新型光学触摸屏的实现

　　摘要：本文解决了目前市售触摸屏存在的有触摸死角、假两点等问题。设计了一套实验装置用来求取摄像头模块中的摄像头的内参数和畸变参数，方法为在触摸区域拍摄多幅图，通过每幅图上多个点的像素数和这些像素点对应的触摸点在触摸区域的世界坐标的关系求得一个内参数矩阵，之后对获取的多个内参数矩阵进行优化以求取内参数的最优解，之后再求取畸变参数的最优解。求解过程中多次用Levenberg-Marquardt优化算法对实验数据进行优化处理，由于该算法是较为有效的修正的最小二乘法，所求参数的精确度较高。

　　引言

　　光学触摸屏是一种利用光学成像技术获取触摸位置的触摸屏设备^[1]。光学触摸屏在准确率、反应速度、大尺寸应用方面上都优于其他触摸屏，且成本低廉^[2]。本文分析了市售光学触摸屏存在的一些问题，并实现了一种新型的光学触摸屏克服这些设计缺陷。该实现相对于市售触摸屏增加了摄像头模块的数量。同时本文提出了一种实验方法以求取该实现所用的摄像头的内参数，该方法最大的特点就是求解过程中多次使用Levenberg-Marquardt优化算法^[3~4]，该算法具有梯度法和牛顿法的优点^[4]，是一种广泛使用的最小二乘法，因此所求参数精确度较高。

　　1 光学触摸屏总体方案简介

　　1.1 市售触摸屏简介及其不足

　　目前市售光学触摸屏产品主要是利用两个摄像头去捕捉触摸位置。以一款CMOS式光学触摸屏为例，该触摸屏触摸区域的左、右上角分别对称放置一个CMOS图像传感器，每个传感器绑一个LED发射器。触摸区域的四个边框有反光条，反光条是利用光学原理，能把光线逆反射回到光源处的一种特殊结构的 PVC膜。LED发射器射出不可见光照射到反光条上，在没有触摸物时，两个传感器都将看到一段全白的图像，在有触摸物时传感器看到的是一段被阴影切断的图像。由于触摸位置不同时两个传感器看到的阴影位置不同，可由如图1所示的CMOS交汇测量系统^[9]的测量原理确定触摸坐标。

　　在触摸平面上建立坐标系O₁-XY，O₁、O₂为两摄像头模块的镜头光心，两侧摄像头光路如图1所示，设两传感器光心距离为L，传感器光轴与X轴的夹角为θ，任取触摸点P(P_x ，P_y )，PO₁、PO₂与X轴的夹角分别为α、β ，λ为镜头到CMOS探测器的距离，以两个摄像头的光轴为基准，令 α、β顺时针为负逆时针为正，则有：

　　tan α= L₁/λ (1-1)
　　tan β= L₂/λ (1-2)
　　tan (θ-α)=P_x/P_y (1-3)
　　tan (θ+β)=P_y(L-P_x) (1-4)

　　由上述关系可得：

　　⑴ 存在触摸死角^[8]，如图2所示。当触摸点离摄像头1较近时，由于红外线灯照在触摸物上的反光，摄像头1看到的是全白的图像，摄像头2看到了触摸物但无法判断远近，因此触摸点在此处的物理坐标是无法确定的。