CN104090661B - 便携的交互式白板模块 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于在用户可定义区域中确定接触点位置的系统。该系统包括多个模块。在设置阶段，用户对每个模块进行定位，以定义区域的边缘点。示例性地，一个模块包括用于检测该模块和另一模块之间的校准的装置、用于测量模块间距的装置、以及用于进行无线数据通信的装置。具体地，校准的检测和模块间距的测量都配置为在无须将两个模块物理地连接在一起的情况下进行。因此，该模块相对于另一模块的几何坐标是在无须物理地连接这两个模块的情况下确定的。该系统因此能够被紧凑地包装以便移动，从而使包含有这样系统的便携的交互式白板系统显示出高便携性的优点。

Description

便携的交互式白板模块

技术领域

本发明涉及一种用于构建便携的交互式白板的模块，该白板具有尺寸小的优点，提高了便携性。

背景技术

交互式白板通常是一个尺寸从32英寸到144英寸的用于用户交互的板，因此交互式白板的组件(package)在运输时非常庞大而沉重。交互式白板系统包含白板和交互式白板模块。要想使交互式白板系统便于携带，需要交互式白板模块在运输过程中包装起来以后尺寸小且重量轻。在现有技术中，可以实现但不限于大的实物板。也可以选择例如普通白板、墙壁、玻璃窗、桌子等平面当作板。投影机用于将内容图像投射到平面上。传感单元感测对象在平面上的接触动作，以发现接触点的坐标，该坐标用于更新内容图像，从而达到与用户的交互。US2013/0070089和US2013/0141389的公开内容中采用了这种方法。在US2013/0070089中，传感单元具有两个固定的图像传感器，并且这两个图像传感器通过控制设备校准。由于控制设备的存在，使这个传感单元庞大而沉重。在US2013/0141389中，传感单元包括两个摄像设备，为了确保这两个摄像设备在同一平面上，通过弦(chord)将其连接。弦的存在使得传感单元很难被包装为小尺寸。

需要一种交互式白板模块或包含这种模块的传感单元，以便在包装时，基于这种模块或单元的交互式白板系统形成小的尺寸。

发明内容

首先，本发明提供了一种用于在用户可定义区域上确定接触点位置的系统。

该系统包括多个模块。将单个模块配置为可由用户移动，以便在设置阶段，用户定义区域的边缘点。整体上，该单个模块包括用于检测该单个模块和另一单个模块之间的校准的装置、进行无线数据通信的装置、以及用于测量该单个模块和所述另一单个模块之间的模块间距的装置。具体地，检测校准和测量模块间距都配置为在无须将两个模块物理地连接在一起的情况下进行。因此，该单个模块相对于所述另一单个模块的几何坐标是可在无须物理地连接该单个模块和所述另一单个模块的情况下确定的。因此，该系统允许为了移动而被紧凑地包装，显示出高便携性的优点。

该单个模块可以进一步包括用于在无须物理地连接两个模块的情况下确定该单个模块和所述另一单个模块之间相对方位的装置。

在一个实施例中，校准检测装置包括用于产生实质上定向的探测光束的光发射器、用于检测从第一模块发出的探测光束的光检测器、以及用于当检测到从所述第一模块发出的探测光束时向用户提供指示的指示器。可选择地，光发射器是激光生成设备。指示器可以是发光二极管或蜂鸣器。

通过使用多个模块定义多个边缘点，可以将区域配置为具有任意形状，例如多边形。

当区域是位于实质上平的表面上的区域时，可以使用本发明。此外，本发明可以扩展到当区域是三维接触操作空间时的应用场景。

其次，本发明提供一种用于形成系统的一部分的设备，该系统用于在用户可定义区域中确定接触点的位置，其中，该系统包括多个模块，每个模块是该设备的一个复制品。该设备包括可重新配置的光学硬件单元，以进行检测校准、测量模块间距、以及进行无线数据通信。为了实现这三个功能，光学硬件单元包括光发射器和光检测器。

下面，通过具体实施方式说明本发明的其他方面。

附图说明

图1示例性地描绘了用于在实质上平的表面中的用户可定义区域上确定接触点位置的系统，其中两个物理上不连接的模块用于定义该区域并且确定接触点位置。

图2示例性地描绘了用于图1的系统中的两个模块的示意图。

图3描绘了为了实现具有任意形状的用户可定义区域而使用多个模块的两个示例。

图4描绘了使用回归反射器(retro-reflector)、通过增加由回归反射器反射的光的强度来辅助确定接触点位置，并且示出了根据一个实施例的回归反射器的两种设计。

图5描绘了根据一个实施例的用于在三维接触操作空间中确定接触点的三维位置的系统。

图6描绘了根据一个实施例的用于定义三维接触操作空间的多个模块的布置。

具体实施方式

本发明的一个方面是提供用于在用户可定义区域中确定接触点的系统。当区域是在实质上平的表面上的区域时，可以使用本发明，并且，本发明可以扩展到当区域是三维接触操作空间时的应用场景。该系统可用于构建便携的交互式白板系统。

该系统通过多个用于定义区域边缘点的模块来实现。本发明是基于发明人的如下观测结果而研发的，当为了移动而包装时，如果模块在物理上是连接的，则不可能减小系统(或最终的便携的交互式白板系统)的尺寸。因此，这里公开的用于系统的模块在物理上是不连接的。本发明提供具有这种特性的模块。

图1示例性地描绘了接触点位置确定系统，其中，使用了两个物理上不连接的模块。设想用户想要在实质上平的表面105上定义用户可定义区域110。还期望的是，对象120按压在区域110上产生的接触点125的坐标能够通过该系统确定。尽管图1所示的对象120是一只手，但是对象120也可以是任何定点设备，如铅笔和红外(IR)笔，后者能够发出红外辐射，以辅助系统定位接触点125。

该系统包括第一模块130和第二模块140，将这两个模块配置为可在表面105上移动，从而用户能够将这两个模块130、140定位在表面105的任意两个位置上。此外，两个模块130、140可通过非接触通信连接150通信。在设置阶段，用户通过选择区域110的第一边缘点115和第二边缘点116并且分别将第一模块130和第二模块140定位于其上，来定义区域110的边界111。设置两个边缘点115、116后，通过模块130、140中每个模块的感测范围确定边界111。定义区域110后，测量模块间距160，即，两个模块130、140之间的距离。由此可确定第一模块130相对于第二模块140的几何坐标。将这个几何坐标作为参照，可以通过多种方法得到接触点125的位置。例如，这样的方法可以在序列号为13/929,756、2013年6月27日提交的美国专利申请和专利号为102,073,418、2010年1月23日授权的中国专利中找到，在此通过引用的方式将它们每个的内容整体合并于此。

可选地，也可以确定第一模块130和第二模块140之间的方位。该方位表明了第一模块130指向第二模块140的方向。该方位通常由体现上述方向的向量表示，或更实际地，由图1所示的角度161表示。在图2的示例中，虽然在确定第一模块130相对于第二模块140的几何坐标时不需要角度161，但是在某些情况中是需要的。例如，当用户可定义区域是如图3所示的任意多边形时，在确定一个模块相对于另一模块的几何坐标时，需要方位的值。

用户定位两个模块130、140以定义两个边缘点115、116后，两个模块130、140需要相互指向对方，以便有助于测量模块间距160，从而确定第一模块130的相对几何坐标。这里，将两个模块130、140设置为彼此指向对方，被称为“校准”。图2是两个模块130、140的示意图，用以说明在这两个模块130、140之间校准过程。第一模块130和第二模块140分别包括用于检测校准的装置290、295。第一模块130的校准检测装置290包括用于产生实质上定向的探测光束210并且将探测光束210发送至第二模块140的光发射器220。光发射器220可以是激光生成设备，因此探测光束210是在进行校准时有利地使用的激光束。第二模块140的校准检测装置295包括光检测器260，用于检测探测光束210，从而检测两个模块130、140的校准。为了通知用户校准已完成，校准检测装置295进一步包括指示器265，用于当检测到探测光束210时向用户提供指示。指示器265可以是提供视觉指示的发光二极管(LED)或者是向用户给出音频指示的蜂鸣器。此外，第一模块130和第二模块140分别安装有用于进行无线数据通信的装置240、270。因此，两个模块130、140可以彼此之间无线通信，从而开始测量模块间距160。

此外，第一模块130和第二模块140分别包括用于测量模块间距的装置280、285。这两个测量装置280、285配置为根据在第一模块130处发出并且在第二模块140的光检测器260处接收的探测光束210的飞行时间(TOF)来测量模块间距160。这种非接触测量是所公开的系统的一个优点，因为可以在不需要物理上连接两个模块130、140的情况下，确定第一模块130相对于第二模块140的几何坐标。在一个实施例中，根据发出的探测光束210和接收的探测光束210之间的相位差来测量TOF。

由于检测校准和测量模块间距160都不需要两个模块130、140在物理上连接，因此，该系统允许被紧凑地包装，从而显示出高便携性的优点。从另一个角度，应注意的是，作为说明性的示例，第一模块130具有在一个集成设备中实现的模块间距测量装置280、校准检测装置290和进行无线数据通信的装置240。在一个集成设备中集成这些装置280、290、240的特性对于这里所公开的系统的前述优点是有贡献的。

第一模块130进一步包括光学传感单元245，用于检测从接触点125反射或发出的光，以便从检测到的光获取的信息可用于确定接触点125的位置。类似地，第二模块140进一步包括光学传感单元275。

在使用用于发出红外辐射的红外笔作为对象120的情况下，两个光学传感单元280、285中的每一个都可以包括红外检测器。

第一模块130和第二模块140可以分别包括用于在第一模块130和第二模块140之间确定方位的装置281、286，其中，两个方位确定装置281、286在确定方位时不需要两个模块130、140在物理上连接。例如，方位确定装置281、286中的每一个可以通过用于确定方位的光学扫描法来实现。

有可能的是，第一模块130的校准检测装置290进一步包括光检测器230和视觉指示器235，第二模块140的校准辅助装置295进一步包括光发射器250。因此，所公开的系统中的所有模块变得实质上相似。在一种选择中，一个设备(或一个参考模块)用于形成所公开系统的一部分，系统中的每一个模块是这样一个设备的复制品。

在第一种选择中，每个进行无线数据通信的装置240、270是无线电收发器，这样第一模块130和第二模块140通过无线电信道215a进行通信。无线电收发器可以采用现有的无线数据传输协议，如WiFi和蓝牙。在第二种选择中，每个进行无线数据通信的装置240、270是光学通信收发器，其配置为基于通过光信道215b的光数据传输来传递数据。光数据传输可以基于调制探测光束210。

图3显示为了通过使用用于在系统中实现全部模块的一个参考模块来形成具有任意形状的用户可定义区域的两个示例。在一个示例中，通过使用三个模块320a～320c得到五边形区域310。在另一个示例中，通过使用四个模块370a～370d得到具有六边形形状的另一区域360。

如中国专利102,073,418所公开的，通过使用回归反射器，可以增加从回归反射器反射的并被模块的光学传感单元接收的光的强度。图4描述了使用回归反射器来辅助接触点位置的确定，并且示出了根据一个实施例的回归反射器的两种设计。用户可定义区域405具有边界或周界407。两个模块410a、410b位于区域405的两个边缘点。需要通过两个模块410a、410b照射红外光线来定位接触点403。因此，模块410a、410b中的每一个的光学传感单元包括用于产生红外辐射的红外源和用于检测接收的红外辐射的红外传感器。从图4可见，为了反射红外光源产生的红外辐射，沿区域405的周界407的至少一部分安装并定位一个或多个回归反射器420。图4还显示了回归反射器460的一个实施例。回归反射器460是具有并联地连接在一起的第一轨道460a和第二轨道460b的带条(tape)，其中第一轨道460a包括全部具有第一指向461a的第一多个三角形，第二轨道460b包括全部具有第二指向461b的第二多个三角形。示出了回归反射器460的两种设计430、440。第一指向和第二指向可以不同(如带有侧视图430a和立体图430b的回归反射器设计430)或实质上类似(如带有侧视图440a和立体图440b的回归反射器设计440)。

基于这里所公开的实施例，可以开发便携的交互式白板系统，其配置为安装在实质上平的表面上并且具有用于与接触点进行交互的可重新配置的用户可定义区域。该白板系统包括上面所公开的系统的实施例、用于将显示内容图像投射到表面上的投影仪、以及用于处理接触点位置以更新显示内容图像的计算单元。

如上所述，本发明可扩展到三维情况，这样用户可定义区域是三维接触操作空间。

图5是说明用于在三维接触操作空间中确定接触点三维位置的系统的示例。当在三维接触操作空间560中时，为了获得接触点515的三维坐标，需要定义位于三维显示器510上的三维接触操作空间560。如图5所示，为了定义三维接触操作空间560，第一模块530和第二模块540被定位于三维显示器510上，用于定义三维接触操作空间560的两个边缘点。第一模块530和第二模块540分别具有第一视野(FOV)535和第二视野545。例如，可以通过诸如安装在两个模块530、540中的摄像机的光学感测设备来定义两个FOV535、545。然后由第一FOV535、第二FOV545、以及第一模块530和第二模块540之间的模块间距550定义三维接触操作空间560的边界。

图6示出了定义三维接触操作空间的另一示例。通过多个模块610a～610h定义三维接触操作空间620。模块610a～610h中的每一个被配置为可三维地移动。模块610a～610h是三维定位的，从而三维接触操作空间是被所有的模块610a～610h包围的内部空间。模块610a～610h中任意两个模块之间的方位可以通过扫描机构或其他方法确定。所得到的方位信息和与模块间距有关的信息使得能够确定模块610a～610h中任意一个的三维几何坐标。

再次参照图1。如上所述，作为示例，可以在第一模块130中，通过包括光探测器230和光发射器220的光学装置来实现校准检测装置290、模块间距测量装置280和进行无线数据通信的装置240。本发明的另一方面是提供具有这种光学装置的设备。

该设备用于形成系统的一部分，该系统用于在用户可定义区域中确定接触点的位置，该系统包括多个模块，每一个模块是该设备的一个复制品。该设备包括光学硬件单元，光学硬件单元包括用于产生实质上定向的探测光束的光发射器和用于检测接收的探测光束的光检测器。具体地，光学硬件单元是可重新配置的，从而实现：检测该设备和另一实质上相似的设备之间的校准；测量该设备和所述另一实质上相似的设备之间的模块间距；以及进行无线数据通信。

为了使光学硬件单元能够实现上述三个功能，当将该装置的多个复制品实现为模块时，该光学硬件单元被配置为具有以下三个特性。在这三个特性中提到的第一模块和第二模块是从各个模块中选出的任意两个模块。

·第一模块发出探测光束至第二模块，第二模块通过检测从第一模块发出并在第二模块的光检测器处接收的探测光束的存在来检测第一模块和第二模块的校准。

·根据在第一模块处发射的并且在第二模块的光检测器处接收的探测光束的飞行时间来测量模块间距。

·基于通过调制探测光束形成的光学数据传输来进行无线数据通信。

在一种选择中，根据在第一模块处发射的探测光束和在第二模块的光检测器处接收的探测光束之间的相位差来测量飞行时间。

本发明可以在不背离其精神和本质特征的情况下，以其他具体形式体现。因此，认为本实施例在所有方面是说明性的，而非限制性的。本发明的范围由附加的权利要求指出，而不是前面的描述，因此，来自权利要求的等效含义和范围内的所有变化都应包含于其中。

Claims (20)

1.一种用于在用户可定义区域中确定接触点的位置的系统，其特征在于，所述系统包括配置为能够由用户移动的多个模块，以定义所述区域的多个边缘点，单个模块包括：

光学硬件单元，其包括光发射器和光检测器，该光发射器用于生成实质上定向的探测光束，该光检测器用于检测接收到的探测光束，该光学硬件单元被配置为用于测量所述单个模块和另一单个模块之间的模块间距、确定所述单个模块和所述另一单个模块之间的相对方位、并且与所述另一单个模块进行无线数据通信，其中所述相对方位是所述单个模块指向所述另一单个模块的方向，由此所述模块间距、所述相对方位和无线通信的数据能够用于确定所述单个模块相对于所述另一单个模块的几何坐标；

其中，所述模块间距的测量和所述相对方位的确定被配置为在无须将所述单个模块和所述另一单个模块物理地连接在一起的情况下进行，从而每个单个模块的几何坐标都是能够在所述多个模块中的任何两个之间无须物理连接的情况下确定的。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光学硬件单元被进一步配置为用于检测所述单个模块和所述另一单个模块之间的校准，所述校准的检测被配置为在无须将所述单个模块和所述另一单个模块物理地连接在一起的情况下进行。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述单个模块进一步包括：

光学传感单元，用于检测接收的光以便能够将从检测的光得到的信息用于确定所述接触点的位置。

4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，

通过第一模块的所述光发射器生成所述实质上定向的探测光束，使得在所述第一模块和第二模块之间检测校准时所述第一模块能够发送所述探测光束至所述第二模块，其中所述第一模块和所述第二模块选自所述多个模块；

由所述第二模块的所述光检测器检测从所述第一模块发出的探测光束，使得所述第二模块能够通过检测从所述第一模块发出并在所述第二模块的光检测器处接收的探测光束的存在来检测所述第一模块和所述第二模块的校准；以及

所述光学硬件单元还包括用于当检测到从所述第一模块发射的探测光束时向用户提供指示的指示器，从而通知用户已实现所述第一模块和所述第二模块的校准。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，对于所述第一模块和所述第二模块中的每一个模块，所述光学硬件单元被配置为根据在所述第一模块处发射并在所述第二模块的光检测器处接收的探测光束的飞行时间来测量所述模块间距。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，根据在所述第一模块处发射的探测光束和在所述第二模块的光检测器处接收的探测光束之间的相位差来测量所述飞行时间。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光发射器是激光生成设备。

8.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述指示器是发光二极管。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述用户可定义区域是在实质上平的表面上的二维区域，从而所述多个模块被配置为能够在所述表面上移动，其中，所述区域具有任意形状。

10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述用户可定义区域是三维接触操作空间。

11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，

每个所述模块被配置为能够三维地移动；以及

所述多个模块是三维定位的，从而所述三维接触操作空间是由全部所述模块包围的内部空间。

12.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，进一步包括配置为发射红外辐射的红外笔，其中，所述光学传感单元包括红外传感器。

13.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，

所述光学传感单元包括用于生成红外辐射的红外光源和用于检测接收到的红外辐射的红外传感器；以及

所述系统进一步包括用于回归反射由所述红外光源产生的所述红外辐射的一个或多个回归反射器，所述回归反射器沿所述区域的至少一部分周界定位。

14.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，所述一个或多个回归反射器中的至少一个回归反射器是具有并联地连接在一起的第一轨道和第二轨道的带条，所述第一轨道包括第一多个三角形，所述第二轨道包括第二多个三角形。

15.根据权利要求14所述的系统，其特征在于，所述第一多个三角形具有第一指向，所述第二多个三角形具有第二指向，所述第一指向和所述第二指向不同或实质上类似。

16.一种便携的交互式白板系统，其特征在于，其配置为安装在实质上平的表面上，在所述表面上用于与接触点进行交互的区域是能够重新配置的，所述区域被指定为所述表面上的用户可定义区域，所述便携的交互式白板系统包括：

如权利要求3所述的用于在所述用户可定义区域中确定所述接触点的位置的系统；

用于将显示内容图像投射到所述表面上的投影仪；以及

用于处理所述接触点的位置以更新所述显示内容图像的计算单元。

17.一种用于形成用于在用户可定义区域中确定接触点的位置的系统的一部分的设备，所述系统包括多个模块，每一个模块是所述设备的一个复制品，其特征在于，所述设备包括：

光学硬件单元，所述光学硬件单元能够重新配置以实现：检测所述设备和另一实质上相似的设备之间的校准、测量所述设备和所述另一实质上相似的设备之间的模块间距、确定所述设备与所述另一实质上相似的设备之间的相对方位以及进行无线数据通信；

其中：

所述相对方位是所述设备指向所述另一实质上相似的设备的方向；

在无须将所述设备与所述另一实质上相似的设备物理地连接在一起的情况下进行所述模块间距的测量和所述相对方位的确定；以及

所述光学硬件单元包括用于生成实质上定向的探测光束的光发射器和用于检测接收到的探测光束的光检测器。

18.根据权利要求17所述的设备，其特征在于，所述光学硬件单元被配置为，当将所述设备的多个复制品被实现为包括第一模块和第二模块的多个模块时：

所述第一模块发送出所述探测光束至所述第二模块，所述第二模块通过检测从所述第一模块发出并在所述第二模块的光检测器处接收的探测光束的存在来检测所述第一模块和所述第二模块之间的校准；以及

根据在所述第一模块处发射的并且在所述第二模块的光检测器处接收的探测光束的飞行时间测量所述模块间距。

19.根据权利要求18所述的设备，其特征在于，所述光学硬件单元被进一步配置为：

基于通过调制探测光束形成的光学数据传输来进行无线数据通信。

20.根据权利要求18所述的设备，其特征在于，根据在所述第一模块处发射的探测光束和在所述第二模块的光检测器处接收的探测光束之间的相位差来测量飞行时间。