CN112965635B - 一种柱状光阵列结构的空中按键及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柱状光阵列结构的空中按键及其实现方法，在按键中设置红外收发对管阵列，并采用特定的物理或光学设计方法，使得红外收发对管发射和接收到的红外线皆为垂直于空中按键表面的柱状光；空中按键通过扫描获取每一个红外收发对管遮挡情况，得到空中按键上方遮挡物的空间分布情况，将连续遮挡位置与中心位置形成的角度与预设角度阈值比较，以判别空中按键是否有手指遮挡，实现离按键一定距离即可实现触摸按键同样效果的功能。本发明有效解决空中按键组合使用时误点击难题，从而解决公共场所人们直接用手触摸按键可能产生的病毒及细菌的交叉感染问题。

Description

一种柱状光阵列结构的空中按键及其实现方法

技术领域

本发明涉及计算机交互领域，主要涉及空中触控技术，具体涉及一种柱状光阵列结构的空中按键的结构及其实现方法。

背景技术

空中触控技术是一种极有发展前途的交互式输入技术，近年来发展十分迅速。主要包括基于图像处理的触控技术和其它技术实现的触控技术，图像处理的触控技术容易受周边环境干扰且安装环境受限。而技术相对成熟的主要有电容式、表面声波式、红外线式等触控技术，其中电容式触控技术触控距离短，容易出现误点击操作；表面声波式触控技术存在响应慢、灵敏度差的问题；现有的红外线式触控技术实现的空中按键，能够解决单个按键空中触控问题，但大多数情况下如电梯按键，都是由多个按键组合安装在一起，点击其中某一个按键，会出现相邻按键也被误点击的情况，如何有效解决误点击的问题，这是一个难题。

因此，现有技术有待改进和发展。

发明内容

本发明为了解决空中按键点击过程中的误点击问题，提出一种柱状光阵列结构的空中按键，以期通过在按键中布置若干个红外收发对管，并采用判别手指遮挡角度的方法来可靠、有效、方便地实现按键的非接触式空中触控操作，通过非接触式空中触控实现人机交互，解决原有按键触摸产生的细菌和病毒的交叉感染问题。

本发明为达到上述目的，采用如下技术方案：

本发明一种柱状光阵列结构的空中按键的特点是：所述空中按键内设有一腔体，所述腔体的底面为安装平面，且所述安装平面平行于所述空中按键的表面；在所述安装平面上设置有红外收发对管阵列，所述红外收发对管阵列是在安装平面的中心位置装有1个中心红外收发对管，在所述安装平面的周边位置上，且与所述中心位置呈等角度关系安装若干相同的红外收发对管，对于所有的红外收发对管，在红外收发对管的四周加装柱状物理结构，或在红外收发对管上加装光学透镜，或采用人眼安全的红外线微功率激光器，使得红外发射管发射的红外线阵列均是射向且垂直于所述空中按键表面的柱状光；以所述红外收发对管阵列柱状光的红外光响应范围所形成的空间作为所述空中按键的触发区。

本发明一种所述的柱状光阵列结构的空中按键的实现方法的特点是，按如下方法获取红外收发对管遮挡距离：

首先进行标定处理，在空中按键表面进行遮挡标定，获得红外接收管的最大响应电压 Vmax0，其表示最小遮挡距离；在距离空中按键表面L处进行遮挡标定，获得红外接收管的最小响应电压Vmin0，其表示最大遮挡距离，其中，L为最远触控距离；移走遮挡物，获得红外接收管的环境响应电压V0；空中按键启动时，获得红外接收管的工作环境响应电压Vb，从而计算得到环境补偿电压，并用于对最大响应电压Vmax0和最小响应电压Vmin0进行补偿后得到最大响应补偿电压Vmax和最小响应补偿电压Vmin；

空中按键工作时，实时获取每一个红外接收管电压，并利用最大响应补偿电压Vmax和最小响应补偿电压Vmin进行归一化处理，令最小值为0，最大值为100，从而得到归一化的电压V，利用电压和遮挡距离的对应关系，实时得到遮挡距离d，无遮挡时的遮挡距离d为无穷大，并用L+1表示。

本发明所述的柱状光阵列结构的空中按键的实现方法的特点也在于，按如下步骤判别空中按键有无手指遮挡：

步骤1：利用红外收发对管的遮挡距离的获取方法，扫描得到每一个红外接收管的遮挡距离d[i]，i＝0,1,…n；其中，当i＝0时，表示中心红外收发对管；

步骤2：若0号红外接收管的电压V不在[0,100]之间，则判定所述空中按键无手指遮挡，并用L+1表示手指遮挡距离D，结束；

步骤3：对于1,…,n号红外收发对管，若有连续k个红外收发对管有遮挡，1≤k≤n，则利用式(1)计算k个红外收发对管与0号红外收发对管形成的角度θ：

步骤4：若角度θ小于等于预设的角度阈值α，则判定空中按键有手指遮挡，并以0号红外接收管的遮挡距离d[0]为手指遮挡距离D，结束；

步骤5：若角度θ大于预设的角度阈值α，其中，α<180°，则判定空中按键无手指遮挡，并将 L+1作为手指遮挡距离D。

本发明所述的柱状光阵列结构的空中按键的实现方法的特点也在于，按如下步骤识别空中按键的空中按击和空中点击：

令扫描频率为P，定义以T时间内进入距离Dq且以T时间内退出距离Dq为一个空中点击，定义以T时间内进入和退出距离小于距离阈值Ds时为按键按下，且Ds＜Dq，T远大于扫描周期1/P；定义一个数组Dt，其长度为m＝P×T+1，初始数组Dt中的每个元素Dt[0],Dt[1],…,Dt[m-1]均为L+1，定义指针Point，且初值为0；定义状态变量State，其初值为0，每一个扫描周期执行如下步骤：

步骤A：使用空中按键有无手指遮挡的判别方法，获得空中按键有无手指遮挡和手指遮挡距离D；

步骤B：Point赋值(Point+1)modm，其中mod为取模运算，将D放入Dt[Point]中，求出数组Dt中所有元素与Dt[Point]的差值，记差值最大值为Max，最小值为Min；

步骤C：若空中按键无手指遮挡，则State赋值0，执行空中按键断开，并结束；

步骤D：若Max≤Ds且|Min|≤Ds且空中按键有手指遮挡时间≥T，则执行空中按键按下；

步骤E：当State为0时，若Max≥Dq，则State赋值1，并结束；

步骤F：当State为1时，若|Min|≥Dq，则State赋值0，执行一次空中按键的空中点击。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明提出的柱状光阵列结构的空中按键，利用物理或者光学方法或采用微功率激光器，设计了发射与接收的红外线皆为红外柱状光，并通过在安装平面对红外收发对管的特定布局，准确获取了手指的遮挡角度，为空中按键实现奠定基础。

2、本发明的遮挡距离获取方法，通过定标处理和环境补偿，可以精确获得手指遮挡距离，解决了工作环境和时刻等因素带来的手指距离获取不准的问题。

3、本发明的判别空中按键有无手指遮挡方法，利用扫描得到遮挡物空间分布情况，与预设的角度阈值判别是空中按键否有手指遮挡和手指遮挡距离，可以有效识别按键被完全遮挡、大部分遮挡和部分遮挡等不同状态，从而解决了手指在按击过程中由于手掌等其他部位遮挡引起的误点击难题。

4、本发明的空中按键空中按击和空中点击的实现方法，利用有效算法同时判定手指一定时间内前进、后退距离和驻留位置，实现按击和点击操作，复杂度低，判别准确。

5、本发明的空中按键，可以直接替换电梯、门禁等各种设备上的按键，安装和维护方便，便于推广应用。

附图说明

图1为本发明的一种柱状光阵列结构的空中按键示意图；

图2为空中按键红外收发对管安装布局示意图；

图3为空中按键的三维结构示意图；

图4为空中按键最大响应电压标定过程示意图；

图5为空中按键最小响应电压标定过程示意图；

图6为空中按键环境背景电压标定过程示意图；

图7为空中按键有手指遮挡示意图；

图8为遮挡空间角度示意图；

图9为空中按键按下操作示意图；

图10为空中按键有遮挡手指且手指前进状态示意图；

图11为空中按键执行空中点击操作示意图；

图12为空中按键断开操作示意图；

图13为按键处理器连接示意图。

具体实施方式

本实施例中，一种柱状光阵列结构的空中按键是：空中按键内设有一腔体，腔体的底面为安装平面，且安装平面平行于空中按键的表面；在安装平面上设置有红外收发对管阵列，红外收发对管阵列是在安装平面的中心位置装有1个中心红外收发对管，在安装平面的周边位置上，且与中心位置呈等角度关系安装若干相同的红外收发对管，对于所有的红外收发对管，在红外收发对管的四周加装柱状物理结构，或在红外收发对管上加装光学透镜，或采用人眼安全的红外线微功率激光器，使得红外发射管发射的红外线阵列均是射向且垂直于空中按键表面的柱状光；以红外收发对管阵列柱状光的红外光响应范围所形成的空间作为空中按键的触发区。

具体实施时，如图1所示，在平行于空中按键的表面下方20mm处设置一安装平面，安装平面上设置有红外收发对管阵列，红外收发对管阵列是在安装平面的中心位置装有1个中心红外收发对管，编号为0，在安装平面的周边位置上，在距离中心点15mm处圆周上呈等角度关系安装8个同样的红外收发对管(编号为1,…,8)，其中，角度α1＝α2＝…＝α8，如图2所示。在红外收发对管的四周加装柱状物理结构使得红外发射管发射的红外线阵列均是射向且垂直于空中按键表面的柱状光，如图3所示。

本实施例中，一种柱状光阵列结构的空中按键的实现方法，是按如下方法获取红外收发对管遮挡距离：

首先进行标定处理，在空中按键表面进行遮挡标定，获得红外接收管的最大响应电压 Vmax0，其表示最小遮挡距离，如图4所示；在距离空中按键表面L处进行遮挡标定，获得红外接收管的最小响应电压Vmin0，其表示最大遮挡距离，如图5所示，其中，L为最远触控距离；移走遮挡物，获得红外接收管的环境响应电压V0，如图6所示；空中按键启动时，获得红外接收管的工作环境响应电压Vb，从而计算得到环境补偿电压，并用于对最大响应电压Vmax0和最小响应电压Vmin0进行补偿后得到最大响应补偿电压Vmax和最小响应补偿电压Vmin；

空中按键工作时，实时获取每一个红外接收管电压，并利用最大响应补偿电压Vmax和最小响应补偿电压Vmin进行归一化处理，令最小值为0，最大值为100，从而得到归一化的电压V，利用电压和遮挡距离的对应关系，实时得到遮挡距离d，无遮挡时的遮挡距离d为无穷大，并用L+1表示。

具体实施时，L取50mm。

本实施例中，一种柱状光阵列结构的空中按键的实现方法，是按如下步骤判别空中按键有无手指遮挡：

步骤1：利用红外收发对管的遮挡距离的获取方法，扫描得到每一个红外接收管的遮挡距离d[i]，i＝0,1,…n；其中，当i＝0时，表示中心红外收发对管；

步骤2：若0号红外接收管的电压V不在[0,100]之间，则判定空中按键无手指遮挡，并用L+1表示手指遮挡距离D，结束；

步骤3：对于1,…,n号红外收发对管，若有连续k个红外收发对管有遮挡，1≤k≤n，则利用式(1)计算k个红外收发对管与0号红外收发对管形成的角度θ：

步骤4：若角度θ小于等于预设的角度阈值α，则判定空中按键有手指遮挡，并以0号红外接收管的遮挡距离d[0]为手指遮挡距离D，结束；

步骤5：若角度θ大于预设的角度阈值α，其中，α<180°，则判定空中按键无手指遮挡，并将L+1作为手指遮挡距离D。

具体实施时，L＝50，角度阈值α＝120°。图7所示空中按键有手指遮挡，其中，0号、1号、2号和8号红外收发对管有遮挡。可以得出1号管、8号管分别与中心0号管连线的夹角为θ，如图8所示。根据式(1)可以求出θ＝90°<α＝120°，判定该空中按键有手指遮挡。

本实施例中，一种柱状光阵列结构的空中按键的实现方法，是按如下步骤识别空中按键的空中按击和空中点击：

令扫描频率为P，定义以T时间内进入距离Dq且以T时间内退出距离Dq为一个空中点击，定义以T时间内进入和退出距离小于距离阈值Ds时为按键按下，且Ds＜Dq，T远大于扫描周期1/P；定义一个数组Dt，其长度为m＝P×T+1，初始数组Dt中的每个元素Dt[0],Dt[1],…,Dt[m-1]均为L+1，定义指针Point，且初值为0；定义状态变量State，其初值为0，每一个扫描周期执行如下步骤：

步骤A：使用空中按键有无手指遮挡的判别方法，获得空中按键有无手指遮挡和手指遮挡距离D；

步骤B：Point赋值(Point+1)mod m，其中mod为取模运算，将D放入Dt[Point]中，求出数组Dt中所有元素与Dt[Point]的差值，记差值最大值为Max，最小值为Min；

步骤C：若空中按键无手指遮挡，则State赋值0，执行空中按键断开，并结束；

步骤D：若Max≤Ds且|Min|≤Ds且空中按键有手指遮挡时间≥T，则执行空中按键按下；

步骤E：当State为0时，若Max≥Dq，则State赋值1，并结束；

步骤F：当State为1时，若|Min|≥Dq，则State赋值0，执行一次空中按键的空中点击。

具体实施时，令扫描频率P为100次/s，T为0.1s，数组Dt长度m为10，Ds为5mm， Dq为10mm，Dt元素初始值均为51mm。如图9所示空中按键有手指遮挡，手指遮挡距离D 为48mm，差值最大值Max和最小值Min是3mm，均小于Ds＝5mm，则只要手指在触发区停留时间在0.1秒以上，则判定空中按键按下；如图10所示手指为前进状态，手指遮挡距离 D＝25mm，差值最大值Max为26mm，大于Dq，状态变量state赋值1；如图11所示手指为后退状态，手指遮挡距离D＝40mm，最小值Min为-15mm，|Min|＝15>Dq，且状态变量state＝1，则判定空中按键执行一次点击操作，并将状态变量state赋值0；如图12所示手指不在触发区，空中按键无手指遮挡，手指距离D＝51mm，则执行按键断开操作。

本发明上述所有方法均在如图13所示的按键处理器中完成，按键处理器由单片机、放大、采样、电源等电路组成。按键处理器扫描获得所有红外收发对管的电信号，实现上述各种方法，在图13所示的输出接口中执行空中按键的按下、断开、点击等各种操作。

综上所述，本发明的空中按键可有效解决空中按键组合使用时误点击难题，具有抗干扰性强、灵敏度高、成本低、工艺简单等诸多优点，可以直接替换电梯、门禁等各种设备上的按键，使得安装和维护方便，特别便于推广应用。

Claims (2)

1.一种柱状光阵列结构的空中按键，其特征是：所述空中按键内设有一腔体，所述腔体的底面为安装平面，且所述安装平面平行于所述空中按键的表面；在所述安装平面上设置有红外收发对管阵列，所述红外收发对管阵列是在安装平面的中心位置装有1个中心红外收发对管，在所述安装平面的周边位置上，且与所述中心位置呈等角度关系安装若干相同的红外收发对管，对于所有的红外收发对管，在红外收发对管的四周加装柱状物理结构，或在红外收发对管上加装光学透镜，或采用人眼安全的红外线微功率激光器，使得红外发射管发射的红外线阵列均是射向且垂直于所述空中按键表面的柱状光；以所述红外收发对管阵列柱状光的红外光响应范围所形成的空间作为所述空中按键的触发区；

其中，按如下方法获取红外收发对管遮挡距离：

首先进行标定处理，在空中按键表面进行遮挡标定，获得红外接收管的最大响应电压Vmax0，其表示最小遮挡距离；在距离空中按键表面L处进行遮挡标定，获得红外接收管的最小响应电压Vmin0，其表示最大遮挡距离，其中，L为最远触控距离；移走遮挡物，获得红外接收管的环境响应电压V0；空中按键启动时，获得红外接收管的工作环境响应电压Vb，从而计算得到环境补偿电压，并用于对最大响应电压Vmax0和最小响应电压Vmin0进行补偿后得到最大响应补偿电压Vmax和最小响应补偿电压Vmin；

空中按键工作时，实时获取每一个红外接收管电压，并利用最大响应补偿电压Vmax和最小响应补偿电压Vmin进行归一化处理，令最小值为0，最大值为100，从而得到归一化的电压V，利用电压和遮挡距离的对应关系，实时得到遮挡距离d，无遮挡时的遮挡距离d为无穷大，并用L+1表示；

按如下步骤判别空中按键有无手指遮挡：

步骤1：利用红外收发对管的遮挡距离的获取方法，扫描得到每一个红外接收管的遮挡距离d[i]，i=0,1,…n；其中，当i=0时，表示中心红外收发对管；

步骤2：若0号红外接收管的电压V不在[0,100]之间，则判定所述空中按键无手指遮挡，并用L+1表示手指遮挡距离D，结束；

步骤3：对于1,…,n号红外收发对管，若有连续k个红外收发对管有遮挡，1≤k≤n，则利用式(1)计算k个红外收发对管与0号红外收发对管形成的角度θ：

(1)

步骤4：若角度θ小于等于预设的角度阈值α，则判定空中按键有手指遮挡，并以0号红外接收管的遮挡距离d[0]为手指遮挡距离D，结束；

步骤5：若角度θ大于预设的角度阈值α，其中，α<180°，则判定空中按键无手指遮挡，并将L+1作为手指遮挡距离D。

2.一种权利要求1所述的柱状光阵列结构的空中按键的实现方法，其特征是，按如下步骤识别空中按键的空中按击和空中点击：

令扫描频率为P，定义以T时间内进入距离Dq且以T时间内退出距离Dq为一个空中点击，定义以T时间内进入和退出距离小于距离阈值Ds时为按键按下，且Ds＜Dq，T远大于扫描周期1/P；定义一个数组Dt，其长度为m=P×T+1，初始数组Dt中的每个元素Dt [0],Dt [1],…,Dt [m-1]均为L+1，定义指针Point，且初值为0；定义状态变量State，其初值为0，每一个扫描周期执行如下步骤：

步骤A：使用空中按键有无手指遮挡的判别方法，获得空中按键有无手指遮挡和手指遮挡距离D；

步骤B：Point赋值(Point+1) mod m，其中mod为取模运算，将D放入Dt[Point]中，求出数组Dt中所有元素与Dt [Point]的差值，记差值最大值为Max，最小值为Min；

步骤C：若空中按键无手指遮挡，则State赋值0，执行空中按键断开，并结束；

步骤D：若Max≤Ds且|Min| ≤Ds且空中按键有手指遮挡时间≥T，则执行空中按键按下；

步骤E：当State为0时，若Max≥Dq，则State赋值1，并结束；

步骤F：当State为1时，若|Min| ≥Dq，则State赋值0，执行一次空中按键的空中点击。