CN202166974U - 具有笔杆运动角度全数据采集传感器的数字书画笔 - Google Patents

Abstract

一种具有笔杆运动角度全数据采集传感器的数字书画笔。该笔在笔杆内安装一个三轴加速度检测传感器和一个三轴磁场检测传感器，在书画时的笔杆运动中实时采集笔杆局部三维直角坐标系的三坐标轴与地磁场方向夹角的余弦值和与地球重力方向夹角的余弦值。该6个角度有关数据与常规采集的书画笔触点运动坐标值基础数据一起，构成笔杆局部坐标系的完整的运动数据平台。三种适合所述数字书画笔的适用仿真真实笔型的数字书画笔头的要素构造，包括仿真(1)扁芯铅笔的笔头，(2)油画笔的笔头和(3)中国毛笔的笔头。所述笔杆局部坐标系数据平台与真实笔型仿真笔头相结合，可用于实现实时仿真真实笔触的实感数字仿真书画技术。

Description

具有笔杆运动角度全数据采集传感器的数字书画笔

所属技术领域

本发明涉及数字书画技术和加速度检测和磁场检测技术。本发明尤其涉及一种带笔杆局部坐标系的运动角度全数据采集传感器的仿真数字书画笔。 

背景技术

现有公开的数字仿真书写绘画技术，其基本构架为，数字位置触摸屏技术和触摸笔(或笔形鼠标)构成的书写绘画仿真环境，在采集笔触位置(X，Y)的笔迹轨迹信息的基础上(或者还包括笔触对书写屏的压力(Z)的对应信息)，用软件技术实现屏幕显示的书写或绘画技术。XY数据用于表达笔触的书画位置，Z数据用于描述笔的触屏的压力，既可以表达笔迹的深浅(仿铅笔)，又可以表达笔触面积的大小(仿刷笔)。这类技术主要应用于文字识别(数字书写板或手写输入)，数字签名，数字绘画板等，也应用于仿真或虚拟仿真书画软件技术的原始数据采集，这些仿真或虚拟仿真书画技术已经涉及硬笔书画，铅笔书画，水彩，油画，中国毛笔书画等表现领域。由于只有笔迹一个点的位置信息，采用笔型数据采集器的书绘系统的数字采集笔一般采用圆柱形笔头，笔头直径依触摸屏采样要求决定，一般外形与圆珠笔芯相仿。 

基于三轴数字罗盘传感器的由地磁场确定经纬方向和基于三轴加速度传感器的由重力加速度确定垂直方向的检测和坐标转换算法技术。该项技术已公开于智能手机的显示屏方位检测的应用，且见于推广及平板电脑等的多种相似应用以及GPS卫星定位和导航技术应用的场景转换等。 

发明内容

一种具有笔杆运动角度全数据采集传感器的数字书画笔，由笔杆8和笔头1组成，笔头固定安装于笔杆内的压力传感器3，数字书画笔在与其共同构成仿真书画系统的触摸屏上进行仿真书画时，由笔头与触摸屏的组合感应器采集触摸屏的屏面触压位置的屏面坐标值，由笔杆内的压力传感器采集从笔头传递的触屏压力值；该数字书画笔具有特征结构为： 

所述的数字书画笔的笔杆的腔体内，设有固定安装的测量笔杆局部直角坐标系的三轴线方向的重力加速度分量的加速度传感器4和测量该三轴线方向的地球磁场分量的磁场传感器5。 

所述的加速度传感器4是一个集成三轴加速度检测传感器。 

所述的磁场传感器5是一个集成三轴数字罗盘传感器。 

所述的笔杆腔体内还装有微处理器6，用于实现对上述二种传感器数据的处理和传输。 

为了仿真相应笔具的使用特征，该数字书画笔的笔头还提出具有以下三种特征的笔 头构造： 

其一，该数字书画笔的特征笔头是形状仿真绘画扁芯铅笔头，具有结构为，笔头为横截面为长短边矩形的硬质柱体构成仿矩形铅笔头1.1.1，与数字书画笔笔杆内压力传感器3的滑杆2固定安装，笔头书写端头可倒角，笔头柱体的中轴线和滑杆2与数字书画笔笔杆的中轴线平行，笔头的书写端头矩形面与数字书画笔笔杆的横截面平行。 

其二，该数字书画笔的特征笔头是仿真油画笔头的扁形刷型笔头，具有结构为：笔头由扁形笔刷1.2.1和笔头基座1.2.2组成，扁形笔刷粘结于笔头基座上，笔头基座固定安装于数字书画笔压力传感器的滑杆2上，笔刷的中心刷毛与笔杆的中心轴重叠，笔刷的横截面为长短边的近似矩形。 

其三，该数字书画笔的特征笔头是仿真中国书画毛笔的向笔尖递减圆横截面的毛刷型笔头，具有结构为： 

笔头由笔头基座1.3.3，一根或数根针形弹性纤维1.3.1和笔毫1.3.2组成；弹性纤维1.3.1的针形头构成笔头的毛笔笔尖，其根部固定安装于笔头基座1.3.3的中轴线；笔头基座1.3.3的外围圆周，用少量传统或人造笔毫构成包裹中心弹性针形纤维的仿毛笔头圆锥形外形，弹性纤维1.3.1和笔毫1.3.2均粘结在笔头基座1，3.3上，外周笔毫1.3.2与中心弹性纤维1.3.1之间留空，笔头基座1.3.3固定安装于数字书画笔压力传感器的滑杆2上，笔头基座1.3.3的中轴线与笔杆的中心轴线重叠。 

本实用新型数字书画笔的效果是： 

1.通过测量笔杆局部坐标系的角度变化全数据，补充实现书画操作的数据采集中，记录数字书画笔的笔杆运动的物理位置参数所需的完整数据。该完整数据包括(1)笔触的基础数据：书写面触点坐标(xy)，笔触的压力(z向压力或位移)和(2)笔杆局部坐标系相对于地球经纬坐标系的角度变化数据。其中(1)是现有技术由笔屏组合感应系统实现采集的数据，(2)是本实用新型数字书画笔增加采集的数据，由所述笔杆内腔安装的一个集成三轴加速度检测传感器和一个集成三轴磁场检测传感器，分别检测地球重力场在笔杆局部直角坐标系三维坐标轴方向的分量(重力方向与各坐标轴夹角的余弦)和检测地磁场在该三坐标轴方向的分量(地磁场方向与各坐标轴夹角的余弦)来实现，在本实用新型中使用笔杆内嵌微处理器采集并形成向主计算机提供的这些检测数据，供进一步解析书画过程中笔杆运动的角度变化数据。 

由于书画过程完全是人手握持笔杆实现的，对笔杆运动的完整描述包含了书画过程的全部变化信息，而现有数字书画技术仅依据笔触的基础数据(1)(实际是笔体坐标系特定点在笔杆运动中的位置记录)，无法获取笔杆在运动中的角度变化。采集数据中的这部分缺失制约了数字书画技术的表现程度，本发明增加采集了(2)类6个实时数据，补充完成了包括笔杆局部坐标系的全部旋转运动在内的完整的基本数据平台的数据采集，给计算机后续处理软件的发展提供了新的思路和着力点。 

2.通过提出的三种数字书画笔的笔头仿真构造设计，实现在书画操作时，产生对应书画类型的仿真实的物理笔触。 

其意义是，在本发明提供的基本数据平台上，书画仿真软件已经具备了完成使显示笔触与仿真实笔具的真实笔触的视觉吻合的充分数据依据，使仿真电子书画实现所见即所得有望成为可能。可以预期，这将会对数字仿真书画的效果产生实质性改进。 

附图说明

图1是本实用新型的部件结构图。 

图2是本实用新型的特征仿真笔头的构造。 

图2中：(1)仿真书画铅笔头；(2)仿真油画笔头；(3)仿真中国毛笔头。 

图3示意笔杆局部坐标系和地球经纬坐标系。 

图1中：1.笔头； 

2.滑杆； 

3.压力传感器； 

4.加速度传感器； 

5.磁场传感器； 

6.微处理器； 

7.安装基板； 

8.笔杆； 

图2.中：1.1.1-仿矩形铅笔头； 

1.2.1-扁形笔刷，仿油画笔扁形刷头；1.2.2-笔头基座； 

1.3.1-弹性纤维；1.3.2-外周笔毫；1.3.3-笔头基座； 

图3中：x，y，z为笔杆局部坐标系，其中z是笔杆中心轴，xy是笔杆横截面； 

X，Y，Z为地球经纬坐标系。 

具体实施方式

本实用新型公开的数字书画笔具有图1的结构，其中： 

1-笔头，与滑杆2刚性连接，笔头与触摸屏接触受力产生触摸坐标(XY)并通过滑杆2向压力传感器3传递z向压力(或位移)，笔头的技术结构除通常的球头圆柱形结构外(可仿真书写铅笔，钢笔，圆珠笔)，还涵盖3种特征仿真笔头(图2)； 

2-滑杆，笔头1根部与滑杆2固定连接，滑杆2将笔头1触屏压力传递给压力传感器3； 

3-压力传感器，实施例采用电感位移传感器，测量z向压力(或位移)，1024或以上的传感器输出分辨率指标和合适的测量范围可满足良好的实用要求； 

4-加速度传感器，实施例采用一个三轴数字加速度测量传感器，型号为MMA7260QT4(Freescale Semiconductor)，用于检测笔杆三轴方向的地球重力加速度分量；或者，由多个单轴加速度测量传感器，也可以实现构成同等功能。 

5-磁场传感器，实施例采用一个三轴数字罗盘集成电路，型号为HMC5843(Honeywell)，用于检测笔杆三轴方向的地磁场强度分量；或者，由多个单轴磁场测量传感器，也可以实现构成同等功能。 

6-微处理器(MCU，USB+线缆(或蓝牙+电池))，即由微处理器和辅助USB接口及 接口线缆，或者由微处理器和辅助蓝牙类无线通讯接口及笔体内供电电池构成。加速度传感器4，磁场传感器5，(还可包括压力传感器3)的数字数据由微处理器通过嵌入程序软件控制，读取，处理(此处的处理通常指前期处理，如定时采集，幅度校准，格式转换等)后传输到主计算机； 

7-安装基板，用于安装压力传感器3，加速度传感器4，磁场传感器5，微处理器6，由安装实现传感器测量轴与笔杆局部坐标轴的方向对齐； 

8-笔杆，结构为供握持的笔杆外壳，在笔杆外壳腔内安装上述全部部件。 

图2是三种特征仿真笔型的技术方案： 

图2(1)为仿真绘画扁芯铅笔头(扁形硬笔头)：仿矩形铅笔头1.1.1的根部固定安装于滑杆2，笔头为横截面为长短边矩形的硬质柱体，笔头书写端头可倒角。笔头横截面矩形的长短边与笔体坐标的x和y轴平行； 

图2(2)为仿真油画笔头(扁形刷型笔头)：笔头基座1.2.2固定安装于滑杆2，扁形笔刷1.2.1粘结于笔头基座1.2.2构成笔头，笔刷的中心刷毛与z轴重叠，笔头的横截面为长短边近似矩形，横截面矩形的长短边与笔体坐标的x和y轴平行。该刷型笔头截面矩形长边视角的端头，可以按各种实用中存在的油画笔头形状实现，如排笔头、圆形头、扇形头等笔头形状。笔刷可用真实油画笔刷或其他人工材料制作； 

图2(3)仿真中国书画毛笔(递减圆横截面毛刷型笔头)：圆柱形固体笔头基座1.3.3(按中心轴z向)固定安装于滑杆2，笔头基座1.3.3中心沿笔体坐标z轴方向安装一根或数根针形弹性纤维1.3.1，用于确定笔锋的位置和仿真毛笔的真实弹性，基座外围圆周，用少量笔毫1.3.2构成包裹中心弹性针形纤维的仿毛笔头圆锥形外形，弹性针形纤维和笔毫粘结在笔头基座上，外形笔毫与中心弹性纤维之间留空，笔毫可用传统毛笔笔毫或其他人工材料制作。 

本实用新型数字书画笔方案的主要进步是采集了笔杆在书画运作中以往未曾关注的表达角度变化的充要数据，实现了给书画控制软件解析笔杆的姿势数据的算法提供足够的数据，在与常规采集的笔触点运行轨迹基础数据合并后，构建起全部笔杆局部坐标系的完整运动变化关系的基本数据平台。由于实际书画技术恰恰是最终体现在由手握持的笔杆的时空运动，在这个基本数据平台上，有利于实现实时的仿真数字书画技术。 

本实用新型数字书画笔方案的特征仿真笔型结构方案的提出就是基于上述基本数据平台的一个实际应用。以采用图2(1)仿真书画铅笔为例：在书画中，当笔杆的x坐标与书绘面平行，则仿铅笔芯的宽沿触纸，当笔杆的y坐标与书绘面平行，则仿铅笔芯的窄沿触纸，当两者都与书绘面不平行，则仿铅笔芯的尖角触纸，书画控制软件可以据此产生仿真笔触宽度和方向，结合行笔方向和z向压力，就可能产生笔迹的不同宽窄和深浅，其特征与真实书画过程的手法笔触调节方法完全一致，结合笔迹包络软件绘画技术，具备了产生酷似实际拿铅笔作画地调节笔划的宽窄和着色的深浅的能力，达到临场感觉与纸笔作画相似，这些效果可能得以实现的基础是笔杆移动和旋转的基本数据平台。同样的过程也出现在图2(2)油画笔头和图2(3)中国书画笔头的仿真中。中国书画笔的仿真目的是产生合适的笔触面积、形状和笔锋位置方向，全部这些可能效果的实现除需要笔杆局部坐标完整的基本数据平台，还依赖相关软件技术的发展。 

图2(3)的中国书画毛笔的特征构造，还为了达到使仿真毛笔在书画触屏时不会出现笔毛的过分散扩现象的目的，实现能比较真实地仿真实际书画中蘸墨的毛笔的视觉效果。由于真实毛笔在干燥下触屏书画，笔毛会过分散扩，偏离应该出现的真实笔触图像， 直接将真实毛笔头安装在数字毛笔将难以避免此种缺点。 

真实油画笔的刷毛硬挺，可以直接将油画笔头充作图2(2)数字油画笔头的笔刷。 

Claims (7)

1.一种数字书画笔，由笔杆(8)和笔头(1)组成，笔头固定安装于笔杆内的压力传感器(3)，数字书画笔在与其共同构成仿真书画系统的触摸屏上进行仿真书画时，由笔头与触摸屏的组合感应器采集触摸屏的屏面触压位置的屏面坐标值，由笔杆内的压力传感器采集从笔头传递的触屏压力值；其特征在于：所述的数字书画笔的笔杆的腔体内，设有固定安装的测量笔杆局部直角坐标系的三轴线方向的重力加速度分量的加速度传感器(4)和测量该三轴线方向的地球磁场分量的磁场传感器(5)。

2.根据权利要求1所述数字书画笔，其特征在于所述的加速度传感器(4)是一个集成三轴加速度检测传感器。

3.根据权利要求1所述数字书画笔，其特征在于所述的磁场传感器(5)是一个集成三轴数字罗盘传感器。

4.根据权利要求1所述数字书画笔，其特征在于：所述的笔杆腔体内还装有微处理器(6)，用于实现对所述二种传感器数据的处理和传输。

5.根据权利要求1所述数字书画笔，其特征在于所述数字书画笔的笔头(1)的形状仿真绘画扁芯铅笔头，具有结构为：笔头为由横截面为长短边矩形的硬质柱体构成仿矩形铅笔头(1.1.1)，与数字书画笔笔杆内压力传感器(3)的滑杆(2)固定安装，笔头书写端头可倒角，笔头柱体的中轴线和滑杆(2)与数字书画笔笔杆的中轴线平行，笔头的书写端头矩形面与数字书画笔笔杆的横截面平行。

6.根据权利要求1所述数字书画笔，其特征在于所述数字书画笔的笔头(1)是仿真油画笔头的扁形刷型笔头，具有结构为：笔头由扁形笔刷(1.2.1)和笔头基座(1.2.2)组成，扁形笔刷粘结于笔头基座上，笔头基座固定安装于数字书画笔压力传感器(3)的滑杆(2)上，笔刷的中心刷毛与笔杆的中心轴重叠，笔刷的横截面为长短边的近似矩形。

7.根据权利要求1所述数字书画笔，其特征在于所述数字书画笔的笔头(1)仿真中国书画毛笔的向笔尖递减圆横截面的毛刷型笔头，具有结构为：

笔头由笔头基座(1.3.3)，一根或数根针形弹性纤维(1.3.1)和笔毫(1.3.2)组成；弹性纤维(1.3.1)的针形头构成笔头的毛笔笔尖，其根部固定安装于笔头基座(1.3.3)的中轴线；笔头基座(1.3.3)的外围圆周，用少量传统或人造笔毫构成包裹中心弹性针形纤维的仿毛笔头圆锥形外形，弹性纤维(1.3.1)和笔毫(1.3.2)均粘结在笔头基座(1.3.3)上，外周笔毫(1.3.2)与中心弹性纤维(1.3.1)之间留空，笔头基座(1.3.3)固定安装于数字书画笔压力传感器的滑杆(2)上，笔头基座(1.3.3)的中轴线与笔杆的中心轴线重叠。 

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