專利名稱：一種光導鼠標系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明在技術上屬于人機交互計算機控制領域，在應用上屬于日常辦公應用領域。本發(fā)明利用激光制導原理，實現了一種新的人機交互系統(tǒng)。本發(fā)明是在目前桌面鼠標的基礎上的ー項重大升級，是一種改進了的可以實現常規(guī)桌面鼠標一切功能的新型指示設備。本發(fā)明結合了常規(guī)桌面鼠標、激光指示設備、投影設備和無線遙控設備的技木，實現了無線的不局限于桌面的非常便捷和實用的計算機控制功能。本發(fā)明在機器視覺上實現了光斑的準確和高效的識別；在無線遙控技術上完成了信息的安排、編碼、發(fā)射和接收；在計算機控制上完成了鼠標的精確定位和一些相關的擴展操作。本發(fā)明是一項綜合了多項技術并完成了一系列非常實用的系統(tǒng)。
背景技術：
本發(fā)明結合了激光指示器、投影設備、攝像設備、遙控設備等硬件設備，并在人機交互領域內實現其功能。激光器是ー種基于光子受激輻射原理，通過光放大過程發(fā)射電磁輻射的設備。激光器發(fā)射的激光光束與普通光束相比，具有非常強的時間和空間相干性，并且具有很高的能量密度。激光器的發(fā)展源于1917年，愛因斯坦建立的激光和微波激射器的理論基礎。隨著理論的逐漸完善，到1950年，Alfred Kastler預言光泵浦的方法，并在兩年后由 BrosseLKastler和Winter在實驗中證實，激光器的理論基礎已經非常完善。在1958年， Bell實驗室為其激光器提出專利申請；在1960年，Theodore H. Maiman完成了第一臺可以發(fā)射694nm波長紅光的實用激光器。經過數十年的發(fā)展，激光器的應用領域已經延伸到醫(yī)藥檢測、エ業(yè)測量、軍事、法制監(jiān)管、科研、商業(yè)、日常等各個領域。其中，在軍事領域，人們利用激光束標記攻擊目標，引導攻擊導彈完成精確打擊。這是激光制導原理的最初的應用方式。在日常生活領域，激光器的實用已經是無所不在了。比如，激光器1974年開始應用與超市條碼掃描器中，在1978 年激光器用于光盤播放器，在1982年開始用于激光打印機。日常最為常用的小型激光器是ー種激光筆設備。激光筆是ー種小型的便攜式的， 帶有可發(fā)射低功率激光光束的激光發(fā)射器，常被應用于指示和強調感興趣的事物。激光筆常常被作為ー種可以吸引視線的設備被用于教學和商用的展示和視覺示范等活動中。常用的激光筆有紅光激光筆和綠光激光筆。紅光激光筆一般僅僅適用于室內或低光照環(huán)境下。 綠光激光筆可用于戶外陽光下，并可以在長距離范圍，例如天文觀測，內使用。目前在教學多媒體演示或商務多媒體演示等活動中使用的激光筆，主要實現輕便教鞭的功能，有些還可以通過附加按鈕實現簡單的對計算機上下翻頁的操作。操作者無法通過單ー的激光筆實現例如鼠標的光標移動、單擊、雙擊以及滾動等操作。這個限制往往給操作者的使用帶來極大的不便。操作者對僅僅通過手中的激光筆實現鼠標的定位，按鍵的點擊等操作體驗具有一定的需求。圖像投影器是ー種將圖像或視頻投射到某個平面上的光學設備。早在公元4世紀，希臘人就記錄過影像通過針孔投射到ー個平面的現象。1420年，Johannes de Fontana 繪制出了一種將圖像投射到ー個表面的方法。在17世紀，早期的幻燈機投射設備已經被實現并應用。在目前，投影設備在人們的信息交流中的使用已經變的非常普遍。早期，投影設備常常被用于演示魔鬼或幽靈，來嚇唬無知的人們。而現在，投影器已成為當今教學、商務等場合，人際交流活動中，不可或缺的多媒體演示工具。投影設備和激光筆等設備的使用有利于增進人們的信息交流效率，方便人們的工作生活。但是，目前這類設備仍然存在ー些不足，在便捷性和實用性上仍然有很多地方有待改進。人機交互領域的技術隨著計算機技術的發(fā)展，不斷的進步。計算機作為ー種智能設備，不同于人類的其他工具，不僅通過接受人對其輸入的簡單的控制操作，還需要通過理解人的ー些復雜活動來實現更為便捷的控制。好的人機交互系統(tǒng)的最基本目標是通過提升人機交互能力，促使計算機變的更加可用和更能適應用戶的需求。人機交互主要包括兩方面內容，一方面是人對計算機的工作的識別和理解，另ー 方面是計算機對人的行為的識別和理解。為了提升前一方面的效果，計算機操作系統(tǒng)已經發(fā)展出ー套非常完善的窗ロ界面，供用戶瀏覽。而第二方面，目前的狀態(tài)還主要是停留在使用鼠標、鍵盤、掃描儀等常規(guī)輸入設備。計算機對人的活動的理解能力還是比較低。因此， 人機交互中，人對計算機的控制的效率并不是非常高。計算機視覺是ー個包含了對圖像信息的接收、處理、分析和理解等多方面的方法和技術的研究領域。計算機視覺的發(fā)展直接提高了計算機對外界信息的理解能力。計算機視覺和機器視覺同屬于人工智能領域。其主要任務有識別、運動分析、場景重繪、圖像復原、 三維立體識別等。目前，計算機視覺主要應用于醫(yī)藥、エ業(yè)、軍事、航天等領域。計算機視覺也在自動駕駛的交通工具、無人飛行器中有越來越多的使用。而目前，隨著計算機視覺的技術的逐漸成熟，計算機有望在不久普遍用于人機交互的領域中，并且勢必帶來人機交互革命性的進步。在計算機視覺中，最為重要的探測器是攝像機。攝像機早期的形式為針孔攝像機， 通過小孔成像原理，在底片上記錄圖像。它還被用于繪畫的小型輔助工具，在一開始就有著非常好的使用價值。隨著技術的進歩，透鏡照相機出現，并使用和發(fā)展，到今天，各種各樣的電子照相機和錄像機已經廣泛的應用于人們的日常生活中。攝像機目前根據使用范圍的不同，具有不同的種類。在攝影應用中，便攜式電子照相機是ー種最為普遍的形式。在計算機視覺領域，根據不同使用需求，有的是高精度高分辨率的攝像機，而有的僅僅是普通的廉價的攝像頭。而通過合理的使用上述設備，它們都能各自在其領域內發(fā)揮出巨大的能力。多媒體，顧名思義，是多種媒體形式的組合概念。目前，多媒體技術主要用于廣告、 藝術、教學、娛樂、工程、數學、科研、商業(yè)中，并且不局限于上述應用。在教學中，多媒體的應用目前的主流形式是投影演示。投影演示可以高效和方便的傳達出包括視頻、音頻在內的各類信息，可以極大的提升教學工作的效率和體驗。但是，由于計算機的操作主要還是使用鼠標，而激光筆只能實現ー些微不足道的功能，每當操作者需要切換內容吋，往往不得不回到放置鼠標器的桌面旁，使用鼠標做ー些操作。這個情況還有非常大的改進空間。而本發(fā)明提出了一種解決該問題的方案。通過使用本發(fā)明的方案，操作者可以在一定范圍內，不通過常規(guī)的鼠標完成一切鼠標操作，報包括鼠標光標的定位和移動。并且本方案可以和常規(guī)鼠標共存。本發(fā)明作為一項演示用指示和控制設備，可以做到便捷、實用。在這個應用領域，具有非常大的實用價值。并且，本發(fā)明的設備的適應性強，對硬件設備的要求比較低，不需要特殊的使用技木，有望極大的提升人們的演示活動體驗。

發(fā)明內容
本發(fā)明利用激光制導原理，通過激光遙控設備發(fā)射激光束和電磁信號，通過攝像設備接收光信號，以實現常規(guī)鼠標的光標定位操作；通過電信號接收設備接收激光遙控設備的電磁信號，以實現常規(guī)鼠標的按鍵操作。該系統(tǒng)結合人機交互、機器視覺、計算機控制、 遙控技術等領域的技木，通過配合使用投影器、激光筆、攝像機、遙控器等設備，來實現ー種便捷的控制計算機的不局限于任何空間的無線設備，以促進人機交互的發(fā)展和提升用戶使用計算機的體驗。本發(fā)明是ー種新型的人機交互設備，有希望取代鼠標器，實現各項相關的計算機操作。本發(fā)明主要包括攝像設備、激光遙控設備、電信號接收設備三部分。其中，攝像設備與計算機通過USB接ロ相連，激光遙控設備為移動無線設備，電信號接收設備為遙控電信號的接收器，用于實現遙控和計算機的信息傳遞。首先，遙控和激光指示設備是一個手握設備，由四個功能模塊組成。第一個功能模塊是常規(guī)的激光束發(fā)射模塊。該模塊包括激光發(fā)射器、供電電路、控制電路組成。激光發(fā)射器位于遙控和激光指示設備的前端，同常規(guī)的激光筆設備中激光器位置相近。激光器可以采用紅光、綠光或其他顏色的光。功率控制在l-5mw之間，為了方便配合其他功能鍵的操作，其通斷使用智能芯片控制。該模塊的作用范圍應該控制在攝像設備可以拍攝的范圍內，以保證攝像設備可以完成對光信號接收的功能。第二個功能模塊是按鈕鍵盤輸入模塊。鍵盤按鈕模塊中，本發(fā)明采用常規(guī)的鼠標鍵左鍵、右鍵和滾輪，以及功能按鍵發(fā)光、定標、開關，和另外兩個擴展的多功能復用按鍵共八個鍵的鍵盤的設計。操作者可以通過單擊或雙擊上述按鍵，輸入各個按鍵所配置的功能。第三個功能模塊是信號的編碼和數據發(fā)射模塊。在該模塊中，用戶的輸入通過識別和編碼，變?yōu)閿底蛛姶判盘?，并通過無線通信，將數字信號發(fā)射到相應的接收設備。第四個功能模塊為整個設備的供電模塊。本發(fā)明采用小型蓄電池供電，根據不同需求，選擇鉛蓄電池或者紐扣電池等。本發(fā)明的攝像設備，可以采用常規(guī)的攝像頭或其他攝像設備。該設備通過USB線與被控計算機相連，相當于該計算機的眼睛。該設備的安裝對角度、高度、位置等沒有特殊要求，但是需要保證攝像范圍完全包括激光遙控設備的激光束光斑作用范圍，從而確保本設備能夠完成對光信號的接收任務。在使用過程中，攝像機的位置和方向不可以有大的改變。每改變一次攝像機位置，需要重新對設備進行一次定標。本發(fā)明就是通過該設備，保證計算機能夠精確的理解用戶使用激光束指示的位置信息的。本發(fā)明通過簡單的ニ值化數據處理來實現計算機對激光光斑的識別和位置判定以及跟蹤。并通過一項數據運算，來精確地確定激光光斑的位置信息。計算機通過得到此位置信息，移動計算機界面上的光標到相應的位置。接收設備屬于常規(guī)的USB輸入設備。其信息來源于遙控和激光發(fā)射設備的信息輸出。該設備接受計算機的控制，并可以實現數據的解碼和暫存。通過計算機對其數據的提取，來保證計算機理解目前用戶的操作，并實現計算機的控制。為保證良好的兼容性，本設備數據的格式采用常規(guī)的USB鼠標的數據格式。本系統(tǒng)成本低，精度高，通過廉價的智能芯片和常規(guī)的編碼技術實現了不同需求，是完全自主研發(fā)的計算機控制技術。本系統(tǒng)的兼容強，可以做到與常規(guī)的設備的兼容和共存。本發(fā)明將多項現代技術應用于計算機交互領域，在需要鼠標定位的位置，例如，投影屏幕、計算機顯示器等平面顯示媒體上，都可以實現無需多余配置的直接應用。并且，本發(fā)明僅僅需要一個遙控設備隨人移動，具有很好的便攜性和實用性。本發(fā)明的各個設備間有較高的獨立性，可以方便的實現分割和組合。例如，攝像設備可以單獨作為一個系統(tǒng)，完成激光筆定位鼠標的功能。而遙控和激光發(fā)射設備可以單獨完成常規(guī)的激光筆的功能。因此，在一些環(huán)境中，本發(fā)明還可以和投影設備結合起來，發(fā)展為一套更為完整的實用人機交互設備。本發(fā)明顧及與目前人們常用的設備在使用上的近似性。使用本設備，用戶可以采用可常規(guī)設備相同的操作，例如左擊、右擊、雙擊等操作同樣的方法，完成同樣的操作。本發(fā)明的效果和益處是，采用本發(fā)明的光導鼠標系統(tǒng)，能夠保證用戶在更大空間范圍內，不依賴于任何特定平面，不依賴有線數據傳輸，而實現常規(guī)的光標定位、左鍵單擊、左鍵雙擊、右鍵單擊、滾輪滾動以及一系列擴展操作。在人機交互領域，本發(fā)明為一個新型的，相對于傳統(tǒng)的方案更為直接和便捷的交互方式。在計算機顯示向大尺度發(fā)展的趨勢中，本發(fā)明良好的適應了客觀形勢。本發(fā)明的低成本特點保證本發(fā)明具有良好的應用前景，對人們使用計算機，使用多媒體演示，將很可能起到非常大的促進作用。


附圖1是本光導鼠標器的主控制部件的設計圖。附圖2是本系統(tǒng)中實現數據采集和處理的攝像機部分的示意圖。
具體實施例方式以下結合附圖詳細說明本發(fā)明的最佳實施例。本系統(tǒng)硬件分為三部分遙控和激光發(fā)射設備(如圖1)、攝像設備(如圖2)和信號接收設備。本發(fā)明主要實現普通鼠標的功能移動和定位鼠標、單擊、雙擊、滾輪滾動、滾輪按下等功能。本發(fā)明還可以做到一些擴展的功能，供用戶按自己的需求和愛好自行設定。首先，安裝設備。本發(fā)明的攝像設備為一個普通的攝像頭和USB信號線。將USB信號線接口連接到被控制計算機。并固定攝像機鏡頭，要求攝像范圍必須包含顯示平面范圍，并且足夠穩(wěn)定，在使用中要求攝像頭的鏡頭位置和方向不發(fā)生明顯變化。本發(fā)明的信號接收設備為USB接口，通過直接插入被控制電腦的USB插槽完成連接。本發(fā)明的遙控和激光發(fā)射設備需要添加電池作為供電電源，并在安裝電源后，開啟設備電源開關。然后，安裝和啟動驅動服務程序。本設備需要安裝驅動程序，驅動程序主要包括攝像設備的驅動程序、信號接收設備的驅動程序。安裝完成后，自動開啟驅動服務。啟動定標程序。定標程序屬于攝像設備驅動程序的一部分。使用遙控激光發(fā)射器發(fā)射激光，分別指示投影屏幕的四個角點，并分別在指示正確的前提下，單擊定標按鈕。
開始使用。當定標過程完成后，第五次按下定標按鈕，控制計算機并設置了鼠標可控，此時，鼠標的位置由用戶的激光束的光斑的位置決定。在計算機圖像顯示的平面上，用戶指向某個位置，則該位置為當前計算機鼠標的位置。鼠標操作。這里的鼠標操作和常規(guī)桌面鼠標的操作完全相同，例如，將光點移動到某個圖標按鈕上后，按下左鍵并松開，按鈕被單擊，按下右鍵并松開，按鈕被右擊，滾輪滾動，窗口界面實現相應的滾動，按下按鈕并移動光斑，目標被拖動等。擴展操作。本發(fā)明還提供另外兩個復用的功能鍵。通過驅動程序的設置，可以為這兩個按鍵指定更豐富的操作。例如，可以簡單的將這兩個按鍵對應鍵盤向上翻頁和向下翻頁的按鍵，實現按鍵功能。也可以在特殊的軟件中，設置這兩個按鍵有其他功能。對于不同前提條件下，這兩個按鍵還可以實現不同的功能，實現功能復用，以最大的發(fā)揮本發(fā)明的能力。
權利要求
1.ー種光導鼠標系統(tǒng)，包括遙控和激光指示設備、攝像設備、電信號接收設備三部分； 其特征在干，遙控和激光指示設備由四個功能模塊組成，第一個功能模塊是激光束發(fā)射模塊；激光發(fā)射器位于遙控和激光指示設備的前端；該模塊的作用范圍控制在攝像設備拍攝的范圍內，保證攝像設備完成對光信號接收；第二個功能模塊是按鈕鍵盤輸入模塊；操作者通過單擊或雙擊按鍵，輸入各個按鍵所配置的功能；第三個功能模塊是信號的編碼和數據發(fā)射模塊；用戶的輸入通過識別和編碼，變?yōu)閿底蛛姶判盘?，并通過無線通信，將數字信號發(fā)射到相應的接收設備；第四個功能模塊為整個設備的供電模塊；攝像設備該設備通過USB線與被控計算機相連，相當于該計算機的眼睛；該設備的安裝需要保證攝像范圍完全包括激光遙控設備的激光束光斑作用范圍，確保設備能夠完成對光信號的接收任務；接收設備接收設備接收的信息來源于遙控和激光發(fā)射設備的信息輸出；該設備接受計算機的控制，實現數據的解碼和暫存；通過計算機對其數據的提取，來保證計算機理解用戶的操作，實現計算機的控制。
2.根據權利要求1所述的ー種光導鼠標系統(tǒng)，其特征在干，激光發(fā)射器采用紅光、綠光，功率控制在l_5mw。
全文摘要
本發(fā)明公布了一種光導鼠標系統(tǒng)，是一種實用的計算機控制輸入設備。本發(fā)明利用激光制導原理，通過激光遙控設備發(fā)射激光束和電磁信號，通過攝像設備接收光信號，以實現常規(guī)鼠標的光標定位操作；通過電信號接收設備接收激光遙控設備的電磁信號，以實現常規(guī)鼠標的按鍵操作。該系統(tǒng)結合人機交互、機器視覺、計算機控制、遙控技術等領域的技術，實現了新的人機交互方式，有希望取代鼠標，市場前景廣闊。
文檔編號G06F3/033GK102591491SQ20111045522
公開日2012年7月18日 申請日期2011年12月29日 優(yōu)先權日2011年12月29日
發(fā)明者宋世德, 方鵬, 李小波, 洪亮, 王彥霞, 王曉娜 申請人:大連理工大學