光电鼠标技术在汽车领域应用的可行性分析

光电鼠标的原理

光电鼠标集现代高分辨率成像技术和数字图像处理技术于一体，是鼠标技术的重大发明，以其独特的技术和价格优势迅速成为计算机的标准配置。   

光电鼠标是由成像系统IAS、信号处理系统DSP、接口系统SPI三大系统组成。其中IAS系统由光源、光学透镜和光感应器件CMOS三部分组成。鼠标工作时通过内部的光源（一个发光二极管），照亮鼠标底部，底部表面反射一部分光线经光学透镜传到CMOS感光芯片上，CMOS感光芯片是由数百个光电器件组成的矩阵，映像就在CMOS上转换为矩阵电信号，传输到信号处理系统DSP，DSP将此影像信号与存储的上一采样周期的影像进行比较，如果某一采样点在先后两个影像中的位置有移动，就发出纵、横两方向位移信号到接口系统SPI，否则继续进行下一周期采样。接口系统SPI对DSP发来的信号进行处理输出。

光电鼠标有两个主要技术参数，一个是分辨率，单位是dpi（像素/英寸），比如一个1600dpi的鼠标能分辨的最小间距为25.4mm/1600=0.015875mm；另一个是采样频率，即每秒钟CMOS对采样面拍摄图像的帧数和DSP芯片每秒钟能处理图像的帧数。比如微软IE4光电鼠标采样频率为9000帧/秒，可提供1409.7mm/秒的追踪速度。   

光电鼠标技术在汽车领域应用的可行性   

光电鼠标测量的位移变化，与真实的物理位移之间存在光学透镜造成得实物与成像之间的比例变换。计算机配置的光电鼠标的光学部分是一个高曲光率透镜，是近距成像，使用者在桌面较小的移动，光标在计算机屏幕上有较大的反应。通过改变光学透镜曲光率k，增大透镜与实物距离，可以是其追踪速度成k倍增加。当然，由于改变鼠标近距成像为远距成像，鼠标本身的分辨率也随之改变，但这种改变并不影响在汽车上的应用。   

以微软IE4光电鼠标CMOS感光芯片为例，假设最大车速为200km/h，则光学透镜系数k=200×1000/3600/1.4097=39.4，此时分辨率为0.015875×39.4=0.625mm。由此可以看出，当光学透镜系数k=39.4时，其最大追踪速度可达200km/h，分辨率小于1 mm，其测量精度仍然很高，能满足车速测量要求。   

比如在光电鼠标底部直接加上相机变焦镜头在路面上实验，设定一个相同的鼠标输出值，结果表明鼠标距离路面越远，采样范围则越大，鼠标本身需要移动的距离也越大；不加镜头鼠标紧贴路面的移动距离最小。采取远距成像时，在光线不足时需要辅助照明。在本实验中用普通的手电筒就能满足要求。   

光电鼠标是近距成像，采样面很小，在很小的采样面内有时缺少特征点，造成对于较均质的表面如镜面等的适应性差。汽车行驶的路面相对粗燥得多，每一点的特征都与其它点有明显的区别，而且由于是远距成像，采样面大，特征点更多，不存在适应性问题，大量的实验也证明了这一点。   

光电鼠标的图像处理技术中没有机械运动，全是半导体电路，科技含量高，重量只有两三百克，体积小，把其应用到汽车领域十分方便。因为从图像采集、处理到数据输出，完全由现成的光电鼠标技术实现，只需对其相关输出数据加以利用即可，开发应用特别简单。

在ABS、ESP上的应用   

汽车防抱死制动系统ABS是在车轮将要抱死时降低制动力，而当车轮不会抱死时增加制动力，反复动作，以达到安全制动。汽车制动过程中，车轮与地面之间有滑移现象，即滑移率δ=（Vt-Va）/Vt×100%（式中：δ---滑移率；Vt---汽车车轮线速度；Va---汽车行驶速度。）   
试验表明，为了取得最佳制动效果，滑移率应控制在15%"20%范围内。显而易见，控制滑移率必须知道车速。由于能精确测量车速的传感器（如多普勒测速仪）十分昂贵，大多车辆都只测轮速，根据轮速估计车速，把ABS的双参数（车速、轮速）测量简化成单参数（轮速）测量，缺少必要的参数，很大程度上影响了ABS的效果。   

把光电鼠标图像传感器技术应用到ABS系统测量车速，在汽车某一处安装图像传感器，并向下对路面采样，同时根据安装高度调整光学透镜系数k，使其成为远距成像，再把输出的位移数据转化为速度。   

应用到ESP系统上，需要在车身纵向或横向直线上两个位置（如两个后视镜支座）分别设置图像传感器，同时测量该两点纵、横两个方向的加速度变化，也就是说当车身上述两点在纵方向上的加速度基本一致且横向无位移时，车身作前行直线运动；当该两点测量出横向加速度时，车身有侧向滑移；当两点的纵向加速度值有差别时，车身伴随有横向旋转，数值大的一边在旋转外侧，根据两点的位移差与车身横向宽度等可计算旋转角度。   

在倒车后视上的应用   

在倒车后视上的应用是利用图像传感器对车身位置及方向的测量定位方法。   

现有的倒车后视装置都是通过车后的摄像头，把车后环境显示在显示屏上；有的在显示屏上同时显示车身方向及行车轨迹，以帮助驾驶员判断车身与外界环境的位置关系。上述装置的特点是实际车身位置与显示屏上看到的环境是隔离的，驾驶员在显示屏上并不能看到整个车身与环境的关系。   

与上述装置不同，利用光电鼠标技术的方法是利用图像传感器首先对车身位置及方向进行跟踪定位，动画模拟实际车辆的倒车过程，并与外界环境照片叠加。其做法是如前所述在车身上两个后视镜支座分别设置图像传感器，根据开始到车时的车身纵横方向假设一个大地坐标系，并设定其中一个图像传感器为坐标原点（坐标系可根据计算方法需要任意假设）。开始到车时首先对车后拍照，并计算出此时的照相机坐标；同时根据倒车过程中两个图像传感器点的位移变化量，计算出车身的坐标，两个坐标点可以同时确定汽车位置及车身方向。一个汽车的模型根据汽车位置坐标及车身方向模拟倒车过程，并与环境照片叠加。这样，实际汽车在地面运动，车身模型在照片上随之运动，在显示屏上看到的是一张环境照片中有一个运动的车身模型，驾驶员仿佛置身车外，俯视整个车身四周环境，倒车过程一目了然。倒车中照相机不断拍照，当车辆运动到当前照片边缘时，根据车辆位置坐标调用对应照片。需要说明的是，在车身模型与照片的叠加中，模拟汽车运动的车身模型应当是三维，而且追踪模型的虚拟摄像机与车后拍照的实际照相机的角度、高度、镜头参数等等要一致，以使车模与环境相融，模拟出的整个过程才可能准确、逼真。同时，尽可能压低车模高度，以免遮挡车后环境。   

总结   

作为光电鼠标的核心技术--图像处理的发展还在继续。据报道，深圳一家公司已研发成功第三代光电鼠标，最大移动速度提高了一个数量级，分辨率可达十万dpi。图像传感器体积小，价格低，测量精度高，在汽车上应用的空间很大。本文仅简单介绍了图像传感器在测速、定位方面的应用实例，更多的应用技术可以登录国家知识产权局网站，查阅相关图像测量法专利文献。