一种校准触控式萤幕／显示萤幕之间点与点对应关系的算法

不知道本文所介绍的技术老不老，如果很old的话，各位就权当温故而知新吧，如果有一定的参考价值，那就更让人满意了。

 

阻性触控式萤幕与LCD显示器上的各点很难完全准确配合，因此除了采用精确的机械装配技术校准之外，在使用之前还必须进行软体校准。本文介绍的校准方法首先确定误差源，然后透过三个选定点导出触控式萤幕的校准矩阵，并用软体方法来实施点与点之间对应关系的校准。掌握这种技术，对降低嵌入式系统的成本至关重要。


图1所示是一个阻性触控式萤幕的横截面，其结构十分简单，由上下相对放置的两片玻璃构成，玻璃的内表面涂上薄薄一层导电材料，并用一些小玻璃珠将导电表面隔开。当手指或触控笔按压玻璃表面时，上层玻璃产生弯曲接触下层玻璃。这种结构中玻璃珠间的距离决定了触控式萤幕的敏感度。玻璃珠互相放置得越近，敏感度越小，压力就要越大，以使两层玻璃片可靠接触。


图2所示是触控式萤幕的等效电路。透过一个触控式萤幕控制器(AD转换器)将电源的正、负极加到一块玻璃的导电层两端，另一块玻璃上的导电层则起到一个电位计游标的作用。在玻璃上不同的触控点，导电的情况也不同，数位转换器上便会录得不同的测试电压值，然后控制器将录得的电压值转换成一个二维座标：X轴座标和Y座标。


这些控制器每秒钟可进行200次或更多的采样。采样率通常与背景噪音和控制器品质有关。智慧控制器还具备其它一些功能，如检测到触控时中断CPU、在检测到触控前设定采样率连续进行采样。没有触控时，控制器处于待机状态。


由于阻性触控式萤幕结构简单、作业易懂、所需软硬体有多个厂商可供选择，因此可用于对成本敏感的设计中。然而，由于触控式萤幕与它背后的显示器(LCD或其它)间的对应点很难完全配合，因此几乎所有带阻性触控式萤幕的设备在出厂前均要经过一定的校准。否则在触控式萤幕上点击某一按钮或选择某项功能时，内建的软体便无法对这一点击做出正确响应。


本文介绍的校准方法需要三个目标点／或测试点，然后依次进行触控测试，以确定该显示萤幕特有的校准因数。最后透过这些校准因数将触控式萤幕的对应点与实际显示的对应点完全对应起来。


误差的来源


有几个误差源会影响触控式萤幕控制器，使之无法产生正确的对应点X和Y座标。最主要的误差源是电气噪音、机械误差及放大因子。此外，作业者的误作业也会有所影响，如手指或触控笔按压时间不够长或压力不够大。以上所有误差均会产生无用数据，必须对它进行纠正补偿才能使触控式萤幕正常工作。


在各种电气系统中，由热效应或电磁效应以及系统设计缺陷引起的电气噪音无处不在。在触控式萤幕中，由于AD转换器的前端电路具有高输入阻抗，因此特别容易受到电气噪音的影响。除了对带有触控式萤幕控制器的电路小心布局外，我们通常在AD转换器输入端增加低通滤波器来解决这一问题。此外也可选择软体方法，舍弃AD转换中的最小的一、两位，并用算法将一些落在允许误差范围之外的数据点从采样流中去除。这种软体算法也可消除由使用者产生的误差。


本文所阐述的校准方法可用来解决由于机械误差和放大因素引起的误差。图3中的圆圈表示触控式萤幕下的LCD显示的图形，椭圆则表示当用户顺着LCD显示的图像画圈时，触控式萤幕对应点的集合，不过有所夸大。这个重建的图形显然已经过一系列旋转、移位和放大，而且在每个方向变换的参数不一样。校准的重点则是将触控式萤幕上显示的这个重建图形经过变换，换算出与LCD显示的图形相一致的对应点集合。


校准的数学基础


为了得到一个通用解决方案，我们将每个点描述为一个数学参量。如图4所示，可将LCD显示器上的每个点当作一个向量PD，而该点在触控式萤幕上对应的点则当作向量P。


此外，我们假设一个参量M，透过这个参量可将PD与P进行换算，即


PD=MP (1)


这里的M是一个转换矩阵，也是我们要研究的对象。如果能得到转换矩阵M中相关的数值，那么给定触控式萤幕上任一点P，我们就可换算出它在LCD显示器上的对应点PD。


现在假设LCD显示器上的任一点都与触控式萤幕上的某点相对应，但要经过旋转、移位和放大处理。


如果按向量的长度和角度将每个点用(X,Y)两个座标来表示，则LCD显示器和触控式萤幕上的点都可透过以下方程式来表达：



如果触控式萤幕在校准时与显示萤幕之间存在一个角度差异，为了进行补偿，要进行旋转处理，即θr=θD-θ，θr是角度差。这样我们便可得到一个中间点：

将每个点的X座标和Y座标以不同的因子放大，得到KX和KY。考虑放大因子可以得到以下方程式，它更准确地描述了LCD显示器与触控式萤幕上点与点之间的对应关系：



最后，我们加上位移因子XT和YT，得到LCD显示器与触控式萤幕上点与点之间的对应方程式：



为了将方程式5再次变换以求取方程式中的未知量，假设触控式萤幕和LCD显示器上点与点之间有一个角度差θr，但这一角度极小，因此sinθrθr，而cosθr1.0。根据这一假设我们得出另两个十分有用的近似方程式：



透过以下组合，方程式5可重新表示为：



方程式7的优点在于，它采用触控式萤幕座标描述了LCD显示器上的点座标。上述方程式也可转换为：


利用我们原先的假设(即实际情况中的放大、旋转和位移因数均为常量)，除X和Y之外，上述方程式右边的各项均为常量。


透过采用更方便的方式表达XD和YD座标，我们可以得到触控式萤幕与LCD显示器各点之间的对应关系方程式：




可见，只有当触控式萤幕和LCD显示器间的角度差非常小时，才可运用上述公式。


校准矩阵


一般的校准算法常选取2-5个采样点来收集校准资讯。假设LCD显示器上的对应点可以透过触控式萤幕上的点转换得到，只需正好3个采样点我们就可得到校准数据。需要3个采样点的原因在于方程式9a和9b有三个未知量。从这3个采样点我们可获得足够的资讯来建立并求解这一联立方程组。


采样点的选取也应当考虑到实际情况。它们必须能得出非冗余的联立方程组，它们不能太靠近触控式萤幕的边缘(此处呈现非线性)，此外它们的间隔必须足够宽，以便尽可能减少放大误差。图5所示的P0、P1和P2这三个点符合这些条件。这些点距触控式萤幕边缘约10%，分布足够散，得出以下非冗余方程式：




从而求出A、B、C、D、E和F的值。一旦这些参数值定下来，便可利用方程式9，透过触控式萤幕上的原始数据计算出它在LCD显示器上的对应点。


上述联立方程组的未知量已求解出，此处不再推导。直接跳过中间步骤得出最后结论，将K作为各方程式的公分母，便可得出未知量：






软体实现


实际的软体实现过程相对简单。可从www.embedded.com/code.htm上得到程式样本，它包括三个文件：alibrate.c、calibrate.h和sample.c。第一个文件包含两个函数setCalibrationMatrix()和getDisplayPoint()。前者实现了方程式13-18，后者则实现了方程式9。

启动文件包含了各种声明，另一个源文件则实现了一个控制台应用程式，这一程式执行校准功能，并示范如何在元件中使用这些函数。 sample.c中的代码假设在调用这些函数前，元件中实现了一个执行程式来采集校准数据。


表1是建议的校准步骤，将这些步骤执行完毕就实现了校准过程，此时设备便可开始从触控式萤幕系统接收精确的位置资讯。触控式萤幕控制器中设有中断程式，当程式将数位转换器的输出数据过滤后，它需要调用函数getDisplay-Point()。通常，getDisplay-Point()函数调用是将触控式萤幕某点数据存入用户输入队列以前的最后一个步骤。




表1：建议的校准步骤

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1.用全组数值调用setCalibrationMatrix()以设置显示萤幕驱动器，并提供原始存取数据(见sample.c)。这样就不需要为存取数据构造特殊的函数。你只需要按照与程式一样的机制获取纵座标。


2.在座标(XD0,YD0)画出第一个目标。


3.收集从触控式萤幕返回的数据，并储存在座标(X0,Y0)。


4.在座标(XD1,YD1)画出第二个目标。


5.收集从触控式萤幕返回的数据，并储存在座标(X1,Y1)。


6.在座标(XD2,YD2)画出第三个目标。


7.收集从触控式萤幕返回的数据，并储存在座标(X2,Y2)。


8.采用参考显示数据和其产生的触控式萤幕数据作为变量，调用setCalibrationMatrix()函数。


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其它考虑因素


执行采样函数是为了保证每次都获得准确结果，因而它的中间值未经放大。


由于多数数位转换器提供的原始数据为10位元，因此需要进行整数型32位元数学运算，方程式15和18会产生31位元的符号数。执行这些方程式时要使用解析度高达1024点的触控式萤幕数位转换器，它适用于解析度高达512点(宽度或高度)的显示器。


如果要在大面积的触控式萤幕中使用这些公式，就必须使用64位元整数或将缩小输出值和中间结果，以免在计算校准因子时暂存器出现溢出。


函数getDisplayPoint()与校准矩阵有关，后者包括一套有效参量，这种采样结构使用自动变量来显示LCD显示器和触控式萤幕的对应点间以及校准矩阵间的关系，不过在实际执行中，校准矩阵最好是一个全局结构，并在启动时正确初始化。


这些代码可从www.embedded.com/code.htm免费下载，并用于多种场合。不过该代码未经过任何最佳化处理。


本文小节


本文描述的触控式萤幕校准方法简单、灵活并可纠正一些常见的机械性误差。这些误差(位移、放大、旋转)都是由于LCD显示器与触控式萤幕之间的不对应引起的。尽管可透过机械方法来弥补，但是软体方法无需使用机械设备，且更能保证产品品质。


作者：Carlos E. Vidales


Tekelec公司


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