一種新型無線鼠標的定位算法研究

張勁波，曾昭江，李杏清，張仁忠

（廣東創新科技職業學院，廣東 東莞 523960）

一種新型無線鼠標的定位算法研究

張勁波，曾昭江，李杏清，張仁忠

（廣東創新科技職業學院，廣東 東莞 523960）

文章論述了光電鼠標的組成及工作原理，分析了鼠標坐標系統與顯示坐標系統的映射關系，提出了在翻頁激光筆上加裝微型攝像頭構成一種新型無線鼠標的構想，對新型無線鼠標的組成原理、工作原理進行了分析，重點研究了新型無線鼠標的定位算法，從而實現無滑動平面的鼠標定位。

新型鼠標；坐標變換；定位算法

1 鼠標發展概況研究

隨著Windows桌面系統在個人電腦上的普及，圖形用戶界面已成為廣大用戶習慣的操作方式，因而鼠標已成為個人電腦上必不可少的部件。鼠標的發展經歷了機械鼠標、光電鼠標和無線鼠標的過程。機械鼠標由于操作不夠靈敏、使用壽命短的原因，已經漸漸被淘汰。隨著工藝的發展，光電鼠標在大幅提高控制精確度的同時，還大大降低了生產成本，所以光電鼠標已成為多數用戶的首選。

隨著鼠標在不同場合的使用，人們對鼠標功能要求也不斷提高，希望鼠標能夠離開其依賴的滑動平面，變為像一般遙控器一樣的操作方式，又能具備普通鼠標的全部功能。本文提出的一種新型鼠標可以實現以上要求，主要的難點是如何通過視頻信號定位鼠標光標的坐標值。

2 光電鼠標的組成

一般光電鼠標由以下幾部分組成，即光學感應器、光學透鏡、發光二極管、控制芯片、按鍵、滾輪、連線、PS/2或USB接口[1]。這些部件的作用各不相同，在控制芯片的控制下相互協作，以此完成圖像采集、圖像分析和光標定位。

3 鼠標的工作原理

3.1 鼠標的工作原理

光電鼠標的工作原理，主要是通過采集圖像來判斷鼠標器的相對位移。光電鼠標中的發光二級管負責提供光源，照亮鼠標底部的物體表面；光學透鏡由透鏡和棱光鏡組成，在發光二級管將鼠標底部照亮后，將底部圖像傳送到光學感應器；在光電鼠標移動的過程中，光學感應器采集到一組連續的圖像，再交給圖像處理芯片進行分析；圖像處理芯片會抓取每張圖像上的特征點，分析該特征點在每幅圖像中的位置變化，以此判斷出鼠標在方向和距離上的變化，從而實現光標在圖形用戶界面上的定位。

3.2 鼠標坐標系與顯示坐標系的變換

光電鼠標通過將鼠標的實際位移映射到圖形用戶界面的坐標系統，以此實現鼠標移動與光標移動的變換，它們都采用了平面直角坐標系[6]。坐標系統會在圖形用戶界面上選擇一個點作為坐標的原點，每次測量新位置的相對于原點的偏移量，從而得到新位置在該坐標系中的坐標值。圖形用戶界面的坐標系統是以顯示器的左上角作為原點，橫向從左往右代表X軸，縱向從下往下代表Y軸。該坐標系統以像素作為度量單位，比如某圖形用戶界面的分辨率為1 024×768 PPi，即表示該坐標的橫向范圍是0～1 023 PPi，縱向范圍是0～767 PPi。而鼠標坐標系統則以米基為單位。

鼠標坐標系到顯示坐標系需完成3個方面的映射：

（1）原點映射：(x0, y0) = (x0, y0) , 其中x0, y0是屏幕原點坐標值，可任意給定。

（2）目標點映射：(xi, yi)=(xi-1+△xi,yi-1+△yi)→(xi,yi)= xi-1+△xi, yi-1+△yi(i=1, 2 ……n, 橫向下限≤xi≤橫向上限，縱向下限≤yi≤縱向上限。

（3）基本單位映射：在圖形方式下的米基到像素映射，△xi/x方向比例因子=△xi,△yi/y方向比例因子=△yi(i=1, 2……，n)。

比例因子μ是米基與像素的比值，它決定了鼠標的靈敏程度，μ值越大鼠標指針移動得越快，反之指針移動得越慢。以個人電腦中的Windows系統為例，可以在控制面板中改變μ的值來調節鼠標移動的快慢。

由于因為圖像用戶界面的顯示坐標有橫向和縱向的界限，在測量鼠標的實際位移時會導致能測量的距離有限。如果要實現較大的位移測量，不需要改動硬件和驅動，只要通過編程消除顯示坐標系統的邊界，就可以通過鼠標指針移動的像素來計算鼠標實際移動的距離。

3.3 位移測量的具體過程

圖形用戶界面將顯示坐標分為M×N PPi，如Windows系統中的1 024×768 PPi。鼠標位移的X分量表示橫向的位置，Y分量表示縱向的位移，兩者不會相互影響，可以用算法分開處理。位移測量的難點在于如何解決顯示坐標的上下界限阻礙鼠標不能跨度大距離的問題[8]。首先確定鼠標移動的方向，如果向右移動就必定會到達右邊的邊界，如果向下移動就必定會到達下邊的邊界。每次到達右邊界時，將像素xi置零，yi不變；每次到達下邊界時，將像素yi置零，xi不變。根據記錄的越過邊界的次數和當前顯示坐標(xi, yi)與初始坐標(x0，y0) 之差，就可以求出鼠標指針移動的像素距離。最后通過比例因子μ將指針位移轉換為鼠標的實際位移，從而實現鼠標的實際測距。

4 新型無線鼠標的定位方法

4.1 組成原理

在市場銷售的翻頁激光筆上加裝微型攝像頭，激光點是攝像機視口的中心點。如圖1所示。圖1中S是垂直平面，ABCD是平面上一投影屏幕，屏幕窗口中的直角坐標系原點設在A點，水平方向為X軸，向右為正；垂直方向為Y軸，向下為正。P點是攝像機的位置，EFGH是攝像機視口。NP是屏幕的法線方向，距離為d，MP是視口EFGH的法線方向，距離為dˊ，NP與MP 之間的夾角為α。顯然，視口平面與屏幕平面之間的夾角也為α。

當攝像機視口的面積S視口設定為大于屏幕窗口的面積S窗口，但小于屏幕窗口的面積S窗口4倍時，即S窗口＜S視口＜4S窗口,則有如下定理：

定理：當激光點M落入屏幕窗口中，由EFGH構成的攝像機視口EF，FG，GH，HE，EG，HF 6條線段中，至少有3條線段將與由ABCD構成的屏幕窗口AB，BC，CD，DA 4條線段中的至少兩條線段相交。

圖1 激光筆投影

4.2 工作原理

（1）標定。由于工作中P點是可移動的，所以d是一個變量。假設工作中2 m＜d＜15 m（符合實際應用情況），盡可能選擇d為工作范圍的中點d=8 m，輸入屏幕寬和高的值后，分別測定A，B，C，D 4個角點。

（2）工作時的定位算法。當激光點落入屏幕窗口，啟動微型攝像機采集圖像。根據以上定理及標定值可計算出此時激光點在屏幕窗口坐標下的坐標值，將此坐標值發送給計算機，計算機在該點繪出鼠標的光標圖形。將激光點移動到目標點Q（x，y）的過程，攝像機將按照工作頻率采集多幅圖像重復上述計算與繪制過程，最終在目標點繪出鼠標的光標圖形。此時按下相應的鍵，即可完成鼠標的操作。從而實現了無滑動平面的鼠標操作功能。

（3）誤差分析。理論上根據采集圖像計算得出的激光點的坐標值，應與實際激光點的坐標值一致，從而鼠標的光標圖形將與激光點重疊。但在實際操作中由于各種誤差的存在，鼠標的光標圖形與激光點并不能完全重疊。其中主要的誤差為：

①實際操作時的距離d與標定時選用的距離不同產生的計算誤差；②由于α角的存在，攝像機視口投影到S平面后產生的位置誤差；③由于手持攝像機造成攝像機視口難于保持水平，即線段AB與EF之間存在夾角β而產生的誤差。

（4）誤差修正。但是，由于工作過程是一個有人參與的閉環調節系統，人的眼睛是系統中檢測傳感器，人的大腦是系統中的調節控制器，人的手是系統中執行機構。經過足夠多次的調節，理論上鼠標的光標圖形與激光點必將完全重疊，但實際應用中即使鼠標的光標圖形與激光點還沒有完全重疊，但只要使得鼠標的光標圖形進入目標區域即可完成鼠標相應的操作。

5 結語

本文主要介紹了鼠標的組成和工作原理，無線鼠標如何通過鼠標坐標系統與顯示坐標系統的變換來實現精確的位移測量。在此基礎上提出了一種新型無線鼠標，研究了新型鼠標的組成原理及工作原理，對其定位算法進行了深入分析。

研究結果表明，利用該結論可以研制一種新型無線鼠標，可以增加計算機外圍設備種類，推動計算機技術發展；可以提高利用投影儀教學、宣傳等工作的效果；推動投影儀產業的發展。

[1]高弘毅.光學鼠標的結構與工作原理[J].電子測試，2003（9）：108-113．

[2]蔣海洋，李亮，翟來鵬，等.一種筆形無線鼠標的設計[J].辦公自動化（辦公設備與耗材），2012（6）：27-29.

[3]笑笑.面到點的距離光學鼠標和激光鼠標的區別[J].現代計算機，2007（2）：106.

[4]羅軍勇，謝余強.鼠標驅動的實現方法[J].信息工程學院學報 1998（4）：17-20.

[5]陳智博，林永忠，蔡鐘山，等.光電鼠標傳感器的精密測量與控制系統[J].單片機與嵌入式系統應用，2009（2）：57-59.

[6]林鄧偉，邢文生.光電鼠標芯片組在無接觸檢測運動物體中的應用[J].微計算機信息，2006（20）：131-133.

[7]劉冬冬，姜煒，張天宏.基于光學鼠標傳感器的轉速測量方法研究[J].傳感器與微系統，2008（9）：21-23.

[8]昌學年，姚毅，閆玲.位移傳感器的發展及研究[J].計量與測試技術，2009（9）：42-44.

Research on a new localization algorithm for wireless mouse

Zhang Jinbo, Zeng Zhaojiang, Li Xingqing, Zhang Renzhong
（Guangdong Innovation and Technology Career Academy, Dongguan 523960, China）

The composition and working principle of the photoelectric mouse were discussed in this paper, and the mapping relationship between the coordinate system and the coordinate system was analyzed. The installation of a miniature camera constitutes a new type of wireless mouse in laser pointer, working principle, composition principle of new wireless mouse was analyzed in this paper, and focusing on the localization algorithm of wireless mouse model, this paper realizes the positioning of the sliding plane without a mouse.

novel mouse; coordinate transformation; location algorithm

張勁波（1979— ），男，湖北荊州，碩士，講師；研究方向：軟件工程。