CN117270703A - 一种空中坐标输入设备及坐标输入方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种空中坐标输入设备，包括位置跟踪器和用于输入操作的输入手柄，通过定位光源开关触发定位光源发光，使得输入手柄的位置能被位置跟踪器所捕捉跟踪，使屏幕光标跟随手柄位置而相应移动。当对应于鼠标按键的操作开关被触发，则发射相应的信号，可利用红外发光调制或者射频发射电路发射和接收。根据发射方式的不同，在位置跟踪器中设有相应的信号接收模块，以使操作开关动作信号被跟踪器接收，进而实现绝对值鼠标操作或触控操作。本发明还公开一种空中坐标输入方法，引入一个操作区域划定步骤，使操作者在其所处的随机位置，能对显示屏全屏进行操作。

Description

一种空中坐标输入设备及坐标输入方法

技术领域

本发明属于计算机通信技术领域，尤其涉及一种空中坐标输入设备及坐标输入方法。

背景技术

坐标输入设备是计算机使用中不可或缺的人机交互设备。最典型的是鼠标器。鼠标器有方便、可靠的优点，但它必须置于桌面上才能操作。而某些应用场合需要更灵活的输入方式，例如在移动中授课，或者在不方便放置合适桌面的环境中使用计算机。因而出现了空中鼠标。

现有技术的空中鼠标内置了陀螺仪，其将手柄的转动转化为屏幕光标的转动，从而实现坐标输入。

但其缺点是，1.由于移动控制的相对性，光标的位置无法与手柄的指向直接对应，造成使用感受不理想；2.由于是将转动角度转化为坐标，因而手柄的轻微晃动可以造成光标的大范围晃动，因而难以实现可靠的定位点击，更无法进行书写标注等操作。

发明内容

针对上述技术问题，本发明公开一种空中坐标输入设备，实现空中坐标的准确输入，进而实现计算机操作。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种空中坐标输入设备，包括用于连接计算机主机的位置跟踪器和用于输入操作的输入手柄。位置跟踪器包括摄像头和与所述摄像头相连的处理电路，处理电路同时与上位机通信；

输入手柄包括手柄外壳，以及安装在手柄外壳上的定位光源、控制电路、操作开关；定位光源安装在手柄外壳前端，操作开关连接控制电路；输入手柄发送定位光以及控制电路所驱动的操作开关动作信号，这些信号被位置跟踪器所接收。

使用中，位置跟踪器置于显示屏附近，朝向操作人方向，通过定位光源开关触发定位光源发光，使得输入手柄的位置能被位置跟踪器所捕捉跟踪，使屏幕光标跟随手柄位置而相应移动。当对应于鼠标按键的操作开关被触发，则发射相应的信号，可利用红外发光调制或者射频发射电路发射和接收。根据发射方式的不同，在位置跟踪器中设有相应的信号接收模块，以使操作开关动作信号被跟踪器接收，进而实现绝对值鼠标操作或触控操作。

进一步的，本发明提供两种实现鼠标操作或触控操作的方式。一是位置跟踪器将定位光源的位置数据转换为上位机显示屏的显示坐标，将操作开关动作转变为鼠标按键信息，并且发送到上位机，实现屏幕光标的跟随以及绝对值鼠标操作或触控操作。典型的方式是利用USB HID标准鼠标设备协议，实现即插即用的设计；

二是位置跟踪器将其摄像头图像及其所接收的操作开关动作信号实时传输到上位机，由上位机软件根据图像进行坐标计算，实现光标跟随并结合操作开关信息进行绝对值鼠标操作或触控操作的模拟。上位机一般是支持USB接口的计算机。

正常使用时，首先使定位光源打开，使得屏幕光标能够跟随输入手柄而在屏幕上浮动，由于这种可视性和直接的对应关系，使用者易于将光标移动到任何目标位置，此时触动操作开关以实现鼠标左、右键等按下、点击、拖动等操作。为了符合使用习惯和提高便捷性，定位光源开关可设置于食指最便于接触的位置。

在现有技术条件下，定位光源采用红外发射管为最佳选择。位置跟踪器中设有红外调制信号接收模块并连到位置跟踪器的处理电路，输入手柄的控制电路通过调制红外发射管的定位光来发送操作开关的动作信号。

作为另一种优选方式的，输入手柄上有设有无线发射模块用于发送操作开关动作信息，位置跟踪器中有相应的无线接收模模块，用于接收输入手柄发送的信号并传送到跟踪器的处理电路。

进一步的，位置跟踪器的摄像头横向视场角30-120度，纵向视场角20-60度。摄像头的光路中设置与定位光源相匹配的带通滤光片，这种方式可以降低图像中定位光源亮点的识别和处理难度。

进一步的，输入手柄上设有L键、R键、F键；其中L键位于食指自然接触位置，它是两级开关，L键一级开关控制定位光源开关，L键二级开关对应鼠标左键；R键对应于鼠标右键；F键用于发送控制命令及其它灵活定义的功能。

本发明的另一目的在于公开一种空中坐标输入方法。将位置跟踪器放置于计算机显示器附近并朝向显示器前方，利用输入手柄的定位光源的持续发射的定位光来指示输入手柄位置并使上位机的显示光标跟随输入手柄位置浮动，利用输入手柄上的操作开关动作实现鼠标按键操作。

为了能使操作者在其所处的随机位置，能对显示屏全屏进行操作，需要指定一个使用者能够方便触及的操作区域，这个区域可以简化为一个四边形或者矩形区域，这个区域的每一点将一一对应地映射到屏幕相应一点，例如操作区域的右上角映射到屏幕右上角，操作区域的左下角映射到屏幕左下角。系统需要预知这个区域位置才能完成相应映射计算。因此本发明引入一个操作区域划定步骤。操作区域划定步骤包括如下步骤：通过输入手柄的操作开关发送操作区域扫描命令；位置跟踪器接收到操作区域扫描命令后进入区域扫描流程；定位光源连续发光，定位光沿操作区域边缘移动，完成后关闭定位光源；位置跟踪器根据操作区域划定步骤中定位光的坐标轨迹计算计算摄像头图像内的操作区域，并得到摄像头图像坐标与上位机显示坐标的映射关系。操作区域用四边形或矩形来描述。

进一步的，L键触发一级开关时，定位光源发光，且位置跟踪器探测到定位光源的亮点位置，位置跟踪器的处理电路根据操作在区域划定步骤中得到的映射关系，计算得到显示坐标，并传送到上位机，并使显示器上的光标跟随输入手柄移动；当L键触发二级开关时，L键的状态信号定位光的调制发射或无线发射模块发射，被位置跟踪器接收到后，向上位机发送左键按压消息，从而实现左键的动作；

R键开关触发时，R键的控制信号被位置跟踪器接收到后，向上位机发送右键按压消息，从而实现右键按下的动作。

进一步的，F键发送操作区域扫描命令(如定义为连续三次F键点击)，位置跟踪器接收到命令信号后，进入准备流程，准备结束后返回准备完成的指示信号(如通过声音或发光进行提示)；此时定位光源发射定位光，移动定位光划定操作区域的范围边缘，然后关闭定位光源，完成操作区域划定。

在上述过程中，使用者的操作动作和位置跟踪器的扫描动作之间进行同步，这种同步可以通过提示器实现，如蜂鸣器的发声，可见光的亮、灭实现。例如，位置跟踪器收到操作区域扫描的控制信号后，通过蜂鸣器发声并停止表示扫描可以开始，此时使用者用输入手柄点亮红外发射器并扫描操作区域。

本发明具有以下有益效果：1，采用本发明的坐标输入设备，使用者可以不局限于桌面进行鼠标操作；2，使用者可以在一定范围内任意移动并通过操作区域划定后正常操作；3，相比于现有空中鼠标技术，本发明的操作体验更接近于传统鼠标器，不会因为手的轻微晃动而造成光标的大幅偏离；4，本发明的坐标输入设备其位置信息是绝对坐标，因而其可以进行书写标注等操作，在这方面优于传统鼠标器。

附图说明

图1为本发明实施例的空中坐标输入设备示意图。

图2为本发明实施例的空中坐标输入设备输入手柄的结构示意图。

图3为本发明实施例的空中坐标输入设备的位置跟踪器程序主循环流程图。

图中：1为位置跟踪器，2为输入手柄，21为红外发射器，22为L键，23为R键，24为F键，3为屏幕，4为操作区域；

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明。

本实施例的空中坐标输入设备，位置跟踪器1的摄像头采集范围是横向视场角100度，纵向视场角60度，帧率30fps。它的最佳放置位置是显示屏上方，朝向前方。也可以在其它位置，只要能覆盖使用者的位置即可。在图1所示的安装方式下，使用者在一个较大的活动空间上都能在位置跟踪器1的扫描范围内，因而都能进行操作使用。

位置跟踪器1的内部设置了蓝牙通信模块，用于接收来自输入手柄2的按键信号。

作为定位光源，输入手柄2的前部设置了940nm红外发射管21，由控制电路统一驱动。控制电路的核心器件是一个具备蓝牙无线通信模块的MCU。输入手柄2上设置了3个按键，分别是L键22，R键23，F键24。L键22设置于方便食指接触的位置，它是一个两级压力开关，轻压时触发第一开关，重压时两级开关都触发。

使用中，单手握持输入手柄2，食指自然轻压L键22，则红外发射管21发光，位置跟踪器1检测到红外发射管21的位置坐标，并转换为显示坐标，并通过USB与计算机的连接使得显示屏上系统光标跟随手柄位置浮动。移动手柄即可将光标移动到任何位置。当光标到达目标位置时，如重按L键22，则手柄发射相应信号，此信号被位置跟踪器接收到后，同样通过USB连接发送鼠标左键按压消息，实现鼠标左键动作。

R键23的操作类似，只是光标浮动仍由食指轻按L键22来实现。

实际上，位置跟踪器1的处理电路核心是一个32位ARM单片机，此单片机具备DCMI接口，配合合理的算法框架可以高效地采集摄像头数据并实时进行处理。无线模块通过UART口传送器接收到的来自输入手柄的消息数据，单片机的UART数据接收采用中断方式进行。单片机具备USB接口，初始化过程中将设备配置为一个USB HID绝对值鼠标，因而在运行中通过发送相应的USB协议报文即可实现光标控制和鼠标按键操作。图3是本发明实施例的空中坐标输入设备的位置跟踪器程序主循环流程图。程序中，在每帧图像结束后进行坐标计算和报文发送。当有亮点而没有按键按下时，发送按键值为0的报文，这时仅显示光标浮动而不会产生任何鼠标操作，而当左键或右键按下时，则按键值为相应值，实现鼠标左键或右键操作。

为了在一个新的位置方便地操作，需要进行操作区域划定。本实施例采用点击F键三次作为操作区域划定的指令。跟踪器接收到指令后，将蜂鸣器打开，进入准备流程，准备结束后蜂鸣器关闭，此时使用者可以轻触L键22以触发红外发射管21发光，并将手柄在拟作为操作区域的范围边缘划动，然后释放L键关闭红外发射管，完成操作区域划定。

以上的实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种空中坐标输入设备，其特征在于：包括位置跟踪器和用于输入操作的输入手柄；

所述位置跟踪器靠近显示器布置并朝向显示器的前方，包括摄像头、与所述摄像头相连的处理电路，所述处理电路同时与上位机通信；

所述输入手柄包括手柄外壳，以及安装在所述手柄外壳上的定位光源、控制电路、操作开关；所述定位光源安装在所述手柄外壳前端，所述操作开关连接控制电路；所述输入手柄发送定位光以及所述控制电路所驱动的操作开关动作信号，这些信号被所述位置跟踪器所接收。

2.根据权利要求1所述的空中坐标输入设备，其特征在于：

所述位置跟踪器将所述定位光源的位置数据转换为上位机显示屏的显示坐标，将所述操作开关动作转变为鼠标按键信息，并且发送到上位机，实现屏幕光标的跟随以及绝对值鼠标操作或触控操作。

3.根据权利要求1所述的空中坐标输入设备，其特征在于：

所述位置跟踪器将其摄像头图像及其所接收的操作开关动作信号实时传输到上位机，由上位机软件根据图像进行坐标计算，实现光标跟随并结合操作开关信息进行绝对值鼠标操作或触控操作的模拟。

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的空中坐标输入设备，其特征在于：所述定位光源为红外发射管，所述位置跟踪器中设有红外调制信号接收模块并连到所述位置跟踪器的所述处理电路，所述输入手柄的控制电路通过调制所述红外发射管的定位光来发送操作开关的动作信号。

5.根据权利要求1-3中任意一项所述的空中坐标输入设备，其特征在于：所述定位光源为红外发射管，所述输入手柄上有设有无线发射模块用于发送操作开关动作信息，所述位置跟踪器中有相应的无线接收模模块，用于接收所述输入手柄发送的信号并传送到所述跟踪器的处理电路。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的空中坐标输入设备，其特征在于：所述位置跟踪器的所述摄像头横向视场角为30-120度，纵向视场角为20-60度，且所述摄像头的光路内设有与所述输入手柄的定位光源相匹配的带通滤光片。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的空中坐标输入设备，其特征在于：所述输入手柄上的操作开关包括L键、R键、F键；L键一级开关控制所述定位光源开关，L键二级开关对应鼠标左键；R键对应于鼠标右键；F键用于发送控制命令。

8.一种空中坐标输入方法，其特征在于：使用权利要求1-7中任意一项所述的空中坐标输入设备，利用所述输入手柄的定位光源的持续发光来指示输入手柄位置并使上位机的显示光标跟随输入手柄的位置移动，利用所述输入手柄上的操作开关动作实现鼠标按键操作；

还包括一个操作区域划定步骤，包括以下步骤：

通过所述输入手柄的所述操作开关发送操作区域扫描命令；所述位置跟踪器接收到操作区域扫描命令后进入区域扫描流程；所述定位光源连续发光，定位光沿操作区域边缘移动，完成后关闭定位光源；所述位置跟踪器根据所述定位光源的定位光的坐标轨迹计算操作区域，并得到摄像头图像坐标与上位机显示坐标的映射关系。

9.根据权利要求8所述的空中坐标输入方法，其特征在于：

L键触发一级开关时，所述定位光源发出定位光，且所述位置跟踪器探测到所述定位光源的亮点位置，所述位置跟踪器的处理电路根据操作在区域划定步骤中得到的映射关系，计算得到显示坐标，并传送到上位机，所述上位机使屏幕光标移动到显示坐标；当L键触发二级开关时，L键的状态信号通过定位光的调制发射或无线发射模块发射，被所述位置跟踪器接收后，向所述上位机发送左键信号，实现左键的动作。

10.根据权利要求9所述的空中坐标输入方法，其特征在于：

F键发送所述操作区域扫描命令，所述位置跟踪器接收到所述命令信号后，进入准备流程，准备结束后返回准备完成的指示信号；此时所述定位光源发射定位光，移动定位光划定操作区域的范围边缘，然后关闭定位光源，完成操作区域划定。