光電鼠標的原理

光電鼠標集現(xiàn)代高分辨率成像技術(shù)和數(shù)字圖像處理技術(shù)于一體，是鼠標技術(shù)的重大發(fā)明，以其獨特的技術(shù)和價格優(yōu)勢迅速成為計算機的標準配置。   

光電鼠標是由成像系統(tǒng)IAS、信號處理系統(tǒng)DSP、接口系統(tǒng)SPI三大系統(tǒng)組成。其中IAS系統(tǒng)由光源、光學(xué)透鏡和光感應(yīng)器件CMOS三部分組成。鼠標工作時通過內(nèi)部的光源（一個發(fā)光二極管），照亮鼠標底部，底部表面反射一部分光線經(jīng)光學(xué)透鏡傳到CMOS感光芯片上，CMOS感光芯片是由數(shù)百個光電器件組成的矩陣，映像就在CMOS上轉(zhuǎn)換為矩陣電信號，傳輸?shù)叫盘柼幚硐到y(tǒng)DSP，DSP將此影像信號與存儲的上一采樣周期的影像進行比較，如果某一采樣點在先后兩個影像中的位置有移動，就發(fā)出縱、橫兩方向位移信號到接口系統(tǒng)SPI，否則繼續(xù)進行下一周期采樣。接口系統(tǒng)SPI對DSP發(fā)來的信號進行處理輸出。

光電鼠標有兩個主要技術(shù)參數(shù)，一個是分辨率，單位是dpi（像素/英寸），比如一個1600dpi的鼠標能分辨的最小間距為25.4mm/1600=0.015875mm；另一個是采樣頻率，即每秒鐘CMOS對采樣面拍攝圖像的幀數(shù)和DSP芯片每秒鐘能處理圖像的幀數(shù)。比如微軟IE4光電鼠標采樣頻率為9000幀/秒，可提供1409.7mm/秒的追蹤速度。   

光電鼠標技術(shù)在汽車領(lǐng)域應(yīng)用的可行性   

光電鼠標測量的位移變化，與真實的物理位移之間存在光學(xué)透鏡造成得實物與成像之間的比例變換。計算機配置的光電鼠標的光學(xué)部分是一個高曲光率透鏡，是近距成像，使用者在桌面較小的移動，光標在計算機屏幕上有較大的反應(yīng)。通過改變光學(xué)透鏡曲光率k，增大透鏡與實物距離，可以是其追蹤速度成k倍增加。當(dāng)然，由于改變鼠標近距成像為遠距成像，鼠標本身的分辨率也隨之改變，但這種改變并不影響在汽車上的應(yīng)用。   

以微軟IE4光電鼠標CMOS感光芯片為例，假設(shè)最大車速為200km/h，則光學(xué)透鏡系數(shù)k=200×1000/3600/1.4097=39.4，此時分辨率為0.015875×39.4=0.625mm。由此可以看出，當(dāng)光學(xué)透鏡系數(shù)k=39.4時，其最大追蹤速度可達200km/h，分辨率小于1 mm，其測量精度仍然很高，能滿足車速測量要求。   

比如在光電鼠標底部直接加上相機變焦鏡頭在路面上實驗，設(shè)定一個相同的鼠標輸出值，結(jié)果表明鼠標距離路面越遠，采樣范圍則越大，鼠標本身需要移動的距離也越大；不加鏡頭鼠標緊貼路面的移動距離最小。采取遠距成像時，在光線不足時需要輔助照明。在本實驗中用普通的手電筒就能滿足要求。   

光電鼠標是近距成像，采樣面很小，在很小的采樣面內(nèi)有時缺少特征點，造成對于較均質(zhì)的表面如鏡面等的適應(yīng)性差。汽車行駛的路面相對粗燥得多，每一點的特征都與其它點有明顯的區(qū)別，而且由于是遠距成像，采樣面大，特征點更多，不存在適應(yīng)性問題，大量的實驗也證明了這一點。   

光電鼠標的圖像處理技術(shù)中沒有機械運動，全是半導(dǎo)體電路，科技含量高，重量只有兩三百克，體積小，把其應(yīng)用到汽車領(lǐng)域十分方便。因為從圖像采集、處理到數(shù)據(jù)輸出，完全由現(xiàn)成的光電鼠標技術(shù)實現(xiàn)，只需對其相關(guān)輸出數(shù)據(jù)加以利用即可，開發(fā)應(yīng)用特別簡單。

在ABS、ESP上的應(yīng)用   

汽車防抱死制動系統(tǒng)ABS是在車輪將要抱死時降低制動力，而當(dāng)車輪不會抱死時增加制動力，反復(fù)動作，以達到安全制動。汽車制動過程中，車輪與地面之間有滑移現(xiàn)象，即滑移率δ=（Vt-Va）/Vt×100%（式中：δ---滑移率；Vt---汽車車輪線速度；Va---汽車行駛速度。）   
試驗表明，為了取得最佳制動效果，滑移率應(yīng)控制在15%"20%范圍內(nèi)。顯而易見，控制滑移率必須知道車速。由于能精確測量車速的傳感器（如多普勒測速儀）十分昂貴，大多車輛都只測輪速，根據(jù)輪速估計車速，把ABS的雙參數(shù)（車速、輪速）測量簡化成單參數(shù)（輪速）測量，缺少必要的參數(shù)，很大程度上影響了ABS的效果。   

把光電鼠標圖像傳感器技術(shù)應(yīng)用到ABS系統(tǒng)測量車速，在汽車某一處安裝圖像傳感器，并向下對路面采樣，同時根據(jù)安裝高度調(diào)整光學(xué)透鏡系數(shù)k，使其成為遠距成像，再把輸出的位移數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為速度。   

應(yīng)用到ESP系統(tǒng)上，需要在車身縱向或橫向直線上兩個位置（如兩個后視鏡支座）分別設(shè)置圖像傳感器，同時測量該兩點縱、橫兩個方向的加速度變化，也就是說當(dāng)車身上述兩點在縱方向上的加速度基本一致且橫向無位移時，車身作前行直線運動；當(dāng)該兩點測量出橫向加速度時，車身有側(cè)向滑移；當(dāng)兩點的縱向加速度值有差別時，車身伴隨有橫向旋轉(zhuǎn)，數(shù)值大的一邊在旋轉(zhuǎn)外側(cè)，根據(jù)兩點的位移差與車身橫向?qū)挾鹊瓤捎嬎阈D(zhuǎn)角度。   

在倒車后視上的應(yīng)用   

在倒車后視上的應(yīng)用是利用圖像傳感器對車身位置及方向的測量定位方法。   

現(xiàn)有的倒車后視裝置都是通過車后的攝像頭，把車后環(huán)境顯示在顯示屏上；有的在顯示屏上同時顯示車身方向及行車軌跡，以幫助駕駛員判斷車身與外界環(huán)境的位置關(guān)系。上述裝置的特點是實際車身位置與顯示屏上看到的環(huán)境是隔離的，駕駛員在顯示屏上并不能看到整個車身與環(huán)境的關(guān)系。   

與上述裝置不同，利用光電鼠標技術(shù)的方法是利用圖像傳感器首先對車身位置及方向進行跟蹤定位，動畫模擬實際車輛的倒車過程，并與外界環(huán)境照片疊加。其做法是如前所述在車身上兩個后視鏡支座分別設(shè)置圖像傳感器，根據(jù)開始到車時的車身縱橫方向假設(shè)一個大地坐標系，并設(shè)定其中一個圖像傳感器為坐標原點（坐標系可根據(jù)計算方法需要任意假設(shè)）。開始到車時首先對車后拍照，并計算出此時的照相機坐標；同時根據(jù)倒車過程中兩個圖像傳感器點的位移變化量，計算出車身的坐標，兩個坐標點可以同時確定汽車位置及車身方向。一個汽車的模型根據(jù)汽車位置坐標及車身方向模擬倒車過程，并與環(huán)境照片疊加。這樣，實際汽車在地面運動，車身模型在照片上隨之運動，在顯示屏上看到的是一張環(huán)境照片中有一個運動的車身模型，駕駛員仿佛置身車外，俯視整個車身四周環(huán)境，倒車過程一目了然。倒車中照相機不斷拍照，當(dāng)車輛運動到當(dāng)前照片邊緣時，根據(jù)車輛位置坐標調(diào)用對應(yīng)照片。需要說明的是，在車身模型與照片的疊加中，模擬汽車運動的車身模型應(yīng)當(dāng)是三維，而且追蹤模型的虛擬攝像機與車后拍照的實際照相機的角度、高度、鏡頭參數(shù)等等要一致，以使車模與環(huán)境相融，模擬出的整個過程才可能準確、逼真。同時，盡可能壓低車模高度，以免遮擋車后環(huán)境。   

總結(jié)   

作為光電鼠標的核心技術(shù)--圖像處理的發(fā)展還在繼續(xù)。據(jù)報道，深圳一家公司已研發(fā)成功第三代光電鼠標，最大移動速度提高了一個數(shù)量級，分辨率可達十萬dpi。圖像傳感器體積小，價格低，測量精度高，在汽車上應(yīng)用的空間很大。本文僅簡單介紹了圖像傳感器在測速、定位方面的應(yīng)用實例，更多的應(yīng)用技術(shù)可以登錄國家知識產(chǎn)權(quán)局網(wǎng)站，查閱相關(guān)圖像測量法專利文獻。