專利名稱：一種背投光源式觸摸識別裝置及其觸摸識別方法
技術領域：
本發(fā)明涉及觸摸屏技術，尤其涉及一種背投光源式觸摸識別裝置 及其觸摸識別方法。
背景技術：
現有的使用攝像頭的觸摸屏定位裝置，通過使用兩個或兩個以 上的數字攝像頭連續(xù)獲取目標圖像，然后利用數字信號處理器對每個 攝像頭獲得圖像進行處理，最后對圖像進行合成分析計算出目標物在 屏幕上的位置目標，但這種方案，系統(tǒng)結構復雜，需要多個攝像頭同 時工作，需要解決不同攝像頭之間的圖像同步問題，且圖像處理算法 和定位算法都比較復雜，成本較高。
在專利號為200610122463.0的申請文件中公開了 一種觸摸屏定 位裝置及其定位方法，該申請文件公開了 一種釆用單個攝像頭或圖像 感應器、單色線狀光源來實現觸摸定位的裝置，簡化了定位裝置的結 構，但是這種結構釆用的單色線狀光源安裝在觸摸屏的一側或任一靠 近屏幕邊緣的角落，從而不能總是識別多點觸摸，例如在光源光線的 投射方向上的兩個觸摸點，其中有一個就會被遮擋，從而這種觸摸屏 定位裝置就會失效，不僅如此，采用側面安裝的光源也很難識別觸摸 物的形狀，從而限制了它的應用范圍。此外，在無源的投影顯示屏幕 (如毛玻璃屏幕)側面安裝電源，需要增加布線，使總的結構不夠簡潔。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種結構簡單、能夠識別多點觸摸和觸摸物 形狀的背投光源式觸摸識別裝置。
本發(fā)明的另一目的是提供一種能夠集成化投射光源、傳感器和光 源的背投光源式觸摸識別裝置。本發(fā)明的另 一 目的還提供 一 種背投光源式的觸摸識別方法。 為達到上述目的，本發(fā)明實施例的技術方案提供 一種背投光源式 觸摸識別裝置，包括顯示屏幕、圖像傳感器以及投影機；圖像傳感器 和投影機安裝在顯示屏幕后方一定距離處且能夠拍攝或投影到整個 顯示屏幕，其特征在于，該裝置還包括單色照明光源，該單色照明光 源安裝在顯示屏幕后方的一定距離的位置處，該位置限定為使其所發(fā) 出的各個方向的光線能夠覆蓋整個顯示屏幕區(qū)域。
其中，所述單色照明光源與投影機集成在一種光路集成結構裝置中。
其中，所述光路集成結構裝置的一種結構，是把投影機的光學投 射系統(tǒng)拆分為兩個部分， 一部分安裝在投影機的機身上，另一部分構
成一個鏡頭組；在所述投影機的光路上安裝有一個單面反射鏡，其反 射面面對著投影機和所述鏡頭組的入射端；所述單色照明光源安裝在 單面反射鏡透射面的一側；所述投影機安裝在所述反射鏡的反射面所 對應的方向上，單色照明光源發(fā)射的光線，透過單面反射鏡到達鏡頭 組的入射端。
其中，所述投影機與圖像傳感器集成在一種光路集成結構裝置中。
其中，所述光路集成裝置的一種結構，是把投影機的光學投射系 統(tǒng)拆分為兩個部分， 一部分安裝在投影機的機身上，另一部分構成一 個鏡頭組；在所述投影機的光路上安裝有一個單面反射鏡，其反射面 面對著圖像傳感器和所述鏡頭組的投影圖像的入射端；圖像傳感器安 裝在所述單面反射鏡的反射面一側；所述投影機安裝在所述反射鏡的 透射面一側。
其中，所述投影機與圖像傳感器集成在一種光路聯動結構裝置中。
本發(fā)明實施例的技術方案還提供一種使用背投光源式觸摸識別裝置的觸摸識別方法，包括以下步驟
a:計算機系統(tǒng)初始化讀取原始數據，單色照明光源照射到整個
顯示屏幕上；
b:圖像傳感器以幀為單位連續(xù)對投影屏幕進行完全拍攝，并輸 出圖像信號或數據到計算機中；
c:計算機系統(tǒng)讀取圖像傳感器一幀的數據；
d:對圖像進行處理，分析顯示屏幕上是否有高亮反射點的象素， 如果沒有，則返回步驟c,如果有，則記錄其位置，繼續(xù)下一步驟。
e:根據原始數據計算各個高亮反射點的象素相對于顯示屏幕的 象素的位置坐標；
f:輸出包含有上述各個高亮反射點的象素的相對于顯示屏幕的 象素的位置坐標的數據，然后返回到c步驟。
其中，所述步驟a中所述的原始數據為計算機系統(tǒng)存儲的校準數 據，或者是投影機和圖像傳感器集成結構的固化數據。
其中，所述步驟e還包括根據計算得到的各個高亮象素點的位置 關系來判定觸摸物與顯示屏幕接觸部分的輪廓形狀的步驟。
上述技術方案僅是本發(fā)明的一個優(yōu)選技術方案，具有如下優(yōu)點 本發(fā)明實現了多點觸摸識別，并且能夠識別觸摸物的形狀。本發(fā)明系 由于不用在顯示屏幕四周安裝電源，從而使系統(tǒng)更加簡單，不僅如此， 釆用投射光源、圖像傳感器可與投影機結合或集成在一起，更是簡化 了系統(tǒng)。


圖i是本發(fā)明的觸摸識別裝置的總體結構圖； 圖2是本發(fā)明的背光照明的光路集成結構示意圖； 圖3是本發(fā)明的投影和攝像共用光路的集成結構示意圖 圖4是本發(fā)明的投影和攝像光路同步調節(jié)的結構示意圖； 圖5是本發(fā)明的多點識別和觸摸物輪廓識別的原理示意6圖6是本發(fā)明識別觸摸物的程序流程圖。
圖中101、投影屏幕；102、觸摸物；103、投影機；104、圖像 傳感器(攝像頭)；105、單色照明光源；106、濾色鏡；107、投影機 發(fā)射的光線及投射角；108、圖像傳感器接收的光線或視角；109、照 明光源的光線及投射角；110、觸摸物所反射的光線；201、單面反射 鏡；202、投影機機身；203、投影機鏡頭組；204、圖像光線；205、 照明光線；206、混合光線；207、投射光線及投射角；301、屏幕反 射的照明光線；302、經鏡頭組匯聚的照明反射光線；303、入射到圖 像傳感器的反射照明光線；401、圖像傳感器的鏡頭組；402、聯動結 構；501、投影屏幕的顯示面；502、毛筆的反射輪廓；503、 一般書 寫筆的反射輪廓；504、手指的反射輪廓。
具體實施例方式
以下實施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。 如圖l所示，本發(fā)明總體結構包括投影屏幕101、投影機103、圖 像傳感器(攝像頭)104和單色照明光源105,從圖中可以看出，單色 照明光源105放置在投影屏幕101的后方的一定距離內，與投影機103、 圖像傳感器(攝像頭)104都處于同一區(qū)域內，投影機103、圖像傳感 器(攝像頭)104安裝在投影屏幕101后方的一定距離內，以使能夠拍 攝或投影到整個屏幕的位置上。線107和108表示投影機103和攝像頭 104所能投影或拍攝到的范圍，線109表示照明光源105所能照射到的 范圍，線110表示觸摸物從照明光源105所反射光線進入到攝像頭104 中。
當觸摸物102觸摸屏幕時，在屏幕后方的照明光源105所投射的光 線被觸摸物反射回來，圖象傳感器或攝像頭104就會捕捉到被觸摸物 所反射的光線IIO,經過圖像傳感器(攝像頭)的釆集轉換后，輸出圖像 信號或數據給計算機進行處理。由于照明光源105不是安裝在屏幕的 一側，而是安裝在屏幕后方的一定距離內，這個距離設定為使照明光源所發(fā)出的光線能夠覆蓋整個屏幕的區(qū)域，因此，即使有多個觸摸點， 也都能被照明光源105照射到，同時，這多個觸摸點所反射的光線也
都能進入到攝像頭104中，從而觸摸點的形狀也都能被攝像頭104所捕
捉識別。
假如毛筆、書寫筆和手指同時觸摸投影屏幕，這些物體與投影屏 幕的接觸部位都可以反射照明光源，形成的高亮反射點被攝像頭捕 捉。但是由于不同物體與屏幕的接觸端的軟硬、形狀不同，因此接觸
部位在屏幕上所顯示的輪廓圖形也不一樣。如圖5所示，可以看出毛 筆的反射輪廓502、以及書寫筆的反射輪廓503以及手指的反射輪廓 504在投影屏幕上的形狀不同，因此被攝像頭104所捕捉識別出的多點 觸摸物的高亮點反射輪廓，經過攝像頭的圖像釆集和計算機的圖像處 理后，得到觸摸物相對于顯示象素的位置坐標，甚至還可以根據計算 機中存儲的各種性質的觸摸物的特征輪廓數據，得到觸摸點的輪廓形 狀。然后這些數據被送到計算機后臺進行處理，從而可以識別判斷出 觸摸點的位置、數量以及觸摸物的性質。這樣計算機能夠根據上述數 據，通過如控制、繪畫、文字輸入等目標程序來控制顯示屏幕進行相 應的操作控制。比如，如果識別出是多點觸摸，則調用多點觸摸的處 理程序；如果識別觸摸物的輪廓特征與數據庫中毛筆的特征相同是毛 筆，就可以自動選擇毛筆書寫的效果。
投影機103和單色照明光源105可以集成在一種結構中，如圖2所 示，為投影機103和單色照明光源105的光路集成機構示意圖。投影機 103的光學投射系統(tǒng)被拆分為兩個部分， 一部分安裝在投影機機身202 上，另一部分構成一個鏡頭組203;在所述投影機的光路上還安裝有 一個單面反射鏡201(本發(fā)明中所述單面反射鏡，是一種一個表面可以 反射光線，另一個表面能夠透射光線的平面光學元件)，其反射面面 對著投影機和所述鏡頭組的入射端；所述單色照明光源安裝在單面反 射鏡的背面，即透射面一側。這樣，投影圖像通過單面反射鏡/透射鏡201被反射到鏡頭組203的入射端；單色照明光源105則從單面反射 鏡201的背面發(fā)出光線，透過該鏡后也到達鏡頭組203的入射端。經過 這種集成機構既可以實現投影功能又能實現照明功能，目前來說這種 集成技術很成熟，這里不作詳述。本發(fā)明釆用投影機103和照明光源 105的集成機構，照明光源的照射范圍與投影機的投射范圍相同，因 此不用調節(jié)照明方位、角度參數就可以直接照射到投影機103所投射 范圍區(qū)域內的觸摸物，而且不會干擾周圍對該光源的光線敏感的物 體，如安全監(jiān)視用的攝像頭。
同樣地，如圖3所示，根據光路可逆性原理，投影機103和圖像傳 感器(攝像頭)104可以釆用共用光路的集成結構。與上面集成結構 的照明系統(tǒng)相類似，投影機的光學投射系統(tǒng)被拆分為兩個部分， 一部 分安裝在投影機機身202上，另一部分構成一個鏡頭組203。在所述投 影機的光路上還安裝有一個單面反射鏡201,投影機安裝在單面反射 鏡的背面即透射面，投影圖像通過單面反射鏡透射到鏡頭組203的入 射端；圖像傳感器(攝像頭)安裝在所述反射鏡的反射面所對應的方 向上，通過鏡頭組203透射回來的觸摸圖像則被反射到圖像傳感器(攝 像頭)的鏡頭上。
另外，根據變焦旁軸相機的取景器與拍攝鏡頭同步聯動的原理， 還可以使用另 一種圖像傳感器與投影機系統(tǒng)集成的方式，如圖4所示， 投影機103和圖像傳感器(攝像頭)104還可以釆用光路同步調節(jié)(光 路聯動)的集成結構。由于釆用這種光路集成或聯動的結構，不用進 行初始化的定位校準，就可以直接根據觸摸物形成的高亮象素在攝像 頭的傳感芯片上的位置，經過計算來獲得觸摸物的位置坐標。
由此可以想到進一步合并系統(tǒng)的各個部分，把單色照明光源和投 影機、圖象傳感器都可以集成在一種光路集成結構中，這樣就更簡化 了觸摸識別系統(tǒng)。
本發(fā)明釆用的照明光源是單色照明光源，可以是紅外線或其它形式的光源，同現有技術一樣，在圖像傳感器中使用濾色鏡106,其作 用是僅允許與光源發(fā)出的光顏色相同的光進入，消除可見光段的投影 圖像以及周圍雜光對攝像頭(圖像傳感器)104的干擾。
在本發(fā)明中，圖像傳感器104、投影機103以及投影屏幕101都與 計算機相連，圖像傳感器104捕捉到的觸摸物所反射的光線后，傳輸 給計算機進行圖像分析，得到觸摸點相對于顯示象素的位置等數據， 如圖6所示。如果計算機中還存儲有各種觸摸物在顯示屏幕上成像的 形狀或輪廓特征的數據庫，就可以通過特征數據的比較來判斷識別觸 摸物的形狀輪廓。如果釆用攝像和投影光路集成或光路聯動的集成結 構時，初始步驟601就不用讀取校準數據，而是直接讀取光路集成或 光路聯動集成結構的固化數據。因為這時可以設置投影機的投射角和 攝像頭的視角相同，或者成一個固定的比例，所以可以設定投影機上 每一行和一列的象素數與攝像頭的圖像傳感芯片(CCD或CMOS芯 片)上每一行和一列象素數的比值，從而得到兩者之間的對應關系的 原始數據。這里所說的校準數據為本發(fā)明存儲在計算機系統(tǒng)的校準數 據，是使用人工方法，通過觸摸計算機通過投影機顯示在屏幕101上 特定的多個特征點，得到這些特征點在圖像傳感器內CCD或者CMOS 感應芯片上的象素位置，然后通過計算得到這些象素的位置與顯示圖 像的象素的位置之間關系的數據。觸摸屏的校準技術也是一種非常常 用的成熟技術，在此就不再詳細說明，可參考前面參考的專利文獻及 其內部所涉及的各種專利文獻的內容。
總的來說本發(fā)明的觸摸識別方法為
1) 計算機系統(tǒng)初始化讀取原始數據，單色照明光源照射到整個 顯示屏幕上，在觸摸物與顯示屏幕接觸部位的象素出現高亮反射點；
2) 圖像傳感器以幀為單位連續(xù)對投影屏幕進行完全拍攝，并輸 出圖像信號或數據到計算機中；
3) 計算機系統(tǒng)讀取圖像傳感器一幀的數據；4) 然后對圖像進行處理，分析象素亮度，如果在屏幕上有觸摸 物，則分析出高亮反射點的象素，記錄其位置，進行下一步，如果屏
幕上沒有觸摸物，則返回步驟3);
5) 根據原始數據計算各個高亮反射點的象素相對于顯示屏幕的 象素的位置坐標；
6) 輸出包含有上述各個高亮反射點的象素的相對于顯示屏幕的 象素的位置坐標的數據到目標程序，然后返回到第3步驟。
在識別觸摸物的過程中，圖像傳感器以幀為單位連續(xù)對投影屏幕 進行完全拍攝，如果手指等這樣的觸摸物觸摸顯示屏幕時，和顯示屏 幕的接觸部分在一幀圖像中全部被拍攝到，這樣圖像信號被傳輸到計 算機系統(tǒng)中，經過處理之后，根據計算機系統(tǒng)已經存儲的相關各種性 質的觸摸物的特征輪廓數據，來判別這種觸摸物的形狀。之后，本發(fā) 明的觸摸識別裝置繼續(xù)進行下 一幀的觸摸物識別，直到本發(fā)明的觸摸 識別裝置停止工作。
當然，判斷觸摸物形狀的步驟也可以放到應用程序中來執(zhí)行，如 畫圖程序；或者作為實現本方法的程序流程中的一個子程序，在需要 時調用。因為不是所有使用觸摸功能的應用程序都需要判斷觸摸物的 性質，比如在顯示"桌面"上操作計算機，就只需要觸摸點擊的功能， 而不需要判斷觸摸物的形狀或性質。這時如果再判斷觸摸物的形狀或 性質，將占用計算機的系統(tǒng)資源，必然降低計算機的工作效率。
以上所述為本發(fā)明的 一種實施例，本發(fā)明的保護范圍并不局限于
權利要求
1、一種背投光源式觸摸識別裝置，包括顯示屏幕、圖像傳感器以及投影機，圖像傳感器和投影機安裝在顯示屏幕后方一定距離處且能夠拍攝或投影到整個顯示屏幕，其特征在于，該裝置還包括單色照明光源，該單色照明光源安裝在顯示屏幕后方的一定距離的位置處，該位置限定為使其所發(fā)出的各個方向的光線能夠覆蓋整個顯示屏幕區(qū)域。
2、 如權利要求l所述的背投光源式觸摸識別裝置，其特征在于， 所述單色照明光源與投影機集成在一種光路集成結構裝置中。
3、 如權利要求2所述的背投光源式觸摸識別裝置，其特征在于，所述光路集成結構裝置中，其中投影機的光學投射系統(tǒng)被分為兩個部 分， 一部分安裝在投影機的機身上，另 一部分構成一個單獨的鏡頭組； 在所述投影機的光路上安裝有一個單面反射鏡，其反射面面對著投影機和所述鏡頭組的入射端；所述單色照明光源安裝在單面反射鏡的透 射面一側。
4、 如權利要求i所述的背投光源式觸摸識別裝置，其特征在于， 所述投影機與圖像傳感器集成在一種光路集成結構裝置中。
5、 如權利要求4所述的背投光源式觸摸識別裝置，其特征在于， 所述光路集成裝置中，其中投影機的光學投射系統(tǒng)被分為兩個部分， 一部分安裝在投影機的機身上，另一部分構成一個單獨的鏡頭組；在 所述投影機的光路上安裝有一個單面反射鏡，其反射面面對著圖像傳 感器和所述鏡頭組的投影圖像的入射端；所述圖像傳感器安裝在所述 單面反射鏡的反射面一側；所述投影機安裝在所述反射鏡的透射面一
6、 如權利要求l所述的背投光源式觸摸識別裝置，其特征在于， 所述投影機與圖像傳感器集成在一種光路聯動結構裝置中。
7、 一種使用背投光源式觸摸識別裝置的觸摸識別方法，包括以下步驟a:計算機系統(tǒng)初始化讀取原始數據，單色照明光源照射到整個 顯示屏幕上；b:圖像傳感器以幀為單位連續(xù)對投影屏幕進行完全拍攝，并輸 出圖像信號或數據到計算機中；c:計算機系統(tǒng)讀取圖像傳感器一幀的數據；d:對圖像進行處理，分析顯示屏幕上是否有高亮反射點的象素， 如果沒有，則返回步驟c，如果有，則記錄其位置，繼續(xù)下一步驟。e:根據原始數據計算各個高亮反射點的象素相對于顯示屏幕的 象素的位置坐標；f:輸出包含有上述各個高亮反射點的象素的相對于顯示屏幕的 象素的位置坐標的數據，然后返回到c步驟。
8、 如權利要求7所述的觸摸識別方法，其特征在于，步驟a中所 述的原始數據為計算機系統(tǒng)存儲的校準數據，或者是投影機和圖像傳 感器集成結構的固化數據。
9、 如權利要求7所述的觸摸識別方法，其特征在于，步驟e還包 括根據計算得到的各個高亮反射點的象素的位置關系來判定觸摸物 與顯示屏幕接觸部分的輪廓形狀的步驟。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種背投光源式觸摸識別裝置，包括顯示屏幕、圖像傳感器以及投影機，圖像傳感器和投影機安裝在顯示屏幕后方一定距離處且能夠拍攝或投影到整個顯示屏幕，該裝置還包括單色照明光源，該單色照明光源安裝在顯示屏幕后方的一定距離的位置處，該位置限定為使其所發(fā)出的各個方向的光線能夠覆蓋整個顯示屏幕區(qū)域。本發(fā)明還提供了投影機與光源以及圖像傳感器的多種光路集成或聯動的技術方案，以及實現觸摸檢測的方法。根據本發(fā)明實現了多點觸摸識別，并且能夠識別觸摸物的形狀。
文檔編號G06F3/041GK101464745SQ20081011140
公開日2009年6月24日 申請日期2008年6月3日 優(yōu)先權日2007年12月17日
發(fā)明者劉建軍, 劉新斌, 葉新林 申請人:北京匯冠新技術有限公司