CN104303133A - 互动板的系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于识别放置于互动板，如游戏板、象棋板、公告板等表面的一个或多个物体的标识和位置的系统及方法。用于识别放置于互动板上方或附近的物体的系统包括：具有一发射器的物体；一互动板，具有用于探测互动板上方或附近物体的一传感器；其中所述发射器用于在传感器探测互动板上方或附近的物体时，广播物体的标识码。一种用于识别放置于一互动板上方或附近的物体的方法，包括以下步骤：将物体放置于所述互动板的上方或附近；探测物体；广播物体的一标识码；其中所述标识码在探测物体的一个时间间隔内进行广播。

Description

互动板的系统及方法
技术领域
本发明涉及互动板，特别涉及利用多个传感器和射频通信进行互动板上的物体识别和位置探测。
背景技术
近期低价计算机处理器的大量出现，对游戏、玩具、书籍、乐器等产品产生了极大的影响。越来越多的游戏采用内嵌式传感器外加与感官元件，如音频和视频装置，相连接的计算机系统，来增强玩家的交互体验。
一般而言，电脑游戏通过一个电子显示系统，例如一个像素化平板显示器或触摸屏等，向玩家提供一个游戏活动的直观显示。但是很遗憾，这些显示方式缺乏三维特性，无法提供传统的基于游戏板的游戏所固有的物理交互。例如，传统的游戏板游戏可以使用一个或多个可移动的游戏部件，玩家（尤其是年轻玩家）在游戏体验过程中更“自然”、更容易进行交互。另一方面，传统的游戏板游戏通常缺乏电脑游戏可以向玩家提供的音频和/或视觉交互。因此，一种将电脑技术和物理游戏组合起来的方法将增强玩家的游戏体验。
因此，需要开发一种可以在一个物理限定的环境中，通过电脑系统将物体进行识别和定位的系统和方法。例如，如果电脑系统可以识别游戏板部件的标识以及其在游戏板上的位置，则可以使用电脑系统来识别玩家的身体动作，进而通过多种感官元件，如视频和/或音频输出，向玩家提供实时反馈，有效地增强玩家的体验。
尽管已经存在大量的内嵌在游戏板的物体识别和定位系统，这些系统所具有的许多缺点妨碍了其更进一步的应用。例如，许多系统使用视场有限的低分辨率相机，严重限制了物体的可识别范围。当物体发生重叠或在相机的视场内被遮挡，则可能导致位置和追踪的不准确。此外，与背景趋于一体或外观与其他物体类似的物体，如类似颜色的物体或相同的物体，可能很难精确追踪。因此，当物体正在运动或物体局部被遮挡时，可能很难使用互动板系统。
因此，为了扩大实际应用，需要更准确的物体识别、验证和追踪功能，来克服技术中的缺点和不足。
发明内容
本发明公开了一种用于识别放置于互动板（如游戏板、象棋板、公告板等）表面上的一个或多个物体的标识和位置的系统及方法。所述系统由一互动板（主要包括传感器、微电脑单元、天线和计算机），以及一个或多个物体（主要包括计算机芯片、天线、微电脑单元和开关）组成。放置于互动板表面上的物体的标识和位置在极短的时间间隔内通过两种不同的物理方式进行识别。放置于互动板表面上的物体位置通过互动板内嵌的多种传感器的探测进行识别，并且通过物体与互动板之间的信号交换进行进一步确认。放置于互动板表面上的物体的标识在位置确认后的一个极短的时间间隔内通过射频通信，例如：2.4GHz，进行识别。互动板的例子可以包括但不限于游戏板、音乐板、象棋板、公告板等。
在多种形式的实施例中，本发明提供了一种利用多个传感器和射频通信，例如：2.4GHz，在极短的时间间隔内通过两种不同的物理方式来识别放置于互动板表面上的一个或多个物体的标识和位置的系统及方法。其应用范围包括但不限于游戏板、音乐板、象棋板、公告板等。
内嵌有具有标识码的计算机芯片的物体，放置于具有操作表面的互动板的上方或附近。所述物体的位置通过内嵌在所述互动板中的多个传感器（板传感器）进行探测，并且通过物体与互动板之间的具有极短的时间间隔的信号交换进行进一步确认。所述物体的标识信息通过所述物体内嵌的微电脑单元（物体MCU），在位置确认之后的一个极短的延时间隔之后进行广播。所述互动板（板MCU）中的微电脑单元接收具有所述物体标识信息的无线电广播。
板MCU按照所述计算机中运行的用户设定的程序向所连接的计算机发送信息，包括但不限于标识和位置信息，并接收反馈。
计算机或板MCU或物体MCU可以指示所述互动板或物体中内嵌的感官元件来实现某些动作。
附图说明
图1展示了一个实施例中的互动板。
图2展示了一个实施例中的物体。
图3是一个实施例中的物体的示意图。
图4是一个实施例中的互动板的示意图。
图5是一个实施例中系统的示例性流程图。
图6是一个实施例中，通过使用电阻触摸探测技术来测定位于互动板操作表面上的物体位置的示意图。
图7是一个实施例中，通过使用电容传感器来测定位于互动板操作表面上或附近的物体位置的示意图。
图8展示了一个底部嵌有导电材料，以供电容传感器探测的物体。
具体实施方式
以下将结合附图中展示的例子，对本发明的多个实施例进行详细描述。虽然本发明是结合实施例进行描述的，但不应将本发明局限于这些具体实施例。在不超出本发明的精神及权利要求的情况下，所做的各种替换、修改和等效变化，均属于本发明的范围。此外，在以下关于本发明的详细描述中，提供了详尽的具体细节的描述，以便透彻地理解本发明。然而，本领域的技术人员应当清楚，本发明也可以在没有这些具体细节的情况下实施。在其他一些例子中，熟知的方法、程序、组件和电路则没有进行详细描述，以避免不必要地混淆本发明的相关方面。
尽管本发明的后续描述中使用了内嵌在互动板中的微电脑芯片，应当理解此处描述的物体位置和定位装置通常可以整合到一个普通常规的计算装置中，例如台式电脑、便携式电脑、笔记本电脑、手提电话和智能手机。
此外，此处描述的物体识别和定位装置可以在电子设备的平面表面上使用，也可通过调整以适用于非平面的设备。
此外，物体识别和定位装置可以使用透明或大体透明的材料，以便在覆盖于图像上的触摸屏或其他信息显示装置上实施。
还应当理解对于此处描述的大多数实施例，所述装置还包括一个安装在物体识别和定位装置上方并且用于保护下部元件的绝缘面板。
本发明提供了一种利用多个传感器和射频通信，例如2.4GHz，来识别放置于互动板表面上的一个或多个物体的标识和位置的系统及方法。放置于互动板表面的物体的标识和位置在极短的时间间隔内通过两种不同的物理方式进行识别。
本发明广泛地适用于多种应用，例如游戏板、音乐板、象棋板、公告板等。因此，本发明的公开内容仅为示例性说明，不应以此为限，本发明的保护范围应当以权利要求书为准。
图1和图2展示了本发明一个实施例中，系统的主要构成。参考图1，该系统包括一个互动板100和一个或多个物体101。在应用案例中，一个或多个物体101被放置在位于互动板100表面上方的操作表面102上或附近，并可在互动板表面上自由移动。操作表面102上或附近的物体101的探测通过内嵌在板中并与板的微电脑单元（以下简称板MCU）104相连的多个传感器103实现，以便探测互动板操作表面102上方的物体的位置。物体的MCU（以下简称物体MCU）105与板MCU104之间的通信是通过板的射频天线106（以下简称板RF天线）以及一个或多个物体的射频天线（以下简称物体RF天线）实现。
图2进一步展示了待定位和识别的物体的主要构成。该物体内嵌有一个具有唯一识别码的MCU105。物体底座还包括一个打开/关闭开关108，其被配置为当物体放置在互动板操作表面102上或附近时打开。物体的打开/关闭开关108电子连接至物体MCU105，当物体放置于板的操作表面102上或附近时，向物体MCU发出有效信号以广播其标识信息。物体的标识信息的广播通常通过物体RF天线107来实现。
图3为互动板的主要元件的示意图。物体101的位置通过内嵌在互动板100中的多个传感器103进行测定。板MCU104检测来自板传感器103的信号变化，并确定放置于互动板操作表面102上的物体的位置。在板MCU104确定放置于板上的物体的位置时，它向物体MCU105发出一个确认信号。物体RF天线107接收到该物体位置确认信号后，将数据发送到物体MCU105进行处理。在收到物体位置确认信号后，物体MCU105通过物体RF天线107向板MCU104发回一个信号，以完成物体位置的确认。与此同时或在一个非常短的时间间隔后，将物体101置于操作表面102上或附近的动作触发内嵌在物体101中的一个或多个打开/关闭开关108，通过物体MCU105来广播物体的唯一标识。
图4展示了物体的主要元件和数据流的示意图。当物体放置到互动板的操作表面102上或附近时，物体的打开/关闭开关108打开。这一开关启动信息被发送给物体MCU105，并由物体MCU105通过与之相连的一个或多个射频天线（物体RF天线）107广播物体的唯一标识。物体的标识广播通过板RF天线106接收，并由板RF天线106将物体的标识信息发送给板MCU104，以完成物体标识的确认。
图3和图4中所示的板MCU104和物体MCU105可以通过板RF天线106和物体RF天线107交换信息，包括但不限于标识或位置的信息。
在一个实施例中，板MCU104可以按照用户在电脑中设定的程序，向与板MCU104相连的外部计算机系统109发出信息，包括但不限于物体标识或位置的信息，并且接收反馈数据。
在另一个实施例中，互动板还与感官元件相连。在这种情况下，外部计算机系统109或板MCU104或物体MCU105将指示内嵌在互动板中的感官元件去执行某些动作。所述感官元件包括但不限于LED灯、音频设备、视频设备、相机或震动发生器。
在另一个实施例中，物体内嵌有感官元件。外部电脑系统109或板MCU104或物体MCU105指示内嵌在物体内部的感官元件去执行某些动作。感官元件包括但不限于LED灯、音频设备、视频设备、相机或震动发生器。
图5为整个系统程序的简化流程图。在步骤501中，一个物体被放置于操作表面或传感器阵列上方。之后步骤510和520可以同时发生或相隔一个非常短的时间间隔依次发生。
在步骤510中，板的传感器阵列测定物体的位置坐标并将信息发送给板MCU进行处理（板MCU可以将或可以不将数据发送到外部计算机系统进行处理，这取决于板是否是一个独立的系统）。在步骤511中，板MCU接收物体的位置坐标。
在步骤520中，将物体101放置于互动板操作表面102上或附近的动作使打开/关闭开关108打开，然后通过物体RF天线107广播物体的唯一标识。步骤521在步骤520完成后发生，由板RF天线106接收物体唯一标识的广播，并将数据发送回板MCU104进行处理。在步骤530中，板MCU104（或与板MCU相连的外部计算机系统）基于延时间隔将位置坐标和物体的唯一标识广播相关联。
为了更好地说明本发明的多个实施例，我们假定物体放置到传感器阵列上之后，板传感器在T10时刻在步骤510中探测物体的位置坐标，计算机在T11时刻在步骤511中接收所述位置坐标。物体的打开/关闭开关在T20时刻在步骤520中触发，计算机通过RF天线在T21时刻在步骤521中接收物体的标识信息。在一个实施例中，如果延时间隔（T21–T11）在特定的限值内，如小于20毫秒、或者在1至100毫秒的范围内，计算机将把位置坐标和物体标识信息相关联。在另一个实施例中，计算机仍在T10和T20时刻从传感器和RF天线接收位置坐标和物体标识，如果延时间隔（T20-T10）在特定的限值内，如小于20毫秒、或者在1至100毫秒的范围内，计算机将把位置坐标和物体标识信息相关联。
如上所述，本发明的实施例通过两种不同的物理方式接收互动板上物体的标识和位置信息，并基于这两种信息的延时间隔来将这两种信息关联起来。延时间隔主要取决于系统的多种部件，如传感器和RF天线的反应时间，应仔细选择以确保系统的准确性和灵敏性。T10、T11、T20和T21均为可调节的参数，并且可以基于系统的配置进行设定。例如，如果传感器的响应时间（T10）非常接近于触发的响应时间（T20），则计算机可以在（T20-T10）落入非常小的范围内，如20毫秒或1至100毫秒的范围内时，将标识和位置信息相关联。另一方面，如果物体的标识信息通常在位置信息之后100毫秒接收到，那么计算机可以在（T21-T11）非常接近100毫秒，如在95-105毫秒之间时，将标识和位置信息相关联。
板传感器
互动板扫描并定位放置于板操作表面上或附近的物体的方式可以通过多种板传感器技术实现。板传感器可以使用电容传感器、电阻传感器、电传导调节器、光二极管、磁铁、电磁发射器、声音装置，或者其他任何方式以及这些方式的组合。为了确保物体的准确探测，传感器可以频繁地，如以每1至100毫秒一次的频率来扫描物体。
此外，所述板传感器的空间布置包括但不限于网格、阵列、一个或多个圆，或其他二维、三维空间的几何形状。
电阻触摸探测实施例：
在一个实施例中，板操作表面上物体的探测和定位是通过使用电阻触摸探测技术实现的。图6展示了使用电阻触摸探测技术来测定互动板操作表面上方放置的物体位置的方式。在这种情况下，操作表面包括若干相隔的层，其中最重要的是通过一个很薄的空间隔开来的两层薄的、透明的（可选）电阻层。通常底层601由玻璃制成，顶层602为塑料薄膜。601和602两层彼此相对放置，中间有一个很薄的间隙。顶层602（物体所接触的那一层）在其表面的下方涂有电阻材料。类似地，该层下方为一个放置于底层601上方的类似的电阻层。其中一层沿其侧面内嵌有导电连接，另一层则沿其上下表面布置有导电连接，然后向其中一层施加电压，并通过另一层进行感测。
当物体101放置到操作表面102上方时，其在某个特定位置将顶层602下压。这使得顶层与底层601之间发生接触，并形成一个回路。两层均覆盖有导电网。这些导电网可以是精细的金属线，但更常见的是由透明导电材料的薄膜制成。在大多数情况下，这种材料为铟锡氧化物（ITO），但也可采用其他导电材料。两层上的电极以彼此垂直的方式走线：底层中的平行导体沿某个方向走线，与顶层中的导体走线方向成直角。
当物体放置于板的操作表面上方时，底层601的网格与顶层602的网格之间发生接触。通过测量电路的电压，并基于接触点的电阻值计算接触点的X和Y坐标。随后将物体的坐标信息发送到板MCU进行进一步处理。
感应电容探测实施例：
在另一个实施例中，板操作表面上方物体的探测和定位是通过电容传感器实现的。图7展示了应用电容传感器来探测操作表面上或附近的物体位置的方式。该系统采用两个导体层701和702，中间通过绝缘层703（例如一薄层玻璃，或使用其他绝缘层）进行分隔。与电阻式的设计一样，导体通常由透明的ITO制成。
每层中的导体是分开的，因此每层的电容量可以被分开测量。与电阻面板相同，导体以彼此垂直的方式走线，以便在触摸时装置可以测定X和Y的位置。与电阻面板不同的是，分开的导体进行高速连续扫描，以便可以在一秒中多次测量所有可能的交点。
参考图8，在上述的实施例中，每个将由传感器探测的物体底部都内嵌有电容材料801。当物体接触或被放置到板的操作表面附近时，它将在接触点处转移走每个导体层的一部分电荷。所产生的电荷变化足以被传感器测量并送回到板MCU104。由于每个导体是独立检测的，因此可以同时识别多个接触点。
最后，在板的操作表面上方安装有一层保护玻璃，以避免顶层电极裸露在外。该保护层还可以进行装饰，并可用于保护显示屏免于损坏。
其他板传感器的实施例：
本发明的另一个实施例是使用红外网格来测定放置于板面上方的物体的位置。在这种情况下，板包括一个X-Y红外LED阵列以及板周围的光电探测器组，以检测LED光束的中断。这些LED光束以垂直和水平的方式彼此交叉。这可以使传感器有效地识别与板发生接触的物体的精确坐标。本领域的技术人员将注意到红外网格可以由按某一在板的操作表面上创建阵列的方式布置的任何光学探测器和接收器来代替。
在本发明的另一个实施例中，每个游戏部件内嵌有一个应答器，可以接收来自信号发生器的激发电磁信号并且产生一种可以被游戏板底板上方内嵌的一个或多个传感器所探测的响应信号。因此，物体的位置可以通过识别所激活的相关传感器的位置来确定。
在本发明的另一个实施例中，可以使用表面声波（SAW）技术来探测放置于互动板上方的物体的位置。在这个实施例中，超声波在操作表面上进行传递。当物体与板发生接触时，一部分声波将被吸收。超声波的这一变化可以显示出接触点的位置，并将信息发送给板MCU 104或其他的外部计算机系统进行处理。
在本发明的另一个实施例中，可以使用光学成像来确定放置于板表面上方的物体的位置。此系统要求在屏幕的周围安装有两个以上的图像传感器。在板的另一侧的相机的视场中布置有红外背景光。与板接触的物体将以影子的形式展现出来，并由每组相机精确定位接触点的位置。
物体打开/关闭开关：
本发明可以使用大量不同的打开/关闭开关技术来触发物体唯一标识的广播。
在一个实施例中，物体的打开/关闭开关可以通过电容器开关的方式实现。
在本发明的另一个实施例中，物体的打开/关闭开关可以通过光学开关的方式实现。
在本发明的另一个实施例中，物体的打开/关闭开关可以通过磁力开关的方式实现。
在本发明的另一个实施例中，物体的打开/关闭开关可以通过机械开关的方式实现。

Claims (43)

1.一种用于识别放置于互动板上或附近的物体的系统，包括：
一物体，包含一发射器；
一互动板，包含一传感器以探测位于所述互动板上或附近的所述物体；
其中所述发射器被配置为当所述传感器探测到位于所述互动板上或附近的所述物体时，广播所述物体的一标识码。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述互动板包括一接收器以接收所述物体的标识码。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述接收器包括一射频天线。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述互动板包括一微电脑单元连接至所述接收器和所述传感器。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括一中央处理单元，以处理来自所述微电脑单元的信息。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述传感器选自电容器、电传导调节器、光二极管和电阻器。
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括以网格、阵列或圆形方式布置在所述互动板上的多个传感器。
8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述物体包含内嵌有所述物体的标识码的一计算机芯片。
9.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述物体还包括一开关，用于在物体放置于互动板上或附近时打开，所述发射器用于在所述开关打开时广播所述标识码。
10.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述开关选自电容器开关、机械开关、电动开关、磁力开关和光学开关。
11.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述物体还包括与所述发射器、所述计算机芯片和所述开关相连的一微电脑单元。
12.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述发射器包含一射频天线。
13.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括一感官元件，所述感官元件选自LED灯、音频设备、视频设备、相机和震动发生器。
14.一种用于识别物体的系统，包括：
一物体，包含内嵌有一标识码的一计算机芯片；
一发射器；
用于探测所述物体的一传感器；
其中所述发射器被配置为在所述传感器探测物体时广播所述标识码。
15.如权利要求14所述的系统，其特征在于，所述传感器被配置为每1至100毫秒探测一次所述物体。
16.一种用于识别物体的互动板，包括：
一传感器，用于探测放置于所述互动板上或附近的一物体；
一接收器，用于接收放置于所述互动板上或附近的所述物体的一标识码；
其中所述接收器用于在所述传感器探测互动板上或附近的所述物体的一时间间隔内，接收物体的所述标识码。
17.如权利要求16所述的互动板，其特征在于，所述时间间隔小于20毫秒。
18.如权利要求16所述的互动板，其特征在于，所述传感器被配置为每1至100毫秒探测一次物体。
19.如权利要求16所述的互动板，其特征在于，所述接收器包含一射频天线。
20.如权利要求16所述的互动板，其特征在于，还包括一微电脑单元连接至所述接收器和所述传感器。
21.如权利要求16所述的互动板，其特征在于，还包括一中央处理单元，用用处理来自所述微电脑单元的信息。
22.如权利要求16所述的互动板，其特征在于，所述传感器选自电容器、电传导调节器、光二极管和电阻器。
23.如权利要求16所述的互动板，其特征在于，还包括以网格、阵列或圆形方式布置在所述互动板上的多个传感器。
24.如权利要求16所述的互动板，其特征在于，所述传感器用于探测物体的位置。
25.如权利要求16所述的互动板，其特征在于，还包括一感官元件，所述感官元件选自LED灯、音频设备、视频设备、相机和震动器。
26.一种与互动板配合使用的物体，包括：
一发射器；
一计算机芯片，内嵌有一标识码；以及
一开关；
其中所述开关被配置为在接触或靠近所述互动板时打开，所述发射器用于在所述开关打开时广播所述标识码。
27.如权利要求26所述的物体，其特征在于，所述标识码在所述开关打开后的20毫秒内进行广播。
28.如权利要求26所述的物体，其特征在于，所述标识码在所述开关打开后的1至100毫秒内进行广播。
29.如权利要求26所述的物体，其特征在于，所述开关选自电容器开关、机械开关、电动开关、磁力开关和光学开关。
30.如权利要求26所述的物体，其特征在于，所述物体还包括与所述发射器、所述计算机芯片和所述开关相连的一微电脑单元。
31.如权利要求26所述的物体，其特征在于，所述发射器包含一射频天线。
32.如权利要求26所述的物体，其特征在于，还包括一感官元件，所述感官元件选自LED灯、音频设备、视频设备、相机和震动器。
33.一种用于识别放置于一互动板上或附近的物体的方法，包括以下步骤：
将一物体放置于所述互动板上或附近；
探测所述物体；
广播所述物体的一标识码；
其中所述标识码在探测所述物体的一时间间隔内进行广播。
34.如权利要求33所述的方法，其特征在于，所述时间间隔小于20毫秒。
35.如权利要求33所述的方法，其特征在于，所述传感器被配置为每1至100毫秒探测一次物体。
36.如权利要求33所述的方法，其特征在于，探测所述物体和广播所述物体的标识码是通过两种不同的物理方式进行的。
37.如权利要求33所述的方法，其特征在于，探测所述物体是通过所述互动板上的传感器进行的。
38.如权利要求33所述的方法，其特征在于，所述传感器被配置为探测物体的位置。
39.如权利要求33所述的方法，其特征在于，广播所述物体的标识码是通过射频通信进行的。
40.如权利要求33所述的方法，其特征在于，还包括向所述物体发送一标识确认信号。
41.如权利要求39所述的方法，其特征在于，还包括在向所述物体发送标识确认信号之后，从所述物体接收一回复信号。
42.一种识别一物体的方法，包括以下步骤：
探测所述物体；
广播所述物体的一标识码；
其中所述标识码在探测所述物体的一时间间隔内进行广播。
43.如权利要求42所述的方法，其特征在于，探测所述物体和广播所述物体的标识码是通过两种不同的物理方式进行的。
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