CN1242313C - 一种计算机输入系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种计算机输入系统，由感应器和相关的感应信息处理系统两部分组成。感应器接受使用者的手部信息，感应信息处理系统将感应器采集的感应信息进行处理，提取信息特征，形成特征信息，将特征信息输出到计算机屏幕上；感应信息处理系统通过对感应信息的处理，识别使用者不同的手部动作，进而向计算机发出操作指令。采用本发明的计算机输入系统，提高了信息输入的效率，使计算机与使用者的交流更加丰富化、人性化。

Description

一种计算机输入系统

本发明涉及一种计算机输入系统，尤其是一种替代键盘、鼠标、触摸板、书写板、触摸屏的计算机输入系统。

现有的计算机外部输入设备有键盘、鼠标以及触摸类输入设备，这些现有的计算机外设的明显不足在于，它们需要与其他设备共用才能使得计算机的输入合乎使用者的多种要求，达到使用者的应用目的。因此在已有的技术条件下，使用者需要购买多个上述输入设备，既不经济，也不方便。同时，现有计算机输入设备具有如下缺陷：

键盘的技术缺陷

首先，键盘通常需要和鼠标结合起来使用，通过键盘不能将光标快速地移到屏幕上的任意位置，也不能用键盘进行图形操作，通常能够从键盘上输入的只是一些字母和数字符号以及其他的ASCII码符号，总数不过几百个。键盘源于西方，有利于拼音文字的输入，原本就是为拼音文字而设立的。中文汉字是象形文字而非拼音文字。现在有多种通过键盘输入汉字的输入法。一方面效率不理想，一方面多多少少需要死记一些规则。因为键盘上看不出完整的汉字符号，使用起来不直观不方便。总之，试图通过键盘来输入象形文字和图形就有先天的不足和不方便。

现有鼠标的技术缺陷

鼠标的移动是线形的不间断的移动。如果要将屏幕上鼠标从一点移动到目标处，需要使用者在此期间始终与鼠标保持接触，不仅占用了使用者较多的时间，同时需要使用者保持对鼠标的注意力，限制了手的运动自由和使用方式。

现有触摸类输入设备的缺陷

现有触摸屏的缺陷：使用触摸屏输入，通常只能模拟简单的鼠标操作，输入的方式较单一。当我们用手或笔在触摸屏屏上移动、点击时，我们需要将手抬起，长时间地抬起手，使用者会疲劳。当使用者在屏幕上操作时，还会阻挡视线。

现有触摸板的缺陷：

现有触摸板的功能是代替传统的滚动式鼠标、点状或柱状鼠标起作用的，前述传统鼠标的移动低效率、限制使用者手部运动自由、较多耗费使用者注意力的缺陷，它也具备。

现有书写板的缺陷：

书写板的缺陷是，它不具备键盘输入字母、数字和限定符号的快捷性，用途单一。多数书写板只能接受单个点的运动信息，通过书写板一次输入的是平面上的单个点或线条，而不能输入象毛笔在平面上的书写信息。现有书写板同样不具备键盘在输入规定符号、字母、数字时的快捷性和直观性。

现有触摸板和书写板的共有缺陷：

现有触摸板和书写板的另一个缺陷是，它只记录使用者触及它的某一点或连续一片的信息，而不反映同时触及它上面的不连续的多个位置的信息。它们所接收或反映的使用者的信息是少量的，使用者接触触摸板或书写板的大量信息被过滤掉了，使用者手部的大量信息没有得到利用而被废置了，这样就降低了使用者的输入信息有可能达到的高效率。从而没能使人机交流达到现有技术本应该能达到的水平和协调程度。

本发明的目的是，提供一种新的计算机输入系统，它能够将使用者在输入设备上的接触点直观地反映在显示屏上，使得使用者从显示屏上就能够实时地感知自己的手部位置，使用者通过手在输入设备上的动作直接快速实现多项计算机操作，同时可以通过手在输入设备上的跳动实现鼠标指向点在屏幕上的跳跃式移动，从而达到直观易用、快速输入和操作计算机的目的。

本发明的设计思想：

本发明通过感应器得到使用者手部与感应器感应面的接触信息，将感应面上的点与整个显示器屏幕建立映射关系，通过一定方式将手与感应面的接触点或感应点在屏幕上表现出来，从而使得使用者对自己手的位置有直观感受。通过对使用者手在感应面上动作信号的处理，形成各种操作信息，利用感应面上手的位置与屏幕上点的对应关系直接转换成对屏幕上对象的操作。

在建立了使用者手在感应面上的触点与屏幕上点的对应关系之后，本发明进一步变革了对使用者触点信息进行处理的方式，使得光标在屏幕上的移动方式由原来通过鼠标的连续移动，扩展为可以直接在屏幕上跳跃式移动(即由一点直接跳到目标点)。

本发明通过设置感应信息处理系统的工作模式可让其将感应面上特定位置的敲击动作转换为键盘击键信息，从而实现替代键盘的功能。

在以上基础之上，可以开发出多种新的输入法，使得汉字输入的效率得到显著的提高。

本发明的工作原理图见图2.

本发明的技术方案如下：

本发明是一种计算机的输入系统，它由感应器和相关的感应信息处理系统两部分组成(见图1)。感应器接受使用者的手部信息，感应信息处理系统将感应器采集的感应信息进行处理，提取信息特征，形成特征信息，将特征信息输出到计算机屏幕上；感应信息处理系统通过对感应信息的处理，识别使用者不同的手部动作，进而向计算机发出操作指令。

信息感应器

信息感应器的作用是，通过感应元件(例如，压电传感器或热敏传感器)，采集使用者手部与感应面接触的信号。其信号转换部分将感应信号转换成感应数据(包括坐标、接触强度、时间信息)。接口电路部分完成与计算机通信的工作，将经转换的感应数据根据选定的接口通信协议和连接(如USB)传送给计算机，以供感应信息处理系统(一般作为一个设备驱动程序)进一步处理。信息感应器的工作原理见图3。

本发明的信息感应器与常见的触摸板、书写板等虽然在外形上相似，但是在功能上明显不同。目前的常用触摸板只是反映单个点的位置及其移动情况。本发明感应器的显著特点在于，它把使用者的手与信息感应器(压电传感器、触摸板、热敏传感器等)的所有接触点的坐标信息都记录下来，另外它还记录了所有接触点发生的时间信息。这些时间信息用于将接触点坐标信息转换成屏幕坐标信息的处理过程中。手与信息感应器接触点的完整信息经过信息处理系统处理后，通过计算机屏幕表现出来。

感应信息处理系统

该信息处理系统的基本功能是对信息感应器发出的信息进行处理，对使用者手部发出的信息进行分析、判断并将处理结果发送给计算机，在计算机屏幕上表现出来。感应信息处理系统的工作流程图见图4。该信息处理系统与信息感应器结合可以形成有如下功能和技术特色：

△反映使用者手在感应器上的位置和移动

信息感应器感应面上的点与屏幕上的点建立映射关系之后，手与感应面上的接触点或感应点与屏幕上至少有一块区域的点是对应的。当使用者的几个手指与信息感应器接触时，这几个手指与信息感应器接触的位置、每一手指与感应器接触区域的形状、大小等信息和图象都被采集到并经转换后传送给信息处理系统，以一定方式(如显示一个透明的灰影)在显示屏上表现出来。这一使用者手部与感应面接触点到计算机屏幕的映射过程见图5。

△判别主接触与副接触

所谓主接触就是手与感应器感应面最先接触并仍保持接触的一块区域，手与感应面的其余的接触区域均为副接触区域。光标就定位于主接触区域的一点(比如说该区域的中心点)作为对应屏幕上鼠标的指向点。当手从主接触区域移开时，主接触区域消失，光标在原地不动。当原先的主接触区域消失，如果当前的某区域发出敲击动作时，则该接触区域变成新的主接触区域，鼠标指向点也随之变动，跳到新的主接触区域。这一判断过程的逻辑框图见图6。

△区别接触与按动

信息处理系统在接收到感应器传来的感应数据(包括坐标、接触强度、时间信息等)后，根据预先设定的敲击阈值及标准时间宽度，判断感应面上某点是被接触还是被按动了。当点的接触强度超过敲击阈值且持续时间长于标准时间宽度时，该点被判定是被使用者敲击了。当某点的接触强度小于特征值而大于零或者虽然接触强度达到阈值但是持续时间短于标准时间时，该点会被判定是只被使用者接触而没有被敲击。当该点的接触强度等于零时，该点即被判定为未接触。此一部分的判断逻辑框图见图7。该判断过程的说明图见图8，其中在0～t1时间段为非接触；在t1～t2时间段为接触、非敲击；在t2～t3时间段为敲击；在t3～t4时间段为接触、非敲击；在t4～t5时间段为接触、非敲击(达到敲击阈值时段短于标准时间宽度，被认为是干扰)；Δt为标准时间宽度。

当手指轻轻接触到感应器的感应面时，感应面所接收的只是接触的信号。只有当手指按动或敲击感应面时，感应系统才会判定这是手指按动的信号(相当于传统鼠标的单击)。所以，一般情况下，使用者可以把手放在感应面上而不必担心会引起计算机的意外操作。这样，使用者在工作工程中不至于使手部一直处于紧张状态，减轻了使用者的疲劳程度。

△本发明的多种工作模式

可以通过硬件或软件的按钮设定本发明的不同工作状态。一般情况下它被用作新型的触摸板、书写板，也可以经过按动功能键，使它变成一个键盘使用(只需要在感应器的感应面上印上字母符号就可以了)，手指敲击字母符号所在区域就等同于敲击键盘上的键。在多数情况下，需要输入符号、数字、字母、汉字时，在屏幕上会弹出一个窗口，通过按动窗口内的提示键，所需要的符号汉字等会作为选择项出现在该窗口内，敲击一个选择项，相应的符号或汉字就出现在所要输入的地方了。

△新型窗口

为了充分利用本发明之下鼠标移动的高效率和操作方式的多样化，本技术方案将窗口式样设计得更加丰富多彩，增加窗口改变的随意性。传统窗口上的滚动条被废除了，节省的空间可以放更多的按钮。任何窗口根据需要被加大，使得窗口内选择项的个数大大增加，增加选择项的表现维度。窗口内由多个按钮组成的按钮条可以部分重叠起来，需要时，用手一“拨弄”，需要的按钮条就出现了。窗口本身可以不一定是矩形的，使用者想要什么形状的窗口，只要用手一“挤压”就可以了。所有出现的选择窗都加大，以使使用者可以方便地进行更多的选择。例如，在拼音输入法的输入窗口中，拼音的各声母和韵母只需一个提示键表示。甚至几个声、韵母只要一个提示键表示出来。由此可以派生出各类改良的汉字输入方法，充分发挥本发明的作用和潜能。

采用本技术方案后，所呈现的显著功能：

在具备前述的技术特点后，本发明自然就可以实现跳鼠功能、识别手部多样动作的功能。

△跳鼠功能

如果使用者想把鼠标移动到屏幕上另一位置，只需要将手指直接点到屏幕上的目标位所对应的感应器上的位置即可，而不象传统鼠标那样需要使用者握住鼠标从当前位置连续移动到目标处。这一跳鼠功能大大方便了使用者。两只手的任何一个指头都可以操作鼠标，手的任意部位也基本上可以操作鼠标。当然，一般情况下，只需要用手指就可以了。

△识别手部的多样动作

由于感应器能够采集较为丰富的手部信息，手指和手部的不同动作因而可以利用，这些感应器捕捉到的信号所代表的手部不同动作可以用作表达对计算机的不同指令。这样，丰富了人机交流的方式，丰富了计算机使用者的工作模式，使计算机操作行为丰富化、趣味化，减轻计算机使用者的工作压力，一定程度上克服了计算机操作方式的单调乏味。

比如，传统鼠标的双击，既可以由一个手指在感应面上敲击两下完成，也可以在保持主接触不变的情况下(一个手指不动)，另一手指敲击一下；“夹住”或“拣起”的操作：当两个手指移动到一起时，或者一个手指的接触区域移动到另一个手指的接触区域时，这一动作表示“夹住”或“拣起”，当我们想把某一文件放入垃圾箱时，只需要“拣起”它，再直接点一下垃圾箱就可以了；“擦”的操作：直接用手指扫向目标，目标就被擦除了；“拉、推、拖”的操作：当两个或两个以上手指(或者一只手)在感应面上同时向一个方向移动时，就表示在把目标向那一方向拉动，这样传统窗口上的滚动条就不再需要了；“赶”的操作：用一个手指拦在目标物(比如，某个文件)的一侧，然后横向轻轻地推动，目标物就被赶到另外的地方了；“抠除”操作：如果想删除一句话中的某个字，或者想把图片中的一点去除，只需要用手指抠一下就行了(当然，这需要有应用软件的支持。但是，跳鼠使这一切成为可能)。总之，在本发明的支持下，手部的很多动作都可以被识别了，手部的很多动作都可以用来进行计算机操作。在本发明之后，用手操作计算机不仅仅只是意味着用手敲击或者滑动，而是有丰富多彩的手部运动。

△采用本发明后出现的新型输入方法

由于在使用了本发明的输入设备以后，鼠标的移动效率很高，信息感应面既可以当触摸板、书写板、画板使用，也可以当键盘使用，窗口也发生了巨大变化，因此输入方式会产生巨大变化。

只要按动窗口内的一个键，就可以迅速从一个输入法切换到另一个输入法，原来各种输入法之间的界限模糊了。由于传统的键盘、画板和触摸板合而为一，西文和中文输入已经没有区别，西文字母和中文汉字都只是符号集的一部分。在输入文字符号的同时，可以不必更换设备，只要按动一个窗口上的按钮，就可以随时输入自己在感应面上作的图形或符号。原先各类输入法经过革新，变得更加直观易用，输入的效率更高。现举例说明如下：

对于拼音输入法而言，在使用了本发明之后，不必要敲击每一个字母，因而减少出错机会。每一个声母或韵母只需要一个提示键来表示，甚至几个声母或几个韵母中须一个键表示，或者几个声母和几个韵母一起只用一个提示键表示就可以了(因为声母一般不会出现在字音的后部)。这样，通过按动提示键就能提高输入效率。

因为现有鼠标移动的低效率，一般在弹出的选择框中，选择项的数目很少(10个左右)，选择项排成一行或一列的，呈线性排列。但是，在采用本发明之后，选择框可以很大，这样选择出词和字就象是从铅字盘中拣出铅字一样，选择项可以有很多。选择项可以呈二维排列。也可以用若干选择框重叠的方式，使选择项呈三维排列。通过提示键的革新、选择框的革新，新型拼音输入法的效率会极大地提高。

对其他输入法，比如各类五笔输入法，各类人工编码的输入法的革新，都可以通过对类似上述提示键和选择框的革新达到(略)

△毛笔输入

由于可以将感应面上每一个接触点的信息输入到计算机系统，所以使用者可以直接用毛笔在感应器感应面上书写画画。毛笔的笔锋形状以及毛笔在感应面上用力的情况全部得到记录。其他日常使用的书写笔也都可以在感应器上使用。

△使用者所能感受的优越

使用者目光不必离开屏幕就可以随时感知自己的手在信息感应器上的位置，使得使用者能够将注意力集中于屏幕。由于条件反射的作用，使用者不用多久就可以通过屏幕熟练地得知自己的手在信息感应器上的位置，有利于使用者通过信息感应器输入信息，有利于使用者与计算机的信息输入输出交流，有利于人与电脑的互动。由于人不必俯首下视，使用者可以始终保持上身的直立状态，减少了使用者的疲劳程度和使用者长时间在电脑前工作的健康风险，从而有利于提高效率。

本发明的这种计算机输入设备，不仅使以上几种输入设备合而为一，同时大大提高了信息输入的效率，使计算机与使用者的交流更加以人为中心，使计算机输入方式更加丰富化、人性化。

附图说明：

图1为本发明的计算机输入系统与计算机连接示意图；

图2为本发明的工作原理图；

图3为使用者手部与感应面接触点映射到计算机屏幕的信息处理过程图；

图4为感应信息处理系统工作流程图；

图5为感应器工作原理图；

图6为感应信息处理系统判别主、副接触的逻辑框图；

图7为感应信息处理系统判别接触与按动信息的逻辑框图；

图8为感应信息处理系统根据接触强度、时间信息判别是否接触与按动的说明图。

图9为本发明的一个较佳实施例的构成图。

实施例：

如图9所示本发明的计算机输入系统感应器构成总图，压电感应板采用电容式感应板，由于尺寸较大，需要定制。A/D转换实现压电信号从模拟到数字的转换，采用常用的A/D转换电路。USB接口电路实现USB通信功能，参照USB标准实现。扫描控制电路在时钟作用下依次生成X，Y各方向坐标，可选择市面上满足要求的电路或自行设计。时钟发生电路提供时钟信号，可选择市面上满足精度要求的电路模块。总控制电路控制整个感应器的工作，采用ASIC实现。

感应信息处理系统实现为一个设备驱动程序，其功能主要分为两大部分，即感应数据的全屏映射部分和动作识别及操作信息生成部分。感应数据的全屏映射部分，首先根据感应板尺寸和当前屏幕分辨率计算出X方向和Y方向的映射因子。然后，将感应数据的位置转换为屏幕坐标并利用位图操作的异或运算在屏幕上显示出感应强度信息。

动作识别及操作信息生成部分首先识别出当前主接触区，然后提取当前主接触区的感应数据并识别出当前主接触区的动作，根据本系统当前的工作模式判断动作含义得到操作信息，最后根据操作系统类型将操作信息按一定格式发送给操作系统去执行。

驱动程序与操作系统接口的细节属于公开技术，此处不再赘述。

Claims (2)

1.一种计算机的输入系统，由感应器和感应信息处理系统组成，其特征在于：

(1)感应器感应并采集使用者与感应器感应面的完整接触或感应信息，包括所有接触点或感应点的坐标、接触强度、接触时间等感应信息，并通过信号转换装置将之转换成感应数据传送给感应信息处理系统；

(2)感应信息处理系统将感应器感应面上的点与显示器屏幕上的点建立映射关系，并将使用者手与感应器感应面的接触点或感应点在显示器屏幕上表现出来；感应信息处理系统通过判别使用者在感应面上的主接触与副接触、主接触的变化、接触与按动等动作，确定屏幕上光标的位置、鼠标的指向点、跳鼠动作和计算机系统要执行的其它操作。

2.如权利要求1所述的计算机输入系统，其特征在于：

该计算机输入系统有多种工作模式，包括键盘式的敲击输入、书写板式的划写输入以及传统鼠标的点击和拖动等输入方式，通过硬件或软件的设置在各工作模式间快速切换。

Images