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，當光學透鏡系數(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；當該兩點測量出橫向加速度時，車身有側(cè)向滑移；當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，當車輛運動到當前照片邊緣時，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。