CN101615092B - 电子毛笔及识别码定位触摸屏 - Google Patents

Abstract

一种电子毛笔及识别码定位触摸屏，由电子毛笔和触摸屏组成，电子毛笔的笔毛由主接收光纤、辅接收光纤和发射光纤构成，辅接收光纤和发射光纤由单一的光导纤维构成，主接收光纤由传像束光纤构成；电子毛笔的内部设置有光锥、电荷耦合器件和红外发光二极管，笔毛中的主接收光纤、辅接收光纤的顶端与光锥的底面相连，光锥的顶面通过滤光片与电荷耦合器件的采光窗连接，发射光纤的顶端与红外发光二极管连接，电子毛笔内还设置有控制电路，触摸屏上密布有能反射红外线的识别码，识别码的数量等于或大于计算机屏幕上像素的数量。本产品能够像普通毛笔一样直观真实反映使用者的用笔力度、运笔特点、书写风格，可进行绘画书法及绘图的输入。

Description

电子毛笔及识别码定位触摸屏

技术领域

本发明涉及计算机输入设备，特别涉及一种用于计算机绘图、绘画及书法的输入设备。

背景技术

目前，计算机已被广范应用到与图形处理有关的所有领域，在CAD，GIS等以规则线条和规则颜色为特点的图形领域，现行的输入设备(鼠标、手写板、数字化仪)可以说已经完全能够满足输入要求，但在绘画、书法、图像艺术处理等以非规则线条和非规则色彩为特点的领域，现行的鼠标、手写板、数字化仪等输入设备则显得完全力不从心。

另一个现存的问题是每一台计算机上只能有一个输入设备工作，不能支持类似于在宣纸上多个画家各执一笔同时作画的工作状况。因此，有必要提供一种直观、直感的输入工具，解决在计算机绘图环境下存在的如何方便输入非规则线条和色彩的问题，美国Adobe公司所开发的PhotoShop和IllustratorCS软件以及Microsoft公司的PhotoDraw等图形/图像处理软件都提供了不同程度的对画笔的力度和宽度变化的软件模拟，但不能够像使用普通毛笔一样直观、真实反映使用者的用笔力度、运笔特点，书写风格。

中国专利ZL95112761.6号(电子艺术毛笔)提出了一种解决方案，但其存在三个缺点：一是笔的输入界面是独立的写字板，输入与绘图显示效果分离，二是该发明并没有说清楚其光纤笔毛在写字板上如何得到精确定位的，在计算机上没有定位信息，要进行输入就无从谈起，三是其与计算机之间通过串口电缆有线连接，如果多支笔使用，在实际应用中将可能因出现电缆相互缠绕而完全不可行。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的是提供一种电子毛笔及识别码定位触摸屏，可在计算机屏幕上直观精确定位，具有毛笔的手感，能够像使用毛笔一样真实反映使用者的用笔力度、运笔特点，书写风格，可进行绘图、绘画、书法的输入。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种电子毛笔及识别码定位触摸屏，由电子毛笔和触摸屏组成，其特征是：电子毛笔的笔毛由主接收光纤、辅接收光纤和发射光纤构成，这些光纤固定在一个光纤盘上，呈环形排列，各圈光纤的长度由内向外依次递减，辅接收光纤和发射光纤由单一的光导纤维构成，主接收光纤由传像束光纤构成；电子毛笔的内部设置有光锥、电荷耦合器件和红外发光二极管，所述笔毛中的主接收光纤、辅接收光纤的顶端与光锥的底面相连，光锥的顶面通过滤光片与所述电荷耦合器件的采光窗连接，发射光纤的顶端与所述红外发光二极管连接，电子毛笔内还设置有控制电路，该控制电路与所述电荷耦合器件连接；所述触摸屏由对红外线反射、对可见光透明的薄膜构成，该触摸屏上密布有透明的且能反射红外线的识别码，每个识别码内存贮有代表自身位置的坐标信息，识别码的数量等于或大于计算机屏幕上像素的数量。

所述每个识别码由起始标志条、终止标志条和位于这两个标志条之间的上、下两组十六位条码组成，每组十六位条码中的低十五位为坐标数据，最高一位为数据校验位，条码由长短棒构成，长棒表示1，短棒表示0，上组十六位条码代表横坐标信息，下组十六位条码代表纵坐标信息。

本发明的有益效果是：采用触摸屏，支持直观定位，能够像普通毛笔一样真实反映使用者的用笔力度、运笔特点、书写风格，可进行绘图、绘画、书法的输入。能完全模拟真实的毛笔，与真实的毛笔有相同的手感，相似的书写绘画效果。

附图说明

图1是本发明的结构示意图，

图2是电子毛笔的外形示意图。

图3是图2的分解图。

图4是图3的分解图。

图5是笔头的分解图。

图6是笔头的剖视图。

图7是图6的A-A剖视图。

图8是连接器的局部剖视图。

图9是图8的仰视图。

图10是图6的B-B剖视图。

图11是图10中主接收光纤的放大图。

图12是图6的C局部放大图。

图13是将触摸屏粘贴在计算机屏幕上的结构示意图。

图14是图13的D局部放大图。

图15是图14的E局部放大图。

具体实施方式

图中标号

1.电子毛笔           2.触摸屏         3.笔头

4.笔杆               5.笔毛           6.连接器

7.光锥               8.滤光片         9.电荷耦合器件

10.光纤盘            11.主接收光纤    12.辅接收光纤

13.发射光纤          14.定位板        15.通孔

16.红外发光二极管    17.控制电路      18.仓盖

19.电池              20.识别码        21.微处理器模块

22.无线发射模块      23.计算机        24.无线接收装置

25.起始标志条        26.终止标志条    27.上组十六位条码

28.下组十六位条码    29电池匣仓

请参照图1、图2、图3、图4、图5、图6，本发明是一种电子毛笔及识别码定位触摸屏，由电子毛笔1和触摸屏2两部分组成。

电子毛笔1由笔头3和笔杆4组成，笔头3内设置有连接器6、光锥7、滤光片8、电荷耦合器件9组成。电荷耦合器件9即为通常所说的CCD。

电子毛笔1的笔毛5由主接收光纤11、辅接收光纤12和发射光纤13构成，这些光纤固定在一个光纤盘10上，呈环形排列，各圈光纤的长度由内向外依次递减，辅接收光纤12和发射光纤13由单一的光导纤维构成，主接收光纤11由光导纤维传像束构成。光导纤维传像束是由多根极细的密集排列的光导纤维构成。

请参照图7、图8、图9、图10、图11、图12，笔毛5的上部与连接器6的下部相连，光锥7的下部与连接器6的上部相连，连接器6为圆筒形，其内部设置有一定位板14，定位板14上开有多个通孔15，通孔15的位置与主接收光纤11、辅接收光纤12的位置对应相符。笔毛5中的主接收光纤11、辅接收光纤12由连接器的定位板14上的通孔15穿过，主接收光纤11、辅接收光纤12的顶端与光锥7的底面相连，光锥7的顶面通过滤光片8与电荷耦合器件9的采光窗连接。

在定位板14上还设置有多个红外发光二极管16，这些红外发光二极管16的位置与发射光纤13的位置对应相符，红外发光二极管16嵌装在定位板14上，其方向朝下，发射光纤13的顶端与红外发光二极管16相连，因此红外发光二极管16发出的光线不会向上进入光锥7中，由于主接收光纤11、辅接收光纤12的头部都穿过的定位板14，所以红外发光二极管16发出的光线也不会进入主接收光纤11、辅接收光纤12中。

主接收光纤11、辅接收光纤12、发射光纤13的分布状态如图10所示，请参照图10，图中的实心圆圈为主接收光纤11，空心圆圈为辅接收光纤12，栅格圆圈为发射光纤13。

请参照图3、图4，笔杆4内设置有控制电路17，该控制电路17由微处理器模块21和无线发射模块22组成，微处理器模块21与电荷耦合器件9连接；笔杆4的尾部设置有电池匣仓29，电池匣仓29内装有电池19，电池19由仓盖18封堵。微处理器模块21内装有图像解码软件、预处理软件、颜色管理软件及毛笔身份码管理软件。

请参照图13、图14、图15，触摸屏2由对红外线反射、对可见光透明的薄膜构成，该触摸屏2上刻有多个识别码20，识别码20的数量等于或大于计算机屏幕上像素的数量。

请参照图15，每一个识别码20由起始标志条25、终止标志条26和位于这两个标志条之间的上、下两组十六位条码27、28组成，每组十六位条码中的低十五位表示坐标数据，最高一位用作数据校验位，条码由简单的长短棒构成，长棒表示1，短棒表示0，因此十五位条码能够表示的横坐标或纵坐标的最大范围是0～32767，校验位为十五位数据位的简单和，从而保证解析数据的正确性。上组十六位条码27代表横坐标信息，下组十六位条码28代表纵坐标信息。

触摸屏2上的识别码20通过镀膜、压膜技术处理后，具有选择透过性，即识别码20会将红外光反射，而让其它的光线通过。识别码20表面的光洁度与触摸屏2表面的光洁度不同，这样，其对红外光的反射率不同，当主接收光纤11和辅接收光纤12在识别码20的区域内或区域外时，其反射的红外光的亮、暗程度不同，从而在电荷耦合器件9上呈现出识别码20的图像。

本发明的原理如下：

本产品的笔毛由光纤构成，由于单根光纤只能传输光，而不能传输图像，所以在笔毛中设置了主接收光纤11和辅接收光纤12，主接收光纤11由多根极细的独立的光纤密集排列构成，即通常所说的传像束光纤，可以传输图像，辅接收光纤12可以传输光的明暗度。

主接收光纤11的作用是：将触摸屏2上的识别码图像传送到光锥7，通过滤光片8，并最终到达电荷耦合器件9。

红外发光二极管16的作用是发射特定波长的红外线，并由发射光纤13传导照射到触摸屏2上。考虑到电子毛笔所发出的光不应该干扰使用者对计算机屏幕的正常视觉感受，因此选用红外线。

发射光纤13的作用是将红外发光二极管16发射的红外线传导照射到触摸屏上。辅接收光纤12的作用是：将触摸屏2上反射的红外线传导至光锥7，通过滤光片8，并最终到达电荷耦合器件9。

光锥7是由许多精确排列的单独光纤组成的光纤块，其两个端头的光纤是热熔固化在一起的，这样，光锥7可忠于原样地传送图像信号，并可以将图像从输入表面放大或缩小传送到输出表面。在本发明中，其作用是将主接收光纤11传送的识别码图像以及辅接收光纤12传送的红外线明、暗信息传送至至滤光片8，然后到达电荷耦合器件9。

滤光片8的作用是：只允许红外发光二极管16发射的特定波长的红外线通过，而来自于光锥7的其它波长的光线则不能通过，这样保证了电荷耦合器件9只处理由该电子毛笔所发射的红外线，避免环境光，比如计算机23的屏幕上所显示图像光线的影响。

电荷耦合器件9是一种图像采集芯片，即通常所说的CCD图像传感器，CCD(Charge Coupled Device)由一种高感光度的半导体材料制成，能把光线转变成电荷，通过其内部的模数转换器转换成数字信号，可以轻而易举地把数据传输给微处理器，CCD由数百万个感光单位组成，当CCD表面受到光线照射时，每个感光单位会将电荷反映在组件上，所有的感光单位所产生的信号加在一起，就构成了一幅完整的画面。

电荷耦合器件9的作用是接收来自于主接收光纤11传导的代表二进制条码信息，以及辅接收光纤12传导的红外线强、弱信息，这些信息在电荷耦合器件9中形成图像，图像解码软件根据公知的算法将图像中的信息解析出来，该信息代表了主接收光纤11所在位置和辅接收光纤12与触摸屏2接触与否，并输出，交由电子毛笔1内预处理软件进行进一步计算：

触摸屏2上的每一个识别码20包含有自身位置的信息，即自身的的横纵坐标信息，电子毛笔1通过获取此横纵坐标信息，可知道电子毛笔1在触摸屏2上的位置；触摸屏2紧密贴附于计算机23的屏幕上，触摸屏2上的识别码的数量等于或大于计算机屏幕上的像素数量，这样才能完成定位功能。

由于光纤对光线的约束传播特性，当主、辅接收光纤11、12头部与触摸屏2接近时才能有最强的来自触摸屏2的红外线进入主、辅接收光纤11、12，而远离触摸屏2时，主、辅接收光纤11、12能接收到的红外线强度会很快降低，降低程度与其同触摸屏2距离的二次方成正比，因此可根据主、辅接收光纤11、12中传导的红外线的亮度判断其与触摸屏的接触情况；只有与触摸屏2接触的主、辅接收光纤11、12，在电荷耦合器件9上才有其传导来的足够亮度的红外线信息。

预处理软件的作用是根据电荷耦合器件9上的图像数据计算出代表电子毛笔1工作状态的各项基本参数，这些基本参数包括电子毛笔1的位置、方向、力度、倾角、运笔速度、运笔方向信息。下面详述其原理：

电子毛笔1位置的获得：预处理软件提取图像解码软件解析出来的完整的由主接收光纤11接触触摸屏所获得的识别码20信息，因识别码20的上组十六位条码27代表横坐标信息，下组十六位条码28代表纵坐标信息，所以预处理软件通过二进制转换就可得到识别码的横、纵坐标。该坐标即为主接收光纤11接触触摸屏时所在的位置，由于每一根主接收光纤11在电子毛笔1中的排列位置是已知的，因此也就得到了电子毛笔1的当前位置。

电子毛笔1在触摸屏2上的相对方向的获得，触摸屏2有自己内定的基准线，该基准线即为触摸屏2的水平中心线，当电子毛笔1在触摸屏上移动时，会有两根或两根以上的主接收光纤与触摸屏接触，则预处理软件可以解析出各主接收光纤11在触摸屏2上的位置点信息，两点确定一条直线，各根主接收光纤的位置点两两相连，形成多条参照线，通过公知的几何学公式，预处理软件即可计算出主接收光纤位置点形成的参照线与触摸屏基准线的夹角，即电子毛笔1在触摸屏2上的相对方向。

电子毛笔1力度的获得：即笔毛与触摸屏的接触强弱程度，众所周知，按照人们写字的习惯，用力越大，则笔毛中与触摸屏接触的主接收光纤11、辅接收光纤12的数量越多，因此，根据笔毛光纤与触摸屏2接触的数量多少可以计算出用笔的力度。

电子毛笔1倾角的获得：由于笔毛中的主接收光纤11、辅接收光纤12的排列是由中心向外的长度是减小的，而且主、辅接收光纤11、12的排列顺序是已知的，当人们握笔姿态不同时，例如竖直或倾斜握笔时，必然在笔毛的某一局部区域上，主接收光纤11、辅接收光纤12与触摸屏2接触数量多，而在其它的区域上，主接收光纤11、辅接收光纤12与触摸屏2接触数量少，由此可计算出笔毛相对触摸屏的倾斜情况。

运笔速度的获得：即电子毛笔1的移动速度，预处理软件是实时的计算笔毛光纤在触摸屏上的位置信息，因此，通过设定固定的时间间隔，比较当前位置与前一时间间隔处笔所在的位置的坐标，可计算出其移动的距离，用该距离除以两位置的时间间隔，即为速度。

运笔走向的获得：即电子毛笔1在触摸屏2上移动趋势，预处理软件是实时的计算笔毛在触摸屏上的位置信息，因此，通过设定固定的时间间隔，即可比较当前位置与前一时间间隔处笔所在的位置的坐标，由于每点的位置坐标是已知的，所以笔头的运动轨迹就是各点位置坐标的连线，该运动轨迹即为运笔走向。

每一支电子毛笔1都内设一个身份码，由毛笔身份码管理软件进行管理，在工作时，向宿主计算机提供自己的身份码，当多支电子毛笔1在同一台计算机上同时工作时，由于身份码不同而可互相区分开，因而宿主计算机通过调用相应的程序可以支持多支电子毛笔同时使用，且不同的电子毛笔1可模拟不同的书写特性。

考虑到在做画时，常常需要调色、配色，即将不同的颜料放在调色盘上，进行均匀搅拌，产生新的渐变的颜色，为模拟这种色彩变化效果：本发明的每一支电子毛笔1内都设置有颜色管理软件，颜色管理软件可以赋予电子毛笔中每一根主、辅接收光纤11、12独立的颜色特性，其方法是，颜色管理软件中为每一根主、辅接收光纤11、12分配一个独立的颜色值存储空间，该存储空间可记录所对应每根笔毛光纤当前的颜色信息，该颜色信息即为进行绘画或书法输入时的真实的颜色，比如赤、橙、黄、绿、青、蓝、紫等不同颜色，当电子毛笔1与计算机23输入交互时，可接受计算机的颜色设置操作而改变每一根笔毛光纤的颜色设置，即颜色调色，也可向计算机提供每一根笔毛光纤的颜色信息，即颜色输出。

不需要调色、配色时，颜色管理软件可以将电子毛笔1上的所有主、辅接收光纤11、12设置成一个颜色，这时，用户可以将每支电子毛笔看成是沾有单一颜料的普通毛笔，从而进行绘图、绘画、书法。

请参照图13、图14、图15，每一支电子毛笔1将自身的参数信息通过无线发射模块22传输给计算机23，在计算机端要相应设置无线接收装置24，为了便于用户使用，无线接收装置24可以做成U盘的形状如图1所示，内置USB2.0传输协议，通过USB接口与计算机23连接。这样做的优点是：不用对宿主计算机的硬件做任何改造。无线接收装置24可以接收来自一支电子毛笔或多只电子毛笔1的信息，并交由计算机23处理。

计算机23上的绘图软件利用上述电子毛笔1提供的这些信息便可以完全模拟出直观的、类似于普通毛笔在纸上绘图的效果，从而实现定位直观、触感真实的毛笔输入，这样就实现了本发明的目的。

值得一提的是，本发明在具体实施时应注意以下几点：

一、可根据需要定制不同的笔毛光纤数量和笔毛光纤排列，并选择不同的材质硬度，从而实现排笔、钢笔、铅笔的不同输入效果；

二、无线发射模块22和无线接收装置24使用公知的通信技术进行无线通信，如已经成熟的蓝牙通信技术，从而满足小型化、轻型化、一对多且互不干扰的数据通信要求；

三、考虑到不宜频繁更换电池，电子毛笔所用电池应选用可充电锂电池，且电子毛笔1上可以设置充电接口，为便于充电，充电器可以设计成笔架的形式。充电器的结构为现有技术，故本发明不再加以赘述；

四、考虑到电子毛笔调色的直观性，在实施时，可在笔杆上增加一个小型彩色液晶显示板，以显示笔毛的颜色状态，是单一的标准颜色，还是经过调色、配色后的渐变颜色。这样，在使用时，虽然每支电子毛笔的笔毛是由无色的光纤构成，但用户可以将每支电子毛笔看成是沾有不同颜料的普通毛笔，从而进行绘图、绘画、书法。小型彩色液晶显示板结构为现有技术，故本发明亦不做赘述。

Claims (2)

1.一种电子毛笔及识别码定位触摸屏，由电子毛笔和触摸屏组成，其特征是：电子毛笔的笔毛由主接收光纤、辅接收光纤和发射光纤构成，这些光纤固定在一个光纤盘上，呈环形排列，各圈光纤的长度由内向外依次递减，辅接收光纤和发射光纤由单一的光导纤维构成，主接收光纤由传像束光纤构成；电子毛笔的内部设置有光锥、电荷耦合器件和红外发光二极管，所述笔毛中的主接收光纤、辅接收光纤的顶端与光锥的底面相连，光锥的顶面通过滤光片与所述电荷耦合器件的采光窗连接，发射光纤的顶端与所述红外发光二极管连接，电子毛笔内还设置有控制电路，该控制电路与所述电荷耦合器件连接；所述触摸屏由对红外线反射、对可见光透明的薄膜构成，该触摸屏上密布有透明的且能反射红外线的识别码，每个识别码内存贮有代表自身位置的坐标信息，识别码的数量等于或大于计算机屏幕上像素的数量。

2.如权利要求1所述的电子毛笔及识别码定位触摸屏，其特征是：所述每个识别码由起始标志条、终止标志条和位于这两个标志条之间的上、下两组十六位条码组成，每组十六位条码中的低十五位为坐标数据，最高一位为数据校验位，条码由长短棒构成，长棒表示1，短棒表示0，上组十六位条码代表横坐标信息，下组十六位条码代表纵坐标信息。

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