CN103999026A - 基于电容性接近度的手势输入系统 - Google Patents

基于电容性接近度的手势输入系统 Download PDF

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基思·埃德温·柯蒂斯
法尼·杜芬哈格
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Abstract

使用在实质上水平平面上且与微控制器组合的多个电容性接近度传感器检测用于对视频显示器的向上/向下翻页、放大/缩小、向上/向下/向右/向左移动、旋转等等命令的用户手势。所述微控制器经调适以解译由所述用户手势引起的所述多个电容性接近度传感器的电容性变化，且基于这些手势而产生控制信号以控制所述视频显示器的视觉内容。

Description

基于电容性接近度的手势输入系统
相关专利申请案
本申请案主张由基斯埃德温·柯蒂斯(Keith Edwin Curtis)及法聂耳杜文哈格(FanieDuvenhage)在2011年12月14日申请的标题为“基于电容性接近度的手势输入系统(Capacitive Proximity Based Gesture Input System)”的共同拥有的第61/570,530号美国临时专利申请案的优先权；所述申请案出于所有目的以引用的方式并入本文中。
技术领域
本发明涉及用于接近度检测的方法及设备，且特定来说，涉及基于电容性接近度的手势输入系统。
背景技术
当前文档查看软件需要快捷键组合或下拉式菜单加鼠标以控制文档的显示。因为需要关于系统操作及命令结构的专门知识，所以键盘及鼠标接口不如基于手势的系统直观。基于手势的系统不需要专门命令，因为其使用与纸张硬复制处理几乎相同的手势。
发明内容
因此需要可与许多不同信息显示器一起使用的基于手势的系统，例如，例如但不限于在机场、办公大楼、医生办公室、博物馆、图书馆、学校、动物园、政府及邮局及类似处的信息(例如，文档及数据)亭。根据本发明的教示，基于手势的系统可独立于视觉显示器，且可容易地与和所述视觉显示器相关联的计算机介接。
根据一实施例，一种人机接口装置可包括：多个电容性接近度传感器，其以模式布置于衬底的平面上；及控制器，其可操作以测量所述多个电容性接近度传感器中的每一者的电容，及借助于所述多个电容性接近度传感器检测手势。根据进一步实施例，所述多个电容性接近度传感器可为以所述模式布置于所述衬底的平面上的六个电容性接近度传感器。根据进一步实施例，所述模式包括：布置于所述平面的远端部分上的两个电容性接近度传感器；布置于所述平面的近端部分上的另外两个电容性接近度传感器；及布置于所述平面的任一侧部分上的还有另外两个电容性接近度传感器。根据进一步实施例，所述控制器可为微控制器。
根据进一步实施例，所述微控制器可包括：模拟前端及多路复用器，其耦合到所述多个电容性接近度传感器；电容性测量电路，其耦合到所述模拟前端及多路复用器；及模/数转换器(ADC)，其具有耦合到所述电容性测量电路的输入；数字处理器及存储器，其耦合到ADC的输出；及计算机接口，其耦合到所述数字处理器。根据进一步实施例，所述计算机接口可为通用串行总线(USB)接口。
根据另一实施例，一种用于用包括多个电容性接近度传感器的人机接口装置检测手势的方法可包括以下步骤：将所述多个电容性接近度传感器以一模式布置于感测平面内；用所述电容性接近度传感器中的至少两者检测距所述感测平面某一距离的用户的至少一只手的移动；及将所述检测到的移动解码并且将其与多个命令的相应一者关联。根据所述方法的进一步实施例，所述多个电容性接近度传感器可为以所述模式布置于所述感测平面上的六个电容性接近度传感器。
根据所述方法的进一步实施例，左上方及右上方的电容性接近度传感器可布置于所述感测平面的远端部分上，左下方及右下方的电容性接近度传感器可布置于所述感测平面的近端部分上，且左方及右方的电容性接近度传感器可布置于所述感测平面的任一侧部分上。根据所述方法的进一步实施例，当手从所述右方传感器以扫动动作移动到所述左方传感器时，可检测到向上翻页命令，其中可检测到所述右方、右下方、左下方及左方传感器中的电容性变化。根据所述方法的进一步实施例，当手从所述左方传感器以扫动动作移动到所述右方传感器时可检测到向下翻页命令，其中可检测到所述左方、左下方、右下方及右方传感器中的电容性变化。根据所述方法的进一步实施例，当手悬停于所述传感器上且以所需行进方向移动时，可检测到向左/向右/向上/向下命令，其中可检测到所述传感器的电容值的比率度量变化。
根据所述方法的进一步实施例，当手悬停于所述传感器上且以所需行进方向移进或移出时可检测到放大/缩小命令，其中可检测到所述传感器的电容值的比率度量变化。根据所述方法的进一步实施例，当至少一只手悬停于所述右上方/右方传感器及左下方/左方传感器上且接着顺时针旋转到右下方/右方传感器及左上方/左方传感器时，可检测到顺时针旋转命令，其中可检测所述右上方/右方传感器到右方/右下方传感器及左下方/左方传感器到左上方/左方传感器的电容值的变化。根据所述方法的进一步实施例，当至少一只手悬停于所述右下方/右方传感器及左上方/左方传感器上且接着顺时针旋转到所述右上方/右方传感器及左下方/左方传感器时，可检测到逆时针旋转命令，其中可检测到所述右下方/右方传感器到右方/右上方传感器及左上方/左方传感器到左下方/左方传感器的电容值的变化。
附图说明
可通过参考结合附图进行的以下描述而获得对本发明的更完整理解，其中：
图1说明根据本发明的教示的显示亭、手势输入面板及计算机的示意等距图；
图2说明根据本发明的教示的用于旋转文档的手势的示意平面图；
图3说明根据本发明的教示的用于放大/缩小文档的手势的示意平面图；
图4说明根据本发明的教示的用于文档的X/Y定位的手势的示意平面图；
图5说明根据本发明的教示的用于文档的向上/向下翻页定位的手势的示意平面图；及
图6说明根据本发明的特定实例实施例的具有多个电容性接近度传感器及一微控制器接口的手势输入面板的示意框图。
虽然本发明允许有各种修改及替代形式，但是已在图式中展示了且在本文中详细描述了其特定实例实施例。然而应理解，本文中对特定实例实施例的描述并不旨在将本发明限制于本文中揭示的特定形式，而是相反，本发明涵盖由所附权利要求书界定的所有修改及等效物。
具体实施方式
当前所有在使用中的手势系统或需要接触触控屏幕，或需要基于安装到显示器的相机系统对用户的手进行视觉捕获及区别。根据各种实施例的系统替代地以基于用户与实质上水平传感器板的接近度，所述实质上水平传感器板可例如大体上垂直于视觉显示器而安装。这从显示系统移除了手势捕获且使其成为经调适以容易与计算机介接的独立外围设备。
根据各种实施例，本文中揭示一种用于使用多个电容性接近度传感器的组合来检测向上/向下翻页、放大/缩小、向上/向下/向右/向左移动及旋转的方法。本文中揭示的所提出的手势涵盖共同文档/图像查看器控制件，然而其可容易地经调适而用于其它人机接口装置。所述多个可能手势可使用简单的数据驱动的状态机来解码。因此，可在此人机接口装置中使用单个混合信号集成电路或微控制器。还可用需要低程序额外开销的8到32位的微处理器系统实施检测状态机。
配备有此手势辨识装置的相应系统可代替用于信息显示的鼠标/轨迹球接口，个人计算机、工作站及/或移动装置，等等。此方法允许创建用于任何文档或数据显示器(例如信息亭)的基于直观手势的用户接口系统。所述多个电容性接近度传感器可提供最多约三(3)英寸的比例接近度检测。如果与具有集成式通信功能性的微控制器(例如，通用串行总线(USB)接口)组合，那么此手势装置可有利地用于多种人/机接口装置中。
现参考图式，示意地说明特定实例手势实施例及因此其硬件实施方案的细节。图式中的相同元件将由相同数字表示，且类似元件将由具有不同小写字母后缀的相似数字表示。
参考图1，描绘根据本发明的教示的显示亭、手势输入面板及计算机的示意等距图。根据本文中揭示的实施例，对于许多不同信息显示器，可使用与视觉显示装置110及计算器140组合的基于手势的人机接口输入装置120，例如(但不限于)在机场、办公大楼、医生办公室、博物馆、图书馆、学校、动物园、政府及邮局及类似处的信息(例如，文档及数据)亭。根据本发明的教示，基于手势的人机接口输入装置120可独立于视觉显示装置110且可容易地与和视觉显示装置110相关联的计算机140介接。
如图1中所示，基于手势的人机接口输入装置120可与视觉显示装置110一起安装或独立于视觉显示装置110而安装，且适当地定位以用于人与显示于视觉显示装置110上的图像的手势交互。基础的人机接口输入装置120可经设计以检测一只手或两只手的移动，且可将某些手势解译为可与视觉显示装置110交互地使用的预定义命令。基于手势的人机接口输入装置120可基于如图1中所示而布置的六个电容性接近度传感器。这六个电容性接近度传感器可进一步定义为左上方传感器1、右上方传感器2、左下方传感器3、右下方传感器4、左方传感器5及右方传感器6。还预期可根据本发明的教示而利用更多或更少电容性接近度传感器，且在本发明的范围内。
优选地具有计算机接口(例如，通用串行总线(USB)接口)的微控制器(见图6)可用于测量个别电容性接近度传感器的电容，且评估用于解译相应手势的变化模式。因此以用户的手的移动为基础，同时在这六个电容性接近度传感器1到6的检测范围内检测及解码个别手势。
参考图2，描绘根据本发明的教示的用于旋转文档的手势的示意平面图。为旋转文档，用户将他/她的手置于传感器2或替代地2及6上。所述用户接着旋转他/她的手，直到其在传感器4或替代地4及6上。
对于顺时针旋转命令，两只手可悬停于右上方/右方(2、6)及左下方/左方(3、5)，且接着顺时针旋转到右下方/右方(4、6)及左上方/左方(1、5)。关联的辨识模式可为：右上方/右方(2、6)到右方/右下方(6、4)加上左下方/左方(3、5)到左上方/左方(1、5)。
对于逆时针旋转命令，两只手可悬停于右下方/右方(4、6)及左上方/左方(1、5)上，且接着顺时针旋转到右上方/右方(2、6)及左下方/左方(3、5)。关联的辨识模式可为：右下方/右方(4、6)到右方/右上方(6、2)加上左上方/左方(1、5)到左下方/左方(3、5)。
参考图3，描绘根据本发明的教示的用于放大/缩小文档的手势的示意平面图。为放大/缩小，用户将他/她的手平行于传感器1到6的平面而移动，直到他/她的手在所有六个传感器1到6上居中。所述用户接着提高或降低他/她的手以放大或缩小。当达到所需缩放水平时，所述用户的手水平地撤出。
对于放大命令，所述手悬停于所述传感器上，且朝传感器1到6移动(移动到其中)。对于缩小命令，所述手悬停于所述传感器上，且移动远离传感器1到6。关联的辨识模式可为：所有传感器电容值的比率度量变化。
参考图4，描绘根据本发明的教示的用于文档的X/Y定位的手势的示意平面图。为X/Y定位，用户将他/她的手垂直移动到传感器1到6的平面中，直到他/她的手在所有六个传感器1到6的范围内。用户接着将他/她的手在传感器1到6的平面中移动，直到到达适当位置。用户接着将他/她的手从传感器1到6垂直移开。
对于向左/向右/向上/向下命令，手悬停于所述传感器上，且在文档的所需移动方向上移动。关联的辨识模式可为传感器电容值的比率度量变化。
参考图5，描绘根据本发明的教示的用于向上/向下翻页定位文档的手势的示意平面图。为向上/向下翻页，用户可将他/她的手平行于传感器1到6的平面而移动，直到他/她的手在传感器6上居中以向下翻页，或在传感器5上居中以向上翻页。所述用户可接着翻动他/她的手，同时水平地在传感器1到6上移动。此动作近似于翻动书中的页面。一旦此手势完成，可平行于所述传感器的平面而移开手。
当手从右方传感器6以扫动动作移动到左方传感器5时，可检测到向上翻页命令。关联的传感器辨识模式/序列可为：右方6、右下方4、左下方3及左方5。
当手从左方传感器5以扫动动作移动到右方传感器6时可检测到向下翻页命令。关联的传感器辨识模式/序列可为：左方5、左下方3、右下方4及右方6。
参考图6，描绘根据本发明的特定实例实施例的具有多个电容性接近度传感器及一微控制器接口的手势输入面板的示意框图。一般由数字620表示的手势输入面板可包括多个电容性接近度传感器1到6、微控制器650(包括数字处理器及存储器652)、计算机接口654、模/数转换器(ADC)656、电容性测量电路658及模拟前端及多路复用器660。
模拟前端及多路复用器660将电容性接近度传感器1到6中的每一者耦合到电容测量电路658。电容测量电路658准确地将多个电容性接近度传感器1到6中的每一者的电容值测量为模拟电压。ADC656将表示电容性接近度传感器1到6的电容值的模拟电压转换为其数字表示。数字处理器及存储器652读取电容值的这些数字表示，且将其存储于存储器中以供进一步处理，以基于上文更完全描述的手势输入而对计算机140创建命令。计算机接口654，例如，USB、串行、PS-2等等可经调适以与驱动视觉显示器110的计算机140通信。
电容测量电路658可为具有必要的电容测量分辨率的任何一个或多个电容测量外围设备，例如但不限于充电时间测量单元(CTMU)、电容性分压器(CVD)方法及电容性感测模块(CSM)。CTMU可用于非常精确的电容测量。CTMU更完全地描述于www.microchip.com处可得的Microchip应用注释AN1250及AN1375，及詹姆斯E巴特林(James E·Bartling)的共同拥有的标题为“测量长时间周期(Measuring a long timeperiod)”的第US7,460,441B2号美国专利及标题为“电流-时间数/模转换器(Current-time digital-to-analog converter)”的US7,764,213B2两者中；其中其均出于所有目的而以引用的方式并入本文中。
电容性分压器(CVD)方法确定电容值及/或评估是否已改变电容值。CVD方法更完全地描述于www.microchip.com处可得的应用注释AN1208中；且CVD方法的更详细解释呈现于迪特尔·彼得(Dieter Peter)的共同拥有的标题为“使用模/数转换器(ADC)的内部电容器及电压参考的电容性触摸感测)(Capacitive Touch Sensing using an InternalCapacitor of an Analog-To-Digital Converter(ADC)and a Voltage Reference)”的第US2010/0181180号美国专利申请公开案中；其中两者在此出于所有目的以引用的方式并入本文中。
使用周期方法及电容感测模块(CSM)的电容感测更完全地描述于www.microchip.com处可得的应用注释AN1101、AN1171、AN1268、AN1312、AN1334及TB3064中，及基恩E·柯蒂斯(Keith E.Curtis)等人共同拥有的标题为“具有抗噪性的电容性触摸系统(Capacitive Touch System With Noise Immunity)”的第US2011/0007028A1号美国专利申请案；其中其全部在此出于所有目的以引用的方式并入本文中。
所提出的手势涵盖常见的文档/图像查看器控制件，然而其可容易地经调适以用于其它人机接口装置。多个可能手势可使用简单数据驱动的状态机解码。因此，可在此人机接口装置中使用单个混合信号集成电路或微控制器。还可用具有低额外开销的8到32位的微处理器系统实施检测状态机。
虽然已通过参考本发明的实例实施例而描绘、描述且界定了本发明的实施例，但是此类参考并不暗示对本发明的限制，且不推断此种限制。所揭示的标的物能够具有如所属领域且受益于本发明的一般技术人员将想到的在形式及功能上的相当大的修改、变更及等效物。所描绘及描述的本发明的实施例仅为实例，且并非本发明的详尽范围。

Claims (15)

1.一种人机接口装置，其包括：
多个电容性接近度传感器，其以一模式布置于衬底的平面上；及
控制器，其可操作以测量所述多个电容性接近度传感器中的每一者的电容，且借助于所述多个电容性接近度传感器而检测手势。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述多个电容性接近度传感器为以所述模式布置于所述衬底的平面上的六个电容性接近度传感器。
3.根据权利要求2所述的装置，其中所述模式包括所述电容性接近度传感器中布置于所述平面的远端部分上的两者、所述电容性接近度传感器中布置于所述平面的近端部分上的另外两者，及所述电容性接近度传感器中布置于所述平面的任一侧部分上的再另外两者。
4.根据权利要求1所述的装置，其中所述控制器为微控制器。
5.根据权利要求4所述的装置，其中所述微控制器包括：
模拟前端及多路复用器，其耦合到所述多个电容性接近度传感器；
电容测量电路，其耦合到所述模拟前端及多路复用器；
模/数转换器ADC，其具有耦合到所述电容测量电路的输入；
数字处理器及存储器，其耦合到所述ADC的输出；及
计算机接口，其耦合到所述数字处理器。
6.根据权利要求5所述的装置，其中所述计算机接口为通用串行总线USB接口。
7.一种用于用包括多个电容性接近度传感器的人机接口装置检测手势的方法，所述方法包括以下步骤：
将所述多个电容性接近度传感器以一模式布置于感测平面内；
用所述电容性接近度传感器中的至少两者检测距所述感测平面某一距离的用户的至少一只手的移动；及
解码所述检测到的移动且将所述检测到的移动与多个命令的相应一者关联。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述多个电容性接近度传感器为以所述模式布置于所述感测平面上的六个电容性接近度传感器。
9.根据权利要求8所述的方法，其中左上方及右上方的电容性接近度传感器布置于所述感测平面的远端部分上，左下方及右下方的电容性接近度传感器布置于所述感测平面的近端部分上，且左方及右方的电容性接近度传感器布置于所述感测平面的任一侧部分上。
10.根据权利要求9所述的方法，其中当手从所述右方传感器以扫动动作移动到所述左方传感器时检测到向上翻页命令，其中检测到所述右方、右下方、左下方及左方传感器的电容性变化。
11.根据权利要求9所述的方法，其中当手从所述左方传感器以扫动动作移动到所述右方传感器时检测到向下翻页命令，其中检测到所述左方、左下方、右下方及右方传感器的电容性变化。
12.根据权利要求9所述的方法，其中当手悬停于所述传感器上且以所需行进方向移动时检测到向左/向右/向上/向下命令，其中检测到所述传感器的电容值的比率度量变化。
13.根据权利要求9所述的方法，其中当手悬停于所述传感器上且移进或移出所需行进方向时检测到放大/缩小命令，其中检测到所述传感器的所述电容值的比率度量变化。
14.根据权利要求9所述的方法，其中当至少一只手悬停于所述右上方/右方传感器及所述左下方/左方传感器上且接着顺时针旋转到所述右下方/右方传感器及所述左上方/左方传感器时检测到顺时针旋转命令，其中检测到所述右上方/右方传感器到所述右方/右下方传感器及所述左下方/左方传感器到所述左上方/左方传感器的电容值的变化。
15.根据权利要求9所述的方法，其中当至少一只手悬停于所述右下方/右方传感器及所述左上方/左方传感器上且接着顺时针旋转到所述右上方/右方传感器及所述左下方/左方传感器时检测到逆时针旋转命令，其中检测到所述右下方/右方传感器到所述右方/右上方传感器及所述左上方/左方传感器到所述左下方/左方传感器的电容值的变化。
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