EP4466595A1 - Interface utilisateur à dispositif de détection optique - Google Patents
Interface utilisateur à dispositif de détection optiqueInfo
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- EP4466595A1 EP4466595A1 EP23701883.3A EP23701883A EP4466595A1 EP 4466595 A1 EP4466595 A1 EP 4466595A1 EP 23701883 A EP23701883 A EP 23701883A EP 4466595 A1 EP4466595 A1 EP 4466595A1
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- photosensor
- weighting
- light
- weighted
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- G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
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- G01S7/4816—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements of receivers alone
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- G06F3/0308—Detection arrangements using opto-electronic means comprising a plurality of distinctive and separately oriented light emitters or reflectors associated to the pointing device, e.g. remote cursor controller with distinct and separately oriented LEDs at the tip whose radiations are captured by a photo-detector associated to the screen
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- G06F3/0325—Detection arrangements using opto-electronic means using a plurality of light emitters or reflectors or a plurality of detectors forming a reference frame from which to derive the orientation of the object, e.g. by triangulation or on the basis of reference deformation in the picked up image
Definitions
- the invention relates to the field of interfaces allowing in particular a user to interact with a machine.
- the invention relates more particularly to devices making it possible to detect the instructions or indications expressed physically by a user.
- keyboards allow you to enter text by pressing physical keys.
- mice allow the movement of a pointer on the screen to be controlled by the physical movement of the mouse.
- the aim of the invention is to improve the user interfaces of the prior art.
- the invention relates to a user interface with an optical detection device for the presence and position of an object in a detection zone, this interface comprising:
- a linear detection bar oriented towards the detection zone, and comprising a line of photosensors suitable for measuring the luminous intensity of the light emitted by the lighting means, the light sensitivity of each photosensor being weighted according to the position of the photosensor along the line of photosensors.
- the user interface according to the invention makes it possible to detect the presence and the position of an object such as a finger of the user, his hand, or another part of the body, without requiring any physical device, tactile, or camera. Position detection is done absolutely, and with great precision.
- the device according to the invention can be used in any environment, by reducing the physical equipment required to a minimum, and in a more intuitive way for the user.
- Position detection is contactless, non-sensitive to electromagnetic disturbances, and without generating electromagnetic disturbances.
- Optical detection has the advantages expected in the context of optical position detection technologies: reliability, simplicity, electromagnetic compatibility.
- optical detection device may comprise the following additional characteristics, alone or in combination:
- the light sensitivity of each photosensor is weighted so that the light sensitivity of the photosensors increases with the ordinal position of the photosensors along the line of photosensors;
- each photosensor is weighted by applying a weighting coefficient to the output signal of each photosensor
- the photosensors each have a sensitivity cone defining the angles in which the photosensor manages to capture light radiation, the photosensors having overlapping sensitivity cones;
- the recovery rate of the sensitivity cones of the photosensors is at least 15%
- the interface is adapted to determine the position of said object from the sum of the weighted values of the output signals of each photosensor;
- the light sensitivity of the photosensors is weighted according to at least two weightings in parallel: a first weighting considering all the photosensors, and a second weighting considering only a portion of the photosensors;
- the light sensitivity of each photosensor which is considered according to the second weighting, is weighted so that the light sensitivity of these photosensors increases with the ordinal position of these photosensors along the line of photosensors;
- each photosensor is weighted, according to the second weighting, by applying a weighting coefficient to the output signal of each photosensor;
- the interface is adapted to determine the position of said object from the sum of the weighted values of the output signals of each photosensor, according to the first weighting or the second weighting, according to the distance between said object and the linear detection bar.
- the interface is thus adapted to determine the position of said object from the sum of the weighted values of the output signals of each photosensor: according to the first weighting when the distance between said object and the linear detection bar is less than a predetermined value; and according to the second weighting when the distance between said object and the linear detection bar is greater than a predetermined value;
- the sum of the weighted values is divided by an average of the sum of the values weighted according to the first weighting and of the sum of the values weighted according to the second weighting;
- the interface includes an additional distance sensor suitable for determining the distance between said object and the linear detection bar;
- the photosensors are regularly distributed along the line of photosensors according to a pitch p, the second weighting considering only the photosensors according to a pitch 2p;
- the interface comprises a control module which comprises a first calculation element suitable for calculating the sum of the light intensity values detected by the photosensors, by applying a weighting coefficient to each;
- control module comprises a second calculation element suitable for calculating the sum of the light intensity values detected by the photosensors considered according to the second weighting, by applying a weighting coefficient to each;
- the lighting means comprises a plurality of light emitters inserted in a regular manner between the photosensors and oriented towards the detection zone;
- the light emitters each have a light cone defining the angles in which the light emitter emits light radiation, the light emitters having overlapping light cones;
- the lighting means is adapted to flicker at a frequency, and the output signals of each photosensor are demodulated at this same frequency.
- FIG. 1 is a schematic illustration of an optical detection device according to the invention.
- Figure 2 Figure 3, Figure 4, Figure 5, and Figure 6 are graphs illustrating the processing of the signal allowing optical detection
- FIG. 7 is an illustrative view of the parameters involved in the optical detection.
- FIG. 1 schematically illustrates an optical detection device 1 according to the invention.
- this device is part of an interface allowing a user to transmit commands to a computer equipment by presenting its finger 2 to one or more given positions in a detection zone 3.
- the detection zone 3 can for example be a virtual keyboard or a virtual console, materialized or not by a visible element in two or three dimensions.
- the user's finger 2 is shown schematically from the front and the device 1 is capable of identifying the position of this finger along a detection axis 4 which extends along the double arrow shown in Figure 1.
- the detection of finger 2 at a given abscissa along the detection axis 4 will correspond to an instruction given by the user to the machine.
- the device 1 comprises a linear detection bar 5 which comprises photosensors 6 aligned along the detection axis 4, and therefore forming a line of photosensors 6.
- the distance between the linear detection bar 5 and the finger 2 is denoted D.
- the photosensors are generally designated by the reference 6 in the figures, and are individually numbered Ph 1 , Ph 2 , Ph 3 ,..., Ph 5 in FIG. 1.
- the photosensors can be of any known type, such as photodiodes, photoresistors, etc., and have an angular light sensitivity of the Gaussian type. In Figure 1, the Gaussian sensitivity curve is shown above each photosensor 6.
- Linear detection bar 5 points to detection area 3, i.e. photosensors 6 point to detection area 3.
- the device 1 further comprises a means 7 for illuminating the detection zone 3.
- An advantageous example consists in forming the illuminating means 7 with light emitters (for example LED diodes) inserted in a regular manner between the photosensors 6, and oriented towards the detection zone 3. These light emitters each have a cone of brightness defining the angles in which the light emitter emits light radiation. Preferably, these luminosity cones overlap.
- a light emitter is inserted every two photosensors 6, on the line of photosensors 6.
- the photosensors 6 are regularly distributed according to a constant spacing corresponding to a pitch denoted p in FIG.
- the value of the light sensitivity of each photosensor 6 is weighted according to the position of the photosensor along the line. This weighting is achieved here by designing a line of photosensors 6 made up of photosensors of light sensitivity which increases along the line of photosensors 6. The light sensitivity of each photosensor 6 is thus weighted so that the light sensitivity of the photosensors 6 increases with the ordinal position of the photosensors 6 along the line of photosensors 6.
- the second photosensor 6 (along the line of photosensors 6) has a greater light sensitivity than that of the first photosensor 6; the third photosensor 6 has a greater light sensitivity than that of this second photosensor 6; the fourth photosensor 6 has a greater light sensitivity than that of this third photosensor 6; And so on.
- each photosensor 6 is assigned a weighting coefficient, which multiplies the value of the light sensitivity that it measures, this coefficient corresponding to the ordinal position of the photosensor along the line.
- Device 1 comprises a control module 8 formed by any suitable analog or digital electronic means, such as a microcontroller.
- the control module 8 comprises a first calculation element 9 suitable for calculating the sum of the light intensity values detected by the photosensors, by applying to each a weighting coefficient which is equal to the ordinal position of the photosensor in the line of photosensors.
- the weighted sum Sj of the output values of the photosensors 6 is defined as follows:
- control module 8 also performs a second weighting in parallel with the first, which can optionally improve the measurement.
- control module 8 is adapted to weight the outputs of the photosensors 6 which are separated by a distance of 2p.
- the control module 8 thus comprises a second calculation element 10 adapted to calculate the sum of the light intensity values detected by the photosensors 6 concerned by this second weighting, that is to say one photosensor 6 out of two with respect to the first weighting, by applying to each of these photosensors 6 a weighting according to the ordinal position of each.
- the weighted sum S 2 of the output values of the photosensors 6 alone considered by the second weighting is defined as follows:
- n the total number of photosensors (on this new line of photosensors considered)
- Ph 2i the output signal of the photosensor 6 having a difference of 2p with its neighbor.
- the finger 2 When the user positions his finger 2 at a precise location in the detection zone 3, the finger 2 is illuminated by the lighting means 7. The finger 2 then has a luminosity greater than the ambient luminosity. The presence of this object thus illuminated provides each of the photosensors 6 with a light intensity decreasing with the distance between the photosensor 6 and the finger 2.
- the photosensors 6 have a sensitivity cone defining the angles in which the photosensor 6 succeeds in capturing light radiation.
- the photosensors 6 are chosen and positioned so that their sensitivity cones overlap.
- the photosensors 6 preferably have an overlap rate of these sensitivity cones of 15% or more.
- Figure 2 illustrates the weighted sum as a function of the linear position of the finger 2 along the detection axis 4, in centimeters around a position 0.
- FIG. 2 presents four curves corresponding to four different distances: - a curve 11 representing the weighted sum for a distance D between the finger 2 and the linear detection bar 5 of 5 cm;
- the pitch p is 2 cm
- the angular width (angle at mid-height) of each Gaussian is 20°
- the width of the finger 2 is 2 cm.
- FIG. 2 shows that the location of the finger 2 can be done linearly with great precision over a range going from almost ⁇ 5 cm to almost +5 cm. Indeed, over this range, the curve of the position of the finger 2 as a function of the weighted sum S x given at the output of the first calculation element 9 is very close to a straight line.
- the control module 8 can directly determine the position of the finger 2 on the detection axis 4 from a simple digital value to be converted by a linear application (slope of the corresponding straight line). This conversion is fast and requires very few computing resources, in particular much less than the processing of images collected by camera. This simple operation nevertheless provides positioning of the finger 2 with great precision.
- FIG. 3 is a graph similar to that of FIG. 2, but relating to the weighted sum S 2 .
- Figure 3 thus illustrates the weighted sum S 2 as a function of the linear position of the finger 2 along the detection axis 4, in centimeters around a position 0.
- Figure 2 presents four curves corresponding to the same four distances of Figure 2:
- FIG. 3 shows that the location of the finger 2 can be done linearly with great precision over a wider range than for the weighted sum Sj but only for the distances corresponding to the curves 17 and 18. Moreover, for these curves 17, 18, the gain is almost constant as a function of the distance D which allows a correspondence between the weighted sum S 2 , given at the output of the second calculation element 10, and the linear position of the finger on the detection axis 4, which is given by a single straight line, whatever the distance between the finger 2 and the linear detection bar 5.
- the weighted sum S 2 can thus, as a variant, be used to complete the correspondence given by the weighted sum to improve the measurement range and provide a measurement with constant gain, for the remotes D on which the weighted sum S 2 is usable.
- FIG. 4 illustrates this combination in which the control module 8 selects the weighted sum S x or the weighted sum S 2 , depending on the distance D between the finger 2 and the linear detection bar 5.
- the weighted sum S 2 is used for distances D of more than 10 cm up to 20 cm, and the weighted sum S x remains used for distances D up to 10 cm.
- the interface is thus suitable for determining the position of said object 2 from the sum of the weighted values of the output signals of each photosensor 6:
- a corrective gain can be applied to obtain substantially an identical slope for each range.
- the distance D can be obtained for example by the use of additional distance sensors of the ToF (“Time of Flight”) type or of the rangefinder type.
- the light sensitivity of the photosensors 6 of the line of photosensors 6 is thus weighted according to at least two weightings in parallel: a first weighting considering all the photosensors (according to the pitch p), and a second weighting considering only a portion of the photosensors 6 (here the photosensors 6 according to a pitch 2p).
- the weighted sum S 2 relates to a step 2p, ie it only considers one photosensor 6 out of two.
- the weighted sum S 2 can be calculated for a different choice of pitch, it can for example consider one photosensor 6 out of three (corresponding to a pitch 3p), or a photosensor 6 out of four (corresponding to a 4p pitch), depending on the distance required for finger 2.
- FIG. 5 also relates to this combination of FIG. 4.
- FIG. 5 illustrates the projected Gaussian curves as a function of the distance D and the position of the finger (Gaussian curves of this example, with a mid-height angle of 20°).
- the three curves 19, 20, 21 illustrate, for a distance D of 5 cm, the Gaussian curves of three photosensors 6 positioned respectively at 0, 2 and 4 cm.
- the three curves 22, 23, 24 illustrate, for a distance D of 20 cm, the Gaussian curves of three photosensors 6 positioned respectively at 0, 4 and 8 cm.
- Figure 5 shows the advantage of selecting either the distribution of curves 19, 20, 21, or curves 22, 23, 24, as a function of the distance D because this makes it possible to maintain a Gaussian overlap sufficient to ensure good linearity of the location of the finger.
- a selective filter can also be added to reject lighting disturbances due to flickering ambient lighting (for example fluorescent tubes at 100 Hz, or certain LED lighting).
- weighted sum S 2 can be used to complete the weighted sum S b by considering a selection of photosensors with a pitch other than p and 2p.
- weighted sum S x and S 21 it is possible to calculate an average sum S avg and to divide S x by S avg and S 2 by S avg which amounts to normalizing the sums.
- Figure 6 shows the shapes of the sums S x and S 2 normalized in this way:
- curve 25 represents the weighted sum thus standardized, for a distance D of 5 cm;
- a curve 26 represents the weighted sum S x thus normalized, for a distance D of 10 cm;
- a curve 27 represents the weighted sum S 2 thus normalized, for a distance D of 15 cm;
- a curve 28 represents the weighted sum S 2 thus normalized, for a distance D of 20 cm.
- the normalized sum S 2 is selected here for the distances of 15 and 20 cm, and the normalized sum S x for the distances of 5 and 10 cm.
- Finger 2 is considered as a contrasted bar of intensity h placed on a background of intensity l 2 .
- the width of the bar is denoted A f .
- Finger 2 is at a distance D from linear detection bar 5, and its abscissa on detection axis 4 is X b .
- the abscissa of the photosensors 6 (their position along the detection axis 4) is denoted Xpi.
- Li and L 2 are the edge detection angles of finger 2.
- the Gaussian angular sensitivity equation s ⁇ ) is written: with A p the mid-height angle of the Gaussian curve.
- the lighting means 7 and the associated photosensors 6 can work in any suitable wavelength, visible or invisible and in particular infrared.
- the example given here concerns the detection of the position of a finger 2 but this detection can be done on the hand, the foot or another part of the body, as well as on an object held by the user.
- linear detection bar 5 presented as an example is rectilinear, it being understood that the latter, and therefore the line of photosensors 6 and the detection axis 4, can also be curved, in particular semi-circular.
- linear detection bars 5 can be combined to detect the position of the object according to different detection axes.
- multiple linear detection bars 5 arranged along different axes allow detection of the finger 2 in a multi-dimensional space.
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Abstract
Interface utilisateur à dispositif de détection optique de la présence et de la position d'un objet (2) dans une zone de détection (3), comportant : - un moyen d'éclairage (7) de la zone de détection (3); - une barre de détection linéaire (5), orientée vers la zone de détection (3), et comportant une ligne de photocapteurs (6) adaptés à mesurer l'intensité lumineuse de la lumière émise par le moyen d'éclairage (7), la sensibilité lumineuse de chaque photocapteur (6) étant pondérée en fonction de la position du photocapteur (6) le long de la ligne de photocapteurs (6).
Description
DESCRIPTION
Titre : Interface utilisateur à dispositif de détection optique
DOMAINE TECHNIQUE
L’invention concerne le domaine des interfaces permettant notamment à un utilisateur d’interagir avec une machine. L’invention concerne plus particulièrement les dispositifs permettant de détecter les instructions ou indications exprimées physiquement par un utilisateur.
ART ANTÉRIEUR
De nombreuses interfaces permettent à un utilisateur d’interagir avec une machine tel qu’un ordinateur. Parmi les plus courantes, les claviers permettent de saisir du texte en pressant des touches physiques. De même les souris permettent de contrôler le mouvement d’un pointeur à l’écran par le mouvement physique de la souris.
Les interfaces utilisateur sont en passe de se développer de manière importante, notamment pour suivre l’évolution du matériel informatique et des logiciels. L’une des directions de ces développements est la détection des indications d’un utilisateur par l’interprétation directe de ses mouvements, sans qu’il se saisisse d’un élément physique.
EXPOSÉ DE L’INVENTION
L’invention a pour but d’améliorer les interfaces utilisateur de l’art antérieur.
À cet effet, l’invention vise une interface utilisateur à dispositif de détection optique de la présence et de la position d’un objet dans une zone de détection, cette interface comportant :
- un moyen d’éclairage de la zone de détection ;
- une barre de détection linéaire, orientée vers la zone de détection, et comportant une ligne de photocapteurs adaptés à mesurer l’intensité lumineuse de la lumière émise par le moyen d’éclairage, la sensibilité lumineuse de chaque photocapteur
étant pondérée en fonction de la position du photocapteur le long de la ligne de photocapteurs.
L’interface utilisateur selon l’invention permet de détecter la présence et la position d’un objet tel qu’un doigt de l’utilisateur, sa main, ou une autre partie du corps, sans nécessiter aucun dispositif physique, tactile, ou camera. La détection de position se fait de manière absolue, et avec une grande précision.
Le dispositif selon l’invention peut être utilisé dans tout environnement, en réduisant au minimum l’équipement physique nécessaire, et de manière plus intuitive pour l’utilisateur.
La détection de position se fait sans contact, de manière non sensible aux perturbations électromagnétiques, et sans générer de perturbations électromagnétiques. La détection optique présente les avantages attendus dans le cadre des technologies optiques de détection de position : fiabilité, simplicité, compatibilité électromagnétique.
Le dispositif de détection optique selon l’invention peut comporter les caractéristiques additionnelles suivantes, seules ou en combinaison :
- la sensibilité lumineuse de chaque photocapteur est pondérée de sorte que la sensibilité lumineuse des photocapteurs augmente avec la position ordinale des photocapteurs le long de la ligne de photocapteurs ;
- la sensibilité lumineuse de chaque photocapteur est pondérée par application d’un coefficient de pondération au signal de sortie de chaque photocapteur ;
- les photocapteurs présentent chacun un cône de sensibilité définissant les angles dans lesquels le photocapteur parvient à capter un rayonnement lumineux, les photocapteurs ayant des cônes de sensibilité qui se recouvrent ;
- le taux de recouvrement des cônes de sensibilité des photocapteurs est d’au moins 15 %;
- l’interface est adaptée à déterminer la position dudit objet à partir de la somme des valeurs pondérées des signaux de sortie de chaque photocapteur ;
- la sensibilité lumineuse des photocapteurs est pondérée selon au moins deux pondérations en parallèle : une première pondération considérant tous les photocapteurs, et une deuxième pondération ne considérant qu’une portion des photocapteurs ;
- selon la deuxième pondération, la sensibilité lumineuse de chaque photocapteur, qui est considéré selon la deuxième pondération, est pondérée de sorte que la sensibilité lumineuse de ces photocapteurs augmente avec la position ordinale de ces photocapteurs le long de la ligne de photocapteurs ;
- la sensibilité lumineuse de chaque photocapteur est pondérée, selon la deuxième pondération, par application d’un coefficient de pondération au signal de sortie de chaque photocapteur ;
- l’interface est adaptée à déterminer la position dudit objet à partir de la somme des valeurs pondérées des signaux de sortie de chaque photocapteur, selon la première pondération ou la deuxième pondération, en fonction de la distance entre ledit objet et la barre de détection linéaire. Autrement dit, l’interface est ainsi adaptée à déterminer la position dudit objet à partir de la somme des valeurs pondérées des signaux de sortie de chaque photocapteur : selon la première pondération lorsque la distance entre ledit objet et la barre de détection linéaire est inférieure à une valeur prédéterminée ; et selon la deuxième pondération lorsque la distance entre ledit objet et la barre de détection linéaire est supérieure à une valeur prédéterminée ;
- la somme des valeurs pondérée est divisée par une moyenne de la somme des valeurs pondérées selon la première pondération et de la somme des valeurs pondérées selon la deuxième pondération ;
- l’interface comporte un capteur de distance additionnel adapté à déterminer la distance entre ledit objet et la barre de détection linéaire ;
- les photocapteurs sont régulièrement répartis le long de la ligne de photocapteurs selon un pas p, la deuxième pondération considérant uniquement les photocapteurs selon un pas 2p ;
- l’interface comporte un module de commande qui comprend un premier élément de calcul adapté à calculer la somme des valeurs d’intensités lumineuses
détectées par les photocapteurs, en appliquant à chacun un coefficient de pondération ;
- le module de commande comprend un deuxième élément de calcul adapté à calculer la somme des valeurs d’intensités lumineuses détectées par les photocapteurs considérés selon la deuxième pondération, en appliquant à chacun un coefficient de pondération ;
- le moyen d’éclairage comporte une pluralité d’émetteurs lumineux insérés de manière régulière entre les photocapteurs et orientés vers la zone de détection ;
- les émetteurs lumineux présentent chacun un cône de luminosité définissant les angles dans lesquels l’émetteur lumineux émet un rayonnement lumineux, les émetteurs lumineux ayant des cônes de luminosité qui se recouvrent ;
- le moyen d’éclairage est adapté à scintiller à une fréquence, et les signaux de sortie de chaque photocapteur sont démodulés à cette même fréquence.
PRÉSENTATION DES FIGURES
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront de la description non limitative qui suit, en référence aux dessins annexés dans lesquels :
- la figure 1 est une illustration schématique d’un dispositif de détection optique selon l’invention ;
- la figure 2, la figure 3, la figure 4, la figure 5, et la figure 6 sont des graphiques illustrant le traitement du signal permettant la détection optique ;
- la figure 7 est une vue illustrative des paramètres en jeu dans la détection optique.
Les éléments similaires et communs aux divers modes de réalisation portent les mêmes numéros de renvoi aux figures.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE
La figure 1 illustre schématiquement un dispositif de détection optique 1 selon l’invention. Dans cet exemple, ce dispositif fait partie d’une interface permettant à un utilisateur de transmettre des commandes à un équipement informatique en
présentant son doigt 2 à une ou plusieurs positions données dans une zone de détection 3. La zone de détection 3 peut par exemple être un clavier virtuel ou un pupitre virtuel, matérialisé ou non par un élément visible en deux ou trois dimensions.
Sur la figure 1 , le doigt 2 de l’utilisateur est schématisé de face et le dispositif 1 est capable de repérer la position de ce doigt le long d’un axe de détection 4 qui s’étend suivant la double flèche représentée figure 1. La détection du doigt 2 à une abscisse donnée le long de l’axe de détection 4 correspondra à une instruction donnée par l’utilisateur à la machine.
Le dispositif 1 comporte une barre de détection linéaire 5 qui comprend des photocapteurs 6 alignés suivant l’axe de détection 4, et formant donc une ligne de photocapteurs 6. La distance entre la barre de détection linéaire 5 et le doigt 2 est notée D.
Les photocapteurs sont désignés de manière générale par le repère 6 sur les figures, et sont numérotés individuellement Ph1, Ph2, Ph3,... ,Ph5 sur la figure 1. Les photocapteurs peuvent être de tout type connu, tels que photodiodes, photorésistances, etc., et présentent une sensibilité lumineuse angulaire de type Gaussienne. Sur la figure 1 , la courbe Gaussienne de sensibilité est illustrée au- dessus de chaque photocapteur 6.
La barre de détection linéaire 5 est orientée vers la zone de détection 3, c’est-à- dire que les photocapteurs 6 sont tournés vers la zone de détection 3.
Le dispositif 1 comporte de plus un moyen d’éclairage 7 de la zone de détection 3. Un exemple avantageux consiste à former le moyen d’éclairage 7 avec des émetteurs lumineux (par exemple des diodes LED) insérés de manière régulière entre les photocapteurs 6, et orientés vers la zone de détection 3. Ces émetteurs lumineux présentent chacun un cône de luminosité définissant les angles dans lesquels l’émetteur lumineux émet un rayonnement lumineux. De préférence, ces cônes de luminosité se recouvrent. Dans cet exemple, un émetteur lumineux est inséré tous les deux photocapteurs 6, sur la ligne de photocapteurs 6.
Sur la barre de détection linéaire 5, les photocapteurs 6 sont régulièrement repartis selon un écartement constant correspondant à un pas noté p sur la figure 1 .
Le long de la ligne de photocapteurs 6, la valeur de la sensibilité lumineuse de chaque photocapteur 6 est pondérée en fonction de la position du photocapteur le long de la ligne. Cette pondération est ici réalisée en concevant une ligne de photocapteurs 6 constituée de photocapteurs de sensibilité lumineuse qui va en augmentant le long de la ligne de photocapteurs 6. La sensibilité lumineuse de chaque photocapteur 6 est ainsi pondérée de sorte que la sensibilité lumineuse des photocapteurs 6 augmente avec la position ordinale des photocapteurs 6 le long de la ligne de photocapteurs 6. Autrement dit : le deuxième photocapteur 6 (le long de la ligne de photocapteurs 6) a une sensibilité lumineuse plus importante que celle du premier photocapteur 6 ; le troisième photocapteur 6 a une sensibilité lumineuse plus importante que celle de ce deuxième photocapteur 6 ; le quatrième photocapteur 6 a une sensibilité lumineuse plus importante que celle de ce troisième photocapteur 6 ; et ainsi de suite.
Dans cet exemple, chaque photocapteur 6 se voit attribuer un coefficient de pondération, qui multiplie la valeur de la sensibilité lumineuse qu’il mesure, ce coefficient correspondant à la position ordinale du photocapteur le long de la ligne.
Le dispositif 1 comporte un module de commande 8 formé par tout moyen électronique analogique ou numérique adapté, tel qu’un microcontrôleur.
Le module de commande 8 comporte un premier élément de calcul 9 adapté à calculer la somme des valeurs d’intensités lumineuses détectées par les photocapteurs, en appliquant à chacun un coefficient de pondération qui est égal à la position ordinale du photocapteur dans la ligne de photocapteurs.
Sur la figure 1 , le premier élément de calcul 9 :
- reçoit l’intensité lumineuse du premier photocapteur Ph1, en lui appliquant le coefficient de pondération 1 ;
- reçoit l’intensité lumineuse du deuxième photocapteur Ph2, en lui appliquant le coefficient de pondération 2 ;
- reçoit l’intensité lumineuse du troisième photocapteur Ph3, en lui appliquant le coefficient de pondération 3.
Dans l’illustration schématique de la figure 1 , seuls trois photocapteurs 6 sont concernés par le premier élément de calcul 9, étant entendu que la barre de
détection linéaire peut cependant comporter autant de photocapteurs 6 que nécessaire pour couvrir un axe de détection 4 d’une longueur souhaitée.
La somme pondérée Sj des valeurs de sortie des photocapteurs 6, est définie de la manière suivante :
Avec i=1 ,2,3... , n étant le nombre de photocapteurs 6, et Ph, le signal de sortie correspondant au photocapteur phi.
Dans le présent exemple, le module de commande 8 procède également à une deuxième pondération en parallèle à la première, pouvant optionnellement améliorer la mesure. En plus de la pondération décrite ci-dessus, le module de commande 8 est adapté à pondérer les sorties des photocapteurs 6 qui sont écartés d’une distance 2p. Le module de commande 8 comporte ainsi un deuxième élément de calcul 10 adapté à calculer la somme des valeurs d’intensités lumineuses détectées par les photocapteurs 6 concernés par cette deuxième pondération, c’est-à-dire un photocapteur 6 sur deux par rapport à la première pondération, en appliquant à chacun de ces photocapteurs 6 une pondération en fonction de la position ordinale de chacun. Ainsi, selon cette deuxième pondération, seuls les photocapteurs 6 espacés du pas 2p sont considérés pour former une ligne de photocapteurs 6, et l’intensité lumineuse mesurée par chacun est multipliée par un coefficient correspondant à la position ordinale de chacun sur cette ligne de photocapteurs 6.
Sur la figure 1 , le deuxième élément de calcul 10 :
- reçoit l’intensité lumineuse du premier photocapteur Ph1, en lui appliquant le coefficient de pondération 1 ;
- reçoit l’intensité lumineuse du troisième photocapteur Ph3, en lui appliquant le coefficient de pondération 2 ;
- reçoit l’intensité lumineuse d’un cinquième photocapteur Ph5, en lui appliquant le coefficient de pondération 3.
La somme pondérée S2 des valeurs de sortie des seuls photocapteurs 6 considérés par la deuxième pondération, est définie de la manière suivante :
Avec i=1 ,2,3... , n étant le nombre total de photocapteurs (sur cette nouvelle ligne de photocapteurs considérée), et Ph2i le signal de sortie du photocapteur 6 ayant un écart de 2p avec son voisin.
Lorsque l’utilisateur positionne son doigt 2 à un endroit précis dans la zone de détection 3, le doigt 2 est éclairé par le moyen d’éclairage 7. Le doigt 2 présente alors une luminosité supérieure à la luminosité ambiante. La présence de cet objet ainsi éclairé fourni à chacun des photocapteurs 6 une intensité lumineuse décroissant avec la distance entre le photocapteur 6 et le doigt 2.
Les photocapteurs 6 ont un cône de sensibilité définissant les angles dans lesquels le photocapteur 6 parvient à capter un rayonnement lumineux. Les photocapteurs 6 sont choisis et positionnés pour que leurs cônes de sensibilité se recouvrent. Les photocapteurs 6 présentent de préférence un taux de recouvrement de ces cônes de sensibilité de 15 % ou plus.
La figure 2 illustre la somme pondérée
en fonction de la position linéaire du doigt 2 le long de l’axe de détection 4, en centimètres autour d’une position 0. La figure 2 présente quatre courbes correspondant à quatre distances différentes : - une courbe 11 représentant la somme pondérée
pour une distance D entre le doigt 2 et la barre de détection linéaire 5 de 5 cm ;
- une courbe 12 représentant la somme pondérée Sj pour une distance D de 10 cm ;
- une courbe 13 représentant la somme pondérée Sx pour une distance D de 15 cm ;
- une courbe 14 représentant la somme pondérée Sj pour une distance D de 20 cm .
Dans cet exemple, le pas p est de 2 cm, la largeur angulaire (angle à mi- hauteur) de chaque Gaussienne (caractéristique du cône de sensibilité des photocapteurs 6) est de 20°, et la largeur du doigt 2 est de 2 cm.
La figure 2 montre que la localisation du doigt 2 peut se faire linéairement avec une grande précision sur une gamme allant de quasiment - 5 cm à quasiment + 5 cm. En effet, sur cette plage, la courbe de la position du doigt 2 en fonction de la somme pondérée Sx donnée en sortie du premier élément de calcul 9 est très proche d’une droite. Autrement dit, le module de commande 8 peut déterminer directement la position du doigt 2 sur l’axe de détection 4 à partir d’une simple valeur numérique à convertir par une application linéaire (pente de la droite correspondante). Cette conversion est rapide et demande très peu de ressources en calcul, notamment bien moins que les traitements d’images recueillies par caméra. Cette opération simple fournit néanmoins un positionnement du doigt 2 d’une grande précision.
La figure 3 est un graphique similaire à celui de la figure 2, mais relatif à la somme pondérée S2. La figure 3 illustre ainsi la somme pondérée S2 en fonction de la position linéaire du doigt 2 le long de l’axe de détection 4, en centimètres autour d’une position 0. La figure 2 présente quatre courbes correspondant aux quatre même distances de la figure 2 :
- une courbe 15 représentant la somme pondérée S2 pour une distance D de 5 cm ;
- une courbe 16 représentant la somme pondérée S2 pour une distance D de 10 cm ;
- une courbe 17 représentant la somme pondérée S2 pour une distance D de 15 cm ;
- une courbe 18 représentant la somme pondérée S2 pour une distance D de 20 cm.
La figure 3 montre que la localisation du doigt 2 peut se faire linéairement avec une grande précision sur une gamme plus large que pour la somme pondérée Sj mais seulement pour les distances correspondant aux courbes 17 et 18. De plus, pour ces courbes 17, 18, le gain est quasiment constant en fonction de la distance D ce qui permet une correspondance entre la somme pondérée S2, donnée en sortie du deuxième élément de calcul 10, et la position linéaire du doigt sur l’axe de détection 4, qui est donnée par une unique droite, quelle que soit la distance entre le doigt 2 et la barre de détection linéaire 5.
En revanche, pour le cas des distances inférieures à 15 cm (courbes 15 et 16), la mesure devient de moins en moins linéaire, avec l’apparition d’ondulations ne permettant plus une correspondance bijective entre la somme pondérée et la position du doigt.
La somme pondérée S2 peut ainsi, en variante, être utilisée pour compléter la correspondance donnée par la somme pondérée
pour améliorer la plage de mesure et fournir une mesure à gain constant, pour les distantes D sur lesquelles la somme pondérée S2 est exploitable. La figure 4 illustre cette combinaison dans laquelle le module de commande 8 sélectionne la somme pondérée Sx ou la somme pondérée S2, en fonction de la distance D entre le doigt 2 et la barre de détection linéaire 5. La somme pondérée S2 est utilisée pour des distances D de plus de 10 cm jusqu’à 20 cm, et la somme pondérée Sx reste utilisée pour les distances D jusqu’à 10 cm.
L’interface est ainsi adaptée à déterminer la position dudit objet 2 à partir de la somme des valeurs pondérées des signaux de sortie de chaque photocapteur 6 :
- selon la première pondération lorsque la distance entre ledit objet 2 et la barre de détection linéaire 5 est inférieure à une valeur prédéterminée ;
- selon la deuxième pondération lorsque la distance entre ledit objet 2 et la barre de détection linéaire 5 est supérieure à une valeur prédéterminée.
Optionnellement, un gain correctif peut être appliqué pour obtenir sensiblement une pente identique pour chaque gamme.
Pour mettre en œuvre cette solution combinant les sommes pondérées Sx et S2, la distance D peut être obtenue par exemple par l’utilisation de capteurs de distance additionnels de type ToF (« Time of Flight », en anglais) ou de type télémètre.
La sensibilité lumineuse des photocapteurs 6 de la ligne de photocapteurs 6 est ainsi pondérée selon au moins deux pondérations en parallèle : une première pondération considérant tous les photocapteurs (selon le pas p), et une deuxième pondération ne considérant qu’une portion des photocapteurs 6 (ici les photocapteurs 6 selon un pas 2p).
Dans le présent exemple, la somme pondérée S2 est relative à un pas 2p, c’est- à-dire qu’elle ne considère qu’un photocapteur 6 sur deux. Cependant, en variante, la somme pondérée S2 peut être calculée pour un choix de pas différent, elle peut par exemple considérer un photocapteur 6 sur trois (correspondant à un pas 3p), ou un
photocapteur 6 sur quatre (correspondant à un pas 4p), en fonction de la distance à prévoir pour le doigt 2.
La figure 5 est également relative à cette combinaison de la figure 4. La figure 5 illustre les courbes Gaussiennes projetées en fonction de la distance D et de la position du doigt (courbes Gaussiennes de cet exemple, avec un angle à mi-hauteur de 20°).
Pour ce qui est de la somme pondérée Sb les trois courbes 19, 20, 21 illustrent, pour une distance D de 5 cm, les courbes Gaussiennes de trois photocapteurs 6 positionnés respectivement à 0, 2 et 4 cm.
Pour ce qui est de la somme pondérée S2, les trois courbes 22, 23, 24 illustrent, pour une distance D de 20 cm, les courbes Gaussiennes de trois photocapteurs 6 positionnés respectivement à 0, 4 et 8 cm.
La figure 5 montre l’intérêt de sélectionner soit la distribution des courbes 19, 20, 21 , ou des courbes 22, 23, 24, en fonction de la distance D car cela permet de maintenir un recouvrement de Gaussienne suffisant pour assurer une bonne linéarité de la localisation du doigt.
Par ailleurs, il est possible de faire correspondre les photocapteurs 6 et la lumière émise par le moyen d’éclairage 7, de sorte à s’affranchir des perturbations ambiantes. Par exemple, il est possible de faire scintiller le moyen d’éclairage 7 à une certaine fréquence et de récupérer ce signal de modulation pour démoduler par détection synchrone les signaux de sortie de chaque photocapteur 6. Ainsi il est possible de s’affranchir des variations d’éclairage ambiant dues par exemple au soleil ou à un éclairage artificiel. Un filtre sélectif (rejecteur) peut aussi être ajouté pour rejeter les perturbations d’éclairage dues à un éclairage ambiant scintillant (par exemple tubes fluorescent à 100 Hz, ou certains éclairages LED).
En variante, d’autres sommes pondérées supplémentaires, en plus de la somme pondérée S2, peuvent être utilisées pour compléter la somme pondérée Sb en considérant une sélection de photocapteurs avec un pas autre que p et 2p.
En variante également, en plus des sommes pondérées Sx et S21 il est possible de calculer une somme moyenne Smoy et de diviser Sx par Smoy et S2 par Smoyi ce qui revient à normaliser les sommes.
Dans ce cas, les sommes pondérées Si et S2 ainsi normalisées s’écriraient :
La figure 6 montre les allures des sommes Sx et S2 normalisées de cette manière :
- une courbe 25 représente la somme pondérée
ainsi normalisée, pour une distance D de 5 cm ;
- une courbe 26 représente la somme pondérée Sx ainsi normalisée, pour une distance D de 10 cm ;
- une courbe 27 représente la somme pondérée S2 ainsi normalisée, pour une distance D de 15 cm ;
- une courbe 28 représente la somme pondérée S2 ainsi normalisée, pour une distance D de 20 cm.
On obtient une courbe impaire intéressante pour la localisation, avec une variation de pente limitée. La somme normalisée S2 est sélectionnée ici pour les distances de 15 et 20 cm, et la somme normalisée Sx pour les distances de 5 et 10 cm.
Un exemple de modèle utilisé pour définir la position du doigt 2 est présenté ci- après, en référence à la figure 7.
Le doigt 2 est considéré comme une barre contrastée d’intensité h placée sur un fond d’intensité l2. La largeur de la barre est notée Af. Le doigt 2 est à une distance D de la barre de détection linéaire 5, et son abscisse sur l’axe de détection 4 est Xb. L’abscisse des photocapteurs 6 (leur position le long de l’axe de détection 4) est notée Xpi. Li et L2 sont les angles de détection des bords du doigt 2.
L’équation de la sensibilité angulaire Gaussienne s^) s’écrit:
avec Ap l’angle à mi-hauteur de la courbe Gaussienne.
Il faut ensuite intégrer sur toute la largeur angulaire de la Gaussienne (de moins l’infini à plus l’infini) pour calculer l’intensité totale du signal du photocapteur placé sous le doigt :
et avec Xp l’abscisse du photocapteur concerné.
Ce qui donne :
Avec erf : la fonction erreur (intégrale d’une Gaussienne) ; et les angles Li et L2 définis de la manière suivante :
Des variantes de réalisation du dispositif peuvent être mises en oeuvre. Par exemple, le moyen d’éclairage 7 et les photocapteurs 6 associés peuvent travailler dans toute longueur d’onde appropriée, visible ou invisible et notamment infrarouge.
L’exemple ici donné concerne la détection de la position d’un doigt 2 mais cette détection peut se faire sur la main, le pied ou une autre partie du corps, ainsi qu’à un objet tenu par l’utilisateur.
Par ailleurs, la barre de détection linéaire 5 présentée en exemple est rectiligne, étant entendu que cette dernière, et donc la ligne de photocapteurs 6 et l’axe de détection 4, peut aussi être courbe, notamment semi-circulaire.
De plus, plusieurs barres de détection linéaires 5 peuvent être combinées pour détecter la position de l’objet selon différents axes de détection. Par exemple, de multiples barres de détection linéaires 5 agencées suivant des axes différents permettent une détection du doigt 2 dans un espace à plusieurs dimensions.
Claims
1. Interface utilisateur à dispositif de détection optique de la présence et de la position d’un objet (2) dans une zone de détection (3), caractérisée en ce qu’elle comporte :
- un moyen d’éclairage (7) de la zone de détection (3) ;
- une barre de détection linéaire (5), orientée vers la zone de détection (3), et comportant une ligne de photocapteurs (6) adaptés à mesurer l’intensité lumineuse de la lumière émise par le moyen d’éclairage (7), la sensibilité lumineuse de chaque photocapteur (6) étant pondérée en fonction de la position du photocapteur (6) le long de la ligne de photocapteurs (6).
2. Interface selon la revendication 1 , caractérisée en ce que la sensibilité lumineuse de chaque photocapteur (6) est pondérée de sorte que la sensibilité lumineuse des photocapteurs (6) augmente avec la position ordinale des photocapteurs (6) le long de la ligne de photocapteurs (6).
3. Interface selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la sensibilité lumineuse de chaque photocapteur (6) est pondérée par application d’un coefficient de pondération au signal de sortie de chaque photocapteur (6).
4. Interface selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les photocapteurs (6) présentent chacun un cône de sensibilité définissant les angles dans lesquels le photocapteur (6) parvient à capter un rayonnement lumineux, les photocapteurs (6) ayant des cônes de sensibilité qui se recouvrent.
5. Interface selon la revendication 4, caractérisée en ce que le taux de recouvrement des cônes de sensibilité des photocapteurs (6) est d’au moins 15 %.
6. Interface selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu’elle est adaptée à déterminer la position dudit objet (2) à partir de la somme des valeurs pondérées des signaux de sortie de chaque photocapteur (6).
7. Interface selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la sensibilité lumineuse des photocapteurs (6) est pondérée selon au moins deux pondérations en parallèle : une première pondération considérant tous les photocapteurs (6), et une deuxième pondération ne considérant qu’une portion des photocapteurs (6).
8. Interface selon la revendication 7, caractérisée en ce que, selon la deuxième pondération, la sensibilité lumineuse de chaque photocapteur (6), qui est considéré selon la deuxième pondération, est pondérée de sorte que la sensibilité lumineuse de ces photocapteurs (6) augmente avec la position ordinale de ces photocapteurs (6) le long de la ligne de photocapteurs (6).
9. Interface selon l'une des revendications 7 ou 8, caractérisée en ce que la sensibilité lumineuse de chaque photocapteur (6) est pondérée, selon la deuxième pondération, par application d’un coefficient de pondération au signal de sortie de chaque photocapteur (6).
10. Interface selon l’une des revendications 7 à 9, caractérisée en ce que qu’elle est adaptée à déterminer la position dudit objet (2) à partir de la somme des valeurs pondérées (Si, S2) des signaux de sortie de chaque photocapteur (6), selon la première pondération ou la deuxième pondération, en fonction de la distance entre ledit objet (2) et la barre de détection linéaire (5).
11. Interface selon la revendication 10, caractérisée en ce que la somme des valeurs pondérée est divisée par une moyenne de la somme des valeurs pondérées selon la première pondération et de la somme des valeurs pondérées selon la deuxième pondération.
12. Interface selon l’une des revendications 10 ou 11 , caractérisée en ce qu’elle comporte un capteur de distance additionnel adapté à déterminer la distance entre ledit objet et la barre de détection linéaire (5).
13. Interface selon l'une des revendications 7 à 12, caractérisée en ce que les photocapteurs (6) sont régulièrement répartis le long de la ligne de photocapteurs (6) selon un pas p, la deuxième pondération considérant uniquement les photocapteurs (6) selon un pas 2p.
14. Interface selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu’elle comporte un module de commande (8) qui comprend un premier élément de calcul (9) adapté à calculer la somme (Si) des valeurs d’intensités lumineuses détectées par les photocapteurs (6), en appliquant à chacun un coefficient de pondération.
15. Interface selon la revendication 14 lorsqu’elle dépend de la revendication 7, caractérisée en ce que le module de commande (8) comprend un deuxième élément de calcul (10) adapté à calculer la somme (S2) des valeurs d’intensités lumineuses détectées par les photocapteurs (6) considérés selon la deuxième pondération, en appliquant à chacun un coefficient de pondération.
16. Interface selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le moyen d’éclairage (7) comporte une pluralité d’émetteurs lumineux insérés de manière régulière entre les photocapteurs (6) et orientés vers la zone de détection.
17. Interface selon la revendication 16, caractérisée en ce que les émetteurs lumineux présentent chacun un cône de luminosité définissant les angles dans lesquels l’émetteur lumineux émet un rayonnement lumineux, les émetteurs lumineux ayant des cônes de luminosité qui se recouvrent.
18. Interface selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le moyen d’éclairage (7) est adapté à scintiller à une fréquence, et en ce que les signaux de sortie de chaque photocapteur (6) sont démodulés à cette même fréquence.
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