15中。

[0064] 处理单元用15以驱动光标在相应位置显示。本实施例中，该处理单元15作为包含所述光标定位系统10的电子产品20的一部分。

[0065] 【定位方法】

[0066] 本实用新型揭示一种光标定位方法，该方法通过一图像摄取单元11与随机拍摄物体间的相对三维运动来驱动光标的运动；即，可以是图像摄取单元11运动，也可以是图像摄取单元11所拍摄物体运动。

[0067] 本实施例中，把所述随机拍摄的物体作为所述图像摄取单元11三维运动的瞬时测量基准。所述图像摄取单元11的三维运动引起其视野中随机拍摄的物体的像点的二维运动；本实用新型根据所述随机拍摄的物体的像点的二维运动驱动光标的运动。

[0068] 所述图像摄取单元11可为摄像机。由上述工作原理可知，选取位于摄像机光轴Z轴上的点作为摄像机三维运动的瞬时测量基准可更加精确地反映摄像机的运动。因此，本实施例中，选取位于摄像机光轴Z轴上的空间点P(0，0，z)作为摄像机三维运动的瞬时测量基准，所述瞬时测量基准的像点位于像平面的中心。

[0069] 此外，获取随机拍摄的物体的像点的二维运动的方法为：记录第i帧图像中瞬时测量基准的像点的位置；通过模板匹配的方法寻找所述瞬时测量基准在第i+1帧图像中的像点；根据上述两像点的位置计算随机拍摄的物体的像点的二维运动。本实施例采取模板匹配的方法匹配寻找，如果不采取该匹配方法，由上述工作原理可知，z值会发生跳变(如从1变为10)，由此会引起像点的跳变，从而引起光标跳变。而采取模板匹配方法，z值缓慢变化，可以把z看作常数，因而不会引起光标跳变。

[0070] 请参阅图2，本实施例的光标定位方法包括如下步骤；

[0071] (1)用户控制一图像摄取单元运动，所述图像摄取单元拍摄图像，并把拍摄的第i帧图像发送至一图像处理及解算单元；每经过一次拍摄，i的值加1。

[0072] 所述图像摄取单元摄取i帧图像时，取图像摄取单元的坐标系为相对坐标系o0；T
取该坐标系中取位于z轴上的点P([00z])作为瞬时测量基准，瞬时测量基准P的像位于像平面的中心p0(00)。

[0073] (2)所述图像处理及解算单元取得瞬时测量基准的像点，并把其位置赋予位置C。

[0074] (3)图像摄取单元发生相对运动后，所述图像处理及解算单元从所述图像摄取单元获取第i+1帧图像；

[0075] 图像摄取单元发生运动(Rt)后，形成新的坐标系o1，此时摄取第i+1帧图像，瞬时测量基准P的像的位置移动到p1(uv)；线性摄像机成像模型

[0076]

[0077]

[0078]

[0079] 即：

[0080]

[0081]

[0082] 其中为摄像机内参数矩阵；为摄像机旋转矩阵；为摄像机平动矩阵；X为瞬时测量基准在坐标系o0中的坐标；为瞬时测量基准的像点在像坐标系中的坐标；s为比例常数。

[0083] (4)所述图像处理及解算单元在第i+1帧图像中匹配寻找所述瞬时测量基准的像点；本实施例中，图像匹配寻找的方法为模板匹配方法；

[0084] (5)如果存在模板匹配的相关函数值大于设置的阈值，认为该点匹配成功，转步骤(6)，否则转步骤(1)；

[0085] (6)取所述相关函数值最大的位置为最佳匹配位置，把匹配寻找成功的最佳匹配位置赋予位置D；

[0086] (7)计算位置偏移向量V’＝D-C；

[0087] (8)计算光标位置Q＝Q’+V；其中，Q为本次移动后的光标位置，Q’为本次移动前的光标位置；V为光标位置补偿量，V＝k*V’，k为比例系数。

[0088] 通过本实用新型的光标定位系统及其定位方法，通过摄像装置的相对与其拍摄物体的运动驱动光标移动，用户无需以平整的桌面为依托，可以在空间范围内随心所欲地使用。

[0089] 实施例二

[0090] 本实施例与实施例一的区别在于，本实施例中，选取位于摄像机光轴Z轴附近上的点作为摄像机三维运动的瞬时测量基准，使用该技术方案，依然可以较精确地反映摄像机的运动。

[0091] 此外，还可以选取摄像机视野中的任意点作为摄像机三维运动的瞬时测量基准。

[0092] 实施例三

[0093] 本实施例与实施例一、实施例二的区别在于，本实施例中，通过移动拍摄物体，使图像摄取单元与随机拍摄的物体间产生相对三维运动。

[0094] 此时，图像摄取单元静止，所述图像摄取单元视野中的随机拍摄的所有物体作为一个整体做刚体运动；所述图像摄取单元随机拍摄的所有物体作为一个整体的刚体运动引起图像摄取单元视野中随机拍摄的物体的像点的整体运动；所述图像摄取单元作为该刚体运动的瞬时测量基准；根据所述随机拍摄的物体的像的二维运动驱动光标的运动。

[0095] 实施例四

[0096] 请参阅图4-1、图4-2，本实施例中，所述输入控制单元包括一呈笔状的壳体111、在该壳体111头部设置的摄像装置112、在该壳体111侧边设置的三个按键113、114、115，按键113、114、115的功能分别设置为普通鼠标的左键、右键、及电源开关。

[0097] 此外，还可以在增加或减少按键(如增加普通鼠标的中键功能)，同时可以更改上述按键的功能(如把电源开关设置为普通鼠标的中键)。

[0098] 实施例五

[0099] 请参阅图5-1、图5-2，本实施例中，所述输入控制单元包括一便于戴在手指上的指环117、设置在该指环117上的摄像装置116、与所述指环117分开设置的按键单元(图未示)。指环117可以像戒指一样带在用户手指上，其可以为封闭的、也可以为有开口的。所述按键单元至少包括三个按键，其功能分别设置为普通鼠标的左键、右键、及电源开关。所述按键单元设置于键盘上(如左右中键通过键盘的组合键来模拟实现)、或者按键单元为与其他机构分离的单独的一部分。

[0100] 此外，还可以在增加或减少按键(如增加普通鼠标的中键功能)，同时可以更改上述按键的功能(如把电源开关设置为普通鼠标的中键)。

[0101] 实施例六

[0102] 请参阅图6，本实施例中，输入控制单元不包含按键，仅为图像摄取单元。图像摄取单元11、图像处理及解算单元12、数据发送单元13、数据接收单元14、处理单元15间仅传输图像信息，由此控制光标运动(控制原理请参阅实施例一)。鼠标的左右键通过电子产品20键盘的组合键来模拟实现。

[0103] 这里本实用新型的描述和应用是说明性的，并非想将本实用新型的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本实用新型的精神或本质特征的情况下，本实用新型可以以其他形式、结构、布置、比例，以及用其他元件、材料和部件来实现。在不脱离本实用新型范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其他变形和改变。

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