專利名稱：光學(xué)手指鼠標(biāo)、電子裝置及生理特征檢測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種人機(jī)接口裝置，特別涉及一種可同時(shí)檢測使用者生理特征以及手指位移量及接觸狀態(tài)的光學(xué)手指鼠標(biāo)及生理特征檢測裝置。
背景技術(shù)：
光學(xué)手指鼠標(biāo)(optical finger mouse,0FM)由于體積小,通常適合用于便攜式電子裝置。光學(xué)手指鼠標(biāo)可用以檢測使用者手指表面反射光線的光強(qiáng)度變化，由此判斷手指的接觸狀態(tài)以及手指相對(duì)于觸控面的位移量。然而，隨著工業(yè)化的發(fā)展，使用者使用便攜式電子裝置的時(shí)間逐漸增加，甚至超出體力負(fù)荷而不自覺。因此，如果便攜式電子裝置同時(shí)具有檢測使用者生理特征的功能并能于必要時(shí)提出警示，則可避免過度使用的情形發(fā)生。公知的血氧飽和儀(pulse oximeter)利用非侵入式的方式來檢測使用者的血氧濃度及脈搏數(shù)，其可產(chǎn)生紅光光束(波長約660納米)及紅外光光束(波長約910納米)穿透待測部位，并利用帶氧血紅素(oxyhemoglobin)及脫氧血紅素(Deoxyheamo-globin)對(duì)特定光譜具有不同吸收率的特性以檢測穿透光的光度變化，例如參照美國專利第7，072，701 號(hào)，標(biāo)題為血氧濃度的監(jiān)測方式(Method for spectrophotometric bloodoxygenation monitoring)。檢測出兩種波長的穿透光的光強(qiáng)度變化后,再以下列公式計(jì)算血氧濃度血氧濃度=100%X [HbO2]/([HbO2]+ [Hb])；其中，[HbO2]表示帶氧血紅素濃度；[Hb]表示脫氧血紅素濃度。一般血氧飽和儀所檢測到的兩種波長的穿透光的光強(qiáng)度會(huì)隨著心跳而呈現(xiàn)如圖1所示的變化，這是由于血管會(huì)隨著心跳而不斷地?cái)U(kuò)張及收縮而使得光束所通過的血液量改變，進(jìn)而改變光能量被吸收的比例。由此，根據(jù)不斷變化的光強(qiáng)度信息則可計(jì)算血液對(duì)不同光譜的吸收率，以分別計(jì)算帶氧血紅素濃度及脫氧血紅素濃度等生理信息，最后再利用上述血氧濃度公式計(jì)算血氧濃度。然而，由于血氧飽和儀是檢測穿透光線的強(qiáng)度變化，因而會(huì)隨著不同的待測部位而檢測到不同的光強(qiáng)度信號(hào)；此外，當(dāng)公知的血氧飽和儀所檢測的待測部位發(fā)生移動(dòng)時(shí)，則會(huì)檢測到劇烈變動(dòng)的混亂波形而無法據(jù)以正確計(jì)算出生理特征，因而其并不適用于便攜式電子裝置。有鑒于此，本發(fā)明提出一種可同時(shí)檢測使用者生理特征以及手指位移量及接觸狀態(tài)的光學(xué)手指鼠標(biāo)及生理特征檢測方法，其可于檢測手指位移量的同時(shí)檢測使用者的生理特征，并可有效消除移動(dòng)所造成的信號(hào)噪聲。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的在提供一種光學(xué)手指鼠標(biāo)，其通過分析手指的反射光信號(hào)以同時(shí)計(jì)算手指位移量及接觸狀態(tài)以及使用者生理特征。本發(fā)明的另一目的在提供一種光學(xué)手指鼠標(biāo)，其可同時(shí)檢測手指位移量及接觸狀態(tài)以及使用者生理特征，并具有消除環(huán)境光源影響的機(jī)制。本發(fā)明的另一目的在提供一種光學(xué)手指鼠標(biāo)，其可同時(shí)檢測手指位移量及接觸狀態(tài)以及使用者生理特征，并具有降低噪聲的機(jī)制。本發(fā)明的另一目的在提供一種光學(xué)手指鼠標(biāo)，其可同時(shí)檢測手指位移量及接觸狀態(tài)以及使用者生理特征，并具有系統(tǒng)頻率的校正機(jī)制。本發(fā)明的另一目的在提供一種光學(xué)手指鼠標(biāo)，其可同時(shí)檢測手指位移量及接觸狀態(tài)以及使用者生理特征，并在閑置預(yù)設(shè)時(shí)間后即進(jìn)入休眠模式。本發(fā)明的另一目的在提供一種光學(xué)手指鼠標(biāo)，其可同時(shí)檢測手指位移量及接觸狀態(tài)以及使用者生理特征，在位移量太大時(shí)可舍棄或不計(jì)算生理特征。為達(dá)上述目的，本發(fā)明提供一種光學(xué)手指鼠標(biāo)，用以檢測手指的位移量及生理特征。所述光學(xué)手指鼠標(biāo)包含第一光源、第二光源、光源控制單元、圖像傳感器及處理單元。所述第一光源發(fā)出第一波長的光至所述手指。所述第二光源發(fā)出第二波長的光至所述手指。所述光源控制單元控制所述第一光源及所述第二光源的點(diǎn)亮及熄滅。所述圖像傳感器以取樣頻率接收來自所述手指的反射光以產(chǎn)生相對(duì)所述第一光源點(diǎn)亮的多個(gè)第一圖像幀及相對(duì)所述第二光源點(diǎn)亮的多個(gè)第二圖像幀。所述處理單元根據(jù)所述第一圖像幀及所述第二圖像幀計(jì)算所述位移量及所述生理特征。根據(jù)本發(fā)明的另一特點(diǎn)，本發(fā)明還提供一種電子裝置，用以檢測并響應(yīng)手指的位移量及生理特征。所述電子裝置包含光學(xué)手指鼠標(biāo)、控制單元及表示裝置。所述光學(xué)手指鼠標(biāo)包含兩個(gè)光源、光源控制單元、圖像傳感器及處理單元。所述兩個(gè)光源發(fā)出不同波長的光至所述手指。所述光源控制單元控制所述兩光源的點(diǎn)滅。所述圖像傳感器以取樣頻率接收來自所述手指的反射光以產(chǎn)生相對(duì)所述兩不同光源點(diǎn)亮的多個(gè)第一圖像幀及多個(gè)第二圖像幀。所述處理單元根據(jù)所述第一圖像幀及所述第二圖像幀計(jì)算并輸出所述位移量及所述生理特征。所述控制單元接收所述位移量及所述生理特征。所述表示裝置受所述控制單元控制以響應(yīng)所述位移量和/或所述生理特征。根據(jù)本發(fā)明的另一特點(diǎn)，本發(fā)明還提供一種生理特征檢測裝置，通過檢測人體待測部位以計(jì)算生理特征。所述生理特征檢測裝置包含兩個(gè)光源、光源控制單元、圖像傳感器及處理單元。所述兩光源發(fā)出不同波長的光至所述人體待測部位。所述光源控制單元控制所述兩光源的點(diǎn)滅。所述圖像傳感器以取樣頻率接收來自所述人體待測部位的反射光以產(chǎn)生分別相對(duì)所述兩不同光源點(diǎn)亮的多個(gè)第一圖像幀及多個(gè)第二圖像幀。所述處理單元將每張所述第一圖像幀分割為至少兩部分并計(jì)算每一部分的平均亮度，利用獨(dú)立組件分析法分析所述第一圖像幀的所述每一部分的所述平均亮度以求得第一亮度變化；將每張所述第二圖像幀分割為至少兩部分并計(jì)算每一部分的平均亮度，利用獨(dú)立組件分析法分析所述第二圖像幀的所述每一部分的所述平均亮度以求得第二亮度變化；并根據(jù)所述第一亮度變化及所述第二亮度變化計(jì)算所述生理特征。本發(fā)明的光學(xué)手指鼠標(biāo)、電子裝置及生理特征檢測裝置中，所述生理特征包含血氧濃度及脈搏數(shù)。本發(fā)明通過使用獨(dú)立組件分析法或盲信號(hào)源分離法來分離移動(dòng)信息及生理信息，可有效消除移動(dòng)造成的信號(hào)噪聲。


圖1顯示血氧飽和儀所檢測的穿透光的光強(qiáng)度變化的示意圖。圖2A顯示本發(fā)明一實(shí)施例的光學(xué)手指鼠標(biāo)的示意圖。圖2B顯示本發(fā)明一實(shí)施例的光學(xué)手指鼠標(biāo)的框圖。圖3顯示本發(fā)明實(shí)施例的光學(xué)手指鼠標(biāo)的圖像傳感器所采集圖像幀的示意圖。圖4顯示本發(fā)明實(shí)施例的光學(xué)手指鼠標(biāo)的圖像傳感器，其包含濾光器設(shè)置于部分感測面前方。圖5顯示本發(fā)明實(shí)施例的光學(xué)手指鼠標(biāo)中，圖像采集與光源點(diǎn)滅的示意圖。圖6顯示本發(fā)明實(shí)施例的光學(xué)手指鼠標(biāo)的處理單元分離移動(dòng)信息及生理信息的示意圖。圖7顯示本發(fā)明實(shí)施例的生理特征檢測方法的流程圖。附圖標(biāo)記說明I光學(xué)手指鼠標(biāo)111、112光源13觸控件13S觸控面14圖像傳感器141濾光器14S感測面15處理單元151移動(dòng)/接觸檢測單元 152生理特征檢測單元16光源控制單元17存儲(chǔ)單元18傳輸接口19頻率產(chǎn)生器80電子裝置81控制單元9手指9S手指表面I1-12n圖像中貞B(tài)1-B2nW _B2N/ 平均売度
具體實(shí)施例方式為了讓本發(fā)明的上述和其它目的、特征、和優(yōu)點(diǎn)能更明顯，下文將配合所附圖示，作詳細(xì)說明如下。在本發(fā)明的說明中，相同的構(gòu)件以相同的符號(hào)表示，在此先進(jìn)行說明。請(qǐng)參照?qǐng)D2A所示，其顯示本發(fā)明實(shí)施例的光學(xué)手指鼠標(biāo)I的示意圖。所述光學(xué)手指鼠標(biāo)I用以檢測使用者的手指9相對(duì)于所述光學(xué)手指鼠標(biāo)I的位移量及接觸狀態(tài)，以及所述使用者的生理特征，例如包括血氧濃度及脈搏數(shù)等。一般而言，所述光學(xué)手指鼠標(biāo)I在判斷所述接觸狀態(tài)為接觸態(tài)時(shí)，方始進(jìn)行所述位移量及所述生理特征的計(jì)算。所述光學(xué)手指鼠標(biāo)I包含兩光源111及112、導(dǎo)光件12、觸控件13、圖像傳感器14、處理單元15及光源控制單元16 ;圖2A中，各構(gòu)件的空間關(guān)系僅為例示性，并非用以限定本發(fā)明。所述兩光源111及112例如可為發(fā)光二極管或雷射二極管，其分別發(fā)出不同波長的光，且優(yōu)選為公知的血氧儀所使用的兩個(gè)波長，例如660內(nèi)米的紅光以及905、910或940內(nèi)米的紅外光?？梢粤私獾氖?，此處所述波長指光譜的中心波長。所述導(dǎo)光件12用以將所述光源111及112所發(fā)出的光引導(dǎo)至所述觸控件13 ;所述導(dǎo)光件12并非限定為反射面，其也可使所述光源111及112所發(fā)出的光以穿透的方式傳送至所述觸控件13，并無特定限制。其它實(shí)施例中，如果所述光源111及112所發(fā)出的光能夠入射至所述觸控件13，也可省略所述導(dǎo)光件12。 所述觸控件13具有觸控面13S供所述手指9于其上操控，所述觸控件13優(yōu)選為相對(duì)于所述光源111及112所發(fā)出的光為透明。當(dāng)所述手指9靠近或接觸所述觸控面13S時(shí)，所述光源111及112所發(fā)出的光被反射?？梢粤私獾氖?，所述觸控面13S的面積可大于或小于所述手指表面9S，并無特定限制。所述圖像傳感器14以取樣參數(shù)接收來自所述觸控件13 (所述手指表面9S)的反射光以產(chǎn)生多個(gè)圖像幀(所述圖像幀例如具有16X16像素)；其中所述取樣參數(shù)例如包含曝光時(shí)間、圖像增益等，但并不以此為限?？梢粤私獾氖?，圖2A中可另外包含其它用以引導(dǎo)反射光至所述圖像傳感器14的透鏡，以增加所述圖像傳感器14的感光效率。所述圖像傳感器14優(yōu)選為主動(dòng)數(shù)組式圖像傳感器，例如CMOS圖像傳感器，但也可為其它用以感測圖像幀的組件。所述處理單元15根據(jù)所述圖像幀檢測所述手指9相對(duì)所述觸控面13S的位移量及接觸狀態(tài)，以及所述使用者的生理特征。所述處理單元15所求得的所述位移量、接觸狀態(tài)及生理特征例如可被傳送至具有表示單元的電子裝置以進(jìn)行顯示或相對(duì)應(yīng)控制；其中所述表示單元例如可為顯示器、燈號(hào)、七字節(jié)顯示等，也或可為聲音裝置。所述電子裝置可為便攜式電子裝置或一般家用電子裝置。所述光源控制單元16耦接所述處理單元15，以配合所述圖像傳感器14的圖像幀采集控制所述光源111及112的點(diǎn)亮及熄滅，其實(shí)施方式將詳述于后。請(qǐng)參照?qǐng)D2A及2B所示，圖2B顯示本發(fā)明實(shí)施例的光學(xué)手指鼠標(biāo)I的方塊圖，其包含第一光源111、第二光源112、所述圖像傳感器14、所述處理單元15、所述光源控制單元16、存儲(chǔ)單元17、傳輸接口 18及頻率產(chǎn)生器19 ;其中，由于所述處理單元15進(jìn)行多功能運(yùn)算，所述處理單元15可另包含移動(dòng)/接觸檢測單元151用以檢測所述手指9相對(duì)所述觸控面13S的所述位移量及所述接觸狀態(tài)以及生理特征檢測單元152用以檢測所述使用者的所述生理特征；也就是，所述處理單元15可為單一組件或分為兩個(gè)組件。所述第一光源111例如發(fā)出波長約為660納米的紅光；所述第二光源112例如發(fā)出波長約為905、910或940納米的紅外光；廣義的說，所述第一光源111及所述第二光源112分別發(fā)出公知的血氧儀所使用的兩個(gè)波長的光。所述圖像傳感器14及所述光源控制單元16的功能如前所述，故于此不在贅述。所述存儲(chǔ)單元17用以儲(chǔ)存所述處理單元15所求得的所述位移量、接觸狀態(tài)、生理特征以及計(jì)算過程中所需的各種參數(shù)信息。所述傳輸接口 18則用以將所述存儲(chǔ)單元17所儲(chǔ)存的所述位移量、接觸狀態(tài)及生理特征通過有線或無線傳輸方式傳輸至控制單元81 ；其中，有線及無線傳輸技術(shù)已為公知，故于此不再贅述。所述控制單元81可內(nèi)建于具有至少一個(gè)表示單元80的電子裝置內(nèi)或獨(dú)立于其外，用以控制所述電子裝置來通過所述表示單元80顯示和/或響應(yīng)所接收的所述位移量、接觸狀態(tài)及生理特征。一種實(shí)施例中,所述光學(xué)手指鼠標(biāo)1、控制裝置81及表示裝置80可共同組成電子裝置，例如為電視、投影裝置或計(jì)算器系統(tǒng)，所述光學(xué)手指鼠標(biāo)I例如可設(shè)置于所述控制單元81內(nèi)，其中所述控制單元81例如可為遙控器、鼠標(biāo)、鍵盤、光學(xué)測距裝置或其它計(jì)算機(jī)外設(shè)裝置。換句話說，所述光學(xué)手指鼠標(biāo)1、控制裝置81及表示裝置80相互有線或無線的耦接，以形成一個(gè)單一組件(例如便攜式裝置)或多個(gè)組件(例如家電系統(tǒng))。因此，本發(fā)明的光學(xué)手指鼠標(biāo)I可搭配具有表示單元80的電子裝置，讓使用者在通過所述光學(xué)手指鼠標(biāo)I控制所述表示單元所顯示的光標(biāo)或所述電子裝置所執(zhí)行的軟件的同時(shí)，表示所述使用者的生理特征以供所述使用者參考，并于生理特征顯示為疲勞狀態(tài)時(shí)(根據(jù)生理特征的數(shù)值)對(duì)所述使用者提出警示；其中，顯示生理特征及警示的方式例如可利用軟件執(zhí)行畫面顯示、燈號(hào)顯示或聲音顯示的方式來達(dá)成。所述頻率產(chǎn)生器19則用以提供系統(tǒng)頻率。其它實(shí)施例中，所述光學(xué)手指鼠標(biāo)I也可使用兩個(gè)圖像傳感器用以分別檢測兩個(gè)不同波長的光，其中一個(gè)圖像傳感器或兩個(gè)圖像傳感器可設(shè)置帶通濾光器(bandpassfilter)來選擇所欲接收的光譜。取樣機(jī)制本發(fā)明的光學(xué)手指鼠標(biāo)I包含兩個(gè)光源并同時(shí)執(zhí)行兩種功能；其中，位移量及接觸狀態(tài)的檢測功能并無限定使用特定波長的圖像幀，而生理特征功能的檢測則必須對(duì)應(yīng)不同波長的圖像幀分別計(jì)算。以下首先說明本發(fā)明中圖像幀的取樣機(jī)制。 一種實(shí)施例中，所述光源控制單元16控制所述第一光源111及所述第二光源112輪流發(fā)光，所述圖像傳感器14則以高速且固定的取樣頻率(例如每秒3000張)同步所述第一光源111或所述第二光源112的點(diǎn)亮采集圖像幀，并輸出如圖3所示多個(gè)圖像幀I1-16-至所述處理單元15 (或同時(shí)輸出至所述移動(dòng)/接觸檢測單元151及所述生理特征檢測單元152)，其中所述圖像幀I1-16…包含第一圖像幀I1U3U5-，其例如相對(duì)所述第一光源111的點(diǎn)亮；第二圖像幀12、14、I6-，其例如相對(duì)所述第二光源112的點(diǎn)亮。所述處理單元15 (或所述移動(dòng)/接觸檢測單元151)可根據(jù)所述第一及第二圖像幀I1-1e-判斷接觸狀態(tài)并計(jì)算位移量，例如根據(jù)所述第一圖像幀及所述第二圖像幀的亮度與至少一個(gè)門檻值的比較結(jié)果判定所述手指9是否靠近或接觸所述觸控面13S，其中當(dāng)所述圖像幀的亮度大于或小于所述至少一個(gè)門檻值時(shí)，即判定進(jìn)入接觸態(tài)；進(jìn)入接觸態(tài)后，所述處理單元15可根據(jù)兩張第一圖像幀、一張第一圖像幀與一張第二圖像幀或兩張第二圖像幀間的相關(guān)性(correlation)計(jì)算所述位移量。必須說明的是，判定所述接觸狀態(tài)及計(jì)算所述位移量的方式可使用公知的方式，但本發(fā)明中必須利用相對(duì)應(yīng)兩個(gè)不同波長的反射光的圖像幀進(jìn)行判定及計(jì)算。所述處理單元15 (或所述生理特征檢測單元152)則必須根據(jù)所述第一圖像幀1:、
13、計(jì)算出所述第一圖像幀的亮度變化，并根據(jù)所述第二圖像幀12、14、I6…計(jì)算出所述第二圖像幀的亮度變化(詳述于后)，并據(jù)以分別計(jì)算出兩種光譜被吸收的比例以求出帶氧血紅素濃度HbO2及脫氧血紅素濃度Hb，最后利用血氧濃度公式計(jì)算出血氧濃度；并通過所述第一圖像幀和/或所述第二圖像幀的亮度變化與至少一個(gè)閾值的比較結(jié)果計(jì)算脈搏數(shù)。另一種實(shí)施例中，所述光源控制單元16控制所述第一光源111及所述第二光源112同步于所述圖像傳感器14的圖像幀采集同時(shí)發(fā)光；也就是，所述圖像傳感器14會(huì)同時(shí)接收到兩種波長的反射光。因此，此實(shí)施例中，所述圖像傳感器14的感測面14S的一部分前方還可設(shè)置濾光器141 (如圖4所示)，其中所述濾光器141可為帶通濾光器以使所述濾光器141后方的部分感測面僅能感測所述第一光源111的光譜或所述第二光源112的光譜，以使所述處理單元15 (或所述移動(dòng)/接觸檢測單元151及所述生理特征檢測單元152)能夠分辨第一圖像幀(相對(duì)所述第一光源111的部分圖像幀)及第二圖像幀(相對(duì)所述第二光源112的部分圖像幀)?？梢粤私獾氖?，本發(fā)明中，所述濾光器141的設(shè)置位置及面積并不限于圖4所示。
由此，所述處理單元15 (或所述移動(dòng)/接觸檢測單元151)同樣可根據(jù)所述第一圖像幀及第二圖像幀I1-1f計(jì)算接觸狀態(tài)及位移量。所述處理單元15 (或所述生理特征檢測單元152)同樣可根據(jù)所述第一圖像幀1:、13、I5…計(jì)算出所述第一圖像幀的亮度變化及根據(jù)所述第二圖像幀12、14、If計(jì)算出所述第二圖像幀的亮度變化，并根據(jù)兩亮度變化的關(guān)系計(jì)算血氧濃度及脈搏數(shù)。 可以了解的是，由于所述圖像傳感器14可能對(duì)不同波長的光具有不同的感光效率，或者所述第一光源111及所述第二光源112的發(fā)光亮度不完全相同，因此可于所述光學(xué)手指鼠標(biāo)I出廠前就針對(duì)所述圖像傳感器14所檢測圖像幀的亮度進(jìn)行調(diào)整(例如調(diào)整相對(duì)不同波長圖像幀的曝光時(shí)間、圖像增益等取樣參數(shù))，以使圖像傳感器14所采集的初始圖像幀具有大致相同的亮度，以消除誤判斷的可能性。本發(fā)明的精神在于，以所述光源控制單元16控制所述第一光源111及所述第二光源發(fā)光112的點(diǎn)亮或熄滅，使所述圖像傳感器14以取樣頻率接收來自所述手指9的反射光以產(chǎn)生相對(duì)所述第一光源點(diǎn)亮的多個(gè)第一圖像幀及相對(duì)所述第二光源點(diǎn)亮的多個(gè)第二圖像幀；所述處理單元15則根據(jù)所述第一圖像幀及所述第二圖像幀計(jì)算接觸狀態(tài)、位移量及生理特征。消除環(huán)境光機(jī)制圖2A中，由于所述接觸件13為透明，同時(shí)手指會(huì)透光，所述光學(xué)手指鼠標(biāo)I外部的環(huán)境光會(huì)通過所述接觸件13與手指而被所述圖像傳感器14接收而影響到其所采集的圖像幀的圖像質(zhì)量。本發(fā)明中，所述光源控制單元16可控制所述第一光源111及第二光源112于部分期間不發(fā)光。例如請(qǐng)參照?qǐng)D5所示，其顯示所述圖像傳感器14的圖像采集及所述第一光源111及所述第二光源112的點(diǎn)滅情形；其中，實(shí)線箭號(hào)表示光源點(diǎn)亮而虛線箭號(hào)表示光源熄滅。圖5A顯示所述圖像傳感器14以固定頻率持續(xù)采集圖像幀。圖5B顯示所述第一光源111及所述第二光源112同時(shí)輪流地點(diǎn)亮及熄滅，因此所述圖像傳感器14則可輪流采集到亮圖像幀(光源點(diǎn)亮?xí)r)及暗圖像幀(光源熄滅時(shí))。圖5C顯示所述第一光源111及所述第二光源112每隔兩張圖像幀同時(shí)點(diǎn)亮一次，其通常相對(duì)于所述手指9具有較低位移量的情形。如前所述，當(dāng)所述第一光源111及所述第二光源112同時(shí)點(diǎn)亮?xí)r(圖5B及5C)，所述圖像傳感器14包含濾光器141以空間區(qū)隔不同光源的圖像幀，以使所述圖像傳感器14的一部分可感測所述第一光源111的反射光而另一部分可感測所述第二光源112的反射光。當(dāng)所述手指9接觸或靠近所述觸控面13S時(shí)，相對(duì)于光源點(diǎn)亮?xí)r所采集的亮圖像幀包含(手指反射光+雜散光+環(huán)境光)，相對(duì)于光源未點(diǎn)亮?xí)r所采集的暗圖像幀僅包含(環(huán)境光)，因此若將亮圖像幀減去暗圖像幀，則可有效消除環(huán)境光的影響。所述處理單元15則可根據(jù)亮圖像幀與暗圖像幀之差分圖像幀計(jì)算位移量、接觸狀態(tài)及生理特征。請(qǐng)參照?qǐng)D所示，其顯示所述第一光源111及所述第二光源112輪流點(diǎn)亮的實(shí)施方式。此實(shí)施例中，由于要使所述圖像傳感器14采集到暗圖像幀，因此所述光源控制單元16控制所述第一光源111與所述第二光源112相隔一張圖像幀輪流地點(diǎn)亮，例如于圖的時(shí)間td時(shí)兩個(gè)光源均不點(diǎn)亮。由此，所述處理單元15則可計(jì)算差分第一圖像(亮第一圖像幀-暗圖像幀)及差分第二圖像(亮第二圖像幀-暗圖像幀)，并根據(jù)所述差分圖像計(jì)算位移量、接觸狀態(tài)及生理特征。如前所述，當(dāng)所述第一光源111及所述第二光源112輪流點(diǎn)亮?xí)r，所述圖像傳感器14以時(shí)間區(qū)隔不同光源的圖像幀。本實(shí)施方式的精神在于，使所述光源控制單元16控制所述第一光源111及所述第二光源112同時(shí)或輪流發(fā)光，并使所述圖像傳感器14能夠采集到所述光源不發(fā)光時(shí)的暗圖像幀，并通過計(jì)算亮暗圖像間的差以消除環(huán)境光影響。因此，圖5中所示各光源的點(diǎn)滅情形僅為例示性，并非用以限定本發(fā)明。降噪機(jī)制由于所述圖像傳感器14所采集的圖像幀中會(huì)存在噪聲，且噪聲通常以隨機(jī)的方式分布于所采集的圖像幀中，因此本發(fā)明可進(jìn)一步進(jìn)算M張圖像幀之和來提高信噪比(SNR)，以增加計(jì)算生理特征的精確度；例如，將每10張圖像幀進(jìn)行相加，且兩組連續(xù)的10張圖像幀可部分重復(fù)或完全不重復(fù)。可以了解的是，當(dāng)所述第一光源111及所述第二光源112輪流點(diǎn)亮?xí)r，本實(shí)施例的圖像幀之和分別為所述第一圖像(例如圖3的Ii+I3+I5-)之和及所述第二圖像(例如圖3的I2+I4+If)之和，這是由于必需分別計(jì)算兩組光強(qiáng)度變化。然而，當(dāng)所述第一光源111及所述第二光源112同時(shí)點(diǎn)亮，本實(shí)施例的圖像幀之和則為連續(xù)的圖像幀(例如3圖的并通過后處理的方式分辨兩組光強(qiáng)度變化。此外，當(dāng)配合上述消除環(huán)境光機(jī)制時(shí)，本實(shí)施例的圖像幀之和指差分圖像幀之和；也就是，執(zhí)行完消除環(huán)境光處理后接著進(jìn)行降噪處理。其它實(shí)施例中，也可僅執(zhí)行消除環(huán)境光處理及降噪處理其中之一。如前所述，所述圖像傳感器14有可能在不同條件下以不同的取樣參數(shù)來采集圖像，例如所述圖像傳感器14相對(duì)于不同波長的光可能具有不同的吸收率，因此可能會(huì)以不同的曝光時(shí)間及圖像增益等取樣參數(shù)來使得所述第一圖像及所述第二圖像具有亮度大致相同的初始圖像幀，以能夠正確根據(jù)所述圖像幀進(jìn)行后處理，也就是相對(duì)所述第一圖像幀及第二圖像幀的所述取樣參數(shù)可能不相同。本發(fā)明中，為了排除不同取樣參數(shù)的影響，可將每張圖像幀或M張圖像幀之和或平均除以取樣參數(shù)以進(jìn)行歸一化處理，例如(M張圖像幀之和/取樣參數(shù))或(M張圖像幀的平均/取樣參數(shù))；其中，M為正整數(shù)。生理特征計(jì)算相對(duì)于不同光源點(diǎn)亮?xí)r，所述圖像傳感器14所采集的圖像幀同時(shí)包含有生理信息及移動(dòng)信息。因此，本發(fā)明中所述處理單元15(或所述生理特征檢測單元152)首先需將兩種信息分離后，才能夠正確計(jì)算生理特征。本發(fā)明中，所述處理單元15例如采用獨(dú)立組件分析法(Independent Component Analysis, I CA)或盲信號(hào)源分離法(Blind SourceSeparation, BSS)來將兩種信息分離。請(qǐng)參照?qǐng)D3及圖6所示，首先以圖3的所述第一圖像1:、13、I5…為例，將多個(gè)張第一圖像幀(可為原始圖像幀、經(jīng)過消除環(huán)境光機(jī)制和/或降噪機(jī)制處理過的第一圖像幀)或多個(gè)第一圖像幀和(M張?jiān)紙D像幀和、經(jīng)過消除環(huán)境光機(jī)制和/或降噪機(jī)制處理過的M張第一圖像幀和)的每張圖像幀或圖像幀和分割為至少兩部分并分別求得平均亮度，例如圖像幀I1分割成平均亮度為B1及B/兩部分；圖像幀I3分割成平均亮度為B3及B3'兩部分；…；圖像幀In分割成平均亮度為Bi1及B2N_/兩部分(其它實(shí)施例中可多于兩部分)。接著，利用獨(dú)立組件分析法或盲信號(hào)源分離法分離出第一移動(dòng)信息及第一生理信息(如圖6所示)，其皆顯示為亮度變化線型。本發(fā)明中將移動(dòng)信息舍棄并利用生理信息來計(jì)算生理特征?？梢粤私獾氖牵捎谒鰣D像傳感器14的取樣頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于脈搏頻率，因此所分離出的生理信息可顯示出光強(qiáng)度隨脈搏變化的線型(類似圖1);分離出的移動(dòng)信息分布并不限定如圖6所示者。此外，所述圖像幀分割的兩個(gè)部分并不限定為上下兩部分。此夕卜，由于必須分別計(jì)算出兩個(gè)不同波長的光的生理信息，上述分離程序分別針對(duì)第一圖像幀1:、13、(相對(duì)應(yīng)第一光源點(diǎn)亮)及第二圖像幀12、14、I6…(相對(duì)應(yīng)第二光源點(diǎn)亮)來進(jìn)行。必須說明的是，當(dāng)利用圖像幀和或平均來進(jìn)行信息分離時(shí)，圖6中的I1-1i1以及I2-12n每一個(gè)均表示M張圖像幀之和或平均。 必須強(qiáng)調(diào)的是，所述手指9的位移量及接觸狀態(tài)由所述處理單元15 (所述移動(dòng)/接觸檢測單元151)直接根據(jù)所述第一圖像幀及所述第二圖像幀求得，并不需要經(jīng)過分離后的移動(dòng)信息。獨(dú)立組件分析法或盲信號(hào)源分離法主要用以將混合信號(hào)分離，以消除移動(dòng)所造成的信號(hào)噪聲。 本發(fā)明中，所述處理單元15還根據(jù)至少一個(gè)閾值與所述第一亮度變化和/或所述第二亮度變化的比較結(jié)果計(jì)算脈搏數(shù)。系統(tǒng)頻率校正機(jī)制—般為降低系統(tǒng)成本，所述頻率產(chǎn)生器19可使用成本較低的RC振蕩電路，而RC振蕩電路的精度較低且其振蕩頻率會(huì)隨著制程及操作溫度而改變；其它實(shí)施例中也可使用石英振蕩電路，并無特別限制。由于計(jì)算生理特征時(shí)需要較精準(zhǔn)的系統(tǒng)頻率(例如計(jì)算脈搏數(shù)時(shí)要準(zhǔn)確)，于所述光學(xué)手指鼠標(biāo)I出廠前，優(yōu)選使用具有精準(zhǔn)閃爍頻率的外部光源貼近所述觸控件13的接觸面13S，以使所述圖像傳感器14感測所述外部光源的亮度變化，以作為調(diào)整所述頻率產(chǎn)生器19的振蕩頻率的基準(zhǔn)。例如，可事先求出所述頻率產(chǎn)生器19在不同溫度下與精準(zhǔn)頻率間的差異值以作為系統(tǒng)頻率校正參數(shù)，并儲(chǔ)存于所述存儲(chǔ)單元17中。當(dāng)使用到系統(tǒng)頻率時(shí)，只要利用所述系統(tǒng)頻率校正參數(shù)即可得到準(zhǔn)確的振蕩頻率。休眠模式本發(fā)明的光學(xué)手指鼠標(biāo)I在閑置預(yù)設(shè)時(shí)間后，可進(jìn)入休眠模式。例如，所述處理單元15于預(yù)設(shè)時(shí)間判斷所述手 指9未靠近或接觸所述觸控面13S時(shí)，即可進(jìn)入休眠模式。生理特征舍棄機(jī)制本發(fā)明的光學(xué)手指鼠標(biāo)I的處理單元15可同時(shí)計(jì)算位移量及生理特征，然而精確的生理特征計(jì)算優(yōu)選是在位移量較低的情形。因此，本發(fā)明可事先判斷所述位移量是否大于默認(rèn)值，若所述位移量大于所述默認(rèn)值，則所述圖像傳感器14所采集的圖像幀僅用以計(jì)算位移量或判斷接觸狀態(tài)而不用以計(jì)算生理特征，或者即使計(jì)算出生理特征也不通過所述傳輸接口 18傳輸而直接從所述存儲(chǔ)單元17中舍棄。本發(fā)明提出一種根據(jù)手指表面的反射光檢測生理特征的方法，包含下列步驟提供第一波長及第二波長的光至手指表面(步驟S11);采集所述第一波長的光的反射光以產(chǎn)生多個(gè)第一圖像幀并采集所述第二波長的光的反射光以產(chǎn)生多個(gè)第二圖像幀(步驟S12)；將每張所述第一圖像幀及每張所述第二圖像幀分割成至少兩部分并求得每一部分的平均亮度(步驟S13);利用獨(dú)立組件分析法或盲信號(hào)源分離法分析所述第一圖像幀的所述每一部分的所述平均亮度以求得第一亮度變化并分析所述第二圖像幀的所述每一部分的所述平均亮度以求得第二亮度變化(步驟S14);以及根據(jù)所述第一亮度變化及所述第二亮度變化求得生理特征(步驟S15)。本實(shí)施例的生理特征檢測方法適用于包含光學(xué)手指鼠標(biāo)的電子裝置，其優(yōu)選包含表示裝置。本實(shí)施例各步驟的詳細(xì)實(shí)施方式已詳述于前，故于此不再贅述。此外，當(dāng)本發(fā)明的生理特征檢測方法并非應(yīng)用于光學(xué)手指鼠標(biāo)中時(shí)，也可應(yīng)用于生理特征檢測裝置以取代公知的血氧儀，用以通過檢測人體待測部位的皮膚表面以計(jì)算生理特征；于此實(shí)施例中，只要將上述本發(fā)明實(shí)施例中的手指9換成人體其它的待測部位即可，除了不計(jì)算位移量外，其它計(jì)算生理特征的方式則相同，故于此不再贅述；亦即，所述生理特征檢測裝置同樣具有降噪、消除環(huán)境光、休眠模式及系統(tǒng)頻率校正等機(jī)制。所述待測部位為公知的血氧儀用以檢測血氧濃度的身體部位。綜上所述，公知的光學(xué)手指鼠標(biāo)并無法檢測使用者的生理特征，且血氧儀計(jì)算血氧濃度的方式因具有無法判斷移動(dòng)中的待測部位等因素而無法兼容于光學(xué)手指鼠標(biāo)上。因此，本發(fā)明還提供一種光學(xué)手指鼠標(biāo)(圖2A及2B)，其可于檢測手指位移量的同時(shí)檢測使用者的生理特征，并可有效消除移動(dòng)所造成的信號(hào)噪聲及消除環(huán)境光源影響，并具有系統(tǒng)頻率校正、休眠模式及舍棄生理信息的機(jī)制。雖然本發(fā)明已以上述實(shí)施例公開，然其并非用以限定本發(fā)明，任何本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域中的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作各種的更動(dòng)與修改。因此本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)視所附權(quán)利要求所限定的范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)手指鼠標(biāo)，用以檢測手指的位移量及生理特征，所述光學(xué)手指鼠標(biāo)包含第一光源，發(fā)出第一波長的光至所述手指；第二光源，發(fā)出第二波長的光至所述手指；光源控制單元，控制所述第一光源及所述第二光源的點(diǎn)亮及熄滅；圖像傳感器，以取樣頻率接收來自所述手指的反射光以產(chǎn)生相對(duì)所述第一光源點(diǎn)亮的多個(gè)第一圖像幀及相對(duì)所述第二光源點(diǎn)亮的多個(gè)第二圖像幀；以及處理單元，根據(jù)所述第一圖像幀及所述第二圖像幀計(jì)算所述位移量及所述生理特征。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)手指鼠標(biāo)，其中所述處理單元將每張所述第一圖像幀分割為至少兩部分并計(jì)算每一部分的平均亮度，利用獨(dú)立組件分析法分析所述第一圖像幀的所述每一部分的所述平均亮度以求得第一亮度變化；將每張所述第二圖像幀分割為至少兩部分并計(jì)算每一部分的平均亮度，利用獨(dú)立組件分析法分析所述第二圖像幀的所述每一部分的所述平均亮度以求得第二亮度變化；并根據(jù)所述第一亮度變化及所述第二亮度變化計(jì)算所述生理特征。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光學(xué)手指鼠標(biāo)，其中所述生理特征包含血氧濃度及脈搏數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光學(xué)手指鼠標(biāo)，其中所述處理單元還根據(jù)至少一個(gè)閾值與所述第一亮度變化和/或所述第二亮度變化的比較結(jié)果計(jì)算脈搏數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)手指鼠標(biāo)，其中所述處理單元計(jì)算M張圖像幀之和以降低噪聲，并根據(jù)取樣參數(shù)歸一化所述圖像幀的和或平均，其中M為正整數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)手指鼠標(biāo)，其中所述光源控制單元控制所述第一光源及所述第二光源于預(yù)定期間熄滅，以使所述圖像傳感器采集多個(gè)亮第一圖像幀、多個(gè)亮第二圖像幀及多個(gè)暗圖像幀；所述處理單元根據(jù)所述亮第一圖像幀與所述暗圖像幀之差以及所述亮第二圖像幀與所述暗圖像幀之差計(jì)算所述位移量及所述生理特征。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)手指鼠標(biāo)，該光學(xué)手指鼠標(biāo)在閑置預(yù)設(shè)時(shí)間后進(jìn)入休眠模式。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)手指鼠標(biāo)，其中當(dāng)所述位移量大于默認(rèn)值，所述處理單元不計(jì)算所述生理特征或舍棄所述生理特征。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)手指鼠標(biāo)，該光學(xué)手指鼠標(biāo)還包含存儲(chǔ)單元，該存儲(chǔ)單元儲(chǔ)存系統(tǒng)頻率校正參數(shù)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)手指鼠標(biāo)，其中所述處理單元還對(duì)所述第一圖像幀及所述第二圖像幀的亮度與至少一個(gè)門檻值進(jìn)行比較以判斷接觸狀態(tài)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)手指鼠標(biāo)，其中所述處理單元根據(jù)兩張所述第一圖像幀、一張所述第一圖像幀與一張所述第二圖像幀及兩張所述第二圖像幀計(jì)算所述位移量。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)手指鼠標(biāo)，其中所述光源控制單元控制所述第一光源及所述第二光源輪流點(diǎn)亮以使所述圖像傳感器輪流接收所述第一光源及所述第二光源的反射光；所述光源控制單元或者控制所述第一光源及所述第二光源同時(shí)點(diǎn)亮以使所述圖像傳感器同時(shí)接收所述第一光源及所述第二光源的反射光，且所述圖像傳感器包含濾光器， 該濾光器覆蓋于所述圖像傳感器的感測面的一部分。
13.一種電子裝置，用以檢測并響應(yīng)手指的位移量及生理特征，所述電子裝置包含光學(xué)手指鼠標(biāo)，該光學(xué)手指鼠標(biāo)包含 兩個(gè)光源，發(fā)出不同波長的光至所述手指； 光源控制單元，控制所述兩個(gè)光源的點(diǎn)滅； 圖像傳感器，以取樣頻率接收來自所述手指的反射光以產(chǎn)生相對(duì)所述兩個(gè)不同光源點(diǎn)亮的多個(gè)第一圖像幀及多個(gè)第二圖像幀；和 處理單元，根據(jù)所述第一圖像幀及所述第二圖像幀計(jì)算并輸出所述位移量及所述生理特征； 控制單元，接收所述位移量及所述生理特征；以及 表示裝置，受所述控制單元控制以響應(yīng)所述位移量和/或所述生理特征。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的電子裝置，其中所述表示裝置為顯示器、燈號(hào)、七字節(jié)顯示或聲音裝置；所述控制單元為遙控器、鼠標(biāo)、鍵盤或光學(xué)測距裝置。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的電子裝置，其中所述生理特征包含血氧濃度及脈搏數(shù)。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的電子裝置，其中所述處理單元將每張所述第一圖像幀分割為至少兩部分并計(jì)算每一部分的平均亮度，利用獨(dú)立組件分析法分析所述第一圖像幀的所述每一部分的所述平均亮度以求得第一亮度變化；將每張所述第二圖像幀分割為至少兩部分并計(jì)算每一部分的平均亮度，利用獨(dú)立組件分析法分析所述第二圖像幀的所述每一部分的所述平均亮度以求得第二亮度變化；并根據(jù)所述第一亮度變化及所述第二亮度變化計(jì)算所述生理特征。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的電子裝置，其中所述處理單元還根據(jù)至少一個(gè)閾值與所述第一亮度變化和/或所述第二亮度變化的比較結(jié)果計(jì)算脈搏數(shù)。
18.根據(jù)權(quán)利要求13所述的電子裝置，其中所述處理單元還對(duì)所述第一圖像幀及所述第二圖像幀的亮度與至少一個(gè)門檻值進(jìn)行比較以判斷接觸狀態(tài)。
19.一種生理特征檢測裝置，通過檢測人體待測部位以計(jì)算生理特征，所述生理特征檢測裝置包含 兩個(gè)光源，發(fā)出不同波長的光至所述人體待測部位； 光源控制單元，控制所述兩個(gè)光源的點(diǎn)滅； 圖像傳感器，以取樣頻率接收來自所述人體待測部位的反射光以產(chǎn)生分別相對(duì)所述兩不同光源點(diǎn)亮的多個(gè)第一圖像幀及多個(gè)第二圖像幀；以及 處理單元，將每張所述第一圖像幀分割為至少兩部分并計(jì)算每一部分的平均亮度，利用獨(dú)立組件分析法分析所述第一圖像幀的所述每一部分的所述平均亮度以求得第一亮度變化；將每張所述第二圖像幀分割為至少兩部分并計(jì)算每一部分的平均亮度，利用獨(dú)立組件分析法分析所述第二圖像幀的所述每一部分的所述平均亮度以求得第二亮度變化；并根據(jù)所述第一亮度變化及所述第二亮度變化計(jì)算所述生理特征。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的生理特征檢測裝置，其中所述生理特征包含血氧濃度及脈搏數(shù)。
全文摘要
一種光學(xué)手指鼠標(biāo)，包含兩個(gè)光源、圖像傳感器及處理單元。所述兩個(gè)光源發(fā)出不同波長的光以照明手指表面。所述圖像傳感器接收來自所述手指表面的反射光以產(chǎn)生多個(gè)圖像幀。所述處理單元根據(jù)所述圖像幀檢測所述手指表面的位移量及接觸狀態(tài)以及使用者的生理特征。本發(fā)明還提出一種電子裝置。
文檔編號(hào)A61B5/0205GK103034342SQ20111030232
公開日2013年4月10日 申請(qǐng)日期2011年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月29日
發(fā)明者古人豪, 高銘璨, 黃森煌 申請(qǐng)人:原相科技股份有限公司