CN111522464A - 触摸屏及触摸屏接触点的定位方法 - Google Patents

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CN111522464A CN202010302030.3A CN202010302030A CN111522464A CN 111522464 A CN111522464 A CN 111522464A CN 202010302030 A CN202010302030 A CN 202010302030A CN 111522464 A CN111522464 A CN 111522464A
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马仕哲
梁梓健
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Abstract

本发明提供一种触摸屏，其触摸区域定义有网格化的多个探测区域，每个所述探测区域在所述触摸屏的边缘分别对应有多个发射二极管和接收二极管，所述发射二极管和接收二极管一一对应构成对射矩阵，每个所述探测区域的扫描独立可控。本发明还公开一种触摸屏接触点的定位方法，特别适用于多接触点定位。本发明通过将触摸区域划分成网格状的多个探测区域，并实现每个探测区域的扫描独立可控，可以解决尺寸增加带来的算法复杂度提高的问题，并使系统能够快速实现多点识别定位及轨迹跟踪。

Description

触摸屏及触摸屏接触点的定位方法
技术领域
本发明属于触控技术领域，具体涉及一种触摸屏及触摸屏接触点的定位方法，特别适用于大尺寸红外触摸屏。
背景技术
近年来，随着智能手机、平板电脑等电子设备的普及应用，触控操作已经成为了人们的行为习惯。会议室的共享屏幕、医院的触控缴费终端、手机的虚拟触控键盘、平板的多人交互游戏等等触控场景更是成为了人们的日常。而上述多场景的应用和良好的人机交互体验离不开多点触控识别技术。同时，为了追求更多应用场景、更好的用户体验，人们对触控产品的要求也不断提高，例如增加触控终端的尺寸等。目前，常见的触控系统有电阻、电容、表面声波、电磁感应及红外技术等实现方式，均能够在较短的响应时间内识别多点，但随着触控终端尺寸的不断增加，触控区域的扩大，使得原有的多点识别算法复杂度急剧增加，从而使响应时间增加，导致识别过程中的延时、不流畅和遗漏。同时，尺寸的增大，使得触控终端出现成本高、运输不便及后期维护费用高等问题。
相较于电阻屏、电容屏而言，红外触控系统由于具有原理简单、性能稳定、硬件材料成本低、易于拼接组装及性价比高等优势，在实现大尺寸触控系统中具有一定优势。
红外触控系统包括红外发射与接收感测元件，而红外发射元件装在触控屏的外框上，在面板表面形成红外探测网，任何触摸体可以通过改变触点的红外线，进而转换成触点的坐标而实现触摸屏的操作。红外触控系统面板的四周紧密地排列着若干发射与接收二极管。如图1所示，白色代表红外发射管，黑色表示红外接收管。当系统正常工作时，红外发射管依次点亮，同时被红外接收管接收，此时就形成了一个红外对射的矩阵网络。当有触摸点在该矩阵网络中运动时，红外光线被遮挡，此时红外接收管接收到的光强将发生改变，从而引起接收端电压的变化，通过与没有触摸点遮挡时红外二极管的电压值进行比较和计算，就可确定当前触摸点所处的位置。
在类似虚拟键盘、多人交互游戏等触控系统应用中，都需要实现多触摸点的识别、定位及轨迹跟踪等功能。而随着触摸点的数量增加，触摸点扫描时间将增加，进而影响系统响应时间，可能会导致系统出现延时、断点、不流畅等问题。
多点识别中最易实现的是两点识别。在经过水平与垂直扫描后，将收集到两个不同的x1和x2坐标、两个不同的y1和y2坐标，横纵坐标自由组合后产生伪点，使得无法准确判断触摸点的位置，如图2所示，其中黑点为触摸点，白点为伪点。因此去除伪点是两点及其以上多点识别中最为重要的一环。
目前常见的两点识别的方法是加入斜扫描来排除伪点。李钧于2012年提出通过硬件电路改变二极管的方向，形成不同的坐标系排除伪点；曾一雄于2013年提出采用软件控制二极管形成不同坐标系实现斜交扫描，而后通过各点在不同坐标系中偏移量进行伪点的排除；胡跃辉等人于2013年提出，将所有二极管之间连线的交点设为像素，通过检测像素形成区域的形状确定触摸点；刘志民于2015年提出了一种特殊的“投壶”算法可有效的排除伪点。而上述算法多针对两点识别，当触摸点数量增加时，算法计算量不断增加，算法复杂度进一步加深。故需要提出一种针对于多点的识别算法，在实现多点识别的目标下有效降低算法复杂度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种触摸屏及触摸屏接触点的定位方法，以解决现有技术中的问题。
为了实现上述目的，本发明一实施例提供的技术方案如下：
一种触摸屏，其触摸区域定义有网格化的多个探测区域，每个所述探测区域在所述触摸屏的边缘分别对应有多个发射二极管和接收二极管，所述发射二极管和接收二极管一一对应构成对射矩阵，每个所述探测区域的扫描独立可控。
一实施例中，所述发射二极管和接收二极管为红外二极管或激光二极管。
一种触摸屏，包括接触屏，所述接触屏的每个边缘分别安装有多个独立可控的发射单元或接收单元，
每个所述发射单元分别包括多个发射二极管；
每个所述接收单元分别包括多个接收二极管；
发射二极管与接收二极管一一对应构成对射矩阵。
一实施例中，所述发射单元和/或接收单元与接触屏之间可拆卸连接。
一实施例中，每个所述发射单元还分别包括一支架，所述多个发射二极管安装于该支架上；和/或
每个所述接收单元还分别包括一支架，所述多个接收二极管安装于该支架上。
一实施例中，所述发射单元或接收单元的支架分别具有一线性凹槽，所述发射二极管或接收二极管安装于所述线性凹槽内。
一实施例中，所述发射二极管和接收二极管为红外二极管或激光二极管。
一种触摸屏接触点的定位方法，包括：
将触摸屏的触摸区域网格化划分成多个探测区域，每个探测区域分别对应多个发射二极管和接收二极管，所述发射二极管和接收二极管一一对应构成对射矩阵；
各个探测区域独立进行扫描，获得每个探测区域的接触点坐标信息。
一实施例中，若有多个触点存在，则需通过斜向扫描排除伪点。
一种触摸屏接触点的定位方法，通过控制在第一方向以及与第一方向交叉的第二方向的光扫描确定接触点，包括：
控制第一方向的若干组光扫描，确定接触点在第一方向上的第一中间坐标，所述第一方向的若干组光分别包括多个扫描单元；
控制第二方向的若干组光扫描，确定所述接触点在第二方向上的第二中间坐标，所述第二方向的若干组光分别包括多个扫描单元；
控制同时与所述第一中间坐标和第二中间坐标关联的多个扫描单元扫描，以分别确定所述接触点在第一方向和第二方向上的第一定确定坐标和第二确定坐标。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明采用红外触控系统实现的大尺寸触控终端的设计，同时为了解决尺寸增加带来的算法复杂度提高的问题，提出一种优化的多点识别算法，使系统在较短的响应时间能够实现多点识别定位及轨迹跟踪。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1所示为红外触控系统多点定位原理示意图；
图2所示为红外触控中伪点示意图；
图3所示为本申请一实施方式中大尺寸红外多点触控系统的原理示意图；
图4是本发明一实施方式中触摸屏的结构示意图；
图5是本发明一实施方式中发射单元的侧视图；
图6是本发明一实施方式中触摸屏基本结构、编号及重新拼接的示意图；
图7是本发明一实施方式中多点触摸最多伪点示意图；
图8是本发明一实施方式中多点触摸一般排列形式示意图；
图9是本发明一实施方式中红外触控多点识别方法流程图；
图10是本发明一实施方式中斜向45°扫描示意图；
图11是本发明一实施方式中斜向45°扫描后待定点集合示意图；
图12是本发明一实施方式中斜向135°扫描示意图；
图13是本发明一实施方式中斜向135°扫描后待定点集合示意图；
图14是本发明一实施方式中待定点间角度示意图；
图15是本发明一实施方式中接收管开启长度计算示意图；
图16是本发明一实施方式中多点识别算法流程图；
图17是本发明一实施方式中盲区示意图；
图18是本发明一实施方式中水平方向扫描示意图；
图19是本发明一实施方式中竖直方向扫描示意图。
具体实施方式
以下将结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细描述。但该等实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据该等实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。
参图3所示，本申请一实施例提供了一种大尺寸红外多点触控系统，该系统主要用于对多个接触点位置进行扫描实验，系统主要包括触摸屏、无线通讯及人机交互显示终端。
无线通信方式有无线局域网(WLAN)、Wi-Fi、蓝牙、ZigBee连接等。本案由于系统需要不断进行扫描且在通讯距离及安全性能上没有较高要求，故优选ZigBee无线通讯方式，在满足数据传输及通讯距离的条件下可降低系统功耗和成本。
具体地，结合图4所示，触摸屏10，包括接触屏11，所述接触屏11的每个边缘分别可拆卸安装有多个首尾相接的发射单元12或接收单元13。
接触屏11可以为一显示屏，也可以为一平板，平板材质可以采用常见的亚克力、铝合金等。
发射单元12或接收单元13采用常见的红外二极管或激光二极管，优选为红外二极管，二极管等间距的排列在触摸屏的四周，并保证任意一个发射二极管有且就有一个与之正对的接收二极管，发射二极管和接收二极管之间构成反正穿插。
随着红外触摸屏尺寸不断增加，所使用的发射单元12或接收单元13长度将不断增加，带来运输、安装及维护环节的不便，为解决以上问题，结合图4和图6所示，本实施例设计了拼接方案，将大尺寸的探测区域划分为网格化小尺寸红外探测区域，比如区域(1a，1b，1c，1d)、(5a，4b，5c，4d)并每个区域均能实现独立扫描，确定多点的实时定位并进行二维轨迹进行描绘。大尺寸红外多点触控系统拼接方案。当探测区域内有触摸点时，主控芯片MCU(STM32)控制二极管进行不同扫描方式确定物体的具体坐标后，通过无线通讯方式传输至上位机，并在显示终端上显示出物体所在位置。
为了示例说明触摸屏的同一边缘上分布有首尾相接的多个发射或接收单元，图4中的发射单元或接收单元之间存在一定的间隙，但是需要说明的是，位于同一边缘上的发射或接收二极管是等间距线性排列的，因此在实际结构中，同一边缘上的多个发射或接收单元之间无间隙或间隙较小。
结合图5和图6所示，每个所述发射单元12(对应1a，2a，3a…以及1b，2b，3b…)分别包括一支架121以及安装于该支架上的多个发射二极管122(图6中每个单元示例给出8个二极管)，所述多个发射二极管线性排列。接收单元结构与发射单元结构相同，不再赘述。
图6中，白色代表发射二级管，黑色代表接收二极管，根据光线对射原理，发射单元应当安装在任意相邻两边，与发射单元相对的为接收单元。接收或发射单元首尾依次连接，根据实际光线光强的分布，一个发射二极管所发射出的光强将反映在一定范围内的接收二极管上，且与发射二级管正对的接收二极管所接收到的红外光光强将达到峰值。
为了实现每个区域可进行独立扫描，可以对发射单元和接收单元进行编号或设定标签，通过控制模块读取每个发射单元或接收单元的地址信息并对应的控制单元内二极管的扫描。
一实施例中，结合图5所示，支架121可以采用U形铝合型材，发射或接收二极管线性安装于支架121的凹槽123内。U形铝合型材的底板作为发射或接收二极管的安装板，U形铝合型材的两个延伸臂作为发射或接收二极管的遮光材料，可以排除外界环境光的干扰。
支架121与接触屏11之间可拆卸连接，可拆卸的方式可以是插接、卡扣等方式。
与发射单元对应的，每个所述接收单元分别包括一支架以及安装于该支架上的多个接收二极管，所述多个接收二极管线性排列，发射二极管与接收二极管一一对应。
触摸屏的工作原理在于，发射二极管与接收二极管它们一一对应构成反正穿插的光线矩阵。当用户在接触屏幕时，接触物体(手指或其它物体)就会挡住经过该方位的反正光线，由控制器经过运算即可判别出接触点在屏幕的方位。
发射二极管与接收二极管可以根据需求选择性使用红外二极管或激光二极管，本实施例中优选使用红外发光二极管。
一实施例中，接触屏11宽高比尺寸为16:9。
基于上述结构，本案的一方面，通过将发射二极管和接收二极管进行分组，每组分别包括多个二极管并进行集成化设置，且每个集成化的单元与接触屏之间可拆卸设置，在应用于大尺寸触摸屏时可以方便运输、组装，而且可以根据需要安装不同数量的单元。
基于上述结构，本案的另一方面，通过拼接方式的设置，有利于设定不同类型的单元，不同类型的单元中可以设置不同数量的二极管，也可以是选择不同类型的二极管，比如红外二极管或激光二极管，这样用户可以根据分辨率、反应速度的要求选择不同类型的单元，
基于上述结构，本案的第三方面，有利于触摸屏行业的发展，单元化的二极管模组可以作为单独的一个产业环节，终端客户可以根据需要选择性使用不同尺寸、不同二极管类别的单元，同时，也有利于本领域软件系统的发展，为了适应该结构，软件需要提供更多的选择性功能。
基于上述结构，本案的第四方面，当某一单元发生损坏时，不会影响其他单元，降低维修成本，而且维修速度快。
本实施例对现有的常见两点识别算法分析后，提出一种红外触控系统的多点识别算法，以实现三点至十点的多点识别。
进行触摸点定位时，若只存在一个触摸点，则进行一次水平扫描及垂直扫描后，即得到触摸点的精确位置。
在一实施例中，水平扫描的方式可以参图18所示，由于屏幕尺寸大，每个发射单元可以沿水平方向独立进行扫描，具体地，每个发射单元中8个二极管依次沿横向进行扫描，所有发射单元的扫描可以独立同步进行。同样的，竖直扫描的方式可以参图19所示，由于屏幕尺寸大，每个发射单元可以沿竖直方向独立进行扫描。
根据系统大尺寸的拼接的方案，每个小尺寸探测区域可同时进行独立扫描。因此，在多点识别问题中，通过水平与垂直扫描后，会同时得到多个横纵坐标，横坐标与纵坐标之间自由组合产生大量的待定点，构成一个待定点集，待定点间彼此离散且坐标确定，其中包含了触摸点和伪点。若假设共有n个触摸点，最多可产生n(n-1)个待定点，如图7所示，其中黑点为触摸点，白点为伪点。而对于更为一般的多点排列形式，如图8所示，此时由于未知触摸点的个数，无法准确计算伪点的个数。因此需要通过斜向扫描进行伪点的排除。
综上，本实施例提供一种红外触控多点识别方法的流程如图9所示，首先经过水平及垂直扫描，确定所有的横纵坐标，并组合得到待定点集合；之后经过特定角度的斜向扫描，分辨待定点集合中触摸点和伪点，进行分类；最后就可剔除伪点，得到触摸点。
现详细说明多点识别方法。以触摸区域左下角顶点为坐标原点，建立直角坐标系xoy。
第一步，进行水平扫描和垂直扫描。扫描结束后，得到mx个横坐标，my个纵坐标，待定点数m＝mx*my。若m＝1，可输出该触摸点的准确坐标。若横坐标数mx＝1或纵坐标数my＝1，此时触摸点为水平一排或竖直一列，不存在伪点。若不属于上述特殊情况，则进入第二步。
第二步，进行45°斜向扫描。在斜向扫描时，当某条斜向光线穿过的待定点中，既含有触摸点又含有伪点时，如图7、图8中实线所示，由接收端会发生电信号的变化，可知此条光线上存在触摸点，但是无法确定触摸点和伪点的个数。因此，考虑可利用待定点集合中各点之间连线所成的角度进行扫描来排除伪点。
以图8所示触摸点排列情况为例，进行说明，如图10所示。为保证斜向扫描的正常实现，AB边发射光线时，CD边开启同时关闭BC边。同理，AD边发射光线时，BC边开启同时关闭CD边。因此，图10中实线为实际存在的光线。为保证45°扫描，故在AD边发射光线时，只开启BQ段，其中|BQ|＝|BC|-|CD|。由于二极管之间间距a相等，故实际存在的光线方程为
Figure BDA0002454365720000091
其中n为自然数代表不同光线，
Figure BDA0002454365720000092
为经过对相邻二极管间电压值进行50等分量化后等效的空间距离。当确定某一光线上无遮挡，通过将待定点坐标带入该光线方程，可确定待定点集中的伪点并剔除这些点。例如，图10中光线PB上均为伪点，通过PB光线方程y＝x可以剔除其通过的两个伪点。进行过此次扫描后，余下待定点集如图11所示。
第三步，进行135°斜向扫描，如图12。与第二步中方法相同，所得余下待定点如图13所示。
第四步，进行θ角度斜向扫描。经过前述步骤，待定点数大大减少，此时可任选待定点集合中一基准点M，计算余下点与点M连线对x轴正方向的角度θ，得到一个角度集合，如图14所示。
由于AB边光线只由CD边接收，AD边光线只由BC边接收。对于某一θ角，BC边上可接收范围
Figure BDA0002454365720000093
如图15所示。故AD边开启时，只开启BQ段。同时，实际存在的光线角度θ也将受到触摸区域的长宽比的限制，即θ＜θ0，其中，以16:9长宽比的触摸区域为例，
Figure BDA0002454365720000094
同时为了不重复已扫描过的角度，故排除角度集合中0°、45°、90°、135°、180°及相同的θ值。最终，角度集合中共有j个θ角度，将θ由大到小进行编号排列，顺序选择角度集合中θi(1≤i≤j)角度进行斜向扫描，此时实际存在光线的方程为
Figure BDA0002454365720000095
扫描后由待定点和实际光线方程可排除伪点，确定触摸点。此时待定点集合中点数将不断减少。一次扫描后，在余下待定点集中，重新选择基准点M点，循环进行求解并排序角度集合、选取θ角扫描、确定触摸点排除伪点的操作。直至待定点集合中点数为2，此时角度集合中将只有一个角度值θ1，即两个待定点连线对应的角度，此时选择除去角度θ1及45°、135°外任意角度进行一次扫描，可确定所有的待定点。特别地，当角度集合中θ数量j＝0，表示待定点位于45°或135°直线上，且待定点均为触摸点。
根据上述多点识别的方式，算法流程图如图16。
上述实施例中以BC为x轴，此时在邻近AB及CD边沿存在无法扫描到的盲区，如图17所示，故还应将AB作为x轴，AD作为y轴进行斜向扫描。但由于长宽尺寸(16:9)的限制此时无法进行45°和135°扫描，故只需再进行一次θ角度的斜向扫描，即上述第四步的过程，便可确定盲区内的是否存在触摸点。
再另一实施例中，还提供一种触摸屏接触点的定位方法，通过控制在第一方向以及与第一方向交叉的第二方向的光扫描确定接触点，包括：
(1)、控制第一方向的若干组光扫描，确定接触点在第一方向上的第一中间坐标，所述第一方向的若干组光分别包括多个扫描单元；
(2)、控制第二方向的若干组光扫描，确定所述接触点在第二方向上的第二中间坐标，所述第二方向的若干组光分别包括多个扫描单元；
(3)、控制同时与所述第一中间坐标和第二中间坐标关联的多个扫描单元扫描，以分别确定所述接触点在第一方向和第二方向上的第一确定坐标和第二确定坐标。
该实施例中，由于每个探测区域扫描独立可控，可以采用两步法实现多接触点的确定，第一步先通过横向和竖向粗扫描，获得所有接触点所在的探测区域A，第二步仅仅针对探测区域A进行独立扫描，进一步确定接触点的具体位置。
综上所述，本发明针对目前常见的触控终端电阻、电容屏随着尺寸的增大，存在响应时间与分辨率难以双赢、运输不便、成本及后期维护费用高等问题。采用红外触控系统实现大尺寸触控终端。同时，针对常见的多点识别算法随点数的增多，算法的复杂度加深，响应时间增加的缺点，进行了多点识别算法的优化。最终完成大尺寸红外多点触控系统设计，实现多点识别及多点轨迹跟踪，更好地满足人们对触控终端大尺寸、多点识别及轨迹跟踪的需求，可应用于办公、教学、医疗、娱乐等领域。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施例加以描述，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种触摸屏，其特征在于，其触摸区域定义有网格化的多个探测区域，每个所述探测区域在所述触摸屏的边缘分别对应有多个发射二极管和接收二极管，所述发射二极管和接收二极管一一对应构成对射矩阵，每个所述探测区域的扫描独立可控。
2.根据权利要求1所述的触摸屏，其特征在于，所述发射二极管和接收二极管为红外二极管或激光二极管。
3.一种触摸屏，其特征在于，包括接触屏，所述接触屏的每个边缘分别安装有多个独立可控的发射单元或接收单元，
每个所述发射单元分别包括多个发射二极管；
每个所述接收单元分别包括多个接收二极管；
发射二极管与接收二极管一一对应构成对射矩阵。
4.根据权利要求3所述的触摸屏，其特征在于，所述发射单元和/或接收单元与接触屏之间可拆卸连接。
5.根据权利要求3所述的触摸屏，其特征在于，每个所述发射单元还分别包括一支架，所述多个发射二极管安装于该支架上；和/或
每个所述接收单元还分别包括一支架，所述多个接收二极管安装于该支架上。
6.根据权利要求5所述的触摸屏，其特征在于，所述发射单元或接收单元的支架分别具有一线性凹槽，所述发射二极管或接收二极管安装于所述线性凹槽内。
7.根据权利要求3所述的触摸屏，其特征在于，所述发射二极管和接收二极管为红外二极管或激光二极管。
8.一种触摸屏接触点的定位方法，其特征在于，包括：
将触摸屏的触摸区域网格化划分成多个探测区域，每个探测区域分别对应多个发射二极管和接收二极管，所述发射二极管和接收二极管一一对应构成对射矩阵；
各个探测区域独立进行扫描，获得每个探测区域的接触点坐标信息。
9.根据权利要求8所述的一种触摸屏接触点的定位方法，其特征在于，若有多个触点存在，则需通过斜向扫描排除伪点。
10.一种触摸屏接触点的定位方法，通过控制在第一方向以及与第一方向交叉的第二方向的光扫描确定接触点，特征在于，包括：
控制第一方向的若干组光扫描，确定接触点在第一方向上的第一中间坐标，所述第一方向的若干组光分别包括多个扫描单元；
控制第二方向的若干组光扫描，确定所述接触点在第二方向上的第二中间坐标，所述第二方向的若干组光分别包括多个扫描单元；
控制同时与所述第一中间坐标和第二中间坐标关联的多个扫描单元扫描，以分别确定所述接触点在第一方向和第二方向上的第一确定坐标和第二确定坐标。
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