新型光學(xué)觸摸屏的實(shí)現

　　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(wèn)題。設計了一套實(shí)驗裝置用來(lái)求取攝像頭模塊中的攝像頭的內參數和畸變參數，方法為在觸摸區域拍攝多幅圖，通過(guò)每幅圖上多個(gè)點(diǎn)的像素數和這些像素點(diǎn)對應的觸摸點(diǎn)在觸摸區域的世界坐標的關(guān)系求得一個(gè)內參數矩陣，之后對獲取的多個(gè)內參數矩陣進(jìn)行優(yōu)化以求取內參數的最優(yōu)解，之后再求取畸變參數的最優(yōu)解。求解過(guò)程中多次用Levenberg-Marquardt優(yōu)化算法對實(shí)驗數據進(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備^[1]。光學(xué)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(xué)觸摸屏存在的一些問(wèn)題，并實(shí)現了一種新型的光學(xué)觸摸屏克服這些設計缺陷。該實(shí)現相對于市售觸摸屏增加了攝像頭模塊的數量。同時(shí)本文提出了一種實(shí)驗方法以求取該實(shí)現所用的攝像頭的內參數，該方法最大的特點(diǎn)就是求解過(guò)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，該觸摸屏觸摸區域的左、右上角分別對稱(chēng)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(xiàn)逆反射回到光源處的一種特殊結構的 PVC膜。LED發(fā)射器射出不可見(jiàn)光照射到反光條上，在沒(méi)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交匯測量系統^[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，兩側攝像頭光路如圖1所示，設兩傳感器光心距離為L(cháng)，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探測器的距離，以?xún)蓚€(gè)攝像頭的光軸為基準，令 α、β順時(shí)針為負逆時(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：

　?、?存在觸摸死角^[8]，如圖2所示。當觸摸點(diǎn)離攝像頭1較近時(shí)，由于紅外線(xiàn)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(wú)法判斷遠近，因此觸摸點(diǎn)在此處的物理坐標是無(wú)法確定的。