CN103631470A - 基于红外反射式光电探测点阵的隔空输入系统与输入方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于红外反射式光电探测点阵的隔空输入系统与输入方法。隔空输入系统，包括微控制器、上位机、光电探测模块，其中，光电探测模块与微控制器连接，微控制器通过无线或有线方式与上位机连接。采用红外反射式光电探测点阵对三维空间中的交互主体进行连续实时地定位，进而实现交互动作的识别与信息输入。本发明提供的隔空输入系统可在各种光照条件下正常使用，不需要复杂的软硬件进行实时图像处理，交互动作的响应速度快、识别精度高、识别种类多，而且系统结构简单、使用方便、性价比高。

Description

基于红外反射式光电探测点阵的隔空输入系统与输入方法

技术领域

本发明涉及电子设备输入技术领域，进一步是涉及一种利用红外反射式光电探测技术实现人机交互信息输入的新型隔空输入系统与输入方法。

背景技术

传统的输入设备如按键、鼠标、触摸屏等，由于需要使用者的手指直接接触，因而在某些特定场合存在一些应用上的制约，比如：手术室中工作的医护人员因无菌要求而不便于进行某些直接接触操作；在一些大型集会演讲中，接触式的交互输入操作会影响演讲者的尽情发挥；在医院、电梯、车站等场合使用接触式的公共自助服务设备，更是会增加病菌交叉感染的几率。

近年来出现的基于摄像头和图像处理技术的隔空输入系统，比如美国微软公司的kinect、苹果公司的leap motion等产品，他们在技术上的共同点是采用摄像头来采集交互动作等输入信息，并通过数字图像处理方法实现动作识别，完成人机交互功能。这类产品因利用摄像头采集图像，导致其正常工作会受到环境光照条件的限制，环境光线过明或过暗都会影响图像的有效采集，同时实时图像处理对系统软硬件也有很高的要求。基于微型固态陀螺仪、加速度计和生物电极等传感器实现的隔空输入系统，如日本任天堂公司的Wii Remote控制器、加拿大Thalmic Labs公司的MYO腕带等产品，是通过传感器来监测手和手臂在三维空间中的运动轨迹、姿态或者运动时肌肉产生的生物电变化等信息，进而实现人机交互动作的识别与输入。这类产品在工作时虽不受环境光照条件的限制，使用更加便捷自然，但在交互输入动作的识别精度和识别数量上存在局限。

鉴于以上分析，有必要研究不同于传统输入系统的可隔空输入、结构简单、性能优良、使用方便且价格较低的新型输入系统。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种简单可靠且性价比高的隔空输入系统，还相应提供一种基于红外反射式光电探测点阵的隔空输入方法。采用该方法实现的隔空输入系统结构简单、使用方便、响应速度快、环境适应性强且成本较低。

本发明所采用的第一种技术方案为：基于红外反射式光电探测点阵的隔空输入系统，包括微控制器（Micro Controller Unit，MCU）、无线发射模块、上位机、无线接收模块、光电探测模块，其中，光电探测模块与微控制器连接，微控制器与无线发射模块连接，上位机与无线接收模块连接。

本发明所提供的另一种技术方案是：基于红外反射式光电探测点阵的隔空输入系统，包括微控制器、连接线、上位机、光电探测模块，其中，光电探测模块与微控制器连接，微控制器通过连接线与上位机连接实现交互信息的传送。

第一或第二方案中，所述光电探测模块对其前方三维空间中交互主体（如手指）的位置进行连续实时地记录，微控制器通过分析处理该位置信息便可得到交互主体的移动轨迹和速度等信息，进而判断出交互主体的输入意图，再经过微控制器以无线或有线连接方式将上述信息发送给上位机，实现对上位机的输入控制。

所述光电探测模块包括红外反射式光电探测点阵、调制信号产生电路、驱动发射电路、光电探测电路、解调电路。

所述红外反射式光电探测点阵由多个光电传感单元在二维平面内排布构成，可按一定的规律（如等间距）排布，每个传感单元由成对的一个红外发射管和一个红外接收管紧贴并排放置在一起组成。每个传感单元占据着二维平面内唯一确定的一个位置，当交互主体出现在该位置上方时，便会将红外发射管发出的光信号反射回传感单元，并由红外接收管接收后给出相应的电信号，结合微控制器输出的扫描控制时序，便可唯一确定交互主体在当前时刻的位置。红外反射式光电探测点阵的输入端与驱动发射电路的输出端连接，驱动发射电路的一个输入端与调制信号产生电路的输出端连接，另一个输入端与微控制器的输出端连接。红外反射式光电探测点阵的输出端与光电探测电路的输入端连接，光电探测电路的输出端与解调电路的输入端连接，解调电路的输出端与微控制器的输入端连接。

所述传感单元的一对红外发射管和接收管可以是两个独立的分立元件，也可以是组合封装在一起的集成元件。若红外发射管和接收管是两个独立的分立元件，则红外接收管的外侧需要加上深色（如黑色）的套管，以防止直接接收到来自红外发射管的光能量。

所述调制信号产生电路与驱动发射电路相连接，用以产生经过调制的驱动信号使得红外反射式光电探测点阵向空间发射调制光辐射。解调电路与光电探测电路连接，用以对红外反射式光电探测点阵接收到的调制光辐射进行解调。

采用光辐射调制发射与解调技术的优点在于，可以有效消除外界背景杂散光的干扰，增强系统在不同环境光照条件下使用的适应性，同时可降低发射电路的功耗，并增加发射距离。

本发明还相应提供一种基于红外反射式光电探测点阵的隔空输入方法，包括以下步骤：

第一步，构建红外反射式光电探测点阵：将一对红外发射管和红外接收管紧贴并排放置在一起组成一个反射式光电传感单元，每个传感单元占据着二维平面内唯一确定的位置，多个传感单元在二维平面内排布，按一定规律（如等间距）排布，构成红外反射式光电探测点阵。

第二步，调制发射：调制信号产生电路输出调制信号，调制信号与微控制器输出的扫描控制信号相与后输出至驱动发射电路，使得光电探测点阵中的红外发射管按一定规律（逐列或逐行）轮流发射经过调制后的红外探测光。

第三步，输入信息探测：当交互主体（如手指）出现在光电探测点阵前方的感应区时，由于交互主体的反射作用，与交互主体相对的红外接收管将接收到反射回的红外光信号，且能够接收到反射光信号的红外接收管随着交互主体的移动而发生相应的改变，通过持续分析探测点阵中的红外接收管是否接收到反射光信号，便可实现对交互主体输入信息的探测。

第四步，信号处理与解调：光电探测点阵中的红外接收管接收经交互主体反射回的光信号，通过光电探测电路将光信号转换成电信号，然后将电信号进行放大处理后输入至解调电路进行解调。若输入电信号的频率（与反射光信号和调制发射信号的频率相同）与解调电路预先设定的频率相同或相近（小于设定的频率差），则解调电路的输出电平状态发生跳变，表明接收到了经过调制发射和交互主体反射的光信号。

第五步，计算交互主体的实时位置和移动轨迹：光电探测点阵中的每个传感单元对应着其前方的一小片感应区，当交互主体出现在对应的感应区时，通过上述步骤和过程，该传感单元便会输出一个变化的电平信号，结合微控制器输出的扫描控制时序，进而记录下交互主体在当前时刻的位置；当交互主体在光电探测点阵前方连续移动时，与其对应的传感单元便会顺序输出一个变化的电平信号，将这些传感单元所代表的位置点按一定规则连接起来，便可得到交互主体的移动轨迹。

当交互主体的反射面尺寸明显大于（2倍以上）光电探测点阵中传感单元的间距时，采用优先编码技术对同列（或同行）的多个传感单元进行优先编码，即在步骤四后加上优先编码步骤，以保证无论有多少个传感单元同时接收到反射光信号，每次都只响应优先级最高的那个传感单元。光电探测点阵中传感单元的优先级优选设计方式为：左上角最高，右下角最低，由上至下、由左至右优先级依次降低，与交互主体手写输入的先后顺序保持一致。优先编码技术可解决相邻传感单元多响应、误响应的问题，保证不同材料、不同尺寸大小的物件均可作为交互主体来使用，有效扩展了所述隔空输入系统和输入方法的适用范围。

本发明的有益效果是：采用红外反射式光电探测点阵对三维空间中的交互主体进行连续实时地定位，进而实现交互动作的识别与信息输入。相对于传统的采用摄像头、微型固态陀螺仪、加速度计和生物电极等传感器的隔空输入系统，本发明提供的隔空输入系统可在各种光照条件下正常使用，不需要复杂的软硬件进行实时图像处理，交互动作的响应速度快、识别精度高、识别种类多，而且系统结构简单、使用方便、性价比高。

附图说明

图1为本发明实施例中光电探测模块的组成框图；

图2为本发明实施例的隔空输入系统的组成结构示意图；

图3为本发明实施例中红外反射式光电探测点阵的构成示意图；

图4为本发明提供的隔空输入方法的具体实施流程图；

图5为本发明实施例中调制发射电路的原理图；

图6为本发明实施例中光电探测与解调电路的原理图；

图7为本发明实施例的隔空输入系统的电路原理图。

具体实施方式

以下将结合说明书附图对本发明做进一步详细说明。

图1为本发明实施例中光电探测模块的组成框图，图2为本发明实施例的隔空输入系统的组成结构示意图。如图所示，本具体实施方式，包括微控制器202、无线发射模块203、上位机204和无线接收模块205，其特征在于，还包括光电探测模块201，所述光电探测模块201包括红外反射式光电探测点阵101、调制信号产生电路102、驱动发射电路103、光电探测电路104与解调电路105。红外反射式光电探测点阵101是光电探测模块201的关键组成部分，由多个成对的红外发射管和红外接收管在二维平面内按一定规律（如等间距）排布构成，用于接收探测点阵前方交互主体的输入信息。调制信号产生电路102用于产生一个特定频率（如10KHz）的方波信号，调制信号产生电路102可由常用的方波信号产生电路来实现，如555定时芯片、运放或门电路结合电阻R、电容C均可构成简易的方波信号发生器。调制信号产生电路102输出的方波信号传输至驱动发射电路103，用来调制将要发射的红外光信号。驱动发射电路103同时受到微控制器202的控制，根据微控制器202输出的控制信号来决定是否发射红外光信号。驱动发射电路103用于对红外发射管提供足够的驱动功率，以保证系统具有足够的发射功率和探测距离。驱动发射电路103可由大功率的高速开关三极管或反相驱动器（如ULN2803）来实现。光电探测电路104用于接收经交互主体反射的红外光信号，实现光电转换并放大微弱的电信号，还可通过改变光电探测电路104的电阻参数来调节红外光信号的接收灵敏度，光电探测电路104可由高速开关三极管来实现。光电探测电路104将放大处理后的电信号输出至解调电路105。解调电路105可由音频解码芯片LM567构建解码电路来实现，其工作原理为，若输入电信号的频率与解调电路预先设定的频率相同或相近（小于设定的频率差），则解调电路的输出状态将由高电平跳变为低电平，表明接收到了经过调制发射和交互主体反射的光信号。解调电路105输出的电平信号输入到微控制器202，由微控制器判断在该传感单元前方是否探测到交互主体，进一步分析出交互主体的移动轨迹和输入意图。

图3为本发明实施例中红外反射式光电探测点阵的构成示意图。如图所示，红外反射式光电探测点阵101由多个紧贴放置在一起的红外收发对管组成，每个红外收发对管构成一个反射式光电传感单元，每个传感单元包含一个红外发射管和一个与它并排紧贴放置的红外接收管，这些传感单元在二维平面内按一定规律（如等间距）排布便构成红外反射式光电探测点阵101。每个传感单元占据着二维平面内唯一确定的一个位置，当交互主体出现在该位置上方时，便会将红外发射管发出的光信号反射回传感单元，并由红外接收管接收后给出相应的电信号，结合微控制器输出的扫描控制时序，便可唯一确定交互主体在当前时刻的位置。组成传感单元的一对红外发射管和接收管可以是两个独立的分立元件，也可以是组合封装在一起的集成元件。若红外发射管和接收管是两个独立的分立元件，则红外接收管的外侧需要加上深色（如黑色）的套管，以防止直接接收到来自红外发射管的光能量。

在本发明的具体实施方式中，微控制器202将光电探测模块201输出的反映交互主体实时位置的输入信息通过无线发射模块203传输给上位机204，上位机204通过无线接收模块205接收输入信息。另外，作为本发明的另一种实施方式，微控制器202通过USB(Universal Serial Bus，通用串行总线)或串口等连接线与上位机204连接，光电探测模块201输出的反映交互主体实时位置的输入信息通过有线方式传送给上位机204。采用无线收发模块传送交互输入信息，可保证交互主体在光电探测模块201前方进行输入操作时，不受与上位机204之间连接线的制约，使用更加便捷；采用有线连接方式虽然在操作使用上受到一些限制，但是具有更好的抗电磁干扰能力。本发明在具体实施中优选采用无线收发模块传送交互输入信息。

图4为本发明提供的隔空输入方法的具体实施流程图。本发明提供的一种基于红外反射式光电探测点阵的隔空输入方法，其步骤包括：

第一步，构建红外反射式光电探测点阵：将一对红外发射管和红外接收管紧贴并排放置在一起组成一个反射式光电传感单元，每个传感单元占据着二维平面内唯一确定的位置，多个传感单元在二维平面内按一定规律（如等间距）排布构成红外反射式光电探测点阵101。

第二步，调制发射：调制信号产生电路102输出调制信号，调制信号与MCU微控制器202输出的扫描控制信号相与后输出至驱动发射电路103，使得光电探测点阵中的红外发射管按一定规律（逐列或逐行）轮流发射经过调制后的红外探测光。

第三步，输入信息探测：当交互主体（如手指）出现在红外反射式光电探测点阵101前方的感应区时，由于交互主体的反射作用，与交互主体相对的红外接收管将接收到反射回的红外光信号，且能够接收到反射光信号的红外接收管随着交互主体的移动而发生相应的改变，通过持续分析探测点阵中的红外接收管是否接收到反射光信号，便可实现对交互主体输入信息的探测。

第四步，信号处理与解调：红外反射式光电探测点阵101中的红外接收管接收经交互主体反射回的光信号，并通过光电探测电路104将其转换成电信号，然后将其放大处理输入至解调电路105进行解调。若输入电信号的频率（与反射光信号和调制发射信号的频率相同）与解调电路预先设定的频率相同或相近（小于设定的频率差），则解调电路的输出电平状态发生改变，表明接收到了经过调制发射和交互主体反射的光信号。

第五步，计算交互主体的实时位置和移动轨迹：光电探测点阵中的每个传感单元对应着其前方的一小片感应区，当交互主体出现在对应的感应区时，通过上述步骤和过程，该传感单元便会输出一个变化的电平信号，结合微控制器输出的扫描控制时序，进而记录下交互主体在当前时刻的位置；当交互主体在光电探测点阵前方连续移动时，与其对应的传感单元便会顺序输出一个变化的电平信号，将这些传感单元所代表的位置点按一定规则连接起来，便可得到交互主体的移动轨迹。

图5为本发明实施例中调制发射电路的原理图。如图所示，调制发射电路由调制信号产生电路102和驱动发射电路103构成，所述调制信号产生电路102由555定时芯片结合电阻R1、R2和电容C1、C2构成，输出方波信号的频率与占空比由R1、R2和C1决定。所述驱动发射电路103由二输入与非门U3、电阻R3、驱动三极管Q1和红外发射二极管D11构成。调制信号产生电路102输出的方波信号送至二输入与非门芯片（如74HC00）的一个输入端，和与非门另一个输入端的控制信号（由微控制器202输出）相与后形成一个受控的调制信号，该信号经电阻R3传输至高速开关三极管Q1的基极以控制其导通或关断，三极管的集电极和电源之间接入需要驱动的红外发射二极管D11，三极管的发射极接地。经过所述调制信号产生电路102和驱动发射电路103的作用，便可实现微控制器202控制下的红外发射二极管的调制发射。

图6为本发明实施例中光电探测与解调电路的原理图。如图所示，光电探测电路104由电阻R4、R5、高速开关三极管Q2和红外接收二极管D12构成，其中红外接收二极管D12接成反向偏压形式。当D12接收到调制过的反射光后，经光电转换将产生受到调制的微弱光电流，光电流流经电阻R5产生电压降。当电阻R5两端的电压大于高速开关三极管Q2的导通电压时，高速开关三极管导通，其集电极的逻辑电平由高跳变为低，因此高速开关三极管的集电极将输出受到调制的电平信号（高低电平的跳变频率等于光信号的调制频率）。改变电阻R5的大小可调节光电探测电路104的放大倍数（接收灵敏度），R5越大，接收灵敏度越高。三极管Q2集电极端的电信号经C3交流耦合至解调电路105的输入端。解调电路105由音频解码芯片LM567、电容C4、C5、C6、C7和电阻R6、R7构成，解调电路的工作频率由R6、C6决定。当LM567的输入电信号的频率与解调电路105预先设定的频率相同或相近（小于设定的频率差），则解调电路的输出状态将由高电平跳变为低电平。解调电路105的输出端（LM567的8脚）与微控制器202的输入端连接，由微控制器根据解调电路的输出信号来分析判断是否接收到经过调制发射和交互主体反射的光信号。

图7为本发明实施例的隔空输入系统的电路原理图。如图所示，系统采用AT89S51单片机作为微控制器，电容C10、C11和晶振Y1构成时钟振荡电路并为微控制器提供时钟。按键开关S1、电容C12和R10构成复位电路并为微控制器提供复位信号。单片机的P0口（8个引脚P0.0-P0.7）分别轮流输出发射控制信号（Out1-Out8）至8个二输入与非门的输入端（具体连接方式如图5所示），并与调制信号产生电路102输出的方波信号相与后控制调制信号的发射。单片机的P2口（8个引脚P2.0-P2.7）分别接收来自8个解调电路105输出的电信号（In_Sig1-In_Sig8），并根据解调结果判断交互主体的输入信息。单片机P1口的6个引脚（P1.0-P1.5）分别与nRF24L01无线通信模块的CE、CSN、SCK、MOSI、MISO和IRQ 这6个引脚连接，用以控制nRF24L01无线通信模块的工作，并通过该模块将微控制器分析解算的结果发送给上位机。

另外，在本发明中，为节省微控制器的IO端口引脚资源，可在微控制器202和驱动发射电路103之间加入3-8线译码器（如74HC238），这样仅利用微控制器的3个端口便可控制8路红外发射管的调制发射。当交互主体的反射面尺寸明显大于（2倍以上）探测点阵中传感单元间距时，为解决相邻传感单元多响应、误响应的问题，可在解调电路105和微控制器202之间加入8-3线优先编码器（如74HC148），便可保证每次只能响应优先级最高的传感单元输出的信号，同时还可节省微控制器的IO端口引脚资源。微控制器202也可是其他型号的单片机，或者是可编程逻辑器件如FPGA（Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）、CPLD（Complex Programmable Logic Device，复杂可编程逻辑器件）等。

本发明提供的基于红外反射式光电探测点阵的隔空输入系统和输入方法，以红外反射式光电收发对管为基本传感单元构建光电探测点阵，对其前方三维空间中的交互主体进行连续实时地探测定位，并利用微控制器分析处理该位置信息来获取交互主体的移动轨迹和速度等信息，进而判断出交互主体的输入意图。这是一种在工作原理、所用传感器等方面均不同于传统输入设备的新型隔空互动输入系统，采用本发明所述方法实现的隔空输入系统，目前已经实现了多媒体交互控制（隔空翻页、放大、缩小、单双击等）、指令输入、体感游戏控制、文字输入和画图等多种人机交互功能，具有响应速度快（目前已达到50Hz的响应速度）、交互功能多、抗干扰力强、使用方便和成本低等特点，可在公共场合自助服务终端、多媒体互动平台以及体感游戏控制等领域获得广泛的应用。

Claims (7)

1.基于红外反射式光电探测点阵的隔空输入系统，包括微控制器、上位机、光电探测模块，其特征在于，光电探测模块与微控制器连接，微控制器通过无线或有线方式与上位机连接；所述光电探测模块对其前方三维空间中交互主体的位置进行连续实时地记录，微控制器通过分析处理该位置信息便可得到交互主体的移动轨迹和速度信息，进而判断出交互主体的输入意图，再经过微控制器以无线或有线连接方式将上述信息发送给上位机，实现对上位机的输入控制；

所述光电探测模块包括红外反射式光电探测点阵、调制信号产生电路、驱动发射电路、光电探测电路、解调电路；

所述红外反射式光电探测点阵的输入端与驱动发射电路的输出端连接，驱动发射电路的一个输入端与调制信号产生电路的输出端连接，另一个输入端与微控制器的输出端连接，红外反射式光电探测点阵的输出端与光电探测电路的输入端连接，光电探测电路的输出端与解调电路的输入端连接，解调电路的输出端与微控制器的输入端连接。

2.根据权利要求1所述的基于红外反射式光电探测点阵的隔空输入系统，其特征在于，所述红外反射式光电探测点阵由多个光电传感单元在二维平面内排布构成，按等间距排布，每个传感单元由成对的一个红外发射管和一个红外接收管紧贴并排放置在一起组成。

3.根据权利要求2所述的基于红外反射式光电探测点阵的隔空输入系统，其特征在于，所述传感单元的一对红外发射管和接收管可以是两个独立的分立元件，也可以是组合封装在一起的集成元件。

4.根据权利要求1所述的基于红外反射式光电探测点阵的隔空输入系统，其特征在于，所述调制信号产生电路与驱动发射电路相连接，用以产生经过调制的驱动信号使得红外反射式光电探测点阵向空间发射调制光辐射，解调电路与光电探测电路连接，用以对红外反射式光电探测点阵接收到的调制光辐射进行解调。

5.基于红外反射式光电探测点阵的隔空输入方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，构建红外反射式光电探测点阵：将一对红外发射管和红外接收管紧贴并排放置在一起组成一个反射式光电传感单元，每个传感单元占据着二维平面内唯一确定的位置，多个传感单元在二维平面内排布，按等间距排布，构成红外反射式光电探测点阵；

第二步，调制发射：调制信号产生电路输出调制信号，调制信号与微控制器输出的扫描控制信号相与后输出至驱动发射电路，使得光电探测点阵中的红外发射管按逐列或逐行轮流发射经过调制后的红外探测光；

第三步，输入信息探测：当交互主体出现在光电探测点阵前方的感应区时，由于交互主体的反射作用，与交互主体相对的红外接收管将接收到反射回的红外光信号，且能够接收到反射光信号的红外接收管随着交互主体的移动而发生相应的改变，通过持续分析探测点阵中的红外接收管是否接收到反射光信号，实现对交互主体输入信息的探测；

第四步，信号处理与解调：光电探测点阵中的红外接收管接收经交互主体反射回的光信号，通过光电探测电路将光信号转换成电信号，然后将电信号进行放大处理后输入至解调电路进行解调，若输入电信号的频率与解调电路预先设定的频率相同或相近，则解调电路的输出电平状态发生跳变，表明接收到了经过调制发射和交互主体反射的光信号；

第五步，计算交互主体的实时位置和移动轨迹：光电探测点阵中的每个传感单元对应着其前方的一小片感应区，当交互主体出现在对应的感应区时，通过上述步骤一-四步，该传感单元便会输出一个变化的电平信号，结合微控制器输出的扫描控制时序，进而记录下交互主体在当前时刻的位置；当交互主体在光电探测点阵前方连续移动时，与其对应的传感单元便顺序输出一个变化的电平信号，将这些传感单元所代表的位置点按规则连接起来，得到交互主体的移动轨迹。

6.根据权利要求5所述的基于红外反射式光电探测点阵的隔空输入方法，其特征在于，当交互主体的反射面尺寸明显大于光电探测点阵中传感单元的间距2倍以上时，采用优先编码技术对同列或同行的多个传感单元进行优先编码，即在步骤四后加上优先编码步骤，保证无论有多少个传感单元同时接收到反射光信号，每次都只响应优先级最高的那个传感单元。

7.根据权利要求6所述的基于红外反射式光电探测点阵的隔空输入方法，其特征在于，所述光电探测点阵中传感单元的优先级设计方式为：左上角最高，右下角最低，由上至下、由左至右优先级依次降低，与交互主体手写输入的先后顺序保持一致。

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