專利名稱：一種計(jì)算機(jī)輸入系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種計(jì)算機(jī)輸入系統(tǒng)，是替代鍵盤、鼠標(biāo)、觸摸板、書寫板和觸摸屏等常用輸入設(shè)備的計(jì)算機(jī)輸入系統(tǒng)。
鍵盤、鼠標(biāo)、手寫板、觸摸板和觸摸屏等常見的計(jì)算機(jī)輸入設(shè)備大多已成為計(jì)算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)，即使它們有著各自的不足，人們?cè)趹?yīng)用計(jì)算機(jī)的同時(shí)也不得不接受這些設(shè)備的種種缺陷。總結(jié)這些常用的計(jì)算機(jī)的輸入裝置的特性，不難知道它們有如下缺陷鍵盤它需要和鼠標(biāo)結(jié)合使用，通過(guò)鍵盤不能快速將光標(biāo)移到屏幕上的任意位置，也很難用鍵盤進(jìn)行圖形操作。通常只能輸入字母和數(shù)字符號(hào)，以及其他幾個(gè)功能鍵。源于西方的鍵盤有利于拼音文字字母的輸入，而對(duì)于漢字這樣的象形文字的輸入從根本上存在很大障礙?，F(xiàn)存的多種通過(guò)鍵盤輸入漢字的輸入法，一方面因多鍵操作影響輸入效率，另一方面需要死記部分輸入規(guī)則。因?yàn)殒I盤上看不出完整的漢字符號(hào)，使得這些輸入方法使用起來(lái)不能直觀方便，試圖通過(guò)鍵盤來(lái)輸入象形文字和圖形有先天的不足。
鼠標(biāo)鼠標(biāo)的移動(dòng)是線形的不間斷的移動(dòng)。如果要將屏幕上鼠標(biāo)從一點(diǎn)移動(dòng)到目標(biāo)處，需要使用者在此期間始終與鼠標(biāo)保持接觸，不僅占用了使用者較多的時(shí)間，同時(shí)需要使用者保持對(duì)鼠標(biāo)的注意力，限制了手的運(yùn)動(dòng)自由和使用方式。
觸摸板現(xiàn)有觸摸板的功能是代替?zhèn)鹘y(tǒng)的滾動(dòng)式鼠標(biāo)、點(diǎn)狀或柱狀鼠標(biāo)起作用的，它也有前述傳統(tǒng)鼠標(biāo)的移動(dòng)低效率、限制使用者手部運(yùn)動(dòng)自由、較多耗費(fèi)使用者注意力的等缺陷。另外，它只采集了使用者手部的極少信息，不能解讀使用者手部的多種動(dòng)作。
手寫板不具備鍵盤在輸入規(guī)定符號(hào)、字母、數(shù)字時(shí)的快捷性和直觀性，用途單一。手寫板只能接受單點(diǎn)信息，一次輸入的是平面上的單個(gè)點(diǎn)或單線條，而不反映同時(shí)觸及它上面的不連續(xù)的多個(gè)位置的信息。所接收或反映的使用者的信息量少，使用者手部的大量信息沒(méi)有得到利用，人機(jī)交流水平受到限制。
觸摸屏使用者在觸摸屏上用手指點(diǎn)時(shí)，手會(huì)遮擋觸摸屏，多人同時(shí)觀看觸摸屏上的內(nèi)容受到限制。在觸摸屏上指點(diǎn)，使用者必須首先抬起上臂，長(zhǎng)時(shí)間抬動(dòng)手臂也會(huì)導(dǎo)致疲勞。這些局限使得其只能常擺放在大廳等少數(shù)地方作為輔助服務(wù)設(shè)備使用。
有關(guān)計(jì)算機(jī)輸入系統(tǒng)的公開專利信息CN1291316A號(hào)發(fā)明專利公告公布了一種圖像檢測(cè)操作者輸入裝置，只是檢測(cè)某一裝置表面預(yù)設(shè)圖形變化的情況，且只是基于輸入裝置的移動(dòng)，只能得到相對(duì)位移信息。尤其重要的是，它并沒(méi)有將使用者手(或指定物)的形態(tài)(或影像)影射到計(jì)算機(jī)顯示屏幕上去讓使用者隨時(shí)了解自己的手(或指定物)的形態(tài)或位置。
CN1322982A號(hào)發(fā)明專利公告(與本發(fā)明同屬一個(gè)發(fā)明專利申請(qǐng)人)公布了一種感應(yīng)器感應(yīng)手部信息，通過(guò)感應(yīng)信息處理系統(tǒng)提取信息特征并依此特征信息作為計(jì)算機(jī)操作的指令。但是該專利未說(shuō)明使用者手(或指定物)在三維空間中形態(tài)的信息獲取和利用。本發(fā)明在利用使用者手部(或指定物)在三維空間的信息方面作了改進(jìn)和補(bǔ)充。
本發(fā)明的設(shè)計(jì)思想本發(fā)明通過(guò)采集計(jì)算機(jī)操作者的手(和手指)或計(jì)算機(jī)操作者指定物的空間形態(tài)信息，提取其特征信息并將特征信息發(fā)送給計(jì)算機(jī)系統(tǒng)處理形成計(jì)算機(jī)操作指令。計(jì)算機(jī)將操作者的手(和手指)(或指定物)的空間形態(tài)信息(或影像)在計(jì)算機(jī)顯示屏上表現(xiàn)出來(lái)使得操作者感受到自己的手或指定物在空間的位置，同時(shí)計(jì)算機(jī)執(zhí)行分析操作者手(或指定物)的特征信息而形成計(jì)算機(jī)操作指令。
本發(fā)明的技術(shù)方案圖1顯示出手(或指定物)、圖像感應(yīng)裝置和感應(yīng)信息特征提取裝置，以及計(jì)算機(jī)顯示屏之間的空間相對(duì)關(guān)系，其中計(jì)算機(jī)顯示屏上的有效顯示表面與圖像感應(yīng)裝置的有效感應(yīng)表面是大小成比例的對(duì)應(yīng)關(guān)系的。對(duì)于除手以外的其他計(jì)算機(jī)操作者用來(lái)作指定的物體(文中簡(jiǎn)稱為指定物。例如筆狀物，小木棍或其他替代手指功能的替代物等)可以和手作同樣處理，獲得同樣的結(jié)果。
圖1中，手(或指定物)(1)的空間運(yùn)動(dòng)被圖像感應(yīng)裝置(2)所捕獲，通過(guò)圖像信息特征提取裝置(8)將手(或指定物)的空間形態(tài)的特征信息提取出來(lái)，經(jīng)傳輸線(9)傳給計(jì)算機(jī)處理(若采用無(wú)線傳輸?shù)姆绞讲挥绊懕景l(fā)明的實(shí)施)，并作為引導(dǎo)計(jì)算機(jī)操作的信息的輸入，即作為計(jì)算機(jī)操作的外部操作指令的輸入。
計(jì)算機(jī)處理完這些空間形態(tài)的特征信息后，形成計(jì)算機(jī)操作指令，同時(shí)在計(jì)算機(jī)顯示器的屏幕(6)上顯示出手(或指定物)的映射圖形(4)和手(1)(或指定物)在圖像感應(yīng)裝置(2)的表面上所劃過(guò)的軌跡(3)的映射圖形(5)，這種映射圖形是手(或指定物)的空間形態(tài)在計(jì)算機(jī)屏幕上的直觀反映，讓計(jì)算機(jī)操作者能適時(shí)感受到手(或指定物)的空間形態(tài)和位置。這種對(duì)計(jì)算機(jī)的信息輸入操作一改傳統(tǒng)的依賴鼠標(biāo)和鍵盤及其他現(xiàn)有輸入設(shè)備的方式，使得人機(jī)交流完全在互動(dòng)狀態(tài)下進(jìn)行，界面友好、信息交換量大且快捷，能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有輸入設(shè)備的所有功能，并容易進(jìn)行直接的圖形、圖像輸入，象形文字的輸入也更加方便和快捷。
圖1中手(或指定物)的空間形態(tài)的特征信息包括整個(gè)手(包括各個(gè)手指)(或指定物)的空間位置、移動(dòng)方向和速度。如果手(或指定物)與圖像感應(yīng)裝置(2)的表面有接觸，在圖像感應(yīng)裝置(2)的表面上的接觸壓力大小、位移的時(shí)間和速度信息(其他信息，如手指指紋信息、紅外、聲波、電容、地磁信息等)也是手的空間形態(tài)的特征信息的一部分。
圖1中，手(1)(或指定物)的運(yùn)動(dòng)是空間的任意運(yùn)動(dòng)和在圖像感應(yīng)裝置(2)的表面上的移動(dòng)、敲擊、停留，上述移動(dòng)、敲擊、停留分別包括了各自運(yùn)動(dòng)的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)、單點(diǎn)和多點(diǎn)、快速與慢速和停止等運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)。
圖1中，手(1)(或指定物)在空間運(yùn)動(dòng)，在圖像感應(yīng)裝置(2)的表面上劃過(guò)的軌跡(3)，在計(jì)算機(jī)顯示器的屏幕(6)上的對(duì)應(yīng)位置處會(huì)顯示出相應(yīng)的手(1)(或指定物)和軌跡(3)的所對(duì)應(yīng)的可視的映射圖形(4)和(5)。這種映射圖形與原物之間是邏輯上的對(duì)應(yīng)關(guān)系，不是三維方向上的尺寸大小的一一對(duì)應(yīng)相等，但大小上可成一定的比例關(guān)系，位置和運(yùn)動(dòng)方向成對(duì)應(yīng)關(guān)系。
通過(guò)圖1的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，手(或指定物)的許多靜、動(dòng)態(tài)信息經(jīng)過(guò)了可視化處理，計(jì)算機(jī)操作者只通過(guò)手(或指定物)的簡(jiǎn)單手勢(shì)和特定動(dòng)作，即可完成對(duì)計(jì)算機(jī)的操作。手(或指定物)的空間形態(tài)通過(guò)可視化處理后作為計(jì)算機(jī)控制指令及計(jì)算機(jī)能夠感受到的事件發(fā)生，實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)、觸摸板、觸摸屏和手寫板的功能，通過(guò)可視化鍵盤技術(shù)(比如通過(guò)計(jì)算機(jī)屏幕上的軟鍵盤操作)也可實(shí)現(xiàn)鍵盤功能。
圖像信息的獲取和圖像信息的處理的現(xiàn)有設(shè)備及技術(shù)有許多種，很多都可以應(yīng)用于本發(fā)明。常用的用于可見光的成像元器件有CCD攝像器件、MOS陣列攝像器件、攝像管，以及其他光電轉(zhuǎn)換器件諸如可變靈敏度光電檢測(cè)器件(VSPD)和一些光電功能超薄膜等。
圖像感應(yīng)裝置的表面(感應(yīng)面)可采用類似觸摸屏的器件。這樣，圖像感應(yīng)裝置不僅可以采集操作者手或指定物在三維空間的形態(tài)圖像，而且可以采集其在感應(yīng)面上的感應(yīng)信息(壓力、熱量、電和磁信號(hào)、聲波信號(hào)等)。
計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)本發(fā)明的工作環(huán)境要求，除了可以在MicrosoftWindows操作系統(tǒng)平臺(tái)上運(yùn)行外，也可以在Linux操作系統(tǒng)下運(yùn)行。所不同的只是要開發(fā)針對(duì)個(gè)別操作系統(tǒng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。
計(jì)算機(jī)接口的選擇計(jì)算機(jī)接口的選擇也沒(méi)有限制，無(wú)論是USB接口、串口、并口還是PCI接口，都是可行的。接口選擇的技術(shù)障礙并不存在。
鼠標(biāo)功能的實(shí)現(xiàn)由于可以將使用者手(或指定物)的形態(tài)(影像)影射到計(jì)算機(jī)顯示屏上，使用者只需要看顯示屏就知道自己手部的位置。當(dāng)手(或指定物)觸摸到圖像感應(yīng)裝置的表面(圖1中標(biāo)號(hào)為2的部分)上時(shí)，計(jì)算機(jī)就根據(jù)設(shè)計(jì)的設(shè)定，判定是否為按動(dòng)動(dòng)作。當(dāng)然，也同樣可以設(shè)定單擊、雙擊、左擊、右擊等一系列手部動(dòng)作的識(shí)別模式。圖4直觀說(shuō)明當(dāng)手在圖像感應(yīng)裝置的表面時(shí)，其形態(tài)影射到計(jì)算機(jī)屏幕上的影像。
動(dòng)態(tài)化的軟鍵盤的啟用圖4同樣說(shuō)明在本發(fā)明中，軟鍵盤是如何起作用的。當(dāng)使用者在圖像感應(yīng)裝置的表面敲擊時(shí)，他隨時(shí)在屏幕上看到的是自己的手(或指定物)在軟鍵盤上的敲擊。軟鍵盤的設(shè)計(jì)由需要和方便性來(lái)決定。我們至此可以做到鍵盤的動(dòng)態(tài)化和豐富化。傳統(tǒng)鍵盤的所有功能因此而輕易實(shí)現(xiàn)了。
觸摸板和書寫板功能的實(shí)現(xiàn)由于圖像感應(yīng)裝置的表面能夠讀取使用者手(或指定物)在上面的觸摸信息和手的形態(tài)信息，再通過(guò)軟件對(duì)這些觸摸信息的處理，本發(fā)明自然也就實(shí)現(xiàn)了觸摸板的現(xiàn)有功能。
觸摸屏功能的實(shí)現(xiàn)由于本發(fā)明能夠?qū)⑹褂谜呤?或指定物)的影像影射到計(jì)算機(jī)顯示屏上，自然使用者通過(guò)移動(dòng)自己的手的位置就可以調(diào)整手的影像在屏幕上的位置，手的影像在顯示屏上因而起到了指示的作用，觸摸屏的功能就實(shí)現(xiàn)了。
輸入法的選擇各類現(xiàn)有輸入法，在采用了本發(fā)明的輸入系統(tǒng)后，從理論上說(shuō)都可以繼續(xù)使用。只要將現(xiàn)有各類輸入法在顯示屏上的界面作些變動(dòng)，比如增大軟鍵盤的面積以利于手的操作，增大選擇項(xiàng)提示窗口以提高選擇效率和方便操作，豐富軟鍵盤的設(shè)計(jì)使得使用者有更多的選擇選擇等，這樣在采用了本發(fā)明后，現(xiàn)有各類輸入法不僅可以繼續(xù)使用而且會(huì)使用的效率會(huì)更高，使用也會(huì)更加便捷。
總之，本發(fā)明通過(guò)采集計(jì)算機(jī)使用者手(或指定物)在空間的形態(tài)信息和在圖像感應(yīng)裝置表面的觸摸信息，將使用者手(或指定物)的形態(tài)(影像)影射到顯示屏上，并且通過(guò)軟件設(shè)計(jì)對(duì)手(或指定物)的形態(tài)和動(dòng)作進(jìn)行分析向計(jì)算機(jī)發(fā)出操作指令，結(jié)合使用屏幕上的軟鍵盤，就完全實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)意義上的鍵盤、鼠標(biāo)、書寫板、觸摸板和觸摸屏的功能。
關(guān)于使用者手(或指定物)在空間形態(tài)的信息以及從中提取的特征信息的處理，這些涉及常用的計(jì)算機(jī)外設(shè)驅(qū)動(dòng)程序的編寫技術(shù)和圖像數(shù)據(jù)處理技術(shù)，這些計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)都是公開和成熟的，這里不再贅述。


圖1手(或指定物)的圖像檢測(cè)計(jì)算機(jī)輸入裝置系統(tǒng)原理圖；1—手(或指定物)；2—圖像感應(yīng)裝置；3—手(或指定物)劃過(guò)的軌跡；4—手(或指定物)的圖形映射；5—手(或指定物)劃過(guò)的軌跡的圖形映射；6—計(jì)算機(jī)顯示屏幕；7—計(jì)算機(jī)主機(jī)；8—圖像信息特征提取裝置；
9—傳輸線圖2帶DSP實(shí)現(xiàn)的圖像檢測(cè)信息采集和傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖3不帶DSP實(shí)現(xiàn)的圖像檢測(cè)信息采集和傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖4使用者使用本發(fā)明時(shí)的顯示界面示意圖。
實(shí)施例作為一個(gè)例證的實(shí)例，采用CCD(電荷耦合器件—ChargedCoupled Device)攝像頭作為圖像信息獲取的傳感器。圖2給出了由光學(xué)鏡頭與CCD圖像傳感器組成的CCD攝像頭、A/D轉(zhuǎn)換器、DSP處理器、計(jì)算機(jī)接口、計(jì)算機(jī)主機(jī)、計(jì)算機(jī)顯示器組成的手形圖像信息采集和傳輸系統(tǒng)。在這一系統(tǒng)中，手的空間形態(tài)通過(guò)CCD攝像頭轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào)的模擬量，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器變換成數(shù)字信號(hào)，送入數(shù)字信號(hào)處理器DSP進(jìn)行信號(hào)處理和圖像處理。DSP處理后輸出手的空間形態(tài)的特征信息，計(jì)算機(jī)對(duì)此特征信息進(jìn)行進(jìn)一步處理，在計(jì)算機(jī)顯示器的屏幕上顯示出相應(yīng)的映射圖形，并解讀特征信息產(chǎn)生相應(yīng)的計(jì)算機(jī)操作。在這一過(guò)程中，手的移動(dòng)距離、移動(dòng)方向、移動(dòng)快慢經(jīng)DSP處理器處理后，能適時(shí)地傳給計(jì)算機(jī)作為特征信息的一部分，手指的敲擊(單擊、雙擊、多擊)等特定動(dòng)作也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的特征信息傳入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)依據(jù)這些由圖像處理而得到的特征信息進(jìn)行操作。
作為一個(gè)例證的實(shí)例，還可以采用紅外CCD攝像頭器件，其圖像信息的產(chǎn)生和處理過(guò)程同上。
為了充分利用計(jì)算機(jī)的資源，減少制造成本，本發(fā)明提出又一種實(shí)現(xiàn)方案。如圖3所示。圖中給出了由光學(xué)鏡頭與CCD圖像傳感器組成的CCD攝像頭、A/D轉(zhuǎn)換器、計(jì)算機(jī)接口、計(jì)算機(jī)主機(jī)、計(jì)算機(jī)顯示器組成的手形圖像信息采集和傳輸系統(tǒng)。在這一系統(tǒng)中，手的空間形態(tài)通過(guò)CCD攝像頭轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào)的模擬量，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器變換成數(shù)字信號(hào)，由計(jì)算機(jī)接口直接傳入計(jì)算機(jī)主機(jī)，并由計(jì)算機(jī)主機(jī)直接進(jìn)行圖像處理，提取出手的空間形態(tài)的特征信息，進(jìn)而通過(guò)這些特征信息產(chǎn)生相應(yīng)的計(jì)算機(jī)操作，同時(shí)在計(jì)算機(jī)顯示器的屏幕上的相應(yīng)位置處顯示相應(yīng)的映射圖形。這種系統(tǒng)構(gòu)成將原先DSP處理器的信號(hào)處理和圖像處理的工作轉(zhuǎn)移給計(jì)算機(jī)主機(jī)來(lái)完成，系統(tǒng)構(gòu)成相對(duì)簡(jiǎn)單，計(jì)算機(jī)主機(jī)將需要完成全部輸入圖像數(shù)據(jù)的處理。
在前述硬件系統(tǒng)構(gòu)成的基礎(chǔ)上，通過(guò)重新編寫驅(qū)動(dòng)程序，利用現(xiàn)有的成熟和公開的計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)就可以很好地在現(xiàn)有的流行的操作系統(tǒng)平臺(tái)上運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)本專利的所有功能。
權(quán)利要求
1.一種計(jì)算機(jī)輸入系統(tǒng)，由圖像感應(yīng)裝置和圖像信息特征提取裝置組成，其特征在于圖像感應(yīng)裝置獲取手(或指定物)在空間的形態(tài)信息，圖像信息特征提取裝置提取出手(或指定物)的空間形態(tài)的特征信息并傳入計(jì)算機(jī)主機(jī)，在計(jì)算機(jī)顯示器屏幕上顯示出手(或指定物)的空間形態(tài)(或其影像)，同時(shí)計(jì)算機(jī)依據(jù)所傳入的特征信息產(chǎn)生計(jì)算機(jī)操作指令。
2.依據(jù)權(quán)利要求1所述的計(jì)算機(jī)輸入系統(tǒng)，其特征在于圖像感應(yīng)裝置獲得手(或指定物)的空間形態(tài)是指手(或指定物)在空間的位置和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息，包括整個(gè)手(和手指)(或指定物)在三維空間的位置信息、運(yùn)動(dòng)的方向和速度信息，也包括手(和手指)(或指定物)與圖像感應(yīng)裝置感應(yīng)面上的(單點(diǎn)或多點(diǎn))感應(yīng)點(diǎn)的坐標(biāo)和其它接觸信息(如指紋信息、壓力、紅外、聲波、電容、地磁信息等)、手(和手指)(或指定物)在圖像感應(yīng)裝置表面上的(平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)、單點(diǎn)或多點(diǎn)的、快速與慢速)移動(dòng)、(單點(diǎn)或多點(diǎn)的、快速與慢速)敲擊等各種運(yùn)動(dòng)和停留方式的信息。
3.依據(jù)權(quán)利要求1所述的計(jì)算機(jī)輸入系統(tǒng)，其特征在于計(jì)算機(jī)顯示屏上的有效顯示表面的大小與圖像感應(yīng)裝置的感應(yīng)面的大小成一定比例關(guān)系。計(jì)算機(jī)顯示器屏幕上顯示出的手(或指定物)的空間形態(tài)的影像與空間中手(或指定物)是映射關(guān)系。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種計(jì)算機(jī)輸入系統(tǒng),由圖象感應(yīng)裝置和感應(yīng)信息特征提取裝置兩部分組成。圖像感應(yīng)裝置獲取手(或指定物)的空間形態(tài)(或其影像),感應(yīng)信息特征提取裝置提取出手(或指定物)的空間形態(tài)的特征信息并將這些特征信息輸入到計(jì)算機(jī)主機(jī)中,計(jì)算機(jī)依據(jù)所傳入的特征信息產(chǎn)生計(jì)算機(jī)操作指令,同時(shí)在計(jì)算機(jī)顯示器屏幕上顯示出手(或指定物)的空間形態(tài)(或其影像)。計(jì)算機(jī)操作者通過(guò)該輸入系統(tǒng)能適時(shí)直觀地感受到自己的手(或指定物)的空間形態(tài)和位置,使得人機(jī)交流完全在互動(dòng)狀態(tài)下進(jìn)行,界面友好且方便快捷,能實(shí)現(xiàn)常用的5類輸入設(shè)備(鍵盤、鼠標(biāo)、書寫板、觸摸板和觸摸屏)的輸入功能,使象形文字的輸入也更加方便快捷,并且能容易進(jìn)行直接的圖形和手繪圖像輸入。
文檔編號(hào)G06K9/46GK1378171SQ0211735
公開日2002年11月6日 申請(qǐng)日期2002年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月20日
發(fā)明者許旻 申請(qǐng)人:許旻