新型光學觸摸屏的實現(xiàn)

　　摘要：本文解決了目前市售觸摸屏存在的有觸摸死角、假兩點等問題。設計了一套實驗裝置用來求取攝像頭模塊中的攝像頭的內(nèi)參數(shù)和畸變參數(shù)，方法為在觸摸區(qū)域拍攝多幅圖，通過每幅圖上多個點的像素數(shù)和這些像素點對應的觸摸點在觸摸區(qū)域的世界坐標的關(guān)系求得一個內(nèi)參數(shù)矩陣，之后對獲取的多個內(nèi)參數(shù)矩陣進行優(yōu)化以求取內(nèi)參數(shù)的最優(yōu)解，之后再求取畸變參數(shù)的最優(yōu)解。求解過程中多次用Levenberg-Marquardt優(yōu)化算法對實驗數(shù)據(jù)進行優(yōu)化處理，由于該算法是較為有效的修正的最小二乘法，所求參數(shù)的精確度較高。

　　引言

　　光學觸摸屏是一種利用光學成像技術(shù)獲取觸摸位置的觸摸屏設備^[1]。光學觸摸屏在準確率、反應速度、大尺寸應用方面上都優(yōu)于其他觸摸屏，且成本低廉^[2]。本文分析了市售光學觸摸屏存在的一些問題，并實現(xiàn)了一種新型的光學觸摸屏克服這些設計缺陷。該實現(xiàn)相對于市售觸摸屏增加了攝像頭模塊的數(shù)量。同時本文提出了一種實驗方法以求取該實現(xiàn)所用的攝像頭的內(nèi)參數(shù)，該方法最大的特點就是求解過程中多次使用Levenberg-Marquardt優(yōu)化算法^[3~4]，該算法具有梯度法和牛頓法的優(yōu)點^[4]，是一種廣泛使用的最小二乘法，因此所求參數(shù)精確度較高。

　　1 光學觸摸屏總體方案簡介

　　1.1 市售觸摸屏簡介及其不足

　　目前市售光學觸摸屏產(chǎn)品主要是利用兩個攝像頭去捕捉觸摸位置。以一款CMOS式光學觸摸屏為例，該觸摸屏觸摸區(qū)域的左、右上角分別對稱放置一個CMOS圖像傳感器，每個傳感器綁一個LED發(fā)射器。觸摸區(qū)域的四個邊框有反光條，反光條是利用光學原理，能把光線逆反射回到光源處的一種特殊結(jié)構(gòu)的 PVC膜。LED發(fā)射器射出不可見光照射到反光條上，在沒有觸摸物時，兩個傳感器都將看到一段全白的圖像，在有觸摸物時傳感器看到的是一段被陰影切斷的圖像。由于觸摸位置不同時兩個傳感器看到的陰影位置不同，可由如圖1所示的CMOS交匯測量系統(tǒng)^[9]的測量原理確定觸摸坐標。

　　在觸摸平面上建立坐標系O₁-XY，O₁、O₂為兩攝像頭模塊的鏡頭光心，兩側(cè)攝像頭光路如圖1所示，設兩傳感器光心距離為L，傳感器光軸與X軸的夾角為θ，任取觸摸點P(P_x ，P_y )，PO₁、PO₂與X軸的夾角分別為α、β ，λ為鏡頭到CMOS探測器的距離，以兩個攝像頭的光軸為基準，令 α、β順時針為負逆時針為正，則有：

　　tan α= L₁/λ (1-1)
　　tan β= L₂/λ (1-2)
　　tan (θ-α)=P_x/P_y (1-3)
　　tan (θ+β)=P_y(L-P_x) (1-4)

　　由上述關(guān)系可得：

　?、?存在觸摸死角^[8]，如圖2所示。當觸摸點離攝像頭1較近時，由于紅外線燈照在觸摸物上的反光，攝像頭1看到的是全白的圖像，攝像頭2看到了觸摸物但無法判斷遠近，因此觸摸點在此處的物理坐標是無法確定的。