CN107728813A - 一种光学阵列笔 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学阵列笔，包括笔体和笔芯；以及印满有点阵排列，且每个阵列点坐标不同的配套纸张；与笔芯的笔尾接触设置，感应笔芯下笔或提笔压力感应信号的压力传感器；以一定的速度实时采集点阵排列的数据的红外摄像头解析接收的点阵排列数据，还原书写笔迹和其经过的阵列点坐标数据的解码模块，其还根据有无压力感应信号判断书写笔迹中下笔和提笔位置，分辨出书写笔画，并根据压力感应信号值的大小转换为相应的线宽；将还原的书写笔画、对应的坐标数据和线宽发送给接收设备的蓝牙模块；提供工作电源的供电模块。本发明一次书写实现电子和纸件存储同时完成，应用范围广、效率高；成本较低，功耗较小，具有明显优势，更符合大众化的需求。

Description

一种光学阵列笔

技术领域

本发明涉及手写笔，具体涉及一种光学阵列笔。

背景技术

手写笔一般都由两部分组成，一部分是设置在智能设备上或与电脑相连的写字板，另一部分是在写字板上写字的笔。目前市面上现有的手写笔主要为电容式手写笔、电磁手写笔、红外手写笔等，他们是通过笔对写字板形成一种电或磁方面的变化来感应的，写字板上的电容变化、电磁变化或者红外感应出坐标点，并对坐标点数据处理还原书写轨迹。

与传统意义上笔相比，手写笔只能够将书写内容输入设备，且写字板上的书写内容在输入电子设备后就会消失，本身不具备数据存储功能，通常只能作为电子设备的一种输入方式，作为电子产品配件存在，无法像真正的笔一样在纸上写字，长期留存，改变了人的书写习惯，限制其应用领域。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有手写笔只能够将书写内容输入电子设备，无法像真正的笔一样在纸上写字，长期留存，对其应用领域具有一定限制的问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供一种光学阵列笔，包括笔体和笔芯，还包括：

配套纸张，印满无色、仅有红外线可识别的点阵排列，点阵排列的每个阵列点坐标不同，记录所述笔芯的书写笔迹；

压力传感器，安装在所述笔体内，与所述笔芯的笔尾接触设置，所述笔芯下笔或提笔，产生相应的压力感应信号，并发送；

红外摄像头，设置在所述笔体上，以一定的速度实时采集点阵排列的数据，并发送；

解码模块，解析接收的点阵排列数据，还原出相应的书写笔迹和经过的各个阵列点坐标数据；根据有无压力感应信号判断书写笔迹中下笔和提笔位置，分辨出书写笔迹的书写笔画，并根据从下笔到提笔区间压力感应信号值的大小转换为相应笔画的线宽；存储还原出的书写笔画、对应的坐标数据和线宽；

蓝牙模块，用于将所述解码模块存储的书写笔画、对应的坐标数据和线宽发送给接收设备；

供电模块，为所述红外摄像头、压力传感器、解码模块和蓝牙模块提供工作电源。

在上述方案中，所述红外摄像头以每秒60次或是120次的速度采集阵列点排列的数据。

在上述方案中，根据力感应信号值的大小转换为相应笔画的线宽，转换关系为：压力值为20g-100g力，转换为0.5dip-3dip线宽。

在上述方案中，根据力感应信号值的大小转换为相应笔画的线宽，配置为：

20g力以内对应线宽是0.5dip；

20g-40g力之间对应线宽为1dip；

40g-60g力之间对应线宽为1.5dip；

60g-80g力之间对应线宽为2dip；

80g-100g力之间对应线宽为2.5dip；

大于100g力对应线宽为3dip。

在上述方案中，当接收设备系统需要获取所述解码模块存储的数据时，需要输入密码与所述蓝牙模块进行连接，密码正确后，所述解码模块将实时或者曾经存储的书写笔画、对应的坐标数据和线宽数据通过所述蓝牙模块发送给接收设备，并在接收设备的屏幕上显示出来。

在上述方案中，所述供电模块为可充电锂电池，充满电后可使用10小时。

在上述方案中，所述解码模块解析接收的阵列点排列的数据还原出坐标数据或是笔画的配置为：

以像素为计算单位计算书写笔迹每个相邻两个阵列点之间的距离N；

分别在两个相邻的阵列点之间插入n个插入点，利用贝塞尔曲线方程，计算n个插入点坐标；

根据两个相邻阵列点间的线宽，计算中间n个插入点的线宽；

将书写笔迹经过的所有阵列点及两个相邻的阵列点中间插入的n个插入点，依次通过设备提供的API画图接口，并按照每个阵列点和插入点对应的线宽描点画出，形成书写笔迹。

在上述方案中，若书写笔迹经过的两个相邻阵列点P₀坐标为(x₀,y₀)、P₂坐标为(x₂，y₂)；控制点P₁坐标为(x₁,y₁)，利用贝塞尔曲线方程，计算n个插入点坐标(x,y)的公式为：

x＝(1-t)²×(x₀+x₁)/2+2t(1-t)×x₁+t²×(x₁+x₂)/2；

y＝(1-t)²×(y₀+y₁)/2+2t(1-t)×y₁+t²×(y₁+y₂)/2；

其中，t∈[0,1],Float_t＝((Float)i)/drawSteps；

Float_t表示浮动类型小数t；drawSteps是插入点的数目；i表示当前取的第i个插入点；((Float)i)/drawSteps表示在计算t时，i每次浮动1个单位，i从1到drawSteps进行累计，计算出drawSteps个t值。

在上述方案中，计算中间n个插入点的线宽的配置为：

依次计算每个插入点的压力值，计算公式为：

Press_i＝Press₀-i×(Press₀-Press₂)/(n+1)；

其中，Press_i表示第i个插入点的压力值；Press₀表示起始阵列点的压力值；Press₂表示终止阵列点的压力值；n为插入点个数；

将两个相邻阵列点以及n个插入点的压力值转换为线宽。

本发明不仅可以将用户的书写内容直接进行电子存储，而且还能同时将书写内容呈现在纸张上，进行纸质备份，一次书写实现电子和纸件存储同时完成，满足不同领域存档要求，应用范围广、效率高；并且在使用方式上完全做到和普通笔一样，符合书写习惯，与接收设备联网时可实时传输书写内容，并进行同步显示；与接收设备不能连接时，可将书写内容存储于笔内，待条件允许再将写完的数据同步到接收设备即可，非常便利，由于本发明不需要屏幕，相较于现有手写笔，成本较低，功耗较小，具有明显优势，更符合大众化的需求。

附图说明

图1为本发明提供的一种光学阵列笔的结构示意图。

具体实施方式

本发明提供的一种光学阵列笔能够自动识别任意纸张页码的任意坐标，在不妨碍人的正常书写情况下将人的书写轨迹和书写的顺序完整记录并复现出来；既能够在配套纸张上记录笔记，又能够将记录笔记输入电子设备，并复现显示(包括实时显示和针对离线状态的先存储后上传显示)，其大小、功能与传统意义的写字笔无异，符合人们书写习惯、便于携带，且价格低廉。在智能化时代和大数据时代，本发明能够自动识别书写轨迹，对于学生的规范化教育，以及教师的批卷，线上教育等方面能够提供足够的技术支持；在大数据的收集上，能够提供人的书写坐标以及轨迹的数据作为大数据分析的基础；在政府机关单位，在纸上写好纸质档案，同时传给PC或者手机等设备作为电子档案，一次动作就能进行两次记录，提高归档效率。

下面结合说明书附图和具体实施例对本发明做出详细的说明。

如图1所示，本发明提供的一种光学阵列笔，包括笔体10以及设置在笔体10内笔芯20、配套纸张30、压力传感器40、红外摄像头50、解码模块60、蓝牙模块70、供电模块80。

笔体10，用于支撑安装其他部件、模块；

笔芯20，固定安装在笔体10内，更换便利，可以直接拨出更换，且笔头21从笔体10的低端穿出，向下下笔时，油墨从笔头溢出，产生与笔头移动轨迹一致的书写笔迹，与现有笔芯无差异；

配套纸张30，印满无色、仅有红外线可识别的点阵排列，点阵排列的每个阵列点坐标不同，记录笔芯20的书写笔迹；

压力传感器40，安装在笔体10内，与笔芯20的笔尾接触设置，用于感应笔芯20下笔或提笔时的压力感应信号，并发送；

红外摄像头50，以一定的速度(每秒60次或是120次的速度)实时采集点阵排列数据，并发送，在配套纸张30上进行书写时，笔芯中的油墨会覆盖笔迹经过的阵列点，所以红外摄像头50每次采集的阵排列数据都会发生变化；

解码模块60，解析接收的点阵排列数据，还原出相应的书写笔迹和经过的各个阵列点坐标数据；根据接收的压力感应信号有无判断书写笔迹中下笔和提笔位置，分辨出书写笔迹的书写笔画，并根据从下笔到提笔区间压力感应信号值的大小计算相应笔画的线宽(压力感应信号值转换为笔画线宽，比如压力值为20g-100g力，转换为0.5dip-3dip线宽；也可以设定20g力以内对应线宽是0.5dip，20g-40g力之间对应线宽为1dip，40g-60g力之间对应线宽为1.5dip，60g-80g力之间对应线宽为2dip，80g-100g力之间对应线宽为2.5dip，大于100g力对应线宽为3dip)，存储还原出的书写笔画、对应的坐标数据和线宽。

蓝牙模块70，用于将解码模块60存储的书写笔画、对应的坐标数据和线宽发送给接收设备(个人电脑、中央服务器、显示器等)。

在本发明中，接收设备系统(PC、安卓或IOS系统)需要获取解码模块60的数据时，需要输入密码与蓝牙模块70进行连接，密码正确后，解码模块60便可以将实时或者曾经存储的还原出书写笔画、对应的坐标数据和线宽通过蓝牙模块70发送给接收设备，并在接收设备的屏幕上显示出来。

供电模块80，设置在笔体10内，为红外摄像头50、压力传感器40、解码模块60、蓝牙模块70提供工作电源。在本发明中供电模块80为可充电锂电池，充满电后可使用长达10小时。

本发明提供的一种光学阵列笔不仅可以将用户的书写内容直接进行电子存储，而且还能同时将书写内容呈现在纸张上，进行纸质备份，一次书写实现电子和纸件存储同时完成，满足不同领域存档要求，应用范围广、效率高；并且在使用方式上完全做到和普通笔一样，符合书写习惯，与接收设备联网时可实时传输书写内容，并进行同步显示；与接收设备不能连接时，可将书写内容存储于笔内，待条件允许再将写完的数据同步到接收设备即可，非常便利，由于本发明不需要屏幕，相较于现有手写笔，成本较低，功耗较小，具有明显优势，更符合大众化的需求。

在本发明中，由于使用的是蓝牙模块无线传输，蓝牙模块传输的距离具有一定限制，而且接收只能是一对一发送接收，如果是需要作为系统性的数据采集则需增加一些特殊设备来对这些数据进行分类采集和发送，例如在蓝牙模块70中增加蓝牙路由器，蓝牙路由器通过无线网络(如WIFI)、有线网络或是USB90将数据同步给接收系统服务器。

在本发明中，解码模块60解析接收的点阵排列数据，还原出相应的书写笔迹的配置为：

首先以像素为计算单位来计算书写笔迹每个相邻两个阵列点之间的距离N，这样可以精确到像素；

两个阵列点之间的距离N，可用勾股定理来计算，比如第一个阵列点坐标是(10，11)，第二个阵列点坐标是(12,13)，这里坐标计算单位也为像素，那么计算2点之间的距离：

N×N＝(12-10)²+(13-11)²；

N＝2.8。

然后，分别在两个相邻的阵列点之间插入n个插入点，利用贝塞尔曲线方程，计算n个插入点坐标；插入点的个数为两阵列点间距离N的整数部分，如距离N＝2.8时，不可能插入3个点了，只能插2个点；其中的贝塞尔曲线方程为：

B(t)＝(1-t)²P₀+2t(1-t)P₁+t²P₂，t∈[0,1]；

在公式中,P₀、P₂是曲线经过的点；P₁为控制点；而t由下面公式计算得到：

Float_t＝((Float)i)/drawSteps；

其中，Float_t表示浮动类型小数t；drawSteps是插入点的数目，也可以理解为两个采样点之间的距离；i表示当前取的第i个插入点；((Float)i)/drawSteps表示在计算t时，i浮动变化，每次浮动1个单位，i从1到drawSteps进行累计，计算出drawSteps个t值；通过上述公式计算出t的值，可见依次取不同插入点时，t值是变化的，随着变量i变化算出来的坐标也不同。

若设书写笔迹经过的两个相邻阵列点P₀坐标为(x₀,y₀)、书写笔迹经过的阵列点P₂坐标为(x₂，y₂)，在计算书写笔迹时控制笔迹走向的控制点P₁坐标为(x₁,y₁)，则计算插入点的坐标(x，y)的公式分别为：

x＝(1-t)²×x₀+2t(1-t)×x₁+t²×x₂；

y＝(1-t)²×y₀+2t(1-t)×y₁+t²×y₂；

根据上述公式计算插入点坐标，与实际书写笔迹效果相差甚远，因此需要对上述计算插入点的公式进行优化，通过对起始阵列点P0和终止阵列点P2的横坐标X和纵坐标Y值进行一定变换，从而来优化计算插入点的公式的计算结果，减少与实际书写笔迹的偏差，如将对P0坐标值进行如下变换：

……

P₀坐标为((x0+x1)×1/3，(y0+y1)×1/3)；

P₀坐标为((x0+x1)×2/3，(y0+y1)×2/3)；

P₀坐标为((x0+x1)×2/5，(y0+y1)×2/5)；

P₀坐标为((x0+x1)×3/5，(y0+y1)×3/5)；

……

将变换后的坐标值依次代入插入点计算公式，画出相应轨迹，进过大量实验，我们发现当P₀坐标为((x0+x1)×1/2，(y0+y1)×1/2)时，划出的轨迹与实际书写笔迹效果最为相近，偏差最小；同理，P₂坐标为((x2+x1)×1/2，(y2+y1)×1/2)时，偏差最小。因此，在计算时，分别取起始阵列点P0或终止阵列点P2到控制点P1的中点坐标值作为起始阵列点P0或终止阵列点P2的坐标值，代入插入点的计算公式，得到优化后的插入点计算公式为：

x＝(1-t)²×(x₀+x₁)/2+2t(1-t)×x₁+t²×(x₁+x₂)/2；

y＝(1-t)²×(y₀+y₁)/2+2t(1-t)×y₁+t²×(y₁+y₂)/2；

再根据两个相邻阵列点间的线宽，计算中间n个插入点的线宽，计算方式也是利用贝塞尔曲线方程或者等比取值，两种方式效果相差不是太大。

书写笔迹的形成都是笔芯对纸张施加一定压力致使油漆从笔头溢出形成的，也就是说书写笔迹上的不同阵列点都对应一个压力值，将压力值转换为笔的宽度，再根对相邻两个阵列点之间的压力值进行一个渐变的压力值计算，从而使得插入点也对应一个独立的压力值。

以两个阵列点压力值分别为40、30，两个阵列点中间插入4个插入点为例，计算中间各个插入点的线宽的包括以下步骤：

1、计算第一个插入点的压力值为：

press1＝40-1×(40-30)/(4+1)＝38；

2、计算第二个插入点的压力值为：

Press2＝40-2×(40-30)/(4+1)＝36；

3、计算第三个插入点的压力值为：

Press3＝40-3×(40-30)/(4+1)＝34；

4、计算第四个插入点的压力值为：

Press4＝40-4×(40-30)/(4+1)＝32。

5、将两个阵列点以及n个插入点的压力值转换为线宽，压力值越大，线宽越大，笔画越粗。

由上可知，计算中间n个插入点的线宽包括：

第一步、依次计算每个插入点的压力值，计算公式为：

Press_i＝Press₀-i×(Press₀-Press₂)/(n+1)；

其中，Press_i表示第i个插入点的压力值；Press₀表示起始阵列点的压力值；Press₂表示终止阵列点的压力值；n为插入点个数。

第二步、将两个阵列点以及n个插入点的压力值转换为线宽。

最后，将书写笔迹经过的所有阵列点及两个相邻的阵列点中间插入的n个插入点，依次通过设备提供的API画图接口，并按照每个阵列点和插入点对应的线宽描点画出，形成书写笔迹。

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 (9)

1.一种光学阵列笔，包括笔体和笔芯，其特征在于，还包括：

配套纸张，印满无色、仅有红外线可识别的点阵排列，点阵排列的每个阵列点坐标不同，记录所述笔芯的书写笔迹；

压力传感器，安装在所述笔体内，与所述笔芯的笔尾接触设置，所述笔芯下笔或提笔，产生相应的压力感应信号，并发送；

红外摄像头，设置在所述笔体上，以一定的速度实时采集点阵排列的数据，并发送；

解码模块，解析接收的点阵排列数据，还原出相应的书写笔迹和经过的各个阵列点坐标数据；根据有无压力感应信号判断书写笔迹中下笔和提笔位置，分辨出书写笔迹的书写笔画，并根据从下笔到提笔区间压力感应信号值的大小转换为相应笔画的线宽；存储还原出的书写笔画、对应的坐标数据和线宽；

蓝牙模块，用于将所述解码模块存储的书写笔画、对应的坐标数据和线宽发送给接收设备；

供电模块，为所述红外摄像头、压力传感器、解码模块和蓝牙模块提供工作电源。

2.如权利要求1所述的一种光学阵列笔，其特征在于，所述红外摄像头以每秒60次或是120次的速度采集阵列点排列的数据。

3.如权利要求1所述的一种光学阵列笔，其特征在于，根据力感应信号值的大小转换为相应笔画的线宽，转换关系为：压力值为20g-100g力，转换为0.5dip-3dip线宽。

4.如权利要求1所述的一种光学阵列笔，其特征在于，根据力感应信号值的大小转换为相应笔画的线宽，配置为：

20g力以内对应线宽是0.5dip；

20g-40g力之间对应线宽为1dip；

40g-60g力之间对应线宽为1.5dip；

60g-80g力之间对应线宽为2dip；

80g-100g力之间对应线宽为2.5dip；

大于100g力对应线宽为3dip。

5.如权利要求1所述的一种光学阵列笔，其特征在于，当接收设备系统需要获取所述解码模块存储的数据时，需要输入密码与所述蓝牙模块进行连接，密码正确后，所述解码模块将实时或者曾经存储的书写笔画、对应的坐标数据和线宽数据通过所述蓝牙模块发送给接收设备，并在接收设备的屏幕上显示出来。

6.如权利要求1所述的一种光学阵列笔，其特征在于，所述供电模块为可充电锂电池，充满电后可使用10小时。

7.如权利要求1所述的一种光学阵列笔，其特征在于，所述解码模块解析接收的阵列点排列的数据还原出坐标数据或是笔画的配置为：

以像素为计算单位计算书写笔迹每个相邻两个阵列点之间的距离N；

分别在两个相邻的阵列点之间插入n个插入点，利用贝塞尔曲线方程，计算n个插入点坐标；

根据两个相邻阵列点间的线宽，计算中间n个插入点的线宽；

将书写笔迹经过的所有阵列点及两个相邻的阵列点中间插入的n个插入点，依次通过设备提供的API画图接口，并按照每个阵列点和插入点对应的线宽描点画出，形成书写笔迹。

8.如权利要求7所述的一种光学阵列笔，其特征在于，若书写笔迹经过的两个相邻阵列点P₀坐标为(x₀,y₀)、P₂坐标为(x₂，y₂)；控制点P₁坐标为(x₁,y₁)，利用贝塞尔曲线方程，计算n个插入点坐标(x,y)的公式为：

x＝(1-t)²×(x₀+x₁)/2+2t(1-t)×x₁+t²×(x₁+x₂)/2；

y＝(1-t)²×(y₀+y₁)/2+2t(1-t)×y₁+t²×(y₁+y₂)/2；

其中，t∈[0,1],Float_t＝((Float)i)/drawSteps；

Float_t表示浮动类型小数t；drawSteps是插入点的数目；i表示当前取的第i个插入点；((Float)i)/drawSteps表示在计算t时，i每次浮动1个单位，i从1到drawSteps进行累计，计算出drawSteps个t值。

9.如权利要求7所述的一种光学阵列笔，其特征在于，计算中间n个插入点的线宽的配置为：

依次计算每个插入点的压力值，计算公式为：

Press_i＝Press₀-i×(Press₀-Press₂)/(n+1)；

其中，Press_i表示第i个插入点的压力值；Press₀表示起始阵列点的压力值；Press₂表示终止阵列点的压力值；n为插入点个数；

将两个相邻阵列点以及n个插入点的压力值转换为线宽。