CN101089800A - 直接触敏式输入装置以及用于数据输入和数据输出的方法 - Google Patents

直接触敏式输入装置以及用于数据输入和数据输出的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种直接触敏式输入装置以及用于数据输入和数据输出的方法。所述直接触敏式输入装置包括构造成在显示表面的正面上显示图像的显示表面、以及安装在所述显示表面的背面上的直接触敏式表面。所述显示表面和所述直接触敏式表面在几何上是一致的。所述装置还可以包括安装在所述装置的正面上的触敏式表面。

Description

直接触敏式输入装置以及用于数据输入和数据输出的方法
技术领域
本发明总体涉及用于计算机系统的输入装置，并且更具体地涉及触敏式输入装置。
背景技术
基本上存在两种类型的触敏式输入装置：间接触摸式和直接触摸式。间接触摸式输入装置的一个示例是膝上型计算机上的触摸板。在这里，触摸表面与显示表面或者屏幕不一致：典型地，将触敏表面布置在水平面内，而显示表面是基本垂直的。另外，大多数间接输入装置的纵横比(即，水平尺寸和垂直尺寸之比)不同于显示表面的纵横比。一致性的缺乏使得这些类型的装置成为间接触摸式输入装置。作为一个优点，触摸所述表面不会从用户方向遮挡显示表面。
基本上存在两种类型的直接触敏式表面：背投式和正投式。典型的背投触敏式表面是透明的，并且安装在诸如CRT或者LCD显示器的显示屏的正面上。典型的正投触敏式表面通常嵌入在诸如桌面或者壁板的显示表面中，并将图像投影到触敏式表面上。在任一情况下，触敏式表面在几何上都与显示表面一致。也就是说，触敏式表面上的位置与显示表面上的位置是一一对应的。这种几何一致性使得这些类型的装置成为直接触摸式输入装置。作为一个缺点，触摸所述表面总是从用户的视线方向至少遮挡部分显示表面。
在本文中使用时，“正面”表示在显示表面的面朝用户的一侧上，而“背面”表示在显示表面的背朝用户的相反一侧上。对于桌面直接触摸式装置，正面和背面对应于“顶部”和“底部”。
在关于用户界面软件和技术的第14次年度ACM讨论会的论文集中，Dietz等人的“DiamondTouch：a multi-user touch technology”(ACM/UIST’01，219-226页，2001)以及美国专利6,498,590描述了多用户、多触点直接输入系统，通过引用将二者结合于此。钻石触点系统具有其它触摸技术所没有的独特性质。该系统可以使用多触点唯一地识别多个用户。
图1示意性地表示现有技术的钻石触点、多用户触敏式显示系统。该系统包括带有显示表面120的工作台110、嵌入显示表面的正面中的触敏式表面130、一个或多个椅140、投影仪150以及处理器160。椅是导电的，或者在座位中包括导电板。当用户坐在一个椅140中并且触摸表面130时，在该用户与该表面之间感应出电容耦合。可以通过处理器来检测并分析该耦合。作为独特的特征，因为椅分别通过用户连接到触敏式表面，所以对于单个用户或多个用户，可以并行地检测多个触摸或姿势。
在操作期间，图像通过投影仪150显示在前表面120上。处理器根据触摸来调整(coordinate)显示的图像。
无论是单次触摸还是多次触摸，在输入部件(显示表面)和输出部件(触敏式表面)在装置的正面上一致的情况下，都有一个明显的问题，那就是触摸170从用户方向遮挡了所显示的图像。
为克服这个问题，在2004年ACM关于计算机支持协作工作的会议的论文集中，Matsushita等人的“Lumisight table：a face-to-face collaborationsupport system that optimizes direction of projected information to eachstakeholder”(ACM/CSCW’04，274-283页，2004)描述了一些以一角度投影图像的系统。然而，因为显示表面的直接触摸需要将手放置在用户的眼睛与表面之间，所以不可能防止所有的遮挡。
期望提供一种触摸不会遮挡所显示图像的触敏式显示表面。
发明内容
本发明提供了一种直接触敏式输入装置以及用于使用该直接触敏式输入装置的方法。所述输入装置在显示表面的背面上安装有触敏式表面。该背面安装的触敏式表面与正面安装的第二触敏式表面一起或组合解决了直接触敏式输入装置的一些缺点，比如在用户交互作用期间从用户方向遮挡所显示的图像。本发明的实施例阐释了在诸如触摸台、膝上型计算机、电话机和手提式计算机装置等计算机装置中利用本发明的示例。所述方法说明了在使用背面和/或正面安装的显示表面时的触摸策略。
附图说明
图1是表示现有技术的触敏式显示表面的侧视图；
图2是表示根据本发明一个实施例的触敏式显示表面的侧视图；
图3A是表示根据本发明一个实施例水平安装的根据本发明一个实施例的双面的触敏式显示表面的侧视图；
图3B是表示根据本发明一个实施例垂直安装的双面的触敏式显示表面的顶视图；
图3C是表示根据本发明一个实施例的膝上型计算机的双面的触敏式显示表面的侧视图；
图3D是表示根据本发明一个实施例的手提式计算机的双面的触敏式显示表面的侧视图；
图3E是表示根据本发明一个实施例的移动电话的双面的触敏式显示表面的侧视图；
图4是表示图2的表面的背面的触摸的示意图；
图5A是表示在正面安装的触敏式表面上触摸指针的显示的示意图；
图5B是表示在背面安装的触敏式表面上触摸指针的显示的示意图；
图6是表示反向的手触摸的示意图；
图7是表示不同的手对称的示意图；
图8是表示单个用户双手对称的示意图；
图9是表示两个用户双手对称的示意图；
图10是表示双手对称的示意图；以及
图11是表示根据本发明一个实施例的两个显示表面的示意图。
具体实施方式
反向触摸台
图2表示根据本发明一个实施例的直接触敏式显示系统。本系统包括带有显示表面220的工作台210、一个或多个椅240、投影仪250、以及处理器260，将触敏式表面230安装在显示表面的背面上。为方便起见，将工作台210放置在辅助支撑表面211上。
在全文中使用时，“正面”是指在面朝用户的一侧上，而“背面”是指背朝用户的相反侧。对于桌面装置，它们对应于“顶部”和“底部”。
触敏式表面230在几何上与显示表面220一致。也就是说，触敏式表面上的位置与显示表面上的位置是一一对应的，这使得该输入装置是直接触摸式输入装置。
为了让用户在触摸工作台背面时保持直接触摸式输入的感觉，使工作台正面的厚度最小化。例如，正面与背面之间的距离大约为1cm，因此实际的触点尽可能地接近显示的目标。应该注意，该厚度远远小于大多数传统触敏式显示表面。在本发明的一个实施例中，将DiamondTouch传感器的天线阵列安装在不透明的Lucite塑料薄片的相反侧上。将传感器连接到单个控制器，从而确保输入数据的同步定时。
当坐在一个椅240中的用户触摸270表面230时，该表面与该用户之间感应出电容耦合。作为独特的特征，因为将椅分别连接到触敏式表面，所以对于单个用户或多个用户，可以并行地检测多个触摸或姿势。
在操作期间，通过投影仪250将图像显示在表面220上。处理器根据触摸来调整并控制所显示的图像。作为本发明的独特特征，这种情况下的触摸270不会遮挡所显示的图像。
双面触摸台
图3A表示可选的实施例，其中第二触摸表面231嵌入在工作台210的正面中。如上所述，第二触摸表面231在几何上与显示表面220一致，也与触摸表面230一致。在这种模式下，用户可以触摸显示表面的正面或者背面。两个一致的触摸表面彼此互相校准，并且利用显示图像进行校准。需要注意的是，所有的表面都基本上彼此平行，并且沿着垂直于这些表面的方向对准。反向触摸台在桌面的背侧上安装有触敏式表面。该触敏式表面通过前侧显示表面进行校准和对齐。反向触摸台的显著特性就是至少一个输入区域位于工作台的背面，而显示则保留在工作台的正面。
图3B表示可选实施例的顶视图，其中将显示表面垂直地布置在例如支架上。用户站在显示表面220的一侧上，同时将图像投影在正面上。作为一个优点，用户可以在没有遮挡显示器前方的观众的视线的情况下操控显示器。应理解，该构造也可以如图2中所示是单面的。
图3C表示本发明的可选实施例的侧视图。在这里，触敏式表面230和231安装在膝上型计算机的“盖”的正面和背面上。膝上型计算机可以构造有LCD或者等离子显示器。可以理解，该构造也可以如图2中所示是单面的。
图3D表示本发明的可选实施例的侧视图。在这里，触敏式表面230和231安装在手提式计算机装置(例如平板PC，或者“掌上电脑”)的正面和背面上。应理解，该构造也可以如图2中所示是单面的。
图3E表示本发明的可选实施例的侧视图。在这种情况下，触敏式表面安装在诸如移动电话的通信装置的正面和背面上。如上所述，触敏式表面在几何上与装置的显示部220一致。应理解，该构造也可以如图2中所示是单面的。
还应注意，在装置正面(即，面朝用户的一侧)上的触敏式表面也可以是诸如触摸板的间接触摸式表面。因而，触摸任一触敏式表面仍然不会遮挡显示器。
根据本发明实施例的双面的直接触摸式输入装置提供了多个新颖而有趣的性质。尽管触摸表面和显示表面是分离的，但通过确保几何上一致的输入表面与显示表面之间的精确的对齐，反向的触摸台也可以保持传统的直接触摸式界面的很多性质。
图4表示在工作台背面上的与正面上的视觉元素一致的多个触点400。
在与只在正面上有一个触敏式表面的直接触敏式显示装置交互作用时，不可避免地会遮挡显示表面。在显示图像处进行点指(pointing)需要用户将手放在显示表面与眼睛之间。通过使触敏式表面位于显示表面的背面上，我们消除了这种遮挡。对于使用复杂数据工作的用户以及其中一个用户可能希望观察到当前正在另一用户操控下的显示图像的群组两者来说，这是所期望的。
对于传统的桌面式界面，使用手指触摸难以处理很高的精度。尽管系统通常能够进行像素水平交互作用，但因为触摸区域的范围内通常有多个像素，所以用户很难确定或控制作为触摸目标的精确像素。因为选择点通常被手或者至少手指所遮挡直到手或手指移开，所以在触摸过程中不可能向用户提供适当的反馈。
触摸策略
在关于计算系统中的人类因素的SIGCHI会议的论文集中，Potter，R.L.、Weldon，L.J.、Shneiderman，B.的“Improving the accuracy of touchscreens：an experimental evaluation of three strategies”(ACM/CHI’88.ACMPress，27-32页，1988)中已经描述了三种用于触摸交互作用的策略：降落(land-on)、第一接触以及移去(take-off)。降落策略选择在初始接触点处手指正下方的对象。第一接触选择选取在初始接触后围绕屏幕“拖动”手指时用户的手指触摸的第一屏幕对象。通过选取在手指从屏幕移开之前最后触摸的对象完成移去选择。移去策略不同于其他策略，因为它影响的目标不是手指在显示器上的接触点，而是如图5A所示的在手指501上方近似0.5英寸处显示的十字标线500。
如图5B中所示，反向触摸台允许采用移去策略，包括影响点502的目测，同时保持直接触摸式输入范例。影响点502的目测点位于显示器下方的手指503的正上方。通过使用移去策略，我们相信，使用反向工作台的像素水平选择实际上是优良的，因为与在常规的工作台上不同，保持直接触摸输入式范例以便移去。
输入的私密性
在共享的直接触摸式系统中，输入的所有三个阶段都是公开的——输入目标指定、输入动作、以及引起的系统变化对于所有用户都是可见的。在期望获知其他用户的动作的环境中，例如在执行合作任务时，这是有利的。
然而在某些情况下，这可能不是期望的：用户也许希望“隐藏”输入目标、输入动作或者系统的感应输出中的一个。
在关于计算系统中人类因素的SIGCHI会议的论文集中，Shoemaker等人的“Single display privacyware：augmenting public displays withprivate information”(ACM/CHI’01，522-529页，2001)、Yerazunis等人的“Privacy-Enhanced Displays by Time-Masking Images”(2001)、上述特别针对触摸台的Matsushita等人的文章以及在第16次年度ACM关于用户界面软件和技术的讨论会的论文集中的Wu等人的“Multi-finger andwhole hand gestural interaction techniques for multi-user tabletop displays”(ACM/UIST’03，193-202页，2003)描述了在共享的显示器上提供私密输出的问题，通过引用将其全部结合于此。
然而，这些技术中没有一个能够使用共享的直接触摸式输入界面进行私密输入。对于反向触摸台，输入姿势及其图形目标两者都可以对于其他用户保持私密。因为显示表面从视线上遮挡了背面输入表面，所以用户可以指定只有他们自己知道的输入点。
在没有视觉反馈的情况下，用户在工作台下面点指时通常可以在目标的几厘米范围内进行选择，所以触摸位置的实际视觉反馈只对于完成并确认选择或者对于细粒度(fine-grained)交互作用是必要的。
可能性较小的意外触摸
共享触摸台的用户在讨论对象时经常做出指向图形对象的姿势。这会意外引起对系统的输入。因为在显示器上的作为参考的点指不会提供输入，所以在显示表面和输入表面不相同时这种情况的可能性较小。
手臂疲劳
大型的直接触摸式显示表面的缺点就是需要进行复杂的手臂运动，从而增加了疲劳。对于在工作台背面上的交互作用这也许尤其成问题，因为工作台的支撑结构不能用作扶手。为减少问题，本发明的一个实施例提供了支撑扶手表面211。
双手姿势的变化
对于传统的触摸台，通常在手平放在工作台上的情况下完成双手交互作用，拇指指向彼此。反向触摸台的双手输入是这种情况的镜像，因此拇指彼此背向，如图6中所示。这可能对双手的交互作用的设计者有所暗示。具体地说，在拇指彼此不面对时，可能手不容易无意地互补运动，从而提高了不同步的双手输入的简易性。
双面触摸台的性质
用于直接触摸式交互作用的第二输入区域的增加对于交互系统的开发提供了几个引人注意的优点。我们这里的焦点集中在单面的输入表面不可能实现的交互作用上。
更大的输入带宽
第二触摸表面有效地加倍了输入装置的带宽。这种加倍实现了更丰富的交互作用并且对于单一用户或者多用户实现了整体更大的控制空间。
手的数量和台面具有含义
用于交互作用的手的触摸面和数量对于交互作用是很重要的，参见图7。正面和背面的输入可能具有一致的、相似的或完全不同的效果。另外，手的数量和位置具有意义：单手在上与单手在下可能具有不同的语义意义。两只手在上，两只手在下，或者一手在上一手在下在交互作用的语义中都提供了潜在的意义。
面提供模式连接(modal coupling)
双面的输入可以区分优势手和非优势手。这样能够持续地保持两种模式，并可以减少模式界面的误差。例如，可以将右手看作是优势手。
双手交互作用的协同定位(co-locality)
为实现我们的目的，我们将协同定位定义为手是否在关于显示图像的虚拟空间的相同物理空间范围中操作。在直接触摸式输入工作台中工作时，虚拟手的协同定位需要物理手的协同定位。因而，一些双手输入的形式是不可能的，因为双手不能同时占据相同的空间。双面的触摸台允许两只手有效地同时将相同的物理位置作为目标，在某种意义上，这在常规的单面触摸台上不可能不引起物理干扰。在本发明的双面桌面的情况下，通过一只手在工作台的表面上方操作而另一只手在工作台表面的下方操作能够实现协同定位，如图8中所示。
对于多用户的交互作用的协同定位
双面触摸台不仅可以实现单一用户的双手的协同定位，而且可以实现多用户的触摸的协同定位。如图9中所示，将手定位在工作台的相反表面上允许两个用户同时占据相同的虚拟空间。这对于单面的触摸台是不可能的。
双手交互作用的新型对称
传统的触摸台界面(其中两只手定向成手掌朝下)提供了双手交互作用的某种对称。双面触摸台提供了两种新型的双手对称性，参见图10。第一种是相对平移对称，其中手彼此面对，并且同步运动。第二种是旋转对称，其中将一只手放置在另一只手的顶上，并且相对地旋转。双手对称的这些类型中的每一种都提供了不同类型的交互作用。
减少物理干扰的潜力
直接触摸式界面上可能发生两种类型的物理干扰。首先，如上所述，第一种发生在两个用户希望在同一物理空间交互作用的时候。另一种发生在一个或更多个用户试图将他们的手放置成引起手臂的彼此越过或者物理碰撞的方式的时候。双面装置允许双手在没有这种类型的干扰的情况下进行交互作用。
三维输入
对于设计者而言，传统的触摸台提供了平面的交互作用以及显示区域，类似于台式计算机的显示器。然而，，双面触摸台呈现出对于应用的第三维度(即深度)的自然映射，其中在工作台背面上的触摸映射到体积的“背面”，而对于在正面上的触摸也是一样。
交替的输入
在触摸台背面上的间接触摸的一个用途是输入到虚拟空间的输入，而不是投影到工作台的正面上的输入。为了保持直接触摸式输入范例，这些技术的每一个都要求在工作台表面上的某种视觉表现。特别地是，在工作台上提供小型的辅助显示器。
在如图11所示的应用中，在工作台下操作的手将其事件传到辅助的垂直显示器。通过将对象拖动到另一只手的位置并且将它们“掉落”到其它显示器上，可以在工作台1101与垂直显示器1102之间移动对象。注意，垂直显示器也可以从背面进行操控。
除了物理空间的字面上的映射，还可以将工作台的背面的输入映射到诸如听觉空间的其它虚拟范例。
尽管已经通过优选实施例的示例描述了本发明，但应理解，可以在本发明的精神和范围内进行各种其它修改和改进。因此，所附权利要求的目的在于覆盖落在本发明的真实精神和范围内的所有这样的变型和改进。

Claims (28)

1.一种直接触敏式输入装置，该装置包括：
显示表面，该显示表面构造成在所述显示表面的正面上显示图像；以及
第一直接触敏式表面，该第一直接触敏式表面安装在所述显示表面的背面上，其中所述显示表面和所述直接触摸式表面在几何上是一致的。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，该装置还包括：
用于在所述显示表面的正面上显示图像的部件；以及
与所述第一直接触敏式表面连接的部件，该部件用于根据在所述第一直接触敏式表面上的触摸来控制图像显示。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，用于显示的所述部件是投影仪。
4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，用于显示的所述部件是等离子体显示单元。
5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，用于显示的所述部件是液晶显示器。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述显示表面和所述第一直接触敏式表面是水平安装的。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述显示表面和所述第一直接触敏式表面是垂直安装的。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述显示表面是一桌面，所述第一直接触敏式表面安装在所述桌面的背面上。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述显示表面和所述第一直接触敏式表面彼此平行，并且在所述第一直接触敏式表面上的位置与所述显示表面上的位置之间存在一一对应。
10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，多个用户进行的多次并发触摸可以由这多个用户唯一地识别。
11.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，该装置还包括：
安装在所述显示表面的正面上的第二直接触敏式表面。
12.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一直接触敏式表面安装在膝上型计算机的盖的背面上。
13.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一直接触敏式表面安装在手提式计算机的背面上。
14.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一直接触敏式表面安装在移动电话的背面上。
15.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述第一直接触敏式表面、所述第二直接触敏式表面以及所述显示表面彼此校准。
16.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述直接触敏式输入装置的正面与背面之间的距离大约为1cm。
17.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，触摸所述第一直接触敏式表面的手的定向是可从语义上区分的。
18.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，触摸所述第一直接触敏式表面和所述第二直接触敏式表面的手的优势是可区分的。
19.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，触摸所述第一直接触敏式表面和所述第二直接触敏式表面的手的相对平移对称和旋转对称是可区分的。
20.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述第二直接触敏式表面与所述第一直接触敏式表面以及所述显示表面在几何上是一致的。
21.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述第二直接触敏式表面是间接触摸式表面。
22.一种用于数据输入和数据输出的方法，该方法包括以下步骤：
在显示表面的正面上显示图像；以及
触摸安装在所述显示表面的背面上的直接触敏式表面，以控制所述图像的显示，其中所述直接触摸式表面和所述显示表面在几何上是一致的。
23.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，所述显示步骤包括正投影。
24.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，所述显示表面和所述直接触敏式表面彼此平行，并且在所述直接触敏式表面上的位置和所述显示表面上的位置之间存在一一对应。
25.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，多个用户进行的多次并发触摸可以由这多个用户唯一地识别。
26.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，该方法还包括以下步骤：
提供安装在所述显示表面的正面上的另一触敏式表面；以及
触摸所述另一触敏式表面。
27.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，该方法还包括以下步骤：
将所述直接触敏式表面和所述显示表面彼此校准。
28.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，触摸所述直接触敏式表面的手的定位是可从语义上区分的。
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