基于紅外反射式光電探測點陣的隔空輸入系統(tǒng)與輸入方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及基于紅外反射式光電探測點陣的隔空輸入系統(tǒng)與輸入方法。隔空輸入系統(tǒng)，包括微控制器、上位機、光電探測模塊，其中，光電探測模塊與微控制器連接，微控制器通過無線或有線方式與上位機連接。采用紅外反射式光電探測點陣對三維空間中的交互主體進行連續(xù)實時地定位，進而實現(xiàn)交互動作的識別與信息輸入。本發(fā)明提供的隔空輸入系統(tǒng)可在各種光照條件下正常使用，不需要復(fù)雜的軟硬件進行實時圖像處理，交互動作的響應(yīng)速度快、識別精度高、識別種類多，而且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、性價比高。
【專利說明】基于紅外反射式光電探測點陣的隔空輸入系統(tǒng)與輸入方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電子設(shè)備輸入【技術(shù)領(lǐng)域】，進一步是涉及一種利用紅外反射式光電探測技術(shù)實現(xiàn)人機交互信息輸入的新型隔空輸入系統(tǒng)與輸入方法。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)的輸入設(shè)備如按鍵、鼠標(biāo)、觸摸屏等，由于需要使用者的手指直接接觸，因而在某些特定場合存在一些應(yīng)用上的制約，比如:手術(shù)室中工作的醫(yī)護人員因無菌要求而不便于進行某些直接接觸操作；在一些大型集會演講中，接觸式的交互輸入操作會影響演講者的盡情發(fā)揮；在醫(yī)院、電梯、車站等場合使用接觸式的公共自助服務(wù)設(shè)備，更是會增加病菌交叉感染的幾率。
[0003]近年來出現(xiàn)的基于攝像頭和圖像處理技術(shù)的隔空輸入系統(tǒng)，比如美國微軟公司的kinect、蘋果公司的leap motion等產(chǎn)品,他們在技術(shù)上的共同點是采用攝像頭來采集交互動作等輸入信息，并通過數(shù)字圖像處理方法實現(xiàn)動作識別，完成人機交互功能。這類產(chǎn)品因利用攝像頭采集圖像，導(dǎo)致其正常工作會受到環(huán)境光照條件的限制，環(huán)境光線過明或過暗都會影響圖像的有效采集，同時實時圖像處理對系統(tǒng)軟硬件也有很高的要求。基于微型固態(tài)陀螺儀、加速度計和生物電極等傳感器實現(xiàn)的隔空輸入系統(tǒng)，如日本任天堂公司的WiiRemote控制器、加拿大Thalmic Labs公司的MYO腕帶等產(chǎn)品，是通過傳感器來監(jiān)測手和手臂在三維空間中的運動軌跡、姿態(tài)或者運動時肌肉產(chǎn)生的生物電變化等信息，進而實現(xiàn)人機交互動作的識別與輸入。這類產(chǎn)品在工作時雖不受環(huán)境光照條件的限制，使用更加便捷自然，但在交互輸入動作的識別精度和識別數(shù)量上存在局限。
[0004]鑒于以上分析，有必要研究不同于傳統(tǒng)輸入系統(tǒng)的可隔空輸入、結(jié)構(gòu)簡單、性能優(yōu)良、使用方便且價格較低的新型輸入系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于，提供一種簡單可靠且性價比高的隔空輸入系統(tǒng)，還相應(yīng)提供一種基于紅外反射式光電探測點陣的隔空輸入方法。采用該方法實現(xiàn)的隔空輸入系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、響應(yīng)速度快、環(huán)境適應(yīng)性強且成本較低。
[0006]本發(fā)明所采用的第一種技術(shù)方案為:基于紅外反射式光電探測點陣的隔空輸入系統(tǒng)，包括微控制器(Micro Controller Unit, MCU)、無線發(fā)射模塊、上位機、無線接收模塊、光電探測模塊，其中，光電探測模塊與微控制器連接，微控制器與無線發(fā)射模塊連接，上位機與無線接收模塊連接。
[0007]本發(fā)明所提供的另一種技術(shù)方案是:基于紅外反射式光電探測點陣的隔空輸入系統(tǒng)，包括微控制器、連接線、上位機、光電探測模塊，其中，光電探測模塊與微控制器連接，微控制器通過連接線與上位機連接實現(xiàn)交互信息的傳送。
[0008]第一或第二方案中，所述光電探測模塊對其前方三維空間中交互主體(如手指)的位置進行連續(xù)實時地記錄，微控制器通過分析處理該位置信息便可得到交互主體的移動軌跡和速度等信息，進而判斷出交互主體的輸入意圖，再經(jīng)過微控制器以無線或有線連接方式將上述信息發(fā)送給上位機，實現(xiàn)對上位機的輸入控制。
[0009]所述光電探測模塊包括紅外反射式光電探測點陣、調(diào)制信號產(chǎn)生電路、驅(qū)動發(fā)射電路、光電探測電路、解調(diào)電路。
[0010]所述紅外反射式光電探測點陣由多個光電傳感單元在二維平面內(nèi)排布構(gòu)成，可按一定的規(guī)律(如等間距)排布，每個傳感單元由成對的一個紅外發(fā)射管和一個紅外接收管緊貼并排放置在一起組成。每個傳感單元占據(jù)著二維平面內(nèi)唯一確定的一個位置，當(dāng)交互主體出現(xiàn)在該位置上方時，便會將紅外發(fā)射管發(fā)出的光信號反射回傳感單元，并由紅外接收管接收后給出相應(yīng)的電信號，結(jié)合微控制器輸出的掃描控制時序，便可唯一確定交互主體在當(dāng)前時刻的位置。紅外反射式光電探測點陣的輸入端與驅(qū)動發(fā)射電路的輸出端連接，驅(qū)動發(fā)射電路的一個輸入端與調(diào)制信號產(chǎn)生電路的輸出端連接，另一個輸入端與微控制器的輸出端連接。紅外反射式光電探測點陣的輸出端與光電探測電路的輸入端連接，光電探測電路的輸出端與解調(diào)電路的輸入端連接，解調(diào)電路的輸出端與微控制器的輸入端連接。
[0011]所述傳感單元的一對紅外發(fā)射管和接收管可以是兩個獨立的分立元件，也可以是組合封裝在一起的集成元件。若紅外發(fā)射管和接收管是兩個獨立的分立元件，則紅外接收管的外側(cè)需要加上深色(如黑色)的套管，以防止直接接收到來自紅外發(fā)射管的光能量。
[0012]所述調(diào)制信號產(chǎn)生電路與驅(qū)動發(fā)射電路相連接，用以產(chǎn)生經(jīng)過調(diào)制的驅(qū)動信號使得紅外反射式光電探測點陣向空間發(fā)射調(diào)制光輻射。解調(diào)電路與光電探測電路連接，用以對紅外反射式光電探測點陣接收到的調(diào)制光輻射進行解調(diào)。
[0013]采用光輻射調(diào)制發(fā)射與解調(diào)技術(shù)的優(yōu)點在于，可以有效消除外界背景雜散光的干擾，增強系統(tǒng)在不同環(huán)境光照條件下使用的適應(yīng)性，同時可降低發(fā)射電路的功耗，并增加發(fā)射距離。
[0014]本發(fā)明還相應(yīng)提供一種基于紅外反射式光電探測點陣的隔空輸入方法，包括以下步驟:
第一步，構(gòu)建紅外反射式光電探測點陣:將一對紅外發(fā)射管和紅外接收管緊貼并排放置在一起組成一個反射式光電傳感單元，每個傳感單元占據(jù)著二維平面內(nèi)唯一確定的位置，多個傳感單元在二維平面內(nèi)排布，按一定規(guī)律(如等間距)排布，構(gòu)成紅外反射式光電探測點陣。
[0015]第二步，調(diào)制發(fā)射:調(diào)制信號產(chǎn)生電路輸出調(diào)制信號，調(diào)制信號與微控制器輸出的掃描控制信號相與后輸出至驅(qū)動發(fā)射電路，使得光電探測點陣中的紅外發(fā)射管按一定規(guī)律(逐列或逐行)輪流發(fā)射經(jīng)過調(diào)制后的紅外探測光。
[0016]第三步，輸入信息探測:當(dāng)交互主體(如手指)出現(xiàn)在光電探測點陣前方的感應(yīng)區(qū)時，由于交互主體的反射作用，與交互主體相對的紅外接收管將接收到反射回的紅外光信號，且能夠接收到反射光信號的紅外接收管隨著交互主體的移動而發(fā)生相應(yīng)的改變，通過持續(xù)分析探測點陣中的紅外接收管是否接收到反射光信號，便可實現(xiàn)對交互主體輸入信息的探測。
[0017]第四步，信號處理與解調(diào):光電探測點陣中的紅外接收管接收經(jīng)交互主體反射回的光信號，通過光電探測電路將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，然后將電信號進行放大處理后輸入至解調(diào)電路進行解調(diào)。若輸入電信號的頻率(與反射光信號和調(diào)制發(fā)射信號的頻率相同)與解調(diào)電路預(yù)先設(shè)定的頻率相同或相近(小于設(shè)定的頻率差)，則解調(diào)電路的輸出電平狀態(tài)發(fā)生跳變，表明接收到了經(jīng)過調(diào)制發(fā)射和交互主體反射的光信號。
[0018]第五步，計算交互主體的實時位置和移動軌跡:光電探測點陣中的每個傳感單元對應(yīng)著其前方的一小片感應(yīng)區(qū)，當(dāng)交互主體出現(xiàn)在對應(yīng)的感應(yīng)區(qū)時，通過上述步驟和過程，該傳感單元便會輸出一個變化的電平信號，結(jié)合微控制器輸出的掃描控制時序，進而記錄下交互主體在當(dāng)前時刻的位置；當(dāng)交互主體在光電探測點陣前方連續(xù)移動時，與其對應(yīng)的傳感單元便會順序輸出一個變化的電平信號，將這些傳感單元所代表的位置點按一定規(guī)則連接起來，便可得到交互主體的移動軌跡。
[0019]當(dāng)交互主體的反射面尺寸明顯大于(2倍以上)光電探測點陣中傳感單元的間距時，采用優(yōu)先編碼技術(shù)對同列(或同行)的多個傳感單元進行優(yōu)先編碼，即在步驟四后加上優(yōu)先編碼步驟，以保證無論有多少個傳感單元同時接收到反射光信號，每次都只響應(yīng)優(yōu)先級最高的那個傳感單元。光電探測點陣中傳感單元的優(yōu)先級優(yōu)選設(shè)計方式為:左上角最高，右下角最低，由上至下、由左至右優(yōu)先級依次降低，與交互主體手寫輸入的先后順序保持一致。優(yōu)先編碼技術(shù)可解決相鄰傳感單元多響應(yīng)、誤響應(yīng)的問題，保證不同材料、不同尺寸大小的物件均可作為交互主體來使用，有效擴展了所述隔空輸入系統(tǒng)和輸入方法的適用范圍。
[0020]本發(fā)明的有益效果是:采用紅外反射式光電探測點陣對三維空間中的交互主體進行連續(xù)實時地定位，進而實現(xiàn)交互動作的識別與信息輸入。相對于傳統(tǒng)的采用攝像頭、微型固態(tài)陀螺儀、加速度計和生物電極等傳感器的隔空輸入系統(tǒng)，本發(fā)明提供的隔空輸入系統(tǒng)可在各種光照條件下正常使用，不需要復(fù)雜的軟硬件進行實時圖像處理，交互動作的響應(yīng)速度快、識別精度高、識別種類多，而且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、性價比高。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1為本發(fā)明實施例中光電探測模塊的組成框圖；
圖2為本發(fā)明實施例的隔空輸入系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3為本發(fā)明實施例中紅外反射式光電探測點陣的構(gòu)成示意圖；
圖4為本發(fā)明提供的隔空輸入方法的具體實施流程圖；
圖5為本發(fā)明實施例中調(diào)制發(fā)射電路的原理圖；
圖6為本發(fā)明實施例中光電探測與解調(diào)電路的原理圖；
圖7為本發(fā)明實施例的隔空輸入系統(tǒng)的電路原理圖。
【具體實施方式】
[0022]以下將結(jié)合說明書附圖對本發(fā)明做進一步詳細說明。
[0023]圖1為本發(fā)明實施例中光電探測模塊的組成框圖，圖2為本發(fā)明實施例的隔空輸入系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)示意圖。如圖所示，本【具體實施方式】，包括微控制器202、無線發(fā)射模塊203、上位機204和無線接收模塊205，其特征在于，還包括光電探測模塊201，所述光電探測模塊201包括紅外反射式光電探測點陣101、調(diào)制信號產(chǎn)生電路102、驅(qū)動發(fā)射電路103、光電探測電路104與解調(diào)電路105。紅外反射式光電探測點陣101是光電探測模塊201的關(guān)鍵組成部分，由多個成對的紅外發(fā)射管和紅外接收管在二維平面內(nèi)按一定規(guī)律(如等間距)排布構(gòu)成，用于接收探測點陣前方交互主體的輸入信息。調(diào)制信號產(chǎn)生電路102用于產(chǎn)生一個特定頻率(如IOKHz)的方波信號，調(diào)制信號產(chǎn)生電路102可由常用的方波信號產(chǎn)生電路來實現(xiàn)，如555定時芯片、運放或門電路結(jié)合電阻R、電容C均可構(gòu)成簡易的方波信號發(fā)生器。調(diào)制信號產(chǎn)生電路102輸出的方波信號傳輸至驅(qū)動發(fā)射電路103，用來調(diào)制將要發(fā)射的紅外光信號。驅(qū)動發(fā)射電路103同時受到微控制器202的控制,根據(jù)微控制器202輸出的控制信號來決定是否發(fā)射紅外光信號。驅(qū)動發(fā)射電路103用于對紅外發(fā)射管提供足夠的驅(qū)動功率，以保證系統(tǒng)具有足夠的發(fā)射功率和探測距離。驅(qū)動發(fā)射電路103可由大功率的高速開關(guān)三極管或反相驅(qū)動器(如ULN2803)來實現(xiàn)。光電探測電路104用于接收經(jīng)交互主體反射的紅外光信號，實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換并放大微弱的電信號，還可通過改變光電探測電路104的電阻參數(shù)來調(diào)節(jié)紅外光信號的接收靈敏度，光電探測電路104可由高速開關(guān)三極管來實現(xiàn)。光電探測電路104將放大處理后的電信號輸出至解調(diào)電路105。解調(diào)電路105可由音頻解碼芯片LM567構(gòu)建解碼電路來實現(xiàn)，其工作原理為，若輸入電信號的頻率與解調(diào)電路預(yù)先設(shè)定的頻率相同或相近(小于設(shè)定的頻率差)，則解調(diào)電路的輸出狀態(tài)將由高電平跳變?yōu)榈碗娖?，表明接收到了?jīng)過調(diào)制發(fā)射和交互主體反射的光信號。解調(diào)電路105輸出的電平信號輸入到微控制器202，由微控制器判斷在該傳感單元前方是否探測到交互主體，進一步分析出交互主體的移動軌跡和輸入意圖。
[0024]圖3為本發(fā)明實施例中紅外反射式光電探測點陣的構(gòu)成示意圖。如圖所示，紅外反射式光電探測點陣101由多個緊貼放置在一起的紅外收發(fā)對管組成，每個紅外收發(fā)對管構(gòu)成一個反射式光電傳感單元，每個傳感單元包含一個紅外發(fā)射管和一個與它并排緊貼放置的紅外接收管，這些傳感單元在二維平面內(nèi)按一定規(guī)律(如等間距)排布便構(gòu)成紅外反射式光電探測點陣101。每個傳感單元占據(jù)著二維平面內(nèi)唯一確定的一個位置，當(dāng)交互主體出現(xiàn)在該位置上方時，便會將紅外發(fā)射管發(fā)出的光信號反射回傳感單元，并由紅外接收管接收后給出相應(yīng)的電信號，結(jié)合微控制器輸出的掃描控制時序，便可唯一確定交互主體在當(dāng)前時刻的位置。組成傳感單元的一對紅外發(fā)射管和接收管可以是兩個獨立的分立元件，也可以是組合封裝在一起的集成元件。若紅外發(fā)射管和接收管是兩個獨立的分立元件，則紅外接收管的外側(cè)需要加上深色(如黑色)的套管，以防止直接接收到來自紅外發(fā)射管的光能量。
[0025]在本發(fā)明的【具體實施方式】中，微控制器202將光電探測模塊201輸出的反映交互主體實時位置的輸入信息通過無線發(fā)射模塊203傳輸給上位機204，上位機204通過無線接收模塊205接收輸入信息。另外，作為本發(fā)明的另一種實施方式，微控制器202通過USB (Universal Serial Bus,通用串行總線)或串口等連接線與上位機204連接,光電探測模塊201輸出的反映交互主體實時位置的輸入信息通過有線方式傳送給上位機204。采用無線收發(fā)模塊傳送交互輸入信息，可保證交互主體在光電探測模塊201前方進行輸入操作時，不受與上位機204之間連接線的制約，使用更加便捷；采用有線連接方式雖然在操作使用上受到一些限制，但是具有更好的抗電磁干擾能力。本發(fā)明在具體實施中優(yōu)選采用無線收發(fā)模塊傳送交互輸入信息。
[0026]圖4為本發(fā)明提供的隔空輸入方法的具體實施流程圖。本發(fā)明提供的一種基于紅外反射式光電探測點陣的隔空輸入方法，其步驟包括:
第一步，構(gòu)建紅外反射式光電探測點陣:將一對紅外發(fā)射管和紅外接收管緊貼并排放置在一起組成一個反射式光電傳感單元，每個傳感單元占據(jù)著二維平面內(nèi)唯一確定的位置，多個傳感單元在二維平面內(nèi)按一定規(guī)律(如等間距)排布構(gòu)成紅外反射式光電探測點陣101。
[0027]第二步，調(diào)制發(fā)射:調(diào)制信號產(chǎn)生電路102輸出調(diào)制信號，調(diào)制信號與MCU微控制器202輸出的掃描控制信號相與后輸出至驅(qū)動發(fā)射電路103,使得光電探測點陣中的紅外發(fā)射管按一定規(guī)律(逐列或逐行)輪流發(fā)射經(jīng)過調(diào)制后的紅外探測光。
[0028]第三步，輸入信息探測:當(dāng)交互主體(如手指)出現(xiàn)在紅外反射式光電探測點陣101前方的感應(yīng)區(qū)時，由于交互主體的反射作用，與交互主體相對的紅外接收管將接收到反射回的紅外光信號，且能夠接收到反射光信號的紅外接收管隨著交互主體的移動而發(fā)生相應(yīng)的改變，通過持續(xù)分析探測點陣中的紅外接收管是否接收到反射光信號，便可實現(xiàn)對交互主體輸入信息的探測。
[0029]第四步，信號處理與解調(diào):紅外反射式光電探測點陣101中的紅外接收管接收經(jīng)交互主體反射回的光信號，并通過光電探測電路104將其轉(zhuǎn)換成電信號，然后將其放大處理輸入至解調(diào)電路105進行解調(diào)。若輸入電信號的頻率(與反射光信號和調(diào)制發(fā)射信號的頻率相同)與解調(diào)電路預(yù)先設(shè)定的頻率相同或相近(小于設(shè)定的頻率差)，則解調(diào)電路的輸出電平狀態(tài)發(fā)生改變，表明接收到了經(jīng)過調(diào)制發(fā)射和交互主體反射的光信號。
[0030]第五步，計算交互主體的實時位置和移動軌跡:光電探測點陣中的每個傳感單元對應(yīng)著其前方的一小片感應(yīng)區(qū)，當(dāng)交互主體出現(xiàn)在對應(yīng)的感應(yīng)區(qū)時，通過上述步驟和過程，該傳感單元便會輸出一個變化的電平信號，結(jié)合微控制器輸出的掃描控制時序，進而記錄下交互主體在當(dāng)前時刻的位置；當(dāng)交互主體在光電探測點陣前方連續(xù)移動時，與其對應(yīng)的傳感單元便會順序輸出一個變化的電平信號，將這些傳感單元所代表的位置點按一定規(guī)則連接起來，便可得到交互主體的移動軌跡。
[0031]圖5為本發(fā)明實施例中調(diào)制發(fā)射電路的原理圖。如圖所示，調(diào)制發(fā)射電路由調(diào)制信號產(chǎn)生電路102和驅(qū)動發(fā)射電路103構(gòu)成，所述調(diào)制信號產(chǎn)生電路102由555定時芯片結(jié)合電阻R1、R2和電容C1、C2構(gòu)成，輸出方波信號的頻率與占空比由R1、R2和Cl決定。所述驅(qū)動發(fā)射電路103由二輸入與非門U3、電阻R3、驅(qū)動三極管Ql和紅外發(fā)射二極管Dll構(gòu)成。調(diào)制信號產(chǎn)生電路102輸出的方波信號送至二輸入與非門芯片(如74HC00)的一個輸入端，和與非門另一個輸入端的控制信號(由微控制器202輸出)相與后形成一個受控的調(diào)制信號，該信號經(jīng)電阻R3傳輸至高速開關(guān)三極管Ql的基極以控制其導(dǎo)通或關(guān)斷，三極管的集電極和電源之間接入需要驅(qū)動的紅外發(fā)射二極管D11，三極管的發(fā)射極接地。經(jīng)過所述調(diào)制信號產(chǎn)生電路102和驅(qū)動發(fā)射電路103的作用，便可實現(xiàn)微控制器202控制下的紅外發(fā)射二極管的調(diào)制發(fā)射。
[0032]圖6為本發(fā)明實施例中光電探測與解調(diào)電路的原理圖。如圖所示，光電探測電路104由電阻R4、R5、高速開關(guān)三極管Q2和紅外接收二極管D12構(gòu)成，其中紅外接收二極管D12接成反向偏壓形式。當(dāng)D12接收到調(diào)制過的反射光后，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換將產(chǎn)生受到調(diào)制的微弱光電流，光電流流經(jīng)電阻R5產(chǎn)生電壓降。當(dāng)電阻R5兩端的電壓大于高速開關(guān)三極管Q2的導(dǎo)通電壓時，高速開關(guān)三極管導(dǎo)通，其集電極的邏輯電平由高跳變?yōu)榈?，因此高速開關(guān)三極管的集電極將輸出受到調(diào)制的電平信號(高低電平的跳變頻率等于光信號的調(diào)制頻率)。改變電阻R5的大小可調(diào)節(jié)光電探測電路104的放大倍數(shù)(接收靈敏度)，R5越大，接收靈敏度越高。三極管Q2集電極端的電信號經(jīng)C3交流耦合至解調(diào)電路105的輸入端。解調(diào)電路105由音頻解碼芯片LM567、電容C4、C5、C6、C7和電阻R6、R7構(gòu)成，解調(diào)電路的工作頻率由R6、C6決定。當(dāng)LM567的輸入電信號的頻率與解調(diào)電路105預(yù)先設(shè)定的頻率相同或相近(小于設(shè)定的頻率差)，則解調(diào)電路的輸出狀態(tài)將由高電平跳變?yōu)榈碗娖?。解調(diào)電路105的輸出端(LM567的8腳)與微控制器202的輸入端連接，由微控制器根據(jù)解調(diào)電路的輸出信號來分析判斷是否接收到經(jīng)過調(diào)制發(fā)射和交互主體反射的光信號。
[0033]圖7為本發(fā)明實施例的隔空輸入系統(tǒng)的電路原理圖。如圖所示，系統(tǒng)采用AT89S51單片機作為微控制器，電容cio、Cii和晶振Yi構(gòu)成時鐘振蕩電路并為微控制器提供時鐘。按鍵開關(guān)S1、電容C12和RlO構(gòu)成復(fù)位電路并為微控制器提供復(fù)位信號。單片機的PO 口(8個引腳P0.0-P0.7)分別輪流輸出發(fā)射控制信號(0utl-0ut8)至8個二輸入與非門的輸入端(具體連接方式如圖5所示)，并與調(diào)制信號產(chǎn)生電路102輸出的方波信號相與后控制調(diào)制信號的發(fā)射。單片機的P2 口(8個引腳P2.0-P2.7)分別接收來自8個解調(diào)電路105輸出的電信號(In_Sigl-1n_Sig8)，并根據(jù)解調(diào)結(jié)果判斷交互主體的輸入信息。單片機Pl 口的6個引腳(P1.0-P1.5)分別與nRF24L01無線通信模塊的CE、CSN、SCK、M0S1、MIS0和IRQ這6個引腳連接，用以控制nRF24L01無線通信模塊的工作，并通過該模塊將微控制器分析解算的結(jié)果發(fā)送給上位機。
[0034]另外，在本發(fā)明中，為節(jié)省微控制器的IO端口引腳資源，可在微控制器202和驅(qū)動發(fā)射電路103之間加入3-8線譯碼器(如74HC238)，這樣僅利用微控制器的3個端口便可控制8路紅外發(fā)射管的調(diào)制發(fā)射。當(dāng)交互主體的反射面尺寸明顯大于(2倍以上)探測點陣中傳感單元間距時，為解決相鄰傳感單元多響應(yīng)、誤響應(yīng)的問題，可在解調(diào)電路105和微控制器202之間加入8-3線優(yōu)先編碼器(如74HC148)，便可保證每次只能響應(yīng)優(yōu)先級最高的傳感單元輸出的信號，同時還可節(jié)省微控制器的IO端口引腳資源。微控制器202也可是其他型號的單片機，或者是可編程邏輯器件如FPGA (Field Programmable Gate Array,現(xiàn)場可編程門陣列)、CPLD (Complex Programmable Logic Device,復(fù)雜可編程邏輯器件)等。
[0035]本發(fā)明提供的基于紅外反射式光電探測點陣的隔空輸入系統(tǒng)和輸入方法，以紅外反射式光電收發(fā)對管為基本傳感單元構(gòu)建光電探測點陣，對其前方三維空間中的交互主體進行連續(xù)實時地探測定位，并利用微控制器分析處理該位置信息來獲取交互主體的移動軌跡和速度等信息，進而判斷出交互主體的輸入意圖。這是一種在工作原理、所用傳感器等方面均不同于傳統(tǒng)輸入設(shè)備的新型隔空互動輸入系統(tǒng)，采用本發(fā)明所述方法實現(xiàn)的隔空輸入系統(tǒng)，目前已經(jīng)實現(xiàn)了多媒體交互控制(隔空翻頁、放大、縮小、單雙擊等)、指令輸入、體感游戲控制、文字輸入和畫圖等多種人機交互功能，具有響應(yīng)速度快(目前已達到50Hz的響應(yīng)速度)、交互功能多、抗干擾力強、使用方便和成本低等特點，可在公共場合自助服務(wù)終端、多媒體互動平臺以及體感游戲控制等領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用。
【權(quán)利要求】
1.基于紅外反射式光電探測點陣的隔空輸入系統(tǒng)，包括微控制器、上位機、光電探測模塊，其特征在于，光電探測模塊與微控制器連接，微控制器通過無線或有線方式與上位機連接；所述光電探測模塊對其前方三維空間中交互主體的位置進行連續(xù)實時地記錄，微控制器通過分析處理該位置信息便可得到交互主體的移動軌跡和速度信息，進而判斷出交互主體的輸入意圖，再經(jīng)過微控制器以無線或有線連接方式將上述信息發(fā)送給上位機，實現(xiàn)對上位機的輸入控制； 所述光電探測模塊包括紅外反射式光電探測點陣、調(diào)制信號產(chǎn)生電路、驅(qū)動發(fā)射電路、光電探測電路、解調(diào)電路； 所述紅外反射式光電探測點陣的輸入端與驅(qū)動發(fā)射電路的輸出端連接，驅(qū)動發(fā)射電路的一個輸入端與調(diào)制信號產(chǎn)生電路的輸出端連接，另一個輸入端與微控制器的輸出端連接，紅外反射式光電探測點陣的輸出端與光電探測電路的輸入端連接，光電探測電路的輸出端與解調(diào)電路的輸入端連接，解調(diào)電路的輸出端與微控制器的輸入端連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于紅外反射式光電探測點陣的隔空輸入系統(tǒng)，其特征在于，所述紅外反射式光電探測點陣由多個光電傳感單元在二維平面內(nèi)排布構(gòu)成，按等間距排布，每個傳感單元由成對的一個紅外發(fā)射管和一個紅外接收管緊貼并排放置在一起組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于紅外反射式光電探測點陣的隔空輸入系統(tǒng)，其特征在于，所述傳感單元的一對紅外發(fā)射管和接收管可以是兩個獨立的分立元件，也可以是組合封裝在一起的集成元件。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于紅外反射式光電探測點陣的隔空輸入系統(tǒng)，其特征在于，所述調(diào)制信號產(chǎn)生電路與驅(qū)動發(fā)射電路相連接，用以產(chǎn)生經(jīng)過調(diào)制的驅(qū)動信號使得紅外反射式光電探測點陣向空間發(fā)射調(diào)制光輻射，解調(diào)電路與光電探測電路連接，用以對紅外反射式光電探測點陣接收到的調(diào)制光輻射進行解調(diào)。
5.基于紅外反射式光電探測點陣的隔空輸入方法，其特征在于，包括以下步驟: 第一步，構(gòu)建紅外反射式光電探測點陣:將一對紅外發(fā)射管和紅外接收管緊貼并排放置在一起組成一個反射式光電傳感單元，每個傳感單元占據(jù)著二維平面內(nèi)唯一確定的位置，多個傳感單元在二維平面內(nèi)排布，按等間距排布，構(gòu)成紅外反射式光電探測點陣； 第二步，調(diào)制發(fā)射:調(diào)制信號產(chǎn)生電路輸出調(diào)制信號，調(diào)制信號與微控制器輸出的掃描控制信號相與后輸出至驅(qū)動發(fā)射電路，使得光電探測點陣中的紅外發(fā)射管按逐列或逐行輪流發(fā)射經(jīng)過調(diào)制后的紅外探測光； 第三步，輸入信息探測:當(dāng)交互主體出現(xiàn)在光電探測點陣前方的感應(yīng)區(qū)時，由于交互主體的反射作用，與交互主體相對的紅外接收管將接收到反射回的紅外光信號，且能夠接收到反射光信號的紅外接收管隨著交互主體的移動而發(fā)生相應(yīng)的改變，通過持續(xù)分析探測點陣中的紅外接收管是否接收到反射光信號，實現(xiàn)對交互主體輸入信息的探測； 第四步，信號處理與解調(diào):光電探測點陣中的紅外接收管接收經(jīng)交互主體反射回的光信號，通過光電探測電路將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，然后將電信號進行放大處理后輸入至解調(diào)電路進行解調(diào)，若輸入電信號的頻率與解調(diào)電路預(yù)先設(shè)定的頻率相同或相近，則解調(diào)電路的輸出電平狀態(tài)發(fā)生跳變，表明接收到了經(jīng)過調(diào)制發(fā)射和交互主體反射的光信號； 第五步，計算交互 主體的實時位置和移動軌跡:光電探測點陣中的每個傳感單元對應(yīng)著其前方的一小片感應(yīng)區(qū)，當(dāng)交互主體出現(xiàn)在對應(yīng)的感應(yīng)區(qū)時，通過上述步驟一-四步，該傳感單元便會輸出一個變化的電平信號，結(jié)合微控制器輸出的掃描控制時序，進而記錄下交互主體在當(dāng)前時刻的位置；當(dāng)交互主體在光電探測點陣前方連續(xù)移動時，與其對應(yīng)的傳感單元便順序輸出一個變化的電平信號，將這些傳感單元所代表的位置點按規(guī)則連接起來，得到交互主體的移動軌跡。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于紅外反射式光電探測點陣的隔空輸入方法，其特征在于，當(dāng)交互主體的反射面尺寸明顯大于光電探測點陣中傳感單元的間距2倍以上時，采用優(yōu)先編碼技術(shù)對同列或同行的多個傳感單元進行優(yōu)先編碼，即在步驟四后加上優(yōu)先編碼步驟，保證無論有多少個傳感單元同時接收到反射光信號，每次都只響應(yīng)優(yōu)先級最高的那個傳感單元。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于紅外反射式光電探測點陣的隔空輸入方法，其特征在于，所述光電探測點陣中傳感單元的優(yōu)先級設(shè)計方式為:左上角最高，右下角最低，由上至下、由左至右優(yōu)先級依次降低，`與交互主體手寫輸入的先后順序保持一致。
【文檔編號】G06F3/048GK103631470SQ201310677469
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年12月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月13日
【發(fā)明者】雷兵, 馮瑩, 張乃千, 趙曉帆, 張巖, 劉飛 申請人:中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)