用於確定觸摸事件的方法和觸敏裝置的製作方法

2023-08-03 22:50:56

專利名稱：用於確定觸摸事件的方法和觸敏裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於確定由用戶在觸敏裝置的交互表面上提供的觸摸事件的方法。本發明還涉及被配置為執行該方法的觸敏裝置。
背景技術：
存在多種不同的技術來提供觸敏接口。人們可以提及諸如電容性的、電阻性的、表面聲波或基於彎曲波的聲波技術之類的技術。這些方法的共同之處在於，一旦已經由基礎分析方法識別建立觸摸事件的觸摸點的X、I坐標，則識別出觸摸事件，如手指在交互表面上的拖曳交互作用，和/或多觸摸式觸摸事件，如放大或縮小觸摸手勢，在此期間兩個手指遠離或向著彼此移動。然而，為了確定一個觸摸事件的多個觸摸點的X、y坐標，識別這些複雜的手勢必須的硬體和軟體相當苛刻，導致複雜且因此更昂貴的功能。因此，僅在高端產品中結合具有這種功能的觸敏裝置。採用基於在觸摸事件期間產生並在觸敏交互表面內部向換能器傳播的彎曲波的聲波技術，例如需要採用能夠識別建立手勢的每個單獨的觸摸點的位置的參考聲波信號建立資料庫。

發明內容
為了在低成本應用中也引入這種技術，或者，一般地，為了能夠以更低的成本提供這種功能，因此本發明的目標是簡化用於確定觸摸事件的方法。該目標由根據權利要求1的用於確定觸摸事件的方法實現。本發明的令人驚奇的發現在於，確實能夠基於低通濾波過的檢測信號識別觸摸事件的特性。在前述聲波技術中，已經經由高通濾波排除低頻。這種排除的原因是低頻與噪聲之間的幹擾。現在，通過引入將濾波過的原始信號分段成表示標準的基準信號的附加步驟，有用信號變得能夠使用低頻。在這裡，術語"觸摸事件"涉及用戶和交互表面之間的任何交互作用，其可以為由用戶的手指或鐵筆提供的單次觸擊，如通過同時用多於一個手指觸擊交互表面的多觸摸事件，以及拖曳活動，在拖曳活動期間用戶用他的手指或鐵筆在交互表面上移動並且其再次可以為單次或多觸摸事件。例如，單次拖曳觸摸事件涉及在電子裝置中使用的揮擊或輕擊手勢，多觸摸拖曳活動涉及轉動、放大和縮小觸摸事件。根據優選實施例，步驟b可以包括應用統計模型來對濾波過的原始信號進行分段。統計模型的優點在於，不知道交互作用的精確形式，只知道有用信號和基準信號之間的某些特性差異，就能夠從可以由兩類建立的信號中識別出一類或另一類。因此不需要建立一閾值，高於該閾值的信號被視為有用信號，低於該閾值的信號被視為基準/噪聲信號。優選地，可以在時間域中執行該方法。因此不需要執行到頻率域的轉換，這簡化了實現根據本發明的方法所需要的硬體。優選地，濾波器可以具有100Hz，特別地50Hz，更特別地30Hz的最大通過頻率。在該頻率範圍中，在換能器的附近發生的觸摸事件導致一圖案，一方面，該圖案可以被用來識別原始信號數據的有用信號部分，另一方面，也可以用來確定觸摸事件的某些特性。 進一步優選地，步驟b可以包括期望最大化算法，特別是分類期望最大化算法。這些統計方法是能夠最大化數據何時不完整的可能性的迭代技術，並且可以用在數據的混合的情況中。該算法優點在於它收斂。在變形例中，引入附加的分類，強制類的在給定時間處發生的可能性為O或I。分類算法的優點在於，它更快地收斂，並且因此非常適合實時處理。優選地，假設基準信號和有用信號中的每一種都具有高斯分布且它們的信號能量遵循伽馬分布。高斯和伽馬分布具有簡化算法的編程的已知特性，以便可以保持用於實現算法的硬體簡單，並且保持高的處理速度。優選地，在期望最大化算法的初始化步驟時，兩種分布的方差基於信號能量，其中有用信號類涉及最大能量，基準信號類涉及中等能量。看起來這些初始方差形成導致期望最大化算法的快速收斂的起始條件。有利地，在分段步驟b期間，可以分析所述被檢測到的信號的具有預定持續時間的流。典型地，移動裝置上的手勢，如放大、縮小、轉動、揮擊或輕擊手勢不花費多於500毫秒。因此，足以分析被檢測到的信號中的具有最多兩秒的持續時間的數據流。實際上，通過提供長於典型的手勢觸摸事件的數據流，能夠總是提供一些基準信息，以便CEM算法可以收斂並識別兩種分布。優選地，一旦在步驟b已經識別有用信號，則可以分析有用信號以能夠在已經分析完整的數據流之前確定對應的觸摸事件的特性。因此，在對應於給定手勢的命令將輸出之前，人們不必等待數據流的結束。因此該方法可以在實時條件下運行。優選地，CEM算法可以包括至少涉及基準信號的初始條件的加權步驟，以改善輸入變化量的估計。特別地，在CEM算法還未發現有用信號的情況中，所確定的變化值可以用作用於下一次運行中的基準信號的輸入變化量。最終可以增加記憶效應。優選地，檢測信號的後續的數據流重疊。因此，再次分析至少部分地已經分析的輸出，這可以用來改善本發明的分段步驟的可靠性。該方法有利地還可以被配置為使得僅在已經至少兩次識別有用信號時才將該有用信號傳遞至步驟C。這將降低特定噪聲活動將引起不合適的輸出的風險。進一步優選地，如果在步驟b期間已經在預定量的流中，特別是在兩個或三個流中識別到同一有用信號，則接下來的流不與在前的流的直到有用信號的結束的部分重疊。因此，一旦已經確認有用信號存在預定次數，則檢測信號的該部分不需要被再次處理，使得可以節省計算容量，這進一步幫助提供實時數據分析性能。優選地，在根據本發明的方法中進行80% -95%的信號重疊。根據優選實施例，步驟c可以包括只要有用信號已被傳遞到步驟c就表徵觸摸事件的步驟。因此，在人們僅期望確定在交互表面上已經出現觸摸事件(如觸擊)例如用於接通或斷開某種功能的情況中，有用信號的識別是足夠的。關於這種交互作用，可以提供非常簡單的觸摸事件檢測方法。根據優選實施例，步驟a可以包括通過多於一個換能器，特別是四個換能器檢測原始信號，並針對被檢測到的信號中的每一個執行步驟b。發現在根據本發明分析的低頻範圍中，當接收到觸摸事件時在換能器附近觀察觸摸事件檢測信號中觀察到的特定圖案。因此，通過設置多個換能器，將變得不僅能夠識別觸擊已經發生，而且能夠識別所發生的觸摸事件靠近哪個換能器，且當然也能夠識別在什麼時間發生觸摸事件。進一步優選地，步驟c可以包括基於在步驟b)期間識別的有用觸摸信號的一個或多個預定特性之間的時間延遲和/或它們的用於一個檢測到的原始信號的相對值，識別多種類型的手勢，特別是拖曳和拖曳方向和/或轉動和轉動方向和/或放大和/或縮小。優選地，所述一個或多個預定特性涉及有用信號的最大值、最小值或信號平均值交叉的位置。因此，不需要複雜的計算或不必建立資料庫，並且更特別地，不必識別建立觸摸手勢觸摸事件的觸摸點的精確的X和I坐標，就變得能夠通過分析低頻信號，以通過簡單地查看有用信號在給定換能器處發生的時刻並且最終通過該圖案的特定特性的絕對值的比較來識別這些種類的手勢。根據優選實施例，僅基於所述時間延遲和換能器相對於交互表面的位置確定手勢的類型。因此，變得能夠提供能夠識別甚至更複雜的觸摸事件手勢的便宜的觸敏裝置。根據本發明的有利的實施例，該方法還可以包括在步驟c之前平滑有用信號的步驟。通過應用平滑步驟，如，採用另一個低通濾波器，可以實現進一步的噪聲降低，從而優化觸摸事件識別。本發明的目標還由電腦程式產品實現，該電腦程式產品包括具有用於至少執行該創造性方法的步驟b)和c)的計算機可執行指令的一個或多個計算機可讀介質。本發明的目標還由根據權利要求19的觸敏裝置實現，並且該觸敏裝置被配置為根據上述方法識別觸摸事件。結果，可以提供一種觸敏裝置，其能夠識別甚至更複雜的手勢，如多觸摸手勢，同時該裝置可以保持便宜，以便它可以用在低端應用中。這特別是由於不需要預定資料庫和複雜的數據處理的事實。交互表面可以由任何固體材料製成，特別是由玻璃、塑料或金屬或其混合物製成。而且，本發明由包括上述觸敏裝置的移動裝置實現。特別地，對於具有相對小的形狀因子的移動裝置，通過上述方法可以識別所有種類的觸摸事件，而不必將大量換能器放置在該裝置的表面上。例如，四至六個換能器足以提供期望的功能。根據有利的實施例，移動裝置可以在其前側和/或背側具有觸敏裝置功能，其中顯示裝置設置在所述前側上。因此，變得不僅能夠通過在顯示器的一側上執行觸摸事件手勢而提供輸入至移動裝置，而且能夠經由觸摸手勢在相反側上提供輸出，這仍然保持該裝置簡單。


在下文中，將聯繫附圖詳細描述
具體實施例方式圖1圖示根據本發明的第一實施例的觸敏裝置，圖2圖示在附近發生觸摸事件時由換能器檢測到的典型的信號，圖3圖示根據本發明的第二實施例的方法的框圖，圖4圖示在兩個不同的換能器上被識別出且屬於同一觸摸事件的兩個有用信號，圖5圖示四個換能器在交互表面上的布置的示例，圖6圖示根據本發明的第三實施例的方法的框圖。
具體實施例方式圖1圖示根據本發明的第一實施例的觸敏裝置I。觸敏裝置I包括交互表面3和連接至低通濾波器單元7和信號分析單元9的四個換能器5a-5d。觸敏裝置I可以為電子裝置的一部分，如任何類型的移動裝置，如行動電話，MP3播放器或需要帶有或不帶有顯示器的用戶接口的任何裝置。觸敏裝置I被配置為識別由觸摸交互表面的用戶如通過採用一個或多個手指觸摸交互表面，或者通過在交互表面的表面上拖曳一個或多個手指而提供的觸摸事件，以識別它們的特性，以便可以將它們分類為如沿著某個方向的一次拖曳，如輕擊或揮擊手勢，或旋轉以及旋轉方向，或者放大或縮小手勢，或簡單的觸摸。隨後經由接口 11將識別出的觸摸事件輸出至電子裝置的控制裝置。交互表面3可以由任何固體材料製成，像玻璃、塑料或金屬。在該實施例中，換能器5a至5d為壓電換能器，但也可以為麥克風或MEMS。它們用來將在交互表面3上傳播或傳播通過交互表面3的信號轉換成可以被分析的電信號。該信號是由用戶提供的觸摸事件的結果。代替四個換能器，根據觸摸檢測裝置I的應用和所需要的解析度，當然能夠採用更多或更少的換能器。如果人們僅想要識別觸摸事件是否發生，則甚至能夠僅採用一個換能器5a起作用。而且，在該實施例中，換能器5a至5d設置在交互表面3的與用戶提供觸摸手勢的位置相反的一側。低通濾波器單元7具有最大IOOHz的截止頻率，但優選50Hz的截止頻率，或者甚至更好30Hz的截止頻率，並且可以為模擬或數字濾波器。由換能器5a至5d檢測到的濾波過的原始信號隨後將輸出至信號分析單元9。事實上，當在換能器附近出現觸摸事件時，在換能器5a至5d處在非常低的頻率範圍中可以觀察到如圖2所示的特定圖案。觸摸事件越靠近換能器，圖案越強。圖2實際上圖示了具有30Hz的截止頻率的該信號的作為時間的函數的振幅。在圖2中，可以識別五個觸摸事件。該信號對換能器5a至5d接近度的依賴意味著無論何時在給定換能器(如,5a)附近出現觸摸事件(如，拖曳)，它都將引起類似於上述圖案的圖案，並且當該拖曳移動至另一個換能器(如，5b)時，隨後將在該換能器附近引入類似的圖案。不必分析觸摸事件發生所沿著的精確坐標，因此變得能夠像上文描述的那樣識別手勢。檢測拖曳位置的問題由拖曳觸摸事件或觸摸和連接至交互表面3的換能器之間的接近度的檢測代替。因而，能夠估計近似拖曳位置及其方向，這足夠用於在不需要更精確的位置信息的電子裝置中使用的觸摸手勢的典型應用(接通/斷開，輕擊，揮擊，旋轉，縮放)。對於具有較小表面的應用特別是如此，因為可以將識別這些類型的手勢所需的換能器的數量保持為低，如，像在該實施例中一樣為四個。在信號分析單元9中執行對應的分析。現在將採用圖3的框圖，詳細地描述由觸敏裝置I實現的用於識別觸摸事件的特性以便可以執行它們的分類的創造性方法的第二實施例。首先，將由換能器5a至5d檢測的原始信號存儲在輸入緩存器中。通過以1000Hz的採樣速率對原始信號進行採樣(步驟Si)。在每次分析運行中，將分析預定數量的檢測數據點的數據流。在該實施例中，分析對應於約2秒的2048個檢測信號點的數據流。隨後將具有IOOHz、優選50Hz、更優選30Hz的截止頻率的低通濾波器(濾波單元5)應用於數據流的原始檢測信號(步驟S2)。為了減少必須分析的數據，可以引入任選的步驟S3，其是例如通過以32的因子向下採樣而對檢測到的原始信號進行向下採樣。通過這樣做，代表約2048個測量點的約2秒的數據流將減少至64個測量點。這具有的優點在於，可以減少將處理的數據流，但仍然可以識別由用戶提供的觸摸事件。該創造性方法的下一步驟S4是用來在對應於噪聲的基準信號的周期中和對應於觸摸事件的有用信號的周期中對濾波後且向下採樣過的原始信號進行分段的所謂觸發步驟或分段步驟。在步驟S5期間，數據流中對應於基準信號的部分將被排除，而攜帶有用信號的剩餘段將由數據分析單元9進一步處理。在下文中，將更詳細地描述觸發步驟S4。
觸發步驟S4的主要目標是將濾波過的原始信號數據流分段成基準信號和有用信號。在該第二實施例中應用的基本假設是，檢測信號數據遵循高斯分布，無論它是基準信號還是有用信號。注意到，基於峰度的觸發器假設僅基準數據是高斯的。為由換能器5a至5d中的每一個提供的每個信號執行分段。因此在四個換能器的情況中，分析四個數據流。結果，假設在步驟S3之後輸出的濾波過且向下採樣過的檢測信號表示兩種類別的混合。第一類是基準信號，第二類是假定由用戶提供並由一個或多個換能器5a至5c!檢測到的觸摸事件引起的有用信號。觸發因此等同於分段，其中希望從兩類信號的最大混合中檢測出有用信號。根據本發明，應用基於被稱為期望最大化(EM)的可能性最大化的算法來執行分段。這是迭代過程，其是將兩類中的一類自動指定給當前正在分析的數據流的每個測量點。EM算法通常用在混合數據上。換句話說，假設具有一組m個類[Ck，k = I. . . m}，樣品X = {x1;x2,. . . xj ,Xi屬於類Ck。每個類Ck經由其合適的參數向量和其先驗可能性而被限定。問題在於採用可能性最大化估計參數向量 k= [Ji1, Ji2, ... Jim, Θ17θ2，...θπ]。一般EM算法可以被總結如下I-提供初始參數Θ，2-估計後驗可能性，3-通過評價新的參數最大化可能性的最大化，4-變為2直到收斂事實上，樣品Xi屬於類Ck的對數可能性由Iogd(G1Zxi)) = Iogf (XiZ^k)表示，f(Xi/ k)為Xi屬於類Ck的可能性。這暗示向量X = (X1, X2, ·.. XnI的對數可能
性由log(Z^)/X)) = |>g/(x/€))給出。當處理m個類的混合時，可以將對數可能性寫為log(Z,(0/x))= Xlogi|；^/(x, /0,)1這種形式不具有任何解析解。
/*1 V k-lJ。根據本發明的解決這種問題的一種方式是引入η遺漏數據zik，在由Ck產生樣品Xi時Zik = I,則Zik = O。向量z的引入簡化了對數可能性的表達式
n m
log(人(Θ/χ,ζ))=^Σ2丨k 1ο「/(x,,Θ*)
I=I
O代替EM算法，還能夠將其變形，所謂的分類-EM算法應用於數據流。這種算法還包括分類步驟。採用後驗判定規則(MAP)中最大值，後驗可能性等於O和I。
分類-EM的優點在於，它比EM算法快，並且因此更適合測量數據的實時處理。在混合情況中可以將分類-EM算法表示如下I-初始化
權利要求
1.一種用於確定由用戶在觸敏裝置的交互表面上提供的觸摸事件的方法，包括下述步驟 a.由換能器，特別是由壓電換能器檢測原始信號，並低通濾波被檢測到的信號， b.將濾波過的原始信號分段成基準信號和至少一個有用信號，以及 c.分析所述至少一個有用信號以確定所述觸摸事件的特性。
2.根據權利要求I所述的方法，其中步驟b)包括應用統計模型來對濾波過的原始信號進行分段。
3.根據權利要求I或2所述的方法，其中在時間域中執行步驟b)。
4.根據權利要求1-3中任一項所述的方法，其中濾波器具有IOOHz，特別地50Hz，更特別地30Hz的最大通過頻率。
5.根據權利要求1-4中任一項所述的方法，其中步驟b)包括期望最大化算法(EM)，特別是分類期望最大化算法(CEM)。
6.根據權利要求1-5中任一項所述的方法，其中為了應用統計模型，假設基準信號和有用信號中的每一種都具有高斯分布且它們的信號能量遵循伽馬分布。
7.根據權利要求6所述的方法，其中在期望最大化算法的初始化步驟時，兩種分布的方差基於信號能量，其中有用信號類涉及最大能量，且基準信號類涉及中等能量。
8.根據權利要求1-7中任一項所述的方法，其中在步驟b)中的分段期間，分析所述被檢測到的信號的具有預定持續時間的流。
9.根據權利要求8所述的方法，其中後續的流重疊。
10.根據權利要求9所述的方法，其中如果在步驟b)期間已經在預定量的流中，特別是在兩個或三個流中識別到相同有用信號，則接下來的流不與在前的流的直到有用信號的結束的部分重疊。
11.根據權利要求8-10中任一項所述的方法，其中所述流具有最多兩秒的長度。
12.根據權利要求1-11中任一項所述的方法，其中步驟c)包括只要有用信號已被傳遞到步驟c)就表徵觸摸事件。
13.根據權利要求1-12中任一項所述的方法，其中步驟a)包括通過多於一個換能器，特別是四個換能器檢測原始信號，並針對被檢測到的信號中的每一個執行步驟b)。
14.根據權利要求13中任一項所述的方法，其中步驟c)包括基於在步驟b)期間識別的有用觸摸信號的一個或多個預定特性之間的時間延遲和/或它們的用於多於一個的被檢測到的原始信號的相對值，識別多種類型的手勢，特別是拖曳和拖曳方向、和/或轉動和轉動方向、和/或放大和/或縮小。
15.根據權利要求14所述的方法，其中所述一個或多個預定特性涉及有用信號的最大值、最小值或信號平均值交叉的位置。
16.根據權利要求14或15所述的方法，其中僅基於所述時間延遲和換能器相對於交互表面的位置確定手勢的類型。
17.根據權利要求1-16中任一項所述的方法，還包括在步驟c)之前平滑有用信號的步驟。
18.一種電腦程式產品，包括具有用於至少執行權利要求I的步驟b)和c)的計算機可執行指令的一個或多個計算機可讀介質。
19.一種觸敏裝置，包括用於接收由用戶提供的觸摸事件的交互表面、用於檢測信號的至少一個換能器，特別是壓電換能器、低通濾波器單元、以及被配置為根據權利要求1-17中任一項的方法識別觸摸事件的信號分析單元。
20.一種包括根據權利要求19的觸敏裝置的移動裝置。
21.根據權利要求20所述的移動裝置，其中該移動裝置的前側和/或背側包括根據權利要求19的觸敏裝置，並且其中顯示裝置設置在所述前側上。
全文摘要
本發明涉及一種用於確定由用戶在觸敏裝置的交互表面上提供的觸摸事件的方法，包括下述步驟由換能器，特別是由壓電換能器檢測原始信號，並低通濾波被檢測到的信號，將濾波過的原始信號分段成基準信號和至少一個有用信號，以及分析所述至少一個有用信號以確定所述觸摸事件的特性。
文檔編號G06F3/048GK102985899SQ201180033688
公開日2013年3月20日 申請日期2011年7月8日 優先權日2010年7月9日
發明者塞巴斯蒂安·謝納, 喬治·法拉 申請人:電子觸控產品解決方案公司