CN102207801A - 一种三维手写输入装置和手写输入方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种三维手写输入装置和手写输入方法，包括信号发射装置，信号接收装置和微处理器和主机。由信号发射装置中的超声波发生器向全空间发射超声信号；超声波传感器将接收到的超声信号转化为电信号，并传输给微处理器；微处理器计算出信号发射装置的空间位置的三维坐标并通过无线或有线方式发送给主机；主机根据接收到的信号发射装置的连续三维坐标完成手写轨迹的识别和输入。技术效果在于：书写平面不受限制；可以远距离输入；可以不使用压力传感装置。

Description

一种三维手写输入装置和手写输入方法

技术领域

本发明涉及一种手写输入装置和手写输入方法，特别是一种三维空间输入装置及方法。

背景技术

现有技术中的手写输入有以下几种方案：

一种是传统的触压方式，如电脑手写板，触摸屏等。这种输入方式需要特质的书写屏，在书写屏中安装有压电传感器或者电容传感器等，来识别使用者的手写动作。

另一种是较为新式的通过空间位置识别进行手写输入的方式，其中又分为超声定位和加速度传感器定位等几种方案。中国专利号200510121260.5，专利名称“用超声波确定于写轨迹的输入方法及装置”的专利公开了一种用超声波确定于写轨迹的输入方法及装置，其中该装置包括两个超声波传感器，分别接收书写笔发射的超声波信号，并有微处理器模块根据接收到的脉冲计数计算出书写笔笔尖的位置信息。中国专利申请号201010144596.4，专利名称“触摸笔及实现触摸功能的方法”的专利公开了一种利用加速度传感器对触摸笔进行定位的手写输入装置，该装置的触摸笔中包括加速度传感器，用于测量所述触摸笔移动时的加速度；压力传感器，用于感应触摸笔选中显 示屏上的功能项，并输出选中信息；处理器，用于接收所述选中信息时，根据加速度传感器测量的加速度，计算触摸笔的位置信息。

其他手写输入技术大多与上述的几种类似。在这些手写输入方式中，传统触压方式需要特定的书写屏，因此书写收到较大限制，灵活性不够，另外，随着手写识别精度的提高和手写范围的增大，书写屏的制造成本也会变得很高。

通过空间定位的手写输入方式，其中超声定位手写输入，通常只限于二维定位，这将导致书写位置受到限制，必须在超声波传感器所规定的特定平面进行书写才能正确识别，而在其他平面的书写，书写轨迹会转化成该特定平面的投影，导致书写误差；加速度传感器定位的手写输入方式，其定位原理是通过基于固定点的相对位移对手写笔进行定位，并不是对绝对位置的定位，这就导致定位不够精确，相对位移的累积误差会使手写笔准确位置的判断变得非常困难。

另外，现有的通过空间定位的手写输入方式，仍要依靠压力传感器来判断书写的起始和结束，其采用的压力传感装置难免会对书写平面造成一定的损害。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的上述技术问题而提供一种利用超声波定位的三维手写输入装置及输入方法。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：

一种三维手写输入装置，包括信号发射装置，信号接收装置和微 处理器和主机，其特征在于：

所述信号发射装置包括外壳内的超声波发生器和控制开关；所述信号接收装置包括至少三个超声波传感器和通讯接口；所述超声波传感器通过通讯接口与微处理器电连接；

所述信号发射装置中的超声波发生器向全空间发射超声信号；所述超声波传感器将接收到的超声信号转化为电信号，并传输给微处理器；微处理器根据接收到的各个超声传感器传输的电信号和已知的各个传感器的位置信息，计算出信号发射装置的空间位置的三维坐标；所述三维坐标通过无线或有线方式发送给主机；所述主机根据接收到的信号发射装置的连续三维坐标完成手写轨迹的识别和输入。

所述信号发射装置的两端放置两个超声波发生器；超声波传感器将接收到的超声信号转化为电信号，并传输给微处理器；微处理器根据接收到的各个超声传感器传输的电信号和已知的各个传感器的位置信息，计算出两个超声波发生器的空间位置的三维坐标，并进一步计算出两个超声波发生器的空间位置连线的延长线与书写平面的交点坐标；所述交点坐标通过无线或有线方式发送给主机。

信号发射装置的空间位置信息可以经由主机处理，用于确定书写平面及控制手写输入的起始和结束。

还可以在手写输入装置中安装压力传感模块，用于确定手写输入的起始和结束。

优选的一种信号接收装置包括至少四个超声波传感器；微处理器采用声音能量定位或到达时差定位的方法处理从超声波传感器接收 的信息，计算得出超声波发生器的空间位置的三维坐标。

或者采用另一种信号发射装置，包括时间同步模块，信号接收装置包括至少三个超声波传感器；微处理器采用距离定位的方法处理从超声波传感器接收的信息，计算得出超声波发生器的空间位置的三维坐标。

一种三维手写输入方法，包括以下步骤，

(1)信号发射装置中的超声波发生器向全空间发射超声信号；

(2)信号接收装置中的超声波传感器接收超声信号，将其转化为电信号，并传输给微处理器；

(3)微处理器根据接收到的各个超声传感器传输的电信号和已知的各个传感器的位置信息，计算出信号发射装置的空间位置的三维坐标；

(4)所述三维坐标通过无线或有线方式发送给主机；

(5)主机根据接收到的信号发射装置的连续三维坐标完成手写轨迹的识别和输入。

优选的手写输入方法，还包括以下步骤，

(1)所述信号发射装置的两端放置两个超声波发生器，超声波传感器分别接收两个超声波发生器的超声信号，转化为电信号，并传输给微处理器；

(2)微处理器根据接收到的各个超声传感器传输的电信号和已知的各个传感器的位置信息，计算出两个超声波发生器的空间位置的三维坐标；

(3)进一步计算出两个超声波发生器的空间位置连线的延长线与书写平面的交点坐标；

(4)所述交点坐标通过无线或有线方式发送给主机。

书写的起始和结束可以利用所述信号发射装置的空间位置的三维坐标来确定，或者使用压力传感器控制。

信号接收装置包括至少四个超声波传感器，微处理器采用声音能量定位或到达时差定位的方法处理从超声波传感器接收的信息，计算得出超声波发生器的空间位置的三维坐标；或者所述信号发射装置包括时间同步模块，信号接收装置包括至少三个超声波传感器，微处理器采用距离定位的方法处理从超声波传感器接收的信息，计算得出超声波发生器的空间位置的三维坐标。

使用本发明所提供的三维手写输入装置及输入方法，具有以下优点：

1.书写平面不受限制，不需要专用书写介质，不需要特定书写平面，可以选择任意平面作为书写平面；

2.可以远距离输入，配合投影仪，使用者可以远距离控制或修改投影内容；

3.可以选择不使用压力传感装置，而是利用信号发射装置的空间位置和书写平面的位置关系决定书写的起始和结束，降低成本并且没有压力传感装置的副作用。

附图说明

图1是应用本发明的一种基本结构的示意图；

图2是本发明的工作流程示意图。

图3是可指示方向的信号发射装置的示意图。

图中标记：1-信号发射装置，11，12-超声波发生器，2-信号接收装置，21，22，23，24-超声波传感器，3-微处理器，4-主机，5-书写平面。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明：

实施例1

基本实施例。图1所示的是本发明的一种基本结构的示意图，三维手写输入装置包括信号发射装置1，信号接收装置2和微处理器3和主机4。信号发射装置1的外壳内安装超声波发生器11和控制开关。外壳可做成笔的形状，实际上，信号发射装置1也就是手写输入所用的手写笔。打开信号发射装置1的控制开关，超声波发生器11开始向全空间发射超声信号。使用者手持手写笔进行手写输入时，可以在空间中任选一个书写平面5，例如水平的桌面，竖直或倾斜的电脑屏幕等，在书写平面5上移动手写笔，这时超声波信号被信号接收装置2中的三个超声波传感器21、22和23，并转化成电信号，通过通讯接口传输至微处理器3。微处理器3接收到超声波传感器21、22和23的信号，根据这些信号和已知的超声波传感器的位置信息，计算出信号发射装置1的空间位置的三维坐标。这个三维坐标由微处理 器通过有线或无线方式发送至主机4。信号发射装置1中的超声波发生器11不断地向超声波传感器21、22和23发射超声信号，微处理器也就得到一个连续的信号发射装置1，即手写笔的空间位置的移动轨迹。

此时微处理器计算得到的空间位置的移动轨迹是三维的，发送至主机后，主机对这个移动轨迹进行识别和处理，首先，除了抬“笔”时，落“笔”书写移动的时候，信号发射装置1总是处于空间中同一个平面内的，可以由主机计算出信号发射装置1移动时大多数时间所处的平面，即为书写平面，然后将相应信号发射装置1的三维移动轨迹投影至书写平面5上，得到最终的手写输入信息，进行后续的文字或图像应用。

本实施例说明了本发明所提供的三维手写输入装置及方法在书写平面的选择上的灵活性。实际上，也可以预设一个默认的书写平面，例如，将信号接收装置2的三个超声波传感器21、22和23安装在电脑屏幕的三个角上，并将电脑屏幕所在的平面设为默认书写平面，则以后在手写输入过程中可以省略上述计算书写平面的步骤。

实施例2

远距离手写输入的装置及方法。以实施例1为基础，不同之处在于，信号发射装置1中安装有两个超声波发生器11和12，其中超声波发生器11安装在信号发射装置1的前端，超声波发生器12安装在信号发射装置1的后端。三个超声波传感器21、22和23可以接收到来自于超声波发生器11和超声波发生器12的超声波信号，并传送至 微处理器3，由微处理器3计算出两个超声波发生器各自的空间位置的三维坐标。这样一来，除了信号发射装置1的空间位置信息，还得到了信号发射装置的方向信息。两个超声波发生器的空间位置连线的延长线与书写平面相交于交点A，由微处理器3计算得出交点A的坐标，交点坐标通过无线或有线方式发送给主机。使用者手持信号发射装置1(手写笔)进行书写动作时，两个超声波发生器11和12都在空间中移动，交点A也随之移动形成一个运动轨迹，主机可以直接使用该运动轨迹作为最终的手写输入信息。

在远距离手写输入的应用中，书写平面5是需要预设的，可以设为三个超声波传感器21、22和23所在的平面。

要想顺利地对超声波发生器11和12进行定位，微处理器3需要对超声波发生器11和12所发出的超声波信号进行分辨。可以采用下述两种方法实现这个目的：

1.两个超声波发生器11和12采用不同的超声波频率。例如超声波发生器11采用40KHz的超声波，而超声波发生器12采用50KHz的超声波。

2.超声波发生器发射脉冲超声信号，利用时间差区分超声波发生器11和12。由于信号发射装置1的长度一般为10cm左右，声速为340m/s，因此超声波发生器11和超声波发生器12与超声波传感器的距离之差为10cm左右，它们发出的超声波信号到达超声波传感器的时候会有0.3ms左右的时间差。可以使用1KHz的脉冲信号，即1ms内发射一次超声波信号，于是每个超声波传感器在1ms内可以接收 到两次超声波信号，分别来自于两个超声波发生器11和12。第一次接收到的是超声波发生器11的信号，大约0.3ms左右之后会接收到超声波发生器12的信号。

实施例3

本实施例中，通过信号发射装置的位置判断手写的起始和结束。

本发明所提供的三维手写输入装置及手写输入方法，可以采用传统的压力传感方式来确定手写的起始和结束，即，在信号发射装置1的尖端安装压力传感装置，当使用者手持信号发射装置1接触书写平面时，压力传感器获得一个电信号，用这个信号作为手写输入的起始；信号发射装置1离开书写平面时，电信号消失，手写输入结束。

不过，更为体现三维手写输入优势的方案是，不安装压力传感装置，而是通过信号发射装置1的空间位置，与一个比较平面的相对关系，确定手写输入的其实和结束。

具体说来，当在接触的书写平面上进行书写时(如实施例1中的情况)，书写平面5即比较平面。另外，需要设置一个阈值，这个阈值通常是非常小的，例如0.5mm，具体大小还要依据书写平面的情况判断，如书写平面较为粗糙，阈值应适当取大。当信号发射装置1的空间位置与比较平面的距离小于阈值时，手写输入启动；当信号发射装置1的空间位置与比较平面的距离大于阈值时，手写输入结束。

当进行远距离书写时(如实施例2中的情况)，书写平面预设，并且距离信号发射装置较远，需要另外计算比较平面。当控制开关打开时，超声波传感器首次接收到超声信号，这时微处理器可以向主机 发送一个开始书写的信号，主机将此时的信号发射装置的空间位置记录下来，将这个位置所在的与书写平面平行的平面作为比较平面。更为精确度方式是，启动一个初始化过程，请求使用者书写一个标准的字形，根据使用者书写动作确定一个平面作为比较平面，这样可以更加适应使用者的书写习惯。当信号发射装置1的空间位置向前(书写平面的方向为前)穿过比较平面时，手写输入启动；当信号发射装置1的空间位置向后穿过并离开比较平面时，手写输入结束。

实施例4

作为无线位置输入设备的应用。实际上，本发明所述的三维手写输入装置可作为位置输入设备来使用。书写平面5即为位置输入设备的操作平面。当信号发射装置1平行于书写平面5移动时，主机将接收到的信号发射装置的空间位置在书写平面上投影，作为位置输入；当信号发射装置1垂直于书写平面5来回移动时，主机可将其识别为选中操作。

上述各实施例中，超声波发生器的位置定位，采用的是现有技术中的声源定位方法。一种方法是信号接收装置2中增加一个超声波传感器24，微处理器3采用声音能量定位或到达时差定位(又称双曲线定位)的方法处理从超声波传感器接收的信息，计算得出超声波发生器的空间位置的三维坐标；另一种方法是信号发射装置2中装有时间同步模块，微处理器采用距离定位的方法处理从超声波传感器接收的信息，计算得出超声波发生器的空间位置的三维坐标。

以上所述，仅是用以说明本发明的具体实施案例而已，并非用以 限定本发明的可实施范围，举凡本领域熟练技术人员在未脱离本发明所指示的精神与原理下所完成的一切等效改变或修饰，仍应由本发明权利要求的范围所覆盖。

Claims (10)

1.一种三维手写输入装置，包括信号发射装置，信号接收装置和微处理器和主机，其特征在于：

所述信号发射装置包括外壳内的超声波发生器和控制开关；所述信号接收装置包括至少三个超声波传感器和通讯接口；所述超声波传感器通过通讯接口与微处理器电连接；

所述信号发射装置中的超声波发生器向全空间发射超声信号；所述超声波传感器将接收到的超声信号转化为电信号，并传输给微处理器；微处理器根据接收到的各个超声传感器传输的电信号和已知的各个传感器的位置信息，计算出信号发射装置的空间位置的三维坐标；所述三维坐标通过无线或有线方式发送给主机；所述主机根据接收到的信号发射装置的连续三维坐标完成手写轨迹的识别和输入。

2.根据权利要求1所述的手写输入装置，其特征是：所述信号发射装置的两端放置两个超声波发生器；超声波传感器将接收到的超声信号转化为电信号，并传输给微处理器；微处理器根据接收到的各个超声传感器传输的电信号和已知的各个传感器的位置信息，计算出两个超声波发生器的空间位置的三维坐标，并进一步计算出两个超声波发生器的空间位置连线的延长线与书写平面的交点坐标；所述交点坐标通过无线或有线方式发送给主机。

3.根据权利要求1所述的手写输入装置，其特征是：所述信号发射装置的空间位置信息可以经由主机处理，用于确定书写平面及控制手写输入的起始和结束。

4.根据权利要求1所述的手写输入装置，其特征是：所述手写输入装置包括压力传感模块，用于确定手写输入的起始和结束。

5.根据权利要求1-4所述的手写输入装置，其特征是：所述信号接收装置包括至少四个超声波传感器；微处理器采用声音能量定位或到达时差定位的方法处理从超声波传感器接收的信息，计算得出超声波发生器的空间位置的三维坐标。

6.根据权利要求1-4所述的手写输入装置，其特征是：所述信号发射装置包括时间同步模块，信号接收装置包括至少三个超声波传感器；微处理器采用距离定位的方法处理从超声波传感器接收的信息，计算得出超声波发生器的空间位置的三维坐标。

7.一种三维手写输入方法，其特征在于：包括以下步骤，

(1)信号发射装置中的超声波发生器向全空间发射超声信号；

(2)信号接收装置中的超声波传感器接收超声信号，将其转化为电信号，并传输给微处理器；

(3)微处理器根据接收到的各个超声传感器传输的电信号和已知的各个传感器的位置信息，计算出信号发射装置的空间位置的三维坐标；

(4)所述三维坐标通过无线或有线方式发送给主机；

(5)主机根据接收到的信号发射装置的连续三维坐标完成手写轨迹的识别和输入。

8.根据权利要求7所述的手写输入方法，其特征是：还包括以下步骤，

(1)所述信号发射装置的两端放置两个超声波发生器，超声波传感器分别接收两个超声波发生器的超声信号，转化为电信号，并传输给微处理器；

(2)微处理器根据接收到的各个超声传感器传输的电信号和已知的各个传感器的位置信息，计算出两个超声波发生器的空间位置的三维坐标；

(3)进一步计算出两个超声波发生器的空间位置连线的延长线与书写平面的交点坐标；

(4)所述交点坐标通过无线或有线方式发送给主机。

9.根据权利要求8所述的手写输入方法，其特征是：所述书写的起始和结束可以利用所述信号发射装置的空间位置的三维坐标来确定，或者使用压力传感器控制。

10.根据权利要求9所述的手写输入方法，其特征是：所述信号接收装置包括至少四个超声波传感器，微处理器采用声音能量定位或到达时差定位的方法处理从超声波传感器接收的信息，计算得出超声波发生器的空间位置的三维坐标；或者所述信号发射装置包括时间同步模块，信号接收装置包括至少三个超声波传感器，微处理器采用距离定位的方法处理从超声波传感器接收的信息，计算得出超声波发生器的空间位置的三维坐标。

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