CN202306504U - 一种基于手势控制的光学键盘 - Google Patents
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Abstract
一种基于手势控制的光学键盘，该光学键盘包括：键盘本体，光源，第一及第二光学图像传感器，反光元件，接口模块，控制器及图像处理模块；光源照射键盘操作者的手指，以产生反射光及阴影信息；反光元件将光源产生的光反射到第一及第二光学图像传感器；第一光学图像传感器感测手指的触碰位置与第一光学图像传感器中心的连线与第一光学图像传感器的法线的夹角
第二光学图像传感器感测手指的触碰位置与第二光学图像传感器中心的连线与第二光学图像传感器的法线的夹角
图像处理模块根据
第一光学图像传感器的位置信息及第二光学图像传感器的位置信息生成触碰位置坐标信息，并根据触碰位置坐标信息确定按键信息。
Description
技术领域
本实用新型是关于人机接口技术，特别是关于通过手势向计算机或其他基于显示的处理系统传送信息光学传感技术，具体的讲是关于一种基于手势控制的光学键盘。
背景技术
语言和手势是人们之间传递信息的最常用方式，人们通过语言与手势的结合能够很好的进行信息传递。然而，当人在使用计算机时，家庭用户或商务用户还是通过传统的键盘和鼠标等设备与计算机进行信息交互。
在许多特殊的场合，如医院，工业部门等，常用的机械式键盘有不可忽视的弱点，比如难以清洗，容易损坏等。而这些部门对于无菌防尘等常常有严格的特殊要求。
目前，语音识别系统已经被用于低成本的计算机，迫切需要通过识别手势来操作低成本的计算机系统，以使得家庭用户及商务用户能够容易的操作计算机。
实用新型内容
本实用新型提供一种基于手势控制的光学键盘，以代替普通键盘，使用户通过手指或手掌的位置、手势或者位置与手势的结合的控制计算机。
为了实现上述目的，本实用新型提供一种基于手势控制的光学键盘，该光学键盘包括：键盘本体；该光学键盘还包括：光源，第一光学图像传感器，第二光学图像传感器，反光元件，接口模块，图像处理模块及控制器；所述第一光学图像传感器设置于所述键盘本体左上角，所述第二光学图像传感器设于所述键盘本体右上角，所述光源位于所述第一光学图像传感器及第二光学图像传感器之间，反光元件位于所述键盘本体底部，所述第一光学图像传感器、第二光学图像传感器及图像处理模块分别与控制器连接，所述光学图像传感器通过所述接口模块与图像处理模块相连接；所述的光源用于照射键盘操作者的手指，以产生反射光及阴影信息；所述反光元件用于将所述光源产生的光反射到所述第一光学图像传感器及第二光学图像传感器；所述第一光学图像传感器用于感测所述手指的触碰位置与第一光学图像传感器中心的连线与所述第一光学图像传感器的法线的夹角
所述第二光学图像传感器用于感测所述手指的触碰位置与第二光学图像传感器中心的连线与所述第二光学图像传感器的法线的夹角
所述的图像处理模块根据所述第一光学图像传感器的位置信息及第二光学图像传感器的位置信息生成触碰位置坐标信息，并根据所述的触碰位置坐标信息确定按键信息。
本实用新型实施例的有益技术效果：该光学键盘可以代替普通键盘，用户可以通过手指或手掌的位置控制计算机。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
图1为本实用新型实施例基于手势控制的光学键盘的结构示意图；
图2为本实用新型实施例的手势操作示意图；
图3为本实用新型实施例的触摸位置确定示意图；
图4为本实用新型实施例的触摸位置确定及飞点排除示意图；
图5为本实用新型实施例光学键盘的折叠示意图；
图6为实用新型实施例光学键盘控制方法流程图。
具体实施方式
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本实用新型实施例做进一步详细说明。在此，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，但并不作为对本实用新型的限定。
实施例1
如图1所示，本实用新型实施例提供一种基于手势控制的光学键盘，所述的光学键盘包括：键盘本体101，光源102，第一光学图像传感器103，第二光学图像传感器104，反光元件105，接口模块106，图像处理模块107及控制器108。
所述第一光学图像传感器103设置于所述键盘本体左上角，第二光学图像传感器104设于所述键盘本体右上角。所述光源102位于第一光学图像传感器103及第二光学图像传感器104之间，位于键盘本体的上部。所述第一光学图像传感器103、所述第二光学图像传感器104及所述图像处理模块107分别与控制器108连接，第一光学图像传感器103及第二光学图像传感器104分别通过所述接口模块106与图像处理模块107相连接。
所述光源102用于照射键盘操作者的手指，以产生反射光及阴影信息。所述反光元件105位于所述键盘本体底部，与所述光源102相对设置，用于将所述光源102产生的反射光到所述第一光学图像传感器及第二光学图像传感器。反光元件105可以为反射条，本实用新型不以此为限。
所述第一光学图像传感器103用于感测所述手指的触碰位置与第一光学图像传感器103中心的连线与所述第一光学图像传感器的法线的夹角
对应的图像；所述第二光学图像传感器104用于感测所述手指的触碰位置与第二光学图像传感器104中心的连线与所述第二光学图像传感器的法线的夹角
所述的图像处理模块107根据
所述第一光学图像传感器103的位置信息及第二光学图像传感器104的位置信息生成触碰位置坐标信息，并根据所述的触碰位置坐标信息确定按键信息。
进一步地，所述第一光学图像传感器的位置信息包括：第一光学图像传感器103的坐标及第一光学图像传感器103的法线与坐标轴的夹角；所述第二光学图像传感器104的位置信息包括：第二光学图像传感器104的坐标及第二光学图像传感器104的法线与坐标轴的夹角。
在图1中，第一光学图像传感器103及第二光学图像传感器104可以是CCD或者CMOS线状的传感器，第一光学图像传感器103及第二光学图像传感器104水平及垂直方向的角度一般都是根据键盘的尺寸及具体的操作要求计算得到的，以保证操作者的手反射的光线及产生的阴影能尽可能的被第一光学图像传感器103及第二光学图像传感器104获取到，提高获取操作者手势信息的准确度。
光源102产生的光线覆盖整个键盘的平面，而人手在接近并触摸键盘时，当手指已经接近键盘并低于一个临界门限时，就会截断光源发出的光线，并同时产生反射和阴影。如图2所示，光源102产生的光线分布在检测平面202以下，检测平面202距离键盘平面201的高度为H，H即为临界门限，当手指经接近键盘并低于一个临界门限H时，就会截断光源102发出的光线，并同时产生反射和阴影，反射和阴影将会被第一光学图像传感器103及第二光学图像传感器104(图中未示出)检测到。
光学图像传感器103设置为Preview模式，每当有反射和阴影(具体对应于夹角
及夹角信息)产生时，光学图像传感器103就会觉察到变化并且将这些变化输出到图像处理模块107，根据
第一光学图像传感器的坐标信息及第二光学图像传感器的位置信息计算手指的触碰位置分别与第一光学图像传感器的中心及第二光学图像传感器中心的连线形成的直线方程信息，将所述的触碰位置坐标信息与按键坐标信息进行比对，确定触碰位置坐标信息对应的按键信息。按键坐标信息可以存储在第一光学图像传感器中，按键坐标信息包括每一按键对应的坐标信息。
下面结合具体的例子详细说明本实用新型的实施例。
如图3所示，设定第一光学图像传感器103法线与纵轴的夹角为θ1，而第二光学图像传感器104的法线与纵轴的夹角为θ2。图3中的手指的位置表示实际操作中手指所触摸到的键盘的位置。设此位置坐标为(X，Y)；虚线矩形框中的区域被认为是有效区域，在此区域内的手指位置都会被识别，虚线矩形框的大小与第一光学图像传感器103及第二光学图像传感器104的法线及位置坐标有关。第一光学图像传感器103的中心被定义为(X0，Y0)，并假定是原点，第二光学图像传感器104中心被定义为(X1，Y1)。
如图3所示，当手指触摸到键盘区域中的(X，Y)时，定义第一光学图像传感器103捕捉到的图像来源的方位接触点(X，Y)与(X0，Y0)的连线与通过(X0，Y0)的法线夹角为
同样定义(X，Y)与第二光学图像传感器104的法线的夹角
第一光学图像传感器103及第二光学图像传感器104可以得到夹角及夹角
的信息。
从图3可以看出，图3中存在两条从第一光学图像传感器103及第二光学图像传感器104分别连接到(X，Y)的直线L1，L2，从几何学的角度说，只要求出这两条线的交叉点，就能定出X，Y的坐标，根据按键区域对应的坐标，就能得知对应的按键是哪一个。
设直线L1的方程为：(Y-Y0)＝K1(X-X0)，此处K1为L1的斜率。注意在这里我们定义左上角为原点，Y轴向下为正半轴，X轴向右为正半轴。根据三角函数我们有：
K1＝tg(π/2-θ1-φ1)，而对于左上传感器，X0＝Y0＝0，因此L1的方程最终变成：
Y＝tg(π/2-θ1-φ1)X (1)
同理可以得到直线L2的方程为(Y-Y1)＝K2(X-X1)，其中，Y1＝Y0＝0，而K2＝tg(θ2+φ2)，于是直线L2可以表述为：
Y＝tg(θ2+φ2)×(X-X1)(2)
联立方程式(1)和(2)，就可以求出X，Y的坐标。这个坐标就是唯一对应的手指的位置。
通常情况下，对于键盘而言，有时需要多个手指同时操作以实现要求的功能。此处仅以两点同时触摸为例，说明如何防止假触摸点。
假设现在有两个接触点P1(Xp1，Yp1)和P2(Xp2，Yp2)，如图4所示：
正常状态下依据我们的算法可知，两个点P1，P2的位置可由两个与前面联立的方程组类似的方程组求得。同样我们会发现，交换两个方程组中的某个方程可以得到另外两个飞点，即错误的判读的接触点。如果要防止飞点的产生，需要利用传感器图像处理中对于阴影的识别和定位。
假设现在有两个点，分别是P1(Xp1，Yp1)和P2(Xp2，Yp2)位于键盘上，从第一光学图像传感器103法线的中心通过这两个点的直线分别为L11和L12；从第二光学图像传感器104法线的中心通过这两个点的直线分别为L21和L22。L11和L21相交于P1，而L12和L22相交于P2。同样我们在图中可以发现，有两个伪交汇点F1(Xf1，Yf1)和F2(Xf2，Yf2)，分别由L12与L21以及L11与L22相交而成。
第一光学图像传感器103及第二光学图像传感器104为线形传感器，并不是只有黑白的，而是有8比特的灰度级别，所以在获取的图像上是有亮度也就是灰度的差异。我们的光学键盘的顶边是有发光照明的功能，方向就是由顶边向底边，因此每当一个手指触摸到键盘时，也必然对顶边发出的光线产生了一定的遮蔽，而底边的反光条也会因此产生一段暗背景。由图所示我们看到，在底边的XP01到XP02以及XP11到XP12这两段上是有暗背景，也就是非明显反射区域的。
同样由图像处理中的图像分割和边界滤波可以做到将非反射区域的图像从这个图像中提取出来，并且用相同的定位方法可以得到两组遮挡区的横轴位置XP01-XP02以及XP11-XP12。通过分析P1，P2，F1和F2的X轴位置，也就是哪两个点的X值是落在区间XP01-XP02以及XP11-XP12之内。只有在这个范围内的才被认定是接触点，另外的自然就是飞点。
通过以上描述，可以清晰地认知本实用新型触摸位置的定位方法。这些触摸位置的定位信息被换算成按键信息，就能够清楚地定出手指所触摸的位置对应的具体按键了。
所述的图像处理模块107与计算机连接，将按键信息输出给计算机，以控制计算机执行按键操作。
本实用新型的光学键盘还可以包括：无线通信模块，无线通信模块通过无线方式向计算机输出按键信息，以控制计算机执行按键操作。
进一步的，所述的光学键盘还可以包括：蜂鸣器或扬声器，可以用于蜂鸣器的振动或者扬声器的响声告知操作者的手势操作是否成功，本实用新型不以此为限。
进一步的，所述的光学键盘还可以包括除第一、第二光学图像传感器之外的其他光学图像传感器，如第三光学图像传感器，甚至第四光学图像传感器，第三光学图像传感器及第四光学图像传感器可分别置于键盘本体的左下方与右下方，第三、第四光学图像传感器与第一、第二光学图像传感器一起起到同时感应更多手指触摸的作用。需要注意的是，本实用新型的“第一”、“第二”、“第三”、“第四”不是用于限定本实用新型光学图像传感器的顺序，只是为了区分多个光学图像传感器而已。
进一步的，所述的光学键盘还可以包括：内置电池及无线能量接收器，当所述光学键盘没有有线连接到计算机时，内置电池用于单独提供电能。所述的光学键盘还包括：无线能量接收器连接到所述的内置电池，通过感应方法对所述的电池充电。
进一步的，所述的光学键盘为可折叠键盘，所述的光学键盘还可以包括：可折叠的外罩，覆盖在键盘的表面，以使所述的外罩与光学键盘一起被折叠，便于携带。图5为本实用新型实施例光学键盘的折叠示意图。图中501为光学键盘，502为外罩。所述外罩502为可以设计为标准计算机键盘的外壳，该标准计算机键盘的外壳可以用各种语言表示键盘上的标识。
进一步的，所述光学键盘还包括：桥接模块，用于将所述的计算机控制信号转换成可与包括Wi-Fi、蓝牙、Zigbee、IEEE1394、USB的产业标准协议进行通讯的信息。
进一步的，所述光学键盘还包括：接口单元，与外部的图像传感器或数码相机连接，以捕捉可见光、不可见光及电磁辐射，该外部的图像传感器或数码相机可以延伸原有的第一光学图像传感器103及第二光学图像传感器104的图像(反射光及阴影信息)捕捉能力。
进一步的，所述光学键盘的长空格键位置可以被用作手写模式的手写区域；所述光学键盘的整个键区或者部分键也可以被用作手写模式的手写区域。所述的手写区域包括电子墨水，用于显示手写内容。上述的整个键区除了具备手写功能之外，也可以用作鼠标或者触摸屏，用以控制电脑操作。
进一步的，所述的光学键盘还包括：压力传感触摸膜或压力传感器，用于传感用户手指的按压力。
进一步的，所述的光学键盘还包括：用于传感用户手指触摸的电容性触摸垫。
进一步的，所述的光学键盘还包括：指纹扫描传感器，可以用于通过指纹扫描确认操作者的身份。
本实用新型实施例的有益技术效果：该光学键盘可以代替普通键盘，用户可以通过手指或手掌的位置控制计算机。
实施例2
如图6所示，本实用新型实施例提供一种光学键盘控制方法，该方法包括：
步骤S601：感测所述手指的触碰位置坐标与第一光学图像传感器中心的连线与所述第一光学图像传感器的法线的夹角
步骤S602：感测所述手指的触碰位置坐标与第二光学图像传感器中心的连线与所述第二光学图像传感器的法线的夹角
步骤S603：根据
第一光学图像传感器的位置信息及第二光学图像传感器的位置信息生成触碰位置坐标信息；
步骤S604：根据所述的触碰位置坐标信息确定按键信息。在步骤S603中，根据
第一光学图像传感器的坐标信息及第二光学图像传感器的位置信息生成触碰位置坐标信息，包括：根据
第一光学图像传感器的坐标信息及第二光学图像传感器的位置信息计算手指的触碰位置分别与第一光学图像传感器的中心及第二光学图像传感器中心的连线形成的直线方程信息；根据所述的直线方程信息生成触碰位置坐标信息。
在步骤S604中，根据所述的触碰位置坐标信息确定按键信息，包括：将所述的触碰位置坐标信息与按键坐标信息进行比对，确定触碰位置坐标信息对应的按键信息。
进一步地，所述第一光学图像传感器的位置信息包括：第一光学图像传感器的坐标及第一光学图像传感器的法线与坐标轴的夹角；所述第二光学图像传感器的位置信息包括：第二光学图像传感器的坐标及第二光学图像传感器的法线与坐标轴的夹角。
当只有一个手指操作时，如图3所示，当手指触摸到键盘区域中的(X，Y)时，定义第一光学图像传感器103捕捉到的图像来源的方位接触点(X，Y)与(X0，Y0)的连线与(X0，Y0)的法线夹角为
同样定义(X，Y)与第二光学图像传感器104的法线的夹角第一光学图像传感器103及第二光学图像传感器104可以得到夹角
及夹角
的信息。
第一光学图像传感器103及第二光学图像传感器104在捕捉到夹角
及夹角
的信息之后，会将第一光学图像传感器103及第二光学图像传感器104的位置信息及夹角
及夹角
的信息通过接口模块106发送给图像处理模块107。
图像处理模块107根据第一光学图像传感器103及第二光学图像传感器104的位置信息及夹角
及夹角
的信息可以得到方程式(1)和(2)，联立方程式(1)和(2)，就可以求出X，Y的坐标。这个坐标就是唯一对应的手指的位置。
通常情况下，对于键盘而言，有时需要多个手指同时操作以实现要求的功能。当有多个手指同时操作时，还需要排除干扰点(飞点)，上述实施例已经结合图3说明了如何排除飞点，在此不再赘述。
本实用新型实施例的有益技术效果：该光学键盘可以代替普通键盘，用户可以通过手指或手掌的位置控制计算机。
以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (16)
1.一种基于手势控制的光学键盘，所述的光学键盘包括：键盘本体，其特征在于，所述的光学键盘还包括：光源，第一光学图像传感器，第二光学图像传感器，反光元件，接口模块，图像处理模块及控制器；
所述第一光学图像传感器设置于所述键盘本体左上角，所述第二光学图像传感器设于所述键盘本体右上角，所述光源位于所述第一光学图像传感器及第二光学图像传感器之间，反光元件位于所述键盘本体底部，所述第一光学图像传感器、第二光学图像传感器及图像处理模块分别与控制器连接，所述光学图像传感器通过所述接口模块与图像处理模块相连接；其中，
所述的光源用于照射键盘操作者的手指，以产生反射光及阴影信息；
所述反光元件用于将所述光源产生的光反射到所述第一光学图像传感器及第二光学图像传感器；
所述第一光学图像传感器用于感测所述手指的触碰位置与第一光学图像传感器中心的连线与所述第一光学图像传感器的法线的夹角 
所述第二光学图像传感器用于感测所述手指的触碰位置与第二光学图像传感器中心的连线与所述第二光学图像传感器的法线的夹角 
所述的图像处理模块根据 
所述第一光学图像传感器的位置信息及第二光学图像传感器的位置信息生成触碰位置坐标信息，并根据所述的触碰位置坐标信息确定按键信息。
2.如权利要求1所述的光学键盘，其特征在于，所述第一光学图像传感器的位置信息包括：第一光学图像传感器的坐标及第一光学图像传感器的法线与坐标轴的夹角。
3.如权利要求1所述的光学键盘，其特征在于，所述的光学键盘还包括：无线通信模块，用于通过无线方式输出计算机控制信号，以控制计算机。
4.如权利要求1所述的光学键盘，其特征在于，所述的光学键盘还包括：蜂鸣器或扬声器。
5.如权利要求1所述的光学键盘，其特征在于，所述的光学键盘还包括：内置电池，当所述光学键盘未连接到计算机时，用于单独提供电能。
6.如权利要求5所述的光学键盘，其特征在于，所述的光学键盘还包括：无线能量接收器，连接到所述的内置电池，通过感应方法对所述的电池充电。
7.如权利要求1所述的光学键盘，其特征在于，所述的光学键盘还包括：可折叠的外罩，以使所述的外罩与光学键盘一起被折叠。
8.如权利要求3所述的光学键盘，其特征在于，所述光学键盘还包括：桥接模块，用于将所述的计算机控制信号转换成可与包括Wi-Fi、蓝牙、Zigbee、IEEE1394、USB的产业标准协议进行通讯的信息。
9.如权利要求1所述的光学键盘，其特征在于，所述光学键盘还包括：接口单元，与外部的图像传感器或数码相机连接，以捕捉可见光、不可见光及电磁辐射。
10.如权利要求7所述的光学键盘，其特征在于，所述外罩为标准计算机键盘的外壳。
11.如权利要求1所述的光学键盘，其特征在于，所述光学键盘整个键区或者部分键为手写区域。
12.如权利要求1所述的光学键盘，其特征在于，所述光学键盘的长空格键位置为手写区域。
13.如权利要求12所述的光学键盘，其特征在于，所述的光学键盘还包括：电子墨水，位于所述的手写区域，用以显示手写内容。
14.如权利要求1所述的光学键盘，其特征在于，所述的光学键盘还包括：压力传感触摸膜或压力传感器，用于传感用户手指的按压力。
15.如权利要求1所述的光学键盘，其特征在于，所述的光学键盘还包括：用于传感用户手指触摸的电容性触摸垫。
16.如权利要求1所述的光学键盘，其特征在于，所述的光学键盘还包括：指纹扫描传感器。
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2011
- 2011-07-26 CN CN2011202659829U patent/CN202306504U/zh not_active Expired - Fee Related
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