CN102460356A - 用于确定包括两个或更多个换能器的物体的表面上的一个或多个触击或触摸的位置的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于确定包括两个或更多个换能器的物体的表面上的一个或多个触击或触摸的位置的方法，即使对于低信噪比，其也改善了定位精度，而且提供了确定多个触摸或多个触击的情况的可能性。为了实现这些目标，该方法包括下述步骤：a)从所述换能器中的每一个接收信号，特别是声音信号，其中所述信号对应于所述表面上的至少一个位置处的至少一个触击；b)基于在步骤a)中接收到的所述信号和预定特性，特别是声音特性，确定所述物体的在所述物体的所述表面上的给定位置处的代表值；以及c)基于所述代表值和所述至少两个信号的中的对应的值的比较，判断步骤a)中的所述表面上的所述至少一个位置处的至少一个触击是否对应于所述表面上的所述给定位置。

Description

用于确定包括两个或更多个换能器的物体的表面上的一个或多个触击或触摸的位置的方法

技术领域

本发明涉及用于确定包括两个或更多个换能器的物体的表面上的一个或多个触击或触摸的位置的方法。

背景技术

触敏装置变得越来越普及，并且存在多种应用。例如，经由触摸屏可以控制计算机，移动电话不再具有数字键盘，并且现代售货亭的界面也采用这种技术。

与电容式或感应式方法不同，基于在物体或界面区域中传播的声波的分析的新技术提供了吸引人的技术方案。这种方法从EP 1512116中得知。在该方法中，通过分析由诸如压电传感器之类的声换能器捕获的声音信号，确定物体，如触摸屏或任何输入装置的表面上的触击的位置。所测量到的作为触击结果的信号随后与一组预定信号相比较，其中所述预定信号对应于当在物体的表面的形成声音界面的至少一个有源区中的多个位置上产生触击时检测的并且在校准物体时确定的信号。当测量到的信号和一个预定信号彼此足够接近时，确定在校准期间获得所述一个预定信号所处的位置对应于一次触击。为了提取想要的信息，EP 1512116的方法将检测到的信号归一化并采用该信号的相位信息确定触击的位置。

虽然该方法在多种应用中非常好地发挥作用，但已经在低信噪比情况中或者在每次存在多于一个的触击的情况中发现某些限制。

发明内容

因此，从此开始，本发明的目标是提供一种方法和触敏装置，其特别是通过在信噪比相当低时提供更好的结果而进一步改进已知的方法。

该目标由根据权利要求1的方法实现。这种用于确定包括两个或更多个换能器的物体的表面上的一个或多个触击或触摸的位置的方法包括下述步骤：a)从所述换能器中的每一个接收信号，特别是声音信号，其中所述信号对应于所述表面上的至少一个位置处的至少一个触击；b)基于在步骤a)中接收到的所述信号和预定特性，特别是声音特性，确定所述物体的在所述物体的所述表面上的给定位置处的代表值；以及c)基于所述代表值和所述至少两个信号的中的对应的值的比较，判断步骤a)中的所述表面上的所述至少一个位置处的至少一个触击是否对应于所述表面上的所述给定位置。

代替比较两个信号，根据本发明的方法提出计算不仅考虑预定声音特性而且考虑实际触击的特性的代表值。看起来通过进行这种方式，变得能够确定交互作用表面上的触击的位置，即使在不利的条件中，如对于低信噪比信号，以及在同时发生多于一个的触击的情况中。

在这里，在本文中，术语″触击″涉及任何触摸活动，如用手指、铁笔的轻击，表面上的连续交互作用，如拖曳。而且，在存在多于一个的触击的情况中，这些特别涉及同时触击，而且涉及多个拖曳动作。而且物体的信号和预定特性优选在音频范围内，特别是在可听范围内。然而，根据本发明，获得信号和特性的频率的范围可以扩展，特别是高达约100kHz。术语″特性″或″声音特性″涉及表征物体的值，例如将换能器与给定位置相关联的声音响应。这些值通常在校准系统之后获得。

有利地，步骤b)可以包括基于所述物体在给定位置处的特性和在步骤a)中接收到的所述至少两个信号确定所述给定位置的重构源信号的步骤b1)。

在本文中，重构源信号对应于交互作用表面上的多个位置中的每一个的源的估计，特别是最可能的估计，其中已经为所述多个位置确定了用于至少两个换能器H1，H2的声音响应，且因此该声音响应是已知的，并且重构源信号产生由换能器接收的信号或至少产生与此类似的信号。因此估计的源对应于这些位置上的一种虚的触击。典型地，如在测量的信号进行傅里叶变换动作之后在频域内执行步骤b1)。

优选地，步骤b)还可以包括基于所述重构源信号和所述物体的所述表面在所述给定位置处的特性确定给定位置的至少两个重构信号，特别是声音信号的步骤b2)。因此，当在给定位置处发生虚的触击时，重构源信号用作人们将在换能器处希望的信号的计算基础。重构信号和测量信号之间的相似性提供了用于确定是否在该给定位置发生实际触击的可能性。

有利地，步骤c)中的所述比较包括确定误差能量，特别是下述数值表达式

$\underset{k}{\mathrm{\Σ}}({|e_1\left(f_k\right)-{e_1}^{\′}(f_k,i)|}^2+{|e_2\left(f_k\right)-{e_2}^{\′}(f_k,i)|}^2),$

其中e₁(f_k)和e₂(f_k)表示在步骤a)中接收到的频域内的所述至少两个声音信号，e₁′(f_k，i)和e₂′(f_k，i)表示基于所述物体的所述表面上的给定位置i处的重构源的至少两个重构声音信号，并且求和遍及感兴趣的频率，特别是所述物体的预定特性呈现的频率。对于最靠近实际触击的位置i，该值将显示最小值。代替二阶值，在进行确定的步骤c)中可以使用项|e_1，2(f_k)-e_1，2′(f_k)|的较高阶，如4阶，以更好地在发生触击的位置和其它位置之间进行区分。

根据优选实施方式，可以通过采用下述表达式

直接确定所述误差能量而合并步骤b)和c)，其中e₁(f_k)和e₂(f_k)表示在步骤a)中接收到的转换成频域的所述至少两个声音信号，λ_2，k，i和λ_3，k，i与所述物体的所述表面的给定位置i的声音特性成比例，特别地，

${\mathrm{\λ}}_{2,k,i}=H_1^{*}(f_k,i)H_1(f_k,i),$ 且 ${\mathrm{\λ}}_{3,k,i}={-2\·H}_2^{*}(f_k,i)H_1(f_k,i),$

H₁(f_k，i)和H₂(f_k，i)表示位置i和换能器的位置之间的声音响应。与上述实施方式相比，确定触击的位置所需要的计算能力小，因为直接获得误差能量。因此该处理可以更快地实现。

优选地，步骤b)可以包括滤波步骤b3)，滤波步骤b3)用于去除所述重构源信号的最大值附近的背景噪声，特别是在时域中。通过进行滤波，可以进一步改善重构源信号的信噪比。此外，通过进行滤波，发现可以独立地确定多个同时的触击，因为至少部分地从远距离源中去除了干扰成分。

进一步优选的步骤b3)可以包括下述步骤：在时域中转换步骤b1)中的重构输入源信号；随后确定重构输入信号具有最大幅度的时间(t_max)；随后滤掉t_max附近的时间窗，以获得对应于所述物体的所述表面上的给定位置处的给定触击的修改后的重构源信号；再次将修改后的重构源信号转换成频域，并在步骤b2)中将频域中的修改后的重构源信号用作重构源信号。采用这些处理步骤，信号的滤波导致结果的进一步改善。

有利地，可以为所述物体的所述表面上的多个位置重复步骤a)至c)。因此可以分析物体的整个表面，以发现在哪个位置发生实际触击。而且，采用这种创造性的方法，变得可行的是，在所述物体的所述表面的已经在之前确定其预定特性的多个位置范围内，在一次分析运行时间中不仅能够确定一个触击，而且能够确定多于一个的触击的位置。

有利地，步骤b)可以包括用于仅为靠近实际触击的位置的位置执行步骤b3)的触发步骤。触发例如可以基于重构源信号的相位特性的分析。采用触发步骤，可以进一步减少确定实际触击的位置或多个位置的时间。

根据优选实施方式，步骤c)可以包括确定在步骤a)中接收到的信号的信号能量，特别是确定下述值

$\underset{k}{\mathrm{\Σ}}({\left|e_1\left(f_k\right)\right|}^2+{\left|e_2\left(f_k\right)\right|}^2),$

其中k表示频域f中的值的数量，e₁(f_k)和e₂(f_k)表示在步骤a)中接收到的转换成频域的至少两个信号，并且步骤c)中的所述确定基于所述信号能量和所述误差能量进行。在该情况中，通过最大值，特别是绝对或相对最大值，可以确定最靠近实际触击的位置的给定位置。

优选地，步骤c)可以包括，当误差能量表示绝对最小值或与相邻位置的误差能量相比的相对最小值时，确定所述给定位置对应于触击的一个位置。在这种替换中，可以将对应于实际触击的位置的给定位置识别为最小值。

根据本发明，误差能量的最小值或所述比的最大值可以在已经分析所述物体的所述表面的预定特性已经被确定的所有位置i之后确定，或者可以通过将用于给定位置的值与之前分析的位置的值进行比较并在误差能量的情况中仅保留较小的一个值或在所述比的情况中仅保留较大的一个值而确定。因此第一变形例提供了可以从中提取多于一个的极限的地图，并且因此可以优选用于多触击、多触摸应用。第二变形例的执行非常简单，因此当速度起主要作用时是吸引人的。

优选地，接收到的信号的幅度和相位信息在步骤b)中都被使用。通过不仅考虑相位信息，而且考虑幅度来确定代表值，可以以甚至更高的精度确定触击的位置，并且该方法对任何噪声都有抵抗性。

而且，本发明计算机程序产品，其包括用于执行如上所述的方法的计算机可执行指令。采用这种计算机程序产品，可以获得与所述方法相同的优点。

最后，本发明还涉及根据权利要求15的触敏装置，其包括交互作用表面和至少两个换能器以及控制单元，该控制单元被配置为执行如上所述的方法。采用该触敏装置，可以获得与所述方法相同的优点。

附图说明

将联系附图进一步详细描述本发明。

图1图示了具有被构造为执行根据本发明的方法的交互作用表面的触敏装置，

图2a图示了根据本发明的用于确定触击的位置的方法的第一实施方式，

图2b图示了第一实施方式的分析结果，

图3图示了根据本发明的用于确定触击的位置的方法的第二实施方式，其可以比第一实施方式更快地执行，

图4a根据本发明的用于确定触击的位置的方法的第三实施方式，其被配置为识别多于一个的触击位置，

图4b图示了第三实施方式的分析结果，以及

图4c图示了第三实施方式的分析结果。

具体实施方式

图1图示了采用根据本发明的用于确定表面上的触击位置的方法的触摸检测装置1的三维示意图。触摸检测装置1包括交互作用表面3以及至少两个换能器5和7，用户经由交互作用表面3通过触摸活动向该装置提供输入，换能器例如为压电换能器、电容式压电换能器、磁阻式压电换能器、电磁式压电换能器、或能够将声音信号转换为电信号的任何装置。然而，本发明也可以采用多于两个的换能器实现。

本发明将被描述用于音频范围内的声音信号，然而在不偏离本发明的情况下，根据本发明，也可以分析在高达100kHz频率范围内的信号。

触摸检测装置1的控制系统9配置为识别触摸活动(如由手指或铁笔进行的触击，在表面上的拖曳，但也可以为多个触摸或多个拖曳动作，在触摸活动期间由用户在交互作用表面上施加多于一个的输入)的位置，以经由输出界面11提供该信息，从而控制至诸如手持电子装置、计算机或具有触敏表面的任何种类的机器之类的电子装置(未示出)的输入。

控制系统9包括数据库，数据库用于表征感兴趣的频率范围，如音频范围内的特性的数据。对于某个数量的位置i(其优选在整个交互作用表面3上或至少在交互作用表面的感兴趣的区域上均匀地展开)，该数据库包括与声音响应H₁和H₂成比例的值，所述声音响应通过S＝H＊E将由换能器5和7接收到的信号S与位置i处的激励E相关联。

为了识别由用户提供的触击的位置，该控制系统采用如下所述的方法中的一种。

图2a示出了根据本发明的第一实施方式的方法的框图。根据权利要求1的步骤a)，换能器5和7在步骤S1和S2处接收第一信号e₁(t)和第二信号e₂(t)。经由傅里叶变换(步骤S3和S4)，特别是FFT型傅里叶变换，信号被量化成如512个值，并转换成频率空间e₁(f)和e₂(f)，这里通常为音频范围，但频率范围也可以向外扩展，如高达100kHz。

随后，步骤S5是确定信号能量

其中求和遍及所有频率或这些频率的子范围。

而且，信号e₁(f)和e₂(f)还用在步骤S6中，以采用物体的存储在数据库中的特性H₁和H₂评估给定位置i(参见图1)处输入源，因此评估虚源。H₁和H₂实际上是频率f和位置i的函数，因此H₁＝H₁(f，i)，并且H₂＝H₂(f，i)。通过下述等式获得重构源信号：

采用

重构源信号，人们随后可以基于下述等式(S7)获得重构信号：

这些重构信号对应于在对应于

的触击在界面上执行的情况中在换能器5和7处观察的信号，并根据权利要求1的步骤b)形成代表值。

随后，在步骤S8中，基于下述等式确定重构误差能量：

随后，对于所有的位置i＝1～N，重复步骤S6至S8(S9)，数据库具有这些位置i＝1～N的预定特性。在作出决定步骤c)中，代替二阶值，可以使用项|e_1，2(f_k)-e_1，2′(f_k)|的较高阶，如4阶，以更好地在发生触击的位置和其它位置之间进行区分。

随后，在步骤S10中确定步骤S5的信号能量与S9的误差能量之比的最大值。最大值位置i_max实际上对应于实际触击发生的位置。这在图2b中示意性地示出，图2b再调用图1的装置，并且还示出了定量配给的信号能量/误差能量的结果。

代替在S10中查看所述比的最大值，通过不执行步骤S5并且搜索步骤S8的误差能量值的最小误差能量值，也能够实现本发明。根据另一种变形，通过在每次迭代中存储该位置的正被分析的误差能量和到目前为止最小的误差能量之间的最小值，也可以发现触击的位置i_Max。通过这样做，可以进一步降低数据分析的量，因为在每次迭代中，仅需要执行一个附加计算步骤。

图3图示创造性方法的第二实施方式。该实施方式表示第一实施方式的简化。实际上，通过直接计算测量的信号和重构信号之间的误差能量，将步骤S6至S8合并成一个处理步骤。步骤S6至S8由步骤S20代替，步骤S20可以被表示为：

在该表达式中， ${\mathrm{\λ}}_{2,k,i}=H_1^{*}(f_k,i)H_1(f_k,i),$ ${\mathrm{\λ}}_{3,k,i}=H_2^{*}(f_k,i)H_1(f_k,i)$ 在装置1的查找表范围之外使用(S21)。与第一个相比，查找表的项已经因此通过合并响应H₁和H₂而被修改。采用这种修改，因此变得能够在一个步骤中获得误差能量，因此简化计算，并且可以更快地执行处理。在该示例中，频率范围内的求和遍及表示查找表为响应H₁和H₂提供的频率的233个值。

其它处理步骤对应于第一实施方式的步骤，并且因此不再重复它们的描述，通过引用结合它们。可以采用如在第一实施方式中相同的变化调整根据第二实施方式的方法。

图4a示出了根据本发明的第三实施方式的方法的框图。它允许确定交互作用表面上的多于一个的同时发生的触击。在这里，多于一个的触击涉及触摸活动，如手指的轻击，但还涉及如由两个手指在界面3上进行的拖曳动作。

与第一实施方式相比，第三实施方式包括代替第一实施方式的步骤S6至S8的步骤S30至S35。剩余的步骤相同，因此通过引用将它们的描述结合于此。

第三实施方式的方法在S6的重构源信号上执行滤波步骤，以去除背景噪声，而且从更远的激励源中去除干扰成分。为了首先这样做(S30)，重构源

转换回时域

对应的信号40在图4b中显示。在接下来的步骤S31中，确定信号40具有其最大值的时间t_Max。随后在步骤S32中，仅保留在定位在t_Max左右的t₀和t₁之间的窗口41内的信号，滤出剩余的信号。在S33中，修改的源信号再次转换回频域

并且基于这种修改的重构源信号，可以采用下述表达式在步骤S34中确定修改的重构信号：

在此基于修改的重构信号，采用下述表达式确定给定位置i处的误差能量：

与第一和第二实施方式中一样，对于交互作用表面上的所有位置执行该处理，并且随后基于最大比标准，通过用最大比搜索位置，确定触击的位置。这在图4c中示出，图4c示出了步骤S10的用于双触摸的结果。对于位置A和B，以采用根据第三实施方式的方法确定最大比。这由于滤波步骤而变得可行。

根据第三实施方式的方法具有的优点在于，在覆盖所有位置i的一次分析运行时间中获得两个或甚至更多个位置。对于下一范围，因此可以执行同样的处理步骤，以便也可以实时分析表面范围内的拖曳动作和表面3范围内的多个拖曳动作。

为了进一步加速分析时间，变形例预知采用触发步骤，其识别可能已经发生触击的可能位置，并且因此仅为这些位置执行步骤S30至S35。对于其它位置，可以采用根据一个或两个实施方式的方法。

当然，代替最大比标准，也可以采用如在实施方式1和2中描述的其它变形来确定触击的位置。

可以由计算机程序产品执行根据第一至第三实施方式的方法，而且，即使对于低信噪比，它们也提供稳定的结果，因为使用了接收的信号的所有信息，因此使用了幅度和相位。

Claims (15)

1.一种方法，用于确定包括两个或更多个换能器的物体的表面上的一个或多个触击或触摸的位置，该方法包括下述步骤：

a)从所述换能器中的每一个接收信号，特别是声音信号，其中所述信号对应于所述表面上的至少一个位置处的至少一个触击；

b)基于在步骤a)中接收到的所述信号和预定特性，特别是声音特性，确定所述物体的在所述物体的所述表面上的给定位置处的代表值；以及

c)基于所述代表值和所述至少两个信号的中的对应的值的比较，判断步骤a)中的所述表面上的所述至少一个位置处的至少一个触击是否对应于所述表面上的所述给定位置。

2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤b)包括基于所述物体在给定位置处的特性和在步骤a)中接收到的所述至少两个信号确定所述给定位置的重构源信号的步骤b1)。

3.根据权利要求2所述的方法，其中步骤b)还包括基于所述重构源信号和所述物体的所述表面在所述给定位置处的特性确定给定位置的至少两个重构信号的步骤b2)。

4.根据权利要求3所述的方法，其中在步骤c)中，所述比较包括确定误差能量，特别是下述数值表达式

$\underset{k}{\mathrm{\Σ}}({|e_1\left(f_k\right)-{e_1}^{\′}(f_k,i)|}^2+{|e_2\left(f_k\right)-{e_2}^{\′}(f_k,i)|}^2),$

其中e₁(f_k)和e₂(f_k)表示在步骤a)中接收到的频域内的所述至少两个声音信号，e₁′(f_k，i)和e₂′(f_k，i)表示基于所述物体的所述表面上的给定位置i处的重构源的至少两个重构声音信号，并且求和遍及感兴趣的频率，特别是所述物体的预定特性呈现的频率。

5.根据权利要求1所述的方法，其中通过采用下述表达式

直接确定所述误差能量而合并步骤b)和c)，其中e₁(f_k)和e₂(f_k)表示在步骤a)中接收到的转换成频域的所述至少两个声音信号，λ_2，k，i和λ_3，k，i与所述物体的所述表面的给定位置i的声音特性成比例，特别地，

${\mathrm{\λ}}_{2,k,i}=H_1^{*}(f_k,i)H_1(f_k,i),$ 且 ${\mathrm{\λ}}_{3,k,i}=H_2^{*}(f_k,i)H_1(f_k,i),$

H₁(f_k，i)和H₂(f_k，i)表示位置i和换能器的位置之间的声音响应。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其中步骤b)包括滤波步骤b3)，滤波步骤b3)用于去除所述重构源信号的最大值附近的背景噪声，特别是在时域中。

7.根据权利要求6所述的方法，其中步骤b3)包括下述步骤：

在时域中转换步骤b1)中的重构输入源信号；随后确定重构输入信号具有最大幅度的时间(t_max)；随后滤掉t_max附近的时间窗，以获得对应于所述物体的所述表面上的给定位置处的给定触击的修改后的重构源信号；再次将修改后的重构源信号转换成频域，并在步骤b2)中将频域中的修改后的重构源信号用作重构源信号。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的方法，其中为所述物体的所述表面上的多个位置重复步骤a)至c)。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的方法，其中步骤b)包括用于仅为靠近实际触击的位置的位置执行步骤b3)的触发步骤。

10.根据权利要求4-9中任一项所述的方法，其中步骤c)包括确定在步骤a)中接收到的信号的信号能量，特别是确定下述值

$\underset{k}{\mathrm{\Σ}}({\left|e_1\left(f_k\right)\right|}^2+{\left|e_2\left(f_k\right)\right|}^2),$

其中k表示频域中的值的数量，e₁和e₂表示在步骤a)中接收到的转换成频域的至少两个信号，并且步骤c)中的所述确定基于所述信号能量和所述误差能量进行。

11.根据权利要求4-10中任一项所述的方法，其中步骤c)包括，当误差能量表示绝对最小值或与相邻位置的误差能量相比的相对最小值时，确定所述给定位置对应于触击的一个位置。

12.根据权利要求10或11所述的方法，其中误差能量的最小值或所述比的最大值在已经分析所述物体的所述表面的预定特性已经被确定的所有位置i之后确定，或者通过将用于给定位置的值与之前分析的位置的值进行比较并在误差能量的情况中仅保留较小的一个值或在所述比的情况中仅保留较大的一个值而确定。

13.根据权利要求1-12中任一项所述的方法，其中步骤a)中的接收到的信号的幅度和相位信息在步骤b)中都被使用。

14.一种计算机程序产品，包括用于执行根据权利要求1-13中任一项的方法的计算机可执行指令。

15.一种触敏装置，包括交互作用表面和至少两个换能器以及控制单元，该控制单元被配置为执行根据权利要求1-13中任一项所述的方法。

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