CN102999177B

CN102999177B - 光学平板触笔和室内导航系统

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Publication number: CN102999177B
Application number: CN201210433524.0A
Authority: CN
Inventors: 查尔斯·泰克; 安德里亚斯·诺瓦茨克
Original assignee: Microsoft Technology Licensing LLC
Current assignee: Microsoft Technology Licensing LLC
Priority date: 2011-11-02
Filing date: 2012-11-02
Publication date: 2016-08-03
Anticipated expiration: 2032-11-02
Also published as: WO2013067232A1; US8872800B2; JP2015501499A; EP2590057B1; KR20140088545A; KR102011163B1; US20130106782A1; EP2590057A3; JP6129863B2; CN102999177A; EP2590057A2

Abstract

本发明公开了一种光学平板触笔和室内导航系统。光学用户输入技术包括三维（3D）输入传感器和3D位置发射器以使能3D空间中的高精度输入，并且所述3D位置发射器可以为触笔、或者其它书写或指向装置。某些实施方式可包括用于除了3D空间内的位置之外还发送所述3D位置发射器的取向的取向组件，并且一些实施方式还可选择性使用从所述3D位置发射器至所述3D输入传感器的可辨别信号以区分一个3D位置发射器与另一3D位置发射器，以从3D位置发射器向3D定位传感器发送数据，或者作为提供所述3D位置发射器相对于所述3D定位传感器的取向信息的手段。还公开了测定位置、室内导航、以及其它利用3D输入传感器和/或3D位置发射器的补充应用。

Description

光学平板触笔和室内导航系统

技术领域

本发明涉及用于移动计算装置的三维触摸型输入系统以及光学导航方法。

背景技术

许多小型和大型的移动计算装置都使用触摸屏接口而不是传统的键盘作为用户输入的主要手段。然而，单独的典型触摸屏接口通常缺少用来捕获复杂的绘图和/或书写，诸如草写体手书、标注、草图、或其它复杂或不标准的图形输入，所必需的精度。为了使得用户输入能够更丰富具有更高的保真度，可以使用触笔（或其它书写类型的装置）来提高用于这样的移动计算装置的触摸屏接口的精度。触笔能够容易地与电阻式触摸屏接口、静电（或电容式）触摸屏接口或者电磁式触摸屏接口一起使用。

然而，当前的触摸屏接口，单独使用或者与触笔结合使用，都缺少使能三维（3D）用户输入的能力。因此，传统触摸屏不能支持为了如下目的的3D交互：玩3D视频游戏、利用3D计算机辅助设计（CAD）程序、补充其它的3D用户接口、或操纵诸如从MRI和CAT扫描得到的医学图像之类的体图像、以及许多其它潜在的用途。此外，现有的二维（2D）触摸屏用户接口采用不能支持用于提供补充的移动装置应用诸如测定位置和室内导航之类的更广泛用途的技术。

发明内容

此处公开的各种实施方式涉及光学用户输入技术，包括一个或更多个3D定位（position）传感器和一个或更多个3D位置（location）发射器以使能在3D空间中的高精度的用户输入。对于若干实施方式，3D输入传感器可以相对于特定输入/输出面板诸如移动计算装置的2D或3D板（slate）型显示装置（“板”）定向（orient）。这些实施方式还可以包括使用一个或更多个3D位置发射器，对于某些实施方式，所述3D位置发射器可以布置在触笔、或者其它书写型装置或指向装置上。从而这种实施方式能够利用从3D位置发射器到3D定位传感器的选择性可辨别（例如，相对唯一）的信号来确定在3D空间内的3D位置发射器的位置和取向二者，以区分一个3D位置发射器与另一个3D位置发射器。此外，该数字信号还可用于将附加数据从3D位置发射器发送至3D定位传感器，所述附加数据包括3D位置发射器的已知位置。

此处所公开的若干实施方式还涉及使用与一个或更多个3D定位传感器结合的一个或更多个3D位置发射器的用户输入装置。某些这样的实施方式还涉及能够在显示装置的初始制造之后的某点添加到显示装置上的用户输入装置。此外，此处所公开的各种实施方式涉及室内导航和其它补充应用，其可以使用一个或更多个3D输入传感器、一个或更多个3D位置发射器和/或其它补充装置部件、以及其它具有相似能力的移动计算装置之间的交互。

提供这个概述以简单的形式介绍概念的选择，概念在下面的详细说明中被进一步描述。这个概述不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用来限制所要求保护的主题的范围。

附图说明

为了便于理解和为了图示本公开和各种实施方式，在附图中公开了示例的特征和实施方式，当结合附图阅读时，会更好地理解这些示例的特征和实施方式，然而，应当理解本公开不限于所公开的特定方法、精确的布置和手段。贯穿若干视图，相似的参考符号表示相似的元件。在图中：

图1为其中可以使用此处公开的许多实施方式的示例性联网计算机环境的图示；

图2描述了使用代表此处公开的若干实施方式的光学3D追踪系统的示例性计算装置；

图3A为图示了可以在代表此处公开的若干实施方式的光学3D追踪系统中使用的示例性定位敏感二极管（PSD）的操作的立体视图混合块和电气图；

图3B为图3A的侧视视图混合块和电气图；

图4A为包括代表此处所述的若干实施方式的光学3D追踪系统的示例性移动计算装置的立体图；

图4B为图4A所图示的示例性移动计算装置的侧视图；

图5图示了用于代表此处公开的若干实施方式的室内导航的PSD传感器和静止IR-LED信标的示例性使用；

图6图示了用于代表此处公开的若干实施方式的室内导航的PSD传感器和动态信标的示例性使用；

图7A为图示了用于确定与此处公开的各种实施方式一起使用的触摸型输入装置的位置和取向的示例性处理的处理流程图；

图7B为图示了用于代表此处公开的各种实施方式的移动计算装置信标导航（即，利用信标确定位置）的示例性处理的处理流程图；

图7C为图示了用于代表此处所公开的各种实施方式的移动计算装置激光定位（即，获取相对本地导航/位置信息）的示例性处理的处理流程图；以及

图8示出了示例性计算环境。

具体实施方式

图1为其中可以使用此处公开的许多实施方式的示例性联网计算环境100的图示。联网计算环境100包括通过一个或更多个网络180相互连接的多个计算装置。一个或更多个网络180允许特定的计算装置连接到另一个计算装置并与其通信。所描绘的计算装置包括移动装置110、120和140、膝上型计算机130、以及应用服务器150。

在一些实施方式中，计算装置可以包括台式个人计算机、工作站、膝上型电脑、微型小电脑（net-top）、平板（tablet）计算机、PDA、蜂窝电话、智能电话、或任意能够使用WAP的装置、或者能够与网络180直接或间接对接的任意其它计算装置，诸如图8所图示的计算装置800。在蜂窝电话、平板计算机、PDA或其他无线装置等的情况下，每个计算装置可以运行HTTP客户端（例如，网页浏览程序）或者能够使用WAP的浏览器，这允许计算装置的用户访问在服务器150处对其可用的信息或者向服务器150提供信息。计算装置还可以使用其它应用来例如访问服务器150或者向服务器150提供信息。在一些实施方式中，可以利用一个或更多个通用计算系统诸如图8所图示的计算装置800来实施服务器150。尽管仅示出了一个服务器150，但是这并不意味着限制，而是可以实施多个服务器。

在一些实施方式中，计算装置可以包括未示出的其它计算装置。在一些实施方式中，计算装置可以包括多于或少于图1所示数量的计算装置。一个或更多个网络180可以包括诸如企业私有网络的安全网络、诸如无线开放网络的不安全网络、局域网（LAN）、广域网（WAN）、以及因特网。一个或更多个网络180中的每个网络可以包括集线器、网桥、路由器、交换机、以及诸如有线网络或直接有线连接之类的有线传输介质。

诸如应用服务器150之类的服务器可以允许客户端从服务器下载信息（例如，文本、音频、图像和视频文件）或者执行关于存储在服务器上的特定信息的搜索查询。通常，“服务器”可包括用作客户端-服务器关系中的主机的硬件装置或者与一个或更多个客户端共享资源或者为一个或更多个客户端执行工作的软件处理。可以通过由客户端向服务器发送请求要求访问特定资源或者执行特定工作来启动客户端-服务器关系中的计算装置之间的通信。服务器可以随后执行所请求的行为并且向客户端发回响应。

联网计算环境100可以对于一个或更多个计算装置提供云计算环境。云计算指基于因特网的计算，其中经由因特网（或其它的全球网络）将共享资源、软件和/或信息按需提供给一个或更多个计算装置。基于在计算机网络图中的云图，术语“云”用作因特网的隐喻，其中云图用来将因特网描绘为其代表的底层基础架构的抽象。

移动装置140的一种实施方式包括基于触摸的输入系统148（此处示出为触笔系统）、显示器149、网络接口145、处理器146、以及存储器147，所有这些彼此通信。显示器149可以显示数字图像和/或视频。显示器149可以包括触摸屏用户接口。基于触摸的输入系统148可以确定基于触摸的输入装置诸如触笔141关于显示器149的表面的定位和取向（orientation）。网络接口145允许移动装置140连接到一个或更多个网络180。网络接口145可以包括无线网络接口、调制解调器和/或有线网络接口。处理器146允许移动装置140执行存储在存储器147中的计算机可读指令以执行此处所讨论的处理。

触摸型输入装置最初被开发以用作非显示表面上的数字化转换器，但是后来适于与专用显示装置一起使用，以使得用户能够与在这样的显示装置上显示的输出直接交互（而不是间接地利用鼠标、键盘或者类似的输入装置）。最普遍的触摸型输入装置为手指、触笔、或书写工具，此处使用的术语“触笔”旨在包括广泛的大量触摸型输入装置而无限制。为了获得定位分辨率、精度和速度，触摸型输入装置（或者如此处所使用的“触笔系统”）通常包括具有电阻式、静电式或电磁式触摸屏的显示装置。

电阻式触摸屏为检测在触笔和触摸屏之间发生的电阻变化的触摸屏，并从而感测触笔与触摸屏的表面接触的位置。电阻式触摸屏面板包括层叠以窄间隙分开的一对薄的挠性层的坚固但具有挠性的表面（例如，输出显示器）。这两层分别包括导电的水平线路和垂直线路以形成与表面直接下方的精确位置对应的交叉点。当触摸型输入装置（例如触笔）对触摸屏表面上的点施加压力（即压下）时，两个导电层在该触点下方接触，从而使得能够确定触摸的位置。

静电式（或“电容式”）触摸屏为检测导电触摸型输入装置和触摸屏之间发生的电容变化的触摸屏。静电式触摸屏感测触摸型输入装置在何处已经与触摸屏的表面接触（或者已经变得非常接近）。典型地，静电式触摸屏使用呈现在显示器前方的导电透明痕迹（trace）之间的电容耦合，以感测触摸型输入装置。

然而，电磁式触摸屏为目前最普遍使用的触摸屏并且经常利用紧靠显示器面板后方内置的二维（2D）传感器阵列来实施。利用构成2D传感器阵列的水平和垂直线环（wireloop）的网格来通过传感器阵列中的顺次启动环（sequentiallyactivatedloop）与位于触笔内的谐振电感器/电容器（LC）电路之间的电磁耦合来检测触摸型输入装置具体地说专用触笔的定位。此外，虽然线环（有时称作“环形天线阵列”）之间的物理间隔阻止任意单个线环单独提供用于确定定位的足够分辨率，但是线环共同向触笔提供稳定的参考测量，之后能够利用该参考测量以每秒133个采样的更新率在X和Y两个方向上将实际定位内插至0.1mm的精度。

然而，电磁式触摸屏的一个缺点在于（包括线环的）2D传感器阵列必须直接置入触摸屏内，因此2D传感器阵列不能在之后被添加到标准显示装置。标准显示器也难以转换成电阻式和静电式触摸屏。此外，这些装置都不支持全3D输入并且极大地限制为2D输入用途。

相反，此处公开的各种实施方式使用基于光学用户输入技术的根本上不同的手段。更具体地，此处公开的各种实施方式针对与2D或3D显示装置结合操作以从触摸型输入装置接收3D空间输入的光学3D追踪系统。对于这些各种实施方式，利用覆盖显示装置前方的大体积空间的3D定位传感器系统检测触摸型输入装置（例如，触笔）的定位。对于若干这样的实施方式，3D定位传感器系统可以包括（a）从已知的相对定位一起操作来导出被检测触笔的3D位置和取向的两个或更多个2D定位传感器、以及（b）至少一个具有一个或更多个定位发射器的3D位置发射器。对于某些这样的实施方式，2D定位传感器可以包括定位敏感二极管（PSD），定位发射器可以包括一个或更多个红外发光二极管（IR-LED）。

对于若干实施方式，光学用户输入技术包括一个或更多个3D定位传感器和一个或更多个3D位置发射器。类似地，用于各种这样的实施方式的基于触摸的输入装置（诸如触笔）可以包括嵌入触笔的3D位置发射器，所述3D位置发射器具有三个或更多个IR-LED以允许位置确定和取向确定二者。

在某些实施方式中，光学3D追踪系统（除了捕获触笔的定位之外）还可以捕获触笔的姿态（或取向）以基于具体取向（包括取向的变化）提供至少一个补充的用户输入，也就是说当以3D模式操作和甚至当以2D模式操作时，使得能够与显示装置进行更丰富地交互（即，不仅仅“触摸”）。例如，在被用于基于图形的书写或绘图应用中时，旋转触笔可以提供图形应用中的画笔取向的控制，或者可以提供线宽的直接控制以模仿书法笔的边缘加厚（edged-thickness）特性。

图2描绘了使用代表此处公开的若干实施方式的光学3D追踪系统的诸如图1的移动计算装置140之类的示例计算装置200。计算装置200可以是移动式或者是非移动式，并且此处所述的技术可以用于移动式和非移动式的计算装置两者。计算装置200包括显示装置210和物理控制按钮222。对于某些实施方式，显示装置210可包括触摸屏，然而在可替选的实施方式中，显示装置可以替换为非显示表面。显示装置210包括提供关于信号强度、时间和与计算装置200相关的电池寿命的信息的状态区212。

通过利用触笔尖端252直接触摸显示装置210或者将触笔250定位在显示装置210表面上方，诸如触笔250的触摸型输入装置可以用来向计算装置200提供输入信息。示例的计算装置200还可包括两个或更多个2D定位传感器260和262。对于某些实施方式，每个2D定位传感器260和262可进一步包括定位在广角镜头的焦平面内的定位敏感二极管（PSD）以在显示装置210上方（或之上）提供例如120度半锥形体积的3D空间，从而每个PSD的体积极大地与显示装置上方的3D空间交迭。类似地，用于各种这样的实施方式的触笔250可以包括一起构成定位发射器270的一个或更多个IR-LED272。

PSD能够感测从IR-LED发射的光的入射角，所述IR-LED例如是以固定和预定布置安装在触笔上的IR-LED、或者用作静止或动态参考信标的IR-LED（本文后续对其讨论）。关于具有IR-LED布置（其对于计算装置是已知的）的特征的触笔，可以在从至少两个PSD传感器观测到IR-LED的光时经由三角测量确定每个IR-LED的相对定位。此外，由于触笔上的任意一对IR-LED的相对位置对于计算装置是已知的，所以测量触笔体上的任意三个或更多个IR-LED的定位使得能够计算触笔本身的定位和取向二者，所述触笔本身包括限定旨在作为输入的特定空间点的触笔尖端。由于一些IR-LED发射器可以在任意给定时间（例如，被握持触笔的用户的手指）遮蔽，所以各种触笔实施方式可以使用多于三个的IR-LED以增加触笔的IR-LED中的至少三个在任意给定时间不被遮蔽并且可以由PSD传感器观测到的可能性。

PSD为具有仅由电流能够被测量的精度限制的非常高的分辨率的模拟装置。这样，PSD传感器具有演示的近似百万分之一的分辨率。此外，PSD不要求完美聚焦被测量的光；而是，PSD仅要求来自发射器的光完全落入感测表面的边界内。此外，PSD是快速的，使得每秒超过10，000个采样的定位采集是可能的。此外，PSD为相当简单的装置，能够有成本效益地大量制造。对于此处所述的各种实施方式，PSD传感器可以定位在广角镜头的焦平面内以提供例如用于检测IR-LED信号的120度的锥形体积的3D空间。

图3A为图示了可以在代表此处公开的若干实施方式的光学3D追踪系统中使用的示例性PSD300的操作的立体视图混合块和电气图，图3B为图3A的侧视视图混合块和电气图。在图中，PSD（此处示出为线性PSD，诸如由挪威的OSIOptoelectronicsAS开发的PSD）包括硅光检测器PIN二极管（“光电二极管”）310，硅光检测器PIN二极管310具有重掺杂p型半导体“阴极”312（标注“P”表示正）、宽带轻掺杂近本征半导体（“本征区”）314（标注“I”表示本征）、以及重掺杂n型半导体“阳极”316（标注“N”表示负）的特征。阴极312和阳极316分别具有覆盖如图所示的光电二极管310的相对侧的两个触点312a、312b和316a、316b。在该配置中，四个触点312a、312b、316a和316b之间的具体电阻（或者光电流率）基于光330的定位而变化和分布，能够例如通过欧姆表340的布置来测量，光330聚焦在光电二极管310的表面310’上引起从阴极312到阳极316的电流318。通过测量在欧姆表340的布置中分布的光电流率，能够确定传感器表面上的光点的质心。

此处公开的一些实施方式可采用使得PSD传感器能够通过每次使一个IR-LED发射它的光而顺序地获取每个IR-LED发射器的定位的手段。然而，若干其它实施方式可使用例如基于直接序列扩频信号同时地感测多个IR-LED发射器的定位的可替选的手段，其中所有IR-LED同时发射光并且每一个IR-LED利用不同的可唯一辨别的编码序列，该编码序列使得每个IR-LED的数字信号能够通过PSD传感器（已知其是极其线性的装置）彼此辨识出。PSD传感器的这种类型的扩频检测还提供了滤出到达传感器的任意环境IR光（由于任意环境IR光缺少任何可唯一辨别的编码特性）的益处。此外，用于多种这样的实施方式的PSD传感器可包括滤波器以防止非IR光到达光电二极管。

鉴于上述内容，此处所公开的某些实施方式涉及用于移动计算装置的3D触摸型输入系统，所述系统至少包括：（a）三个IR位置发射器，所述三个IR位置发射器以第一已知配置固定地耦接至触摸型输入装置，用于发射三个可辨别的IR信号；（b）两个定位传感器，所述两个定位传感器以第二已知配置固定地耦接至移动计算装置，用于感测从三个IR位置发射器发射的三个可辨别的IR信号，其中所述感测包括基于三个可辨别的IR信号确定三个IR位置发射器中的每个相对于两个定位传感器中的每个的两个2D方向（总共六个2D方向，每个IR位置发射器两个）；以及（c）处理器，所述处理器用于利用（例如，六个）2D方向、第一已知配置和第二已知配置来确定触摸型输入装置相对于移动计算装置的定位和取向。

图4A为包括代表此处所述的若干实施方式的光学3D追踪系统400的示例性移动计算装置的立体图。图4B为图4A所图示的示例性移动计算装置的侧视图。在图中，板410形式的显示装置包括两个PSD传感器412和414，这两个PSD传感器412和414被配置为从安装在指向/书写装置上的多个IR-LED422接收（在图4A中利用虚线图示的）扩频信号424，所述指向/书写装置此处为结合板410使用的触笔420（及其尖端420’）。

如图示，PSD传感器412和414可以接近板（例如，平板计算机的显示装置）的两个角部安装。此外，如图4B所示，诸如PSD传感器412的每个PSD传感器的广角镜头可以被定位使得其视场430（此处如形成120度角的虚线所示）覆盖在板410表面前方3D体积的空间432。

对于若干这样的实施方式，可以通过一个或更多个数字信号处理器（DSP）（未示出）处理由IR-LED422发射并由PSD传感器412和414接收的扩频数字信号424，所述数字信号处理器确定每个这样的IR-LED422在其视场430内的相对角度（即，无阻碍且被检测到）。该信息用来三角测量每个IR-LED的定位，并且基于至少三个这样的IR-LED422在任意给定时刻的相对位置，能够确定触笔420及其尖端420’的位置和取向。换言之，可以基于感测到的发射器定位计算触笔的定位和取向,所述感测到的发射器定位基于其相对于触笔几何形状的已知布置。光学3D追踪系统400提供了足以精确地检测来自例如触笔420（或者其它触摸型输入装置）的输入的分辨率和精度。

事实上，两个PSD传感器412和414向板410提供了可与立体视觉相比的东西，其中在感测三个IR-LED422时立体图（perspective）上的些微差别使得能够几何确定这些IR-LED422相对于显示装置（或板）的限定平面的位置和取向，其中所述些微差别作为信号424的水平角度和垂直角度被测量，信号424的水平角度和垂直角度进而限定从每个PSD传感器412和414至每个IR-LED422的方向，因此总共六个方向用于这个特定示例。

在一些实施方式中，传统的基于PSD的定位传感器可能用来顺序地获取对每个光发射器的方向，使得每个IR-LED顺次地点亮并且PSD每次一个地按顺序确定每个IR-LED的定位并且对于IR-LED阵列持续地重复该循环。然而，对于多种其它实施方式，阵列中的两个或更多个IR-LED可以同时地发射并且使用序列发生器，所述序列发生器使得每个IR-LED能够发射它自己的可辨别的模式（pattern），也就是说其中每个IR-LED发射相对唯一的模式。例如，可以向以250Kb/秒的速率运行的每个IR-LED分配512比特的伪随机比特序列。这进而允许线性PSD传感器从共同发射的IR-LED接收混合信号并且之后基于从IR-LED阵列接收的在直接序列扩频传输的情况下的处理增益分离来自每个发射器的相对唯一的信号。因此，这样的实施方式包括扩频解决方案，其具有在同时（而不是按时间顺序）追踪每个发射器时相对不受不相关信号影响的优点。

对于若干实施方式，IR-LED的布置（或者“IR-LED阵列”）可以由电池供电。对于与IR-LED布置一起使用触笔的多种实施方式，其中触笔（也就是说IR-LED）由电池供电，这样的实施方式可进一步包括使用中检测器件，诸如触摸传感器，所述触摸传感器能够检测触笔何时正被使用并且能够在不使用触笔时例如通过进入低功率模式并关掉IR-LED来节约电池电量。

尽管触笔可以使用电池用于其IR-LED，但是期望全部所需功率低于光学鼠标的全部所需功率，因此意味着长电池寿命的潜能。实际上，与例如光学鼠标不同，不需要以未知的反照率从表面反射IR-LED发射，而是相反，旨在由对应的PSD传感器直接接收IR-LED发射。因此，对于若干这样的实施方式，如果发射光在被收集时使用具有容许孔径（例如，至少在一个方向上具有120度的最小孔径）的PSD传感器，则IR-LED输出功率可以非常低。这进而防止需要过量的光从IR-LED发射，过量的光从IR-LED发射另外可能通过可导致由PSD传感器检测到错误信号的非有意照亮附近对象（诸如握持其中布置有IR-LED的触笔的用户的手指）而使PSD传感器的性能退化。

此外，某些实施方式可以调制IR-LED的发射光以向触笔提供至板（例如平板计算机）的低速率无线数字通信信道，该信道能够用来发送附加信息，诸如按钮按下事件、码盘或线性滑块的定位、尖端表面接触压力数据、电池状态等。

此处所述的光学3D追踪系统的多种实施方式，具体地说PSD和IR-LED的使用的另外的益处在于其还适合于提供室内导航特征（或者“定位/位置认知”）。更具体地，PSD传感器可以用来利用静止定位或者相对于PSD传感器相对固定的定位的补充IR-LED来感测平板相对于平板操作所在的房间的定位。

例如，对于某些实施方式，包括光学3D追踪系统的PSD传感器还能够用于感测从例如房间、门厅、汽车、或其它这种封闭场所内的装置附近的固定IR-LED信标发射的红外信号。这些信标能够通过红外信号通知它们的定位以及其它辅助信息，计算装置可以使用这些信息来计算装置的定位和姿态以用于诸如室内位置定位、导航等多种目的。由于感测系统的高精度，可以获得封闭场所内的绝对的板定位和姿态（具有亚厘米级精度）。此外，参考信标可以是静止的（以提供固定的参考点）或者动态的（以提供相对的参考点）。对于某些实施，参考信标可以通过它们发射的红外信号通知它们的定位和其它辅助信息。

这样，此处公开的某些实施方式涉及用于移动计算装置的光学导航的系统，所述系统至少包括：（a）两个定位传感器，所述两个定位传感器以已知配置固定地耦接至移动计算装置，用于感测从具有已知位置的三个IR位置发射器发射的三个可辨别红外（IR）信号，其中所述感测包括基于三个可辨别的IR信号确定三个IR位置发射器中的每个相对于两个定位传感器中的每个的2D方向（例如，对于每个IR位置发射器的两个2D方向）；以及（b）处理器，所述处理器用于利用（例如六个）2D方向、两个定位传感器的已知配置和三个IR位置发射器的已知位置来确定移动计算装置相对于三个IR位置发射器的定位和取向。

图5图示了用于代表此处公开的若干实施方式的室内导航的PSD传感器512和静止IR-LED信标514的示例性使用。每个静止信标514包括至少一个IR-LED，所述IR-LED发射可由PSD传感器512接收和可由在相关联的移动计算装置510例如平板计算机内的DSP（未示出）解码的扩展序列数字信号516（以虚线图示）。在某些实施方式中，每个静止信标514可以通过用二次编码调制它的IR-LED的红外发射来发送其相对唯一的标识及其已知位置，其中所述静止信标514例如可以安装到房间的天花板518。在某些替选实施方式中，可能代替地经由可由计算装置510接收的可本地访问的通信系统（例如，覆盖该区域的Wi-Fi系统）发布每个信标的已知位置（可能以及其它另外的信息）。通过接收来自三个或更多个静止信标514的信号，计算装置510可以基于可检测的静止信标514的已知位置计算其定位和取向（例如姿态）。

再次，两个PSD传感器512向移动计算装置510提供与立体视觉可比的东西，其中在感测三个信标514时立体图上的些微差别作为信号516的水平角度和垂直角度被测量，信号516的水平角度和垂直角度进而限定从每个PSD传感器至每个IR-LED信标514的方向，因此总共六个方向用于该特定示例，所述些微差别使得能够几何确定移动计算装置510的位置以及它关于其显示装置（或板）的限定平面相对于IR-LED信标514的取向。

此外，此处公开的某些实施方式涉及用于相对光学定位的系统，用于每个移动计算装置的所述系统至少包括：（a）两个定位传感器，所述两个定位传感器以已知配置固定地耦接至移动计算装置，用于感测从3D空间中的多个IR源发射的多个可辨别的IR信号，其中所述感测包括对于每个可辨别的IR信号确定对应的IR信号源相对于两个定位传感器中的每个的两个2D方向；（b）IR激光发射器，所述IR激光发射器在第一已知取向上固定地耦接至第一移动计算装置，用于发射可辨别的IR激光，所述IR激光在由3D空间中的碰撞点处的干涉障碍反射和散射时产生能够由两个定位传感器感测的从碰撞点处发散的可辨别IR信号，其中所发射的IR激光被调制以提供从移动计算装置至其它移动计算装置的数字通信信道；以及（c）处理器，所述处理器用于基于两个2D方向、两个定位传感器的已知配置以及IR激光的已知位置和已知发射方向估计移动计算装置相对于来自碰撞点的IR源的定位。

对于若干实施方式，可以利用与本文早先公开的IR-LED类似的专用代码序列来调制IR激光发射器。此外，各种实施方式可以使用符合例如与不可见激光发射有关的职业安全与健康管理（OSHA）规范的低功率IR激光，这是由于不可见激光发射对人类眼睛增加的风险，因为这种不可见的发射不会触发保护人类眼睛免受传统激光指示器影响的瞬目反射。对于低功率IR激光，某些实施方式可以通过将发射限定为在眼睛的瞳孔径内1微瓦来确保激光发射对于眼睛无条件的安全。

图6图示了包括上述系统的用于代表此处公开的若干实施方式的室内导航的PSD传感器612和动态信标614的示例性使用。第一计算装置610除了包括它的一组PSD传感器612之外还可包括至少一个动态信标614。可以实施为红外激光指示器的动态信标614可发射具有相对唯一扩频序列的调制红外信号615（点线所示）。信号615随后在其撞击表面617的点处被反射并作为反射信号616（虚线所示）被散射，从而可由信标614的PSD传感器检测到。

由于动态信标614从信标614的相对于PSD传感器的精确已知的定位、方向和角度发射其红外激光信号616，所以计算装置610利用其PSD传感器能够确定红外激光发射（例如信号616）与例如计算装置610位于其中的房间的墙壁（未示出）或天花板518的交汇点。该信息可以用来在一定程度上基于关于计算装置周围的房间的构造的各种假设（例如，天花板水平，墙壁是垂直的等）来推断计算装置的定位和/或姿态。在任何情况下，由于发射方向对于计算装置是已知的，所以可仅使用单个PSD传感器来确定激光束碰撞反射表面的位置。

此外，当第一计算装置610能够与一个或更多个相似地配置的另外的计算装置（诸如第二计算装置620，其包括PSD传感器622和动态信标624，所述动态信标624发射其自身的调制的红外信号625（点线所示）、在所述红外信号625撞击表面627的点处的其反射/散射626（虚线所示））交互时，然后每个计算装置610和620能够确定其相对于它现在能够经由红外信号与之通信的其它计算装置可能的相对定位。更具体地，通过共享该激光碰撞位置信息，一组计算装置能够仅利用可由每个计算装置检测到的3个共同可见的激光碰撞（不是必须为相同的激光碰撞）确定相对于彼此的相对位置。

室内导航允许计算装置的多种新应用，例如包括在相对于信标（静止或动态）的不同位置和取向获取图片，这进而可以支持图像整合、3D重建、3D建模、映射以及其它用途。还可能支持多个移动装置及其外围设备之间的交互式用户接口（UI），使得第一计算装置的触笔可与静止屏幕以及从外围投影显示装置（第一计算装置或者与第一计算装置通信的第二计算装置）发出的投影图像交互。这些UI还可包括特殊姿势输入，诸如，例如，指向投影到大的静止屏幕上的实况演示上的部分以及增加标注。

配备有活动信标投影仪的移动计算装置也使得这样的应用成为可能：其能够通过在板未被覆盖且处于活动记录状态的情况下移动通过开放空间来捕获精确的建筑平面图。类似地，这种装置可用来捕获像是雕塑、汽车等较大对象的精确的3D形状，以用于3D建模、3DCAD或其它目的。

另外的装置间的能力还可包括从一个计算装置向另一个计算装置选择发送消息。例如，这些计算装置610和620可建立自组织（ad-hoc，点对点）坐标系统，其中投影仪可由所有参与的计算装置使用（也就是说与之交互），只要指出信息或者允许对投影图像的另外的标注—将投影图像转变成共享的交互工作表面。类似地，这些位置特征可用于交互游戏、3D建模、以及若干其它应用。

在其它实施方式中，两个装置相对于两个或更多个参考信标的定位和姿态可用于使得一个装置能够与由其它装置显示的输出直接交互，反之亦然。例如，来自第一装置的触笔可指向第二装置的投影显示（即，在相对于参考信标及因此两个装置的已知固定位置上的投影屏幕上）并且通过第二装置与投影显示直接交互。

特别地，这包括与相似配备的计算装置交换定位和姿态信息的能力，这进而使能新形式的用户接口。例如，将移动计算装置指向另一单元可以用作建立这些装置并且仅这些装置之间的通信的姿势。

图7A为图示了用于确定与此处公开的各种实施方式一起使用的触摸型输入装置的位置和取向的示例处理700的处理流程图。在702处，移动计算装置利用IR定位传感器感测多个IR信号，并且对于每个IR定位传感器确定每个IR信号的2D方向。在704处，辨别每个IR信号的源（例如，触摸型输入装置上的具体的IR-LED），也就是说每个IR信号源（例如，IR-LED）匹配到触笔上的具体的IR位置发射器，其配置已经对于移动计算装置已经已知（或者，可替换地，其配置可以被触笔作为每个IR信号上的调制数据发送）。在706处，基于得到的IR信号的方向以及IR定位传感器（以及它们的读数的差）和IR位置发射器（其发起那些IR信号）二者的已知配置来确定基于触摸的输入装置的位置和取向。

图7B为图示了用于代表此处公开的各种实施方式的移动计算装置信标导航（即，利用信标确定位置）的示例性处理730的处理流程图。在732处，移动计算装置（利用两个IR定位传感器）从至少三个信标（每个是一个IR定位传感器）感测IR位置发射，并且对于每个IR定位传感器确定对于每个IR信号（对于每个信标）的2D方向。在734处，每个IR信号源被匹配到其位置（在一些实施方式中通过已知信标的查找，而在其它实施方式中该信息可以被编码（调制）到IR信号自身中），并且这些位置被匹配到由每个IR定位传感器确定的相对方向。在736处，基于得到的IR信号的方向、IR定位传感器的已知配置（以及它们读数的差）和信标（其发起那些IR信号）的已知位置来相对于信标确定移动计算装置的位置和取向。

图7C为图示了用于代表此处公开的多种实施方式的移动计算装置激光定位（即，导出相对本地导航/位置信息）的示例性处理760的处理流程图。在762处，移动计算装置例如从具有相对于其IR定位检测器的已知位置和取向的IR激光装置发射激光，所述激光在与干涉对象碰撞时产生它利用其IR定位检测器感测的其自身IR信号的散射，伴随有可通过信标和/或通过其它具有相似能力的移动计算装置发射的任意其它的IR信号。在764处，感测到的IR信号匹配到其相应的源，源包括激光碰撞点（对应于激光撞击干涉对象的位置）、在其IR信号中以及来自其它移动计算装置的源于其激光碰撞点的IR信号的信标（信标可发送它们的位置信息以及其它编码的（即调制的）数据）。每个移动计算装置编码（调制）其关于其激光的连续束中的其激光碰撞点的位置信息，并且还可以将调制激光用作与其它移动装置的通信介质。在766处，处理每个IR信号、（如由每个IR定位传感器确定的）其方向、以及任意对应的位置信息（诸如由其它计算装置或信标提供的位置信息），以导出相对于接收到的IR信号的本地位置信息。

图8示出了其中可以实施示例实施方式和方面的示例性计算环境。计算系统环境仅为适合的计算环境的一个示例，并且不旨在暗示关于使用范围或功能的任意限制。可以使用许多其它通用或专用目的的计算系统环境或配置。可适于使用的公知计算系统、环境和/或配置的示例包括但不限于个人计算机（PC）、服务器计算机、手持或膝上型装置、多处理器系统、基于微处理器的系统、网络个人计算机、迷你计算机、大型计算机、嵌入式系统、包括任意上述系统或装置的分布式计算环境等。

可使用由计算机执行的诸如程序模块的计算机可执行指令。通常，程序模块包括执行特定任务或实施特定抽象数据类型的例程、程序、对象、部件、数据结构等。可以使用分布式计算环境，其中由通过通信网络或其它数据传输介质链接的远程处理装置执行任务。在分布式计算环境中，可以将程序模块或其它数据放置在包括存储器存储装置的本地和远程计算机存储介质中。

参考图8，用于实现此处所描述的方面的示例性系统包括诸如计算装置800的计算装置。在它最基本的配置中，计算装置800通常包括至少一个处理单元802和存储器804。取决于计算装置的准确配置和类型，存储器804可以为易失的（诸如RAM）、非易失的（诸如只读存储器（ROM），闪存等）、或二者的某种结合。在图8中通过虚线806图示了这种最基本的配置。

计算装置800可以具有另外的特征/功能。例如，计算装置800可包括另外的存储器（可移除和/或不可移除），所述另外的存储器包括但不限于磁盘或光盘或磁带。在图8中通过可移除存储器808和不可移除存储器810图示了这些另外的存储器。

计算装置800通常包括各种各样的计算机可读介质。计算机可读介质可以为能够由装置800访问的任意可用的介质，并且包括易失和非易失介质两者、可移除和不可移除介质两者。

计算机存储介质包括以任意用于信息存储的方法或技术实施的易失和非易失以及可移除和不可移除的介质，所述信息诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块、或其它数据。存储器804、可移除存储器808、以及不可移除存储器810都为计算机存储介质的示例。计算机存储介质包括但不限于RAM、ROM、电可擦除编程只读存储器（EEPROM）、闪存或其它存储器技术、CD-ROM、数字通用光盘（DVD）或其它光学存储器、磁带盒、磁带、磁盘存储器或其它磁存储装置、或者能够用来存储期望的信息并且能够由计算装置800访问的任意其它介质。任何这样的计算机存储介质可以是计算装置800的部分。

计算装置800可包含允许装置与其它装置通信的一个或多个通信连接器812。计算装置800也可具有一个或多个输入装置814，诸如键盘、鼠标、笔、语音输入装置、触摸输入装置等。还可包括诸如显示器、扬声器、打印机等的一个或多个输出装置816。所有这些装置在本领域中是公知的并且无需在此详细讨论。

应当理解，可以结合硬件或软件或者适当时二者的组合来实施此处所述的各种技术。因此，当前公开的主题的方法和设备、或者其某些方面或部分可采用体现于诸如软盘、CD-ROM、硬盘驱动器、或任意其它机器可读存储介质的有形介质中的程序代码（即，指令）的形式，其中，当程序代码被加载到诸如计算机的机器中并由其执行时，该机器变为用于实践当前公开的主题的设备。

尽管在一个或更多个独立计算机系统的情况下示例性实施方式可以指示使用当前公开主题的方面，但是并不如此限制该主题，而是相反，可以与任意计算环境诸如网络或分布式计算环境结合实现该主题。进一步地，可以在多个处理芯片或装置中或跨多个处理芯片或装置实现当前公开主题的方面，并且存储器可以跨多个装置类似地作用。例如，这样的装置可包括个人计算机、网络服务器、以及手持装置。

尽管已经以结构特征和/或方法行为特定的语言描述了主题，但是应该理解，在所附的权利要求中所限定的主题不必然限制为上述特定的特征或行为。相反，上述特定的特征和行为作为实现权利要求的示例形式被公开。

根据本发明的实施例，提供了如下的方案：

附记

1.一种用于移动计算装置的三维3D触摸型输入系统，所述系统包括：

三个红外IR位置发射器，所述三个IR位置发射器以第一已知配置固定地耦接至触摸型输入装置，用于发射三个可辨别的IR信号；

两个定位传感器，所述两个定位传感器以第二已知配置固定地耦接至所述移动计算装置，用于感测从所述三个IR位置发射器发射的所述三个可辨别的IR信号，其中所述感测包括基于所述三个可辨别的IR信号确定所述三个IR位置发射器中的每个相对于所述两个定位传感器中的每个的两个二维2D方向；以及

处理器，所述处理器用于基于所述2D方向、所述第一已知配置以及所述第二已知配置确定所述触摸型输入装置相对于所述移动计算装置的定位和取向。

2．根据附记1所述的系统，其中所述可辨别的IR信号被调制以提供从所述触摸型输入装置至所述移动计算装置的数字通信信道。

3.根据附记1所述的系统，其中所述IR位置发射器包括IR发光二极管。

4.根据附记1所述的系统，其中所述定位传感器包括定位敏感二极管。

5.根据附记4所述的系统，其中所述定位传感器还包括广角镜头，所述广角镜头具有在至少一个方向上的120度最小孔径的特征。

6.根据附记1所述的系统，其中所述触摸型输入装置为触笔型装置。

7.根据附记1所述的系统，其中所述触摸型输入装置与所述移动计算装置分开、用电池供电、并且包括用于所述触摸型输入装置不使用时的节电功能部件。

8.根据附记1所述的系统，其中所述触摸型输入装置的具体取向提供至少一个补充的用户输入。

9.根据附记1所述的系统，其中所述三个IR位置发射器包括IR发光二极管。

10.根据附记1所述的系统，其中所述两个定位传感器包括定位敏感二极管。

11．根据附记1所述的系统，其中：

所述两个定位传感器感测从三个IR信标发射的三个可辨别的红外信标信号，其中所述感测包括基于所述三个可辨别的IR信标信号确定所述三个IR信标中的每个相对于所述两个定位传感器中的每个的所述两个2D方向，并且其中所述感测包括解调所述IR信标信号以接收所述三个IR信标的每个的位置数据;并且

所述处理器基于所述2D方向、所述两个定位传感器的所述已知配置以及所述三个IR信标的已知位置确定所述移动计算装置相对于所述三个IR信标的定位和取向。

12．一种用于移动计算装置的光学导航的系统，所述系统包括：

两个定位传感器，所述两个定位传感器以已知配置固定地耦接至所述移动计算装置，用于感测从具有已知位置的三个红外IR位置发射器发射的三个可辨别的IR信号，其中所述感测包括基于所述三个可辨别的IR信号确定所述三个IR位置发射器中的每个相对于所述两个定位传感器中的每个的两个二维2D方向，以及

处理器，用于基于所述2D方向、所述两个定位传感器的所述已知配置以及所述三个IR位置发射器的所述已知位置确定所述移动计算装置相对于所述三个IR位置发射器的定位和取向。

13．根据附记12所述的系统，其中所述可辨别的IR信号被调制以提供从所述IR位置发射器至所述移动计算装置的数字通信信道。

14.根据附记12所述的系统，其中从所述数字通信信道得到位置信息。

15．根据附记12所述的系统，其中所述三个IR位置发射器包括IR发光二极管。

16．根据附记12所述的系统，其中所述两个定位传感器包括定位敏感二极管。

17.一种用于移动计算装置的相对光学定位的系统，所述系统包括：

两个定位传感器，所述两个定位传感器以已知配置固定地耦接至所述移动计算装置，用于感测从三维3D空间中的多个红外IR源发射的多个可辨别的IR信号，其中所述感测包括对于每个可辨别的IR信号确定对应的IR信号源相对于所述两个定位传感器中的每个的两个二维2D方向;

IR激光发射器，所述IR激光发射器以第一已知取向固定地耦接至所述第一移动计算装置，用于发射可辨别的IR激光，所述IR激光在由所述3D空间中的碰撞点处的干涉障碍反射和散射时产生能够被所述两个定位传感器感测到的从所述碰撞点发散的可辨别的IR信号，其中所发射的IR激光被调制以提供从所述移动计算装置至其它移动计算装置的数字通信信道；以及

处理器，所述处理器用于基于所述两个2D方向、所述两个定位传感器的所述已知配置以及所述IR激光的已知位置和已知发射方向估计所述移动计算装置相对于来自所述碰撞点的所述IR信号源的定位。

18．根据附记17所述的系统，其中所述移动计算装置经由所述IR激光发射器向第二移动计算装置发送通信，其中所述移动计算装置经由所述两个定位传感器接收来自所述第二移动计算装置的通信。

19．根据附记17所述的系统，其中所述IR激光发射器包括IR发光二极管。

20.根据附记17所述的系统，其中所述两个定位传感器中的每个包括定位敏感二极管。

Claims

1.一种用于移动计算装置(140)的三维3D触摸型输入系统(148)，所述系统包括：

三个红外IR位置发射器(272)，所述三个IR位置发射器以第一已知配置固定地耦接至触摸型输入装置(250)，用于发射三个可辨别的IR信号(424)；

两个定位传感器(260，262)，所述两个定位传感器以第二已知配置固定地耦接至所述移动计算装置(140)，用于感测从所述三个IR位置发射器(272)发射的所述三个可辨别的IR信号(424)，其中所述感测包括基于所述三个可辨别的IR信号(424)确定所述三个IR位置发射器(272)中的每个相对于所述两个定位传感器(260，262)中的每个的两个二维2D方向；以及

处理器(802)，所述处理器用于基于所述2D方向、所述第一已知配置以及所述第二已知配置确定所述触摸型输入装置(250)相对于所述移动计算装置(140)的定位和取向以及用于确定在所述移动计算装置的表面上方的3D空间中的所述触摸型输入装置的3D定位和取向。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述可辨别的IR信号(424)被调制以提供从所述触摸型输入装置(250)至所述移动计算装置(140)的数字通信信道。

3.根据权利要求1所述的系统，其中所述IR位置发射器(272)包括IR发光二极管，并且其中所述定位传感器(260，262)包括定位敏感二极管。

4.根据权利要求1所述的系统，其中所述触摸型输入装置(250)为触笔型装置。

5.根据权利要求1所述的系统，其中所述触摸型输入装置(250)与所述移动计算装置分开、用电池供电、并且包括用于所述触摸型输入装置不使用时的节电功能部件。

6.根据权利要求1所述的系统，其中所述触摸型输入装置(250)的具体取向提供至少一个补充的用户输入。

7.根据权利要求1所述的系统，其中所述三个IR位置发射器(272)包括IR发光二极管，并且其中所述两个定位传感器(260，262)包括定位敏感二极管。

8.一种用于移动计算装置(140)的光学导航的方法(700)，所述方法包括:

感测(702)从具有已知位置的三个IR位置发射器(272)发射的三个可辨别的红外IR信号(424)，其中所述感测(702)包括基于所述三个可辨别的IR信号确定所述三个IR位置发射器(272)中的每个相对于两个定位传感器(260，262)中的每个的两个二维2D方向；以及

利用处理器(802)来基于所述2D方向、所述两个定位传感器(260，262)的已知配置以及所述三个IR位置发射器(272)的所述已知位置确定所述移动计算装置(140)相对于所述三个IR位置发射器(272)的定位和取向以及确定在所述移动计算装置的表面上方的3D空间中的触摸型输入装置的3D定位和取向。

9.根据权利要求8所述的方法，其中所述可辨别的IR信号(424)被调制以提供从所述IR位置发射器(272)至所述移动计算装置(140)的数字通信信道。

10.根据权利要求8所述的方法，其中所述三个IR位置发射器(272)中的每个包括IR发光二极管，并且其中所述两个定位传感器(260，262)中的每个包括定位敏感二极管。