光電鼠標(biāo)的原理

光電鼠標(biāo)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(biāo)技術(shù)的重大發(fā)明，以其獨(dú)特的技術(shù)和價(jià)格優(yōu)勢(shì)迅速成為計(jì)算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置。   

光電鼠標(biāo)是由成像系統(tǒng)IAS、信號(hào)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(biāo)工作時(shí)通過(guò)內(nèi)部的光源（一個(gè)發(fā)光二極管），照亮鼠標(biāo)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(gè)光電器件組成的矩陣，映像就在CMOS上轉(zhuǎn)換為矩陣電信號(hào)，傳輸?shù)叫盘?hào)處理系統(tǒng)DSP，DSP將此影像信號(hào)與存儲(chǔ)的上一采樣周期的影像進(jìn)行比較，如果某一采樣點(diǎn)在先后兩個(gè)影像中的位置有移動(dòng)，就發(fā)出縱、橫兩方向位移信號(hào)到接口系統(tǒng)SPI，否則繼續(xù)進(jìn)行下一周期采樣。接口系統(tǒng)SPI對(duì)DSP發(fā)來(lái)的信號(hào)進(jìn)行處理輸出。

光電鼠標(biāo)有兩個(gè)主要技術(shù)參數(shù)，一個(gè)是分辨率，單位是dpi（像素/英寸），比如一個(gè)1600dpi的鼠標(biāo)能分辨的最小間距為25.4mm/1600=0.015875mm；另一個(gè)是采樣頻率，即每秒鐘CMOS對(duì)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(biāo)采樣頻率為9000幀/秒，可提供1409.7mm/秒的追蹤速度。   

光電鼠標(biāo)技術(shù)在汽車領(lǐng)域應(yīng)用的可行性   

光電鼠標(biāo)測(cè)量的位移變化，與真實(shí)的物理位移之間存在光學(xué)透鏡造成得實(shí)物與成像之間的比例變換。計(jì)算機(jī)配置的光電鼠標(biāo)的光學(xué)部分是一個(gè)高曲光率透鏡，是近距成像，使用者在桌面較小的移動(dòng)，光標(biāo)在計(jì)算機(jī)屏幕上有較大的反應(yīng)。通過(guò)改變光學(xué)透鏡曲光率k，增大透鏡與實(shí)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(biāo)近距成像為遠(yuǎn)距成像，鼠標(biāo)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(biāo)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(shí)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(shí)，其最大追蹤速度可達(dá)200km/h，分辨率小于1 mm，其測(cè)量精度仍然很高，能滿足車速測(cè)量要求。   

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

光電鼠標(biāo)是近距成像，采樣面很小，在很小的采樣面內(nèi)有時(shí)缺少特征點(diǎn)，造成對(duì)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(duì)粗燥得多，每一點(diǎn)的特征都與其它點(diǎn)有明顯的區(qū)別，而且由于是遠(yuǎn)距成像，采樣面大，特征點(diǎn)更多，不存在適應(yīng)性問(wèn)題，大量的實(shí)驗(yàn)也證明了這一點(diǎn)。   

光電鼠標(biāo)的圖像處理技術(shù)中沒有機(jī)械運(yùn)動(dòng)，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?yàn)閺膱D像采集、處理到數(shù)據(jù)輸出，完全由現(xiàn)成的光電鼠標(biāo)技術(shù)實(shí)現(xiàn)，只需對(duì)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(jiǎn)單。

在ABS、ESP上的應(yīng)用   

汽車防抱死制動(dòng)系統(tǒng)ABS是在車輪將要抱死時(shí)降低制動(dòng)力，而當(dāng)車輪不會(huì)抱死時(shí)增加制動(dòng)力，反復(fù)動(dòng)作，以達(dá)到安全制動(dòng)。汽車制動(dòng)過(guò)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(yàn)表明，為了取得最佳制動(dòng)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(cè)量車速的傳感器（如多普勒測(cè)速儀）十分昂貴，大多車輛都只測(cè)輪速，根據(jù)輪速估計(jì)車速，把ABS的雙參數(shù)（車速、輪速）測(cè)量簡(jiǎn)化成單參數(shù)（輪速）測(cè)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(biāo)圖像傳感器技術(shù)應(yīng)用到ABS系統(tǒng)測(cè)量車速，在汽車某一處安裝圖像傳感器，并向下對(duì)路面采樣，同時(shí)根據(jù)安裝高度調(diào)整光學(xué)透鏡系數(shù)k，使其成為遠(yuǎn)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(gè)位置（如兩個(gè)后視鏡支座）分別設(shè)置圖像傳感器，同時(shí)測(cè)量該兩點(diǎn)縱、橫兩個(gè)方向的加速度變化，也就是說(shuō)當(dāng)車身上述兩點(diǎn)在縱方向上的加速度基本一致且橫向無(wú)位移時(shí)，車身作前行直線運(yùn)動(dòng)；當(dāng)該兩點(diǎn)測(cè)量出橫向加速度時(shí)，車身有側(cè)向滑移；當(dāng)兩點(diǎn)的縱向加速度值有差別時(shí)，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(diǎn)的位移差與車身橫向?qū)挾鹊瓤捎?jì)算旋轉(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(duì)車身位置及方向的測(cè)量定位方法。   

現(xiàn)有的倒車后視裝置都是通過(guò)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(shí)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(diǎn)是實(shí)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(gè)車身與環(huán)境的關(guān)系。   

與上述裝置不同，利用光電鼠標(biāo)技術(shù)的方法是利用圖像傳感器首先對(duì)車身位置及方向進(jìn)行跟蹤定位，動(dòng)畫模擬實(shí)際車輛的倒車過(guò)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(gè)后視鏡支座分別設(shè)置圖像傳感器，根據(jù)開始到車時(shí)的車身縱橫方向假設(shè)一個(gè)大地坐標(biāo)系，并設(shè)定其中一個(gè)圖像傳感器為坐標(biāo)原點(diǎn)（坐標(biāo)系可根據(jù)計(jì)算方法需要任意假設(shè)）。開始到車時(shí)首先對(duì)車后拍照，并計(jì)算出此時(shí)的照相機(jī)坐標(biāo)；同時(shí)根據(jù)倒車過(guò)程中兩個(gè)圖像傳感器點(diǎn)的位移變化量，計(jì)算出車身的坐標(biāo)，兩個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)可以同時(shí)確定汽車位置及車身方向。一個(gè)汽車的模型根據(jù)汽車位置坐標(biāo)及車身方向模擬倒車過(guò)程，并與環(huán)境照片疊加。這樣，實(shí)際汽車在地面運(yùn)動(dòng)，車身模型在照片上隨之運(yùn)動(dòng)，在顯示屏上看到的是一張環(huán)境照片中有一個(gè)運(yùn)動(dòng)的車身模型，駕駛員仿佛置身車外，俯視整個(gè)車身四周環(huán)境，倒車過(guò)程一目了然。倒車中照相機(jī)不斷拍照，當(dāng)車輛運(yùn)動(dòng)到當(dāng)前照片邊緣時(shí)，根據(jù)車輛位置坐標(biāo)調(diào)用對(duì)應(yīng)照片。需要說(shuō)明的是，在車身模型與照片的疊加中，模擬汽車運(yùn)動(dòng)的車身模型應(yīng)當(dāng)是三維，而且追蹤模型的虛擬攝像機(jī)與車后拍照的實(shí)際照相機(jī)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(gè)過(guò)程才可能準(zhǔn)確、逼真。同時(shí)，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(biāo)的核心技術(shù)--圖像處理的發(fā)展還在繼續(xù)。據(jù)報(bào)道，深圳一家公司已研發(fā)成功第三代光電鼠標(biāo)，最大移動(dòng)速度提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)，分辨率可達(dá)十萬(wàn)dpi。圖像傳感器體積小，價(jià)格低，測(cè)量精度高，在汽車上應(yīng)用的空間很大。本文僅簡(jiǎn)單介紹了圖像傳感器在測(cè)速、定位方面的應(yīng)用實(shí)例，更多的應(yīng)用技術(shù)可以登錄國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局網(wǎng)站，查閱相關(guān)圖像測(cè)量法專利文獻(xiàn)。