一种新型无线鼠标的定位算法研究

张劲波，曾昭江，李杏清，张仁忠

（广东创新科技职业学院，广东 东莞 523960）

一种新型无线鼠标的定位算法研究

张劲波，曾昭江，李杏清，张仁忠

（广东创新科技职业学院，广东 东莞 523960）

文章论述了光电鼠标的组成及工作原理，分析了鼠标坐标系统与显示坐标系统的映射关系，提出了在翻页激光笔上加装微型摄像头构成一种新型无线鼠标的构想，对新型无线鼠标的组成原理、工作原理进行了分析，重点研究了新型无线鼠标的定位算法，从而实现无滑动平面的鼠标定位。

新型鼠标；坐标变换；定位算法

1 鼠标发展概况研究

随着Windows桌面系统在个人电脑上的普及，图形用户界面已成为广大用户习惯的操作方式，因而鼠标已成为个人电脑上必不可少的部件。鼠标的发展经历了机械鼠标、光电鼠标和无线鼠标的过程。机械鼠标由于操作不够灵敏、使用寿命短的原因，已经渐渐被淘汰。随着工艺的发展，光电鼠标在大幅提高控制精确度的同时，还大大降低了生产成本，所以光电鼠标已成为多数用户的首选。

随着鼠标在不同场合的使用，人们对鼠标功能要求也不断提高，希望鼠标能够离开其依赖的滑动平面，变为像一般遥控器一样的操作方式，又能具备普通鼠标的全部功能。本文提出的一种新型鼠标可以实现以上要求，主要的难点是如何通过视频信号定位鼠标光标的坐标值。

2 光电鼠标的组成

一般光电鼠标由以下几部分组成，即光学感应器、光学透镜、发光二极管、控制芯片、按键、滚轮、连线、PS/2或USB接口[1]。这些部件的作用各不相同，在控制芯片的控制下相互协作，以此完成图像采集、图像分析和光标定位。

3 鼠标的工作原理

3.1 鼠标的工作原理

光电鼠标的工作原理，主要是通过采集图像来判断鼠标器的相对位移。光电鼠标中的发光二级管负责提供光源，照亮鼠标底部的物体表面；光学透镜由透镜和棱光镜组成，在发光二级管将鼠标底部照亮后，将底部图像传送到光学感应器；在光电鼠标移动的过程中，光学感应器采集到一组连续的图像，再交给图像处理芯片进行分析；图像处理芯片会抓取每张图像上的特征点，分析该特征点在每幅图像中的位置变化，以此判断出鼠标在方向和距离上的变化，从而实现光标在图形用户界面上的定位。

3.2 鼠标坐标系与显示坐标系的变换

光电鼠标通过将鼠标的实际位移映射到图形用户界面的坐标系统，以此实现鼠标移动与光标移动的变换，它们都采用了平面直角坐标系[6]。坐标系统会在图形用户界面上选择一个点作为坐标的原点，每次测量新位置的相对于原点的偏移量，从而得到新位置在该坐标系中的坐标值。图形用户界面的坐标系统是以显示器的左上角作为原点，横向从左往右代表X轴，纵向从下往下代表Y轴。该坐标系统以像素作为度量单位，比如某图形用户界面的分辨率为1 024×768 PPi，即表示该坐标的横向范围是0～1 023 PPi，纵向范围是0～767 PPi。而鼠标坐标系统则以米基为单位。

鼠标坐标系到显示坐标系需完成3个方面的映射：

（1）原点映射：(x0, y0) = (x0, y0) , 其中x0, y0是屏幕原点坐标值，可任意给定。

（2）目标点映射：(xi, yi)=(xi-1+△xi,yi-1+△yi)→(xi,yi)= xi-1+△xi, yi-1+△yi(i=1, 2 ……n, 横向下限≤xi≤横向上限，纵向下限≤yi≤纵向上限。

（3）基本单位映射：在图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是米基与像素的比值，它决定了鼠标的灵敏程度，μ值越大鼠标指针移动得越快，反之指针移动得越慢。以个人电脑中的Windows系统为例，可以在控制面板中改变μ的值来调节鼠标移动的快慢。

由于因为图像用户界面的显示坐标有横向和纵向的界限，在测量鼠标的实际位移时会导致能测量的距离有限。如果要实现较大的位移测量，不需要改动硬件和驱动，只要通过编程消除显示坐标系统的边界，就可以通过鼠标指针移动的像素来计算鼠标实际移动的距离。

3.3 位移测量的具体过程

图形用户界面将显示坐标分为M×N PPi，如Windows系统中的1 024×768 PPi。鼠标位移的X分量表示横向的位置，Y分量表示纵向的位移，两者不会相互影响，可以用算法分开处理。位移测量的难点在于如何解决显示坐标的上下界限阻碍鼠标不能跨度大距离的问题[8]。首先确定鼠标移动的方向，如果向右移动就必定会到达右边的边界，如果向下移动就必定会到达下边的边界。每次到达右边界时，将像素xi置零，yi不变；每次到达下边界时，将像素yi置零，xi不变。根据记录的越过边界的次数和当前显示坐标(xi, yi)与初始坐标(x0，y0) 之差，就可以求出鼠标指针移动的像素距离。最后通过比例因子μ将指针位移转换为鼠标的实际位移，从而实现鼠标的实际测距。

4 新型无线鼠标的定位方法

4.1 组成原理

在市场销售的翻页激光笔上加装微型摄像头，激光点是摄像机视口的中心点。如图1所示。图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标系原点设在A点，水平方向为X轴，向右为正；垂直方向为Y轴，向下为正。P点是摄像机的位置，EFGH是摄像机视口。NP是屏幕的法线方向，距离为d，MP是视口EFGH的法线方向，距离为dˊ，NP与MP 之间的夹角为α。显然，视口平面与屏幕平面之间的夹角也为α。

当摄像机视口的面积S视口设定为大于屏幕窗口的面积S窗口，但小于屏幕窗口的面积S窗口4倍时，即S窗口＜S视口＜4S窗口,则有如下定理：

定理：当激光点M落入屏幕窗口中，由EFGH构成的摄像机视口EF，FG，GH，HE，EG，HF 6条线段中，至少有3条线段将与由ABCD构成的屏幕窗口AB，BC，CD，DA 4条线段中的至少两条线段相交。

图1 激光笔投影

4.2 工作原理

（1）标定。由于工作中P点是可移动的，所以d是一个变量。假设工作中2 m＜d＜15 m（符合实际应用情况），尽可能选择d为工作范围的中点d=8 m，输入屏幕宽和高的值后，分别测定A，B，C，D 4个角点。

（2）工作时的定位算法。当激光点落入屏幕窗口，启动微型摄像机采集图像。根据以上定理及标定值可计算出此时激光点在屏幕窗口坐标下的坐标值，将此坐标值发送给计算机，计算机在该点绘出鼠标的光标图形。将激光点移动到目标点Q（x，y）的过程，摄像机将按照工作频率采集多幅图像重复上述计算与绘制过程，最终在目标点绘出鼠标的光标图形。此时按下相应的键，即可完成鼠标的操作。从而实现了无滑动平面的鼠标操作功能。

（3）误差分析。理论上根据采集图像计算得出的激光点的坐标值，应与实际激光点的坐标值一致，从而鼠标的光标图形将与激光点重叠。但在实际操作中由于各种误差的存在，鼠标的光标图形与激光点并不能完全重叠。其中主要的误差为：

①实际操作时的距离d与标定时选用的距离不同产生的计算误差；②由于α角的存在，摄像机视口投影到S平面后产生的位置误差；③由于手持摄像机造成摄像机视口难于保持水平，即线段AB与EF之间存在夹角β而产生的误差。

（4）误差修正。但是，由于工作过程是一个有人参与的闭环调节系统，人的眼睛是系统中检测传感器，人的大脑是系统中的调节控制器，人的手是系统中执行机构。经过足够多次的调节，理论上鼠标的光标图形与激光点必将完全重叠，但实际应用中即使鼠标的光标图形与激光点还没有完全重叠，但只要使得鼠标的光标图形进入目标区域即可完成鼠标相应的操作。

5 结语

本文主要介绍了鼠标的组成和工作原理，无线鼠标如何通过鼠标坐标系统与显示坐标系统的变换来实现精确的位移测量。在此基础上提出了一种新型无线鼠标，研究了新型鼠标的组成原理及工作原理，对其定位算法进行了深入分析。

研究结果表明，利用该结论可以研制一种新型无线鼠标，可以增加计算机外围设备种类，推动计算机技术发展；可以提高利用投影仪教学、宣传等工作的效果；推动投影仪产业的发展。

[1]高弘毅.光学鼠标的结构与工作原理[J].电子测试，2003（9）：108-113．

[2]蒋海洋，李亮，翟来鹏，等.一种笔形无线鼠标的设计[J].办公自动化（办公设备与耗材），2012（6）：27-29.

[3]笑笑.面到点的距离光学鼠标和激光鼠标的区别[J].现代计算机，2007（2）：106.

[4]罗军勇，谢余强.鼠标驱动的实现方法[J].信息工程学院学报 1998（4）：17-20.

[5]陈智博，林永忠，蔡钟山，等.光电鼠标传感器的精密测量与控制系统[J].单片机与嵌入式系统应用，2009（2）：57-59.

[6]林邓伟，邢文生.光电鼠标芯片组在无接触检测运动物体中的应用[J].微计算机信息，2006（20）：131-133.

[7]刘冬冬，姜炜，张天宏.基于光学鼠标传感器的转速测量方法研究[J].传感器与微系统，2008（9）：21-23.

[8]昌学年，姚毅，闫玲.位移传感器的发展及研究[J].计量与测试技术，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

张劲波（1979— ），男，湖北荆州，硕士，讲师；研究方向：软件工程。