CN103176592B - 虚拟投影输入系统及其输入检测方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于一虚拟投影输入系统的输入检测方法，其步骤包含：通过一反射镜射出一图像光束，且该图像光束在一投影面上形成一投影点；摆动该反射镜，使该图像光束摆动，且该投影点在该投影面上来回扫描，并产生一输入图像；检测该反射镜的一摆动频率，并产生一频率信号；判断是否有一输入操作发生，若是，则产生一检测信号；以及分析该频率信号与该检测信号之间的一相位差，并根据该相位差计算该输入操作发生的一输入位置。

Description

虚拟投影输入系统及其输入检测方法
技术领域
本发明是有关于一种虚拟投影输入系统及其输入检测方法，且特别是有关于一种应用激光投影来产生虚拟输入图像的虚拟投影输入系统及其输入检测方法。
背景技术
利用投影方式来产生一虚拟输入图像，可解决过去使用实体输入装置产生的携带不便的问题。通过投影方式产出的虚拟输入图像，使用者可以如使用实体输入装置般输入信息，并由相关的检测系统来检测并分析使用者于虚拟输入图像上的相对位置后，便可判断使用者欲输入的信息为何。
一般而言，检测系统通常是利用一检测光束来进行扫描或散射，而当检测光束遭遇到使用者时，会形成反射光或散射光，并经光检测元件接收后，由运算系统推得使用者的输入位置。因此，一般利用投影方式来产生一虚拟输入图像的虚拟投影输入系统，除了需要投影装置来产生虚拟输入图像之外，还需要额外的检测光源来检测使用者的输入位置，如此包含复杂的多个元件，在应用上并不方便。
因此，如何采用较少的元件，并有效率地检测在一虚拟图像上的输入位置，仍是继续在研发中。
发明内容
本发明提供一种虚拟投影输入系统及其输入检测方法，其不需额外的检测光源，并可以有效地检测出在一投影图像上的触碰物体的输入位置。
本发明于一实施例提供一种用于一虚拟投影输入系统的输入检测方法，其步骤包含：通过一反射镜射出一图像光束，且该图像光束在一投影面上形成一投影点；摆动该反射镜，使该图像光束摆动，且该投影点在该投影面上来回扫描，并产生一输入图像；检测该反射镜的一摆动频率，并产生一频率信号；判断是否有一输入操作发生，若是，则产生一检测信号；以及分析该频率信号与该检测信号之间的一相位差，并根据该相位差计算该输入操作发生的一输入位置。
本发明于一实施例提供一种用于一虚拟投影输入系统的输入检测方法，其步骤包含：通过一反射镜射出一图像光束，且该图像光束在一投影面上形成一投影点；摆动该反射镜，使该图像光束摆动，且该投影点在该投影面上来回扫描，并产生一输入图像；在一第一次完整扫描中，当接收到一反射光束时，判断该图像光束在一第一方向的一第一摆动角度；在该第一次完整扫描中，检测当该图像光束位于该第一方向的一第二摆动角度时，是否接收到该反射光束，并设定为一第一检测结果；在一第二次完整扫描中，检测当该图像光束位于该第一方向的该第一摆动角度时，是否接收到该反射光束，并设定为一第二检测结果；在该第二次完整扫描中，检测当该图像光束位于该第一方向的该第二摆动角度时，是否接收到该反射光束，并设定为一第三检测结果；以及根据该第一检测结果、该第二检测结果及该第三检测结果来判断是否有一按键输入操作发生。
本发明于一实施例提供一种虚拟投影输入系统，包含：一投影装置，包含一反射镜模块，用以射出并摆动一图像光束，使该图像光束在一投影面上形成一投影点，且该投影点在该投影面上来回扫描，以产生一输入图像，其中，该反射镜模块具有一频率信号对应于该反射镜模块的一摆动频率；一光检测器，用以检测该图像光束对一触碰物体的一反射光，并产生一触发信号；一频率信号产生单元，用以根据该触发信号产生一检测信号；以及一相位分析器，用以分析该检测信号与该频率信号之间的一相位差，并根据该相位差计算该触碰物体的一输入位置。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图式作详细说明如下。
附图说明
图1A-1B绘示为依据本发明一实施例的虚拟投影输入系统的图像投影示意图。
图2绘示为依据本发明一实施例的虚拟投影输入系统的输入检测示意图。
图3绘示为依据本发明一实施例的投影装置示意图。
图4绘示为本发明投影装置的另一实施例示意图。
图5绘示为依据本发明一实施例的虚拟输入系统示意图。
图6绘示为根据本发明一实施例的频率信号及检测信号示意图。
图7绘示为依据本发明一实施例的虚拟投影输入系统的输入检测方法流程示意图。
图8A-8B绘示为依据本发明一实施例的判断按键输入操作示意图。
图9绘示为依据本发明一实施例的判断按键输入操作方法的流程示意图。
具体实施方式
本发明例如应用在一激光扫描式投影系统中，其可以同时投影出虚拟输入装置的输入图像，并检测使用者的输入操作，进而产生对应的控制行为。激光扫描式投影系统一般采用二维方向摆动的反射镜片，将含有红蓝绿三光束的一同轴激光经由反射镜片反射出的图像光束投影至投影平面上形成一投影点后，摆动的反射镜片会同时带动图像光束摆动，使投影点在投影区域内来回扫描，并利用人眼视觉暂留的原理产生图像。
图1A-1B绘示为依据本发明一实施例的虚拟投影输入系统100的图像投影示意图。本发明实施例提出的虚拟投影输入系统100可为一独立的虚拟投影输入系统，或其亦可设置于电子装置内，其例如是移动电子装置，还例如是平板计算机或是手机。
请参阅图1A，本发明实施例提出的虚拟投影输入系统100包含一投影装置101用以投影出输入图像110，此输入图像可为键盘图像、指针图像或图片图像等。在此实施例中，输入图像110以一键盘图像为例。投影装置101会产生一图像光束106，并在投影面上形成一投影点。再者，图像光束106会在一边界范围内摆动，使投影点在投影面上的一投影范围内来回扫描，进而产生输入图像110。
请参阅图1A，其显示图像光束106在水平面方向的摆动范围，其中图像光束106在边线102与边线104的范围内摆动，且角度θ1代表在水平方向，图像光束106相对边线102的摆动角度。同时，请参阅图1B，其显示图像光束106在垂直面方向的摆动范围，其中图像光束106在边线112与边线114的范围内摆动，且角度θ2在垂直方向，代表图像光束106相对边线112的摆动角度。
在本实施例中，图像光束106在水平方向的摆动频率大于垂直方向的摆动频率，因此，如图1A所示，图像光束106在投影面上的投影点会沿着扫描顺序108在投影面上来回扫描，并进而在投影面上形成输入图像110。当投影点完整扫描过整个输入图像110后，投影点会再次重新扫描整个输入图像110。
接着请参阅图2，图2绘示为依据本发明一实施例的虚拟投影输入系统100的输入检测示意图。本发明实施例提出的虚拟投影输入系统100又包含至少一个光检测器126、128用以检测输入操作的发生，并发出一触发信号以产生一检测信号。
如图2所示，当触碰物体120(以手指为例)触碰键盘图像110的其中一个按键位置(即输入位置)时，扫描至此位置的图像光束106会被手指120反射而产生反射光122、124，并由光检测器126、128所接收。此时，接收到反射光122、124的光检测器126、128便会发出触发信号，表示有输入操作发生。
除了检测是否有输入操作发生外，虚拟投影输入系统100还需进一步确认触碰物体120所触碰的输入位置，以便进行对应的控制行为。以下将进一步说明本发明提出的投影装置101以及虚拟投影输入系统100的实施例。
请参阅图3，图3绘示为依据本发明一实施例的投影装置101示意图。投影装置101是由红、绿、蓝的三个图像光束组成一同轴光束162，并在适当地偏折后沿着光轴130入射到反射镜模块132。反射镜模块132具有两个摆动方向，使由反射镜模块132反射出的图像光束106产生如图1A及1B的摆动范围。图3所示为使图像光束106产生单一方向摆动的例子(例如，如图1B的垂直方向摆动)，其中反射镜模块132会在两个位置132a、132b之间摆动，并对应地产生图像光束106、106’。为简化说明，以下的相关说明仅以垂直方向的摆操作说明，然而，水平方向的摆动亦可适用相同的方式，则不再赘述。
本发明实施例提出的投影装置101还包含一频率检测装置164，用以检测反射镜模块132的摆动频率。在此实施例中，频率检测装置164为一电容电极，其与反射镜模块132构成一电容器，用以检测反射镜模块132的摆动频率。如图3所示，当反射镜模块132摆动时，会改变电容值，因此可通过电压信号来得到电容值的变化，并产生一频率信号140，其对应于反射镜模块132的摆动频率。
在本发明中，要得到对应于反射镜模块132的摆动频率的频率信号140，其方式不仅限于使用电容电极的方式。请参阅图4，图4绘示为本发明投影装置101的另一实施例示意图。在此实施例中，频率检测装置164为一光学检测器，用以检测反射的图像光束106的特定发射角度，并产生一方波信号。通过将方波信号转换成正弦波信号便可得到对应于反射镜模块132的摆动频率的频率信号140。因此，本发明并不限定检测反射镜模块132摆动的频率信号的方法。
此外，如前所述，检测反射镜模块132的摆动变化，可以得到类似正弦波的频率信号140。此频率信号140对应于反射镜模块132的摆动量，以及图像光束106的摆动角度。进一步而言，由于图像光束106的摆动角度代表当下的扫描点位置，因此频率信号140亦可对应于图像光束106的扫描点位置。
接着，请参阅图5，图5绘示为依据本发明一实施例的虚拟输入系统100示意图。本发明实施例提出的虚拟投影输入系统100除了上述提到的投影装置160外，还包含一频率产生器200以及一相位分析器202。
当触碰物体120触碰键盘图像110的其中一个按键位置(输入位置)时(如图3所示)，扫描至此位置的图像光束106会被手指120反射而产生反射光122、124，并由光检测器126、128所接收。此时，接收到反射光122、124的光检测器126、128便会发出一触发信号给频率产生器200，表示有输入操作发生(如图5所示)。接着，频率产生器200会根据反射镜模块132摆动的频率信号140的频率值190，产生与频率信号140相同频率或成一固定频率比例关系的检测信号142。接着，频率信号140与检测信号142皆会输入至相位分析器202，并经由相位分析器202的分析，得到频率信号140与检测信号142之间的相位差Δθ。根据此相位差Δθ就可以计算出触碰物体120的输入位置。
请参阅图6，图6绘示为根据本发明一实施例的频率信号140及检测信号142示意图。由检测反射镜模块132的摆动变化而得到的频率信号140用以作为一参考信号。频率信号140具有多个重复的正弦波201、202、203，每一个正弦波201、202、203代表反射镜模块132的一次摆动。又当检测到由触碰物体所产生的反射光时，光检测器触发频率信号产生器，以产生检测信号142，其频率与频率信号140相同或成一固定比例关系，但是由于触发点是当检测到反射光时才会产生，因此检测信号142相对于频率信号140会有一延迟时间且具有一相位差Δθ。如图6所示，检测信号142的起始点与频率信号140中对应的正弦波起始点(时间t 2)之间具有一时间差144。由此对应的波形起始点位置的时间差及相位差便可得知反射镜模块132的摆动量及图像光束106的摆动角度，进而可推算出触碰物体120的输入位置。
在上述的实施例说明中，仅以反射镜模块132单一方向的摆动为例子，以便推算出触碰物体120单一方向(例如Y方向)的输入位置。然而，反射镜模块132另一方向的摆动亦可采用相同的方法进行检测，并推算触碰物体120另一方向(例如X方向)的输入位置。
请参阅图7，图7绘示为依据本发明一实施例的虚拟投影输入系统的输入检测方法流程示意图。本发明实施例提出的输入检测方法包括步骤S100，通过一反射镜射出一图像光束，且反射光束在一投影面上形成一投影点。于步骤S200，摆动反射镜，使反射光束摆动，并使其投影点在投影面上来回扫描，并产生一输入图像。于步骤S300，检测反射镜的摆动频率，并产生一频率信号。接着于步骤S400，判断是否有一输入操作发生，若是，则产生一检测信号。于步骤S500，分析频率信号与检测信号之间的一相位差，并根据相位差计算输入操作发生的输入位置。
在上述实施例的步骤S400：判断是否有一输入操作发生中，其主要是根据光检测器是否有接收到反射光来判断。若有接收到反射光，则判断有输入操作发生，并触发频率信号产生器以产生检测信号。然而，本发明的另一实施例进一步提出判断是否有按键的操作，来判断是否有一输入操作发生，使检测输入操作的结果更为精确，而避免误判产生。
一般而言，当使用者进行“按键”操作时，会进行“手指抬起”、“手指按下”、“手指抬起”的三个操作。相对于其它不进行打字操作的手指，则不会有以上的连续操作。
图8A-8B绘示为依据本发明一实施例的判断按键输入操作示意图。
请参阅图8A，图8A为触碰物体120处于“按下”的状态时，图像光束320、320’、320”分别位于垂直方向的不同摆动角度θ3的示意图。在此实施例中，图像光束320的垂直摆动角度θ3定义为与Z轴之间的夹角。假设在单次完整扫描中，意即在图像光束的投影点完整扫描过整个输入图像范围的过程中，垂直摆动角度θ3是由小角度变化到大角度并对应至Y轴的不同位置。换句话说，位于垂直方向的第一摆动角度θ3的图像光束320，其投影点至虚拟投影输入系统的距离(即Y轴距离)小于位于垂直方向的第二摆动角度θ3的图像光束320’的投影点至虚拟投影输入系统的距离。如图8A所示，当触碰物体120处于“按下”的状态时，垂直摆动角度θ3逐渐变大的三条图像光束320、320’、320”皆会被触碰物体120反射，并产生反射光。
请参阅图8B，图8B为触碰物体120处于“抬起”的状态时，图像光束320、320’、320”分别位于垂直方向的不同摆动角度θ3的示意图。此时，图8B与图8A已经分属于不同次的完整扫描过程。如图8B所示，当触碰物体120处于“抬起”的状态时，垂直摆动角度θ3逐渐变大的三条图像光束320、320’、320”仅有投影点位于输入位置的图像光束320不会被触碰物体120反射，而另外两条图像光束320’、320”则会被触碰物体120反射，并产生反射光。
请参阅图9，图9绘示为依据本发明一实施例的判断按键输入操作方法的流程示意图。本发明实施例提出的判断按键输入操作方法包括步骤S410，在第一次完整扫描中，当接收到反射光束时，判断图像光束在第一方向的第一摆动角度。于步骤S420，在第一次完整扫描中，检测图像光束位于第一方向的第二摆动角度时，是否接收到反射光束，并设定为第一检测结果。接着，于步骤S430，在第二次完整扫描中，检测图像光束位于第一方向的第一摆动角度时，是否接收到反射光束，并设定为第二检测结果。于步骤S440，在第二次完整扫描中，检测图像光束位于第一方向的第二摆动角度时，是否接收到反射光束，并设定为第三检测结果。于步骤S450，根据第一检测结果、第二检测结果及第三检测结果判断是否有按键输入操作发生。
在上述判断按键输入操作方法的实施例中，在第一次完整扫描中，当光检测器接收到反射光束时，会产生一触发信号输入至频率信号产生单元，并产生一第一检测信号。并且，当判断有按键输入操作发生时，设定第一检测信号为检测信号，用以与频率信号进行相位分析。
在上述判断按键输入操作方法的实施例中，当图像光束位于第一摆动角度时，其投影点与虚拟投影输入系统具有第一距离，且当图像光束位于第二摆动角度时，其投影点与虚拟投影输入系统具有第二距离，其中第一距离小于第二距离。并且，当第一检测结果及第三检测结果为有接收到反射光束，且第二检测结果为未接收到反射光束时，判断有按键输入操作发生。
根据本发明提出的虚拟投影输入系统及其输入检测方法，可以简易检测是否有按键输入发生以及按键输入位置。当要更准确判断按键输入操作时，可以参考连续的完整扫描中，在相同的相邻扫描角度下，其是否出现反射光来判断是否有按压操作。
虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视所附的权利要求范围所界定者为准。

Claims (10)

1.一种输入检测方法，用于一虚拟投影输入系统的输入检测，包含：
通过一反射镜射出一图像光束，且该图像光束在一投影面上形成一投影点；
摆动该反射镜，使该图像光束摆动，且该投影点在该投影面上来回扫描，并产生一输入图像；
检测该反射镜的一摆动频率，并产生一频率信号；
判断是否有一输入操作发生，若是，则触发一频率信号产生器以产生一检测信号，其中该频率信号与该检测信号具有相同的频率或成一固定频率比例关系；以及
分析该频率信号与该检测信号之间的一相位差，并根据该相位差计算该输入操作发生的一输入位置。
2.如权利要求1所述的输入检测方法，其中该判断是否有一输入操作发生的步骤包含：
在一第一次完整扫描中，当接收到一反射光束时，判断该图像光束在一第一方向的一第一摆动角度；
在该第一次完整扫描中，检测当该图像光束位于该第一方向的一第二摆动角度时，是否接收到该反射光束，并设定为一第一检测结果；
在一第二次完整扫描中，检测当该图像光束位于该第一方向的该第一摆动角度时，是否接收到该反射光束，并设定为一第二检测结果；
在该第二次完整扫描中，检测当该图像光束位于该第一方向的该第二摆动角度时，是否接收到该反射光束，并设定为一第三检测结果；以及
根据该第一检测结果、该第二检测结果及该第三检测结果来判断是否有一按键输入操作发生。
3.如权利要求2所述的输入检测方法，其中又包含在该第一次完整扫描中，当接收到该反射光束时，产生一第一检测信号，且当判断有该按键输入操作发生时，设定该第一检测信号为该检测信号。
4.如权利要求2所述的输入检测方法，其中该完整扫描为该投影点单次完整扫描过该输入图像的范围。
5.如权利要求2所述的输入检测方法，其中当该图像光束位于该第一方向的该第一摆动角度时，该投影点与该虚拟投影输入系统具有一第一距离，且当该图像光束位于该第一方向的该第二摆动角度时，该投影点与该虚拟投影输入系统具有一第二距离，其中该第一距离小于该第二距离。
6.如权利要求2所述的输入检测方法，其中当该第一检测结果及该第三检测结果为有接收到该反射光，且该第二检测结果为未接收到该反射光时，判断有该按键输入操作发生。
7.一种虚拟投影输入系统，包含：
一投影装置，包含一反射镜模块，用以射出并摆动一图像光束，使该图像光束在一投影面上形成一投影点，且该投影点在该投影面上来回扫描，以产生一输入图像，其中该反射镜模块具有一频率信号对应于该反射镜模块的一摆动频率；
一光检测器，用以检测该图像光束对一触碰物体的一反射光，并产生一触发信号；
一频率信号产生单元，用以根据该触发信号产生一检测信号，其中该频率信号与该检测信号具有相同的频率或成一固定频率比例关系；以及
一相位分析器，用以分析该检测信号与该频率信号之间的一相位差，并根据该相位差计算该触碰物体的一输入位置。
8.如权利要求7所述的虚拟投影输入系统，还包含一频率检测装置，用以检测该反射镜模块的该摆动频率。
9.如权利要求8所述的虚拟投影输入系统，其中该频率检测装置为一电容电极，其与该反射镜模块构成一电容器，用以检测该反射镜模块的该摆动频率。
10.如权利要求8所述的虚拟投影输入系统，其中该频率检测装置为一光学检测器，用以检测该反射镜模块的该摆动频率。
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