CN101479691B - 基于光学参数的用于对象学习和识别的方法及装置 - Google Patents

Abstract

披露了一种基于对象在触摸屏的边界内的光学特性来确定对象的材料的方法、设备和计算机程序产品。更具体而言，该触摸屏包括位于其外围上的多个光源(L_i，i＝1到N)和传感器(S_j，j＝1到M)，可在该触摸屏上工作的该方法包括步骤：从每个该光源发射光到该触摸屏的边界内的对象；确定从该对象到每个该光源和每个该传感器的距离；在每个该传感器探测所顺序发射的光的存在；在每个该传感器确定该对象的反射率n₂；以及基于所确定的反射率来确定对象的材料。

Description

基于光学参数的用于对象学习和识别的方法及装置

依据35 USC 120，本申请为2005年3月10日在美国专利局提交、申请号为60/660366的、题为“System and Method for Detecting theLocation，Size and Shape of Multiple Object that Interact with a TouchScreen Display”的专利申请的部分连续申请并主张其利益，早先提交的所述专利申请的内容在此引作参考。

技术领域

本发明涉及对象识别领域且更具体而言涉及基于对象光学参数的对象识别系统。

背景技术

触摸屏通常用作指点传感器以提供用于计算机驱动系统的人机界面。通常，对于光学触摸屏，许多红外光学发射器(即，发送器)和探测器(即，接收器)布置成围绕显示屏幕的外围，以形成多个交叉光路。当使用者接触显示屏幕时，使用者的手指阻挡垂直布置的特定几个发送器/接收器对的光学传输。基于受阻挡的对的身份，触摸屏系统可确定中途阻挡的位置(单点交互)。采用这种屏幕，通过触摸屏幕的显示选择的区域，使用者可以选定特定选择，其中该选择可以是菜单选项或者按钮。这种垂直光束的使用尽管广泛地采用，但是无法有效地探测对象的形状和尺寸。垂直光束的使用也无法探测多个对象或者多个触摸点。

2005年3月10日在美国专利局提交、题为“System and Method forDetecting the Location，Size and Shape of Multiple Object that Interactwith a Touch Screen Display”的美国专利申请60/660366披露了一种触摸屏，其使用光学发射器和传感器用于探测触摸屏内的多个对象、对象的位置、尺寸和形状。该探测方法是基于：在依次开启和关闭所有LED发射器的同时探测对象投下的阴影以及随后计算所有阴影多边形的交叉。

上述专利申请中描述的方法提供了基于阴影探测的对象探测。该方法确定对象在屏幕上的存在。获得有关屏幕上对象的知识的其他方法包括确定对象的光学参数，例如反射比和透射比。此外，反射比和透射比光学性能提供了可以用于在不同材料的相同形状的对象之间进行区分的其他信息。

因此，本领域中需要一种利用光学性能来辅助确定所探测的对象的方法和装置。

发明内容

披露了一种基于对象在触摸屏的边界内的光学特性来确定对象的材料的方法、设备和计算机程序产品。更具体而言，该触摸屏包括位于其外围上的多个光源(L_i，i＝1到N)和传感器(S_j，j＝1到M)，可在该触摸屏上工作的该方法包括步骤：从每个该光源发射光到该触摸屏的边界内的对象；确定从该对象到每个该光源和每个该传感器的距离；在每个该传感器处探测所顺序发射的光的存在；在每个该传感器处确定该对象的反射率n₂；以及基于所确定的反射率来确定对象的材料。

附图说明

结合附图参考下述描述，可以更好地理解本发明的优点，附图中：

图1说明传统多触摸对象识别装置；

图2A至2C说明图1所示的对象识别设备内的反射图案的示例；

图3说明依据本发明原理的用于识别对象的几何形态；

图4说明依据本发明原理的触摸屏对象识别装置的用于处理信息的示例性过程的流程图；以及

图5说明用于执行此处所示的处理的示例性系统。

具体实施方式

应理解，这些附图仅仅是用于说明本发明的概念，而不是对本发明的范围的限定。这里附图中示出且在所附发明详述中描述的实施例是作为说明性实施例，而不应解读为实践本发明的唯一方式。此外，使用相同的参考数字来表示相似的元件，这些参考数字恰当地带有参考符号。

图1说明传统的多触摸屏装置，其包括显示区域105以及以交替图案布置在显示区域105周围的光源(L)110、120、130...180和传感器(S)115、125、135、145...185。尽管不是所有的光源和传感器都用标注来表示，不过本领域技术人员将理解，光源和传感器沿着显示区域105的整个外围(例如，S₁₁，L₁₅)结合。优选地，光源110、120、130...180为发光二极管(LED)。

另外示出，阴影线区域为显示区域105内从光源L₀发出的光所覆盖的区域。在所说明的情况下，传感器S₅，175和S₆-S₁₁分别能够探测针对光源L₀发出的光。点C₂，185和C₃代表与显示区域105的边角相关联的点。对于每个光源L₀至L₁₅，可以确定类似的光覆盖和传感器接收区域，且在此无需予以详细示出。此外，未受阻挡光覆盖图案可用于获得校准数据，该校准数据建立针对每个光源的用于每个传感器的基准。

图2A至2C说明当对象置于显示区域105内时覆盖和传感器接收的示例。图2A说明这样的情形，其中吸收由光源L₀，110发射光的100％的对象210包含在显示区域105内。这种情形下，传感器S₆，225和S7，235完全落在对象210相对于光源L₀，110的阴影内，因此不接收或探测到任何光。此外，传感器S₀，115、S₁，125、S₃，135和S₄，145未探测到任何来自对象120的光，因为对象不反射光(即全吸收)；而传感器S₅，175和其他传感器探测到从光源L₀，110发射的相同量的光，仿佛对象210不在显示区域105内。

图2B说明这样的情形，其中包含在显示区域105内的对象210是部分吸收和部分透射的。在这种情形下，传感器S₆，225和S₇，235能够探测到由光源L₀，110发射的一定量的光。其他传感器探测到来自光源110的光，如前所述。图2C说明这样的情形，其中到达对象210表面的光的小于100％被吸收，其余被反射。这使得传感器S₀，115、S₁，125、S₂，135和S3，145探测到不能正常探测到的一些光(区域250)。将理解，由传感器探测到的光的水平将取决于许多因素，例如对象和传感器之间的距离、对象的形状、由其他对象导致的反射等等。

图3说明本发明原理的简化示例。在该简化示例中，矩形对象310包含在触摸屏100的平面内，其中矩形对象310是部分吸收且部分反射的。假设光在触摸屏100的二维平面内传播，从LEDL₀，110发射的光被对象310(obj1)反射，使得传感器S₂，135能够探测被反射的对象的一部分。根据斯涅尔定律，n₁sinα＝n₂sinβ，角度α以及对象310的位置和形状可以确定，因为LEDL₀，110和传感器S₂，135的坐标已知。使用题为“System and Method for Detecting the Location，Size andShape of Multiple Object that Interact with a Touch Screen Display”的美国专利申请中所描述的对象面积探测方法，可以确定导致反射的对象表面取向以及LEDL₀，110、对象310和传感器S₂，135之间的距离I₁和I₂。

非偏振光的菲涅耳方程可以表述为：

$\frac{I_r}{I_i}=[{\left(\frac{n_1\cos \mathrm{\α}-n_2\cos \mathrm{\β}}{n_1\cos \mathrm{\α}+n_2\cos \mathrm{\β}}\right)}^2+{\left(\frac{n_2\cos \mathrm{\α}-n_1\cos \mathrm{\β}}{n_2\cos \mathrm{\α}+n_1\cos \mathrm{\β}}\right)}^2]---\left[1\right]$

其中I_r为从对象310反射之后的光强；

I_i为正好达到对象310的对象表面之前的光强；

n_i为接近1的折射率；以及

n₂为对象310的折射率。

为了确定光强I_r和I_i，由LED L₀发射的光强L_iL0的下降可以确定为：

$I_i=I_{\mathrm{iL}0}\frac{1}{l_i^2}---\left[2\right]$

类似地，光在反射点R具有强度I_r且在传感器S₂，135具有强度I_rs2，在反射点R和传感器S₂，135之间行进时的光衰减可以确定为：

$I_{\mathrm{iS}2}=I_r\frac{1}{l_2^2}---\left[3\right]$

知道I_i和I_r，可以确定对象310的反射率n₂。此外，各种材料的反射率可被确定并存储于数据库(例如，查找表)，该数据库可被访问以确定对象310的特定材料。

在本发明一个实施例中，光依次由每个光源L₀-L₁₅发射。传感器S₀-S₁₁的一个或多个如结合方程1-3所述地接收不同程度的光。因此，对于从相应光源发射的每个光，可以确定被探测的对象的反射率n₂。在本发明一个方面，反射率n₂可以根据在每个传感器处接收的光来确定，且累积的反射率n₂可能与每个光源相关联。最终反射率n₂可以根据每个该累积的反射率来确定。在本发明另一个方面，可以根据每个确定的反射率来确定最终反射率n₂。例如，最终反射率n₂可被确定为每个所确定反射率的平均值。备选地，最终反射率n₂可以使用已知的直方图方法来确定。

构成该材料的材料随后可以基于反射率n₂和材料的相关性来确定。该相关信息可存储于预定数据库，其中该数据库中包含的信息可以根据经验来确定。

图4说明依据本发明原理的示例性过程的流程图。在该示例性过程中，在方块410，选定第一/下一个光源以发光预定时间。在方块420，获得或测量在每个传感器处的光强。在方块430，基于如方程1-3所教导的几何形态，为每个传感器确定反射率。在方块440，确定是否需要处理更多的光源。如果答复是肯定的，则该过程在方块410处继续选定下一个光源。然而，如果答复是否定的，则在方块450，在所有传感器和所有光源之间进行反射率的关联。在方块460，确定最终反射率，以及在方块470，基于所确定的最终反射率来确定材料。

在本发明的一个方面，光学参数测量的输出也可以用于微调被探测对象的形状。例如，当确定或者从外部获悉对象的材料以及通过形状探测过程计算出凸起形状时，可以进行计算以确定该对象是否为空心或实心。

图5说明用于执行此处所示的处理的示例性系统500。在该示例性系统中，处理器510与存储器520连接。处理器510还与传感器520和光源530连接。处理器510控制每个光源530的开启/关闭状态，且传感器520提供有关接收到的光强的信息。接收到的信息经过处理之后，处理的信息可被提供到显示单元550或者其他处理系统。

在本发明的一个实施例中，一个或多个控制单元或处理器，例如通用或专用计算机系统，可用于执行计算机指令以实施和响应由对象反射和/或透射的光。计算机指令可设置于计算机产品内，该计算机产品可存储在有形介质上或者可以通过网络下载。计算机指令可以存储在存储器520内。

在本发明的另一方面，处理器可以是例如专用逻辑电路或者集成电路的硬件配置。例如，处理器可以选自例如可编程阵列逻辑(PAL)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)等的一组专用硬件，这些专用硬件可以硬件“编程”以包括响应于已知输入而提供已知输出的软件指令或代码。在一个方面，可以使用硬件电路替代或组合软件指令来实施本发明。元件也可以实施为分立的硬件元件，这些硬件元件可工作以使用编码逻辑运算或者通过执行硬件可执行代码来执行所示的操作。存储器可以是例如PROM、EPROM、EEPROM或者RAM的任何半导体存储器，该存储器可位于处理器的外部和/或与处理器集成，即，高速缓冲存储器。

尽管已经示出、描述并指出应用于本发明优选实施例的本发明基本的新颖特征，但是应当理解，本领域技术人员可以对所述装置在所披露装置的形式和细节方面以及在其操作方面进行各种省略、替换和变更，而不背离本发明的精神。明显地打算把以大致相同的方式执行大致相同的功能以获得相同结果的这些元件的所有组合认为是落在本发明的范围内。从一个所描述的实施例到另一个所描述的实施例的元件替换也完全是可预期和想象的。

Claims (8)

1.一种基于对象在触摸屏的边界内的光学特性来确定所述对象的材料的方法，所述触摸屏包括位于触摸屏外围上的多个光源和传感器，所述方法包括步骤：

从每个所述光源发射光到所述触摸屏的边界内的对象；

确定从所述对象到每个所述光源和每个所述传感器的距离；

在每个所述传感器处探测所顺序发射的光的存在；

在每个所述传感器处确定所述对象的反射率n₂；以及

基于所确定的反射率来确定对象材料。

2.如权利要求1所述的方法，还包括步骤：

针对从每个所述光源发射的光，为每个所述传感器确定光强校准数据的集合。

3.如权利要求2所述的方法，其中在每个传感器处探测所发射光的存在的步骤还包括步骤：

针对每个所顺序发射的光源，测量在每个所述传感器处的光强；以及

将针对每个所顺序发射的光源在每个所述传感器处测量的光强与相关的校准数据比较。

4.如权利要求1所述的方法，还包括步骤：

按照预定顺序将N个光源的每个光源开启预定时间长度。

5.如权利要求1所述的方法，其中基于所确定的反射率来确定对象的材料的步骤包括步骤：

基于与每个光源相关联的每个传感器确定的反射率来确定第一反射率；

基于每个所述第一反射率来确定最终反射率；以及

通过将所述最终反射率关联到反射率和材料的预定数据库来确定材料对象。

6.如权利要求5所述的方法，其中确定所述第一反射率和所述最终反射率的步骤包括求平均或做直方图。

7.如权利要求1所述的方法，其中基于所确定的反射率来确定对象的材料的步骤包括步骤：

基于每个所确定的反射率来确定最终反射率；以及

通过将所述最终反射率关联到反射率和材料的预定数据库来确定材料对象。

8.如权利要求7所述的方法，其中确定所述对象的反射率n2的步骤和确定最终反射率的步骤分别包括求平均或做直方图。

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