CN110502121A - 一种有触感高识辨率的框式虚拟键盘及其输入修正算法 - Google Patents

一种有触感高识辨率的框式虚拟键盘及其输入修正算法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种有触感高识辨率的框式虚拟键盘及其输入修正算法，通过在键盘投影框架上设置光电式位置传感器测量和机械振动反馈装置，在显示屏左右两侧边框上设有红色激光发生器，用于在键盘投影框架内部区域产生键盘投影；通过角度传感器检测显示屏的翻转角度；利用中央处理器控制红色激光发生器、角度传感器、直线光源、光敏电阻和机械振动反馈装置的工作，同时为了提高点击输入的准确性，本发明设计一种基于隐马尔可夫模型的输入修正算法，将对点击位置形成的可观测状态序列转换成求解拼音字母组合的最大概率，进而对点击输入进行修正，本发明所设计的框式虚拟键盘及其输入修正算法能够实现虚拟键盘的边写与提高输入准确性。

Description

一种有触感高识辨率的框式虚拟键盘及其输入修正算法
技术领域
本发明属于电子设备技术领域，具体涉及一种有触感高识辨率的框式虚拟键盘及其输入修正算法。
背景技术
近年来，随着国内经济的高速发展，科技水平的日益提高，计算机在方方面面得到了重要应用。最早体积庞大的输入设备到现在轻薄的笔记本，整体生产工具，往更加便捷的方向发展。键盘作为计算机最重要的输入设备，其作用是不可或缺的。然而，传统键盘体积庞大，对移动终端来说，需要设计一款轻量化的虚拟键盘设备来代替。
但是，现有的激光虚拟键盘，采用的是立式设计。该设计体积庞大，在便携性上存在可改进之处，且多采用摄像头对手指运动进行分析处理的方式，这样就导致了算法复杂度非常大，对微处理器的性能要求也就越高。同时，由于现实中环境复杂，光线，投影显示识别面的平整度等方面的干扰，使得其适用范围更窄。从操作舒适角度来讲，激光虚拟键盘输入时，缺少机械反馈，对习惯了机械键盘的用户来讲，这种振动反馈，是保障操作流畅性的必要条件之一。
综上所述，目前的激光虚拟键盘所存在的这些系列问题，导致了激光投影虚拟键盘的实用价值不高。
发明内容
为了解决现有技术中的不足，提出了一种有触感高识辨率的框式虚拟键盘及其输入修正算法，目的在于提供实用性更高、更便于携带，提高设备终端输入的正确率。
本发明所采用的技术方案如下：
一种有触感高识辨率的框式虚拟键盘，包括键盘投影框架，所述键盘投影框架与显示屏相连接，在显示屏的左右两侧边框上设有红色激光发生器，用于在键盘投影框架内部区域产生键盘投影；在显示屏和键盘投影框架的连接处设有角度传感器，用于检测显示屏的翻转角度；
在键盘投影框架上设置2组光电式位置传感器测量，每组光电式位置传感器测量设置在键盘投影框架两个相对的竖直壁面上，通过光电式位置传感器测量确定点击位置；
在键盘投影框架的掌托位置对称设有2个机械振动反馈装置，用于提供点击时的振动反馈；
所述红色激光发生器、角度传感器、直线光源、光敏电阻和机械振动反馈装置分别连接计算机的中央处理器(MCU)，所述中央处理器(MCU)控制红色激光发生器、角度传感器、直线光源、光敏电阻和机械振动反馈装置的工作。
进一步，在显示屏的下部边框上设有蓝色激光发生器，用于在点击区域产生蓝色光线提供点击位置的视觉反馈；所述蓝色激光发生器连接计算机的中央处理器(MCU)。
进一步，所述光电式位置传感器测量包括直线光源和光敏电阻，所述直线光源和光敏电阻分别设置在两个相对的侧面上，在光敏电阻前端一一对应设置滤光板。
针对本发明所提出的一种有触感高识辨率的框式虚拟键盘，本发明还设计了一种基于隐马尔可夫模型的输入修正算法，包括以下步骤：
S1，通过对键盘字母位置进行划分，将上下相邻的四个字母所在区域进行划分得到区域Areai，i＝1、2、3...、20，形成20个区域；
S2，根据使用者点击的区域顺序形成可观测状态序列O＝(Area1，Area2...Arean)；
S3，将可观测状态序列转换成求解拼音字母组合的最大概率，再利用维克多(Viterbi)算法，每一区域(Areai)的选择都保存了前续所有步骤到当前步骤选择的最大概率，依次计算完所有步骤后，通过回溯的方法找到最优选择路径，确定点击序列中的点击字母。
进一步，所述S3确定每一个区域内字母出现概率的方法为：
S3.1，对第一区域Area1字母的概率，过程如下：
S3.1.1，计算第一区区域内每个字母在汉语字典中作为首字母出现的频率：
π＝[freq(Zi1) freq(Zi2) freq(Zi3) freq(Zi4)]-1，
其中，式中freq(Zin)，n＝1、2、3、4表示在区域Area1中的4个拼音字母在字典中作为首字母出现的频率；
S3.1.2，点击中心点(x，y)分别到Areai中4个字母方块的几何中心点的距离 为为第i个区域中第j个字母的x轴坐标，为第i个区域中第j个字母的y轴坐标，计算得到概率形成矩阵[Bi1 Bi2 Bi3 Bi4]-1；
S3.2，依次确定第i(i＞1)区域Areai+1字母的过程为：
S3.2.1，点击中心点(x，y)到Areai中4个字母方块的几何中心点距离计算得到概率
S3.2.2，根据拼音数据库，前一个字母(第i个字母)的后一个字母(第j个)出现的概率Aij；
进一步，所述维克多算法的过程为：
S3.3.1，输入模型γ＝(Aij，Bij，π)和观测序列O＝(Area1，Area2，Area3...AreaN)；
S3.3.2，对第一区域Area1拼音字母的选择：将概率Bij书对应字母的作为首字母出现概率freq(Zin)相乘，乘积最大的字母确认为首字母；同时得到该区域的记忆路径；
S3.3.3，对区域Areai中的2≤i≤N拼音字母的选择：
将前一区域的概率积与当前区域的各字母的概率Bij、Aij再分别相乘，乘积最大的字母确认为该区域的字母；同时得到该区域的记忆路径；
S3.3.4，通过最优路径回溯，输出最优路径，即获得观测序列中拼音字母的组合，实现对输入的修正。
本发明的有益效果：
本发明所设计一种有触感高识辨率的框式虚拟键盘的框式结构设计能与电子显示屏很好的嵌合，不使用时可以很好的隐藏，转变为平板模式，轻量化程度更高。
本发明虚拟键盘采用光电式位置传感器测量，分布于框式结构的四周，算法复杂度低，测量速度更快，精度更高，且成本低，便于维修。
本发明通过处理器、振动反馈装置和激光投射装置的作用，在点击后，能够快速得到点击位置坐标，再通过激光投射装置向坐标处投射不同颜色的标记以实现视觉上的反馈，同时根据按压面积的大小，得到不同量级的振动反馈。
本发明所设计的可收缩式掌托结构，能够为长期输入提供支撑点。
通过分析其点击区域位置序列，利用Viterbi算法预测准确的字母状态序列，使激光键盘输入有更高的准确率。
附图说明
图1是本发明框式虚拟键盘工作状态示意图；
图2是框式虚拟键盘的直线光源安装位置示意图；
图3是直线光源排布放大图；
图4是框式虚拟键盘的光敏电阻安装位置示意图；
图5是直线光源与光敏电阻之间的光路图；
图6是光敏电阻的电路连接图；
图7是本发明的连接关系示意图；
图8是本发明的工作流程图；
图9是工作过程中区域划分示意图；
图10是本发明序列修正的算法示意图；
图中，1、红色激光发生器，2、键盘投影框架，3、掌托，4、激光虚拟键盘投影区域，5、机械振动反馈装置，6、蓝色激光发生器，7、直线光源，8、光敏电阻，9、滤光板，10、光路,11、角度传感器。
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，以下结合附图及实施例，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用于解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1，本发明公开了一种有触感高识辨率的框式虚拟键盘，包括矩形的键盘投影框架2，键盘投影框架2与笔记本电脑的显示屏相连接，在显示屏的左右两侧边框上设有红色激光发生器1，用于产生键盘投影，且该键盘投影正好落入键盘投影框架2内部，在显示屏的下部边框上设有蓝色激光发生器6，用于在点击区域产生蓝色光线提供点击位置的视觉反馈；在显示屏和键盘投影框架2的连接处设有角度传感器11，用于检测显示屏的翻转角度。上述红色激光发生器1、蓝色激光发生器6和角度传感器11分别连接计算机的中央处理器(MCU)。
如图2、3、4所示，在键盘投影框架2两两相对的内侧面上分别设置一组直线光源7和光敏电阻8，在本实施例中，分别在键盘投影框架2上端的内侧面和左内侧面上等距离设置直线光源7，分别在键盘投影框架2下端的内侧面和右内侧面上等距离设置光敏电阻8；且在光敏电阻8前端一一对应设置滤光板9；在工作过程中产生的光路图如图5所示，上端和左端的直线光源7产生横纵交错的光路10，在点击打字过程中，根据手指遮挡光路10，剩余的光路10经过滤光板9后照射到光敏电阻8，且直线光源7和光敏电阻8分别连接计算机的中央处理器(MCU)。
在键盘投影框架2的掌托3位置对称设有2个机械振动反馈装置5，所述机械振动反馈装置5连接计算机的中央处理器(MCU)。反馈装置5可设计为铰链式的可收缩的结构或其他折叠式的机械结构框式键盘收起也随之收起，本例采用三角形的复合折叠结构。
如图7，当使用者打开虚拟键盘，角度传感器11将所检测到的扭转角度信息传送到MCU，当扭转角度不变时，MCU输出工作指令到红色激光发生器1、蓝色激光发生器6、直线光源7和光敏电阻8，红色激光发生器1在键盘投影框架2的区域内投射出激光虚拟键盘投影区域4；横纵排列的直线光源7与光敏电阻8之间产生光路10；其电路实现如图6所示，点击动作未发生时，发射光直射光敏电阻，阻值较小，滞回比较器(施密特触发器)输出低电平；点击发生时，遮挡光线，光敏电阻阻值增大，滞回比较器高电平；经由MCU(微控制单元)检测分析得到位置信息，完成光信号到电信号再到位置信号的转变。同时加入遮光板9，允许发射端的直射光进入，减少外界闪射光对信号的干扰。
MCU根据所接收的位置信息控制蓝色激光发生器6，对该位置区域透射蓝色光线用于显示点击区域；同时MCU通过计算按压面积的大小，可定性的认为按压的轻重，一定程度上线性的控制振动反馈的大小，MCU控制机械振动反馈装置5，用于振动反馈。当使用者合上虚拟键盘2时，角度传感器11检测到角度变化，让MCU向所有模块发送关闭模块命令，合上键盘投影框架2，可更变为平板模式，真正实现便携，轻量化设备的设计。
由于激光虚拟键盘相较于传统键盘，其指尖无点击触感，即在快速输入的状态下，未必会到达精确位置，针对该技术问题，如图8，本发明还设计了一种基于隐马尔可夫模型的输入修正算法，其具体过程为：
S1，通过对键盘字母位置进行划分，将上下相邻的四个字母所在区域划分为一个序列Areai，i＝1、2、3...、20，形成20个区域；结合附图9，将Q、W、A、S四个键所处在的位置记作Area1。
S2，根据使用者的点击的区域形成可观测状态序列O＝(Area1，Area2...Arean)；
S3，将可观测状态序列转换成求解拼音字母组合的最大概率，具体过程：
S3.1，对第一区域Area1字母的概率，过程如下：
S3.1.1，计算第一区区域内每个字母在汉语字典中作为首字母出现的频率：
π＝[freq(Zi1) freq(Zi2) freq(Zi3) freq(Zi4)]-1，
其中，式中freq(Zin)，n＝1、2、3、4表示在区域Areai中的4个拼音字母在字典中作为首字母出现的频率；
S3.1.2，根据点击中心点(x，y)分别到Areai中4个字母方块的几何中心点的距离 为为第i个区域中第j个字母的x轴坐标，为第i个区域中第j个字母的y轴坐标，计算得到概率形成矩阵[Bi1 Bi2 Bi3 Bi4]-1；
S3.2，依次确定第i(i＞1)区域Areai+1字母概率的过程为：
S3.2.1，点击中心点(x，y)到Areai中4个字母方块的几何中心点距离计算得到概率
S3.2.2，根据拼音数据库，前一个字母(第i个字母)的后一个字母(第j个)出现的概率Aij；
通过概率Aij构成概率矩阵A，
其中，概率矩阵A为26*26的矩阵；在拼音数据库中，P(Zb→a/Zb)为字母b后面接a的概率；
S3.3，利用维克多(Viterbi)算法，确定点击序列O＝(Area1，Area2...Arean)中每个区域中的字母，具体过程如下：
S3.3.1，输入模型γ＝(Aij，Bij，π)和观测O＝(Area1，Area2，Area3...AreaN)；
S3.3.2，对第一区域Area1拼音字母的选择：将概率Bij与对应字母的作为首字母出现概率freq(Zin)相乘，乘积最大的字母确认为首字母；同时得到该区域的记忆路径；
S3.3.3，对区域Areai中的2≤i≤N拼音字母的选择：
将前一区域的概率积与当前区域的各字母的概率Bij、Aij再分别相乘，乘积最大的字母确认为该区域的字母；同时得到该区域的记忆路径；
S3.3.4，通过最优路径回溯，输出最优路径，即拼音字母组合；
如图10，本发明利用维克多(Viterbi)算法，每一区域(Areai)的所有选择都保存了前续所有步骤到当前步骤当前选择的最大概率，依次计算完所有步骤后，通过回溯的方法找到最优选择路径。确定点击序列O＝(Area1，Area2...Arean)中每个区域中的字母，从而完成了对每次点击的修正。
即求解：
维克多(Viterbi)算法具体实施方法如下
输入：模型γ＝(A，B，π)和观测O＝(Area1，Area2，Area3...AreaN)
输出：最优路径(概率最大的拼音字母排列)
(1)初始化，对第一个拼音字母的选择，对应Areai中的i＝1.
ψi(j)＝0，1≤j≤4
(2)递推，对应Areai中的2≤i≤N
记忆路径
(3)终止
P′＝max1≤j≤4[δN(j)]
Q′N＝argmax1≤j≤4[δN(j)]
(4)最优路径回溯，对应Areai中的i＝N-1，N-2，...，1
则可求得最优路径
即可能性最大的拼音字母组合。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种有触感高识辨率的框式虚拟键盘，其特征在于，包括键盘投影框架(2)，所述键盘投影框架(2)与显示屏相连接，在显示屏的左右两侧边框上设有红色激光发生器(1)，用于在键盘投影框架(2)内部区域产生键盘投影；在显示屏和键盘投影框架(2)的连接处设有角度传感器(11)，用于检测显示屏的翻转角度；
在键盘投影框架(2)上设置2组光电式位置传感器测量，每组光电式位置传感器测量设置在键盘投影框架(2)两个相对的竖直壁面上，通过光电式位置传感器测量确定点击位置；
在键盘投影框架(2)的掌托(3)位置上设有2个机械振动反馈装置(5)，用于提供点击时的振动反馈；
所述红色激光发生器(1)、角度传感器(11)、直线光源(7)、光敏电阻(8)和机械振动反馈装置(5)分别连接计算机的中央处理器，所述中央处理器控制红色激光发生器(1)、角度传感器(11)、直线光源(7)、光敏电阻(8)和机械振动反馈装置(5)的工作。
2.根据权利要求1所述的一种有触感高识辨率的框式虚拟键盘，其特征在于，在显示屏的下部边框上设有蓝色激光发生器(6)，用于在点击区域产生蓝色光线提供点击位置的视觉反馈；所述蓝色激光发生器(6)连接计算机的中央处理器。
3.根据权利要求1所述的一种有触感高识辨率的框式虚拟键盘，其特征在于，所述光电式位置传感器测量包括直线光源(7)和光敏电阻(8)，所述直线光源(7)和光敏电阻(8)分别设置在两个相对的侧面上。
4.根据权利要求3所述的一种有触感高识辨率的框式虚拟键盘，其特征在于，在光敏电阻(8)前端一一对应设置滤光板(9)。
5.一种基于权利要求1-4中任一项权利要求所述的有触感高识辨率的框式虚拟键盘的基于隐马尔可夫模型的输入修正算法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，通过对键盘字母位置进行划分，将上下相邻的四个字母所在区域进行划分得到区域Areai，i＝1、2、3...、20；
S2，根据使用者点击的区域顺序形成可观测状态序列O＝(Area1，Area2...Arean)；
S3，将可观测状态序列转换成求解拼音字母组合的最大概率，再利用维克多算法，每一区域的选择都保存了前续所有步骤到当前步骤选择的最大概率，依次计算完所有步骤后，通过回溯的方法找到最优选择路径，确定点击序列中的点击字母。
6.根据权利要求5所述的一种基于隐马尔可夫模型的输入修正算法，其特征在于，所述S3确定每一个区域内字母出现概率的方法为：
S3.1，对第一区域Area1字母的概率，过程如下：
S3.1.1，计算第一区区域内每个字母在汉语字典中作为首字母出现的频率：
π＝[freq(Zi1) freq(Zi2) freq(Zi3) freq(Zi4)]-1，
其中，式中freq(Zin)，n＝1、2、3、4表示在区域Area1中的4个拼音字母在字典中作为首字母出现的频率；
S3.1.2，点击中心点(x，y)分别到Areai中4个字母方块的几何中心点的距离 为为第i个区域中第j个字母的x轴坐标，为第i个区域中第j个字母的y轴坐标，计算得到概率形成矩阵[Bi1 Bi2 Bi3 Bi4]-1；
S3.2，依次确定第i(i＞1)区域Areai+1字母的过程为：
S3.2.1，点击中心点(x，y)到Areai中4个字母方块的几何中心点距离计算得到概率
S3.2.2，根据拼音数据库，计算前一字母后的下一个字母的出现概率Aij。
7.根据权利要求5所述的一种基于隐马尔可夫模型的输入修正算法，其特征在于，所述维克多算法的过程为：
S3.3.1，输入模型γ＝(Aij，Bij，π)和观测序列O＝(Area1，Area2，Area3...AreaN)；
S3.3.2，对第一区域Area1拼音字母的选择：将概率Bij与对应字母的作为首字母出现概率freq(Zin)相乘，乘积最大的字母确认为首字母；同时得到该区域的记忆路径；
S3.3.3，对区域Areai中的2≤i≤N拼音字母的选择：
将前一区域的概率积与当前区域的各字母的概率Bij、Aij再分别相乘，乘积最大的字母确认为该区域的字母；同时得到该区域的记忆路径；
S3.3.4，通过最优路径回溯，输出最优路径，即获得观测序列中拼音字母的组合，实现对输入的修正。
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