一種筆跡數位化實現裝置及其方法
2023-05-13 16:23:11
一種筆跡數位化實現裝置及其方法
【專利摘要】本發明公開了一種筆跡數位化實現裝置及其方法，包括中空筆體和用於紙張書寫的筆芯，筆芯內置於筆體內，筆體內還設有慣性測量系統、筆尖壓力感應系統、控制單元、無線通信模塊和電池，筆尖壓力感應系統輸出數位訊號給控制單元，控制單元依據數位訊號判定筆尖處於書寫或抬筆狀態，慣性測量系統測量筆尖書寫時的加速度，並將加速度輸出至控制單元；控制單元根據慣性測量系統輸出的加速度求時間的積分，得出筆尖書寫速度，再次求時間的積分，得出筆尖在紙平面上的位移，從而得出筆尖在紙平面上相對於初始位置的位置信息。本發明在進行傳統紙張書寫的同時實現了筆跡數位化操作，保留了傳統紙張書寫體驗與習慣，利於產品的普及和推廣。
【專利說明】一種筆跡數位化實現裝置及其方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種筆跡數位化實現裝置，還涉及一種筆跡數位化實現方法，屬於數據處理裝置【技術領域】。
【背景技術】
[0002]筆跡數位化技術對教育行業和辦公領域具有重大應用意義。在信息技術應用於教育的前景和趨勢下，中小學生不改變現有書寫習慣，筆跡數位化技術將生成學生作業的數字記錄，幫助日常教學實現更好的學習診斷，因材施教，交互學習等教育教學理念。目前許多能實現筆跡數位化的技術都是不符合傳統書寫方式或筆跡的定位方式是非自主性的。符合傳統書寫方式指的是用普通的筆在普通的紙上書寫，不改變已有的書寫方式或書寫體驗。自主定位指的是不依靠筆的外部裝置就能實現書寫筆跡的定位。
[0003]現有技術中有一種數字手寫板，包括劃筆和手寫底板，劃筆的手寫體驗不同於普通筆在普通紙上的書寫感覺和體驗，不能產生傳統書寫筆跡，且劃筆筆跡的定位必須依靠外部裝置，比如紅外線，超聲波，或手寫底板的位置感應等裝置來實現筆跡坐標的定位。帶原筆跡手寫筆的平板電腦也是一種非傳統書寫、非自主定位的筆跡數位化實現方式。無論是使用有源筆或者是無源筆都要和平板電腦的電磁感應屏配套起來使用，才能定位書寫筆跡的坐標位置。
[0004]其不足之處在於:基於非傳統書寫方式和非自主定位的筆跡數位化實現方法比較大地改變了人們平時的書寫體驗和書寫習慣，不利於產品的推廣和普及應用；現有手持行動裝置使用的慣性系統比如MEMS加速度傳感器晶片，雖然體積、功耗、和成本可以普及應用，但因為基於MEMS技術慣性系統的定位精度不高、誤差較大等原因，還遠遠達不到對書寫筆跡定位的精度和準確度要求。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在於克服現有技術中的不足，提供一種筆跡數位化實現裝置，解決現有技術中筆跡數位化裝置不具備傳統紙張書寫體驗且不能夠自主定位實現筆跡數位化的技術問題。
[0006]本發明的目的是這樣實現的:一種筆跡數位化實現裝置，包括中空筆體和用於紙張書寫的筆芯，所述筆芯內置於筆體內，其特徵在於，所述筆體內還設有慣性測量系統、筆尖壓力感應系統、控制單元、無線通信模塊和電池；所述慣性測量系統和筆尖壓力感應系統，和無線通信模塊分別通過數字接口與控制單元連接；
所述慣性測量系統用於測量筆尖在書寫時因移動而產生的加速度，並將加速度通過數字接口輸出至控制單元；
所述筆尖壓力感應系統包括壓力傳感器和模數轉換器，壓力傳感器感應筆尖壓力，將所述壓力轉換成電信號傳輸給模數轉換器，模數轉換器將電信號轉換成數位訊號輸出至控制單元； 所述控制單元根據筆尖壓力感應系統發出的數位訊號判斷筆尖處於書寫或是抬筆狀態，控制單元根據慣性測量系統輸出的加速度計算筆尖的位置信息；
所述無線通信模塊用於將數位化筆跡位置信息無線傳輸給外部接收設備；
所述電池用於給慣性測量系統、筆尖壓力感應系統、控制單元和無線通信模塊供電。
[0007]所述慣性測量系統包括有微機械和質量體位移測量裝置，所述微機械包括殼體和設置於殼體內的質量體，質量體與殼體之間有阻尼介質，質量體通過彈簧與殼體相連，所述質量體位移測量裝置包括光源和與光源對應設置的感光傳感器，所述光源固定在質量體上，光源發出的光束方向與質量體因加速度而產生的位移方向垂直，所述感光傳感器固定在殼體上，感光傳感器的感光平面與光源發出的光束垂直，控制單元依據感光傳感器上感光元素的受光情況得知光源位置即得出質量體的位移，控制單元根據質量體發生的位移計算輸出筆尖書寫時的加速度。
[0008]所述控制單元內設有數字校正單元，數字校正單元檢測所述壓力傳感器輸出的電信號，判斷電信號中是否存在直流信號和高頻交流信號，一旦檢測到電信號中有直流信號但不存在高頻交流信號，則將筆尖速度置零。
[0009]所述控制單元還通過數字接口連接有數據存儲單元，所述數據存儲單元用於存儲筆跡數位化信息，並通過無線通信模塊或數字接口將筆跡數位化信息輸出給外部接收設備。
[0010]所述控制單元上連接有用於控制筆跡數位化實現裝置使用狀態的硬體開關按鈕。[0011 ] 所述控制單元還通過數字接口連接有發光顯示單元，發光顯示單元用於顯示使用狀態、電池電量、數據連接狀態信息。
[0012]所述控制單元上還連接有用于振動提醒的振動器。
[0013]所述筆芯為鉛筆芯或者原子筆芯或者墨水筆芯或者籤字筆芯或者毛筆。
[0014]與現有技術相比，本發明的有益效果是:1、進行傳統紙張書寫的同時實現筆跡數位化操作，使用戶信息不僅具備了紙張易於保全的優點，同時具備了電子存儲、傳輸方便快捷的優點；2、無需其它外部設備，即可實現筆跡自主定位，同時保留了傳統紙張書寫體驗與習慣，利於產品的普及和推廣；3、採用微機械配合感光傳感器測量筆尖加速度，具備較高的靈敏度和測量精度；4、具備數字校正單元，用戶每次頓筆便將初速度置零，實時校正使筆尖位置信息更加精準，從而保證數位化後的筆跡更加接近真實手寫筆跡；5、具備無線通信模塊使數據傳輸更加方便快捷；6、設置了發光顯示單元和振動器，使用戶更加直觀的得知電池用量、使用狀態、數據連接狀態等信息。
[0015]本發明的另一目的在於提供一種筆跡數位化實現方法，解決現有技術中筆跡數位化實現方法操作不便、精確度不高的技術問題。
[0016]為解決上述技術問題，本發明所採用的技術方案是:一種筆跡數位化實現方法，包括如下步驟:
步驟一:判斷筆尖是否處於書寫狀態:壓力傳感器感應筆尖壓力並將所述壓力轉換成電信號傳輸給模數轉換器，模數轉換器將電信號轉換成數位訊號輸出至控制單元，控制單元根據數位訊號判斷筆尖工作狀態；
步驟二:筆尖書寫速度校正:數字校正單元檢測所述壓力傳感器輸出的電信號，判斷電信號中是否存在直流信號和高頻交流信號，一旦檢測到電信號中有直流信號但不存在高頻交流信號，則將筆尖速度置零；
步驟三:計算筆尖書寫加速度:光源向感光傳感器發出光信號，控制單元依據感光傳感器上感光元素的受光情況得出光源位置即得出質量體的位移，控制單元根據質量體發生的位移計算輸出筆尖書寫時的加速度；
步驟四:計算筆尖在紙平面上的位置信息:控制單元根據慣性測量系統輸出的加速度求時間的積分，再加上數字校正單元輸出的初速度，得出筆尖書寫速度；對筆尖書寫速度再次求時間的積分，得出筆尖在紙平面上的位移，從而得出筆尖在紙平面上相對於初始位置的位置信息；
步驟五:輸出筆跡數位化信息:控制單元將筆跡的位置信息通過無線通信模塊發送至外部接收設備，實現筆跡數位化。
[0017]所述無線通信模塊通過WLAN802.11協議或Bluetooth協議與外部接收設備無線
通信連接。
[0018]與現有技術相比，本發明的有益效果是:對用戶頓筆現象進行實時檢測，每次頓筆即將筆尖初速度置零，及時校正筆尖初速度，減少速度誤差，從而提高筆尖位置信息的精確度；採用微機械配合感光傳感器測量筆尖書寫加速度，提高了慣性測量系統的靈敏度和精確度；採用無線通信模式進行數據傳輸，傳輸數據量大、傳輸速度快。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]圖1為筆跡數位化實現裝置的結構示意圖。
[0020]圖2為慣性測量系統的結構示意圖。
[0021]圖3為筆跡數位化實現裝置的電路原理框圖。
[0022]圖中:1、筆芯；la、筆尖；2、筆體；3、殼體；4、質量體；5、彈簧；6、阻尼介質；7、光
源；8、感光傳感器。
【具體實施方式】
[0023]下面結合附圖對本發明作進一步描述。以下實施例僅用於更加清楚地說明本發明的技術方案，而不能以此來限制本發明的保護範圍。
[0024]如圖1至圖3所示，筆跡數位化實現裝置，包括中空筆體2和用於紙張書寫的筆芯1，筆芯I內置於筆體2內。筆芯I可以是鉛筆芯、原子筆芯、墨水筆芯、籤字筆芯、毛筆或其它可進行傳統紙張書寫的筆芯。慣性測量系統、筆尖壓力感應系統、控制單元、無線通信模塊和電池分別設置於筆體2內。慣性測量系統、筆尖壓力感應系統和無線通信模塊分別通過數字接口與控制單元連接。無線通信模塊用於將筆跡數位化信息無線傳輸給外部接收設備。電池可以選用一次性電池也可選用可充電電池，用於給慣性測量系統、筆尖壓力感應系統、控制單元和無線通信模塊供電。
[0025]慣性測量系統用於測量筆尖Ia在書寫時因移動而產生的加速度，並將加速度通過數字接口輸出至控制單元。它包括有微機械和質量體位移測量裝置，微機械包括殼體3和設置於殼體3內的質量體4，質量體4與殼體3之間填充有阻尼介質6，阻尼介質6可以為空氣、油或其它介質。阻尼介質6在質量體4發生位移時給質量體4 一個阻礙力，該阻礙力的大小等於質量體4的相對運動速度乘以阻尼介質6的阻尼係數。質量體4通過彈簧5與殼體3相連，當質量體4發生位移時，彈簧5給予質量體4 一個反作用力，該反作用力與質量體4的位移成正比，比例係數即為彈簧5的彈性係數。質量體位移測量裝置包括光源7和與光源7對應設置的感光傳感器8，光源7固定在質量體4上，隨著質量體4的移動而移動，光源7發出的光束方向與質量體4因加速度而產生的位移方向垂直。感光傳感器8固定在殼體3上，感光傳感器8的感光平面與光源7發出的光束垂直。感光傳感器8的感光平面是由眾多感光元素排列構成的二維感光陣列，控制單元依據感光傳感器8上感光元素的受光情況得知被光束照射的感光元素位置，即可得出質量體4的位移，控制單元根據質量體4發生的位移計算輸出筆尖Ia書寫時的加速度。光源7可選用發光二極體，也可選用光束聚攏效果較好的雷射，感光傳感器8可選用CCD或CMOS感光傳感器。由於筆尖在紙平面上移動是二維的，慣性測量系統也是二維的，因此可以同時測量橫向(X軸)和縱向(y軸)的加速度值。
[0026]筆尖壓力感應系統包括壓力傳感器和模數轉換器，筆芯I的頂端抵靠在壓力傳感器的感應元件上。壓力傳感器感應筆尖Ia壓力，將壓力轉換成電信號傳輸給模數轉換器，模數轉換器將電信號轉換成數位訊號輸出至控制單元。控制單元根據筆尖壓力感應系統發出的數位訊號判斷筆尖Ia處於書寫或是抬筆狀態。當筆尖Ia長時間處於抬筆狀態時，控制單元即判定筆處於不使用狀態因而可以發出停止信號給各模塊，停止書寫筆跡數位化進程以節省電池電量。當筆尖Ia再次處於書寫狀態時，控制單元自動啟動各進程，根據慣性測量系統輸出的加速度計算筆尖Ia的位置信息。控制單元上還連接有用於控制筆跡數位化實現裝置使用狀態的硬體開關按鈕，由用戶自行操作控制。
[0027]因書寫狀態下，筆尖Ia與紙張摩擦會產生高頻振動，高頻振動導致壓力傳感器輸出的電信號中存在高頻交流信號，而用戶頓筆時，該高頻交流信號便會消失。據此，控制單元內設置了數字校正單元，數字校正功能的實現主要依據於控制單元內的軟體實施，硬體與控制單元共享。數字校正單元實時檢測壓力傳感器輸出的電信號，判斷電信號中是否存在高頻交流信號，如果有直流信號但不存在高頻交流信號，則表明用戶出現頓筆，此時立即將筆尖Ia速度置零，作為下次書寫時筆尖Ia的初速度。
[0028]控制單元還通過數字接口連接有數據存儲單元，數據存儲單元用於存儲筆跡數位化信息，並通過無線通信模塊或數字接口將筆跡數位化信息輸出給外部接收設備。控制單元還通過數字接口連接有發光顯示單元，用戶可根據發光顯示單元的發光顏色、亮度、閃爍頻率和發光時間長短來判斷本裝置的使用狀態、電池電量、數據連接狀態等信息。為使用戶更加直觀的了解本裝置的狀態信息，控制單元上還連接有用于振動提醒的振動器，通過振動器的振動強度和振動時間長短來提醒用戶本裝置所處的不同狀態。
[0029]一種採用上述筆跡數位化實現裝置的筆跡數位化實現方法，包括如下步驟: 步驟一:判斷筆尖Ia是否處於書寫狀態:壓力傳感器感應筆尖Ia壓力並將壓力轉換
成電信號傳輸給模數轉換器，模數轉換器將電信號轉換成數位訊號輸出至控制單元，控制單元根據數位訊號判斷筆尖Ia工作狀態。
[0030]步驟二:筆尖Ia書寫速度校正:數字校正單元檢測壓力傳感器輸出的電信號，判斷電信號中是否存在高頻交流信號，一旦檢測到電信號中不存在高頻交流信號，則將筆尖Ia速度置零。在書寫狀態下，壓力傳感器輸出的電信號有直流信號和高頻交流信號成分:直流信號，表示筆尖Ia和紙張之間有壓力；高頻交流信號，表示筆尖Ia與紙張之間存在摩擦，筆尖Ia書寫速度不為零。當筆尖Ia頓筆時，筆尖Ia與紙張之間的摩擦消失，高頻交流信號消失。當電信號僅有直流信號而不存在高頻交流信號時，表明筆尖Ia頓筆，此時筆尖Ia速度應為零，此時控制單元給出的速度值即為速度誤差值。在書寫過程中，控制單元可以利用數字校正單元給出的零速度狀態不斷反覆地校正在計算過程中出現的速度誤差，使給出的筆跡位置更加準確。
[0031]步驟三:計算筆尖Ia書寫加速度:光源7向感光傳感器8發出光信號，控制單元通過讀出感光傳感器8上感光元素的受光情況得知光源的位置，即得出質量體4的位移，控制單元根據質量體4發生的位移計算輸出筆尖Ia書寫時的加速度。
[0032]步驟四:計算筆尖Ia在紙平面上的位置信息:控制單元根據慣性測量系統輸出的加速度求時間的積分，再加上數字校正單元輸出的初速度，得出筆尖Ia書寫速度；對筆尖Ia書寫速度再次求時間的積分，得出筆尖Ia在紙平面上的位移，從而得出筆尖Ia在紙平面上相對於初始位置的位置信息。
[0033]步驟五:輸出筆跡數位化信息:控制單元將筆尖Ia的位置信息通過無線通信模塊發送至外部接收設備，實現筆跡數位化。無線通信模塊通過WLAN802.11協議或Bluetooth協議與外部接收設備無線通信連接。外不接受設備可以是手機或者電腦等支持WLAN802.11協議或Bluetooth協議的設備。
[0034]以上僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本【技術領域】的普通技術人員來說，在不脫離本發明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和變形，這些改進和變形也應視為本發明的保護範圍。
【權利要求】
1.一種筆跡數位化實現裝置，包括中空筆體和用於紙張書寫的筆芯，所述筆芯內置於筆體內，其特徵在於，所述筆體內還設有慣性測量系統、筆尖壓力感應系統、控制單元、無線通信模塊和電池；所述慣性測量系統和筆尖壓力感應系統，和無線通信模塊分別通過數字接口與控制單元連接； 所述慣性測量系統用於測量筆尖在書寫時因移動而產生的加速度，並將加速度通過數字接口輸出至控制單元； 所述筆尖壓力感應系統包括壓力傳感器和模數轉換器，壓力傳感器感應筆尖壓力，將所述壓力轉換成電信號傳輸給模數轉換器，模數轉換器將電信號轉換成數位訊號輸出至控制單元； 所述控制單元根據筆尖壓力感應系統發出的數位訊號判斷筆尖處於書寫或是抬筆狀態，控制單元根據慣性測量系統輸出的加速度計算筆尖的位置信息； 所述無線通信模塊用於將數位化筆跡位置信息無線傳輸給外部接收設備； 所述電池用於給慣性測量系統、筆尖壓力感應系統、控制單元和無線通信模塊供電。
2.根據權利要求1所述的筆跡數位化實現裝置，其特徵在於，所述慣性測量系統包括有微機械和質量體位移測量裝置，所述微機械包括殼體和設置於殼體內的質量體，質量體與殼體之間有阻尼介質，質量體通過彈簧與殼體相連，所述質量體位移測量裝置包括光源和與光源對應設置的感光傳感器，所述光源固定在質量體上，光源發出的光束方向與質量體因加速度而產生的位移方向垂直，所述感光傳感器固定在殼體上，感光傳感器的感光平面與光源發出的光束垂直，控制單元依據感光傳感器上感光元素的受光情況得知光源位置即得出質量體的位移，控制單元根據質量體發生的位移計算輸出筆尖書寫時的加速度。
3.根據權利要求2所述的筆跡數位化實現裝置，其特徵在於，所述控制單元內設有數字校正單元，數字校正單元檢測所述壓力傳感器輸出的電信號，判斷電信號中是否存在直流信號和高頻交流信號，一旦檢測到電信號中有直流信號但不存在高頻交流信號，則將筆尖速度置零。
4.根據權利要求1至3中任一項所述的筆跡數位化實現裝置，其特徵在於，所述控制單元還通過數字接口連接有數據存儲單元，所述數據存儲單元用於存儲筆跡數位化信息，並通過無線通信模塊或數字接口將筆跡數位化信息輸出給外部接收設備。
5.根據 權利要求4所述的筆跡數位化實現裝置，其特徵在於，所述控制單元上連接有用於控制筆跡數位化實現裝置使用狀態的硬體開關按鈕。
6.根據權利要求5所述的筆跡數位化實現裝置，其特徵在於，所述控制單元還通過數字接口連接有發光顯示單元，發光顯示單元用於顯示使用狀態、電池電量、數據連接狀態信肩、O
7.根據權利要求6所述的筆跡數位化實現裝置，其特徵在於，所述控制單元上還連接有用于振動提醒的振動器。
8.根據權利要求1所述的筆跡數位化實現裝置，其特徵在於，所述筆芯為鉛筆芯或者原子筆芯或者墨水筆芯或者籤字筆芯或者毛筆。
9.一種採用權利要求3所述的筆跡數位化實現裝置的筆跡數位化實現方法，其特徵在於，包括如下步驟: 步驟一:判斷筆尖是否處於書寫狀態:壓力傳感器感應筆尖壓力並將所述壓力轉換成電信號傳輸給模數轉換器，模數轉換器將電信號轉換成數位訊號輸出至控制單元，控制單元根據數位訊號判斷筆尖工作狀態； 步驟二:筆尖書寫速度校正:數字校正單元檢測所述壓力傳感器輸出的電信號，判斷電信號中是否存在直流信號和高頻交流信號，一旦檢測到電信號中有直流信號但不存在高頻交流信號，則將筆尖速度置零； 步驟三:計算筆尖書寫加速度:光源向感光傳感器發出光信號，控制單元依據感光傳感器上感光元素的受光情況得出光源位置即得出質量體的位移，控制單元根據質量體發生的位移計算輸出筆尖書寫時的加速度； 步驟四:計算筆尖在紙平面上的位置信息:控制單元根據慣性測量系統輸出的加速度求時間的積分，再加上數字校正單元輸出的初速度，得出筆尖書寫速度；對筆尖書寫速度再次求時間的積分，得出筆尖在紙平面上的位移，從而得出筆尖在紙平面上相對於初始位置的位置信息； 步驟五:輸出筆跡數位化信息:控制單元將筆跡的位置信息通過無線通信模塊發送至外部接收設備，實現筆跡數位化。
10.根據權利要求9所述的筆跡數位化實現方法，其特徵在於，所述無線通信模塊通過WLAN802.11協議 或Bluetooth協議與外部接收設備無線通信連接。
【文檔編號】B43K29/00GK103927025SQ201410175327
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年4月29日 優先權日:2014年4月29日
【發明者】徐斌 申請人:南京數模微電子有限公司