專利名稱：：一種能光學表現(xiàn)平面手寫面上書寫信息的工具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明大致有關(guān)于獲取書寫、繪圖、略圖或用手握工具比如一種書寫工具在手寫板或書寫表面上留下的任何信息。
背景技術(shù)：
：書寫和繪圖藝術(shù)遠古且豐富。幾百年來有許多工具用來書寫文字、繪圖、速寫、做記號以及畫畫。大多數(shù)的這種工具都是大致呈狹長的圓柱形，并且端部具有用以書寫的筆尖，它們往往被設(shè)計成手握式，且可被使用者的習慣用手來操作(如右撇子的右手)。更具體地說，使用者大都是在書寫表面或手寫板上移動這種書寫工具，之后，書寫筆尖留下一個可視的用以標記其運動的軌跡痕跡，而且該痕跡的是通過存積于筆尖的材料來產(chǎn)生的，比如，通過磨擦留痕材料(如鉛筆的炭)，或者直接用墨水弄濕手寫表面(如鋼筆)。該標記也包括其他任何在表面上留下的實際軌跡。在現(xiàn)有的書寫工具中，大多數(shù)被廣泛應(yīng)用的書寫和繪圖工具包括有鋼筆和鉛筆，而大多數(shù)的便于手寫的表面，則包括各種尺寸的紙和其他能作上記號的平面物體。事實上，盡管如今科學技術(shù)高度發(fā)展，但用以書寫、繪畫、做標記和繪草圖的筆和紙仍舊保持著原有最簡單、最直觀的形式，甚至在電子時代也是如此。采用電子裝置通信的挑戰(zhàn)就在于與電子裝置相連接的輸入界面(或接口)。例如，計算機利用了各種輸入裝置，如鍵盤、按鈕、指示裝置、鼠標和其他各種能對運動進行編碼并轉(zhuǎn)換成計算機能處理的數(shù)據(jù)的設(shè)備。不幸的是，這些裝置中沒有一個能被作為對于使用者方便和順適的筆和紙來使用。這個輸入界面問題已經(jīng)在在先的技術(shù)中被認識到，并且提出了各種解決方案。大多解決方案是用電子化來實現(xiàn)的，也就是說，從筆在紙或其他書寫表面的運動上獲取數(shù)字化的數(shù)據(jù)，其他書寫表面也可以是一個寫字板。在先的技術(shù)可以參照如下的記錄美國專利美國公開的申請歐洲專利說明書0,649,549B1國際專利申請雖然以上列出的專利提供了大量的方法，但都不適于使用。其中，許多方法提供給使用者的筆難以握取，施加特殊的書寫和/或運動監(jiān)視條件，有些還需要繁雜的輔助系統(tǒng)和設(shè)備來跟蹤書寫表面上的書寫信息并對其進行數(shù)字化處理。因此，如何給使用者提供一個良好的適于使用的基于書寫工具的輸入界面，這個問題仍然沒有得到解決。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對上述現(xiàn)有技術(shù)現(xiàn)狀而提供一種能從手寫板上表現(xiàn)手動手寫信息的手寫工具。為了實現(xiàn)本發(fā)明，其中，所述的手動手寫信息包括任何記錄在手寫板上的信息，它們是如下書寫動作的一個結(jié)果書寫、手寫、繪圖、草圖或者以任何其它的在手寫板上做標記或沉積標記的方式。另外，本發(fā)明所述的手動手寫信息也包括沒有在手寫板上留下痕跡的被描繪的信息。本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為該手寫工具，包括有用以手寫的筆尖和一個能判定什么時候筆尖在手寫板上進行手寫的裝置。再有，該手寫工具包括有一個能檢視手寫板的光學單元，所述的光學單元更適宜于裝配在所述手寫工具上相對于筆尖的末端位置并指向筆尖。為了實現(xiàn)本發(fā)明的目的，指向于筆尖，意味著光學單元中的光軸需參照于筆尖，例如，光學單元中光軸穿過了筆尖。所述的手寫工具還包括有一個處理單元，該處理單元能處理從所述的光學單元讀取的所述的手寫板上的光學數(shù)據(jù)，又能從所述的光學數(shù)據(jù)判定筆尖的具體坐標，所述的具體坐標依賴于至少一個手寫板的角落和至少一個手寫板的邊沿。需要注意的是和在先技術(shù)不同的是本發(fā)明的手寫工具是間接地表現(xiàn)其筆尖的實際坐標，也就是說，這種表現(xiàn)依據(jù)從光學單元上獲取的手寫板上的光學數(shù)據(jù)。因此，任何關(guān)于手寫板且能充分斷定筆尖實際坐標的光學數(shù)據(jù)都可被采用。例如，寫字板所有角落或多個角落、邊沿或其局部的這些光學數(shù)據(jù)都可被采用。作為選擇，位置標記或任何在手寫板上的可光學識別的特征都可被采用。用以確定筆尖何時正在手寫板上進行手寫時的裝置，最好是包括有一個安裝在所述手寫工具上的壓力傳感單元。為此，該壓力傳感單元可以采用現(xiàn)有的各種技術(shù)，如應(yīng)變片、機械式壓力傳感器、壓電元件和其他各種識別筆尖和手寫板之間相接觸的識別裝置。在最佳實施例中，所述的光學單元是一個能對手寫板或其上的一個部分成像的成像單元。最好就是，所述的成像單元上裝有一個光電陣列用以讓手寫板的圖像投影到其上。所述的處理單元具有一個邊緣檢測單元或者一個用以對所成圖像上的手寫板的邊沿和角落進行的電路，例如在處理單元的微處理器中的固件。該書寫工具還設(shè)有一個圖像轉(zhuǎn)換單元，它可對圖像進行一種或多種轉(zhuǎn)換操作(oneormoretransformations)。具體說來，該圖像轉(zhuǎn)換單元還可能包括用于校正圖像的適當?shù)奈锢砉鈱W元件(比如透鏡)，以及用于矯正圖像和執(zhí)行各種對圖形所進行的操作計算機軟件路由器(routines)。例如圖像轉(zhuǎn)換單元具有一個用于對圖像的平面投影進行校正的圖像形變轉(zhuǎn)換器。作為選擇，或者圖像轉(zhuǎn)換單元具有一個圖像變形轉(zhuǎn)換器用于對圖像的球面投影進行校正。在同一個具體實施方案或一個不同的具體實施方案中，該圖像轉(zhuǎn)換單元還可設(shè)有一個用于確定書寫工具相對于書寫面有關(guān)的歐拉角(Eulerangles)的圖像轉(zhuǎn)換器。在最佳實施例中，校正操作以及轉(zhuǎn)換操作僅應(yīng)用于由邊緣檢測單元識別出來的圖像的邊緣和/或角落部位。換言之，僅有與書寫面對應(yīng)的圖像的一部分，特別是它的邊緣、角落、位置標記(landmarks)、或其他的可光學識別的特征和/或它們的一部分被進行了角落，位置標記或其他光學可識別特征和/或它們的部分被校正和轉(zhuǎn)換。屬于處理單元的比率計算模塊(ratiocomputationmodule)從圖像中確定圖像上筆尖的實際坐標。再一次，在最佳實施方案中決定被做出，這一決定由是與書寫面應(yīng)的圖像的相關(guān)部分，特別是它的邊緣、角落、位置標記(landmarks)、或其他的可光學識別的特征和/或它們的一部分。所述的光電檢測器陣列可以是光電檢測器的任何適當形式的陣列，包括光電二極管或光電三極管陣列，最好是CMOS光電檢測器陣列。圖像單元采用的光學元件可以包括折射式和/或反射式的光學元件，并且最好包括一個兼有折射和反射(catadioptric)的系統(tǒng)。無論如何，光學元件的視場應(yīng)當充分大于書寫面的面積，這樣，當筆尖接觸書寫面時，無論書寫工具處于任何可能的位置，成像單元都能夠書對寫面的至少一個邊緣和一個角落一直進行檢測。為了以足夠快的速率確定書寫筆尖的實際坐標，以便確定使用者的書寫內(nèi)容、作草圖的(sketched)內(nèi)容或繪制的內(nèi)容，所述的書寫工具具有一個幀控件單元。該幀控件單元設(shè)定了一個書寫面的成像幀速。幀速以至少15Hz為宜，最好是高于30Hz。最后，該書寫工具還裝備了一個用于將筆尖的實際坐標傳輸給外部單元的設(shè)備。傳輸這些坐標的設(shè)備包括任何形式的數(shù)據(jù)傳送端口，傳送端口包括但不限于紅外端口、超聲波端口、光學端口等等。所述的外部單元可以是一臺計算機、一個手持設(shè)備、一個網(wǎng)絡(luò)終端、一個下載單元、進入寬域通信網(wǎng)(WAN)(比如因特網(wǎng))或本地局域網(wǎng)(LAN)的一個電子網(wǎng)關(guān)(electronicgateway)、一個存儲設(shè)備、一個打印設(shè)備或任何其他可以存儲、打印、中繼和/或能夠進一步處理筆尖的實際坐標的外部單元。應(yīng)當注意的是取決于它的應(yīng)用和需要，筆尖的實際坐標可以被實時或非實時地予以處理。在最佳實施例中，所述的書寫工具進一步裝備有對書寫面進行初始化和識別的裝置(arrangement)。當然，書寫面的尺寸和類型也可由用戶選定或輸入。用于初始化和識別的裝置包括上述的光學單元及處理單元，還包括一個具有標準尺寸的存儲器，該尺寸有可能就是書寫面的尺寸。例如當希望書寫面的尺寸如一張具有標準尺寸的紙張的尺寸一樣時，這樣的紙張的圖像將被存儲在存儲器內(nèi)。最好，這些被存儲的圖像取自于書寫工具相對于書寫面的眾所周知的位置和方位。換句話說就是，它們?nèi)∽杂诠P尖在書寫面上的已知實際坐標以及書寫工具的已知空間方位(例如取自已知的歐拉角)。本發(fā)明的詳情將在后文中結(jié)合后續(xù)附圖進行詳細說明。圖1是根據(jù)本發(fā)明而得的書寫工具的側(cè)視圖，其中書寫工具展示在傾角為θ(歐拉角θ)的平面上。圖2是一幅三維視圖，展示出了圖1中的書寫工具處于使用狀態(tài)下的實際參數(shù)。圖3是圖1中書寫工具的平面?zhèn)纫晥D，其示出了成像原理。圖4是圖1中書寫工具的處理單元的方框圖。圖5是書寫面上的圖像被投射到歸屬于成像單元的光電檢測器陣列上的圖解。圖6圖解描述了邊緣和/或角落檢測應(yīng)用于書寫面上的圖像的處理過程。圖7A-D圖解描述了在圖像上被處理單元所執(zhí)行的功能，用歐拉角的述語來表示用于確定書寫工具相對于書寫面的方位。圖8是一個描述設(shè)有一個定向握筆套的書寫工具的可選實施例的側(cè)視圖。圖9是反映圖像校正和參數(shù)化的處理過程的圖。圖10是反映描述已被參數(shù)化和已被校正了的圖像的圖。圖11是反映已被參數(shù)化、已被校正，而且已被轉(zhuǎn)換的圖像的圖，筆尖的實際坐標依該圖像而確定。圖12是反映書寫面上的圖像與實際書寫面之間(它可被用于初始化和交叉互檢目的)相互對應(yīng)關(guān)系的圖。圖13描述另外一個光學單元的實施例，該光學單元使用兼有折射和反射的系統(tǒng)。圖14是描述采用了圖13中所示兼有折射和反射的系統(tǒng)的書寫工具的頂部的示意圖。圖15是一幅三維視圖，其描述了應(yīng)用可選擇的位置標志(landmarks)和特征來確定筆尖的實際坐標。具體實施例方式以下結(jié)合附圖實施例對本發(fā)明作進一步詳細描述。為便于理解本發(fā)明，請首先參考圖1中所展示的依照本發(fā)明而得的書寫工具10以及參考圖2至圖4。展示在圖1中的書寫工具10是一支筆，更具體地說，是墨水筆，更為準確地說是一支圓珠筆。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員明白，書寫工具10還可以是標記器、鉛筆、刷子或任何其他能夠?qū)⑿畔鴮懙綍鴮懨?2上的書寫、草寫、繪畫或涂寫工具。書寫工具10還可選擇地是鐵筆或任何可以將信息書寫到書寫面12上而同時又不留下任何永久記號或永久變形于書寫面12上的設(shè)備。這樣的書寫面包括壓敏數(shù)字化書寫板或任何其它用于將電子數(shù)據(jù)輸入處理裝置的特定面。本實施例中，書寫工具具有通常類似于已知的書寫、素描、繪畫或涂寫工具的形狀。具體地說，書寫工具10具有截面為圓形的長形體14，其為便于使用者的手16持握而設(shè)計。通常，書寫面12是一書寫工具10可在其上執(zhí)行如上所定義的書寫功能的平面材料。出于幾何學的原因，書寫面12最好為矩形。本實施例中，書寫面12是一張平放在支撐板18上的具有任何標準或非標準尺寸的紙。如果書寫面12是諸如掌上電腦(PDA)裝置的書寫板、電腦屏幕或任何其他具有堅固表面之類的數(shù)字化書寫板，則不需要支撐板18。重要的是，書寫面12具有如邊緣、角、位置標志或類似的可光學識別的特征。在書寫過程中這些特征不會相對于書寫面12的其它部分改變其位置也是非常重要的。書寫工具10具有筆尖20，筆尖20的末端具有珠狀物22?？拷P尖20的位置安裝有壓力傳感器24以便確定筆尖20何時正在書寫。書寫開始于珠狀物22接觸書寫面12。通常，壓力傳感器24采用應(yīng)變片較為方便。作為選擇，壓力傳感器24也可選用機械壓力傳感器或壓電元件。熟悉傳感器技術(shù)的人員應(yīng)當可以認識到也可以使用其它的壓力傳感器。書寫工具10還具有一個初始化開關(guān)26。開關(guān)26是為用戶傳達是在同一書寫面12上書寫還是在一個新的書寫面(圖中未示出)上書寫方面的信息而設(shè)置的。光學單元30安裝在書寫工具10的末端。光學單元30的作用在于觀視書寫面12，其具有由延伸至書寫面外的界線界定的視場34，這些將在下面予以詳細描述。本實施例中，光學單元30安裝在三個支撐件36上。支撐件36可以是任何結(jié)構(gòu)，只要它具有足夠的機械穩(wěn)定性同時其對視場34的遮斷作用可以忽略不計。光學單元30具有指向筆尖20的光軸39。更明確地說，光軸39穿過筆尖20。這樣，光學裝置30的視場34就被定中心于筆尖20?？晒┻x擇的情形是，光軸39可以以一個預(yù)設(shè)的偏移量指向筆尖20。然而，出于視場34對稱考慮，最好是通過讓光軸39穿過筆尖20并且還穿過珠形物22的中心來讓光學單元30被實現(xiàn)對筆尖的指向。書寫工具10具有用于與外部單元40(參見圖2)通信的裝置38。本實施例中，裝置38是一個用于發(fā)送和接收在紅外輻射線42中被編碼的數(shù)據(jù)的紅外端口。當然，任何形式的數(shù)據(jù)傳輸端口包括但不限于超聲波端口或光學端口都可以被用作為通信裝置38。同時，外部設(shè)備40可以是計算機、手持裝置、網(wǎng)絡(luò)終端、下載裝置、進入寬帶網(wǎng)(如英特網(wǎng))或局域網(wǎng)(LAN)的電子網(wǎng)關(guān)、存儲裝置、打印機或任何其他能夠存儲、打印、分程傳送和/或進一步處理筆尖20的具體坐標的外部設(shè)備。如圖2所示，工具10的物理參數(shù)可以方便地用一個笛卡爾坐標系和一個極坐標系來描述。這些坐標系的原點與筆尖20的位置一致，更明確地說是與珠點22接觸書寫面12的位置相一致。在書寫面12的平面內(nèi)，笛卡爾坐標系具有與書寫面12的長度和寬度相一致的X軸和Y軸。笛卡爾坐標系的Z軸是垂直正交于書寫面12的平面。幾個位置特征44A、44B、44C由從笛卡爾坐標系的原點畫出的相應(yīng)的矢量v1、v2、v3來確定。在這種情況下，位置特征44A、44B、44C是書寫面12的三個角。換言之，位置特征44可以包括書寫面12的邊緣43及任何其他書寫面12的可識別的光學標志或特征。需要注意的是，由用戶在書寫面12上所產(chǎn)生的特征，包括由工具10所書寫下的任何標志是這一應(yīng)用的合理的標志。極坐標系用于確定工具10關(guān)于書寫面12的方位。極坐標系的Z軸與笛卡爾坐標系的Z軸一致。由于與筆尖20有關(guān)的光軸39通過兩個坐標系的原點，這樣，在極坐標系中的光軸39確定極坐標r和r的長度，即|r|是工具10的長度。與Z軸相關(guān)的工具10的傾角由極角θ，以后均稱為傾角θ。工具10繞Z軸旋轉(zhuǎn)的角度由極角φ表示。如圖3的平面視圖所表示的，光學裝置30首選成像裝置。特別的，光學裝置30最好是一個能夠成像出現(xiàn)在視場34內(nèi)的物體，尤其是成像具有相當?shù)偷氖д娴臅鴮懨?2的成像裝置。在本實施例中，成像裝置30具有由透鏡48A、48B表示的折射成像光學元件46。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以知道，合適的折射成像光學元件46包括提供具有良好的離軸光學性能的寬視場的透鏡，例如魚眼透鏡或?qū)捯晥鐾哥R。關(guān)于這種透鏡的更詳細的說明，參見美國專利4,203,653；4,235,520；4,257,678以及James″Jay″Kumlertff等人的論文“魚眼透鏡設(shè)計及其相關(guān)性能”，SPIE，其中涉及了所有的內(nèi)容。成像光學元件46確定一個由虛線表示的成像平面50。成像裝置30進一步設(shè)置有位于成像平面50的光電檢測器陣列52。書寫面12的像12′通過成像光學元件46投射在陣列52上。陣列52最好是一個CMOS光電檢測器陣列。當然，其它包括各種各樣采用光電二極管或光轉(zhuǎn)換器的光電檢測器陣列能夠用作光電檢測器陣列52。因此，一個CMOS光電檢測器陣列具有更高的效率和更好的響應(yīng)，并可以消除損耗功率。此外，CMOS陣列具有一個小的斜度使其具有高的分辨率。由光學元件46提供的視場34實際上要大于書寫面12的區(qū)域。事實上，視場34大的足以使整個書寫面12的圖像12′始終投射在陣列52上。對于用戶執(zhí)行書寫操作期間由書寫工具確定的任何的書寫位置都可以保持這種情況，例如靠近書寫面12的邊緣和角落以最大可能的傾角(即θ≈40°)書寫時。這樣，只要沒有用戶的手或其它障礙物的阻礙，書寫面12的向前和向后的部分y1、y2在陣列52始終成像為y′1、y′2部分。為了清晰起見，“′”號的標號在此被使用來表示圖像空間中的那些部分，這些部分與帶有同樣的標號的但是未被標以“′”號的在實際空間里的標號部分相對應(yīng)，。當附加的轉(zhuǎn)換操作被施加到在圖像空間中的一些部分時，更多的“′”號被加進到標號里。書寫工具10具有一個處理裝置54，這在圖4中作更詳細的描述。處理裝置54被設(shè)置用于接收書寫面12的光學數(shù)據(jù)。在本實施例中，光學數(shù)據(jù)用書寫面12的圖像12′來表示。從這一光學數(shù)據(jù)，處理裝置54確定筆尖20與書寫面12的至少一條邊和至少一個角相應(yīng)的具體坐標。在本實施例中，處理裝置54被設(shè)置用于確定圖2中定義的笛卡爾坐標系中的矢量v1、v2、v3。為了獲得其函數(shù)，處理裝置54被設(shè)置有圖像處理器56，幀控制器58，存儲器60以及上行傳輸接口62和下行傳輸接口64。接口62、64屬于通訊裝置38。圖形處理器56最好包括一個邊緣檢測裝置66，一個初始定位裝置(originlocalizationunit)68，一個圖像轉(zhuǎn)換裝置70和一個速率計算裝置72，如圖5所示。除了這些裝置之外，圖像處理器56具有一個信號分離器74用于接收和分離包含圖像12′的原始圖像數(shù)據(jù)(rawimagedata)76。數(shù)據(jù)76分別從陣列52的行78A和列78B的多路復(fù)用程序塊被輸出。在操作時，用戶移動工具10。一旦工具10的筆尖20與書寫面12接觸，壓力傳感器24會激活光學裝置30的獲取狀態(tài)(acquisitionmode)。在激活狀態(tài)中，處理裝置54接收光學數(shù)據(jù)，即作為成像在陣列52的像素上的書寫面12的圖像12′。與現(xiàn)在技術(shù)形成對照，圖像處理器56以一定的幀速率捕捉到原始圖像數(shù)據(jù)76。幀速率由幀控制器58控制。幀速率快到足以精確跟蹤用戶的書寫活動。為了實現(xiàn)這一目的，幀速率被用幀控制器58來設(shè)置獲得15Hz或30Hz乃至更高的幀速率。與現(xiàn)有技術(shù)相比，由用戶書寫的信息通過對信息進行檢查或?qū)⑿畔⒈旧沓上袷菬o法被確定的。當然，書寫信息通過確定筆尖20的具體坐標來推定，更明確地說是通過確定珠點22相對于書寫面12的光學可識別特征的具體坐標來推定。這些可識別特征包括角度、邊和其它由用戶在書寫面12所產(chǎn)生的標記或特征。每當通過壓力傳感器24獲取狀態(tài)被激活時，為了確定用戶書寫的所有信息，筆尖20相對于可識別特征的具體坐標以設(shè)置的幀速率被獲得。在本實施例中，筆尖20的具體坐標是相對于書寫面12的三個角44A、44B、44C來確定，書寫面12借助于矢量v1、v2、v3被參數(shù)化(見圖2)。為了完成這個目的，處理裝置54從圖像12’的成像矢量v1’、v2’、v3’重新找到矢量v1、v2、v3(見圖5)。這一處理過程需要若干步驟。第一步，處理裝置54的圖像處理器56借助于信號分離器74將原始圖像數(shù)據(jù)(rawimagedata)76從陣列52的行和列單元塊78A、78B中分離出來。第二步，圖像處理器56將初始圖像數(shù)據(jù)76發(fā)送到邊緣檢測裝置66。邊緣檢測裝置66識別書寫面12的圖像12’的邊和角。這一處理如圖6所述的那樣，成像的邊緣43’的無阻礙部分80’被用作邊緣檢測。關(guān)于圖像的邊緣檢測和邊緣檢測的算法的更多的信息讀者可參考美國專利6,023,291和6,408,109以及SimonBaker和ShreeK.Nayar的“相干性的珠面測量對邊緣檢測器的評價”《關(guān)于計算機顯示和圖形識別的研討》，1999年6月第2卷第373-379頁，以及J.Canny的“邊緣檢測的計算方法”IEEE《關(guān)于圖像分析和機器智能的學報》，1986年11月第8卷第6期，在此編入了所有的基礎(chǔ)邊緣檢測的參考文獻。實際上，用戶的手16是弄暗部分書寫面12的障礙物。因此在圖像12’中出現(xiàn)相應(yīng)的陰影16’。另外的陰影17’(或若干陰影)常常由遮住書寫面12即位于書寫面12和光學裝置30之間的其它物體產(chǎn)生。這種典型的物體包括用戶的另一只手和/或身體部分，如頭發(fā)(未顯示)。為實現(xiàn)本發(fā)明的目的，只需要圖像12’具有幾個邊緣43’的無阻礙部分80’，最好包括二個或二個以上的角，如44A’、44B’、44C’使其能夠復(fù)原矢量v1、v2、v3，并因此而確定筆尖20的具體坐標。這樣，不管是陰影16’還是17’，各個圖像邊緣43’的無阻礙部分80’是可用于邊緣檢測裝置66的。若干像素組82被表明，它們的光學數(shù)據(jù)76可以由邊緣檢測裝置66為了邊緣檢測目的而使用。應(yīng)該注意的是，在某些情況下，被陰影(如陰影16’)所阻礙的像素83可以變成可見的，并因此可以被用于檢測角44D’。邊緣檢測裝置66識別邊緣43’，并用矢量方程或其它與視場34的關(guān)于中心84的合適的數(shù)學表達式來描述它們。為了用作參考，中心84通過原點定位裝置68來設(shè)置。這可以在操作書寫工具10之前進行，如在第一次初始化和書寫工具10的測試時，以及每當原點定位的再定標由于機械原因變成必須時進行。初始化可以借助于通過為確定成像系統(tǒng)中心的其它合適的算法被進行。進一步的信息讀者可以參考CarloTomasi和JohnZhang的“如何旋轉(zhuǎn)一個照相機”《斯坦福大學計算機科學系出版物》以及BertholdK.P.Horn的“Tsai的照相機定標方法修訂本”，這里收編了參考文獻和附加物。根據(jù)本發(fā)明，由于光學裝置30對準筆尖20，本發(fā)明的中心84與光軸一致。因此，對于書寫工具10在物理空間中的任何方位，即任何的傾角θ和極角φ值，視場34的中心84始終與筆尖20及其圖像20’的位置一致。在現(xiàn)有技術(shù)中，具有這種特性的系統(tǒng)通常被用作中心系統(tǒng)，并且它們包括各種類型的中心全景系統(tǒng)和等同物。應(yīng)該注意，由于書寫工具10的主體14總是遮住中心84，筆尖20的圖像20’實際上在視場34中是不可見的。由于光學效應(yīng)包括與成像光學元件46有關(guān)聯(lián)的像差，圖像12’的被檢測部分會呈現(xiàn)一定數(shù)量的邊緣43’的舍入，如虛線所表示的。這些舍入部分可以用透鏡48A、48B和/或任何外部透鏡(未顯示)來光學補償以及用處理裝置54來電學補償。舍入部分最好通過采用由圖像轉(zhuǎn)換裝置70對圖像12’的被測部分的轉(zhuǎn)換來估計。例如，圖像轉(zhuǎn)換裝置70具有一個基于平面投影的圖像變形轉(zhuǎn)換器來產(chǎn)生一個投影視場。作為選擇，圖像轉(zhuǎn)換裝置70也可以是具有一個基于球面投影的圖像變形轉(zhuǎn)換器來產(chǎn)生一個球面投影。其好處是，這樣的球面投影可以借助于已知的方法方便地轉(zhuǎn)換為一個平面投影，例如ChristopherGeyer和KostasDaniilidis在“一種對中心全景系統(tǒng)和實際含義的統(tǒng)一理論”www.cis.upenn.edu，加利福尼亞的伯克利大學的OmidShakernia等人的“通過成倍增加中心全景視場來估計微小運動”，加利福尼亞技術(shù)學院的噴汽推進實驗室和賓夕法尼亞大學的GRASP實驗室的AdnanAnsar和KostasDaniilidis的“通過點和線來估計直線狀態(tài)”，在此收編參考文獻和附錄?，F(xiàn)在，一旦圖像12’被識別和轉(zhuǎn)換，書寫工具10的方向就被確定。這可以用各種方法來實現(xiàn)。例如，當用球面投影來工作時，即用無阻礙部分圖像12’球面投影時，一個直接的三維旋轉(zhuǎn)估算可以被用于復(fù)原傾角θ和極角φ。為此，一個書寫面12的正常視場被貯存的存儲器60中，以便用于轉(zhuǎn)換裝置70作參考。然后應(yīng)用廣義移動定理，該轉(zhuǎn)換可以產(chǎn)生書寫工具10關(guān)于書寫面12的歐拉角。這一定理涉及歐拉定理，歐拉定理指出，在三維空間具有一個固定點的任何運動可以用繞一些軸的旋轉(zhuǎn)來描述，(在這種情況下，筆尖20在書寫面12上的接觸點在每幀畫面持續(xù)期間被認為是固定的)關(guān)于移動定理的更多信息，讀者請參考賓夕法尼亞大學的計算機與信息科學系的AmeeshMakadia和KostasDaniilidis的“用廣義移動定理對球面圖像的直接三維旋轉(zhuǎn)估算”，在此編入作為參考。當用一個平面投影來產(chǎn)生圖像12’的無阻礙部分的透視圖時，人們可以選擇用標準幾何定理來確定傾角θ和極角φ。在這種情況下，可以采用幾種利用透視圖定理的幾何方法。一種幾何方法如圖7A所示，這里清楚地表示了整個圖像12’(忽略阻礙部分或?qū)⑵涮钊肷弦徊奖粚?dǎo)出的邊緣43’的導(dǎo)數(shù)方程中)，兩個邊緣43’延伸到?jīng)]影點86。畫出中心84和沒影點86的連接線Ψ。再畫出在傾角θ的平面中的線∑。此時，線Ψ和線∑之間的夾角等于極角φ。此時，中心84到?jīng)]影點86的線Ψ的長度與傾角θ成反比。帶有與傾角θ的值相對應(yīng)的Ψ的值的查對照表被貯存在存貯器60中，以幫助快速地識別在每幀畫面存續(xù)期間的傾角θ。應(yīng)該注意的是，為了保持傾角θ的平面軌跡，必須知道書寫工具10繞光軸39的旋轉(zhuǎn)。通過提供一個關(guān)鍵性的東西可以建立這一旋轉(zhuǎn)，例如，以圖8所示的書寫工具10上的握持器90的形式。握持器促使用戶的手16握住書寫工具使其不會繞光軸39旋轉(zhuǎn)。另一個幾何方法如圖7B所示意，整個圖象12′再次清晰地顯示。在這里，兩個邊緣一直延伸到?jīng)]影點86。從中心84到?jīng)]影點86就構(gòu)建設(shè)了連接線Ψ。一與傾斜角θ的平面相垂直的的平面上構(gòu)建了直線?！，F(xiàn)在，從沒影點86構(gòu)筑一條直線Γ它垂直于直線Γ。直線∏和Ψ之間的角度等于極性角θ，同時，從與直線Γ的截斷點(intercept)到?jīng)]影點86之間的直線∏長度與傾斜角θ成反比。最好，一個帶有與傾斜角θ數(shù)值相對應(yīng)的∏數(shù)值的對照表儲存在存儲器中，在每幀畫面存續(xù)期間便于角度θ的快速識別。在這個實例中，使用在陣列(array)52上或者在書寫工具10的其它部分的關(guān)鍵標志(key-mark)92來保持與傾斜角θ的平面垂直的另一平面的軌跡(track)，它標明在筆上的一個合適的握筆套，如圖8所示意。另一幾何方法如基于整個圖象12′的圖7C所示意，這里，從中心84到?jīng)]影點86之間構(gòu)建了直線Ψ，沒影點86是被兩邊緣43’所限定的。延伸其它的兩邊緣43’，確定了第二個沒影點94的位置。通過連接線Ω第二沒影點94與沒影點86連接。從中心84到直線Ω之間現(xiàn)在構(gòu)建了直線∑，這樣它與直線Ω以直角相互交叉，直線Ψ和∑之間的角度等于極性角θ。不是直線Ψ的長度就是直線∑的長度(甚至直線Ω的長度)可以被用來導(dǎo)出傾斜角θ。再次，這種對應(yīng)的對照表(look-uptables)被推薦在快速處理過程中使用。這里需要注意的是，這個實施例子不需要使用關(guān)鍵標志(key-mark)或者握筆套，因為書寫工具10繞著光學軸(它也是書寫工具10的中心軸線)的轉(zhuǎn)動不會影響這種幾何的結(jié)構(gòu)。還有另一幾何方法如圖7D所示意，在這個例子中，角落的角度(cornerangles)α，β，γ和δ(當沒有阻礙的時候)和圖象12’(images)的積分面積(areaintegral)被用來決定θ和φ。特別是，角落的角度α，β，γ和δ的值是唯一地定義角度φ的值。同樣，積分面積的數(shù)值唯一地定義了θ。在本實施例中，存儲在存儲器中的對照表(look-uptables)在快速處理過程中能夠用來決定角度θ和φ。在此情況下，成像光學元件(imagingoptics)46將圖象12’作關(guān)于書寫面12上的定向的轉(zhuǎn)換，圖象12’就需要被轉(zhuǎn)換了，如圖9。這種轉(zhuǎn)換倒置能夠在任何點及時地被轉(zhuǎn)換單元70所執(zhí)行。舉例，圖象12’在實施上述決定角度θ和φ的步驟之前或者以后也可以被倒置轉(zhuǎn)換。如果圖象12’不被轉(zhuǎn)換，這樣沒有轉(zhuǎn)換需要被執(zhí)行。被變換或倒置(當需要時候)的圖象12″在圖10中被描述，在這一點矢量V″1，V″2和V″3被重新計算。一從中心84到邊緣43″(edges)的位置標記(landmark)的另一矢量Vn″也在圖中顯示。在書寫面12邊緣43″上的這種位置標記能夠被使用來替代一個角落，用以確定筆尖20具體坐標。當兩個角落被位于書寫面(jottingsurface)12和光學單元30之間的用戶或者任何物體阻擋時，這一點顯得特別重要。在這一點上圖像12″通過旋轉(zhuǎn)約θ和φ的角度被校正，以獲得了最終被轉(zhuǎn)換和被校正的圖象12，見圖11。這是通過對被轉(zhuǎn)換(被倒轉(zhuǎn)，根據(jù)具體情況)的圖象12″進行適當?shù)牡罐D(zhuǎn)而完成。(這些倒轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)是與在書寫工具10關(guān)于書寫面12的物理空間中的歐拉旋轉(zhuǎn)相對應(yīng)的。標準的歐拉轉(zhuǎn)換在任何傳統(tǒng)機械教科書上有介紹，如金斯丁著的“經(jīng)典機械學”Goldstein，ClassicalMechanics)。現(xiàn)在筆尖20具體坐標能夠直接從矢量V1，V2，V3和/或Vn被確定。這種功能是由比率計算單元(ratiocomputationunit)72來執(zhí)行的，其優(yōu)點在于圖象12相對書寫面12的比例被保留了。特別是，比率計算單元(ratiocomputationunit)72采用了以下的比例x1/x2＝x1/x2和y1/y2＝y(tǒng)1/y2這些數(shù)值能夠從矢量和縮放比例因子(scalingfactor)中獲得，由于如圖12那樣，成像光學元件46的放大倍數(shù)M可以被用作為附加的交叉檢查(additionalcross-check)和約束以保證被獲得的數(shù)值是正確的。本發(fā)明的書寫工具具有數(shù)個其它實施例，例如，一個可選擇的光學裝置100采用有拋物線或雙曲線鏡子102和鏡片104的兼反射光及折射光的系統(tǒng)，見圖13。光學裝置100的結(jié)構(gòu)必須被改變以適應(yīng)在書寫工具108上的光學裝置100，見圖14(僅僅顯示頂部)。在該實施例中光電檢測器陣列106被布置在書寫工具108的末端109上。在本實施例中用延伸部位111將支撐件110延伸。書寫工具10可以利用特征和位置標記而不是書寫平面120的角落和邊緣。例如，見圖15，書寫工具利用的是用戶產(chǎn)生的特征記號(feature)122。特征記號122事實上是一個用戶書寫的字母“A”。在本案中，使用了一個在字母上特別容易定位的點(如一個產(chǎn)生高對比度容易檢測和追蹤的點)用于跟蹤，還從卡笛爾坐標系統(tǒng)的原點到這個點構(gòu)筑一個矢量Vr。書寫工具10也利用了位于一邊緣(edge)126的位置標記(landmark)124。從原點到位置標記(landmark)122構(gòu)建了矢量Vs。最終，工具10使用了由相應(yīng)的矢量Vq確定的書寫面120上的角落128。在這個實施例子中，在操作過程中，上面描述的邊緣檢測算法規(guī)則(edgedetectionalgorithms)和任何其它的為檢測高對比度點的算法規(guī)則被應(yīng)用來定位在圖象上的直線和角落，和定位特征記號(feature)122、位置標記(landmark)124和角落128的位置。于是，夾角θ和Φ被定出來，并且相應(yīng)的轉(zhuǎn)換被施加到書寫面120圖像的已成像了的圖象矢量V′q、V′x和V′s上，如上面所述。筆尖120的具體坐標通過被變換的矢量被確定下來。當然，該
技術(shù)領(lǐng)域：
的熟練人員會認識到記號和跟蹤的位置標記(landmarks)的數(shù)目通常能改善在書寫面上確定書寫面120上的筆尖的具體坐標的精確度。于是，更多的特征記號(features)和位置標記(landmarks)被跟蹤，就需要更多的處理能力。如果需要書寫工具10的實時操作，例如，在某些情況下，書寫動作被從書寫工具10發(fā)送至一個處于實時狀態(tài)下的接收器，記號和位置標記的數(shù)目應(yīng)當被限制。作為選擇，如果被寫下的信息能夠被用戶在以后的時間里下載記錄下來和/或不需要實時處理過程的時候，更多的記號和位置標記可以被用來提高決定筆尖20的具體坐標的精確度。這通常導(dǎo)致改善了書寫面120的解晰度。必須記住的是，記號和位置標記得提供絕對的參考物，也就是它們在書寫面120上的位置不能及時變動。然而，必須記住的是被用來確定筆尖(nib)20具體坐標的的特征和位置標記從一幀到另一幀不需要是相同的。對于本
技術(shù)領(lǐng)域：
人員而言顯而易見本發(fā)明還包括有不同的其它實施例。*****權(quán)利要求1.一種能表現(xiàn)來自書寫面上的手寫信息的工具，所述的書寫工具包括a〕一個用于書寫的筆尖；b〕用于確定什么時候所述筆尖正在所述的書寫面上進行書寫的手段；c〕一個光學裝置，它用于觀視所述的書寫面，所述的光學裝置被引示指向所述的筆尖；d〕一個處理單元，用于從所述的光學裝置接受所述的書寫面上的光學數(shù)據(jù)，并用于從所述的光學數(shù)據(jù)來確定所述筆尖相關(guān)于書寫面的至少一個角落和所述書寫面的至少一條邊緣的物理坐標。2.如權(quán)利要求1所述的書寫工具，其中，所述的光學裝置是一個用于讓所述的書寫面成像的成像裝置。3.如權(quán)利要求2所述的書寫工具，其中，所述的成像裝置進一步包含有一個光電檢測元件陣列，在其上投射有一個所述成像面的圖像。4.如權(quán)利要求3所述的書寫工具，其中，所述的處理單元進一步包含有一個用于對所述的在圖像中的書寫面的邊緣和角落進行檢測的邊緣檢測裝置。5.如權(quán)利要求3所述的書寫工具，它進一步包含有一個圖像轉(zhuǎn)換裝置，用于對所述的圖像施以至少一個轉(zhuǎn)換。6.如權(quán)利要求5所述的書寫工具，其中，所述的圖像轉(zhuǎn)換裝置包含有一個以一個平面投影為基礎(chǔ)的圖像變形轉(zhuǎn)換器。7.如權(quán)利要求5所述的書寫工具，其中，所述的圖像轉(zhuǎn)換裝置包含有一個以一個球面投影為基礎(chǔ)的圖像變形轉(zhuǎn)換器。8.如權(quán)利要求5所述的書寫工具，其中，所述的圖像轉(zhuǎn)換裝置包含有一個用于確定所述書寫工具相關(guān)與所述書寫面的歐拉角的圖像轉(zhuǎn)換器。9.如權(quán)利要求3所述的書寫工具，其中，所述的光電檢測元件陣列是一個CMOS光電檢測元件陣列。10.如權(quán)利要求2所述的書寫工具，其中，所述的成形裝置產(chǎn)生一個所述書寫面的透視投影。11.如權(quán)利要求10所述的書寫工具，其中，至少一個與所述書寫工具相對于所述書寫面的定位方向有關(guān)的角度由所述的透視投影被確定。12.如權(quán)利要求11所述的書寫工具，其中，所述的至少一個角度包含一個傾斜角θ和一個極角φ。13.如權(quán)利要求2所述的書寫工具，其中，所述處理單元進一步包含有一個比率計算模塊用于由所述的圖像確定所述的實際坐標。14.如權(quán)利要求2所述的書寫工具，其中，所述的成像單元包含有折射成像光學元件。15.如權(quán)利要求14所述的書寫工具，其中，所述的折射成像光學元件具有一個大體上大于所述書寫面面積的視場。16.如權(quán)利要求2所述的書寫工具，其中，所述的成像裝置包含有反射成像光學裝置。17.如權(quán)利要求16所述的書寫工具，其中，所述的反射成像光學裝置具有一個大體上大于所述書寫面的面積的視場。18.如權(quán)利要求2所述的書寫工具，它進一步包含有一個幀控制器用于將所述的書寫面以一個預(yù)先確定的幀速率成像。19.如權(quán)利要求1所述的書寫工具，其中，所述的確定何時所述的筆尖正在進行書寫的手段被選自由應(yīng)變儀，機械壓力傳感器，壓電元件組成的組。20.如權(quán)利要求1所述的書寫工具，其中，它進一步包含有用于讓所述物理坐標與一個外部的裝置進行通信的裝置。21.如權(quán)利要求1所述的書寫工具，它進一步包含有一個使所述的書寫面初始化并對所述的書寫面進行識別的裝置。22.如權(quán)利要求1所述的書寫工具，其中，所述的光學裝置被安裝在所述書寫工具的遠端。23.一種書寫工具，用于對來自一個書寫面的信息進行推定，所述的書寫工具包含有a〕一個具有用于書寫的筆尖；b〕一個用于確定何時所述的筆尖正在所述的書寫面上進行書寫的裝置；c〕一個具有用于觀視所述書寫面的光學裝置的遠端，所述的光學裝置對準所述的筆尖；并且d〕一個處理單元，它用于接收所書寫面上的來自光學單元的光學信息，并用于從所述的光學數(shù)據(jù)來確定所述筆尖關(guān)于所述書寫面上至少兩個所述書寫面的角落的物理坐標。24.一種書寫工具，用于以光學的方法捕捉來自書寫面的手寫的信息，所述的書寫工具包含有a〕一個具有用于書寫的筆尖的書寫端；b〕一個用于確定何時所述的筆尖正在所述的書寫面上進行書寫的裝置；c〕一個具有用于觀視所述書寫面的光學裝置的遠端，所述的光學裝置對準所述的筆尖；并且d〕一個處理單元，它用于從所述的光學單元接收所述書寫面上的的光學信息，并用于從所述的光學數(shù)據(jù)來確定所述筆尖關(guān)于所述書寫面上至少兩個在所述書寫面上的位置標記的物理坐標。25.如權(quán)利要求24所述的書寫工具，其中，所述的至少兩個位置標記是被一個在所述的書寫面上使用的工具所產(chǎn)生的標記。26.權(quán)利要求25所述的書寫工具，其中，所述的位置標記包含有使用者的手寫標記。27.如權(quán)利要求24所述的書寫工具，其中，所述的位置標記進一步包含關(guān)于所述書寫面的數(shù)據(jù)。28.如權(quán)利要求27所述的書寫工具，其中，所述的書寫面包含有一張紙并且所述的數(shù)據(jù)表明了所述那張紙的尺寸。29.一種書寫工具，用于對來自一書寫面的手寫信息進行推定表現(xiàn)，所述的書寫工具包含a〕一個用于書寫的筆尖；b〕一個確定何時所述的筆尖正在所述的書寫面上進行書寫的手段；c〕一個光學裝置，用于觀視所述的書寫面，所述的光學裝置被對準所述的筆尖；d〕一個處理裝置，用于從所述的光學裝置接收所述的書寫面的光學數(shù)據(jù)并且用于由所述的光學數(shù)據(jù)來確定所述的筆尖相對于至少兩個書寫面角落的物理坐標。全文摘要本發(fā)明涉及一種手寫工具，尤其涉及一種能對來自手寫面上手寫信息進行推斷并表現(xiàn)的手寫工具。其中，手寫信息是以任何形式在手寫表面的留下的信息標記，如書寫、手寫、繪圖、草圖或者任何在手寫板上所作的記號。該手寫信息也是被描繪在手寫板表面上但不在手寫板上留下痕跡的信息，或者是在其上保持接觸的狀態(tài)下由手寫工具執(zhí)行有關(guān)動作的軌跡所產(chǎn)生的信息。該手寫工具包括有一個用以手寫的筆尖和一個能測定出筆尖是在什么時候在手寫板上進行手寫的裝置，另外，該手寫工具有一個能檢視手寫板的光學單元。該手寫工具還具有一個處理單元，該處理單元能處理從光學單元讀取的手寫板上的光學數(shù)據(jù)，還能從光學數(shù)據(jù)判定筆尖相對于至少一個手寫板上的一個角落和一條邊沿和/或相對于在手寫板上的別的位置標記或在書寫面上的可光學識別特征的實際的坐標。文檔編號G06F3/033GK1774690SQ200480010185公開日2006年5月17日申請日期2004年2月24日優(yōu)先權(quán)日2003年2月24日發(fā)明者斯圖爾特·R·卡爾申請人:電子手寫產(chǎn)品公司