CN102289326B - 适用于振动及潮湿环境的光学式多点触摸屏装置及方法 - Google Patents

Abstract

适用于振动及潮湿环境的光学式多点触摸屏装置及方法，其装置包括：屏幕四边设置触摸屏框，屏框四角设置梯形盒状构件，构件内装有线阵图像传感器板及凸柱面透镜，传感器板通过连接器和驱动板连接。优点是：该装置适用于平面大屏幕显示器改装为多点触摸显示器，无电阻屏与电容屏的耐用性、透光率及屏幕大小受限问题；多点识别定位方法可求出各触摸点中心坐标及所占区域，且有效去除鬼点；采用的凸柱面透镜结构的成像特点使得对于振动有一定的耐受性并对结构安装精度要求较低；采用光学标定解决了成像畸变，避免了三角定位法的屏幕中央精度高，四周精度低的问题；采用相对湿度传感器与可电加热玻璃避免了潮湿环境下凝露造成光学触摸屏失效的问题。

Description

适用于振动及潮湿环境的光学式多点触摸屏装置及方法

技术领域

本发明涉及人机交互技术及多点触摸屏领域，特别涉及一种适用于振动及潮湿易凝露等恶劣环境的可识别及跟踪多个触摸点的光学式多点触摸大屏这一新型人机交互设备及相关定位方法。

背景技术

目前，触摸屏技术已在多种电子设备中得到了广泛的应用。近几年来，还出现了数种多点触摸屏技术。而随着军用计算机平台上大屏显示及三维电子沙盘等技术的发展，对于新型人机交互设备的要求越来越高。轨迹球及键盘等传统交互设备已无法满足大屏幕显示设备上三维电子沙盘平台的操控需求，提出了对于操作具有直观性与便捷性的大屏幕多点触摸交互设备的要求。

多点触摸屏技术多为2005年以后才出现的，其中多数专利技术，包括电容式及电阻式多点触摸技术不能够满足大屏幕显示器的多点触摸需求。如苹果公司申请的“多点触摸屏”，申请号为200580011740.4，该专利利用多层电容传感介质作为触摸面板，由于介质延展性的问题只能制造20英寸以下的小尺寸电容式多点触摸屏；另外该专利使用触摸指尖流向电容传感介质的电流作为感应手段，不能适用于舰载等潮湿的恶劣环境的要求。又如比亚迪公司申请的“电阻式触摸屏屏体、触摸屏控制器及多触摸点识别方法”，申请号为200810210113.9，该专利利用微米级厚度的导电涂层作为触摸面板的导电层，由于介质延展性的问题只能制造24英寸及以下的中小尺寸电容式多点触摸屏；另外由于导电涂层会随使用次数的增加逐渐磨损以至最后失效，不能适应军用环境对于耐用性的要求。

另外一些专利技术虽可满足大屏幕显示器的多点触摸需求，但其结构特点决定了不能适用于较小空间或潮湿易凝露及长期振动的恶劣环境，如舰载等军用环境。一类只能应用于投影式大屏幕显示设备，如陈伟山申请的“多点及物体触摸屏装置及多点触摸的定位方法”，申请号为200810065714.5，该专利只能适用于投影式大屏显示设备，不能用于液晶及等离子等平面显示设备，不适用于舰载等空间狭窄的军用环境。另一类主要是红外多点触摸屏技术，不能适应长期振动的恶劣环境，如谨天触控申请的“一种红外触摸屏多点触摸的识别方法”，申请号为201010224550.3，该专利利用红外发射管及接收管一一对应的对管结构作为感应手段，对红外发射管及接收管的指向性要求较严，长期振动后其指向性受到破坏会引起触摸屏失效，不适用于长期振动的恶劣环境，如车载及舰载环境。

还有一类是较新的光学式多点触摸技术，如Klony Lieberman等人申请的“OPTICAL TOUCH SCREEN ASSEMBLY”，申请号为US2009/0200453A1，及NextWindow公司申请的“解决光学触摸屏的多点触摸情景的系统和方法”,申请号为PCT/US2009/033624/200980108845.X，在潮湿凝露的环境下其成像结构的透镜表面会凝成一层小水滴，不能成像而导致触摸屏无法正常工作，因而不适用于潮湿易凝露的恶劣环境；又如党韧申请的“一种多点触摸屏”，申请号为200810024770.4，除透镜表面凝露的问题外，还存在两个问题：一是如其说明书2页和5页所述，该触摸系统工作时，参照物所成的像为一条连续的线段，垂直于触摸屏方向的视角较小，对传感器安装精度有较高要求，单纯增加象素长度对于长时间振动及触摸屏变形的容忍度改善非常有限；二是如其说明书第3页所述的直接以统计得到的传感器象素个数计算角度以进行三角定位的方法，因透镜的光学成像畸变，存在中心精度高，四周精度底的问题，直接使用此三角定位方法在离屏幕中心较远的地方因位置误差大，且不易分辨距离较近的两个触摸点。

因此，提供一种精度较高的既能支持多点触摸，又能适应恶劣环境的大尺寸平面触摸屏的实现方法就极为必要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于大尺寸平面及投影显示方式的光学式多点触摸屏的实现方法与设备。本方法和设备可以识别及定位多个触摸点并且有效消除鬼点等多点触摸中的虚假定位问题，定位精度较高，且该方法和设备适用于振动及潮湿易凝露的恶劣环境。

一种适用于振动及潮湿环境的光学式多点触摸屏装置，包括：四个密封良好的成像用梯形盒状构件，以45度夹角固定于触摸屏框结构的四角，该盒装构件的顶端开口处覆盖有高透光的可电加热玻璃片或其他可加热的可透光材料，内部安装有红外滤光片及凸柱面透镜的成像结构；

四个安装于上述梯形盒状构件底部的线阵图像传感器板，每个传感器板上安装一个线阵图像传感器，可以是线阵CCD、CMOS或CIS图像传感器，其感光面在成像用梯形盒状构件的成像焦平面上，梯形盒状构件成像时，屏框上的每个漫反射光点可在焦平面上成像为一条和线阵图像传感器感应面垂直的亮线，亮线和凸柱面透镜的母线平行，高度与母线在通光槽中露出的长度相等，整个屏框成像为一块长至少为凸柱面透镜焦距两倍，高等于母线在通光槽中露出的高度的矩形亮区，线阵图像传感器的线阵图像感应区不短于该矩形亮区的长边，因此获得至少90度的视角，该传感器板和梯形盒状构件之间通过密封胶垫等结构密封良好；

四个通过弯针连接器或其他连接器与上述线阵图像传感器板连接的线阵图像传感器驱动板，该驱动板完成电源转换、信号电平转换、模拟图像信号采样与放大、A/D转换及信号差分转换，模拟相对湿度信号采样及放大以及电加热玻璃驱动等功能；

以上三个部分一一组成了光学触摸屏的四个线阵成像结构；

四个可良好漫反射红外光线，并带有遮光板结构的屏幕边框，构成触摸屏框结构的四边，其内侧所围成的区域不小于屏幕显示区域，边框由显示屏外侧边框底部的柔性LED灯条加背光板漫反射结构组成，向各个角度较均匀漫反射的光源；

四个相对湿度传感器HIH，以贴片方式安装于上述成像用梯形盒状构件之上靠近可电加热玻璃处，且与环境空气良好接触。

一个控制器，该控制器通常由FPGA/CPLD+ARM/单片机/DSP及外围接口电路及存储器构成，完成驱动时序产生，相对湿度采集及电加热控制，差分图像信号复原及信号串并转换与采集，触摸坐标解算与鬼点消除，线阵图像数据包及多点触摸坐标数据包产生与发送等功能，该控制器由可传输差分信号的电缆与上述四个线阵图像传感器驱动板连接，存储器中存储了四个线阵成像结构分别和屏幕各边框间的光学标定表。

 一种适用于以上光学式多点触摸屏装置的多触摸点识别定位及鬼点去除方法，以及适用于以上光学式多点触摸屏装置的环境检测及处理方法，其步骤如下：

（1） 进行光学标定，获取光学触摸屏的四个线阵成像结构与四个屏幕边框间的位置标定表；由于梯形盒状构件中凸柱面透镜具有成像光学畸变，主要是水平方向上的枕形畸变，因此屏幕边框上点的实际位置与线阵图像传感器上点的成像坐标并无严格的线性对应关系；由于该原因，三角定位方法在离屏幕中心较远时会造成很大的误差；因而不使用统计象素个数计算角度的三角定位方法，而在使用前进行一次光学标定，建立四个线阵成像结构与四个屏幕边框间的位置对应关系；

（2） 正常工作时利用四个线阵成像结构中的线阵图像传感器分别拍摄以四个可良好漫反射红外光线的屏幕边框为背景，以触摸点为前景的线阵图像，其中每个线阵成像结构可拍摄对侧的两个屏框；成像时边框在每个线阵成像结构的焦平面上成像为一块长至少为凸柱面透镜焦距两倍，高平行于母线且高度等于母线在通光槽中露出的高度的矩形亮区，其中触摸点对应亮区中夹杂的一条与凸柱面透镜的母线平行，高度与母线在通光槽中露出的长度相等的暗线；线阵图像传感器的感应区延该矩形亮区的长边且延伸长度不短于长边，触摸点形成的暗线与感应区正交，因此感应区拍到的线阵图像的特征在于屏幕边框被触摸点遮挡处对应的线阵图像上的成像点处形成暗斑；只要感应区仍在矩形亮区内且延伸长度不短于亮区长边即可，对安装误差无严格要求；

（3） 利用灰度质心法求取各线阵成像结构的线阵图像上的暗斑中心坐标及宽度，并利用步骤（1）中的标定表进行分段线性转换及插值，求取各暗斑中心坐标对应的屏框被触摸点遮挡处的中心几何坐标及宽度；

（4） 分别以各线阵成像结构的凸柱面透镜光心的几何坐标和步骤（3）中求出的屏框被触摸点遮挡处的中心几何坐标为直线的两端点，将这些直线两两求交以确定各可能的触摸点中心位置，分别以求交结果确定各可能的触摸点中心位置，并根据中心位置及步骤（3）中确定的暗斑宽度计算触摸区域；

（5） 若（4）中的触摸区域至少重合一次（如两个触摸点中心位置距离小于触摸指尖直径的一半），则该触摸点几何坐标位置为真实触摸点位置，将其置入多点触摸坐标数据包，否则为鬼点，舍去；

（6） 将包含各触摸点几何坐标位置的多点触摸坐标数据包发回主机，主机的驱动程序利用转换矩阵将其包含的各触摸点几何坐标转换为各触摸点象素坐标并发送相应的触摸消息；

（7） 检测相对湿度传感器及时间计数器，时间计数器已达规定时间且相对湿度较大有凝露危险，则在一短段时间内启动梯形盒状构件上可电加热玻璃片的加热功能，加热以避免凝露；

（8） 循环执行以上（2）～（7）各步骤至结束。

本发明一种适用于振动及潮湿环境的光学式多点触摸屏装置及方法的优点是：

⑴多点触摸屏装置可适用于平面大屏幕显示器改装为多点触摸显示器，无电阻屏与电容屏的耐用性、透光率及屏幕大小受限问题；

⑵多点触摸屏装置配套的多点识别定位方法可求出各触摸点中心坐标及所占区域，且可以有效去除鬼点，无虚假触摸问题，因此可稳定支持多人标绘；

⑶多点触摸屏装置配套的多点识别定位方法未使用三角定位方法，而是使用了带有光学标定表的求交方法，因而无前述三角定位方法屏幕中心精度高，四周精度底的缺点；

⑷采用的漫反射光源不需要将红外LED灯管等不易固定的光学结构精确指向，且所用柱面透镜只在水平方向上对于光有会聚作用，因此对于振动有一定的耐受性；

⑸采用的成像结构对屏框的成像区为一块有一定高度的矩形区域，前述的光学式多点触摸专利技术其屏框的成像区为一条很窄的线段，因此本发明对结构安装精度要求较低而对结构振动及变形有一定的耐受性，也不要求使用如象素长200um的SONY ILX511等象素较长的线阵图像传感器，即使象素长只有几um的传感器也可满足要求，降低了成本；

⑹通过检测相对湿度及加热密封成像结构表面的方法避免了潮湿环境下的凝露造成光学触摸屏失效的问题。

附图说明

图1为本发明的成像用梯形盒状构件的一个实例的结构示意图；

图2为本发明的线阵图像传感器板的一个实例的结构示意图；

图3为本发明的线阵图像传感器驱动板的一个实例的结构示意图；

图4为本发明的漫反射结构屏框的一个实例的结构示意图；

图5为本发明的多点触摸屏装置的一个实例的结构示意图；

图6为本发明的控制器的一个实例的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。

首先结合附图说明本发明的多点触摸屏装置：

图1是本发明的成像用梯形盒状构件的一个实例的结构示意图。该构件包括：一块透明的表面镀有极薄金属膜的可电加热玻璃片101，该玻璃片贴装于梯形盒状构件顶边的外侧且和梯形盒状构件间密封良好；一片红外滤光片102，该滤光片安装于可电加热玻璃片101和凸柱面透镜103之间，滤除可见光且允许800nm～1000nm之间的近红外光通过；一片凸柱面透镜103，该透镜通过梯形盒状构件下板的开槽插入梯形盒状构件，且通过梯形盒状构件上板和下板的开槽以及下板的塞子105牢靠固定，该凸柱面透镜只在水平方向上对光有会聚作用；底板开矩形槽104，用于安装图2中的线阵图象传感器201，梯形盒状构件的尺寸使得对于屏框609、610、611和612漫反射的近红外光的成像焦平面位于线阵图象传感器201的线装感应面上；一个贴片封装的相对湿度传感器HIH106，该相对湿度传感器HIH贴装在成像用梯形盒状构件上板外侧接近可电加热玻璃片101处，且通过电缆连接到图3驱动板的连接器315上。

图2是本发明的线阵图象传感器板的一个实例的结构示意图。该结构包括：一个线阵图象传感器201，固定于线阵图象传感器插座202上；线阵图象传感器插座202，焊接于线阵图象传感器板PCB204上，且通过PCB走线和弯针连接器203相连接；弯针连接器203，用于线阵图象传感器板和驱动板的连接。

图3是本发明的驱动板的一个实例的结构示意图。该结构包括：顶部用于安装弯针连接器203的插孔；两级运算放大芯片301，用于较高信号内阻的线阵图象传感器线阵图象模拟信号的偏置及放大；带有片选及采样时钟的串行AD转换器302，用于将放大后的线阵图象模拟信号转换为串行数字信号；电源转换芯片305和306，用于提供线阵图象传感器及驱动板各芯片的工作电源；差分转换芯片303和304，分别用于将来自控制器的差分AD转换采样时钟恢复为AD转换采样时钟，及将串行AD转换器302输出的串行线阵图象数字信号转换为差分串行线阵图象数字信号送回控制器；总线电平转换芯片307、308、309和310，用于完成信号的电平转换；两级运算放大芯片312，用于较高信号内阻的相对湿度传感器HIH的相对湿度模拟信号的偏置及放大；带有片选及采样时钟的串行AD转换器311，用于将放大后的相对湿度模拟信号转换为串行数字信号；连接器313和314，用于和控制器相连；连接器315，用于和图1中的相对湿度传感器HIH106相连。

图4是本发明可使用的漫反射结构屏框的一个实例的结构示意图。该屏框的结构包括：安装于显示屏屏框405上外部漫反射结构屏框底侧的柔性LED灯条402，该柔性LED灯条上每隔一段距离安装有峰值波长在800～1000nm近红外波段（如850nm）的贴片红外发射LED401；柔性LED灯条402发出的近红外光在背光板403上发生漫反射从而具有较大的可视角度，从而使整条屏框的近红外光在对侧成像用梯形盒状构件的成像焦平面上成像为一个亮度较均匀的矩形亮块，从而在线阵图象传感器中成像为亮度较均匀的线阵图象；遮光板404，用于遮挡柔性LED灯条402的红外光避免直射入人眼并在其下形成一个漫反射红外光缝。

图5是本发明的多点触摸屏装置的一个实例的结构示意图。该多点触摸屏装置的可视区域为图中518处由四个漫反射结构屏框509、510、511和512所围成的内侧区域；四个漫反射结构屏框509、510、511和512中安装的柔性LED灯条402直接连至触摸屏的电源；在屏框的四角处有四个底部安装了线阵图象传感器板的梯形盒状构件505、506、507和508；这些梯形盒状构件底部的线阵图象传感器板通过图2中的弯针连接器203分别和驱动板501、502、503和504连接；驱动板501、502、503和504通过电缆分别和梯形盒状构件505、506、507和508顶边外侧安装的电可加热玻璃101及上板外侧贴装的相对湿度传感器HIH106连接；驱动板501、502、503和504通过可传输差分信号的电缆和控制器517连接；控制器517通过USB电缆519与主机连接并在正常工作时将多触摸点坐标数据包通过USB发回主机；仅在标定时控制器通过网络电缆520与主机连接并将四个驱动板501、502、503和504传回的线阵图象数据发回主机。

图6是本发明的控制器的一个实例的结构示意图。该控制器采用FPGA+ARM的架构，图中601为ARM core板，其上板载了ARM 芯片，NAND FLASH，SDRAM和网卡芯片，其中的NAND FLASH用于记录光学标定表，ARM接收来自FPGA的线阵图象数据并解算多触摸点坐标数据；602为内部带有高速FIFO的FPGA，和601上的ARM芯片通过Local Bus连接，将来自于四个驱动板501、502、503和504的串行线阵图象数据在FIFO中进行串并转换，每记录满一帧线阵图象数据即通过LocalBus向ARM发送一次；板上带有数个晶振614和615，通过FPGA602的逻辑分频产生象素时钟、AD采样时钟，电子快门信号及其他线阵图象传感器驱动板的控制信号；603为调试串口，用于ARM core板601的调试；604为以太网口，仅在光学标定时通过网络电缆520和主机相连接，将四个线阵图象传感器驱动板501、502、503和504传回的线阵图象数据发回主机；605为USB口，通过USB电缆519和主机相连接，正常工作时将多触摸点坐标数据包通过USB发回主机；连接器610、611、612和613分别和驱动板501、502、503和504通过电缆连接，用于发送各驱动板的控制信号和可电加热玻璃的控制信号，并接收各驱动板传回的差分串行线阵图象数据及串行相对湿度数据；连接器608为FPGA的下载用并口；连接器609为外部直流电源输入接口；606和607等为电源转换芯片，为各传感器驱动板、FPGA、ARM core板及外围电路供电。

然后结合附图说明本发明的多点触摸屏装置所用的多触摸点定位及鬼点等虚假定位问题的消除方法。

1. 在正常使用前需进行光学标定一次，此工作仅在多点触摸屏装置送交用户前进行一次，其具体步骤为：

（1）多点触摸屏装置按照图5连接完毕，并将控制器通过网络电缆520与主机相连。多点触摸屏装置上电启动，将控制器置为光学标定状态，通过网口520发回各线阵图象数据。启动主机端的光学标定程序，通过UDP协议接收网络电缆520传回的线阵图象数据，光学标定程序利用灰度质心法计算线阵图象中的暗斑中心坐标及暗斑宽度。

（2）将带有标尺、夹具及步进机构的光学座放于长度为W的屏框509上，光学座的标尺方向和屏框509的方向平行，夹具上夹有宽度较窄（一般为1个指尖的宽度，即8mm左右）的不透明遮光片，遮光片紧贴屏框内侧并垂直于屏幕表面，其长度可遮挡漫反射结构屏框的红外光缝。以该遮光片为前景，较均匀漫反射红外光的屏框509为背景的图象在梯形盒状构件507和508的成像焦平面上成像为矩形区域的图象。其图象特点为一定高度的矩形亮区域，该矩形亮区域长至少为凸柱面透镜焦距两倍，高平行于凸柱面透镜母线且高度等于母线在梯形盒状构件通光槽中露出的高度，其中对应于被遮光片挡住的屏框处成像为一条与凸柱面透镜母线平行的暗线。梯形盒状构件底板上的线阵图象传感器与此矩形成像区域相交，其中遮光片的成像暗线与该线阵图象传感器的感应面轴方向垂直，从而在线阵图象传感器获得的整条较亮的线阵图象上形成一处暗斑。暗斑的中心位置即遮光片中心位置在线阵图象传感器的感应面上的成像坐标。利用步进机构从屏框509的左端自左至右移动遮光片，每次步进一个较小的距离ΔL，利用光学标定程序依次计算得到遮光片与屏框509的左端距离为0, ΔL,2ΔL,…,W时507和508的线阵图象传感器上的暗斑中心坐标3a0,3a1,3a2,…,3aw及暗斑的宽度3w0,3w1,3w2,…,3ww和暗斑中心坐标4a0,4a1,4a2,…,4aw及暗斑的宽度4w0,4w1,4w2,…,4ww。将其分别记录为屏框509与梯形盒状构件507和508间的标定表。

（3）将带有标尺、夹具及步进机构的光学座放于长度为W的屏框512上，光学座的标尺方向和屏框512的方向平行，夹具上夹有宽度较窄（一般为1个指尖的宽度，即8mm左右）的不透明遮光片，遮光片紧贴屏框内侧并垂直于屏幕表面，其长度可遮挡漫反射结构屏框的红外光缝。以该遮光片为前景，较均匀漫反射红外光的屏框512为背景的图象在梯形盒状构件505和506的成像焦平面上成像为矩形区域的图象。其图象特点为一定高度的矩形亮区域，该矩形亮区域长至少为凸柱面透镜焦距两倍，高平行于凸柱面透镜母线且高度等于母线在梯形盒状构件通光槽中露出的高度，其中对应于被遮光片挡住的屏框处成像为一条与凸柱面透镜母线平行的暗线。梯形盒状构件底板上的线阵图象传感器与此矩形成像区域相交，其中遮光片的成像暗线与该线阵图象传感器的感应面轴方向垂直，从而在线阵图象传感器获得的整条较亮的线阵图象上形成一处暗斑。暗斑的中心位置即遮光片中心位置在线阵图象传感器的感应面上的成像坐标。利用步进机构从屏框512的左端自左至右移动遮光片，每次步进一个较小的距离ΔL，利用光学标定程序依次计算得到遮光片与屏框512的左端距离为0,ΔL, 2ΔL, …, W时505和506的线阵图象传感器上的暗斑中心坐标1d0, 1d1, 1d2,…, 1dw及暗斑的宽度1w0,1w1,1w2,…,1ww和暗斑中心坐标2d0, 2d1, 2d2,…, 2dw及暗斑的宽度2w0,2w1,2w2,…,2ww。将其分别记录为屏框512与梯形盒状构件505和506间的标定表。

（4）将带有标尺、夹具及步进机构的光学座放于长度为H的屏框510上，光学座的标尺方向和屏框510的方向平行，夹具上夹有宽度较窄（一般为1个指尖的宽度，即8mm左右）的不透明遮光片，遮光片紧贴屏框内侧并垂直于屏幕表面，其长度可遮挡漫反射结构屏框的红外光缝。以该遮光片为前景，较均匀漫反射红外光的屏框510为背景的图象在梯形盒状构件506和508的成像焦平面上成像为矩形区域的图象。其图象特点为一定高度的矩形亮区域，该矩形亮区域长至少为凸柱面透镜焦距两倍，高平行于凸柱面透镜母线且高度等于母线在梯形盒状构件通光槽中露出的高度，其中对应于被遮光片挡住的屏框处成像为一条与凸柱面透镜母线平行的暗线。梯形盒状构件底板上的线阵图象传感器与此矩形成像区域相交，其中遮光片的成像暗线与该线阵图象传感器的感应面轴方向垂直，从而在线阵图象传感器获得的整条较亮的线阵图象上形成一处暗斑。暗斑的中心位置即遮光片中心位置在线阵图象传感器的感应面上的成像坐标。利用步进机构从屏框510的上端自上至下移动遮光片，每次步进一个较小的距离ΔL，利用光学标定程序依次计算得到遮光片与屏框510的上端距离为0,ΔL, 2ΔL, …, H时506和508的线阵图象传感器上的暗斑中心坐标2b0, 2b1, 2b2,…, 2bh及暗斑的宽度2h0, 2h1, 2h2,…,2hh和暗斑中心坐标4b0, 4b1, 4b2,…, 4bh及暗斑的宽度4h0, 4h1, 4h2,…, 4hh。将其分别记录为屏框510与梯形盒状构件506和508间的标定表。

（5）将带有标尺、夹具及步进机构的光学座放于长度为H的屏框511上，光学座的标尺方向和屏框511的方向平行，夹具上夹有宽度较窄（一般为1个指尖的宽度，即8mm左右）的不透明遮光片，遮光片紧贴屏框内侧并垂直于屏幕表面，其长度可遮挡漫反射结构屏框的红外光缝。以该遮光片为前景，较均匀漫反射红外光的屏框511为背景的图象在梯形盒状构件505和507的成像焦平面上成像为矩形区域的图象。其图象特点为一定高度的矩形亮区域，该矩形亮区域长至少为凸柱面透镜焦距两倍，高平行于凸柱面透镜母线且高度等于母线在梯形盒状构件通光槽中露出的高度，其中对应于被遮光片挡住的屏框处成像为一条与凸柱面透镜母线平行的暗线。梯形盒状构件底板上的线阵图象传感器与此矩形成像区域相交，其中遮光片的成像暗线与该线阵图象传感器的感应面轴方向垂直，从而在线阵图象传感器获得的整条较亮的线阵图象上形成一处暗斑。暗斑的中心位置即遮光片中心位置在线阵图象传感器的感应面上的成像坐标。利用步进机构从屏框511的上端自上至下移动遮光片，每次步进一个较小的距离ΔL，利用光学标定程序依次计算得到遮光片与屏框511的上端距离为0,ΔL, 2ΔL, …, H时505和507的线阵图象传感器上的暗斑中心坐标1c0, 1c1, 1c2,…, 1ch及暗斑的宽度1h0, 1h1, 1h2,…, 1hh和暗斑中心坐标3c0, 3c1, 3c2,…, 3ch及暗斑的宽度3h0, 3h1, 3h2,…, 3hh。将其分别记录为屏框511与梯形盒状构件505和507间的标定表。

（6）通过调试口将各标定表下载到控制器517的ARM core板601上的NAND FLASH中。

2. 光学标定结束后即可转为正常工作状态，其具体步骤为：

（1）将控制器置为正常工作状态，不再通过网口604发回线阵图象数据，移除网络电缆520，将控制器517和主机通过USB电缆519连接。多点触摸屏装置上电启动，将控制器置为正常工作状态。初始设置相对湿度计时器为0。

（2）FPGA602通过内置的逻辑产生四个驱动板501、502、503和504的象素时钟、AD采样时钟，电子快门信号及其他控制信号，并接收来自于四个驱动板501、502、503和504的串行线阵图象数据，在高速FIFO中完成串并转换，每完成一帧数据的采集及串并转换即将一帧共四组线阵图象数据通过LocalBus发送给ARM core板601上的ARM。

（3）ARM接收一帧共四组线阵图象数据，利用灰度质心法求出各线阵图象中的暗斑中心坐标及暗斑宽度。ARM读取NAND FLASH中存储的各屏框与各梯形盒构件间的标定表数据，利用标定表数据进行分段线性插值及解算，将各线阵图象中的暗斑中心坐标及暗斑宽度一一映射为各触摸点遮挡屏框红外光所对应的屏框上暗斑的中心位置及宽度。

（4）ARM以各触摸点遮挡屏框红外光所对应的屏框上点的中心位置及宽度及其对应的梯形盒状构件中的柱面透镜的光心为直线两点，将这些直线两两求交，以求得各可能的触摸点的中心位置及所占区域。

（5）ARM搜索各可能的触摸点的中心位置及所占区域，若存在两个区域重合至少一次（如中心位置距离小于1个指尖的直径即8mm），则此触摸点为真实的触摸点，取重合的触摸点区域中由距离最远的两个梯形盒状构件进行求交算得的触摸点的中心位置及所占区域作为触摸点几何坐标及所占区域，将其置入多触摸点几何坐标及区域数据包；若某触摸点不与其他触摸点重合，则该触摸点为虚假触摸点（鬼点），抛弃。

（6）ARM按照USB HID协议格式将多触摸点几何坐标及区域数据包发回主机，主机的驱动程序接收多触摸点几何坐标及区域数据包，利用转换矩阵将多触摸点的几何坐标转换为屏幕的象素坐标并发送相应的触摸消息。

（7）ARM查询相对湿度计时器，若达到预设时间值（如15s）则将相对湿度计时器清零并查询一次共4个相对湿度数据，若其中的某个相对湿度传感器测得的相对湿度较大，则向与其连接的驱动板输出一段可电加热玻璃的加热控制信号；若相对湿度计时器未达到预设时间值（如15s）则在相对湿度计时器上累加一次线阵图象传感器的帧扫描时间（如15.625ms）。

（8）重复在一次线阵图象传感器的帧扫描时间内执行（2）～（7）至结束。

本发明不限于以上实施例，根据使用不同型号的传感器、驱动器、控制器等器件，可以组成多个实施例，且均落入本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种适用于振动及潮湿环境的光学式多点触摸屏装置，其特征在于：包括：屏幕显示区域（518）的四边设置有触摸屏框（509、510、511、512），触摸屏框（509、510、511、512）的四角设置有成像用梯形盒状构件（505、506、507、508），成像用梯形盒状构件（505、506、507、508）的下底槽（104）内装有线阵图像传感器（201），和线阵图像传感器（201）相连的线阵图像传感器板（204）通过连接器和线阵图像传感器驱动板（501、502、503、504）连接；所述成像用梯形盒状构件（505、506、507、508），包括：顶边外侧固定的可电加热玻璃片（101），内部安装的一片红外滤光片（102）和凸柱面透镜（103），用于安装线阵图像传感器（201）的下底槽（104）及靠近可电加热玻璃片(101)贴装的相对湿度传感器HIH（106）；所述成像用梯形盒状构件（505、506、507、508）的梯形盒体上贴装有相对湿度传感器HIH（513、514、515、516）；所述的可以较大角度漫反射红外光的屏框（509、510、511、512），屏框（509、510、511、512）内部设置有柔性LED灯条（402）加背光板（403）及遮光片（404）组成的漫反射结构。

2.根据权利要求1所述的适用于振动及潮湿环境的光学式多点触摸屏装置的避免凝露问题的方法，其特征在于：对相对湿度传感器HIH(513、514、515、516)每隔一段时间进行一次检测，若相对湿度过大，则向与其对应驱动板连接的可电加热玻璃输出一段电加热控制信号进行加热以避免出现凝露。

3.根据权利要求1所述的适用于振动及潮湿环境的光学式多点触摸屏装置的多触摸点坐标定位及虚假触摸点去除的方法，其特征在于：以采用光学标定表进行分段线性插值及解算的方法确定的触摸点遮挡的屏框上的点为一点，以相应成像用梯形盒状构件中凸柱面透镜的光心为另一点确定的直线两两求交确定可能的触摸点位置，可能的触摸点位置集合中出现的重合触摸点位置为真实触摸点位置。

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