新型光學(xué)觸摸屏的實(shí)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(diǎn)等問題。設(shè)計(jì)了一套實(shí)驗(yàn)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(gè)點(diǎn)的像素?cái)?shù)和這些像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)的觸摸點(diǎn)在觸摸區(qū)域的世界坐標(biāo)的關(guān)系求得一個(gè)內(nèi)參數(shù)矩陣，之后對(duì)獲取的多個(gè)內(nèi)參數(shù)矩陣進(jìn)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(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)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(xué)觸摸屏是一種利用光學(xué)成像技術(shù)獲取觸摸位置的觸摸屏設(shè)備^[1]。光學(xué)觸摸屏在準(zhǔn)確率、反應(yīng)速度、大尺寸應(yīng)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(xué)觸摸屏存在的一些問題，并實(shí)現(xiàn)了一種新型的光學(xué)觸摸屏克服這些設(shè)計(jì)缺陷。該實(shí)現(xiàn)相對(duì)于市售觸摸屏增加了攝像頭模塊的數(shù)量。同時(shí)本文提出了一種實(shí)驗(yàn)方法以求取該實(shí)現(xiàn)所用的攝像頭的內(nèi)參數(shù)，該方法最大的特點(diǎn)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(diǎn)^[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(xué)觸摸屏總體方案簡(jiǎn)介

　　1.1 市售觸摸屏簡(jiǎn)介及其不足

　　目前市售光學(xué)觸摸屏產(chǎn)品主要是利用兩個(gè)攝像頭去捕捉觸摸位置。以一款CMOS式光學(xué)觸摸屏為例，該觸摸屏觸摸區(qū)域的左、右上角分別對(duì)稱放置一個(gè)CMOS圖像傳感器，每個(gè)傳感器綁一個(gè)LED發(fā)射器。觸摸區(qū)域的四個(gè)邊框有反光條，反光條是利用光學(xué)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(shí)，兩個(gè)傳感器都將看到一段全白的圖像，在有觸摸物時(shí)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(shí)兩個(gè)傳感器看到的陰影位置不同，可由如圖1所示的CMOS交匯測(cè)量系統(tǒng)^[9]的測(cè)量原理確定觸摸坐標(biāo)。

　　在觸摸平面上建立坐標(biāo)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(shè)兩傳感器光心距離為L(zhǎng)，傳感器光軸與X軸的夾角為θ，任取觸摸點(diǎn)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(cè)器的距離，以兩個(gè)攝像頭的光軸為基準(zhǔn)，令 α、β順時(shí)針為負(fù)逆時(shí)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：

　　⑴ 存在觸摸死角^[8]，如圖2所示。當(dāng)觸摸點(diǎn)離攝像頭1較近時(shí)，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(yuǎn)近，因此觸摸點(diǎn)在此處的物理坐標(biāo)是無法確定的。