專利名稱：一種光學(xué)鍵盤(pán)的制作方法
一種光學(xué)鍵盤(pán)
所屬領(lǐng)域本發(fā)明涉及一種設(shè)備，特別是一種光學(xué)輸入裝置和光學(xué)鍵盤(pán)。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的鍵盤(pán)都是機(jī)械按壓式的，在電腦、平板電腦、手機(jī)等設(shè)備上作為一種輸入裝置。
近來(lái)，還出現(xiàn)了一種激光虛擬鍵盤(pán)，它利用標(biāo)準(zhǔn)鍵盤(pán)的投影來(lái)代替實(shí)際鍵盤(pán)，用戶在敲擊這種虛擬鍵盤(pán)時(shí)，鍵盤(pán)會(huì)自動(dòng)讀取“鍵擊”位置，并轉(zhuǎn)換為真實(shí)的輸入。它包括兩個(gè)激光發(fā)射裝置，第一個(gè)發(fā)射激光光束，可在幾乎任何平坦的表面上投影出一個(gè)全尺寸鍵盤(pán)虛擬圖像。第二個(gè)激光器在投影表面上方幾毫米處投影出一個(gè)隱形的平面。當(dāng)用戶的手指經(jīng)過(guò)這個(gè)平面時(shí)，激光就被反射回監(jiān)測(cè)器件。一旦圖像傳感器檢測(cè)到反射激光，傳感器就要捕捉投影鍵盤(pán)的圖像。通過(guò)處理分析，以確定QWERTY鍵盤(pán)圖案中哪些部分被占據(jù)(blocked) 或是仍然可見(jiàn)(visible)，從而推斷出用戶的手指位置，由此，也就可以確定實(shí)際的鍵擊動(dòng)作，并輸出到相應(yīng)的設(shè)備。這種虛擬鍵盤(pán)的應(yīng)用并不局限于PDA，還能夠成為個(gè)人計(jì)算系統(tǒng)的更完整更精巧方案的一部分；
這種鍵盤(pán)可以根據(jù)需要收放自如，完全不占用空間，也不會(huì)遭遇諸如不小心把咖啡潑灑在上面的這類麻煩。
虛擬鍵盤(pán)擁有范圍廣大的應(yīng)用領(lǐng)域個(gè)人數(shù)字助理(PDA)，移動(dòng)電話，小型電腦 (為了解決占放空間)，筆記本，Tablet PC (可書(shū)寫(xiě)型筆記本)，工業(yè)環(huán)境，醫(yī)學(xué)環(huán)境(無(wú)菌室)，測(cè)試設(shè)備，運(yùn)輸業(yè)等等。
但是這種虛擬鍵盤(pán)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，不利于推廣使用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于公開(kāi)一種計(jì)算三維空間中物體的運(yùn)動(dòng)方向與工作平面夾角角度的方法和一種光學(xué)鍵盤(pán)。并且避免現(xiàn)有鍵盤(pán)的不足之處，提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低的光學(xué)鍵盤(pán)，使輸入設(shè)備使用更加方便，更加實(shí)用。
一種判斷物體的運(yùn)動(dòng)方向與工作平面夾角角度的方法，其特征是在物體的運(yùn)動(dòng)路徑上取兩個(gè)或兩個(gè)以上參照平面，參照平面與運(yùn)動(dòng)路徑相交，每個(gè)參照平面至少有一組參照物，每組參照物包括至少三個(gè)不在同一條直線上的參照點(diǎn)，工作平面和參照物在三維空間里的位置是已知的，且是固定的，在調(diào)試時(shí)測(cè)量出來(lái)，并記錄到系統(tǒng)，供分析圖像時(shí)使用；
運(yùn)動(dòng)物體在三維空間里的位置隨時(shí)間變化，其成像位置也是隨時(shí)間變化，兩個(gè)或兩個(gè)以上攝像頭對(duì)運(yùn)動(dòng)物體進(jìn)行拍攝，通過(guò)分析圖像，使用由專利號(hào)201010297M6.x所公開(kāi)的判斷判斷點(diǎn)與平面是否接觸的方法，判斷出三維空間中的物體表面是否與參照平面接觸，如果接觸，測(cè)量出接觸點(diǎn)與參照物的距離，進(jìn)一步計(jì)算出接觸點(diǎn)在三維空間中的位置，然后分別計(jì)算出運(yùn)動(dòng)物體與其它參照平面的接觸點(diǎn)的位置，再計(jì)算出這些接觸點(diǎn)的連線在三維空間中的位置，最后判斷連線與工作平面夾角的角度，這就是物體的運(yùn)動(dòng)方向與工作平面的夾角角度。
一種光學(xué)鍵盤(pán)，包括一個(gè)投影子系統(tǒng)，將鍵盤(pán)圖像投影到工作平面上，用戶的手指3在鍵盤(pán)圖像上點(diǎn)擊按鍵圖像輸入字符，其特征是還包括兩個(gè)或兩個(gè)以上攝像頭以及處理單元；
多個(gè)攝像頭對(duì)工作平面上的鍵盤(pán)圖像及手指進(jìn)行同步拍攝；
處理單元從背景中識(shí)別出手指圖像，使用前面的方法，計(jì)算出三維空間里手指指尖的運(yùn)動(dòng)軌跡與工作平面的夾角，并判斷手指指尖或手指前端是否與工作平面上的鍵盤(pán)圖像接觸，如果夾角符合預(yù)設(shè)的角度大小要求，并且指尖或手指前端與鍵盤(pán)圖像接觸，則根據(jù)接觸點(diǎn)在鍵盤(pán)圖像中的位置，找出接觸點(diǎn)所在的按鍵，并把按鍵所對(duì)應(yīng)的字符輸入主機(jī)系統(tǒng)。
判斷手指指尖是否與參照平面接觸的方法是兩個(gè)或兩個(gè)以上攝像頭對(duì)平面上和平面兩側(cè)的點(diǎn)進(jìn)行拍攝，取平面上的標(biāo)志為參照物，該參照物至少包括不在同一條直線上的三個(gè)點(diǎn)，圖像識(shí)別單元從上述攝像頭拍攝到的圖像中識(shí)別出點(diǎn)的圖像和參照物的圖像， 如果點(diǎn)的像與參照物的像的相對(duì)位置在上述攝像頭中相同，則該點(diǎn)屬于這個(gè)平面，否則，該點(diǎn)位于平面的兩側(cè)。這個(gè)方法由專利號(hào)201010297M6.x所公開(kāi)。
計(jì)算手指指尖或手指前段運(yùn)動(dòng)軌跡與工作平面的夾角的方法是取至少兩個(gè)參照平面，每個(gè)參照平面至少包含一組參照物，每組參照物包括至少三個(gè)不在同一條直線上的參照點(diǎn)，參照物在三維空間里的位置是固定的、已知的；兩個(gè)或兩個(gè)以上攝像頭對(duì)運(yùn)動(dòng)物體進(jìn)行拍攝，通過(guò)分析圖像，判斷出物體表面是否與參照平面接觸，如果接觸，測(cè)量出接觸點(diǎn)與參照物的距離，以確定接觸點(diǎn)在三維空間中的位置，然后分別計(jì)算出運(yùn)動(dòng)物體與其它參照平面的接觸點(diǎn)的位置，再計(jì)算出這些接觸點(diǎn)的連線在三維空間中的位置，最后計(jì)算連線與工作平面夾角的角度，這就是物體的運(yùn)動(dòng)方向與工作平面的夾角角度。
用戶的手指在鍵盤(pán)上的動(dòng)作分成兩種，一是有效的擊鍵動(dòng)作；二是無(wú)效動(dòng)作。有效的擊鍵動(dòng)作具有兩個(gè)標(biāo)志一是與鍵盤(pán)表面接觸；二是手指的運(yùn)動(dòng)軌跡與鍵盤(pán)表面的夾角大小落在預(yù)設(shè)的范圍之中，這個(gè)范圍是根據(jù)用戶的使用習(xí)慣設(shè)定的拇指、食指的夾角接近于直角；中指的運(yùn)動(dòng)軌跡有一定傾斜，夾角稍??；無(wú)名指、小指的傾斜較大，夾角依次減小。
用光學(xué)鍵盤(pán)解決便攜設(shè)備輸入文本困難的問(wèn)題。完全不占用空間，也不會(huì)遭遇不小心把咖啡潑灑在上面這類麻煩。


圖1是實(shí)施例1的示意圖
1、2、3是第二個(gè)參照平面的三個(gè)參照點(diǎn)
4、5、6是第一個(gè)參照平面的三個(gè)參照點(diǎn)
7、9是兩個(gè)攝像頭
8是投影鏡頭
10、11兩個(gè)參照平面具體實(shí)施方式
實(shí)施例1 光學(xué)鍵盤(pán)在平板電腦上的應(yīng)用。
在平板電腦顯示屏上方的邊框上內(nèi)置一小型的投影系統(tǒng)8，其功能是在任何工作平面投影出一個(gè)鍵盤(pán)的圖像，鍵盤(pán)圖像的尺寸為200mm*90mm，在投影系統(tǒng)的兩側(cè)，安裝兩個(gè)攝像頭7、9，功能是拍攝手指的動(dòng)作，攝像頭的位置、焦距、光軸等都是固定的。還包括一個(gè)圖像處理單元，用于對(duì)拍攝的圖像進(jìn)行識(shí)別處理。
投影系統(tǒng)包括一個(gè)激光組件。其中一個(gè)激光二極管(或稱半導(dǎo)體激光器)插在頂端，負(fù)責(zé)將鍵盤(pán)投影到一個(gè)平坦的表面上。而要將復(fù)雜得多的QWERTY鍵盤(pán)投影，頂端的這個(gè)激光二極管的光束通過(guò)衍射光或全息光學(xué)原理進(jìn)行投影，從而產(chǎn)生鍵盤(pán)圖像。個(gè)中的光學(xué)原理包括把激光二極管的點(diǎn)光源轉(zhuǎn)換為精確的二維圖像的顯微模式。
上述硬件設(shè)備都整合到平板電腦中，保證了平板電腦的便攜性。
系統(tǒng)正常工作前，需要進(jìn)行調(diào)試，調(diào)試的目的是確定參照平面以及參照物的位置。 調(diào)試過(guò)程在設(shè)備的生產(chǎn)階段進(jìn)行，調(diào)試過(guò)程如下
將平板電腦以正常使用時(shí)的角度傾斜放置在桌面上，打開(kāi)投影，將鍵盤(pán)圖像投影到桌面上，預(yù)設(shè)工作平面和兩個(gè)參照平面，工作平面就是鍵盤(pán)圖像所投影到的桌面，兩個(gè)參照平面位置如圖所示。第一個(gè)參照平面11就是鍵盤(pán)圖像所在的桌面，任意取三個(gè)不在一條直線上的標(biāo)志為參照物，參照物的位置必須位于攝像頭的視野之中，可以在投影到該平面的鍵盤(pán)圖像中任意選取，如點(diǎn)4、5、6。第二個(gè)參照平面10在工作平面上方，其三個(gè)參照物的位置如下，其中兩個(gè)位于平板電腦下緣邊框上，位置高于桌面，可以是平板電腦的下邊框和顯示屏的下面的兩個(gè)角，即點(diǎn)1、2。另一個(gè)在桌面上、在鍵盤(pán)圖像遠(yuǎn)端的某個(gè)圖案，即點(diǎn)3。 在調(diào)試時(shí)，把這些參照物人工選取出來(lái)，操作人員測(cè)量出它們的物理位置并保存，供正常使用時(shí)的圖像分析處理過(guò)程使用。另外，攝像頭拍攝參照物的圖像，并人工記錄下參照物在圖像中的位置，供正常使用時(shí)的圖像分析處理過(guò)程使用。
攝像頭圖像中的一個(gè)成像點(diǎn)與工作平面上的一個(gè)實(shí)物點(diǎn)是一一對(duì)應(yīng)的，它們的對(duì)應(yīng)關(guān)系也需要在調(diào)試階段確定并保存下來(lái)，供圖像分析時(shí)使用。
正常工作時(shí)，平板電腦以一定角度傾斜放置在桌面上，打開(kāi)投影，將鍵盤(pán)圖像投影到桌面上，輸入字符的過(guò)程如下首先，攝像頭的位置、光軸和焦距等參數(shù)都是固定的。其次，兩個(gè)攝像頭對(duì)運(yùn)動(dòng)手指進(jìn)行同步、連續(xù)拍攝。第三，圖像處理單元識(shí)別出手指指尖的圖像，并判斷手指指尖與桌面和兩個(gè)參照平面是否接觸如果手指指尖與桌面和兩個(gè)參照平面都接觸，且先與上方的參照平面接觸，后于下方的參照平面接觸，且時(shí)間間隔小于0.1 秒，時(shí)間間隔根據(jù)用戶的使用習(xí)慣，長(zhǎng)短可以進(jìn)行調(diào)整。則分別計(jì)算出與兩個(gè)參照平面的接觸點(diǎn)在參照平面的位置，進(jìn)一步計(jì)算出接觸點(diǎn)連線與工作平面的夾角，如果夾角大小大于 80度，則計(jì)算出與桌面的接觸點(diǎn)的位置。第四，根據(jù)與鍵盤(pán)圖像接觸點(diǎn)位置找到對(duì)應(yīng)的按鍵位置，將這個(gè)按鍵對(duì)應(yīng)的字符輸入到系統(tǒng)中。
實(shí)施例2 光學(xué)鍵盤(pán)和手指鼠標(biāo)在PAD上應(yīng)用
鍵盤(pán)和鼠標(biāo)是最常用的輸入設(shè)備，它們的作用互相補(bǔ)充，互不替換。平板電腦為了追求便攜性，通常配置觸摸屏來(lái)替換鍵盤(pán)和鼠標(biāo)進(jìn)行輸入，這種輸入方式和通常的輸入方式相比，使用并不方便。本實(shí)施例介紹的設(shè)備通過(guò)光學(xué)鍵盤(pán)和手指鼠標(biāo)使用光學(xué)方式同時(shí)實(shí)現(xiàn)了外接鍵盤(pán)和鼠標(biāo)的功能，具有超強(qiáng)的便攜性，和使用方便性。
手指鼠標(biāo)是專利號(hào)20101(^97546. X，所公開(kāi)的一種計(jì)算機(jī)輸入技術(shù)。其基本結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)攝像頭，和圖像處理單元。使用手指鼠標(biāo)時(shí)，手指上不需要佩戴任何附加裝置， 只需要貼在工作平面上移動(dòng)，攝像頭對(duì)手指進(jìn)行拍攝，圖像處理單元對(duì)圖像進(jìn)行處理，其過(guò)程如下第一，判斷出手指指尖是否與工作平面接觸，第二，如果接觸，則計(jì)算出接觸點(diǎn)的位置，第三，根據(jù)接觸點(diǎn)的位置，對(duì)屏幕上的光標(biāo)定位。手指鼠標(biāo)的硬件組成和工作原理，工作過(guò)程和光學(xué)鍵盤(pán)有諸多相同之處，只要做簡(jiǎn)單的調(diào)整就能同時(shí)實(shí)現(xiàn)鍵盤(pán)和鼠標(biāo)的功能。
本實(shí)施例將實(shí)施例1所述的光學(xué)鍵盤(pán)和手指鼠標(biāo)融合，協(xié)同工作。
在平板電腦顯示屏上方的邊框上內(nèi)置一小型的投影系統(tǒng)，在投影系統(tǒng)的兩側(cè)，安裝兩個(gè)攝像頭，預(yù)設(shè)兩個(gè)參照平面，并記錄參照物的位置，硬件配置和調(diào)試過(guò)程與實(shí)施例1 相同，在投影的鍵盤(pán)圖像中，包含鼠標(biāo)左右鍵圖案。
在正常操作時(shí)，手指的運(yùn)動(dòng)分三種類型貼在工作平面上的鼠標(biāo)動(dòng)作；方向與工作平面接近垂直的擊鍵動(dòng)作；其它動(dòng)作，又稱無(wú)效動(dòng)作。
光學(xué)鍵盤(pán)和手指鼠標(biāo)的工作過(guò)程如下
攝像頭的位置、光軸和焦距等參數(shù)都是固定的。兩個(gè)攝像頭對(duì)運(yùn)動(dòng)手指進(jìn)行同步、 連續(xù)拍攝。參照平面和參照物的選取和實(shí)施例1相同。
圖像處理單元的處理過(guò)程如下
識(shí)別出手指，并確定指尖圖像在攝像頭拍攝到的圖像中的位置；
判斷指尖是否與兩個(gè)個(gè)參照平面接觸。如果先與第二個(gè)參照平面接觸，后與第一個(gè)參照平面接觸，接觸時(shí)間間隔小于0. 1秒，兩個(gè)接觸點(diǎn)的連線與工作平面的夾角小于預(yù)設(shè)值，則判斷為擊鍵動(dòng)作。如果接觸點(diǎn)只與第一個(gè)參照平面(工作平面)接觸，沒(méi)有與第二個(gè)工作平面接觸，則判斷為鼠標(biāo)動(dòng)作。其它運(yùn)動(dòng)情況屬于無(wú)效動(dòng)作。
如果是擊鍵動(dòng)作，則根據(jù)接觸點(diǎn)與鍵盤(pán)圖像按鍵的對(duì)應(yīng)關(guān)系，輸入按鍵對(duì)應(yīng)的字符。
如果是鼠標(biāo)動(dòng)作，則根據(jù)接觸點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)速度，控制屏幕上光標(biāo)的運(yùn)動(dòng)， 如果判讀出接觸點(diǎn)對(duì)應(yīng)在鍵盤(pán)圖像上的左鍵或右鍵上，則執(zhí)行鼠標(biāo)的左鍵或右鍵操作。
在光學(xué)光學(xué)鍵盤(pán)的基礎(chǔ)上不需要增加額外的硬件，只需要增加一次判斷就能實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)的功能，使用一種最簡(jiǎn)單的方式將兩者結(jié)合在一起，以達(dá)到在一組設(shè)備上實(shí)現(xiàn)兩項(xiàng)功能的目標(biāo)，有效地降低了成本，提高了便攜性，還能使用戶的輸入操作更加方便，其優(yōu)越的便攜性和方便性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)一般的激光鍵盤(pán)和普通外接鼠標(biāo)。
權(quán)利要求
1.一種計(jì)算三維空間中物體的運(yùn)動(dòng)方向與工作平面夾角角度的方法，工作平面在三維空間中的位置是固定的、已知的，其特征是在物體的運(yùn)動(dòng)路徑上取兩個(gè)或兩個(gè)以上參照平面，每個(gè)參照平面至少包含一組參照物，每組參照物包括至少三個(gè)不在同一條直線上的參照點(diǎn)，參照物在三維空間里的位置是固定的、已知的；兩個(gè)或兩個(gè)以上攝像頭對(duì)運(yùn)動(dòng)物體進(jìn)行拍攝，通過(guò)分析圖像，判斷出物體表面是否與參照平面接觸，如果接觸，測(cè)量出接觸點(diǎn)與參照物的距離，以確定接觸點(diǎn)在三維空間中的位置，然后分別計(jì)算出運(yùn)動(dòng)物體與其它參照平面的接觸點(diǎn)的位置，再計(jì)算出這些接觸點(diǎn)的連線在三維空間中的位置，最后計(jì)算連線與工作平面夾角的角度，這就是物體的運(yùn)動(dòng)方向與工作平面的夾角角度。
2.一種光學(xué)鍵盤(pán)，包括一個(gè)投影子系統(tǒng)，將鍵盤(pán)圖像投影到工作平面上，用戶的手指在鍵盤(pán)圖像上點(diǎn)擊按鍵的圖像輸入字符，其特征是包括兩個(gè)或兩個(gè)以上攝像頭以及處理單元；攝像頭對(duì)工作平面上的鍵盤(pán)圖像及手指進(jìn)行拍攝；處理單元對(duì)攝像頭拍攝的圖像進(jìn)行處理，從背景中識(shí)別出手指圖像，計(jì)算出三維空間里手指指尖或手指前端的運(yùn)動(dòng)軌跡與工作平面的夾角，并判斷手指指尖或前端是否與鍵盤(pán)圖像接觸，如果手指指尖或前端與鍵盤(pán)圖像接觸，并且手指指尖或前端運(yùn)動(dòng)方向與工作平面的夾角符合預(yù)設(shè)的角度大小要求，則計(jì)算出手指與鍵盤(pán)圖像的接觸點(diǎn)的位置，進(jìn)一步計(jì)算出接觸點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的按鍵，并把按鍵對(duì)應(yīng)的字符輸入主機(jī)系統(tǒng)。
3.根據(jù)權(quán)力要求2所示的光學(xué)鍵盤(pán)，其特征是一個(gè)參照平面是鍵盤(pán)圖像所在的工作平面，另一個(gè)參照平面在鍵盤(pán)圖案上方。
4.根據(jù)權(quán)力要求2所示的光學(xué)鍵盤(pán)，其特征是參照物可以選取為鍵盤(pán)圖像中的圖案， 也可以是輔助標(biāo)志，在設(shè)備調(diào)試時(shí)擺放在攝像頭拍攝范圍內(nèi)并拍攝其圖像同時(shí)記錄下其位置。
5.根據(jù)權(quán)力要求2所示的光學(xué)鍵盤(pán)，其特征是手指指尖先與上方的參照平面接觸，后與下方的參照平面接觸，時(shí)間間隔小于預(yù)設(shè)的時(shí)間閾值。
6.根據(jù)權(quán)力要求2所示的光學(xué)鍵盤(pán)，其特征是根據(jù)用戶的使用習(xí)慣，對(duì)不同的手指預(yù)設(shè)不同的角度大小。
全文摘要
一種光學(xué)鍵盤(pán)，公開(kāi)了一種判斷運(yùn)動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)軌跡的方法和一種新型的鍵盤(pán)技術(shù)，它包括一個(gè)小型的投影系統(tǒng)和兩個(gè)攝像頭以及圖像處理單元，投影系統(tǒng)把攝像頭的圖像投影到桌面上，攝像頭拍攝桌面上的鍵盤(pán)圖像，通過(guò)對(duì)圖像的分析處理，識(shí)別出用戶的手指，并計(jì)算出指尖的運(yùn)動(dòng)角度，并將指尖接觸點(diǎn)所在的按鈕對(duì)應(yīng)的字符輸入主機(jī)系統(tǒng)，完成一次擊鍵輸入。這項(xiàng)技術(shù)適用于PAD、手機(jī)等便攜設(shè)備，能替換鍵盤(pán)，起到輸入字符的作用。具有極強(qiáng)的便攜性，是目前機(jī)械鍵盤(pán)的升級(jí)技術(shù)。
文檔編號(hào)G06F3/01GK102520799SQ20111043684
公開(kāi)日2012年6月27日 申請(qǐng)日期2011年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月22日
發(fā)明者胡世曦 申請(qǐng)人:胡世曦