新型光學(xué)觸摸屏的實(shí)現

　?、?存在假兩點(diǎn)現象^[8]，即該觸摸屏不支持兩點(diǎn)及多點(diǎn)觸摸。只有兩個(gè)攝像頭時(shí)，觸摸點(diǎn)為兩點(diǎn)時(shí)會(huì )產(chǎn)生兩個(gè)鬼點(diǎn)，系統無(wú)法分辨出真正的觸摸點(diǎn)，如圖3所示。進(jìn)一步推斷可知，若使觸摸屏能支持N點(diǎn)觸摸，觸摸板上攝像頭的數量至少為N+1。

　　1.2 本文觸摸屏方案框架

　　為克服上述市售觸摸屏的缺陷，設計了如圖4所示的光學(xué)觸摸屏架構。為支持兩點(diǎn)觸摸，同時(shí)避免觸摸死角及鬼點(diǎn)的出現并增加數據冗余，在觸摸板的四個(gè)角均對稱(chēng)安裝了CMOS攝像頭模塊，觸摸區域的四個(gè)邊框安裝了反光條。每個(gè)攝像頭模塊綁一個(gè)紅外線(xiàn)LED燈用來(lái)照射反光條，攝像頭模塊用來(lái)采集反光條區域的圖像。當觸摸區域無(wú)觸摸物時(shí)四個(gè)攝像頭模塊看到的都是全白的圖像，當有觸摸物放入時(shí)四個(gè)攝像頭采集到的圖像中均有一塊黑色，根據四個(gè)攝像頭采集到的黑色區域的位置分布可計算出觸摸位置。采集芯片對四個(gè)攝像頭模塊采集到的數據做簡(jiǎn)單處理后將分析結果傳至主控芯片，主控芯片分析四路數據并計算觸摸點(diǎn)的物理坐標。但由于該方案相對于市售光學(xué)觸摸屏增加了攝像頭模塊，因而會(huì )帶來(lái)成本的增加，這是本方案的不足之處。

　　2 方案所用攝像頭的內參數的求取

　　2.1 成像幾何模型及攝像頭參數簡(jiǎn)介

　　要分析圖像產(chǎn)生的過(guò)程，首先要了解成像幾何模型，這里以圖5所示的小孔透視成像幾何模型^[6]為例簡(jiǎn)要介紹之。

　　該模型中O-X_cY_cZ_c為攝像頭坐標系，O點(diǎn)與鏡頭的光心重合，Z_c軸與鏡頭的光軸重合。O₁-xy為圖像所在的物理坐標系，x軸、y軸分別與Xc軸、Yc軸平行，O₁在鏡頭光軸上。O_o -uv為像素坐標系，主點(diǎn)坐標為(u_o，v_o)，O_w-X_wY_wZ_w為世界坐標系。三維世界坐標系中P(X_w，Y_w，Z_w)在攝像頭坐標系中的坐標為(X_c，Y_c，Z_c)，其成像點(diǎn)為p(u，v)。設單個(gè)像素點(diǎn)在u軸和v軸上的尺寸分別為d_x和d_y，鏡頭焦距為f，令f_u=f/d_x，f_v=f/d_y ，則有如下變換關(guān)系為成立：
　(2-1)

　　其中s稱(chēng)為u軸和v軸的不垂直因子，當u軸和v軸垂直時(shí)s=0。世界坐標系與攝像頭坐標系的坐標變換關(guān)系^[10]可以表示為：

　　其中R、T分別表示兩個(gè)坐標系之間的旋轉變換和平移變換。由(2-1)和(2-2)可得：
　(2-3)

　　其中u₀、v₀為光學(xué)中心，即鏡頭光軸與圖像平面的焦點(diǎn)在像素坐標系中的坐標^[5]。s為u軸和v軸的不垂直因子，f_u、f_v為u軸和v軸的尺度因子，稱(chēng)為歸一化焦距。R和T分別為攝像頭坐標系到世界坐標系的3×3單位正交旋轉矩陣和3×1平移矩陣^[7]。M₁只與攝像頭自身的參數相關(guān)，稱(chēng)為內參數矩陣^[7]，M₂只與攝像頭位置相關(guān)，稱(chēng)外參數矩陣^[11]，M稱(chēng)為攝像頭的透視變換矩陣。當攝像頭的空間位置發(fā)生變化時(shí)，內參數矩陣不會(huì )變化，但外參數矩陣會(huì )改變。

　　2. 2 求取方案所用攝像頭內參數的實(shí)驗裝置介紹

　　為求取攝像頭內參數，設計了如圖6所示的實(shí)驗裝置。