空中鼠標(biāo)原理及問題

　　“空中鼠標(biāo)”是一款無線鼠標(biāo)，由于該款鼠標(biāo)內(nèi)置了某種類似姿態(tài)判斷和控制的系統(tǒng)，徹底擺脫了鼠標(biāo)必須在桌面上才能使用的操作模式。操作十分靈敏，能夠智能識別打字狀態(tài)還是在桌面上的狀態(tài)，更加快捷方便，從而發(fā)揮無線超空的作用。

　　“空中鼠標(biāo)”的原理

　　將空中鼠標(biāo)的X軸（Pitch）角速度和Z軸（Yaw）映射到鼠標(biāo)的移動速度上。因此抓握設(shè)備的方式就事先要確定，比如哪面朝前，哪面朝上。靈敏度也需要通過實驗進行確定。如果能夠獲取屏幕的分辨率或者屏幕尺寸從而進行動態(tài)調(diào)節(jié)，則效果更佳。

　　抗靜態(tài)偏移

　　鼠標(biāo)在不移動的時候，光標(biāo)自然是不能移動的。但不得不指出，廉價的陀螺儀本身會有靜態(tài)輸出。有些甚至能達到20度/s。 好在偏移通常不會因為環(huán)境而發(fā)生變化。所以需要在出廠前進行校正。這種問題比較容易解決。

　　平滑算法

　　消費級陀螺儀由于成本所限，精度必然不會很高，數(shù)據(jù)會出現(xiàn)抖動。通過提高采樣速率，即所謂的過采樣技術(shù)，對同一時刻多個數(shù)據(jù)進行濾波和平滑，從而盡可能準(zhǔn)確地反饋當(dāng)時的運動狀態(tài)。

　　運動平面不匹配

　　如上圖所示，如果以Z為軸，向Y方向旋轉(zhuǎn)，那么鼠標(biāo)會劃出一條水平的軌跡。但當(dāng)設(shè)備本身發(fā)生一定傾斜，如在X軸上有一個旋轉(zhuǎn)角，那么像剛才的移動，就會劃出一條斜線。這可能會對用戶造成費解。如果擁有加速度計，測量設(shè)備的傾斜程度，通過傳感器融合算法，就能相對而言避免這類問題。但算法要求較高。

　　旋轉(zhuǎn)，而不是位移

　　普通鼠標(biāo)都是基于位移的，移動多少，光標(biāo)就移動多少。但空鼠不是，空鼠是基于旋轉(zhuǎn)的。如果把空鼠在不旋轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)上，移動一定距離，會發(fā)現(xiàn)光標(biāo)完全沒有變化（可能會因為一些干擾造成晃動）。這會讓用戶費解?？赡苡兴惴〞噲D通過所謂的加速度積分獲取位移來考慮水平或垂直運動。但這種算法肯定是不行的，因為傳感器的精度限制會非常不準(zhǔn)確，基本沒有解決的可能性。

　　防按鍵抖動

　　普通鼠標(biāo)的按鍵基本都做在鼠標(biāo)的頂部，所以按鍵不會造成鼠標(biāo)位移。想象按鍵若做在鼠標(biāo)側(cè)面，而且按鍵很硬的話，可能就會出現(xiàn)抖動。因此空中鼠標(biāo)對按鍵的要求很高，需要盡可能的軟，同時還能有明確的觸覺反饋。在按下去的時候，能盡量讓鼠標(biāo)不發(fā)生位移。最麻煩的是雙擊操作，雙擊時人點擊鼠標(biāo)的力量通常比單擊大不少。而且會有兩次連續(xù)的抖動。如果位移過遠(yuǎn)，操作系統(tǒng)會將其認(rèn)為是一次拖拽操作，而非雙擊操作，這需要額外的處理。

　　手勢識別

　　這涉及到比較高級的問題，空鼠顯然脫離鍵盤，一些快捷操作無法實現(xiàn)，通過一定的手勢能夠檢測特定的動作，從而觸發(fā)之前定義的操作。但這涉及到機器學(xué)習(xí)的話題，而且需要較高的用戶學(xué)習(xí)成本。同樣的操作，不同用戶做出來的特征可能完全不同。

　　休眠

　　電池供電系統(tǒng)，功耗是必須考慮的，可考慮在一定時間內(nèi)沒有檢測到運動，則自動進入低功耗模式，間歇式的發(fā)送數(shù)據(jù)。

　　面臨的問題

　　1、何保證高性能和成本控制的平衡：如果要實現(xiàn)高精度，需用DSP或者FPGA配合優(yōu)化的高效率圖像處理算法來降低運算量，但這意味著高成本，而且需要投入很多精力放在算法研發(fā)上，開發(fā)周期更長。最好的選擇是專用的ASIC配合成熟的技術(shù)解決方案。

　　2、干擾：由于圖像傳感器捕捉的是紅外光，所以像陽光，燭光或者燈光的干擾會對最終控制的屏幕光標(biāo)有嚴(yán)重影響，例如在強陽光下空中鼠標(biāo)無法使用，或者臺燈發(fā)出的光會讓光標(biāo)抖動等等。

　　3、功耗：空中鼠標(biāo)屬于手持設(shè)備，需要電池供電，設(shè)計時既要保證足夠的使用距離，又要保證低功耗，這樣用戶才不會經(jīng)常更換電池或充電。

　　4、決影響用戶主觀感受的各種問題：因為鼠標(biāo)離開桌面拿在手中，人手不可避免的抖動會讓光標(biāo)隨之顫動，如何解決防抖問題，如何讓用戶有更好的體驗感覺便成了關(guān)鍵。

　　結(jié)論

　　通過基本原理實現(xiàn)最簡單的空鼠并不困難，但用戶體驗并不好。通過加入其它方法，能夠有效提升準(zhǔn)確性。但必須指出，解決運動平面不匹配的方法雖然能解決匹配問題，會降低實時性，產(chǎn)生類似時滯的感覺，所以取舍還需要具體分析。

　　不同傳感器和硬件設(shè)計，需要調(diào)節(jié)參數(shù)，通過反復(fù)的實驗對比，確定合理的方案。