TWI493425B - 近平面物體感測裝置及感測方法 - Google Patents

近平面物體感測裝置及感測方法 Download PDF

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    • G06F3/046—Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means by electromagnetic means

Description

近平面物體感測裝置及感測方法
本發明係關於一種物體感測裝置及感測方法，尤其是關於一種利用電磁感應技術之近平面物體感測裝置及感測方法。
隨著科技長足的發展，電子裝置的體積不斷縮小且運算功能越來越強大，而電子裝置的輸入介面與輸出方式亦有了很大的改變。最早期係使用打卡機輸入程式，接著發展為以鍵盤輸入並由螢幕顯示的文字為主(Text-based)之使用者介面，近期發展出使用圖形化介面(Graphical User Interface,GUI)的視窗作業系統，令使用者能以螢幕上之圖形配合滑鼠更簡單地操作電子裝置。然而，圖形化介面仍未能脫離鍵盤、滑鼠及螢幕的配置，使用者仍需要熟悉鍵盤輸入法及滑鼠的操作。因此，近年來新的互動方式不斷地被提出，例如實體使用者介面(Tangible user interface,TUI)或是觸控技術(Touch Technology)等，均以更接近人的自然行為操作為目標，希望能讓使用者以更直覺的方式來與電子裝置進行互動，而這樣的理念逐漸受到重視而成為未來人機互動的重要發展方向。
惟，習知技術中的實體使用者介面仍以基於二維平面的觸控技術為主，雖然亦有利用電腦視覺技術或傳統電磁感應技術來達成使用者不需接觸螢幕即可進行操控的三維人機互動介面，但電腦視覺技術容易因為遮蔽(Occlusion)效應造成操作上的死角，而低頻電磁感應技術雖能避免遮蔽干擾而對物體進行偵測，但習知技術中能避免遮蔽干擾的電磁感測技術之便攜性均不足，且被偵測物件本體亦需電源供應才能運作，此外，習知技術中之電磁感測技術不易區分使用者之指尖及外部磁性物體的差異以及不易感測外部磁性物體之傾斜(tilting)、盤旋(hovering)及旋轉(rolling)等行為。
因此，如何提供一種近平面物體感測裝置及感測方法，能夠準確地感測外部物體的六維座標位置，以提供使用者更多樣化且直覺的操作方式，且能夠有效避免遮蔽效應，同時具有輕量化、可攜性高並易於安裝在各種電子裝置上的特點，遂成為目前本領域技術人員亟待解決的課題。
為解決前述習知技術之缺點，本發明之目的在於提供一種近平面物體感測裝置，包括：電路板；複數磁性感測元件，係以陣列形式設置於該電路板上，且與該電路板電性連接，以感測外部磁性物體之磁場並產生磁性感測訊號；多工器，係與各該磁性感測元件電性連接，以選擇所欲輸出之該磁性感測訊號；以及微處理器，係與該多工器電性連接以接收該磁性感測訊號，該微處理器包括取樣運 算模組，係用以將該磁性感測訊號轉換為磁場分佈圖；及六維座標計算模組，係用以依據該磁場分佈圖計算該外部磁性物體之六維座標位置。
本發明復提供一種近平面物體感測裝置，包括：電路板，係與至少一電子裝置電性連接；複數磁性感測元件，係以陣列形式設置於該電路板上並與該電路板電性連接，以感測外部磁性物體之磁場並產生磁性感測訊號；多工器，係與各該磁性感測元件電性連接，以選擇所欲輸出之該磁性感測訊號；以及微處理器，係與該多工器電性連接以接收該磁性感測訊號，用以將該磁性感測訊號轉換為磁場分佈圖，並將該磁場分佈圖傳送予該電子裝置，其中，該電子裝置具有六維座標計算模組，以依據該磁場分佈圖計算該外部磁性物體之六維座標位置。
本發明再提供一種近平面物體感測方法，包括：(1)藉由以陣列形式設置於電路板上之複數磁性感測元件感應外部磁性物體之磁場並產生磁性感測訊號；(2)將該磁性感測訊號轉換為N極與S極磁場分佈圖，並找出該N極與S極磁場分佈圖上對應該外部磁性物體的第一磁場強度影像；(3)計算該第一磁場強度影像之重心以得到該外部磁性物體於該複數磁性感測元件所在之平面上的位置，並依據該第一磁場強度影像所對應的磁場強度計算外部磁性物體相對於該複數磁性感測元件所在之平面的高度；(4)濾除該第一磁場強度影像中磁場強度高於預定閥值以得到第二磁場強度影像，再比對該第二磁場強度影像及該第一磁場強 度影像之極性與位置，以判定該外部磁場物體係為可傾斜物體或可旋轉物體，其中，該可傾斜物體之第二磁場強度影像係位於該第一磁場強度影像內部且具有與該第一磁場強度影像相同之極性，又該可旋轉物體具有二相鄰的不同極性之第二磁場強度影像，且該可旋轉物體之第二磁場強度影像之間的距離小於一預設值；(5)計算該可傾斜物體之第二磁場強度影像之重心，再藉由該可傾斜物體之第一磁場強度影像之重心及該可傾斜物體之第二磁場強度影像之重心以形成第一向量，並依據該第一向量求得該外部磁場物體之俯仰角度及平擺角度；以及(6)計算該可旋轉物體之第二磁場強度影像之重心以形成第二向量，並以該第二向量之中心點為圓心，依據該第二向量之方向求得該外部磁場物體之旋轉角度。
相較於習知技術，本發明之近平面物體感測裝置及感測方法於電路板上設置磁性感測元件，具有輕薄、低耗電等特性，且欲偵測之外部磁性物體能使用永磁性材料作為訊號來源，無需額外供電。此外，本發明之近平面物體感測裝置及感測方法具有六維座標計算模組，能準確可靠地計算外部磁性物體在磁性感測元件所在平面的近平面空間中的三維位置(x,y,z)以及三維方向資訊(旋轉、俯仰及平擺)，以提供使用者更方便且直覺的實體使用者介面。
1,2‧‧‧近平面物體感測裝置
10‧‧‧電路板
11‧‧‧磁性感測元件
12‧‧‧多工器
13‧‧‧微處理器
131‧‧‧取樣運算模組
132‧‧‧六維座標計算模組
14‧‧‧電子裝置
141‧‧‧六維座標計算模組
15‧‧‧外部磁性物體
16‧‧‧保護層
17‧‧‧類比轉數位模組
18‧‧‧非磁性墊片
S31~S36‧‧‧步驟
Ci, Ci S ,Ci N ‧‧‧第一磁場強度影像
Oi ‧‧‧第一磁場強度影像之重心
Ci ’,Ci ’N ,Ci ’S ‧‧‧第二磁場強度影像
Oi ’,Oi ’N ,Oi ’S ‧‧‧第二磁場強度影像之重心
‧‧‧第一向量
‧‧‧第二向量
第1A圖係為本發明之近平面物體感測裝置之一實施例的結構示意圖； 第1B及1C圖係為本發明之近平面物體感測裝置與外部電子裝置之結合方式的示意圖；第2圖本發明之近平面物體感測裝置之另一實施例的結構示意圖；第3圖係為係為本發明之近平面物體感測方法的流程圖；以及第4A至4D圖係為使用本發明之近平面物體感測裝置進行近平面物體感測之過程的示意圖。
以下係藉由特定的具體實施例說明本發明之實施方式，本領域中具有通常知識者可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之其他優點與功效。本發明亦可藉由其他不同的具體實施例加以施行或應用，本說明書中之各項細節亦可基於不同觀點及應用，在不悖離本發明之精神下進行各種修飾與變更。
第1A圖係為本發明之近平面物體感測裝置之一實施例的結構示意圖。如圖所示，本發明之近平面物體感測裝置1包括電路板10、複數磁性感測元件11、多工器12、以及微處理器13。
電路板10可與外部之電子裝置14電性連接，該外部之電子裝置14可例如為智慧型手機、平板電腦、筆記型電腦、桌上型電腦、手寫板或遊戲機等等，其中，該電路板可貼合於該外部之電子裝置14(如第1B圖所示)，亦可以與該外部之電子裝置14作為分離的二個部份而透過有線 或無線之方式電性連接以傳輸所產生的資料(如第1C圖所示)。
複數磁性感測元件11係以陣列形式設置於該電路板10上，且與該電路板10電性連接，以感測外部磁性物體15之磁場並產生磁性感測訊號。
於一實施態樣中，該複數磁性感測元件11係為霍爾效應(Hall-effect)感測器。
於另一實施態樣中，該複數磁性感測元件11上復包括有保護層16，以避免該些磁性感測元件11受到外在環境之損害。
多工器12係與各該磁性感測元件11電性連接，以選擇所欲輸出之該磁性感測訊號。於一實施態樣中，本發明之近平面物體感測裝置1復包括類比轉數位模組17，係與該多工器12電性連接，以進行該磁性感測訊號之數位/類比轉換。
微處理器13係與該多工器12電性連接以接收該磁性感測訊號，包括用以將該磁性感測訊號轉換為磁場分佈圖的取樣運算模組131，及用以依據該磁場分佈圖計算該外部磁性物體15之六維座標位置的六維座標計算模組132。
於一實施態樣中，該取樣運算模組131係採用基於雙立方內差運算(Bicubic Interpolation)的超取樣(oversampling)方式進行取樣。
於另一實施態樣中，該六維座標計算模組132所計算之六維座標位置係為直角座標系中的三維座標位置以及該 外部磁性物體15的俯仰角度、平擺角度及旋轉角度。
第2圖係為本發明之近平面物體感測裝置之另一實施例的結構示意圖。如圖所示，本發明之近平面物體感測裝置2包括電路板10、複數磁性感測元件11、多工器12、以及微處理器13。其與第一實施例之差異係在於該微處理器13僅包括取樣運算模組131，用以將磁性感測訊號轉換為磁場分佈圖並傳送給所連接之至少一電子裝置14，其中，該電子裝置14具有六維座標計算模組141，以依據該磁場分佈圖計算該外部磁性物體15之六維座標位置。此外，其它特徵與第一實施例類似，故不再贅述。
第3圖係為係為本發明之近平面物體感測方法之一實施例的流程圖。如圖所示，本發明之近平面物體感測方法包括下列步驟S31至S36。
於步驟S31中，藉由以陣列形式設置於電路板10上之複數磁性感測元件11感應外部磁性物體15之磁場並產生磁性感測訊號，其中，部分外部磁性物體15下方設有非磁性墊片18，以使該部份外部磁性物體15傾斜地置於電路板10上，如第4A圖所示。
於步驟S32中，將該磁性感測訊號轉換為N極與S極磁場分佈圖，並找出該N極與S極磁場分佈圖上對應該外部磁性物體15的第一磁場強度影像Ci ，如第4B圖所示。
於本實施例中，於找出該N極與S極磁場分佈圖上對應該外部磁性物體15的第一磁場強度影像Ci 前，復包括濾除該N極與S極磁場分佈圖中磁場強度低於預定閥值的雜訊。
於步驟S33中，計算該第一磁場強度影像Ci 之重心Oi 以得到該外部磁性物體15於該複數磁性感測元件11所在之平面上的位置，並依據該第一磁場強度影像Ci 所對應的磁場強度計算外部磁性物體15相對於該複數磁性感測元件11所在之平面的高度。
於步驟S34中，濾除該第一磁場強度影像Ci 、Ci S 、Ci N 中磁場強度高於預定閥值之部分以得到第二磁場強度影像Ci ’，再比對該第二磁場強度影像Ci ’及該第一磁場強度影像Ci 之極性與位置，以判定該外部磁場物體15係為可傾斜(tiltable)物體或可旋轉(rollable)物體，其中，該可傾斜物體之第二磁場強度影像Ci ’係位於該第一磁場強度影像Ci 內部且具有與該第一磁場強度影像Ci 相同之極性，又該可旋轉物體具有二相鄰的不同極性之第二磁場強度影像Ci ’，且該可旋轉物體之第二磁場強度Ci ’影像之間的距離小於一預設值。
於步驟S35中，計算該可傾斜物體之第二磁場強度影像Ci ’之重心Oi ’，再藉由該可傾斜物體之第一磁場強度影像Ci 之重心Oi 及該可傾斜物體之第二磁場強度影像Ci ’之重心Oi ’以形成第一向量，並依據該第一向量之方向及大小，求得該外部磁場物體之俯仰(pinch)角度及平擺(yaw)角度，以表示外部磁場物體15的傾斜狀態，如第4C圖所示。
於步驟S36中，計算該可旋轉物體之二不同極性的第二磁場強度影像Ci ’N 及Ci ’S 之重心Oi ’N 及Oi ’S 以形成第二 向量，並以該第二向量之中心點為圓心，依據該第二向量之方向求得該外部磁場物體15之旋轉(roll)角度，如第4D圖所示。
綜上所述，本發明之近平面物體感測裝置及感測方法，藉由將磁性感測元件整合於電路板上，使本發明之近平面物體感測裝置具有輕量化且易於安裝在各種電子裝置上的特點。再者，藉由取樣運算模組及六維座標計算模組，本發明除了能夠可靠地感測外部磁性物體的三維座標位置之外，更能夠準確地計算外部磁性物體的俯仰角度、平擺角度及旋轉角度，以提供使用者更方便且直覺的實體使用者介面。
上述實施例僅為例示性說明本發明之原理及其功效，而非用於限制本發明。任何本領域中具有通常知識者均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與變化。
1‧‧‧近平面物體感測裝置
10‧‧‧電路板
11‧‧‧磁性感測元件
12‧‧‧多工器
13‧‧‧微處理器
131‧‧‧取樣運算模組
132‧‧‧六維座標計算模組
15‧‧‧外部磁性物體
16‧‧‧保護層
17‧‧‧類比轉數位模組

Claims (10)

  1. 一種近平面物體感測裝置，包括：電路板；複數磁性感測元件，係以陣列形式設置於該電路板上，且與該電路板電性連接，以感測外部磁性物體之磁場並產生磁性感測訊號；多工器，係與各該磁性感測元件電性連接，以選擇所欲輸出之該磁性感測訊號；以及微處理器，係與該多工器電性連接以接收該磁性感測訊號，包括：取樣運算模組，係用以將該磁性感測訊號轉換為磁場分佈圖；及六維座標計算模組，係用以依據該磁場分佈圖計算該外部磁性物體之六維座標位置，其中，該六維座標位置係為直角座標系中的三維座標位置以及俯仰角度、平擺角度及旋轉角度。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之近平面物體感測裝置，其中，該複數磁性感測元件係為霍爾效應感測器。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之近平面物體感測裝置，復包括保護層，係位於該複數磁性感測元件上，用以避免該些磁性感測元件受到外在環境之損害。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之近平面物體感測裝置，復包括類比轉數位模組，係與該多工器電性連接，以進行該磁性感測訊號之數位/類比轉換。
  5. 一種近平面物體感測裝置，包括：電路板，係與至少一電子裝置電性連接；複數磁性感測元件，係以陣列形式設置於該電路板上並與該電路板電性連接，以感測外部磁性物體之磁場並產生磁性感測訊號；多工器，係與各該磁性感測元件電性連接，以選擇所欲輸出之該磁性感測訊號；以及微處理器，係與該多工器電性連接以接收該磁性感測訊號，用以將該磁性感測訊號轉換為磁場分佈圖，並將該磁場分佈圖傳送予該電子裝置，其中，該電子裝置具有六維座標計算模組，以依據該磁場分佈圖計算該外部磁性物體之六維座標位置，其中，該六維座標位置係為直角座標系中的三維座標位置以及俯仰角度、平擺角度及旋轉角度。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之近平面物體感測裝置，其中，該複數磁性感測元件係為霍爾效應感測器。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之近平面物體感測裝置，復包括保護層，係位於該複數磁性感測元件上，用以避免該些磁性感測元件受到外在環境之損害。
  8. 如申請專利範圍第5項所述之近平面物體感測裝置，復包括類比轉數位模組，係與該多工器電性連接，以進行該磁性感測訊號之數位/類比轉換。
  9. 一種近平面物體感測方法，包括：(1)藉由以陣列形式設置於電路板上之複數磁性感 測元件感應外部磁性物體之磁場並產生磁性感測訊號；(2)將該磁性感測訊號轉換為N極與S極磁場分佈圖，並找出該N極與S極磁場分佈圖上對應該外部磁性物體的第一磁場強度影像；(3)計算該第一磁場強度影像之重心以得到該外部磁性物體於該複數磁性感測元件所在之平面上的位置，並依據該第一磁場強度影像所對應的磁場強度計算外部磁性物體相對於該複數磁性感測元件所在之平面的高度；(4)濾除該第一磁場強度影像中磁場強度高於預定閥值之部分以得到第二磁場強度影像，再比對該第二磁場強度影像及該第一磁場強度影像之極性與位置，以判定該外部磁場物體係為可傾斜物體或可旋轉物體，其中，該可傾斜物體之第二磁場強度影像係位於該第一磁場強度影像內部且具有與該第一磁場強度影像相同之極性，又該可旋轉物體具有二相鄰的不同極性之第二磁場強度影像，且該可旋轉物體之第二磁場強度影像之間的距離小於一預設值；(5)計算該可傾斜物體之第二磁場強度影像之重心，再藉由該可傾斜物體之第一磁場強度影像之重心及該可傾斜物體之第二磁場強度影像之重心以形成第一向量，並依據該第一向量求得該外部磁場物體之俯仰角度及平擺角度；以及 (6)計算該可旋轉物體之二第二磁場強度影像之重心以形成第二向量，並以該第二向量之中心點為圓心，依據該第二向量之方向求得該外部磁場物體之旋轉角度。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之近平面物體感測方法，其中，步驟(2)於找出該N極與S極磁場分佈圖上對應該外部磁性物體的第一磁場強度影像前，復包括濾除該N極與S極磁場分佈圖之雜訊。
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