專利名稱：一種手(及指定物)的多點(diǎn)接觸信息采集系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種手(及指定物)與感應(yīng)表面的多點(diǎn)接觸信息采集系統(tǒng)。
本發(fā)明可以作為基于手(及指定物)的空間形態(tài)特征信息的計(jì)算機(jī)信息輸入系統(tǒng)的設(shè)備。
本發(fā)明也是一種新型的計(jì)算機(jī)輸入系統(tǒng)，是一種可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)外設(shè)，諸如鍵盤、鼠標(biāo)、觸摸板、書寫板和觸摸屏等設(shè)備的部分功能的計(jì)算機(jī)輸入系統(tǒng)。
本發(fā)明的輸入系統(tǒng)也適用于其他場合的相關(guān)設(shè)備和裝置作為信息輸入系統(tǒng)。
目前常用的觸摸設(shè)備有觸摸板、手寫板和觸摸屏等，這些設(shè)備對于常規(guī)場合的應(yīng)用效果都不錯(cuò)。但目前市場上的此類設(shè)備的一個(gè)共同特點(diǎn)都是針對單點(diǎn)(單點(diǎn)接觸)而設(shè)計(jì)的，針對多點(diǎn)接觸的設(shè)備還沒有出現(xiàn)，少有相關(guān)的專利文獻(xiàn)。
常見的單點(diǎn)觸摸設(shè)備的基本原理，有基于以下幾種實(shí)現(xiàn)途徑的類型。
1.表面聲波表面聲波，超聲波的一種，在介質(zhì)(例如玻璃或金屬等剛性材料)表面淺層傳播的機(jī)械能量波。通過楔形三角基座(根據(jù)表面波的波長嚴(yán)格設(shè)計(jì))，可以做到定向、小角度的表面聲波能量發(fā)射。
表面聲波觸摸設(shè)備的觸摸屏部分可以是一塊平面、球面或是柱面的玻璃平板，安裝在CRT、LED、LCD或是等離子顯示器屏幕的前面。這塊玻璃平板只是一塊純粹的強(qiáng)化玻璃，沒有任何貼膜和覆蓋層，這一點(diǎn)是區(qū)別于別類觸摸屏技術(shù)的。
玻璃屏的左上角和右下角各固定了豎直和水平方向的超聲波發(fā)射換能器，右上角則固定了兩個(gè)相應(yīng)的超聲波接收換能器。玻璃屏的四個(gè)周邊則刻有45°角由疏到密間隔非常精密的反射條紋。
發(fā)射換能器把控制器通過觸摸屏電纜送來的電信號轉(zhuǎn)化為聲波能量向左方表面?zhèn)鬟f，然后由玻璃板下邊的一組精密反射條紋把聲波能量反射成向上的均勻面?zhèn)鬟f，聲波能量經(jīng)過屏體表面，再由上邊的反射條紋聚成向右的線傳播給接收換能器，接收換能器將返回的表面聲波能量變?yōu)殡娦盘枴?br> 發(fā)射信號與接收信號波形在沒有觸摸的時(shí)候，接收信號的波形與參照波形完全一樣。當(dāng)手指或其它能夠吸收或阻擋聲波能量的物體觸摸屏幕時(shí)，途經(jīng)手指部位向上走的聲波能量被部分吸收，反應(yīng)在接收波形上即某一時(shí)刻位置上波形有一個(gè)衰減缺口。接收波形對應(yīng)手指擋住部位信號衰減了一個(gè)缺口，計(jì)算缺口位置即得觸摸坐標(biāo)控制器分析到接收信號的衰減并由缺口的位置判定坐標(biāo)。除了一般觸摸設(shè)備都能響應(yīng)的X、Y坐標(biāo)外，表面聲波觸摸設(shè)備還響應(yīng)第三軸Z軸坐標(biāo)，也就是能感知用戶觸摸壓力大小值。其原理是由接收信號衰減處的衰減量計(jì)算得到。
2.電阻技術(shù)電阻觸摸設(shè)備的屏體部分是一塊與顯示器表面非常配合的多層復(fù)合薄膜，由一層玻璃或有機(jī)玻璃作為基層，表面涂有一層透明的導(dǎo)電層，上面再蓋有一層外表面硬化處理、光滑防刮的塑料層，它的內(nèi)表面也涂有一層透明導(dǎo)電層，在兩層導(dǎo)電層之間有許多細(xì)小(小于千分之一英寸)的透明隔離點(diǎn)把它們隔開絕緣。
當(dāng)手指觸摸屏幕時(shí)，平常相互絕緣的兩層導(dǎo)電層就在觸摸點(diǎn)位置有了一個(gè)接觸，因其中一面導(dǎo)電層接通Y軸方向的5V均勻電壓場，使得偵測層的電壓由零變?yōu)榉橇?，控制器偵測到這個(gè)接通后，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并將得到的電壓值與5V相比即可得觸摸點(diǎn)的Y軸坐標(biāo)，同理得出X軸的坐標(biāo)，這就是所有電阻技術(shù)觸摸屏共同的最基本原理。簡單地說，電阻式觸摸設(shè)備的工作原理就是在一組電阻網(wǎng)絡(luò)加上工作電壓，當(dāng)手寫筆或者手指觸了觸摸屏的時(shí)候，通過測量屏幕阻抗矩陣的變化而得到兩個(gè)方向的坐標(biāo)，從而得到手寫筆或者手指位置。其橫向和縱向電阻的變化，可近似看成兩組線性的滑動變阻器。
電阻類觸摸設(shè)備的關(guān)鍵在于材料科技。常用的透明導(dǎo)電涂層材料有①ITO，氧化銦，工作面涂層；②鎳金涂層。不適合作為電阻觸摸屏的工作面，只能作為探層。
常用的有四線電阻式、五線電阻式?；鶎影褍蓚€(gè)方向的電壓場通過精密電阻網(wǎng)絡(luò)加在玻璃的導(dǎo)電工作面上，外層鎳金導(dǎo)電層用來當(dāng)作純導(dǎo)體。當(dāng)有觸摸后，分時(shí)檢測內(nèi)層ITO接觸點(diǎn)X軸和Y軸電壓值的方法測得觸摸點(diǎn)的位置。
3.電容感應(yīng)技術(shù)電容式觸摸設(shè)備的構(gòu)造主要是在玻璃屏幕上鍍一層透明的薄膜體層，再在導(dǎo)體層外加上一塊保護(hù)玻璃，雙玻璃設(shè)計(jì)能徹底保護(hù)導(dǎo)體層及感應(yīng)器。此外，在附加的觸摸屏四邊均鍍上狹長的電極，在導(dǎo)電體內(nèi)形成一個(gè)低電壓交流電場。用戶觸摸屏幕時(shí)，由于人體電場，手指與導(dǎo)體層間會形成一個(gè)“耦合電容”，四邊電極發(fā)出的電流會流向觸點(diǎn)，而電流的強(qiáng)弱，準(zhǔn)確算出觸摸點(diǎn)的位置。其特點(diǎn)為觸摸準(zhǔn)確度較高，抗干擾能力較強(qiáng)。但此類觸摸設(shè)備怕靜電干擾。
其他還有用紅外技術(shù)、電磁技術(shù)等原理類型的觸摸設(shè)備。
目前基于以上這些方法的觸摸設(shè)備都是針對單點(diǎn)接觸而設(shè)計(jì)的，只能識別單個(gè)接觸點(diǎn)的接觸信息。
有關(guān)計(jì)算機(jī)輸入系統(tǒng)的公開專利信息目前尚無多點(diǎn)接觸觸摸設(shè)備的發(fā)明專利公開。
本發(fā)明公布了多點(diǎn)接觸信息系統(tǒng)，它不同于傳統(tǒng)相關(guān)的觸摸設(shè)備，能進(jìn)行手(及指定物)的多點(diǎn)接觸信息的采集和處理。
本發(fā)明可用于發(fā)明人的另兩項(xiàng)專利CN1378171A號發(fā)明專利與CN1322982A號發(fā)明專利的基于手(及指定物)的空間形態(tài)的信息特征的計(jì)算機(jī)輸入系統(tǒng)，也可以用于其他相關(guān)設(shè)備的信息輸入。
本發(fā)明的設(shè)計(jì)思想本發(fā)明通過采集操作者的手及操作者所指定的物體(指定物)的圖像，并對圖像進(jìn)行處理后，得到手(及指定物)和全部手指及指定物的細(xì)節(jié)的圖像信息，轉(zhuǎn)化為手(及指定物)和全部手指及指定物的細(xì)節(jié)的物理坐標(biāo)和接觸表面的接觸狀態(tài)信息。
本發(fā)明也通過采集由操作者的手及操作者所指定的物體(指定物)的動作引起的圖像信息的變化信息，并對此信息進(jìn)行處理后，得到手(及指定物)的全部手指及指定物的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的物理坐標(biāo)和接觸表面的接觸狀態(tài)的變化信息。
本發(fā)明通過采集操作者的手及操作者所指定的物體(指定物)與感應(yīng)表面的多個(gè)接觸點(diǎn)的接觸狀態(tài)的信息，來識別和判斷手及指定物的多點(diǎn)接觸。
對圖像信息的采集和處理可通過現(xiàn)有成熟和公開的技術(shù)就可以實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明的手及指定物的多點(diǎn)接觸信息采集系統(tǒng)也可用于其他裝置作為信息輸入系統(tǒng)。
本發(fā)明的多點(diǎn)接觸信息采集系統(tǒng)所涉及的“手及指定物”、“多點(diǎn)接觸”等概念闡述如下手及指定物操作者的手包括操作者的全部手和手指，以及操作者所指定的其他物體——指定物，也包括手(及指定物)的全部手指及指定物的所有結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。
多點(diǎn)接觸操作者的手和各個(gè)手指、指定物的多個(gè)結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)與感應(yīng)表面的所有多于一個(gè)的接觸點(diǎn)的接觸狀態(tài)。


圖1手(及指定物)的圖像采集系統(tǒng)原理圖1-手(或指定物)；2-圖像感應(yīng)裝置；3-圖像信息處理模塊；圖2圖像感應(yīng)裝置的結(jié)構(gòu)原理圖1-圖像傳感器；2-感應(yīng)表面；
圖3圖像傳感器側(cè)置的圖像感應(yīng)裝置的結(jié)構(gòu)原理圖1-圖像傳感器；2-感應(yīng)表面；3-反光鏡；本發(fā)明的技術(shù)方案圖1顯示出手及指定物、圖像感應(yīng)裝置、圖像信息處理模塊的空間相對關(guān)系。
圖1中，手(1)及指定物的空間運(yùn)動被圖像感應(yīng)裝置(2)所捕獲，同時(shí)手(1)及指定物與圖像感應(yīng)裝置(2)的感應(yīng)表面的接觸引起的圖像變化也被捕獲到。圖像信息處理模塊(3)對圖像感應(yīng)裝置(2)捕獲的圖像進(jìn)行圖像分析和圖像處理，即可得到手(1)及指定物與圖像感應(yīng)裝置的感應(yīng)表面的接觸狀態(tài)，以及相應(yīng)的空間物理坐標(biāo)。
手(1)及指定物與圖像感應(yīng)裝置(2)感應(yīng)表面上的接觸狀態(tài)，是指手(1)及指定物與圖像感應(yīng)裝置(2)感應(yīng)表面上的接觸程度、接觸時(shí)間和接觸方式。
所指接觸程度是表示手(1)及指定物(包括各個(gè)手指及指定物的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié))與圖像感應(yīng)裝置(2)感應(yīng)表面的接觸接觸壓力的大小，以及與圖像感應(yīng)裝置(2)感應(yīng)表面的接觸面積的大小。
所指接觸時(shí)間是表示手(1)及指定物(包括各個(gè)手指及指定物的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié))與圖像感應(yīng)裝置(2)感應(yīng)表面的單次接觸的起點(diǎn)和終點(diǎn)時(shí)刻，以及這次單次接觸時(shí)間的起點(diǎn)時(shí)刻和終點(diǎn)時(shí)刻之間的一段時(shí)間。
所指接觸方式表示手(1)及指定物(包括各個(gè)手指及指定物的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié))與圖像感應(yīng)裝置(2)感應(yīng)表面的單次、多次、單點(diǎn)、多點(diǎn)、分散、集中、交叉等多種接觸方法，以及這些接觸方法的組合方法。“單次”表示手(1)及指定物與圖像感應(yīng)裝置(2)感應(yīng)表面的一次接觸；“多次”表示手(1)及指定物與圖像感應(yīng)裝置(2)感應(yīng)表面的多于一次的接觸；“單點(diǎn)”表示手(1)及指定物與圖像感應(yīng)裝置(2)感應(yīng)表面的接觸點(diǎn)只有一個(gè)；“多點(diǎn)”表示手(1)及指定物與圖像感應(yīng)裝置(2)感應(yīng)表面的接觸點(diǎn)不只一個(gè)；“分散”表示手(1)及指定物與圖像感應(yīng)裝置(2)感應(yīng)表面的接觸點(diǎn)有多個(gè)且分布不集中；“集中”表示手(1)及指定物與圖像感應(yīng)裝置(2)感應(yīng)表面的接觸點(diǎn)集中分布；“交叉”表示手(1)及指定物與圖像感應(yīng)裝置(2)感應(yīng)表面的接觸點(diǎn)是交叉分布的。還可以有多種接觸方式不一一列舉，還可以有以上多種接觸方式的可能存在的組合方式，比如單點(diǎn)多次接觸、單次單點(diǎn)接觸、多點(diǎn)多次接觸等等方式。
根據(jù)接觸程度信息、接觸時(shí)間信息、接觸方式信息，可以得到手(1)及指定物與圖像感應(yīng)裝置(2)感應(yīng)表面上的接觸狀態(tài)信息。
實(shí)施實(shí)例圖2給出了圖像感應(yīng)裝置的結(jié)構(gòu)原理圖。
圖2中圖像傳感器(1)可以為CCD攝像頭或COMS列陣等其他感光器件，感應(yīng)表面(2)為手及指定物同圖像感應(yīng)裝置的接觸表面，可以是平面、柱狀、球面等形狀。當(dāng)手及指定物在圖像傳感器(1)的感知范圍內(nèi)時(shí)，圖像傳感器(1)會感知到手及指定物相對于感應(yīng)表面(2)的空間位置，包括全部手指和指定物的細(xì)節(jié)的空間位置，同時(shí)記錄下這一空間位置。當(dāng)手及指定物移動時(shí)，圖像傳感器(1)會感知到手及指定物的移動，并適時(shí)跟蹤手及指定物的移動。當(dāng)手及指定物停止移動時(shí)和某手指或指定物的細(xì)節(jié)停止移動時(shí)，可作為與感應(yīng)表面(2)開始接觸的準(zhǔn)備階段。
當(dāng)手及指定物和某手指或指定物的細(xì)節(jié)開始與感應(yīng)表面(2)接觸時(shí)，手及指定物和某手指或指定物的細(xì)節(jié)在感應(yīng)表面(2)上的投影將發(fā)生改變，可以認(rèn)為接觸壓力越大投影的變形也會越大。此時(shí)的投影面積即可認(rèn)為是和接觸面積相對應(yīng)的，投影面積因接觸壓力變化而變化，圖像傳感器(1)會適時(shí)捕獲這些圖像信息，并傳給圖像信息處理模塊(3)的進(jìn)行處理和分析。
圖像信息處理模塊(3)適時(shí)地分析每一幀圖像與相鄰的前后一幀圖像，或相鄰的前后幾幀圖像進(jìn)行比較，就可得到手及指定物的位置及其位置的變化。也可計(jì)算出投影面積和投影面積的變化，進(jìn)而計(jì)算出相對應(yīng)的手及指定物與感應(yīng)表面的接觸面積和接觸時(shí)間。比較各個(gè)接觸點(diǎn)的交替變化情況，即各個(gè)接觸點(diǎn)的變動，可以得到這些接觸點(diǎn)的總體的接觸方式。
這些圖像信息反映了接觸點(diǎn)在感應(yīng)表面(2)上的位置，與感應(yīng)表面(2)的接觸壓力，以及各接觸點(diǎn)的接觸起、止時(shí)刻等信息。經(jīng)過圖1中的圖像信息處理模塊(3)的處理和分析，就會提取出手及指定物與感應(yīng)表面的多點(diǎn)接觸狀態(tài)信息，即接觸程度信息、接觸時(shí)間信息、接觸方式信息。
以上說明了通過圖像信息的處理得到手及指定物與感應(yīng)表面的多點(diǎn)接觸狀態(tài)的全過程。圖3給出了同樣實(shí)現(xiàn)過程的另一種圖像感應(yīng)裝置的結(jié)構(gòu)原理圖。
圖3為圖像傳感器側(cè)置的圖像感應(yīng)裝置的結(jié)構(gòu)原理圖。
圖3中圖像傳感器(1)可以為CCD攝像頭或COMS列陣等其他感光器件，感應(yīng)表面(2)為手及指定物同圖像感應(yīng)裝置的接觸表面，可以是平面、柱狀、球面等形狀。反光鏡(3)可將手及指定物通過感應(yīng)表面(2)的入射光反射到圖像傳感器(1)中，圖像傳感器(1)可以象在圖2中的圖像傳感器一樣地工作，而縱向尺寸得以減小。
通過圖像信息的處理得到手及指定物與感應(yīng)表面的多點(diǎn)接觸狀態(tài)的裝置，其光學(xué)系統(tǒng)地設(shè)計(jì)還可以有多種其他類型，但最終都將通過圖像傳感器獲得手及指定物地圖像信息，并通過圖像信息的處理得到手及指定物的接觸狀態(tài)。
權(quán)利要求
1.一種手(及指定物)的多點(diǎn)接觸信息采集系統(tǒng)，由圖像感應(yīng)裝置和圖像信息處理模塊組成，其特征在于圖像感應(yīng)裝置由圖像傳感器和感應(yīng)表面組成，圖像感應(yīng)裝置適時(shí)獲取手及指定物在空間的圖像，以及手及指定物在圖像感應(yīng)裝置的感應(yīng)表面上的投影，圖像信息處理模塊適時(shí)分析并提取出手及指定物的空間物理坐標(biāo)和手及指定物的移動信息，以及在感應(yīng)表面上的投影面積，進(jìn)而得到手及指定物與圖像感應(yīng)裝置的感應(yīng)表面的多點(diǎn)接觸狀態(tài)。
2.依據(jù)權(quán)利要求1所述的計(jì)算機(jī)輸入系統(tǒng)，其特征在于手及指定物的多點(diǎn)接觸狀態(tài)是指手及指定物與圖像感應(yīng)裝置感應(yīng)表面上的接觸程度、接觸時(shí)間和接觸方式。
3.依據(jù)權(quán)利要求1所述的計(jì)算機(jī)輸入系統(tǒng)，其特征在于圖像感應(yīng)裝置的圖像傳感器的位置可以是在感應(yīng)表面的下方和側(cè)面，當(dāng)在側(cè)面時(shí)，需在感應(yīng)表面的下方斜放一個(gè)反光鏡。
4.依據(jù)權(quán)利要求2所述的計(jì)算機(jī)輸入系統(tǒng)，其特征在于手及指定物的接觸程度是表示手及指定物(包括各個(gè)手指及指定物結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié))與圖像感應(yīng)裝置的感應(yīng)表面的接觸壓力的大小，以及與圖像感應(yīng)裝置的感應(yīng)表面的接觸面積的大??；手及指定物的接觸方式表示手及指定物(包括各個(gè)手指及指定物結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié))與圖像感應(yīng)裝置感應(yīng)表面的單次、多次、單點(diǎn)、多點(diǎn)、分散、集中、交叉等多種接觸方法，以及這些接觸方法的組合方法；手及指定物的接觸時(shí)間是表示手及指定物(包括各個(gè)手指及指定物結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié))與圖像感應(yīng)裝置的感應(yīng)表面的單次接觸的起點(diǎn)和終點(diǎn)時(shí)刻，以及這次單次接觸時(shí)間的起點(diǎn)時(shí)刻和終點(diǎn)時(shí)刻之間的一段時(shí)間。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種手(及指定物)的多點(diǎn)接觸信息采集系統(tǒng)，由圖像感應(yīng)裝置和圖像信息處理模塊組成。通過手及指定物的圖像采集和處理，得到手(及指定物)的空間物理坐標(biāo)和接觸表面的接觸狀態(tài)信息及其狀態(tài)和坐標(biāo)的變化信息，從而得到手及指定物的多點(diǎn)接觸狀態(tài)接觸程度、接觸時(shí)間和接觸方式。此多點(diǎn)接觸信息采集系統(tǒng)可應(yīng)用于計(jì)算機(jī)輸入系統(tǒng)和其他設(shè)備。
文檔編號G06K11/06GK1434367SQ03119169
公開日2003年8月6日 申請日期2003年3月17日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月17日
發(fā)明者許旻 申請人:許旻