CN104049773A - 电子笔的书写位置数据处理方法、装置及一种书写系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电子笔的书写位置数据处理方法、装置及一种书写系统，用以提高电子笔的书写轨迹的校准精度，从而提高书写系统的实用性。本发明提供的一种电子笔的书写位置数据处理方法包括：接收电子笔的书写位置数据，并将电子笔的书写位置数据转换成显示区域的书写位置数据，以输出显示电子笔的书写轨迹；根据当前电子笔的书写位置数据所对应的显示区域的书写位置数据，确定当前显示区域上显示的校准参考点；当确定需要校准电子笔的书写轨迹时，将当前显示的校准参考点的位置数据作为当前电子笔的书写位置数据。

Description

电子笔的书写位置数据处理方法、装置及一种书写系统

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及电子笔的书写位置数据处理方法、装置及一种书写系统。

背景技术

在信息沟通场合，虚拟笔输入方案发展很快。目前流行的有两类虚拟输入方案，一类是在特定平面进行书写的电子笔，通过扫描或识别设备对轨迹进行跟踪从而实现定位和笔迹显示，其缺点是设备复杂、成本高；另一类是基于无线定位技术的电子笔，例如通过红外、超声、光电、激光等模块或者其组合完成定位，其缺点是设备复杂、成本高，并且在遇到人体或物体遮挡时书写功能丧失。

随着惯性技术发展，利用惯性元件（加速度、陀螺等）的定位功能，可以制作惯性虚拟笔，这种笔可以解决上述流行输入方案的缺点，但能用于电子笔的惯性芯片，属于基于微机械惯性器件，这种惯性器件的定位随时间累积误差较大，无法实现长时间精确定位和精确地笔迹检测。

对于基于惯性器件的电子笔，惯性器件的定位误差随时间急剧增大，因此必须要对其进行定期校准。现有方案为了获得准确值参考值，引入了其他定位方法，从而导致系统复杂度增加、成本增加，同时，当引入的定位方法失效时，例如CMOS原件失去焦点将导致图像失效，将不能完成校正，引起书写位置的错误。

因此当前的基于惯性器件的电子笔的实用度很低。

发明内容

本发明实施例提供了一种电子笔的书写位置数据处理方法、装置及一种书写系统，用以提高电子笔的书写轨迹的校准精度，从而提高书写系统的实用性。

本发明实施例提供的一种电子笔的书写位置数据处理方法包括：

接收电子笔的书写位置数据，并将电子笔的书写位置数据转换成显示区域的书写位置数据，以输出显示电子笔的书写轨迹；

根据当前电子笔的书写位置数据所对应的显示区域的书写位置数据，确定当前显示区域上显示的校准参考点；

当确定需要校准电子笔的书写轨迹时，将当前显示的校准参考点的位置数据作为当前电子笔的书写位置数据。

本发明实施例提供的一种电子笔的书写位置数据处理设备包括：

书写位置转换单元，用于接收电子笔的书写位置数据，并将电子笔的书写位置数据转换成显示区域的书写位置数据，以输出显示电子笔的书写轨迹；

校准参考点确定单元，用于根据当前电子笔的书写位置数据所对应的显示区域的书写位置数据，确定当前显示区域上显示的校准参考点；

校准单元，用于当确定需要校准电子笔的书写轨迹时，将当前显示的校准参考点的位置数据作为当前电子笔的书写位置数据。

本发明实施例提供的一种书写系统，包括电子笔和显示装置，该系统还包括上述电子笔的书写位置数据处理设备。

本发明实施例，接收电子笔的书写位置数据，并将电子笔的书写位置数据转换成显示区域的书写位置数据，以输出显示电子笔的书写轨迹；根据当前电子笔的书写位置数据所对应的显示区域的书写位置数据，确定当前显示区域上显示的校准参考点；当确定需要校准电子笔的书写轨迹时，将当前显示的校准参考点的位置数据作为当前电子笔的书写位置数据。从而，在不增加其他传感器的情况下，通过引入外部已知的位置信号，巧妙地解决了参考位置信息的问题，大大提高校准精度和电子笔的使用时间。外部已知信号是由PC计算产生的，PC将显示区域分为多个区域（例如但不限于m*n个矩形），每个区域的中心位置的坐标已知，定义为该区域的校准参考点。与电子笔当前的最新输入点的距离最近的那个参考坐标点总是被显示在显示区域。用户随时可以通过电子笔的校准开关点击此点，获得对书写轨迹和电子笔的空间姿态的校准。因此，本发明可以将基于惯性器件的电子笔的书写轨迹进行精确校准。校准过程非常方便，因此使电子笔的持续使用时间大大加长，更加实用。并且，即使对于普通的非惯性器件电子笔，也能够起到精确校准输入位置的作用。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种书写系统的原理示意图；

图2为本发明实施例提供的一种电子笔的书写位置数据处理方法的流程示意图；

图3为本发明实施例提供的一种对显示区域进行划分，等到子区域及该子区域的校准参考点的示意图；

图4为本发明实施例提供的当有多个校准参考点与电子笔的当前输入点距离相等时显示右上角的校准参考点的示意图；

图5为本发明实施例提供一种电子笔的书写位置数据处理方法的流程示意图；

图6为本发明实施例提供的一种显示装置显示的书写轨迹和校准参考点的示意图；

图7为本发明实施例提供的一种电子笔的书写位置数据处理设备的结构示意图。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种电子笔的书写位置数据处理方法、装置及一种书写系统，用以提高电子笔的书写轨迹的校准精度，从而提高书写系统的实用性。

本发明实施例提供的技术方案，可以不借助外部的绝对定位方式完成精确的定位，从而长时间进行书写。本发明实施例提供的技术方案支持平面输入和空间输入两种情况下的电子笔的书写轨迹的位置校准。

下面结合附图对本发明实施例提供的技术方案进行说明。

参见图1，本发明实施例提供的一种书写系统，包括电子笔（图1中最左侧所示）、显示装置、主机（PC），进一步还可以包括辅助显示的投影仪等设备。

其中，所述电子笔包含：加速度传感器、陀螺仪、磁强计、电源管理、控制器（CPU）、无线发送模块（RF发射器）及辅助模块（如开关按键、指示灯、压力开关等等），可以通过无线通信和主机进行数据通信。其中，加速度传感器、陀螺仪和磁强计分别为三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁强计，这三个部分构成运动传感器部分，此时可以较为精确地得到电子笔的位置和空间姿态，并进而求出笔尖的准确位置。

电子笔的两头各安装一个压力开关。笔尖处的压力开关负责书写，另一端的压力开关用于书写位置的校准。当书写轨迹和显示轨迹发生偏移时，用户可以按下校准开关，通过校准开关完成校准。

较佳地，所述电子笔还包括校准开关，当该校准开关开启时，所述电子笔向所述PC发射校准信号，使得PC确定需要校准电子笔的书写轨迹。

PC和投影机分别用于完成数据存储、计算和显示。本发明中，所述PC还可以接收电子笔的书写位置数据，并将电子笔的书写位置数据转换成显示区域的书写位置数据，以输出显示电子笔的书写轨迹；根据当前电子笔的书写位置数据所对应的显示区域的书写位置数据，确定当前显示区域上显示的校准参考点；当确定需要校准电子笔的书写轨迹时，将当前显示的校准参考点的位置数据作为当前电子笔的书写位置数据，当然，此时需要用户按下校准开关，并把电子笔的笔尖置于当前显示的校准参考点的位置上，否则如果电子笔的笔尖没有点在当前显示的校准参考点上，将造成校准错误，因为当前显示的校准参考点和笔尖的实际位置并不一致。

所述显示装置可以是显示器，也可以是显示屏幕（此时需要投影仪等设备），例如墙壁、白板或者其他表面。

如果是在空中，电子笔的书写表面就是书写的实际的点构成的那个平面或空间。

本发明实施例提供的一种电子笔的书写位置数据处理方法主要应用在所述PC上，即电子笔的书写位置数据处理设备，下面给出所述方法的详细说明。

参见图2，本发明实施例提供的一种电子笔的书写位置数据处理方法，包括：

S101、接收电子笔的书写位置数据，并将电子笔的书写位置数据转换成显示区域的书写位置数据，以输出显示电子笔的书写轨迹；

S102、根据当前电子笔的书写位置数据所对应的显示区域的书写位置数据，确定当前显示区域上显示的校准参考点；

S103、当确定需要校准电子笔的书写轨迹时，将当前显示的校准参考点的位置数据作为当前电子笔的书写位置数据。当然，此时需要用户按下校准开关，并把电子笔的笔尖置于当前显示的校准参考点的位置上，否则如果电子笔的笔尖没有点在当前显示的校准参考点上，将造成校准错误，因为当前显示的校准参考点和笔尖的实际位置并不一致。

较佳地，预先对显示区域进行划分，得到多个子区域，将每个子区域的中心位置数据作为该子区域的校准参考点的位置数据。

参见图3，本发明预先将整个显示区域被划分为m*n个子区域，其中，m可以表示行也可以表示列，n可以表示行也可以表示列，本领域技术人员应该明白，在m表示行时，n表示列，在m表示列时，n表示行。

每个子区域都设定一个坐标已知的校准参考点。这些校准参考点用于进行动态的校准，每个时刻只有一个校准参考点被显示。较佳地，显示原则是：和当前有效输入点距离最近的点被显示。

本发明中，m和n的取值范围取决于书写平面的显示区域大小。通常来说，分割后的子区域的边长在10cm左右就够用了。

比如1米*1米的书写平面，m和n都取10即可。如果取得太大，分割的子区域就会很小，校准参考点就会不停地跳动，影响书写；取得太小，则子区域太大，校准时电子笔移动到显示的校准参考点的距离太长，会影响精度。

较佳地，所述根据当前电子笔的书写位置数据所对应的显示区域的书写位置数据，确定当前显示区域上显示的校准参考点，包括：

根据当前电子笔的书写位置数据所对应的显示区域的书写位置数据，确定与当前电子笔的书写位置所对应的显示区域的书写位置最近的校准参考点，将该校准参考点确定为当前显示区域上显示的校准参考点。

较佳地，当与当前电子笔的书写位置所对应的显示区域的书写位置最近的校准参考点有多个时，按照预设规则，选择一个校准参考点确定为当前显示区域上显示的校准参考点。

即获取用户输入的最后的有效位置，并计算和该位置距离最近的显示点。当有多个点和该点的距离相等时，按照预先制订的原则显示其中的一个。例如，参见图4，图4中中心的圆点表示电子笔的当前输入点，四周的方块表示与电子笔的当前输入点距离相等的校准参考点，那么，在这种情况下，优先显示其右上方的校准参考点，即图4中颜色最深的方块所示的校准参考点。

较佳地，当接收到来自电子笔的校准信号时，确定需要校准电子笔的书写轨迹。

例如，还可以在PC设备本身设置一校准开关，当用户点击该校准开关时，PC确定需要校准电子笔的书写轨迹。

参见图5，书写系统的具体处理流程包括：

初始化：确定显示比例，即校准书写和显示的比例等。

书写并获取传感器数据：获取电子笔的三轴加速度传感器数据、三轴陀螺数据和三轴磁强传感器数据。

判断电子笔的校准开关是否被按下，如果是，即当确定需要校准电子笔的书写轨迹时，进行绝对位置校准，将当前显示的校准参考点的位置数据作为当前电子笔的书写位置数据：当用户使用校准开关进行位置校准时，系统获知当前的笔的姿态并作姿态的重新对准，同时根据当前显示的校准参考点的位置信息，重新校准电子笔的当前位置。具体的校准过程如下：

假定当前显示的校准参考点坐标为（x1,y1,z1），用户是用电子笔的笔尖触摸该校准参考点，并同时按下了“校准开关”，那么校准信号将发出，此后笔就进入了校准状态。

电子笔内置的传感器，时刻在计算笔尖的位置，校准时也是如此，假定这一时刻，电子笔内传感器计算得到的笔尖位置是(X2,Y2,Z2)。由于处于校准状态，显然笔尖位置应该以校准参考点的坐标为准。所以，笔尖位置被系统强行赋值为（x1,y1,z1），即将当前显示的校准参考点的位置数据作为当前电子笔的书写位置数据，同时电子笔的姿态也更新了。从这一时刻起，传感器将从（X1,Y1,Z1）这个位置开始计算下一时刻的书写位置。

其中，通过加速度传感器数据和地磁传感器数据修正当前电子笔的空间姿态，具体介绍如下：

笔的姿态固定时，笔身固连的坐标系和地理坐标系的坐标轴夹角就固定了，这些夹角的余弦构成一个3*3的方向余弦矩阵，成为姿态矩阵。也就是说，只要得到这个姿态矩阵，本身的姿态就被唯一确定了。

笔的姿态也可以使用姿态角来描述。当笔处于任意固定位置时，本身的三坐标轴和地理坐标系的三轴具有固定关系。假定笔的初始轴和地理坐标系重合，当前的位置可以看作笔身分别沿三个坐标轴做三次独立的旋转得到，这三次旋转的角度称为航向角、横滚角和俯仰角。姿态角描述和姿态矩阵描述一一对应，它们只是不同的描述方式而已。

加速度传感器可以感知重力加速度。当笔（实际是笔内的加速度传感器）处于某一个固定的空间姿态并保持静止时，重力加速度将在加速度的三个轴上产生分量，这三个分量的矢量和就是重力加速度g。

根据这个关系，可以求解出笔的俯仰角和横滚角。类似地，通过地磁传感器可以得到笔身的航向角。

由此就可以得到本身的空间姿态了。有了准确的空间姿态，就可以在笔运动时，通过惯性仪表进一步计算本身的实时的姿态了。

在校准过程中，笔尖的位置并不会被显示；直到校准开关被释放后，才会根据笔尖的压力开关状态确定是否显示当前笔尖的位置。

如果不需要进行书写轨迹的校准，则继续显示书写轨迹并更新校准参考点：在显示区域显示笔的轨迹。根据当前有效输入点的位置，计算哪一个校准参考点需要被显示并执行显示。

进一步，当书写平面改变了，则重新进行上述初始化的操作，否则，继续获取电子笔的传感器数据，即接收电子笔的书写位置数据。

下面给出校准方法的一个示例：

假定书写区域（即显示区域）面积为80cmX60cm，取m=8，n=6，将书写区域分为8*6=48个矩形子区域。

不失一般性，可用平面直角坐标系为例说明。设当前计算的笔尖坐标为：（Xcur，Ycur），则校准参考点坐标（Xref，Yref）的计算方法为：

Xref=Round(Xcur/80)*80+5

Yref=Round(Ycur/60)*60+5

校准后，通过赋值得到当前笔尖位置的基准位置，即（Xref，Yref）。

校准时笔身处于静止状态，因此可以得到一段时长的惯性传感器和地磁传感器的的采样数据。利用该数据，即可计算出当前笔的空间姿态，采用的方法是普通的惯性导航出示对准算法。

需要说明的是，实际的校准过程中，需要用户先按下校准开关，使得书写系统进入校准状态，然后用户将笔尖移动到当前显示的校准参考点的位置。如果将笔尖移动到当前显示的校准参考点的位置，后按校准开关，则可能会发生显示的校准参考点发生变化的情况，因为电子笔移动时，笔尖的位置坐标会变化，导致显示的校准参考点也随之变化。因此需要用户先按下校准开关，进入校准模式，此时笔尖的位置就不再被计算了，直到校准完成、校准开关松开为止。

现有技术中，当CMOS传感器不聚焦时，只能采用加速度计获取位置，直到下一次CMOS传感器再次生效。其问题在于：由于书写时笔的姿态在自由变换，CMOS传感器可能长时间处于离焦状态，而此时加速度计的漂移和积累误差，早已形成巨大的误差导致书写位置错误。因此现有校正方法效果差，无法达到精确和实用的效果。

参见图6，与现有技术相比，本发明引入了坐标已知的绝对位置（即校准参考点的位置），这是一个可信的参考点，可供用户作位置校正使用。当用户发现电子笔的书写位置和显示位置产生明显偏离时，说明需要校准，就在该参考点上，使用校准开关点击一次，即可完成位置和姿态的校准，将最近的校准参考点的位置作为电子笔的当前输入点的位置。由于这种校准非常方便，并不影响用户的实际使用，而且校准后惯性器件得到了重新的初始化，可以精确的完成定位，所以，这种方法可以使电子笔长时间的使用，达到实用的程度。

因此，相应地，在PC侧，参见图7，本发明实施例提供的一种电子笔的书写位置数据处理设备，包括：

书写位置转换单元10，用于接收电子笔的书写位置数据，并将电子笔的书写位置数据转换成显示区域的书写位置数据，以输出显示电子笔的书写轨迹；

校准参考点确定单元11，用于根据当前电子笔的书写位置数据所对应的显示区域的书写位置数据，确定当前显示区域上显示的校准参考点；

校准单元12，用于当确定需要校准电子笔的书写轨迹时，将当前显示的校准参考点的位置数据作为当前电子笔的书写位置数据。同样的，此时需要用户按下校准开关，并把电子笔的笔尖置于当前显示的校准参考点的位置上，否则如果电子笔的笔尖没有点在当前显示的校准参考点上，将造成校准错误，因为当前显示的校准参考点和笔尖的实际位置并不一致。

较佳地，该设备还包括：

预处理单元13，用于预先对显示区域进行划分，得到多个子区域，将每个子区域的中心位置数据作为该子区域的校准参考点的位置数据。

较佳地，所述校准参考点确定单元11，具体用于：

根据当前电子笔的书写位置数据所对应的显示区域的书写位置数据，确定与当前电子笔的书写位置所对应的显示区域的书写位置最近的校准参考点，将该校准参考点确定为当前显示区域上显示的校准参考点。

较佳地，当与当前电子笔的书写位置所对应的显示区域的书写位置最近的校准参考点有多个时，所述校准参考点确定单元11按照预设规则，选择一个校准参考点确定为当前显示区域上显示的校准参考点。

较佳地，所述校准单元12当接收到来自电子笔的校准信号时，确定需要校准电子笔的书写轨迹。

需要说明的是，本发明设计了电子笔的非书写端为校准端，是为了便于交互操作。但本发明的校准端并非必须如此设计，当需要校准时，也可通过一个按键结合书写开关完成，或者通过其他方式，只要可以使电子笔进入校准状态，完成校准即可。

综上所述，本发明从传感器类型、校准原理和校准流程的设计上，使基于惯性器件的电子笔，从概念阶段改进到实用阶段。本发明在不增加其他传感器的情况下，通过引入了外部已知的位置信号，巧妙地解决了参考位置信息的问题，大大提高校准精度和电子笔的使用时间。其中，外部已知信号是由PC计算产生的。PC将显示区域分为多个区域（例如但不限于m*n个矩形），每个区域的中心位置的坐标已知，定义为该区域的校准参考点。与当用户当前的最新输入点的距离最近的那个参考点总是被显示在显示区域。用户随时可以通过将电子笔的笔尖对准该点，并开启校准开关，获得对书写位置和空间姿态的校准。因此，该校准机制可以将基于惯性器件的电子笔的位置进行精确校准。校准流程非常方便，使电子笔的持续使用时间大大加长，达到了实用的程度。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (12)

1.一种电子笔的书写位置数据处理方法，其特征在于，该方法包括：

接收电子笔的书写位置数据，并将电子笔的书写位置数据转换成显示区域的书写位置数据，以输出显示电子笔的书写轨迹；

根据当前电子笔的书写位置数据所对应的显示区域的书写位置数据，确定当前显示区域上显示的校准参考点；

当确定需要校准电子笔的书写轨迹时，将当前显示的校准参考点的位置数据作为当前电子笔的书写位置数据。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，预先对显示区域进行划分，得到多个子区域，将每个子区域的中心位置数据作为该子区域的校准参考点的位置数据。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据当前电子笔的书写位置数据所对应的显示区域的书写位置数据，确定当前显示区域上显示的校准参考点，包括：

根据当前电子笔的书写位置数据所对应的显示区域的书写位置数据，确定与当前电子笔的书写位置所对应的显示区域的书写位置最近的校准参考点，将该校准参考点确定为当前显示区域上显示的校准参考点。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，当与当前电子笔的书写位置所对应的显示区域的书写位置最近的校准参考点有多个时，按照预设规则，选择一个校准参考点确定为当前显示区域上显示的校准参考点。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当接收到来自电子笔的校准信号时，确定需要校准电子笔的书写轨迹。

6.一种电子笔的书写位置数据处理设备，其特征在于，该设备包括：

书写位置转换单元，用于接收电子笔的书写位置数据，并将电子笔的书写位置数据转换成显示区域的书写位置数据，以输出显示电子笔的书写轨迹；

校准参考点确定单元，用于根据当前电子笔的书写位置数据所对应的显示区域的书写位置数据，确定当前显示区域上显示的校准参考点；

校准单元，用于当确定需要校准电子笔的书写轨迹时，将当前显示的校准参考点的位置数据作为当前电子笔的书写位置数据。

7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，该设备还包括：

预处理单元，用于预先对显示区域进行划分，得到多个子区域，将每个子区域的中心位置数据作为该子区域的校准参考点的位置数据。

8.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，所述校准参考点确定单元，具体用于：

根据当前电子笔的书写位置数据所对应的显示区域的书写位置数据，确定与当前电子笔的书写位置所对应的显示区域的书写位置最近的校准参考点，将该校准参考点确定为当前显示区域上显示的校准参考点。

9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，当与当前电子笔的书写位置所对应的显示区域的书写位置最近的校准参考点有多个时，所述校准参考点确定单元按照预设规则，选择一个校准参考点确定为当前显示区域上显示的校准参考点。

10.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，所述校准单元当接收到来自电子笔的校准信号时，确定需要校准电子笔的书写轨迹。

11.一种书写系统，包括电子笔和显示装置，其特征在于，该系统还包括权利要求6-10任一权项所述的设备。

12.根据权利要求11所述的书写系统，其特征在于，所述电子笔包括校准开关，当该校准开关开启时，所述电子笔向所述设备发射校准信号，使得设备确定需要校准电子笔的书写轨迹。