CN113093911B - 一种面向三维交互输入的智能指环及其交互方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向三维交互输入的智能指环及其交互方法，属于三维交互技术领域。包括：指环本体：其作为智能指环各功能模块的安装载体，设有周向伸缩机构，用于控制指环本体的佩戴位置；位置传感器模块：其沿指环本体的周向排布，用于检测非佩戴手指的运动轨迹和交互动作；运动传感器模块：其安装在指环本体上，用于检测佩戴手指的空间运动数据；信息传输模块：与其他智能终端进行通讯，进行数据传输；主控模块：其负责发布控制指令。智能指环可同时识别佩戴手指和非佩戴手指的交互动作，并将非佩戴手指的运动范围延伸至指环实体范围之外，解决了目前三维指环手势输入动作单一、疲劳度高的问题，可应用于操纵、触控、文本输入等场景中。

Description

一种面向三维交互输入的智能指环及其交互方法

技术领域

本发明涉及三维交互、虚拟现实、增强现实、混合现实领域，尤其涉及一种面向三维交互输入的智能指环及其交互方法。

背景技术

随着增强现实、虚拟现实、混合现实技术的不断兴起，三维界面逐渐成为未来发展的一大趋势，适应三维界面的输入方式也被不断提出。除了手柄、遥控器、数据手套、语音、手势、眼动等交互输入方式外，可穿戴的指环受到了各大科技公司的关注。

指环在三维交互方面具有诸多优势。它可以仅通过佩戴手指的空间运动，解决现有三维交互中手势输入易疲劳的问题。同时由于交互动作隐蔽，因此不会引起社会尴尬。然而，目前指环的交互方式多使用运动传感器和实体按键，这使佩戴手指在运动时，如果需要完成点击操作，还需要用非佩戴手指触达指环，造成运动范围的受限。

因此需要一种新的交互方式增加佩戴手指运动的自由度，提升指环交互的自然性和输入效率。

发明内容

为了克服现有的技术问题，本发明提供了一种一种面向三维交互输入的智能指环及其交互方法，其操作更自由且高效。

本发明采用的技术方案如下：

本发明的其中一个目的在于提供一种面向三维交互输入的智能指环，包括：

指环本体：其作为智能指环各功能模块的安装载体，设有周向伸缩机构，用于控制指环本体的佩戴位置；

位置传感器模块：其沿指环本体的周向排布，用于检测非佩戴手指的运动轨迹和交互动作；

运动传感器模块：其安装在指环本体上，用于检测佩戴手指的空间运动数据；

信息传输模块：与其他智能终端进行通讯，进行数据传输；

主控模块：其负责发布控制指令，用于控制各功能模块间数据的交互、以及智能指环与其他智能终端间数据的交互。

本发明的另一个目的在于提供一种基于上述智能指环的三维交互方法，包括：

T1，通过智能指环的信息传输模块与智能终端建立连接；

T2，智能指环通过信息传输模块将位置传感器收集到的位置信号、以及运动传感器收集到的运动信号传输至智能终端，智能终端根据位置信号，确定当前指环佩戴位置：

当判断指环佩戴在手指近节时，智能指环处于休眠模式，主控模块不工作，智能指环传递的位置信号和运动信号不影响智能终端正在运行的当前应用；

当判断指环佩戴在手指中节或远节时，智能指环处于工作模式，激活交互场景，主控模块开始工作，智能指环传递的位置信号和运动信号将被智能终端正在运行的当前应用所使用，根据预设的特定动作或物理按键执行应用任务。

与现有技术相比，本发明的优势在于：

本发明的智能指环可同时识别佩戴手指和非佩戴手指的交互动作，并将非佩戴手指的运动范围延伸至指环实体范围之外，解决了目前三维指环手势输入动作单一、疲劳度高的问题。

具体的，本发明的智能指环通过运动传感器模块中的惯性传感器，可采集佩戴手指的三维空间数据，进而识别佩戴手指的手势，并映射至虚拟三维空间，进行直接或间接的三维交互输入。

具体的，本发明的智能手环通过一组一维的深度传感器阵列，深度测量本身可以获得非佩戴手指运动的纵向信息，可以通过不同深度传感器获得的位置信息中距离最近的一点，作为非佩戴手指在环切向的x轴信息，由此来确立非佩戴手指详细的位置信息，基于此，可以通过查找预设的动作-命令映射关系表，即可匹配该动作对应的命令，可实现多样化的输入动作，简单方便，具有广泛的应用前景。

在结构上，该指环具有两种状态，在涉及佩戴手指运动轨迹记录相关的应用场景中，指环一般佩戴在手指远节，以便准确记录轨迹信息；在日常活动中，为了不对其他活动造成干扰，指环可以放置回手指近节或中节，适合日常场景，完全适应各种场合的需求。

附图说明

图1为本发明提出的指环结构示意图；

图2为本发明中识别非佩戴手指在佩戴手指皮肤表面运动轨迹的原理示意图；

图3为本发明中中识别非佩戴手指具体位置的原理示意图；

图4为本发明中深度传感器获得的距离和电压的关系示意图；

图5为本发明中不同传感器获得的位置数据随时间变化的关系示意图；

图6为实施例一中指环的硬件结构示意图；

图7为实施例二中指环执行三维虚拟物体拖动的任务；

图8为实施例三中指环执行滑动调节音量的任务；

图9为实施例四中指环执行空中手写的任务。

具体实施方式

本发明提出了一种智能指环，该指环设置了位置传感器和运动传感器，用户可以同时通过手指产生的运动信号和非佩戴手指在佩戴手指皮肤上的运动和交互，输入多模态复杂的指令，传递给其他智能设备进行交互。提升指环交互的自由度。

如图1所示，本发明提出的一种面向三维交互输入的智能指环，包括：

指环本体：其作为智能指环各功能模块的安装载体100，设有周向伸缩机构，用于控制指环本体的佩戴位置；

位置传感器模块101：其沿指环本体的周向排布，用于检测非佩戴手指的运动轨迹和交互动作；

运动传感器模块102：其安装在指环本体上，用于检测佩戴手指的空间运动数据；

信息传输模块103：与其他智能终端进行通讯，进行数据传输；

主控模块104：其负责发布控制指令，用于控制各功能模块间数据的交互、以及智能指环与其他智能终端间数据的交互，负责整个指环的系统控制功能。

上述智能指环通过运动传感器模块102记录佩戴手指运动的空间运动信息，同时使用位置传感器模块101，记录非佩戴手指在佩戴手指表面皮肤上简单的点击、滑动等基本交互操作，将佩戴手指的空间运动信息和非佩戴手指的位置信息传入主控模块104，并通过信息传输模块103，与其他智能设备进行通信，从而完成复杂的交互任务。该指环增加了手指空间运动的自由度，丰富了手势输入的交互维度。

位置传感器模块可识别位于非指环本体上的非佩戴手指的运动轨迹和交互动作；所述非佩戴手指的运动范围为佩戴手指的皮肤表面或近表面。举例而言，上述位置传感器模块101可以包括一组由若干一维深度传感器构成的阵列，通过在皮肤表面投影形成一个“不可见”的触摸板，如图2所示。每个单独的深度传感器包括红外发射器和红外传感器，通过循环依次发射脉冲红外线和检测定时返回的反射光，来确定最近物体的距离。图4展示了距离和深度传感器获得的电压的关系，二者成线性关系。本发明也可通过其他类型深度传感器进行检测，比如雷达波、超声波等机械波信号。

在本发明的一项具体实施中，图3展示了其中一种位置监测的方法，通过一组一维的深度传感器阵列，深度测量本身可以获得非佩戴手指运动的纵向信息，此外可以通过不同深度传感器获得的位置信息中距离最近的一点，作为非佩戴手指在环切向的x轴信息，由此来确立非佩戴手指详细的位置信息。

由图5所示，同一条曲线表示了同一时刻不同位置的深度传感器所获的的位置信息，x7-x10传感器由于在非佩戴手指活动表面的另一侧，因此距离突变为远距离，可将x7-x10视为与当前非佩戴手指位置信息无关的传感器。其中传感器x3的位置距离指环最近，因此将x3视作当前非佩戴手指的横坐标，将x3对应的位置信息y3作为纵坐标,得到对应点坐标(x3,y3)。在图5中，不同曲线对应了不同时刻，可见，随着时间的延长，x3传感器获得的距离在其他传感器测得的距离信息中最近，但其整体距离随着时间在不断变近，因此可以判断非佩戴手指在x方向上做直线滑动。

举例而言，上述运动传感器模块102的运动数据可以通过九轴惯性传感器模块获得，也可以通过电场、磁场等信号感应获得，可将手指的三维运动映射到智能设备界面中的操作。

举例而言，所述的信息传输模块103通过蓝牙、Wi-Fi等模块发送，实现对所述操作信息的传输；对应的，当其他智能设备通过与之相匹配的蓝牙、Wi-Fi等模块，获得操作信息。

举例而言，所述的主控模块通过以非佩戴手指特定的动作激活交互场景，或者通过智能指环的佩戴位置激活交互场景。上述的主控模块还可以包括：

开关单元：其用于控制智能指环的开启和关闭；

预设命令单元：其用于自定义相应动作对应的功能；

动作-命令匹配单元：其用于采集位置传感器模块、运动传感器模块获取到的动作数据，并将动作数据与预设的命令进行匹配，根据匹配结果发送命令；

模式切换单元：其用于切换智能指环的模式，包括工作模式和休眠模式，当智能指环处于工作模式时，主控模块开始工作，智能指环传递的位置信号和运动信号将被智能终端正在运行的当前应用所使用；当智能指环处于休眠模式时，主控模块不工作。

实施例1：

本实施例介绍本发明提出的指环硬件结构，如图6所示。指环的硬件结构包括：指环本体、开关11、一维深度监测阵列12。一维深度监测阵列为位置传感器模块的一部分，安装在指环本体的底部，方便监测非佩戴手指的深度信号，而运动感传感器模块102所使用的运动传感器芯片镶嵌在指环里面。在指环本体中还有主控芯片和相关集成电路板，充电模块和信号线等。

本实例中介绍的指环硬件在结构上具有可调节性，一般在使用时具有两种状态，在涉及佩戴手指运动轨迹记录相关的应用场景中，指环一般佩戴在手指远节，以便准确记录轨迹信息；在日常活动中，为了不对其他活动造成干扰，指环可以放置回手指近节或中节，适合日常场景。本实施例中，可以通过在指环上设置周向伸缩机构实现，使得指环的内径可调，既可以佩戴在手指前端，也可以佩戴在手指根部。

本发明还提出了一种上述智能指环的交互方法，包括：

T1，智能终端与智能指环100建立连接，指环将位置传感器模块101收集到的位置信号和运动传感器模块120收集到的运动信号传输至智能终端。

T2，智能终端根据位置信号，确定当前指环佩戴位置，从而确定当前使用模式；

当判断指环佩戴在手指近节时，智能指环处于休眠模式，主控模块不工作，智能指环传递的位置信号和运动信号不影响智能终端正在运行的当前应用；

当判断指环佩戴在手指中节或远节时，智能指环处于工作模式，激活交互场景，主控模块开始工作，智能指环传递的位置信号和运动信号将被智能终端正在运行的当前应用所使用，根据预设的特定动作或物理按键执行应用任务。

T3，根据智能终端具体的应用要求，智能指环传递的位置信号和运动信号将被智能终端正在运行的当前应用所使用。

T4，根据预设的特定手势或物理按键，可暂停当前指环操作。

本实施例中，在将智能指环初始化连接智能终端时，还包括确认预设命令的步骤，所述的预设命令为一组动作-命令的映射关系，命令包括操纵、触控和文本输入。

本实施例中，步骤T3中的应用要求，可以包括：

S1操纵，处理虚拟物体在三维空间中的移动、选择、缩放等基本任务。

S2触控，完成基本的交互动作，比如音量调节、点击、长按、双击，一般通过位置传感器模块完成。

S3文本输入，完成文本内容的输入和编辑。

实施例2：

本实施例介绍了一种指环在执行音量调节任务的应用，如图8所示。音量调节作为多数智能设备都应具备的系统控制功能，实际应用频次较高，因此将其作为实施例之一。当音量控制功能被激活后，非佩戴手指可以在佩戴手指皮肤表面进行纵向的滑动调节，来调节音量的变化。

举例而言，本示例实施方式中，位移传感器模块101检测到非佩戴手指在纵向方向的位移是横向方向位移的三倍时，则判断为正在输入滑动信息，通过信息传输模块103将该操作信息发送给其他智能设备，更改智能设备的音量播放。

本实例提到的滑动操作除了应用在音量调节功能外，还可以应用在缩放、旋转、页面上下滚动等功能中，具有广泛的应用前景和极高的应用频率，而此种滑动输入方式在可以让用户低疲劳度轻松地完成整个操作。

利用实施例1中的智能指环实现触控命令，其中触控命令中的音量调节任务、点击任务、长按任务和双击任务的实现方式为：

调节：根据位置信号在位移上的变化，判断非佩戴手指是否在佩戴手指表面进行与预设方向一致的直线运动，如果是，对系统进行调节操作；

点击：根据位置信号在时间上的变化，判断非佩戴手指是否短暂在佩戴手指表面进行触碰，如果是，对系统进行点击操作；

长按：根据位置信号在时间上的变化，判断非佩戴手指是否较长时间在佩戴手指表面某一位置停留，如果是，对系统进行长按操作；

双击：根据位置信号在时间上的变化，判断非佩戴手指是否短暂在佩戴手指表面进行触碰后，又在短暂的时间间隔内进行了短暂的第二次触碰，如果是，对系统进行双击操作。

实施例3：

本实施例介绍了一种指环在执行三维虚拟物体拖动任务的应用，如图7所示。当用户需要对三维界面中的三维物体进行拖动操作时，可以直接通过在空间中运动佩戴手指，同时将非佩戴手指轻放在佩戴手指根部，形成长按指令，智能设备的交互界面上会出现三维物体根据手指的朝向移动的场景。当非佩戴手指离开佩戴手指后，物体停止移动。

举例而言，本示例实施方式中，可以将非佩戴手指放置在佩戴手指根部视为启动移动任务的标志，位移传感器模块101检测到非佩戴手指的位置信息后，通过信息传输模块103将该操作信息和指环当前的运动传感器数据发送给其他智能设备，运动传感器设备检测到的当前数据被作为默认的初始状态。

当佩戴手指在空间中滑动轨迹时，运动传感器模块102检测到佩戴手指空间上运动的变化量，并将信息通过信息传输模块103，传输至其他智能设备，映射为虚拟三维物体在三维界面中的变化量。

当非佩戴手指松开佩戴手指根部后，位移传感器模块101检测到位移的变化，并通过信息传输模块103，将该操作其他智传输能设备，三维界面中的拖动任务终止。

利用实施例1中的智能指环实现操纵命令，其中操纵命令中的移动任务、选择任务和缩放任务实现方式为：

移动：根据运动信号，获得佩戴手指的空间运动变化量，并将该变化量映射为虚拟物体在空间中移动的变化量；

选择：根据位置信号在时间上的变化，判断是否存在点击行为，如果存在，则对虚拟物体进行选择操作；

缩放：根据位置信号在位移上的变化，判断是否存在调节行为，如果存在，则对虚拟物体进行缩放操作。

实施例4：

本实施例介绍了一种通过指环在空中手写输入文本的应用，如图9所示。用户可以通过佩戴手指在空中书写，将轨迹信息识别为文本信息进行输入。

用户在空中输入手写字或字母，运动传感器模块102可获得用户输入的轨迹信息，智能设备根据轨迹信息识别出用户所输入的文本信息。

当用户需要对输入光标进行定位时，可以使用实施例二中拖动的操作，对光标进行移动，如果需要进行删除和选择，可以通过实施例三中的滑动方式进行。用户可以通过简单直观的操作，实现对文本的编辑。

利用实施例1中的智能指环实现文本输入命令，其中文本输入命令中的手写输入任务、佩戴手指键盘输入任务、非佩戴手指键盘输入任务和文本编辑任务的实现方式为：

手写输入：根据运动信号获得文本手写轨迹，通过识别手写体，进行文本内容的输入；

佩戴手指键盘输入：根据运动信号获得佩戴手指三维运动轨迹，将三维轨迹映射至虚拟键盘表面，进行键盘输入；

非佩戴手指键盘输入：根据位置信号获得非佩戴手指在佩戴手指表面的二维轨迹，将二维轨迹映射至虚拟键盘表面，进行键盘输入；

文本编辑：根据预设手势或物理按键切换至编辑状态，通过运动信号或位置信号定位光标，通过长按或点击触控等操作对文本进行选择，通过预设手势进行粘贴，删除等操作。

通过以上的实施方式的描述，可以让本领域的技术人员易于理解，并不用以限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (3)

1.一种基于智能指环的三维交互方法，其特征在于，所述的智能指环包括：

指环本体：其作为智能指环各功能模块的安装载体，设有周向伸缩机构，用于控制指环本体的佩戴位置；

位置传感器模块：其沿指环本体的周向排布，用于检测非佩戴手指的运动轨迹和交互动作；所述的位置传感器模块包括一组由若干一维深度传感器构成的阵列，能够识别位于非指环本体上的非佩戴手指的运动轨迹和交互动作，所述非佩戴手指的运动范围为佩戴手指的皮肤表面或近表面；

运动传感器模块：其安装在指环本体上，用于检测佩戴手指的空间运动数据；

信息传输模块：与其他智能终端进行通讯，进行数据传输；

主控模块：其负责发布控制指令，用于控制各功能模块间数据的交互、以及智能指环与其他智能终端间数据的交互；所述的主控模块通过以非佩戴手指特定的动作激活交互场景，或者通过智能指环的佩戴位置激活交互场景，包括：开关单元：其用于控制智能指环的开启和关闭；预设命令单元：其用于自定义相应动作对应的功能；动作-命令匹配单元：其用于采集位置传感器模块、运动传感器模块获取到的动作数据，并将动作数据与预设的命令进行匹配，根据匹配结果发送命令；模式切换单元：其用于切换智能指环的模式，包括工作模式和休眠模式，当智能指环处于工作模式时，主控模块开始工作，智能指环传递的位置信号和运动信号将被智能终端正在运行的当前应用所使用；当智能指环处于休眠模式时，主控模块不工作；

所述的三维交互方法包括：

T1，通过智能指环的信息传输模块与智能终端建立连接；

T2，智能指环通过信息传输模块将位置传感器收集到的位置信号、以及运动传感器收集到的运动信号传输至智能终端，智能终端根据位置信号，确定当前指环佩戴位置：

当判断指环佩戴在手指近节时，智能指环处于休眠模式，主控模块不工作，智能指环传递的位置信号和运动信号不影响智能终端正在运行的当前应用；

当判断指环佩戴在手指中节或远节时，智能指环处于工作模式，激活交互场景，主控模块开始工作，智能指环传递的位置信号和运动信号将被智能终端正在运行的当前应用所使用，根据预设的特定动作或物理按键执行应用任务。

2.根据权利要求1所述的三维交互方法，其特征在于，在将智能指环初始化连接智能终端时，还包括确认预设命令的步骤，所述的预设命令为一组动作-命令的映射关系，命令包括操纵、触控和文本输入。

3.根据权利要求1所述的三维交互方法，其特征在于，当智能指环处于工作模式时，主控模块通过动作-命令匹配单元，将位置信号和运动信号转换为相对应的命令，包括：

S1：操纵命令，处理虚拟物体在三维空间中的移动任务、选择任务和缩放任务；

所述的移动任务实现方式为：根据运动信号，获得佩戴手指的空间运动变化量，并将该变化量映射为虚拟物体在空间中移动的变化量；

所述的选择任务实现方式为：根据位置信号在时间上的变化，判断是否存在点击行为，如果存在，则对虚拟物体进行选择操作；

所述的缩放任务实现方式为：根据位置信号在位移上的变化，判断是否存在调节行为，如果存在，则对虚拟物体进行缩放操作；

S2：触控命令，完成基本的交互动作，包括音量调节任务、点击任务、长按任务、双击任务；

所述的调节任务实现方式为：根据位置信号在位移上的变化，判断非佩戴手指是否在佩戴手指表面进行与预设方向一致的直线运动，如果是，对系统进行调节操作；

所述的点击任务实现方式为：根据位置信号在时间上的变化，判断非佩戴手指是否短暂在佩戴手指表面进行触碰，如果是，对系统进行点击操作；

所述的长按任务实现方式为：根据位置信号在时间上的变化，判断非佩戴手指是否较长时间在佩戴手指表面某一位置停留，如果是，对系统进行长按操作；

所述的双击任务实现方式为：根据位置信号在时间上的变化，判断非佩戴手指是否短暂在佩戴手指表面进行触碰后，又在短暂的时间间隔内进行了短暂的第二次触碰，如果是，对系统进行双击操作；

S3：文本输入命令，完成文本内容的输入和编辑，包括手写输入任务、佩戴手指键盘输入任务、非佩戴手指键盘输入任务和文本编辑任务；

所述的手写输入任务实现方式为：根据运动信号获得文本手写轨迹，通过识别手写体，进行文本内容的输入；

所述的佩戴手指键盘输入任务实现方式为：根据运动信号获得佩戴手指三维运动轨迹，将三维轨迹映射至虚拟键盘表面，进行键盘输入；

所述的非佩戴手指键盘输入任务实现方式为：根据位置信号获得非佩戴手指在佩戴手指表面的二维轨迹，将二维轨迹映射至虚拟键盘表面，进行键盘输入；

所述的文本编辑任务实现方式为：根据预设手势或物理按键切换至编辑状态，通过运动信号或位置信号定位光标，通过长按或点击触控操作对文本进行选择，通过预设手势进行粘贴，删除操作。

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