CN109213386A - 一种基于光学式的多点触控识别系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于将部件的位置或位移转换成为代码形式技术领域，公开了一种基于光学式的多点触控识别系统及方法，本发明对基于多点触摸的交互手势进行分析，从状态动作和运动动作的角度分解交互手势，利用接触面类型、状态和运动方式对触摸手势进行一般化的描述。微弱光信号采集检测电路的去噪处理，去噪电路设计的性能影响整体光信号采集大小及有效性，二极管阵列触摸屏多点触摸效果才能完整实现；采集数据的处理过程，技术经济指标是数据量偏大，嵌入式开发系统在采集处理数据过程中的空间利用。

Description

一种基于光学式的多点触控识别系统及方法

技术领域

本发明属于将部件的位置或位移转换成为代码形式技术领域，尤其涉及一种基于光学式的多点触控识别系统及方法。

背景技术

目前，业内常用的现有技术是这样的：随着iPhone等触控手机和平板电脑的日益普及，人机互动领域成为新时尚热点，多点触控必将引领一次新的人机交互变革。实体键盘鼠标等输入外设将迅速减少，现代人们追求的是高效便捷的信息服务，不可能走到哪里都要带着鼠标键盘，便捷高效的多点触控技术正是我们所需要的下一代人机交互方式。多点触控是一样全新的人机互动方式，通过十根手指代替鼠标键盘等输入设备，采用全新的用户体验方式，手势识别，新奇的体验感觉，高清直观的显示方式，为用户提供简便直观的人机互动方式和高效震撼的操作体验。由于传统的电阻式、电容式等触摸屏在体积、价格等方面有一定的限制，导致滞后了多点触摸技术的发展。利用触摸屏技术使用者只要用手指轻轻地碰计算机显示屏上的图符或文字就能实现对主机操作，这样摆脱了键盘和鼠标操作，使人机交互更为直截了当。触摸屏作为一种代替或补充普通键盘和鼠标的输入设备已经在许多场合和领域得到了使用，尤其是新一代支持多点触摸交互的触摸屏的出现，使触摸屏的应用出现了新的变化，触摸屏可以为用户提供更多、更自然的交互方式,因此，触摸屏技术已成为当前最简便的人机交流的输入设备。近几年消费性电子信息产品之市场快速成长，配合“人机接口”的设计概念，趋向人机互动模式，因而带动了触控面板(Touch Panel)的蓬勃发展，最明显的应用市场以信息家电IA，以及各种个人化以及小型化的便携式电子产品如PDA、e-Book、Handheld PC等为最大宗。若根据触控面板大厂MicroTouchSystems预测，2003年触控面板市场值将达20亿美元，约为1998年的4倍。另外，根据富士通预测，2004年全球市场更可达25亿美元。由2004年的市场应用分布得知，触控式面板的最大应用市场为消费性产品(占触控面板产值60％)，相较于1998年仅占13％大幅提升，而此更为众多厂商所寄望的市场大饼。在消费性电子产品以外市场的应用比例亦将降低，预估2004年所占比例分别为商业应用20％、便携式专业运算12％、公共信息查询系统8％。就现今全球在触控面板的技术，依结构大致可分为以日本厂商领军的电阻式(Film onGlass)，以及以美国厂商为首的电容式、音波式、红外线式等，而其中以4线电阻式最为广泛应用，挟其薄型化、成本低之优势，在信息相关产品市场上随处可见。触摸屏显示技术的发展趋势，具有专业化、多媒体化、立体化和大屏幕化等特点。随着信息社会的发展，人们需要获得各种各样公共信息，以触摸屏技术为交互窗口的公共信息传输系统，通过采用先进的计算机技术，运用文字、图像、音乐、解说、动画、录像等多种形式，直观、形象地把各种信息介绍给人们，给人们带来极大的方便。随着技术的迅速发展，触摸屏对于计算机技术的普及利用将发挥重要的作用。今天的电气和电子设备采用了以下五种类型的触摸屏技术：电阻式、表面电容式、投射电容式、表面声波式和红外线式。其中前三种适合用于移动设备和消费电子产品，后两种技术做出的触摸屏不是太昂贵就是体积太大，因此不适合上述应用。目前触摸屏主流技术和产品有DiamondTouch、FI1R—Touch和Microso等。DiamondTouch是三菱电子研究实验室(MERL)2004年设计开发的一个支持多用户并发输入和手势交互的软硬件平台，其采用了电感应原理，触摸精度较低，屏幕显示面积也受到局限。FIIR(Frustrated T0talInternalReflection)TouchL2是纽约大学2006设计的一种支持多点触摸的硬件平台，其采用了受抑内全反射技术，凹凸不平的手指表面导致光束产生散射，散射光透过触摸屏后到达光电传感器，光电传感器将光信号转变为电信号，系统由此获得相应的触摸信息，目前只能使用在投影显示系统上。Microso是微软公司2007年推出的支持多点触摸和手势输入的智能桌面系统，它采用了图像处理技术实现多点触摸，在Surface平台内部有五个照相机拍摄手指在桌面触摸产生的红外反射光，根据所拍摄图像中光点的位置对触摸点进行定位，这些相机还能识别～些放在桌面上带有特殊标志的物体。触摸屏技术方便了人们对计算机的操作使用，是一种极有发展前途的交互式输入技术，因而受到各国的普遍重视，并投入大量的人力、物力对其进行研发，新型触摸屏不断涌现。(1)触摸笔：利用触摸笔进行操作的触摸屏类似白板，除显示界面、窗口、图标外，触摸笔还具有签名、标记的功能。这种触摸笔比早期只提供选择菜单用的光笔功能大大增强。(2)触摸板：触摸板采用了压感电容式触摸技术，屏幕面积最大。它由三部分组成：最底层是中心传感器，用于监视触摸板是否被触摸，然后对信息进行处理；中间层提供了交互用的图形、文字等；最外层是触摸表层，由强度很高的塑料材料构成。当手指点触外层表面时，在1/1000s内就可以将此信息送到传感器，并进行登录处理。除与PC兼容外，还具有亮度高、图像清晰、易于交互等特点，因而被应用于指点式信息查询系统(如电子公告板)，收到了非常好的效果。(3)触摸屏：可用于在演播室使用触摸屏点评系统，简单讲就是输入和输出合二为一，不再需要机械的按键或滑条，显示屏就是人机接口。整个触摸屏系统由LCD、触摸屏、触摸屏控制器、主CPU、LCD控制器构成。多点触摸屏控制器是触摸屏模组的核心，触摸屏控制器是采用PSoC(可编程系统芯片)技术，PSoC是集成了可编程模拟和数字外围以及MCU核的混合信号阵列，所以PSoC的灵活性、可编程性、高集成度等特性被广泛应用于触摸屏控制器。现在搭建的触摸屏幕有32、46和70英寸，支持1080pFullHD分辨率，无需任何额外设置就可以支持多点触摸控制，可以纵向或横向拜访。更为方便的是，它采用标准的HDMI、FireWire和USB接口，插上电源并连接Mac、Linux或Windows PC即可开始使用。常见的触摸屏结构主要有：(一)电阻式：目前市场上曝光率较高的第2代触控面板技术(第1代为纯玻璃技术)主要以电阻式为主，其主要组成包括一片氧化铟锡导电玻ITO Glass，以及一片ITO Film导电薄膜，中间以间隔球Spacer分开，加上Tail软式排线、控制IC组成。作用原理为当面板受到外力接触使薄膜与玻璃接触时导通而传递信号。由于借由压力使两片导电材料接触，触控介质不需导体，可以连续接触，感应速度很快，在需要书写的环境最适用，目前PDA市场均采用电阻式触控面板。电容式：主要作用原理是在透明的玻璃表面镀上一层氧化金属，由四角提供电压在玻璃表面形成均匀电场，一旦有导电体接触时，在接触处产生压降而计算出触控点。电容式触控面板最大要求为要与导电体接触，如人的手指。优点为产品较为强固，应用场所则以户外或公共场所较为宜。音波式：工作原理是在面板周围有音波产生器，并在边缘有音波之反射器，当触控到某一点时，靠波形改变计算出按触处。音波式面板尺寸以10英寸以上为主，适用在公共场所或户外。红外线式：主要是在显示器面板周围装置红外灯，当有物体接触时则会遮断红外灯，进而知道接触区域，优点是显示屏幕前完全没有任何遮蔽物，透光度绝佳，缺点是分辨率无法达到任何上述技术标准。电阻式技术在制造成本、制程难易方面较具优势，但在耐用度以及透光率方面则呈劣势，而此亦为未来研发改进的重点。多点触摸手势识别技术目前有两种：Multi-Touch Gesture和Multi-Touch All-Point。通俗地讲，就是多点触摸识别手势方向和多点触摸识别手指位置。多点触摸顾名思义就是识别到两个或以上手指的触摸。多点触摸系统目的就是对软件系统进行操作简化,并按模块化进行集成后，运用群组计算机技术、自适应视频矩阵技术、智能多点触摸总控屏技术，通过网络和服务器，将所终端的信息综合联动应用，完全面向使用者的设计，让技术去适应人的习惯。(1)多点触摸技术之识别手势方向：市场上多数是Multi-Touch Gesture，即两个手指触摸时，可以识别这两个手指的运动方向，但还不能判断出具体位置，可进行缩放、平移、旋转等操作。这种多点触摸的实现方式比较简单，轴坐标方式即可实现。(2)多点触摸技术之识别手指位置:多点触摸识别手指位置Multi-Touch All-Point可以识别到触摸点的具体位置，多点触摸识别位置可以应用于任何触摸手势的检测，可以检测到双手十个手指的同时触摸，也允许其他非手指触摸形式，比如手掌、脸、拳头等，甚至戴手套也可以，它是最人性化的人机接口方式，很适合多手同时操作的应用。Multi-TouchAll-Point基于互电容的检测方式，而不是自电容，自电容检测的是每个感应单元的电容的变化，有手指存在时寄生电容会增加，从而判断有触摸存在，而互电容是检测行列交叉处的互电容的变化，有手指存在时互电容会减小，就可以判断触摸存在，并且准确判断每一个触摸点位置。

综上所述，现有技术存在的问题是：

(1)触摸屏阵列中微弱光信号采集电路、降噪电路、信号(前置、差分)放大电路设计；

(2)嵌入式开发系统对触摸屏阵列光信号单点触摸及多点触摸显示软件设计。

(3)找出交互手势与交互任务的映射规则，向交互设计者提供一种系统化和标准化的方法，可以针对不同的多点触摸平台和应用，方便快捷地设计交互手势。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于光学式的多点触控识别系统及方法。

本发明是这样实现的，一种基于光学式的多点触控识别系统，所述基于光学式的多点触控识别系统包括：

触摸屏阵列，用于光信号数据采集，对光信号进行光电转换；

光电转换电路，用于将光功率转换为光电流；

前置放大器，用于将光电流转化成为电压形式；

运算放大器，对于转化的信号进行第二级放大，变成可检测信号；

嵌入式开发系统，用于数据处理，用状态转移图对简单手势进行统一的描述，把不同的接触面类型和不同的运动方式定义为不同的状态，根据状态之间的转换来定义手势；不同接触面之间状态的转换。

本发明的另一目的在于提供一种实现所述基于光学式的多点触控识别系统的基于光学式的多点触控识别方法，所述基于光学式的多点触控识别方法包括以下步骤：

(1)触摸屏阵列光信号数据采集，对于光信号进行光电转换，通过光电转换电路将光功率转换为光电流，经过前置放大器将光电流转化成为电压形式，再通过运算放大器对于转化的信号进行第二级放大，变成可检测信号；光电转换的基本原理是当被测光照射到光探测器上时，产生相应的光电流，即将光信号转化成电信号；

(2)嵌入式开发系统数据处理，用状态转移图对简单手势进行统一的描述，把不同的接触面类型和不同的运动方式定义为不同的状态，根据状态之间的转换来定义手势。不同接触面之间状态的转换。

进一步，所述基于光学式的多点触控识别方法的发光二极管平面多点触摸；红外发光二极管放置在触摸屏幕的四周；二极管平面多点触摸技术同样在触摸屏幕上创造了两个红外线平面，光线会使放在屏幕上方的物体发亮而不是触摸，然后通过软件调节滤镜来设置仅当物体被提起或者接近屏幕的时候被照亮。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：通过多个光敏二极管组成触摸屏检测阵列，光敏二极管也叫光电二极管；利用光照强弱来改变电路中的电流。通过检测电流位置的改变，确定手势识别方向位置，为光敏二极管阵列进行多点触摸显示汲取有用的信号，得到较理想的显示效果。本发明结合多点触摸屏结构引入多点触摸手势元动作，从简单手势出发建立统一的交互手势定义与描述，并提出了交互手势与交互任务的映射规则，力图向交互设计者提供一种系统化和标准化的方法，可以针对不同的多点触摸平台和应用，方便快捷地设计交互手势。光电信号检测通过对噪声统计特性的分析，提出了一些在光信号采集过程中减小噪声的方法；利用单片机与AD采集芯片相结合对信号进行采集输出显示；所设计的电路可以满足各种类型的光电传感器的信号采集与处理；对采集到的光信号进行处理，完成数据采集、传输、处理的软件设计，实现多点触摸的显示功能；对基于多点触摸的交互手势进行分析，从状态动作和运动动作的角度分解交互手势，利用接触面类型、状态和运动方式对触摸手势进行一般化的描述微弱光信号采集检测电路的去噪处理，去噪电路设计的性能影响整体光信号采集大小及有效性，二极管阵列触摸屏多点触摸效果才能完整实现；采集数据的处理过程，主要技术经济指标是数据量偏大，嵌入式开发系统在采集处理数据过程中的空间利用。

本发明根据特性分析了产生噪声的原因以及一些常见的噪声类型；通过对噪声统计特性的分析，提出了一些在光信号采集过程中减小噪声的方法；利用嵌入式开发系统与AD集成采集芯片相结合对信号进行采集输出显示.对二极管光点阵面板采集到的光信号进行处理，完成数据采集、传输、处理的软件设计，实现多点触摸的显示功能，所设计的系统可以满足各种类型的光电传感器的信号采集与处理，适合各种环境下工作，并通过实验，检测电路可以检测到3mV以上的微弱光电信号，并且输出噪声低，信号不失真,可以实现100kHz以下的动态信号采集与处理。

本发明对基于多点触摸的交互手势进行分析，从状态动作和运动动作的角度分解交互手势，利用接触面类型、状态和运动方式对触摸手势进行一般化的描述。微弱光信号采集检测电路的去噪处理，去噪电路设计的性能影响整体光信号采集大小及有效性，二极管阵列触摸屏多点触摸效果才能完整实现；采集数据的处理过程，技术经济指标是数据量偏大，嵌入式开发系统在采集处理数据过程中的空间利用。

本发明体现在触摸屏触摸方式设计采用光敏二极管阵列来实现，改变传统触摸方式采用电阻式、电容式，触摸屏效果是相同的，整体成本降低。采用的描述手势识别组合方式，在交互手势和交互任务映射规则的帮助下，快速有效地进行面向应用系统的自然触摸交互手势的设计。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于光学式的多点触控识别系统结构示意图；

图中：1、触摸屏阵列；2、光电转换电路；3、前置放大器；4、运算放大器；5、嵌入式开发系统。

图2是本发明实施例提供的基于光学式的多点触控识别方法流程图。

图3是本发明实施例提供的光信号数据采集检测原理示意图。

图4是本发明实施例提供的嵌入式开发系统数据处理示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明体现在触摸屏触摸方式设计采用光敏二极管阵列来实现，改变传统触摸方式采用电阻式、电容式，触摸屏效果是相同的，整体成本降低。采用的描述手势识别组合方式，在交互手势和交互任务映射规则的帮助下，快速有效地进行面向应用系统的自然触摸交互手势的设计。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的基于光学式的多点触控识别系统包括：触摸屏阵列1、光电转换电路2、前置放大器3、运算放大器4、嵌入式开发系统5。

触摸屏阵列1，用于光信号数据采集，对光信号进行光电转换；

光电转换电路2，用于将光功率转换为光电流；

前置放大器3，用于将光电流转化成为电压形式；

运算放大器4，对于转化的信号进行第二级放大，变成可检测信号；

嵌入式开发系统5，用于数据处理，用状态转移图对简单手势进行统一的描述，把不同的接触面类型和不同的运动方式定义为不同的状态，根据状态之间的转换来定义手势；不同接触面之间状态的转换。

如图2所示，本发明实施例提供的基于光学式的多点触控识别方法包括以下步骤：

S201：触摸屏阵列光信号数据采集，对于光信号进行光电转换，通过光电转换电路将光功率转换为光电流，经过前置放大器将光电流转化成为电压形式，再通过运算放大器对于转化的信号进行第二级放大，变成可检测信号；光电转换的基本原理是当被测光照射到光探测器上时，产生相应的光电流，即将光信号转化成电信号；

S202：嵌入式开发系统数据处理，用状态转移图对简单手势进行统一的描述，把不同的接触面类型和不同的运动方式定义为不同的状态，根据状态之间的转换来定义手势。不同接触面之间状态的转换。

(1)触摸屏阵列光信号数据采集

微弱光信号数据采集检测电路设计，包括以下几个部分，首先对于光信号进行光电转换，通过光电转换电路将光功率转换为光电流，之后经过前置放大器将光电流转化成为电压形式，再通过运算放大器对于转化的信号进行第二级放大，变成可检测信号。光电转换的基本原理是当被测光照射到光探测器上时，产生相应的光电流，即将光信号转化成电信号。而对于微弱信号检测中，前置放大起着至关重要的作用。光信号数据采集检测原理框图如图3所示。

(2)嵌入式开发系统数据处理，根据简单交互手势的定义，可以用状态转移图对简单手势进行统一的描述，把不同的接触面类型和不同的运动方式定义为不同的状态，然后根据状态之间的转换来定义手势。不同接触面之间状态的转换，如图4所示，不同的接触类型和触摸点个数代表不同的状态，N是手指的个数。

本发明的发光二极管平面多点触摸技术(LED-LP)；红外发光二极管放置在触摸屏幕的四周，让光线更好地分布在表面上。和激光平面多点触摸技术类似，二极管平面多点触摸技术同样在触摸屏幕上创造了两个红外线平面，光线会使放在屏幕上方的物体发亮而不是触摸，然后通过软件调节滤镜来设置仅当物体被提起或者接近屏幕的时候被照亮。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于光学式的多点触控识别系统，其特征在于，所述基于光学式的多点触控识别系统包括：

触摸屏阵列，用于光信号数据采集，对光信号进行光电转换；

光电转换电路，用于将光功率转换为光电流；

前置放大器，用于将光电流转化成为电压形式；

运算放大器，对于转化的信号进行第二级放大，变成可检测信号；

嵌入式开发系统，用于数据处理，用状态转移图对简单手势进行统一的描述，把不同的接触面类型和不同的运动方式定义为不同的状态，根据状态之间的转换来定义手势；不同接触面之间状态的转换。

2.一种实现权利要求1所述基于光学式的多点触控识别系统的基于光学式的多点触控识别方法，其特征在于，所述基于光学式的多点触控识别方法包括以下步骤：

(1)触摸屏阵列光信号数据采集，对于光信号进行光电转换，通过光电转换电路将光功率转换为光电流，经过前置放大器将光电流转化成为电压形式，再通过运算放大器对于转化的信号进行第二级放大，变成可检测信号；光电转换的基本原理是当被测光照射到光探测器上时，产生相应的光电流，即将光信号转化成电信号；

(2)嵌入式开发系统数据处理，用状态转移图对简单手势进行统一的描述，把不同的接触面类型和不同的运动方式定义为不同的状态，根据状态之间的转换来定义手势。不同接触面之间状态的转换。

3.如权利要求2所述的基于光学式的多点触控识别方法，其特征在于，所述基于光学式的多点触控识别方法的发光二极管平面多点触摸；红外发光二极管放置在触摸屏幕的四周；二极管平面多点触摸技术同样在触摸屏幕上创造了两个红外线平面，光线会使放在屏幕上方的物体发亮而不是触摸，然后通过软件调节滤镜来设置仅当物体被提起或者接近屏幕的时候被照亮。