CN102804112A - 一种方法和用于执行该方法的触摸检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于确定归因于触击位置的声音响应的方法，特别地所述触击是在包括至少一个换能器的对象的表面上的触摸事件，所述方法包括如下步骤：a)从至少一个换能器接收声音信号，其中该声音信号对应于在表面上的至少一个位置处的预定激励(E)；b)基于在步骤a)中接收到的声音信号确定声音响应；和c)基于在步骤b)中确定的至少两个不同的声音响应，确定归因于在表面上的不同于预定激励的位置的至少一个位置的声音响应。

Description

一种方法和用于执行该方法的触摸检测装置

技术领域

本发明涉及用于确定归因于对象的表面上的诸如触摸活动之类的触击的位置的声音响应的方法，并且涉及执行该方法的触摸检测装置。

背景技术

用于基于分析声音信号确定对象的表面上的触击的位置的方法是本领域已知的。这种技术基于采用一个或多个换能器测量声音信号(signal)以获得触击的声音特征(signature)，并将该声音特征与一组预定的声音特征进行比较，其中每个预定声音特征表示触觉或触知界面的给定位置。随后基于其声音特征与所述预定声音特征中的一个的类似性识别触击的位置。图1示意性地图示了这种具有交互作用表面101和两个换能器103的现有装置。

可以是查找表或者数据库形式的声音特征的预定组通过在装置的校准期间计算在触觉界面的面上紧密间隔的位置105的各自声音图来产生。查找表由自动化过程产生，如使用机器人化工作台。使用的机器人配备振动器和金属尖端，并按顺序在每个位置上执行预定作用力和形状的触击。因此从声音响应中建立给定位置的声音特征，声音响应从在该位置触击以后由至少一个换能器接受的测量的声音信号确定。声音特征对于触击位置是唯一的。声音响应是表示在受到机械激励时触觉界面的响应的频率的函数。声音响应可以是转移函数，其表示机械激励和换能器的输出之间的关系。

WO 2006/015888 A1只是建议存储校准阶段的测量信号。WO2006/069596 A1建议基于在交互界面上的预定区域上产生参考触击时由声音换能器接收的两个声音信号的相位的相互关系确定声音特征。

特别地，对于触摸屏应用，查找表的产生花费许多时间，由于通常需要获取数千的声音响应以覆盖具有足够分辨率的整个触觉区域。而且，由于在具有触觉表面的对象的制造过程中的可接受的公差，每个产品都需要单独地校准，因为一个建立的查找表不一定能从一个对象适用于下一个。由于某些对象的复杂性，至少在它们的综合状态中，如由WO2006/015888建议的建立查找表的纯粹理论方法并不总是可能的。

一种减少在工业化过程中校准时间的方法可以使用机器人化的工作台使用多个校准位置。由于这些工作台的成本相对较高，在校准过程代表高投资。另一方面，减少制造公差也将导致不可接受的成本上升。

发明内容

因此，本发明的第一目的是提供用于确定在对象的表面上的触击的任何位置处的声音响应的方法，和实施该方法的触摸感应装置，使用该方法可以更快地获得声音特征的预定组。

而且，由于磨损、划痕、老化、温度变化、整体漂移或其他已知或未知的触击，使对象触摸表面变化，从而具有预定声音特征的原始查找表不再提供令人满意的结果。因此，需要进行一组声音特征的重新校准。这可以使用机器人化工作台进行。然而，这并不符合非常实用的解决方案。

WO2008/146098 A1提出一种考虑到可以稍微改变换能器的尺寸的环境变化的方法。对象的厚度实际上对波传播具有影响。在WO2008/146098A1中，提出缩小/放大算法，缩小或放大在频率间隔中的声音响应，以考虑厚度中的变化，以提高定位结果。虽然此方法呈现对于这种特殊类型变化提供的令人满意的结果，但其不能处理对象的更复杂变化。

因此，本发明的第二目的是提供用于确定在对象的表面上的触击的位置处的声音响应的方法，从而，可以以简化的方式进行声音特征的预定组的重新校准。

第一目的使用用于确定归因于在包括至少一个换能器的对象的表面上的触击的位置的声音响应的方法实现，所述方法包括如下步骤：a)从至少一个换能器接收声音信号，其中该声音信号对应于在表面上的至少一个位置处的预定激励(E)；b)基于在步骤a)中接收到的声音信号确定声音响应；c)基于在步骤b)中确定的至少两个不同的声音响应，确定归因于在表面上的不同于预定激励的位置的至少一个位置的声音响应。本发明发现用于给定位置的声音响应可以从涉及到其他不同位置的实验数据中确定。这大大简化对象的触摸敏感表面的校准，因为在校准过程中表面上的实际触击的数目可以减少。

在这种情况下，触击特别地涉及触摸事件，如由一个或多个用户手指触摸或在例如触摸屏装置的对象的表面上的拖动。预定激励，可以是机械起因，也可以涉及触摸事件。而且，对象可以是由任何类型材料或材料组合和任何形状制成的任何种类物体，只要求可以传输声音波。例如，对象可以由玻璃、塑料、木材、金属等制成，形状可以是平板或弯曲的板，在一般情况下，从简单到复杂的任何三维形状。在此背景下，换能器对应于，将声音信号转换成另一种信号的任何装置，例如电信号。例如，压电换能器可用于本发明。“声音”一词涉及高达100kHz的频率，特别是高达40kHz的，更特别地高达20kHz。据发明的另一个方面，可以从至少两个换能器接收声音信号，声音信号在这种情况下对应于在表面上至少一个位置处的至少一个预定激励。因此，在这个变化中，执行本发明需要的至少两个不同的声音响应通过存在至少两个换能器获得。根据变化，声音信号可以从至少一个换能器接收，但是声音信号对应于在表面上的至少两个位置处的预定激励。因此，在这种情况下，不同的声音响应涉及不同的激励，并且一个换能器将足够以执行本发明。当然，两种变化可以结合，从而使用一个以上的换能器并且使用在表面上施加激励的一个以上的位置。在步骤c)中使用不同的声音响应的数量也将取决于在步骤c)过程中确定的声音响应的精度，人们希望获得的精度。

优选地，预定激励可以应用在定位在对象的表面的边界区中的位置处，特别是在作为触摸敏感输入区域或甚至该区域外部的对象的表面的部分的边界区处。通常情况下，在对象上，只有表面的部分将被用来作为触摸敏感输入区域，如手持电子装置的屏幕部分。在这种情况下，用于提供激励的装置可以定位成使得它们远离感兴趣的区域，例如隐藏在屏幕的框架区域中。因此，用于提供激励的装置实际上可以保持在对象的内部，并且不仅在校准过程中可以使用而且最终也用于重新调整。在一个变化中，用于提供激励的装置可以是与用于感应信号相同类型的换能器，例如压电换能器，但是作为致动器以提供激励。

有利的是，该方法可以进一步包括一个步骤d)：基于在步骤b)中确定的声音响应，确定在表面上的不同于预定激励的至少一个位置的多个位置处的声音响应。因此，仅使用有限数量的实际激励/触击，可针对对象的感兴趣的整个表面确定声音响应。

优选地是，该方法可以进一步包括一个步骤e)：收集在表面上的不同于在步骤d)中预定激励的位置的多个位置处确定的声音响应以形成查找表。因此，该方法可以以相比现有技术只使用有限数量的实际触击较快但仍然可靠的方式，用来建立如上所述的一组预定声音响应。查找表包括对象的表面的特征的数据，并且一旦表面的校准过程中已经建立一组预定声音响应，在触摸事件本土化进程中使用。由于仅需要有限数量的实际激励以获得用于对象的表面的查找表，各自查找表可以创建用于每个产品。由于从产品到产品的任何偏差被单独考虑，这降低了集成约束。

有利的是，该方法可以还包括步骤f)：仅选择在步骤b)过程中确定用于执行步骤c)的声音响应，该声音响应满足预定标准，特别是关于信噪比和/或测量一致性的至少一个。这些标准基于频率，因而能够进行有动机的选择，以选择声音响应具有良好质量的频率范围。这个额外的步骤带来的好处是，可以进一步提高在步骤c)过程中确定的声音响应的质量。

根据优选的实施例，该方法可以包括步骤：g)基于辅助位置和表面上的不同于预定激励的位置的位置之间的距离，确定第一次代表函数，所述辅助位置定位成远离预定激励的位置和表面上的不同于预定激励的位置的位置；h)基于辅助位置和预定激励的位置之间的距离，确定第二代表函数；i)计算在步骤g)中确定的第一代表函数和在步骤h)中确定的第二代表函数之间的比率；j)对于表面上的不同于预定激励的位置的每个位置和对于每个辅助位置，重复步骤g)；和k)对于预定激励的每个位置，重复步骤h)。基于波叠加的这个方法能够实现确定所需的用于定位在表面上的远离激励发生位置的位置的声音响应的全部数值方式。

优选地，辅助位置可以是表面的外部，并且远离预定激励的每个位置，和远离在表面上的不同于预定激励的每个位置的每个位置。事实上，通过设置辅助位置在外部，算法允许确定辅助位置内部的声音特性。

本发明的第二目使用如下方法实现，除了权利要求1的方法步骤以外，还包括重复步骤a)至c)的步骤j)，特别是在需求时和/或在检测特别情况时和/或在定期基础上。通过不时地重复至少步骤a)至c)，能够识别声音响应中的变化，并且从而能够识别在预定声音特征组中的变化，预定声音特征组是识别由用户在对象的触摸表面上施加的触击的位置所需要的，对象的触摸表面因而作为触摸感应界面。通过简单地提供根据权利要求1的步骤a)的至少一个激励，该方法允许重新校准声音响应，并且诸如磨损、划伤、老化、温度的影响被考虑到。当重新校准考虑到在重新运行校准时的对象的属性时，更新的声音响应的精度优于简单地通过校正因子校正数据库的过程。可以自动地或按要求地重新校正，例如，当用户认识到识别的位置不同于实际位置时。

有利的是，该方法可以进一步包括比较声音响应和与表面上的该位置对应的先前确定的声音响应的步骤m)，特别地，对应于在查找表的表面上的该位置的声音响应。通过保持变化的痕迹，将有可能识别声音响应的变化来源。

优选地，设置预定激励以使预定激励的两个相邻位置之间的间隔λ满足关系λ≤1.2A，其中A是

ω为声音信号的角频率，特别是来自换能器的声音信号的感兴趣的最高频率，E、υ、ρ和h是对象的属性，分别表示弹性模量、泊松比、密度和厚度。更优选地，设置预定激励以使间隔λ满足关系0.5A≤λ≤1.2A，特别地0.9A≤λ≤1.0A。在此范围内，可以实现有关性能的优化结果，因此可以实现在步骤c)中和在获得过程中确定的声音响应的准确性。

有利的是，设置预定激励以使声音信号的每个波长，特别是感兴趣的每个最小波长的预定激励的位置的数量大于一个，优选地在3至6之间。在此范围内，可以实现有关性能的优化结果，因此可以实现在步骤c)中和在获得过程中确定的声音响应的准确性。在这里，最小波长当然与上面定义的感兴趣的最大频率关联。

在本发明的上下文中，术语“感兴趣的最高频率”与触摸事件(即，触摸、拖动)输入振动能量到触觉对象的能力关联。对于建立查找表，用户注入的没有能量的频率不需要被考虑。通常情况下，频率限制设置为约20kHz。然而，为了进一步提高的结果，甚至可能考虑达到40kHz的频率，甚至高达100kHz的频率。

根据优选的实施例，至少一个换能器位于对象的表面的对称轴线上。特别地，在表面的形状为长方形的情况下，至少一个换能器位于长方形表面的至少一个对称轴线上，并且预定激励仅设置在长方形表面的每个第二象限的位置处。通过这样做，能够有利于对象的特殊性质和不得不在步骤a)中执行实际预定激励的位置的数量可以被减少。因此，获得相关的声音响应所需的时间也可以减少。对于其他形状的，情况是类似的。每个对称轴线需要设置至少一个换能器和需要确定用于能够关于在步骤c)的过程中确定的声音响应实现所需的分辨率的激励的量。

有利的是，预定激励的位置可以随机布置。通过打破实际的预定激励被执行的位置的规则组织，可以克服在数据的数值分析过程中可能发生的虚构共振。

有利的是，预定激励的位置形成在至少两行中，特别地，以使第一行中的位置之间的间隔不同于第二行中的位置之间的间隔。优选地，较小间隔在关于感兴趣的表面的外部行上。进一步优选地，外部行具有至少4倍以上的激励应用的位置。这具有再次避免虚构共振的优势。

本发明的目的也可以使用计算机可读介质实现，包括存储在其中的计算机可执行指令，用于执行上述方法。具有这个介质，如上所述相同的优势可以实现。

本发明还涉及根据权利要求13的触摸感应装置，包括：交互作用表面；至少一个换能器；和控制装置，用于从至少一个换能器接收声音信号，其中声音信号对应于在交互作用表面上的至少一个位置处的预定激励(E)；用于基于接收的声音信号确定声音响应；和用于基于根据接收的声音信号确定的至少两个不同的声音响应，确定归因于在交互作用表面上的不同于预定激励的位置的至少一个位置的声音响应。因此，有了这种装置，要获得在介绍中提到的一组预定声音特征所需要的一定位置的声音响应可以从涉及到其他不同的位置的实验数据确定。这大大简化了对象的触摸敏感表面的校准，因为在校准过程中表面上的实际触击的数量可以减少。控制系统被具体配置以执行如上所述的方法。

优选地，配置控制装置以从至少两个换能器接收声音信号，并且该声音信号对应于在表面上的至少一个位置处的预定的激励，或者其中配置控制装置以从至少一个换能器接收声音信号，并且该声音信号对应于在表面上的至少两个位置处的预定激励。只要提供至少两个不同激励位置或至少两个换能器，可以实现关于上述方法所提到的优点。

优选地，配置控制装置以基于接收的声音响应确定在表面上的不同于预定激励的至少一个位置的多个位置处的声音响应。因此，整个对象，或其应提供触摸感应界面的至少一部分，可以被分析，并且声音响应数据可能通过使用在对象的表面上的仅仅一些实际激励的实验数据提供。

根据一个有利的实施例，控制装置被配置以收集在表面上的不同于预定激励的位置的多个位置处确定的声音响应以形成对应于表面上的多个位置的查找表。进行分析的输入数据涉及激励的实验数据。利用这些数据，有可能确定声音响应，用于由装置和其触摸感应表面执行的应用所需要一样多的位置。特别地，通过在方法的步骤c)中简单地计算用于更多位置的声音响应，能适应分辨率。这仅需要额外的计算时间并且没有新的实验数据。

优选地，装置可以进一步包括重新校准单元，用于重新确定声音响应，特别地，根据需求和/或在特殊情况检测时和/或在定期基础上。因此重新校准单元配置成以不时地重复方法的至少步骤a)至c)，以确定在声音响应中的变化。因此，也可以更新一组预定声音信号。因此如刮伤、磨损、老化、温度等的负面影响可以有效地考虑，以使触摸感应装置的寿命可以延长。

根据优选的实施例，可以配置重新校准单元以比较与表面上的位置对应的查找表的声音响应和新确定的声音响应的一个。因此，包括声音特征的整个查找表可以校正声音特性的任何变化，但是同时，痕迹保持变化以能够识别任何更新的源，例如无论是全球或只是本地，更优选地，重新校准单元可以在一个预定激励的位置包括至少一个致动器，特别是压电换能器，从而预定激励由至少一个致动器应用在预定激励的位置。

优选地，至少一个致动器的定位在对象的表面的感兴趣的部位的边界处。通常地，在对象上只是表面的部分将被用作触摸敏感输入区域，如手持电子装置的屏幕部分。在这种情况下，致动器可以被定位，以使其远离感兴趣的区域，例如隐藏在屏幕框架区域，以不会危及装置的用户友好性。另一个优点是，至少一个致动器实际上可以保持在对象内，并且用于校准，以首先建立用于初步查找表的声音响应，并后来用于重新校准一组预定声音响应。在一个变化中，用于提供激励的装置可以是与用于传感信号的相同类型的换能器，如压电换能器，但其功能为致动器以提供激励。

本发明还涉及根据权利要求16的触摸感应装置校准系统，并且具体地包括根据权利要求12至15至少一个的装置。因此，该装置还包括：输入/输出单元，配置以与至少一个换能器和/或控制系统通信；激励装置，用于在表面上的至少一个位置处提供预定激励(E)，其中激励由激励装置和表面之间的机械接触提供；和定位装置，配置成将激励装置定位在表面上的至少一个位置处，以使激励装置在表面上至少一个位置处提供激励，和其中，控制装置被配置为驱动致动器。有了这个系统，上面介绍的优势方法可以执行以获得声音特征的查找表。

优选地，输入/输出单元可以被配置以从至少一个换能器接收声音信号。本发明的方法和装置的有利实施例将参照附图说明如下：

附图说明

图1图示了如根据现有技术已知的触摸检测装置的二维示意图，包括交互作用表面，其中示出了触摸检测装置的表面上的需要该处的声音响应的多个位置(以点示出)；

图2图示了如根据本发明的第一实施例的触摸检测装置的二维示意图，包括交互作用表面，其中示出了触摸检测装置的表面上的需要该处的声音响应的多个位置(以点示出)；

图3图示在用于确定归结于图2的第一实施例的触摸感应装置的表面上的触击位置的声音响应的方法所涉及的主要步骤；

图4图示在用于确定归结于在根据第二实施例的触摸感应装置的表面上的触击位置的声音响应的方法所涉及的步骤；

图5图示在确定声音响应的方法中起作用的本发明的触摸感应装置的表面上的位置的不同类型；

图6图示触摸感应装置的表面上的提供预定激励的位置。图6a图示预定激励的位置的随机布置和图6b图示成行形成的预定激励的位置；

图7图示包括在触摸感应装置中的换能器的位置。图7a图示定位在触摸感应装置的表面的对称的轴线上的换能器和图7b图示定位在偏离触摸感应装置的表面的对称的轴线的换能器；

图8图示在预定激励的位置处的声音响应插值；

图9图示用于根据本发明的第三实施例的触摸感应装置校准的系统；和

图10图示根据本发明的第四实施例的另一个触摸感应装置。

具体实施方式

在下文，将详细描述根据本发明的方法和装置的特征有利实施方式。

图2图示根据本发明的触摸感应装置1的二维示意图，使用用于确定在表面上的触击的位置处的声音响应的方法。触摸感应装置1包括交交互作用表面3和至少一个换能器5。在此实施例中，装置包括两个换能器5a、5b，例如压电换能器、电容压电换能器、磁致伸缩压电换能器、电磁压电换能器、声音测速仪、加速度计、光学传感器、微电机系统传感器(MEMS)或能够将声音信号转化成电信号的任何装置。换能器5和交互作用的表面3之间的连接通过紧固装置实现，可以是胶带、胶水或类似物。本发明还可以仅用一个换能器或两个以上换能器执行。配置触摸感应装置以识别触摸事件的位置、触击、在表面上的拖动，并且提供这个信息以控制电子装置的输入，就像手持电子装置、计算机或具有触摸感应界面的任何一种机器。此功能可由控制装置7提供。

要做到这一点，控制装置7分析从换能器接收的声音信号并且声音特征被确定。通过将这个特征与存储在查找表中的一组预定特征进行比较，获得在交互作用表面3上的触击的位置。要克服在现有技术中的与如在介绍部分中描述的产生预定声音特征相关的问题，并且其主要涉及在交互作用表面3上的每个位置的事实，特征在于必须通过应用激励到位于整个交互作用表面3上的多个位置9处的交互作用表面。

在本发明中，配置控制装置7以基于在与位置9不同的位置11处应用的至少一个预定的实际激励确定在位置9处的声音响应，声音响应对于确定声音特征是必要的。要做到这一点，控制装置被配置以在位置11处触击以后使用由第一换能器5a接收的声音信号确定出的声音响应A和由第二换能器5b接收的声音信号确定出的声音响应B。

在只用一个换能器的实施例中，需要在与图2中图示的位置不同的位置处施加第二激励，以获得关于对象的足够的信息。当然，为了提高精度，在位置9以外的不同位置处可以施加更多激励。

图3图示用于确定归因于触摸感应装置1的交互作用表面上的触击的位置9的声音响应的根据第一实施例的相应方法的概念。

根据本发明的方法，包括以下步骤：(步骤S1)从至少一个换能器5a，5b接收声音信号S，其中信号S对应于在表面3上的至少一个位置11处的预定激励E；(步骤S2)基于在步骤S1中接收的声音信号S确定声音响应A或B；和(步骤S3)基于在步骤S2中确定的至少两个不同的声音响应A、B，确定归因于表面3上的不同于预定激励E的位置11的至少一个位置9的声音响应X。这种方法可以通过计算机程序产品执行，例如装载在控制单元7的内存中。

图4说明用于确定归因于触摸感应装置1的交互作用表面3上的触击的位置9的声音响应X的方法的第二实施例。与第一实施例相比，根据本实施例的方法包括步骤：(步骤S0)在表面3上的多个位置11处提供预定激励；(步骤S4)重复步骤S3以确定用于表面3上的不同于预定激励E的位置11的每个位置9的声音响应，从而确定归因于表面3上的不同于预定激励E的位置7的多个位置9的声音响应；(步骤S5)收集(在步骤S4中)在表面3上的不同于预定激励E的位置11的多个位置9处确定的声音响应，以形成查找表和一组预定声音特征。

在下面，描述执行根据本发明的这个方法的切实可行的方式。这个实施例基于所谓的波叠加方法(WSM)，这是用于在辐射和散射问题中声场重建的数字技术。其主要思想是，声腔可以由激励的有限数量的基本源取代。如果要表征的声域(acoustic domain)在外部，这些源位于腔的内部，并且如果要表征的声域在内部，这些源位于腔的外部。因此，获得感兴趣的声场是每个基本源的场的总和。

WSM的开始点是如下公式：

$p\left(r\right)=\mathrm{j\ρ\ω}\underset{E}{\∫}q\left(r_s\right)G(r,r_s)\mathrm{dE}\left(r_s\right)---\left(1\right)$

其中p是传播媒介的密度和ω为角频率。源标记为q，并且位置r_s是域E的部分。G是自由场格林函数，在这种情况下，其可以写成如下：

$G\left(x\right)=\frac{1}{\sqrt{x}}{e}^{\mathrm{ikx}}---\left(2\right)$

要转换上面的分析方程到其以数字形式，源分布在薄壳中(3D)或连续的轮廓上(2D)。通过离散这个几何实体在N小段中，在腔的表面上可以近似正常速度：

$u_n\left(r\right)\≈\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_i{\▿}_{n}G(r_s,r)---\left(3\right)$

其中Q_i是基本源的体积速度。由于U_n是已知的，Q_i可写成矩阵形式：

Q＝[D]^-1u_n                            (4)

D对应于nabla G，最终得到声场的表达式：

$p\left(r\right)=\mathrm{j\ω\ρ}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}G(r_s,r)Q_i---\left(5\right)$

基于此，可以按照图4的方法步骤确定声音响应，特别是在步骤S3和S4中，在远离发生实际激励位置的位置处。

要做到这一点，方法首先需要下列输入参数：声音响应和然后声音特征存储在查找表或数据库中所用于的在交互作用表面3上的位置7。为了清楚起见，这些位置在下面将被称为数据库位置。优选地，它们本质上涵盖整个交互作用表面3。

而且，需要激励的位置11和它们相关的声音响应A、B。以下这些被称为激励位置11。激励位置11是一组点，其中在预定激励E以后实验地获得声音响应。根据优选的变化，这些点位于交互作用表面的边界区或刚刚在交互作用表面的外部。通过优化激励位置之间的间隔以及它们有关于彼此的布置，方法的例如精度和计算能力的减少的性能可以优化，将进一步说明。

而且，在进行步骤3和4时，需要额外的所谓的辅助位置13用于执行该方法。这此辅助位置13周围数据库和激励位置9和11，如图5所示。优选地，位置13在表面3的外部并且远离预定激励的激励位置和不同于预定激励的位置11的表面上的数据库位置9。

在激励位置11处提供预定激励的步骤S0以后，一次一个，在步骤S1中确定用于激励位置的声音信号。在此实施例中，该方法然后在步骤S2中确定作为转移函数的声音响应，代表机械激励E(输入)和换能器5a、5b响应(输出)之间的关系。因此，需要已知在位置11处机械激励的特性。事实上，这可以通过具有用于输入(激励)和输出(换能器)两者的时域中的信号来实现。在输入侧上，这可以例如，通过直接地分析激励E的作用力传感器的存在来实现。后面介绍这个步骤的一些优选实现方式。

下一步，需要提供激励波数k。这个值可以从诸如板形对象的触摸对象的几何形状估计，或者对于更复杂的几何形状通过实验确定。最后，估计可以通过实验部分完成的。波数的一般表达式可以写成如下形式：

$k=\frac{\mathrm{\ω}}{c}---\left(6\right)$

其中ω＝2πf是角频率和f是频率，c是波在装置1的交互作用表面3的材料中传播速度。触觉界面可考虑为薄板的(即边长度和厚度之间的比率显著大于1)的情况下，波数可表示如下：

$k=\sqrt{\mathrm{\ω}}{\left[\frac{12\left({1-\mathrm{\υ}}^2\right)\mathrm{\ρ}}{{\mathrm{Eh}}^2}\right]}^{1/4}---\left(7\right)$

其中，E，υ和ρ是板的材料特性，分别表示板的弹性模量、泊松比和密度，并且h为板的厚度。

然后(步骤S3和S4)，将应用于激励位置11的所获得的声音响应的WSM系数Q的确定需要已知u_n(参见公式4)。如上面所定义，在辅助位置13处计算这些值u_n。因此，在数据库位置和辅助位置之间计算格林函数(参见公式2)，这些值是u_n。

WSM系数的计算可以概括如下：

重复每个频率

重复每个数据库位置9

重复每个辅助位置13

确定辅助位置13和数据库位置11之间的距离

计算用于这个距离的格林函数[P]

重复每个激励位置11

确定辅助位置13和激励位置11之间的第二距离

计算用于第二距离的格林函数[D]

计算WSM系数[B]＝[D]^-1[P]

接下来，通过应用WSM系数到激励位置11的声音响应计算在数据库位置9处的声音响应。

最后，根据步骤S5，先前在步骤S3和S4中计算的声音响应转化成对于每个数据库点是唯一的声音特征。收集与所有数据库位置相关的所有声音特征以形成查找表。

在确定在数据库位置11处的声音响应之前，只选择相关频率的一个额外的步骤可以应用为这个实施例的变化。在步骤S2过程中在激励位置处获得的声音响应是频率的函数。依靠获得参数(采样频率、帧大小)，交互作用的表面3的材料特性和尺寸，在某些频率处的声音响应可能不相关，因为例如，差的信噪比。

这种额外的但不是强制性的步骤因而存在选择频率，频率被认为相关，通过应用基础标准，例如，在测量的一致性上。因此抵制嘈杂频率，避免降低方法性能。

在下面，描述根据本发明的布置激励位置11的各种可能性。在根据本发明的方法的性能中，激励位置的限定扮演重要角色。

主要参数是几何形状，因此，激励位置如何布置，和适当数量的激励位置11。通过优化这些参数，可以实现在最终数据库上具有足够精度以运行具有所需的分辨率的触摸感应装置1的目标，关于用尽可能少的激励位置的触摸感应界面3，从而可以实现降低计算能力。

通过应用以下规则和方法，根据本发明，在性能和激励位置之间的很好折中是可以实现的。

由激励位置11形成的几何形状可导致在数值数据处理过程中存在虚构共振。这些共振有没有物理意义并且完全与数字公式相关。根据本发明的解决方案在于通过如图6a所示的沿轮廓线15随机定位它们“打破”激励位置11的规则组织。特别地，邻近位置11之间的距离和方位的关系是随机的或没有顺序的。

根据本发明的另一种解决方案在于以如图6b所示的双层网络组织激励位置11。图6b显示预定激励11的位置形成至少两行，特别地，从而第一行中的位置11a之间的间隔不同于第二行中的位置11b之间的间隔。第一行中的位置11a之间彼此均匀间隔，并且第二行中的位置11b彼此均匀间隔。优选地，本文的行11a具有更多的激励位置，朝向数据库位置9定位。

不仅几何形状本身需要加以考虑，而且两个相邻激励位置11之间的间隔需要选择。为了满足方法的性能，此间隔的选择优选地遵循基于感兴趣的最高频率的波长的标准。如果间隔过大，在步骤S3和S4中的声音响应将仅很差地预测。如果间隔过小，对方法的性能没有影响，但会导致较高数量的激励位置11，和因而较长采集时间和需要更多的计算能力。

对应感兴趣的最高频率的最小波长表示如下：

${\mathrm{\λ}}_{\min }=\frac{2\mathrm{\π}}{k_{\max }}---\left(8\right)$

其中k_max是感兴趣的最高频率的波数(参见公式6)。

已发现每波长三至六个激励位置11导致方法的良好性能。每波长三个激励位置11以下，性能往往会大大降低。在图6b所示的激励位置11的双层组织的情况下，这个标准应该是优选地应用在外部激励位置11b。关于内部激励位置11a，已被发现每四个外部点一个内部点导致方法的良好性能。

改善方法的性能的另一种可能性是考虑到对称性。图7a和7b图示存在对称轴线的触摸感应装置1的表面3上换能器5的许多可能布置中的两个。图7a和7b显示长方形表面3，包括换能器5。图7a的换能器5定位在远离表面3的对称轴线17的位置处。图7b的换能器定位在表面3的对称轴线17上。当换能器5定位在表面5的对称轴线17上时，特别地在每个对称轴线上定位一个，预定激励E可以仅设置在由表面的两个对称轴线17限定的每个第二象限的预定激励E的激励位置11处。因此，受益于表面3的对称，可以减少提供预定激励的位置11的数量，因此，可以减少在步骤S2过程中确定的声音响应的数量。因此，在步骤S3中在表面上的不同于预定激励的位置11的位置9处确定的声音响应所需的时间减少。

在这个示例中，可以通过因数2减少激励位置11的数量，从而显著降低获取相关声音响应所需的时间。但是，这种方法假设触觉界面的边界条件也对称。根据交互作用表面的形状和装置1本身，其它对称规则可以应用，导致根据换能器的位置的激励位置11的数量上类似的效果。

优化方法的性能的另一种方式是利用插值方法。如图8所示，它们在于在一些激励位置11本身上计算声音响应。例如，可能地，在N-1激励位置11上设置的情况下，其遵守以上建立的频率标准，除了在两点11a、11b之间(即，在轮廓线中存在“洞”)，可以用可接受的精度估计这个缺少点11c的声音响应。这种变化可以在如下情况下发挥重要作用，该方法不仅用来建立查找表，而且基于在轮廓线点位置处的声音响应的设置的更新进行重新校准程序。实际上用于仅约一半激励位置声音响应的这种方式就必须首先需要部分更新。然后，通过顺序地取代过时的声音响应插值将完成更新，而无需执行这些位置的实验激励。

当然，上述各种实施例可以在任何组合中结合以进一步优化根据本发明的方法。

图9图示根据本发明的第三实施例的触摸感应装置校准系统21的全部结构，其能够加快查找表/数据库创建过程，以获得声音特征的预定组。可校准系统21的触摸感应装置23，可以是图2所示的一个，从而具有配置以建立查找表的控制系统，但也可以是具有交互作用表面25和具有上述相同的属性的换能器27、29的任何其他的一个。

本实施例的系统21的结构描述“直接”的方法：在过程的每个重复处，其中触觉界面3的声音响应在相同的位置因而通过相同的换能器5获得。对比地，在过程的每个重复处，触觉界面3的激励应用和获得在不同激励位置11处。因此，直接方法是基于固定响应和移动激励。

图9没有显示的结构的变化是所谓的“交互方法”，其中在过程的每个重复处，触觉界面3的声音响应在不同位置处获得，并且触觉界面3的激励被应用在相同位置处且在相同位置处获得。因此，交互方法是基于固定激励和移动响应。

系统21包括具有输入/输出单元31的前端装置，特别是模拟输入/输出单元23。输入/输出单元31直接地或通过控制单元7(见图2)与换能器27、29通信，从而获得作为输入的声音信号。可以进行以下操作：模拟输入的信号调节，如放大、滤波、自动增益控制、模拟输入的模拟到数字转换、模拟输出的数字调节，如放大和滤波。单元31还与分析装置33连接，这里是计算机，用于数据传输，并且提供界面以配置系统21。

系统21还包括激励装置35，以在交互作用表面25的激励位置37处(对应在图2的实施例中的位置11)应用机械激励35。这实施例的激励装置35包括三个子单元。

首先，激励装置37是用于在激励位置37处应用机械激励E到界面25的工具。在这个实施例中的装置37包括如矛的至少刚性尖端，由如金属等任何刚性材料制成的小球，以发射预定激励在交互作用表面25上。优选地，这个装置37可以进一步包括将电信号转换成机械激励的装置，如电磁振动筛、压电换能器、电容式压电换能器、磁致伸缩压电换能器、电磁压电换能器或类似物。

可通过在位置37处在尖端和交互作用表面25之间的接触应用激励，或通过快速移动尖端向上和向下以简要地撞击交互作用表面25应用激励。配置激励装置37以在很宽的频率范围内传输机械激励，至少对应感兴趣的范围，用于基于声音信号的检测的触摸感应应用。优选的频率范围是音频频率范围，从0到大约20千赫，但是视情况而定，频率高达40kHz或甚至100kHz也可以考虑。

激励单元35进一步包括激励参考装置39，配置以提供传输到交互作用表面25的机械激励的方法，其用作用于在步骤S2中的声音响应的输入参考。其可以是作用力换能器、应变计传感器、电信号或能够测量机械量的任何传感器。

最后，这个实施例的激励装置35还包括移动装置41，以在激励位置37前移动激励装置，激励在激励位置37处传输到交互作用表面25。这个装置41被配置以从一个位置37到另一个快速移动，具有高的定位精度。这样可以用具有至少3轴位移的机器人实现。

输入/输出单元31和激励装置35与分析装置33连接，分析装置33在这里是计算机，其控制系统21。分析装置33执行至少一个下列行为：其提供具有前端装置的界面、输入/输出单元31，以配置和收集来自输入(即换能器27、29)的数据，但是也从激励参考装置39收集数据，以将数据发送到输出以驱动激励装置37的信号，和向移动装置41传递指示以驱动移动装置到正确位置。

分析装置33的主要任务是应用如上所述的方法以建立查找表。计算机使用在本文档中出现的方法，其能够从在这个区域的边界上获得的一组声音响应中，确定在交互作用表面的区域上的在任何点处的声音特征。

图10描述第四创造性实施例的全部结构。其图示具有与在第一至第三实施例中相同属性的交互界面53的另一个触摸传感装置51和换能器55、57。除了以上关于第一和第二实施例描述的特征(参见图1)，这个装置还包括重新校准单元或自适应单元59。

第四实施例的触摸感应装置51还包括前端装置61，其是根据权利要求12的控制装置的部分，并且提供从换能器55、57接收的信号的处理，如放大、过滤、自动增益控制、模拟到数字的转换。在输出界面处向自适应单元59和后端装置63提供数字化数据。前端装置的其他功能可以是配置界面和电源管理。

后端装置63被配置以获得用户事件的本地化，如触摸、拖拽和下降等，从先前使用在上述介绍中描述的技术由前端装置61获得的信号，并且因而基于与存储在查找表或数据库中的声音信号的预定组比较获得的声音信号。

重新校准单元或自适应单元59在此实施例中满足两个功能：首先，在第一次使用中，执行自动校准以产生具有声音特征的查找表。这是可以在第一次初始化处执行，或在后端装置63指示自适应单元59这样做的任何时间处执行。第二，组件被配置以在识别变化时自动地重新校准交互作用表面53的查找表，例如由于老化、具体的温度范围、在集成装置到另一个装置以后或可能影响交互作用表面53的机械和因而声音行为的任何其他变化。也可以配置装置51以从用户或从后端装置请求时进行重新校准。其也可以定期执行，例如，根据定期时间表。

自适应装置59使用上面介绍的关于第一和/或第二实施例的方法，其可以从在这个区域的边界67上实验地获得的声音响应的设置中确定声音响应和因而确定在交互作用表面53的区域上的任一位置65的特征。为了能够在激励位置69处应用预定激励，至少一个致动器(在此实施例中有四个致动器)连接到交互作用表面53的背面。这些致动器将由自适应装置59产生的电信号转换成在交互作用表面53中传播的弹性波。致动器71可以是压电换能器、电容压电换能器、磁致伸缩压电换能器、电磁压电换能器或类似物，用于作为传感器的换能器55和57。致动器71和交互作用表面之间的连接通过紧固装置实现，可以是胶带、胶水。自适应装置可以是标准的微控制器，并且最终集成到前端装置61、后端装置63或集成的三大功能的ASIC芯片。

最后，触摸感应装置51可以连接到电脑73或任何其他合适的电子装置，如手持电子装置，其从触摸感应装置接收触摸事件或触击的位置作为输入值，输入值可用于控制计算机73的应用程序。

触摸感应装置51的自动校准特征功能如下：在系统的第一开关开启处，自适应装置51负责建立查找表，为了将对象表面变成触摸敏感交互作用表面53。这个过程如下：a)自适应装置51反复地发送信号到每个致动器71以使对象振动，b)基于换能器的声音信号或简单地声音信号的声音响应通过前端装置61和/或自适应装置59反复地获得并且发送到自适应的装置，基于此c)对应致动器71位置，自适应装置59建立声音特征子集，d)自适应装置59从确定用于全部执行器位置71的声音特征的子集中构建查找表和e)后端装置63将其存储到存储器中，最后f)自适应装置59通知后端装置63系统已准备就绪。

触摸感应装置51的重新校准特征功能如下。在系统的整个生命过程中，自适应装置59负责监测交互作用表面53的完整性，以确定由于环境条件和用途的变化的潜在漂移。由于后端装置63永久等待用户事件，重新校准过程优选地在后台运行，以最大限度地减少识别过程的中断。举例来说，在检测漂移时或在预定重新校准持续流逝处，触发重新校准。经过这样的触发，后端装置63停止和自适应装置59可以发送信号至致动器71。事实上，重新校准和更新查找表的过程并不需要实时，其可以在后台执行，而无需中断用户。因此，信号发射可以在任何时间由后端装置63中断，例如，在突如其来的用户事件的情况下，并且然后继续进行，而不会在中断前丢失完成的重新校准计算。在重新校准过程中，本质上进行与初始化期间相同的步骤。要更新查找表，旧的特征用新的特征覆盖。最后，变化的痕迹可以保持以能够分析变化，例如以确定在查找表中的变化的源。

本发明的实施例提供一种方法，用于根据在其他位置处(特别是在这个区域的边界上)获得的一组声音响应，确定在将变成敏感对象的区域之上的任何点处的声音特征。有了这个发明概念，与现有技术相比的如下优势可实现：其可以减少需要获得声音特征的声音响应的数量，即通常是几百甚至更少而不是几千，其还能够快速获得查找表，即几分钟，而不是几个小时，其还能够具有用于每块的专用查找表，并且其用任何种类材料(玻璃、塑料、木材、金属等)形状(平面和弧形板、复杂三维表面)运行。而且，使用本方法，集成限制(由于每一块都有其专用查找表，集成限制的敏感性较低)可被降低。另外一个主要优点是，可能进行自动校准(也就是说，其有能力建立其自己的查找表)和重新校准(也就是说，如果需要的话，其能够适应自己的查找表以进行弥补，例如，磨损、划痕、老化、温度、整体漂移)。

第三和第四实施例被解释用于两个换能器，但本发明可以只用一个或两个以上换能器执行。

Claims (29)

1.一种用于确定声音响应的方法，所述声音响应归因于在包括至少一个换能器的对象的表面上的触击的位置，特别地所述触击是触摸事件，所述方法包括如下步骤：

a)从至少一个换能器接收声音信号，其中该声音信号对应于在所述表面上的至少一个位置处的预定激励(E)；

b)基于在步骤a)中接收到的声音信号确定声音响应；和

c)基于在步骤b)中确定的至少两个不同的声音响应，确定归因于在表面上的不同于预定激励的位置的至少一个位置的声音响应。

2.根据权利要求1所述的方法，其中从至少两个换能器接收声音信号，并且所述声音信号对应于表面上的至少一个位置处的至少一个预定的激励。

3.根据权利要求1所述的方法，其中从至少一个换能器接收声音信号，并且所述声音信号对应于表面上的至少两个位置处的预定激励。

4.根据权利要求1至3中任何一项所述的方法，其中预定激励应用在位于对象的表面的边界区中的位置处，特别是在对象的作为触摸敏感输入区域或甚至该区域外部的表面部分的边界区中。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，还包括步骤d)：

基于在步骤b)中确定的声音响应，确定在表面上的不同于预定激励的至少一个位置的多个位置处的声音响应。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，还包括步骤e)：

收集在表面上的不同于步骤d)中的预定激励的位置的多个位置处确定的声音响应以形成查找表。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，还包括步骤f)：

仅选择在步骤b)过程中确定的用于执行步骤c)的声音响应，该声音响应满足预定标准，特别是关于信噪比和/或测量一致性中的至少一种。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，还包括步骤：

g)基于辅助位置和表面上的不同于预定激励的位置的位置之间的距离，确定第一次代表函数，所述辅助位置定位成远离预定激励的位置和表面上的不同于预定激励的位置的位置；

h)基于辅助位置和预定激励的位置之间的距离，确定第二代表函数；

i)计算在步骤g)中确定的第一代表函数和在步骤h)中确定的第二代表函数之间的比率；

j)对于表面上的不同于预定激励的位置的每个位置和对于每个辅助位置，重复步骤g)；和

k)对于预定激励的每个位置，重复步骤h)。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其中所述辅助位置是表面的外部，并且远离预定激励的每个位置，和远离表面上的不同于预定激励的每个位置的每个位置。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，还包括重复步骤a)至c)的步骤j)，特别是在需求时和/或在定期基础上。

11.根据权利要求10所述的方法，还包括比较声音响应和对应于表面上的该位置的先前确定的声音响应的步骤m)，特别地，对应于在查找表的表面上的该位置的声音响应。

12.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其中设置预定激励以使预定激励的两个相邻位置之间的间隔λ满足关系式λ≤1.2A，特别地0.5Aλ≤1.2A，更特别地0.9λ≤1.0A，其中A与

成正比，ω为角频率，特别是来自换能器的声音信号的感兴趣的最大频率，E、υ、ρ和h是对象的属性，分别表示弹性模量、泊松比、密度和厚度。

13.根据权利要求12所述的方法，其中设置预定激励以使间隔λ满足关系式0.5A≤λ≤1.2A，特别地0.9A≤λ≤1.0A。

14.根据权利要求1至13中任一项所述的方法，其中设置预定激励以使声音信号的每个波长，特别是感兴趣的每个最小波长的预定激励的位置的数量大于一个，优选地在3至6之间。

15.根据权利要求1至14中任一项所述的方法，其中至少一个换能器位于对象的表面的对称轴线上。

16.根据要求15所述的方法，其中表面的形状为长方形，至少一个换能器位于长方形表面的至少一个对称轴线上，并且预定激励设置在长方形表面的每个第二象限的位置处。

17.根据权利要求1至16中任一项所述的方法，其中预定激励的位置是随机布置的。

18.根据权利要求1至17中任一项所述的方法，其中预定激励的位置形成在至少两行中，特别地，使得第一行中的位置之间的间隔不同于第二行中的位置之间的间隔。

19.一种计算机可读介质，包括存储在其中的计算机可执行指令，用于执行权利要求1至11中的至少一项的方法。

20.一种触摸感应装置，包括：

交互作用表面；

至少一个换能器；和

控制装置，用于从至少一个换能器接收声音信号，其中所述声音信号对应于在交互作用表面上的至少一个位置处的预定激励(E)；用于基于接收的声音信号确定声音响应；和用于基于根据接收的声音信号确定的至少两个不同的声音响应，确定归因于在交互作用表面上的不同于预定激励的位置的至少一个位置的声音响应。

21.根据要求20所述的装置，其中所述控制装置配置成从至少两个换能器接收声音信号，并且该声音信号对应于在表面上的至少一个位置处的预定激励，或者其中所述控制装置配置成从至少一个换能器接收声音信号，并且该声音信号对应于在表面上的至少两个位置处的预定激励。

22.根据要求20或21所述的装置，其中所述控制装置配置成基于接收的声音响应确定在表面上的不同于预定激励的至少一个位置的多个位置处的声音响应。

23.根据要求20至22中任一项所述的装置，其中所述控制装置配置成收集在表面上的不同于预定激励的位置的多个位置处确定的声音响应以形成对应于表面上的多个位置的查找表。

24.根据要求20至23中任一项所述的装置，还包括：

用于重新确定声音响应的重新校准单元，特别是根据需要和/或在定期基础上。

25.根据要求20至24中任一项所述的装置，其中所述重新校准装置配置成比较查找表的与表面上的位置对应的声音响应和新确定的声音响应的一个。

26.根据要求20至25中任一项所述的装置，其中所述重新校准单元进一步包括在预定激励的位置处的至少一个致动器，以使预定激励通过至少一个致动器应用在预定激励的一个位置处。

27.根据权利要求26所述的装置，其中至少一个致动器定位在对象的表面的感兴趣的区域的边界处。

28.一种触摸敏感装置校准系统，特别地包括根据权利要求20至27中的至少一个的装置，并且进一步包括：

输入/输出单元，配置成与至少一个换能器和/或控制系统通信；

激励装置，用于在表面上的至少一个位置处提供预定激励(E)，其中激励由激励装置和表面之间的机械接触提供；和

定位装置，配置成将激励装置定位在表面上的至少一个位置处，以使激励装置在表面上的至少一个位置处提供激励，并且其中控制装置配置成驱动致动器，和

控制装置，执行根据权利要求1至19中的一项的方法。

29.根据权利要求28所述的装置，其中输入/输出单元配置成从至少一个换能器接收声音信号。

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