一種手(及指定物)的多點接觸信息採集系統的製作方法
2024-01-23 03:04:15
專利名稱：一種手(及指定物)的多點接觸信息採集系統的製作方法
技術領域：
本發明是一種手(及指定物)與感應表面的多點接觸信息採集系統。
本發明可以作為基於手(及指定物)的空間形態特徵信息的計算機信息輸入系統的設備。
本發明也是一種新型的計算機輸入系統，是一種可以實現傳統計算機外設，諸如鍵盤、滑鼠、觸摸板、書寫板和觸控螢幕等設備的部分功能的計算機輸入系統。
本發明的輸入系統也適用於其他場合的相關設備和裝置作為信息輸入系統。
目前常用的觸摸設備有觸摸板、手寫板和觸控螢幕等，這些設備對於常規場合的應用效果都不錯。但目前市場上的此類設備的一個共同特點都是針對單點(單點接觸)而設計的，針對多點接觸的設備還沒有出現，少有相關的專利文獻。
常見的單點觸摸設備的基本原理，有基於以下幾種實現途徑的類型。
1.表面聲波表面聲波，超聲波的一種，在介質(例如玻璃或金屬等剛性材料)表面淺層傳播的機械能量波。通過楔形三角基座(根據表面波的波長嚴格設計)，可以做到定向、小角度的表面聲波能量發射。
表面聲波觸摸設備的觸控螢幕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化玻璃，沒有任何貼膜和覆蓋層，這一點是區別於別類觸控螢幕技術的。
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射換能器，右上角則固定了兩個相應的超聲波接收換能器。玻璃屏的四個周邊則刻有45°角由疏到密間隔非常精密的反射條紋。
發射換能器把控制器通過觸控螢幕電纜送來的電信號轉化為聲波能量向左方表面傳遞，然後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傳遞，聲波能量經過屏體表面，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為電信號。
發射信號與接收信號波形在沒有觸摸的時候，接收信號的波形與參照波形完全一樣。當手指或其它能夠吸收或阻擋聲波能量的物體觸控螢幕幕時，途經手指部位向上走的聲波能量被部分吸收，反應在接收波形上即某一時刻位置上波形有一個衰減缺口。接收波形對應手指擋住部位信號衰減了一個缺口，計算缺口位置即得觸摸坐標控制器分析到接收信號的衰減並由缺口的位置判定坐標。除了一般觸摸設備都能響應的X、Y坐標外，表面聲波觸摸設備還響應第三軸Z軸坐標，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算得到。
2.電阻技術電阻觸摸設備的屏體部分是一塊與顯示器表面非常配合的多層複合薄膜，由一層玻璃或有機玻璃作為基層，表面塗有一層透明的導電層，上面再蓋有一層外表面硬化處理、光滑防刮的塑料層，它的內表面也塗有一層透明導電層，在兩層導電層之間有許多細小(小於千分之一英寸)的透明隔離點把它們隔開絕緣。
當手指觸控螢幕幕時，平常相互絕緣的兩層導電層就在觸摸點位置有了一個接觸，因其中一面導電層接通Y軸方向的5V均勻電壓場，使得偵測層的電壓由零變為非零，控制器偵測到這個接通後，進行A/D轉換，並將得到的電壓值與5V相比即可得觸摸點的Y軸坐標，同理得出X軸的坐標，這就是所有電阻技術觸控螢幕共同的最基本原理。簡單地說，電阻式觸摸設備的工作原理就是在一組電阻網絡加上工作電壓，當手寫筆或者手指觸了觸控螢幕的時候，通過測量屏幕阻抗矩陣的變化而得到兩個方向的坐標，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。
電阻類觸摸設備的關鍵在於材料科技。常用的透明導電塗層材料有①ITO，氧化銦，工作面塗層；②鎳金塗層。不適合作為電阻觸控螢幕的工作面，只能作為探層。
常用的有四線電阻式、五線電阻式。基層把兩個方向的電壓場通過精密電阻網絡加在玻璃的導電工作面上，外層鎳金導電層用來當作純導體。當有觸摸後，分時檢測內層ITO接觸點X軸和Y軸電壓值的方法測得觸摸點的位置。
3.電容感應技術電容式觸摸設備的構造主要是在玻璃屏幕上鍍一層透明的薄膜體層，再在導體層外加上一塊保護玻璃，雙玻璃設計能徹底保護導體層及感應器。此外，在附加的觸控螢幕四邊均鍍上狹長的電極，在導電體內形成一個低電壓交流電場。用戶觸控螢幕幕時，由於人體電場，手指與導體層間會形成一個「耦合電容」，四邊電極發出的電流會流向觸點，而電流的強弱，準確算出觸摸點的位置。其特點為觸摸準確度較高，抗幹擾能力較強。但此類觸摸設備怕靜電幹擾。
其他還有用紅外技術、電磁技術等原理類型的觸摸設備。
目前基於以上這些方法的觸摸設備都是針對單點接觸而設計的，只能識別單個接觸點的接觸信息。
有關計算機輸入系統的公開專利信息目前尚無多點接觸觸摸設備的發明專利公開。
本發明公布了多點接觸信息系統，它不同於傳統相關的觸摸設備，能進行手(及指定物)的多點接觸信息的採集和處理。
本發明可用於發明人的另兩項專利CN1378171A號發明專利與CN1322982A號發明專利的基於手(及指定物)的空間形態的信息特徵的計算機輸入系統，也可以用於其他相關設備的信息輸入。
本發明的設計思想本發明通過採集操作者的手及操作者所指定的物體(指定物)的圖像，並對圖像進行處理後，得到手(及指定物)和全部手指及指定物的細節的圖像信息，轉化為手(及指定物)和全部手指及指定物的細節的物理坐標和接觸表面的接觸狀態信息。
本發明也通過採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，並對此信息進行處理後，得到手(及指定物)的全部手指及指定物的結構細節的物理坐標和接觸表面的接觸狀態的變化信息。
本發明通過採集操作者的手及操作者所指定的物體(指定物)與感應表面的多個接觸點的接觸狀態的信息，來識別和判斷手及指定物的多點接觸。
對圖像信息的採集和處理可通過現有成熟和公開的技術就可以實現。本發明的手及指定物的多點接觸信息採集系統也可用於其他裝置作為信息輸入系統。
本發明的多點接觸信息採集系統所涉及的「手及指定物」、「多點接觸」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構細節。
多點接觸操作者的手和各個手指、指定物的多個結構細節與感應表面的所有多於一個的接觸點的接觸狀態。
圖1手(及指定物)的圖像採集系統原理圖1-手(或指定物)；2-圖像感應裝置；3-圖像信息處理模塊；圖2圖像感應裝置的結構原理圖1-圖像傳感器；2-感應表面；
圖3圖像傳感器側置的圖像感應裝置的結構原理圖1-圖像傳感器；2-感應表面；3-反光鏡；本發明的技術方案圖1顯示出手及指定物、圖像感應裝置、圖像信息處理模塊的空間相對關係。
圖1中，手(1)及指定物的空間運動被圖像感應裝置(2)所捕獲，同時手(1)及指定物與圖像感應裝置(2)的感應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)對圖像感應裝置(2)捕獲的圖像進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裝置的感應表面的接觸狀態，以及相應的空間物理坐標。
手(1)及指定物與圖像感應裝置(2)感應表面上的接觸狀態，是指手(1)及指定物與圖像感應裝置(2)感應表面上的接觸程度、接觸時間和接觸方式。
所指接觸程度是表示手(1)及指定物(包括各個手指及指定物的結構細節)與圖像感應裝置(2)感應表面的接觸接觸壓力的大小，以及與圖像感應裝置(2)感應表面的接觸面積的大小。
所指接觸時間是表示手(1)及指定物(包括各個手指及指定物的結構細節)與圖像感應裝置(2)感應表面的單次接觸的起點和終點時刻，以及這次單次接觸時間的起點時刻和終點時刻之間的一段時間。
所指接觸方式表示手(1)及指定物(包括各個手指及指定物的結構細節)與圖像感應裝置(2)感應表面的單次、多次、單點、多點、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裝置(2)感應表面的一次接觸；「多次」表示手(1)及指定物與圖像感應裝置(2)感應表面的多於一次的接觸；「單點」表示手(1)及指定物與圖像感應裝置(2)感應表面的接觸點只有一個；「多點」表示手(1)及指定物與圖像感應裝置(2)感應表面的接觸點不只一個；「分散」表示手(1)及指定物與圖像感應裝置(2)感應表面的接觸點有多個且分布不集中；「集中」表示手(1)及指定物與圖像感應裝置(2)感應表面的接觸點集中分布；「交叉」表示手(1)及指定物與圖像感應裝置(2)感應表面的接觸點是交叉分布的。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，比如單點多次接觸、單次單點接觸、多點多次接觸等等方式。
根據接觸程度信息、接觸時間信息、接觸方式信息，可以得到手(1)及指定物與圖像感應裝置(2)感應表面上的接觸狀態信息。
實施實例圖2給出了圖像感應裝置的結構原理圖。
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，感應表面(2)為手及指定物同圖像感應裝置的接觸表面，可以是平面、柱狀、球面等形狀。當手及指定物在圖像傳感器(1)的感知範圍內時，圖像傳感器(1)會感知到手及指定物相對於感應表面(2)的空間位置，包括全部手指和指定物的細節的空間位置，同時記錄下這一空間位置。當手及指定物移動時，圖像傳感器(1)會感知到手及指定物的移動，並適時跟蹤手及指定物的移動。當手及指定物停止移動時和某手指或指定物的細節停止移動時，可作為與感應表面(2)開始接觸的準備階段。
當手及指定物和某手指或指定物的細節開始與感應表面(2)接觸時，手及指定物和某手指或指定物的細節在感應表面(2)上的投影將發生改變，可以認為接觸壓力越大投影的變形也會越大。此時的投影面積即可認為是和接觸面積相對應的，投影面積因接觸壓力變化而變化，圖像傳感器(1)會適時捕獲這些圖像信息，並傳給圖像信息處理模塊(3)的進行處理和分析。
圖像信息處理模塊(3)適時地分析每一幀圖像與相鄰的前後一幀圖像，或相鄰的前後幾幀圖像進行比較，就可得到手及指定物的位置及其位置的變化。也可計算出投影面積和投影面積的變化，進而計算出相對應的手及指定物與感應表面的接觸面積和接觸時間。比較各個接觸點的交替變化情況，即各個接觸點的變動，可以得到這些接觸點的總體的接觸方式。
這些圖像信息反映了接觸點在感應表面(2)上的位置，與感應表面(2)的接觸壓力，以及各接觸點的接觸起、止時刻等信息。經過圖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表面的多點接觸狀態信息，即接觸程度信息、接觸時間信息、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表面的多點接觸狀態的全過程。圖3給出了同樣實現過程的另一種圖像感應裝置的結構原理圖。
圖3為圖像傳感器側置的圖像感應裝置的結構原理圖。
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，感應表面(2)為手及指定物同圖像感應裝置的接觸表面，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表面的多點接觸狀態的裝置，其光學系統地設計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，並通過圖像信息的處理得到手及指定物的接觸狀態。
權利要求
1.一種手(及指定物)的多點接觸信息採集系統，由圖像感應裝置和圖像信息處理模塊組成，其特徵在於圖像感應裝置由圖像傳感器和感應表面組成，圖像感應裝置適時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裝置的感應表面上的投影，圖像信息處理模塊適時分析並提取出手及指定物的空間物理坐標和手及指定物的移動信息，以及在感應表面上的投影面積，進而得到手及指定物與圖像感應裝置的感應表面的多點接觸狀態。
2.依據權利要求1所述的計算機輸入系統，其特徵在於手及指定物的多點接觸狀態是指手及指定物與圖像感應裝置感應表面上的接觸程度、接觸時間和接觸方式。
3.依據權利要求1所述的計算機輸入系統，其特徵在於圖像感應裝置的圖像傳感器的位置可以是在感應表面的下方和側面，當在側面時，需在感應表面的下方斜放一個反光鏡。
4.依據權利要求2所述的計算機輸入系統，其特徵在於手及指定物的接觸程度是表示手及指定物(包括各個手指及指定物結構細節)與圖像感應裝置的感應表面的接觸壓力的大小，以及與圖像感應裝置的感應表面的接觸面積的大小；手及指定物的接觸方式表示手及指定物(包括各個手指及指定物結構細節)與圖像感應裝置感應表面的單次、多次、單點、多點、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間是表示手及指定物(包括各個手指及指定物結構細節)與圖像感應裝置的感應表面的單次接觸的起點和終點時刻，以及這次單次接觸時間的起點時刻和終點時刻之間的一段時間。
全文摘要
本發明公開了一種手(及指定物)的多點接觸信息採集系統，由圖像感應裝置和圖像信息處理模塊組成。通過手及指定物的圖像採集和處理，得到手(及指定物)的空間物理坐標和接觸表面的接觸狀態信息及其狀態和坐標的變化信息，從而得到手及指定物的多點接觸狀態接觸程度、接觸時間和接觸方式。此多點接觸信息採集系統可應用於計算機輸入系統和其他設備。
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 優先權日2003年3月17日
發明者許旻 申請人:許旻