CN108369470A - 改进的触控笔识别 - Google Patents

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Abstract

一种光学红外触摸感测装置，配置为根据光检测器的输出信号来确定触摸表面上每一光路的光能量值，并基于光能量值生成每一光路的透射值。然后，处理器配置为在如此生成的透射值中的至少部分上运算图像重建算法，并确定触摸物体在触摸表面上的位置以及与由物体接触触摸表面而产生的光衰减相对应的衰减值。处理器配置为使用这些值来识别物体的类型。

Description

改进的触控笔识别
技术领域
本发明涉及用于检测和识别触摸表面上的物体的技术。
背景技术
在越来越广的范围内，触敏面板被用于向计算机、电子测量和测试设备、游戏设备等提供输入数据。面板可以被设置有图形用户界面(GUI)以供用户使用例如指针、触控笔或一个或多个手指与GUI进行交互。GUI可以是固定的或动态的。固定的GUI可以例如以印刷品的形式放置在面板上方、下方或内部。可以通过与面板集成或放置在面板下方的显示屏幕或通过投影仪投射到面板上的图像来提供动态GUI。
有许多已知的用于向面板提供触摸灵敏度的技术，例如，通过使用摄像头来捕捉从面板上的触摸点散射的光，通过使用摄像头直接观察与面板交互的物体，通过将电阻线栅、电容传感器，应变仪等结合到面板中。
在称为“表面上光学触摸系统”的一类触敏面板中，以及从例如美国专利4459476中已知，多个光发射器和光接收器围绕触摸表面的周边而设置以在触摸表面上方形成交叉光路的网格。每个光路径在相应的发射器/接收器对之间延伸。接触触摸表面的物体将阻挡或衰减光路中的部分。基于检测到阻挡光路的接收器的识别，处理器可以确定阻挡光路之间的截距的位置。
美国专利公布2004/0252091公开了基于受抑全内反射(FTIR)的替代技术。将光耦合到面板中以通过全内反射在面板内传播。光传感器阵列位于面板周边以检测光。当物体与面板表面接触时，光将在触摸点处局部衰减。基于来自光传感器阵列处的每个源的光的衰减通过三角测量来确定物体的位置。
对于大多数触摸系统，用户可以将手指放置到触摸面板的表面上以表达触摸。替代地，可以使用触控笔。触控笔典型地是笔形物体，该笔形物体的一端配置为压靠在触摸面板的表面上。在图3中示出了根据现有技术的触控笔的示例。与简单的手指触摸相比，使用触控笔60可以提供改进的选择精度和指针精度。这可能是由于经设计的触控笔尖端160提供了比人类手指与触摸面板可能的接触表面更小和/或更规则的接触表面。而且，由于终生训练使用笔和铅笔，出于指针控制的目的，整个手在握笔位置的肌肉控制可以比单个手指更精确。
为了触摸系统存在两种类型的触控笔。有源触控笔是通常包括某种形式的电源和电子器件以将信号传输到主触摸系统的触控笔。所传输信号的类型可以变化，但可能包括位置信息、压力信息、倾斜信息、触控笔ID、触控笔类型、墨水颜色等。有源触控笔的电源可以包括电池、电容器或用于通过电感耦合提供电力的电场。没有电力，有源触控笔可能失去其功能的部分或全部。
主机系统通过从有源触控笔接收电子触控笔ID并将该触控笔ID和位置信息相关联可容易地识别有源触控笔，该位置信息与触控笔和主机系统的触摸表面之间的接触位置有关。
无源触控笔没有电源，并且不主动与主机系统通信。因此，无源触控笔比有源触控笔更便宜，以及无源触控笔不需要维护。但是，从有源触控笔获得诸如施加压力、倾斜信息、触控笔ID、触控笔类型、墨水颜色等的高级信息比从无源触控笔获得要困难得多。
美国专利6567078描述了一种用一个或多个彩色膜以每个触控笔独特的模式来标记多个无源触控笔的方法。摄像机配置为记录触控笔上的颜色标记并识别正在使用的无源触控笔，以确定要在屏幕上显示的墨水颜色的适当选择。
对于诸如那些在美国专利公布2004/0252091和美国专利4459476中所描述的光学触摸系统，可能难以识别具有与触控笔一样小的尖端的物体。特别地，触控笔尖端通常是小的(即，直径小于4mm)，并且与手指或其他大型物体相比，触控笔尖端提供相对少量的光信号衰减。触控笔尖端也可以具有比触摸系统能够解决的分辨率更小的直径。
此外，这种系统的低信噪比使得难以且不可靠地识别使用独特的回射材料布置的多个无源触控笔中的每一个。
因此，所需要的是不会遭受上述问题的识别触摸光学触摸系统的物体的方法。
发明内容
本发明的目的是至少部分地克服现有技术的上述限制中的一个或多个限制。
至少部分地通过根据独立权利要求的用于数据处理的方法、计算机可读介质、用于数据处理的设备以及触摸感测装置、由从属权利要求限定的其实施例来实现这些目的中的一个或多个以及可以从下面的具体实施例中看出的其他目标。
附图说明
现在将参照所附的示意图来详细描述本发明的实施例。
图1是光学触摸装置的俯视平面图。
图2示出了根据现有技术的IR光学触摸装置的横截面。
图3示出了根据现有技术的基于FTIR的触摸装置的横截面。
图4示出了IR光学触摸装置的光场。
图5是示出了触摸确定过程的流程图。
图6是直方图，该直方图示出了所测量的来自施加到触摸表面的八个独特物体的光束衰减。
图7是直方图，该直方图示出了所测量的来自施加到触摸表面的两个物体(触控笔和手指)的光束衰减。
图8是直方图，该直方图示出了所测量的来自施加到触摸表面的三个物体(第一触控笔、第二触控笔和手指)的光束衰减。
图9示出了进入光场的物体。
图10示出了在“触按”和“触离”事件期间物体的衰减值。
图11是示出了由物体引起的与物体距离触摸表面角部的距离成比例的所测量的光束衰减的图。
图12是衰减图，该衰减图示出了在触摸表面的角部上每个位置处的物体的相对衰减。
图13是示出了由物体引起的与物体在触摸表面上移动的速度成比例的所测量的光束衰减的图。
图14示出了具有施加到触摸表面的平坦端的触控笔的横截面。
图15示出了图14的触控笔的端视图。
图16示出了图14的触控笔的倾斜视图。
图17是具有图14的触控笔的光学触摸装置的俯视平面图，该触控笔相对于触摸表面的法线没有任何倾斜地施加到触摸表面。
图18是示出了x轴的图17所示布置的横截面。
图19是示出了y轴的图17所示布置的横截面。
图20是具有图14的触控笔的光学触摸装置的俯视平面图，以相对于触摸表面的法线成一定角度施加该触控笔。
图21是示出了x轴的图20所示布置的横截面。
图22是示出了y轴的图20所示布置的横截面。
图23是图21的放大视图，示出了沿着单个光路的光场的横截面以及由触控笔尖端阻挡的光的区域。
图24是图22的放大视图，示出了沿着单个光路的光场的横截面以及由触控笔尖端阻挡的光的区域。
图25是施加到触摸表面的触控笔尖端的俯视平面图。
图26是示出了特定触控笔尖端沿不同光路的光衰减的图。
图27是示出了沿与图26的方向不同的方向的特定触控笔尖端沿不同光路的光衰减的图。
图28是示出了平坦端触控笔尖端相对于触控笔施加到触摸表面的角度的衰减的图。
图29是示出了圆顶端触控笔尖端相对于触控笔施加到触摸表面的角度的衰减的图。
图30示出了施加到触摸表面的圆顶端触控笔尖端。
图31a-c示出了具有球形部分的触控笔尖端。
图32a-c示出了具有滴形部分的触控笔尖端。
图33a-b示出了具有另一个滴形部分的触控笔尖端。
图34示出了具有竖直和倾斜放置的两个不同滴形部分的触控笔尖端。
具体实施方式
本发明涉及光学触摸面板和用于向显示装置提供触摸灵敏度的技术的使用。在整个说明书中，相同的附图标记用于标识相应的元件。
在描述本发明的实施例之前，将给出一些定义。“触摸物体”或“触摸物体”是接触触摸表面或充分接近触摸表面以便被触摸系统中的一个或多个传感器检测到的物理对象。物理对象可能是有生命的或无生命的。
“交互”在触摸物体影响传感器所测量的参数时发生。
“触摸”表示交互模式中所看到的交互点。
在以下整个描述中，相同的附图标记用于标识相应的元件。
“光场”是在发射器和相应的检测器之间流动的光。尽管发射器可以在多个方向上产生大量的光，但只有检测器所测量的来自发射器的光限定了用于发射器和检测器的光场。
图1是可与图3中基于FTIR的触摸装置或图2中IR光学触摸装置对应的光学触摸装置的俯视平面图。发射器30a围绕触摸表面20的周边而分布，以将光投射到触摸板10的触摸表面20上。检测器30b围绕触摸表面20的周边而分布，以接收传播光中的一部分。来自发射器30a中的每个发射器的光将由此传播到多个光路50上的多个不同检测器30b。
图3示出了根据现有技术的并在此称为“玻璃内(in-glass)”系统的基于FTIR的触摸装置的横截面。图2示出了根据现有技术的并在此称为“表面上(above-surface)”系统的IR光学触摸装置的横截面。在图2和图3所示的示例装置中的每一个装置中，物体60将衰减沿着至少一个光路50传播的光。在图2所示的示例中，物体60甚至可以完全遮挡至少一个光路50上的光。
如图1所示，光路50在概念上可以被表示为在成对的发射器30a和检测器30b之间在触摸表面20上延伸到触摸表面20的周边的“检测线”。因此，检测线50对应于光路50到触摸表面20上的投影。因此，如在俯视平面图中所看到的，发射器30a和检测器30b共同限定触摸表面20上的检测线50的网格(“检测网格”)。检测网格中交叉点的间隔限定了触敏装置100的空间分辨率，即可以在触摸表面20上检测到的最小物体。检测线的宽度是发射器和相应检测器的宽度的函数。对来自宽发射器的光进行检测的宽检测器提供宽检测线，该宽检测线具有更广的表面覆盖范围，从而使不提供触摸覆盖的检测线之间的间隔最小化。宽检测线的缺点可能是触摸精度降低和信噪比较低。
如本文所使用的，发射器30a可以是能够发射期望波长范围内的辐射的任何类型设备，例如二极管激光器、VCSEL(垂直腔面发射激光器)、LED(发光二极管)、白炽灯、卤素灯等。发射器30a也可以由光纤的端部形成。发射器30a可以产生任何波长范围内的光。以下示例假定光在红外线(IR)中产生，即在高于750nm的波长处产生。类似地，检测器30b可以是能够将光(在相同的波长范围内)转换为电信号的任何设备，例如光检测器、CCD装置、CMOS设备等。
检测器30b共同提供输出信号，该输出信号由信号处理器130接收并采样。输出信号包含多个子信号，也表示为“透射值”，每个子信号表示由光检测器30b之一接收的来自光发射器30a之一的光能量。取决于实施方式，信号处理器130可能需要处理输出信号以分离各个透射值。透射值表示由各检测线50上的检测器30b所接收的光的接收能量、强度或功率。无论何时物体接触到检测线50，该检测线上的接收能量都减少或“衰减”。当物体阻挡了表面上系统的检测线的整个宽度时，检测线将被完全衰减或阻塞。
在优选实施例中，根据图2布置来触摸装置。由发射器30a发射的光以不会导致光进入透射面板10内的TIR的方式通过透射面板10透射。作为替换，光通过触摸表面20离开透射面板10，并且光被边缘反射器70的反射器表面80反射以在与触摸表面20平行的平面中沿着路径50行进。然后光将继续直到在透射面板10的相对边缘处被边缘反射器70的反射器表面80偏转，其中光将通过透射面板10向下偏转回到检测器30b上。接触表面20的物体60(可选地具有物体顶端160)将遮挡与物体在表面上的位置相交的光路50，从而导致在检测器30b处接收到衰减的光信号。
图4示出了从发射器30a行进到检测器30b的光将在反射器表面80之间形成光场90的方式。在优选实施例中，反射器表面80的顶部边缘在触摸表面20上方2mm。这导致2mm深的光场90。2mm深的场对于该实施例是有利的，因为它使物体行进到光场中以到达触摸表面并最大程度地衰减光所需要的距离最小化。距离越小，物体进入光场和接触表面之间的时间越短。这对区分慢速进入光场的大物体和快速进入光场的小物体特别有利。进入光场的大物体最初将导致与完全延伸到光场中的小物体相似的衰减。物体行进的距离越短，在可以观察每个物体的代表性衰减信号之前所需的帧越少。当光场深度在0.5mm和2mm之间时，这种效果特别明显。
图3中所示的布置是替代实施例，但类似地应用了以下描述的触控笔分化的构思。该装置通过将透射面板10内的光从光发射器30a传输到光传感器或检测器30b进行操作，以从透射面板10内照亮触摸表面20。透射面板10由一层或多层固体材料制成，并且可以具有任何形状。透射面板10限定内部辐射传播通道，其中光通过沿路径50的内部反射传播。接触透射面板10的表面的物体引起触摸位置处的内反射效应的挫败，并且通过全内反射穿过面板的光的一部分被物体散射或吸收。这样，穿过面板行进的光束在触摸的位置处被衰减。
除非另有说明，否则说明书中描述的实施例适用于图2中所示的布置。但是，这些实施例中的一些也可以应用于图3中所示的布置。
信号处理器130可以配置为对透射值进行处理以确定触摸物体的属性，诸如位置(例如在x，y坐标系中的位置)、形状或面积。该确定可能涉及基于衰减检测线的直接三角测量(例如，如US7432893和WO2010/015408中所公开的)或者更高级的处理来重新创建触摸表面20上衰减值的分布(为了简单起见，称为“衰减模式(attenuation pattern)”)，其中每个衰减值表示局部的光衰减程度。可以由信号处理器130或者由单独的设备(未示出)对衰减模式作进一步处理，以确定触摸物体的位置、形状或面积。例如通过基于透射值的任何可用图像重建算法可以生成衰减模式，图像重建算法包括层析重建方法，例如滤波后向投影、基于FFT的算法、ART(代数重建技术)、SART(联合代数重建技术)等。替代地，可以通过调整一个或多个基本功能和/或通过诸如贝叶斯反演的统计方法来生成衰减模式。在WO2009/077962、WO2011/049511、WO2011/139213、WO2012/050510和WO2013/062471中找到了设计用于触摸确定的这种重建功能的示例，在此以参考的方式将所有这些引入。
为了简洁起见，术语“信号处理器”始终用于描述一个或多个处理部件，该一个或多个处理部件用于执行接收来自检测器的信号到输出包括触摸坐标、触摸属性等的触摸确定之间所需的各处理阶段。虽然可以在单个处理单元(具有对应的存储器单元)上执行本公开的处理阶段，但是本公开还旨在覆盖多个处理单元以及甚至位于远处的处理单元。
在所示的示例中，装置100还包括控制器120，控制器120被连接以选择性地控制发射器30a的激活以及可能地从检测器30b读出数据。取决于实施方式，例如，如US8581884中所公开的，可以依次或同时激活发射器30a和/或检测器30b。信号处理器130和控制器120可以配置为分离的单元，或者它们可以合并在单个单元中。可以由处理单元140执行的软件来至少部分地实现信号处理器130和控制器120中的一个或两个。
图5示出了根据优选实施例的流程图。
在图5的步骤510中，信号处理器130接收并采样来自检测器30b的输出信号。
在步骤520中，对输出信号进行处理以确定透射值(或“透射信号”)。如上所述，透射值表示由各检测线50上的检测器30b所接收的光的接收能量、强度或功率。
在步骤530中，信号处理器130配置为对透射值进行处理以确定触摸表面上一个或多个触摸物体的存在。在优选实施例中，信号处理器130配置为对透射值进行处理以生成横跨触摸表面的衰减场的二维估计，即衰减值的空间分布，其中每个触摸物体通常作为衰减变化的区域出现。从衰减场中，可以提取二维触摸数据并且可以识别一个或多个触摸位置。可以根据层析重建算法来处理透射值以生成衰减场的二维估计。
在一个实施例中，信号处理器130可以配置为生成整个触摸表面的衰减场。在替代实施例中，信号处理器130可以配置为生成用于触摸表面的子部分的衰减场，根据在处理透射值期间确定的一个或多个标准来选择该子部分。
在步骤540中，信号处理器130确定物体在每个触摸位置处的属性，包括与物体接触触摸表面导致的光束的衰减相对应的衰减值。
在一个实施例中，通过以下方式确定衰减值：首先，处理衰减模式以检测峰值，例如，使用任何已知的技术。在一个实施例中，首先将全局阈值或局部阈值应用于衰减模式，以抑制噪声。任何衰减值超过阈值的区域都可能被进一步处理以找到局部最大值。例如，可以通过将二维二阶多项式或高斯钟形拟合到衰减值或通过找到衰减值的惯性椭圆，对所识别的最大值作进一步处理以确定触摸形状和中心位置。如本领域所熟知的，还有许多其他技术，诸如聚类算法、边缘检测算法、标准斑点检测、滤水技术、泛洪填充技术等。步骤540导致峰值数据的集合，该集合可以包括每个检测峰值的位置、衰减量、大小和形状的值。可以从峰值形状内的最大衰减值或衰减值的加权和来计算衰减值。
由于噪音、物体角度、物体材质或许多其他原因，针对物体记录的衰减值可能不同。图6是直方图，该直方图示出了施加到触摸表面的八个独特物体中的每一个物体的衰减值的计数。每个物体表现出记录的衰减值的频率的大致钟形分布。从图6中可以清楚地看出，有可能从记录的衰减值中区分不同的物体，尤其是在记录每个物体的多个衰减值的情况下。
某些物体可能比其他物体提供更宽的衰减值分布。图7是直方图，该直方图示出了所测量的来自施加到触摸表面的两个物体(触控笔和手指)的光束衰减。值的钟形分布710表示施加到触摸表面的专门设计的触控笔尖端的衰减值。分布720表示施加到触摸表面的各个不同手指的衰减值。由于人们有不同尺寸的手指，并且某些手指可能比其他手指更油腻，分布720中物体的可能衰减值的范围比专门设计的触控笔尖端的可能衰减值宽得多。区域730表示对于系统可靠记录而言太小的衰减值。在典型的示例中，区域730覆盖小于1.8*10-3的衰减值(注意：本说明书中描述的所有衰减值都具有单位mm-1，但应当理解，可以以多种不同方式测量衰减。)根据系统的触摸分辨率，这可能解释为小于0.5毫米的物体。因此，本发明的优选实施例包括触控笔尖端，该触控笔尖端配置为提供大于区域730中的值但小于分布720所占据的衰减值的范围内的衰减值。例如，1.8*10-3<触控笔尖端衰减<2.0*10-2。
图8是直方图，该直方图示出了所测量的来自施加到触摸表面的三个物体(第一触控笔、第二触控笔和手指)的光束衰减。在本公开的示例中，接触触摸表面的物体60因此可以是触控笔或多个触控笔或诸如手指或多个手指之类的人手的部分。如图7所示，值的钟形分布810表示施加到触摸表面的第一专门设计的触控笔尖端的衰减值。分布830表示施加到触摸表面的手指的衰减值。区域840表示对于系统可靠记录而言太小的衰减值。值的钟形分布820表示施加到触摸表面的第二专门设计的触控笔尖端的衰减值。因此，本发明的另一实施例包括第一触控笔尖端，该第一触控笔尖端配置为提供在大于区域840中的值但小于第二触控笔尖端所占据的衰减值820范围的范围内的衰减值。第二触控笔尖端配置为提供在大于分布810所占据的值但小于分布830所占据的衰减值范围的范围内的衰减值。例如，1.8*10-3<第一触控笔尖端衰减<7.2*10-3<第二触控笔尖端衰减<2.0*10-2。
在优选实施例中，信号处理器130配置为将多个物体ID存储在存储器中，每个物体ID具有相关联的衰减值范围。在以下示例中，示出了三个具有关联物体ID的物体类型。
在优选实施例中，每个物体ID具有由衰减最大值和衰减最小值限定的衰减值范围。物体ID可以可选地包括限定关联物体的属性的其他值，包括识别的物体类型、输出类型(例如，画笔类型、墨水颜色、选择类型等)。
在步骤550中，信号处理器130将每个触摸位置匹配到物体ID。这是通过将每个触摸位置的衰减值与匹配物体ID的范围进行匹配来完成的，即具有衰减值1.2*10-2的触摸位置将与物体ID 001匹配。在一个实施例中，存在其范围是所有高于特定值的值的物体ID。这允许使用相同的“默认大物体”物体ID来标识具有高于物体ID的通常范围的衰减值的所有物体。类似地，在一个实施例中，存在其范围是所有低于特定值的值的物体ID，从而允许使用通用“默认小物体”物体ID来标识非常低的衰减值物体。
在步骤560中，信号处理器130输出触摸数据，该触摸数据包括每个位置的触摸位置和对应的物体ID。
当将触摸的衰减值与物体ID相匹配时，重要的是使用稳定的衰减值，该值正确地反映了物体一旦与表面接触而引起的光衰减。在诸如图2所示实施例的“表面上”系统中，光场90具有深度，以及因此物体在接触触摸表面之前必须在光场中行进一段距离。因此，当由物体引起的衰减可能增加时，在物体进入光场和物体接触触摸表面之间存在一段时间。在此期间，测量的任何衰减值都将可能没有准确反映物体一旦接触触摸表面后的光衰减。在本发明的一个实施例中，步骤540被延迟直到确定物体的衰减值是稳定的。在一个实施例中，一旦衰减值在至少三帧内没有改变每帧大于10％，则确定物体的衰减值是稳定的。
当物体进入光场中，物体会遮挡越来越多的光。因此，由物体引起的光衰减增加直到物体击中触摸表面。随着物体朝向触摸表面行进，衰减梯度(即，衰减的变化率)因此是正的直到物体与表面接触时变平。图9示出了具有已经行进到光场90中h最大-h距离的顶端160的物体60。图10示出了在“触按”事件1040(即，将触摸物体施加到触摸表面)和“触离”事件1050(即，将触摸物体提离以及远离触摸表面)期间物体的衰减值1020。还示出了物体距触摸表面的对应高度h(如线1010所示)。示出衰减梯度(即，衰减值的变化相对于时间的变化率)的线1030示出了用于触按和触离事件的典型衰减梯度特征。衰减梯度特征是在触按或触离事件期间的衰减梯度值的形状。
因此，在本发明的优选实施例中，信号处理器130配置为根据事件的衰减梯度特征(如图10中的时间1040所示)来确定物体衰减值是稳定的和/或发生了触按事件。在优选实施例中，与触按事件对应的衰减梯度特征是第一衰减梯度的第一时段、更高衰减梯度的第二时段和低于第二时段的衰减梯度的第三时段。
在一个实施例中，一旦物体衰减值已经超过第一衰减值阈值，则确定已经发生了触按事件。但是，在满足该阈值之前，使用上述方法可能确定已经发生了触按事件。在物体衰减值低于第一衰减值阈值但是观察到衰减梯度特征在单个帧上具有等于或大于第一衰减值阈值20％的较高衰减梯度的情况下，可以确定物体衰减值是稳定的和/或已经发生了触按事件。
在“触离”事件期间，物体的衰减值随着物体从光场中提离而减小。类似于以上所述，该事件的衰减梯度特征(在图10中的时间1050处示出)可以被相应地识别和采取动作。因此，在本发明的优选实施例中，信号处理器130配置为根据事件的衰减梯度特征来确定物体衰减值减小到零和/或已经发生触离事件。在优选实施例中，与触离事件对应的衰减梯度特征是第一衰减梯度的第一时段、负衰减梯度的第二时段和与第一衰减梯度对应的第三衰减时段。
在一个实施例中，一旦确定物体衰减值已经下降到第二衰减值阈值之下，则确定已经发生了触离事件。但是，在满足该阈值之前，使用上述方法可能确定已经发生了触离事件。在物体衰减值高于第二衰减值阈值但是观察到衰减梯度特征在单个帧上具有等于或大于第二衰减值阈值20％的负衰减梯度的情况下，可以确定已经发生了触离事件。
在优选实施例中，可以根据紧邻物体的其他遮挡物体的存在来对触发物体的触按/触离事件所需的衰减梯度值进行缩放。在优选示例中，特征的第二时段的衰减梯度被放大以要求更大的值来触发与触摸表面上的其他遮挡物体紧邻的物体的触按事件。在一个实施例中，由于在高达10厘米的半径内附加触摸的数量，更高的衰减梯度被线性地缩放。可以根据屏幕尺寸、触摸分辨率和环境噪声来选择半径。
当用户提供快速变化的触摸输入时，“钩”是在用户触摸输入的坐标流中随时间所观察到的问题。例如，当绘画或写作时，“钩”的示例是用户完成绘制笔划时，将触摸物体从面板表面抬起并快速改变触摸物体的移动方向以开始绘制下一个笔划。“钩”是在笔划结尾处看到的小的人为现象，“钩”指向用户的触摸物体的新方向。提出了一种使钩最小化的方法。在本发明的优选实施例中，一旦已经观察到负衰减梯度，触摸坐标将不随着物体的位置而更新，并且物体位置的坐标被存储。如果物体衰减值下降到阈值之下，则丢弃所存储的坐标，并发信号通知“触离”事件。如果物体衰减值没有下降到阈值之下并且随后观察到正衰减梯度，则将所存储的中间时段的触摸坐标输出，并且继续像之前那样输出触摸坐标。在优选实施例中，仅当在触摸表面的平面中接触触摸表面的物体的移动方向改变时使用该方法。在该实施例中，确定从物体的最后触摸坐标到当前坐标的矢量α。确定从最后坐标之前的触摸坐标到最后坐标的第二矢量β。矢量α和β允许交互方向的确定以及方向如何变化。物体方向的快速变化可能导致“α内积β<0”。在一个实施例中，如果满足该条件，则可以确定接触触摸表面的物体的移动方向已经发生显著变化，以及然后应用上述用于最小化钩的方法。
尽管物体的衰减值提供与物体接触表面而衰减的光有关的信息，但是本发明的一些实施例要求补偿衰减值以提供物体的性质和/或位置的真实反映。
在本发明的一个实施例中，根据物体接触触摸表面所产生的光的衰减和补偿值来确定衰减值。如以上步骤540中那样确定衰减值，但是其中，衰减值是根据峰值形状内的补偿值和最大衰减值或衰减值的加权和来计算的。
在图1所示系统的某些布置中，触摸表面上的某些位置可能导致比其他位置更低的衰减值。具体地，朝向屏幕边缘的衰减值可能低于中心处的衰减值。多种因素可能导致该情况。一种是某些层析重建算法的有效实现使得近似导致更低的朝向面板边缘的重构衰减值。在一个示例中，面板角部的衰减值可以低至位于面板中心的衰减值的30％。图11示出了接触矩形触摸表面的物体相对于物体距触摸表面角部的距离的衰减值(以相对衰减示出)的图。因此，本发明的优选实施例规定，补偿值至少是物体在触摸表面上的位置的函数。在一个实施例中，根据从触摸表面上的中心点到触摸位置的距离来确定补偿值。替代地，可以根据从触摸表面的最近角到触摸位置的距离来确定补偿值。
触摸位置与所需补偿值之间的关系可以是发射器和检测器的几何形状的复合函数。图12示出了矩形触摸表面的角部的热图，该矩形触摸表面示出了触摸物体的相对衰减。当在坐标(0，0)处触摸时，物体产生相对较小的衰减。当在坐标(10，15)处触摸时，会发生大得多的衰减量。
因此，本发明的优选实施例规定，根据在触摸表面上的相应触摸的位置来计算补偿值。替代实施例描述了使用补偿图来确定触摸表面上给定位置的补偿值。补偿图可以包括与触摸表面的尺寸对应的2D图像，其中像素值对应于补偿值。然后使用触摸位置来确定补偿图上的对应像素，并且该位置处的像素值提供相应的补偿值。在优选实施例中，补偿图具有低于或等于触摸确定系统的触摸分辨率的分辨率。优选地预先生成补偿图，但也可以根据环境和性能变量来动态地生成补偿图。
信号处理器130可以配置为通过在补偿图中的预定义补偿值之间的补偿图的x方向和y方向上的插值来确定补偿图上的位置处的补偿值。因此，可以有补偿值的粗网格，并且随后使用粗网格上的插值来获得特定坐标处的补偿值。
可以为位置网格中的每个位置确定补偿值，其中补偿图的分辨率是由网格的间距(即网格中单元的尺寸)确定的。该间距可以根据补偿图中的位置而变化。例如，粗网格中的双线性内插(即更高的间距)在地图的中心可以很好地工作，但是，在边缘以及特别是角落附近，可以有利地减小间距以正确地捕获衰减变化。
可能对所记录的触摸物体的衰减有影响的另一变量是触摸物体在触摸表面上移动的速度。每个光路的光衰减被顺序地记录在一系列帧上。因此，足够快移动的物体可能在与位置相交的所有光路的衰减已被测量之前已经从特定位置移开。因此，移动的物体可能产生较弱的衰减信号。图13示出了所记录的物体相对于该物体在触摸表面上的速度的衰减值的图。可以看出一种关系，其表明了更快移动的物体可能会产生较弱的衰减值。因此，本发明的优选实施例规定，根据补偿值来计算衰减值，该补偿值至少是根据物体在触摸表面上的速度来确定的。
由于物体的速度与所记录的衰减值之间的关系也可能因移动物体在触摸表面上的位置而变得复杂，因此，本发明的实施例提供了根据触摸表面上物体的位置和速度来确定补偿值。
补偿值可以是光场深度(h最大)的函数。这提供了改善同时使用的不同物体的分类。例如，如果使用锥形触控笔尖端，相比沿纵向具有均匀粗细的尖端，则衰减将受到当前光场高度影响的程度更大。因此，通过补偿光场高度差异，由于场高度的影响被最小化，所以更容易区分具有不同尖端的触控笔。
信号处理器130可以配置为基于光检测器30b的输出信号来确定光场的深度(h最大)。翘曲更大的触摸表面20(即在朝向触摸表面的用户的方向上更凹)可以增加由光检测器30b检测到的信号强度。增加的翘曲也与光场的增加高度有关。因此，通过将信号处理器130配置为响应于触摸表面翘曲来检测输出信号的增加或减少，可以估计光场的高度。然后，可以使用光场高度的估计作为上面所讨论的光场高度补偿的输入。
可能对物体接触触摸表面所导致的光衰减有影响的另一因素是物体尖端的形状以及尖端施加到触摸表面20处的角度。图14示出了具有圆形横截面的平坦端触控笔260。图15和图16分别示出了具有端视图和倾斜端视角的平坦端尖端270的触控笔260。图17示出了施加到触摸表面20而相对于触摸表面的法线没有任何倾斜角度的平坦端触控笔260的俯视图。图18和图19分别示出了沿着表面20的y轴和x轴观察的平坦端触控笔尖端270。明显的是，当沿着y轴观察时，平坦端触控笔尖端270的轮廓与沿着x轴观察的轮廓相同。因此，沿着与和物体相交的x轴接近平行的路径行进的光路(例如，从图17中触摸表面20的左边缘起始并在触摸表面的右边缘结束的光路)可能衰减到与沿着与y轴接近平行的路径行进的那些光路(例如，从图17中触摸表面20的底部边缘起始并在触摸表面的顶部边缘结束的光路)相似的程度。所述光路的透射值将相应地受到影响。
但是，如我们从图20至图22可以看到的，当触控笔物体260相对于触摸表面的法线倾斜时，这会改变。图21中沿y轴的触控笔尖端270的轮廓与图22中沿x轴的触控笔尖端270的轮廓不同。
图23是图21的放大视图。在放大视图中，示出了单个发射器和检测器之间的光路的光场2310。在该横截面中，触控笔尖端270遮挡光场2310的一部分。这将被视为检测器所记录的光信号的衰减和相应透射值的下降。在图23中，触控笔尖端的侧面轮廓(即，沿着y轴观察的触控笔尖端的轮廓)所遮挡的光场的面积约为10％。
图24是与图23类似的图22的放大视图，但是沿x轴的方向观察。在该方向上，可以看到触控笔尖端270的圆形轮廓。在该横截面中，触控笔尖端270遮挡光场2410的更大部分。在图24中，触控笔尖端的侧面轮廓(即，沿y轴观察的触控笔尖端的轮廓)所遮挡的光场2410的面积约为25％。
图25是施加到触摸表面20的触控笔尖端270的俯视平面图。检测线L1、L2和L3是检测线50的子集，检测线50与触摸表面20和触控笔尖端270之间的接触点相交并因此被触控笔衰减。将检测线相对于竖直线251的角度定义为phi。角度A1、A2和A3分别是检测线L1、L2和L3相对于竖直线251的角度。
对于具有大量发射器和检测器的系统，多个检测线可能与触控笔尖端270相交。图26是示出了与图21的触控笔尖端相交的不同光路相对于光路角度phi的透射值的图。最小值2610和最大值2620示出了触控笔尖端在整个phi范围内引起的最小透射值和最大透射值。对于触控笔尖端270，最小透射值可能对应于图24中所示的光路2410，并且最大透射值可能发生在图23中所示的光路2310，特别是如果光路具有phi约90度的分离度。通过对光路的最小透射率值与最大透射率值之间的比率进行测量，可以确定触控笔与触摸表面的法线之间的角度。比率越大，触控笔相对于法线的倾斜越大。比率越接近1:1，触控笔轴越接近触摸表面的法线。
因此，在本发明的优选实施例中，信号处理器130配置为根据与触控笔相交的光路的最小衰减量和最大衰减量之间的比率来确定触控笔的轴相对于触摸表面的法线的角度。
图28是示出了触控笔尖端270相对于其施加到根据图2的实施例的触摸表面处的角度的衰减的测量示例的图。随着相对于触摸表面的法线的角度增加，衰减值减小。对于已知的触控笔尖端(例如图23中所示的触控笔尖端)，可以根据给定触控笔尖端的衰减值的图来确定触控笔的轴线相对于触摸表面的法线的角度。
此外，一旦识别出具有最小透射值和最大透射值的检测线的角度phi，就可以确定触控笔在phi平面中指向的方向。由于图24中所示的轮廓可能是形成最大衰减值和最低透射值2610的原因，因此可以确定，触控笔可能指向与触摸表面的法线成一定角度并且沿着与光路2410相同的方向或与其成180度。即，图26的最小透射率值位于phi的90度(以及270度)处，并且最大值位于180度(以及0度)处。因此，可以确定触控笔以由最小透射值与最大透射值之间的比例确定的角度并且在phi平面中以90度或270度的角度倾斜离开触摸表面的法线(如图20中)。
在图27中，图26的最小透射值位于60度(以及240度)，并且最大透射值位于150度(以及330度)。因此，触控笔可以确定为在平面中以60度或240度的方向倾斜。因此，本发明的优选实施例提供了根据具有最小衰减量的光路的phi值和具有最大衰减量的光路的phi值来确定触控笔在phi平面中的倾斜方向。在替代实施例中，仅具有最大衰减量的光路的phi值被用于确定触控笔在phi平面中的倾斜方向。
在一个实施例中，由于左手用户和右手用户之间典型触控笔的倾斜方向的差异，因此，使用用户的左手信息或右手信息来选择用于确定倾斜方向的哪个phi值。例如，对于图26，信号处理器130配置为确定触控笔针对右手用户以90度的角度定向，而针对左手用户以270度定向。
在一个实施例中，信号处理器130配置为如果在最小透射值和最大透射值之间的比率保持高的同时衰减值开始再次增加，则确定触控笔相对于触摸表面的法线的倾斜角度已经超过阈值。这样的信号输出可能是由于触控笔相对于触摸表面的法线以这样的角度倾斜而引起的，即触控笔外壳的一部分已经进入光场并对衰减值产生影响。图29示出了这种情况下相对于触控笔角度的衰减图。图30示出了进入光场3010并增加衰减值的触控笔360的外壳380。
接触触摸表面20的物体可以是触控笔60，该触控笔可以具有包括球形部分410的远端触控笔尖端400，如图31a-c中所示。通过具有球形部分410，光场中的衰减在触控笔60倾斜时可以保持基本恒定。这是由于远端触控笔尖端400的球形形状的对称性，当触针倾斜时，远端触控笔尖端400不改变。当以各种角度倾斜时，这将保持物体的有效宽度尽可能恒定，反过来这又使得更容易区分多个同时使用的物体。例如，可以同时使用多个不同的触控笔60，其中每个触控笔尖端的尺寸可以与在触摸表面上使用时的特定触控笔特性相关联，诸如变化的绘图工具和颜色。球形部分410可以是布置在远端延伸部411上的球体，该远端延伸部411将球体410与触控笔60的其余部分连接。由于远端延伸部411在光场中的面积将最小化，所以减小远端延伸部411的横截面尺寸还将使触控笔60倾斜时的衰减变化最小化，特别是当以较大角度倾斜触控笔时。
图31c示出了分别具有不同高度h最大和h'最大的两个不同光场3020和3030。当光场的高度高于球形部分410(光场3030的情况)时，具有滴形触控笔尖端600以增加衰减可能是有利的。图32a-c示出了具有远端触控笔尖端600的物体60，该远端触控笔尖端600包括滴形610、620，该滴形沿着纵向物体轴线612朝向与远端触控笔尖端600相对的物体60的近端611渐缩。因此，滴形在纵向方向612上朝着触控笔60的近端611逐渐变窄。图32c示出了高光场3030中的远端尖端400和600的不同横截面。与球形部分410相比，滴形尖端610在光场的上部增加了更多的面积，这增加了衰减。当触控笔60倾斜时，滴形610在有效宽度增加的同时最小化。
图33a-b示出了另一个滴形触控笔尖端600。滴形可以包括至少部分球形表面613。该至少部分球形表面613可以包括与纵向物体轴线612相交并且围绕轴线612具有旋转对称性的远端基部621。该至少部分球形表面613还可以包括环形侧部622，该环形侧部622与远端基部621相近地布置，并且围绕纵向物体轴线612限定该部分球形表面613的最大周长。环形侧部622围绕纵向物体轴线612具有旋转对称性。相对于位于与纵向物体轴线612平行的平面中的圆的假想圆心，远端基部621具有比环形侧部622更大的曲率半径。由于远端基部621具有比侧部622更大的曲率半径，即朝向远端尖端600的质心中心点616更平坦或更小凸起，因此，当远端尖端600倾斜时，远端尖端600的体积中的一部分将被移动到光场之上的位置。这在图34中示意性地示出，其中当与具有远端基部(具有较小曲率半径)的远端尖端610比较时，所偏移的体积部分记为614、614'。相反，偏移体积614、614'定位在光场之上的615处。因此，这补偿了当触控笔倾斜时进入光场的近端部分的附加体积。因此，滴形620在尽可能保持物体的有效宽度恒定的同时改善了高光场中的功能。

Claims (27)

1.一种触摸感测装置，包括：
触摸表面(20)，
发射器组(30a)，所述发射器组(30a)围绕所述触摸表面(20)的周边而布置以发射光束，使得接触所述触摸表面(20)的物体(60)引起所述光的衰减；
光检测器组(30b)，所述光检测器组(30b)围绕所述触摸表面(20)的周边而布置以在多个光路上接收来自所述发射器组(30a)的光，其中每个光检测器(30b)布置为接收来自多于一个发射器(30a)的光；以及
信号处理器(130)，所述信号处理器(130)配置为：
基于所述光检测器(30b)的输出信号确定每个光路的光能量值；
基于所述光能量值生成每个光路的透射值；
在如此生成的透射值中的至少部分上运算图像重建算法以确定：
-所述物体(60)在所述触摸表面(20)上的位置，以及
-与所述物体(60)接触所述触摸表面(20)产生的所述光的衰减相对应的衰减值，
根据所述衰减值来确定所述物体(60)的类型。
2.根据权利要求1所述的触摸感测装置，其中，所述图像重建算法是针对透射层析成像的算法。
3.根据权利要求1或2所述的触摸感测装置，还包括限定所述触摸表面(20)和相对表面的光透射面板(10)，其中所述发射器(30a)配置为将光引入所述面板以用于通过所述触摸表面和所述相对表面之间的内部反射来传播，以及所述检测器(30b)配置为接收在所述面板中传播的光。
4.根据权利要求1或2所述的触摸感测装置，其中，所述发射器(30a)配置为在所述触摸表面(20)上方传输所述光束，以及所述检测器(30b)配置为接收在所述触摸表面(20)上行进的所述光束。
5.根据前述权利要求中任一项所述的触摸感测装置，其中，物体(60)和触摸表面(1)之间的交互作用面积的确定是根据所述衰减值来确定的。
6.根据权利要求4所述的触摸感测装置，其中，由所述发射器发送并由所述检测器接收的所述光束延伸至距所述触摸表面不超过5mm。
7.根据前述权利要求中任一项所述的触摸感测装置，所述信号处理器(130)还配置为存储多个物体ID，每个物体ID具有关联的衰减值范围。
8.根据权利要求7所述的触摸感测装置，所述信号处理器(130)还配置为识别衰减值范围内的物体ID，所述衰减值范围与所述物体的所述衰减值相对应并将所述物体ID与所述物体相关联。
9.根据权利要求8所述的触摸感测装置，其中，直到确定所述衰减值是稳定的，所述信号处理器(130)才执行所述识别步骤。
10.根据权利要求9所述的触摸感测装置，其中，当所述衰减值的变化率低于预定阈值时，确定所述衰减值是稳定的。
11.根据权利要求9所述的触摸感测装置，其中，当所述衰减值的变化率确定为升高到第一阈值之上并且随后下降到第二阈值之下时，确定所述衰减值是稳定的，其中，所述第二阈值低于所述第一阈值。
12.根据前述权利要求中任一项所述的触摸感测装置，所述衰减值是根据补偿值和所述物体(60)接触所述触摸表面(20)产生的光衰减而生成的。
13.根据权利要求12所述的触摸感测装置，其中，所述补偿值是所述物体(60)在所述触摸表面(20)上的至少位置的函数。
14.根据权利要求12所述的触摸感测装置，所述补偿值是在与所述物体(60)在所述触摸表面(20)上的位置相对应的补偿图上的位置处的值。
15.根据权利要求12所述的触摸感测装置，其中，物体(60)具有物体轴线，以及其中，所述补偿值是所述物体轴线相对于所述触摸表面(20)的法线的至少角度的函数。
16.根据权利要求15所述的触摸感测装置，其中，物体(60)具有平坦端，以及其中，根据所述透射值和与物体(60)相交的每个光路的几何形状来确定所述物体轴线相对于所述触摸表面(20)的所述法线的所述角度。
17.根据权利要求15所述的触摸感测装置，其中，根据与所述触控笔相交的光路的最小衰减量和最大衰减量之间的比率来确定所述物体轴线相对于所述触摸表面(20)的法线的角度。
18.根据权利要求12所述的触摸感测装置，其中，所述补偿值是所述物体(60)在所述触摸表面(20)上的至少速度的函数。
19.根据权利要求18所述的触摸感测装置，其中，所述补偿值与所述物体(60)在所述触摸表面(20)上的所述速度成正比。
20.根据前述权利要求中任一项所述的触摸感测装置，其中，所述物体(60)具有包括球形部分(410)的远端触控笔尖端(400)。
21.根据权利要求1至19中任一项所述的触摸感测装置，其中，所述物体(60)具有包括滴形(610、620)的远端触控笔尖端(600)，所述滴形(610、620)沿着纵向物体轴线(612)朝向与所述远端触控笔尖端相对的所述物体近端(611)渐缩。
22.根据权利要求21所述的触摸感测装置，其中，所述滴形包括至少部分球形表面(613)，
所述至少部分球形表面包括：
远端基部(621)，所述远端基部(621)与所述纵向物体轴线相交并且围绕所述纵向物体轴线具有旋转对称性，
环形侧部(622)，所述环形侧部(622)与所述远端基部相近地布置并围绕所述纵向物体轴线限定所述部分球形表面的最大周长，以及所述环形侧部(622)围绕所述纵向物体轴线具有旋转对称性，从而相对于位于与所述纵向物体轴线平行的平面中的虚拟圆，所述远端基部具有比所述环形侧部更大的曲率半径。
23.根据权利要求14所述的触摸感测装置，其中，所述信号处理器配置为通过在所述补偿图中的预定义补偿值之间的所述补偿图的x方向和y方向上的插值来确定所述补偿图上的位置处的所述补偿值。
24.根据权利要求23所述的触摸感测装置，其中，为位置网格中的每个位置确定所述补偿值，其中由所述网格的间距来确定所述补偿图的所述分辨率，以及其中，所述间距根据所述补偿图中的位置而变化。
25.根据权利要求12所述的触摸感测装置，其中，所述补偿值是所述光场的深度(h最大)的函数。
26.根据权利要求25所述的触摸感测装置，其中，所述信号处理器配置为基于所述输出信号确定所述光场的所述深度(h最大)。
27.一种确定与触摸感测装置的触摸表面接触的物体的类型的方法，所述触摸感测装置包括：
触摸表面(20)，
发射器组(30a)，所述发射器组(30a)围绕所述触摸表面(20)的周边而布置以发射光束，使得接触所述触摸表面(20)的物体(60)引起所述光的衰减；
光检测器组(30b)，所述光检测器组(30b)围绕所述触摸表面(20)的周边而布置以在多个光路上接收来自所述发射器组(30a)的光，其中每个光检测器(30b)布置为接收来自多于一个发射器(30a)的光；以及
所述方法包括以下步骤：
基于所述光检测器(30b)的输出信号确定每个光路的光能量值；
基于所述光能量值生成每个光路的透射值；
在如此生成的透射值中的至少部分上运算图像重建算法以确定：
-所述物体(60)在所述触摸表面(20)上的位置，以及
-与所述物体(60)接触所述触摸表面(20)产生的所述光的衰减相对应的衰减值，
根据所述衰减值来确定所述物体(60)的类型。
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