專利名稱：電子毛筆及識別碼定位觸摸屏的制作方法
技術領域：
本發明涉及計算機輸入設備，特別涉及一種用于計算機繪圖、繪畫及書法 的輸入設備。
背景技術：
目前，計算機己被廣范應用到與圖形處理有關的所有領域，在CAD，GIS 等以規則線條和規則顏色為特點的圖形領域，現行的輸入設備(鼠標、手寫 板、數字化儀)可以說已經完全能夠滿足輸入要求，但在繪畫、書法、圖像 藝術處理等以非規則線條和非規則色彩為特點的領域，現行的鼠標、手寫板、 數字化儀等輸入設備則顯得完全力不從心。
另一個現存的問題是每一臺計算機上只能有一個輸入設備工作，不能支 持類似于在宣紙上多個畫家各執一筆同時作畫的工作狀況。因此，有必要提 供一種直觀、直感的輸入工具，解決在計算機繪圖環境下存在的如何方便輸 入非規則線條和色彩的問題，美國Adobe公司所開發的PhotoShop和Illustrator CS軟件以及Microsoft公司的PhotoDraw等圖形/圖像處理軟件都提供了不同 程度的對畫筆的力度和寬度變化的軟件模擬，但不能夠像使用普通毛筆一樣 直觀、真實反映使用者的用筆力度、運筆特點，書寫風格。
中國專利ZL95112761.6號(電子藝術毛筆)提出了一種解決方案，但其 存在三個缺點 一是筆的輸入界面是獨立的寫字板，輸入與繪圖顯示效果分 離，二是該發明并沒有說清楚其光纖筆毛在寫字板上如何得到精確定位的， 在計算機上沒有定位信息，要進行輸入就無從談起，三是其與計算機之間通 過串口電纜有線連接，如果多支筆使用，在實際應用中將可能因出現電纜相 互纏繞而完全不可行。
發明內容
為解決上述問題,本發明的目的是提供一種電子毛筆及識別碼定位觸摸 屏，可在計算機屏幕上直觀精確定位，具有毛筆的手感，能夠像使用毛筆一 樣真實反映使用者的用筆力度、運筆特點，書寫風格，可進行繪圖、繪畫、 書法的輸入。為實現上述目的，本發明采用以下技術方案
一種電子毛筆及識別碼定位觸摸屏，由電子毛筆和觸摸屏組成，其特征 是電子毛筆的筆毛由主接收光纖、輔接收光纖和發射光纖構成，這些光纖 固定在一個光纖盤上，呈環形排列，各圈光纖的長度由內向外依次遞減，輔 接收光纖和發射光纖由單-的光導纖維構成，主接收光纖由傳像束光纖構成; 電子毛筆的內部設置有光錐、電荷耦合器件和紅外發光二極管，所述筆毛中 的主接收光纖、輔接收光纖的頂端與光錐的底面相連，光錐的頂面通過濾光 片與所述電荷耦合器件的采光窗連接，發射光纖的頂端與所述紅外發光二極 管連接，電子毛筆內還設置有控制電路，該控制電路與所述電荷耦合器件連 接；所述觸摸屏由對紅外線反射、對可見光透明的薄膜構成，該觸摸屏上密 布有透明的且能反射紅外線的識別碼，每個識別碼內存貯有代表自身位置的 坐標信息，識別碼的數量等于或大于計算機屏幕上像素的數量。
所述每個識別碼由起始標志條、終止標志條和位于這兩個標志條之間的 上、下兩組十六位條碼組成，每組十六位條碼中的低十五位為坐標數據，最 高一位為數據校驗位，條碼由長短棒構成，長棒表示l，短棒表示0，上組十 六位條碼代表橫坐標信息，下組十六位條碼代表縱坐標信息。
本發明的有益效果是采用觸摸屏，支持直觀定位，能夠像普通毛筆一 樣真實反映使用者的用筆力度、運筆特點、書寫風格，可進行繪圖、繪畫、 書法的輸入。能完全模擬真實的毛筆，與真實的毛筆有相同的手感，相似的 書寫繪畫效果。
圖l是本發明的結構示意圖，
圖2是電子毛筆的外形示意圖。
圖3是圖2的分解圖。
圖4是圖3的分解圖。
圖5是筆頭的分解圖。
圖6是筆頭的剖視圖。
圖7是圖6的A-A剖視圖。
圖8是連接器的局部剖視圖。
圖9是圖8的仰視圖。
圖10是圖6的B-B剖視圖。
圖11是圖10中主接收光纖的放大圖。
圖12是圖6的C局部放大圖。
圖13是將觸摸屏粘貼在計算機屏幕上的結構示意圖。圖14是圖13的D局部放大圖。 圖15是圖14的E局部放大圖。
具體實施例方式
圖中標號
1.電子毛筆
4.筆桿
7.光錐
10.光纖盤
13.發射光纖
16.紅外發光二極管
19.電池
22.無線發射模塊 25.起始標志條 28.下組十六位條碼2.觸摸屏5.筆毛8.濾光片11.主接收光纖14.定位板17.控制電路20.識別碼23.計算機26.終止標志條
29電池匣倉
3.筆頭
6.連接器
9.電荷耦合器件
12.輔接收光纖
15.通孔
18.倉蓋
21.微處理器模塊 24.無線接收裝置 27.上組十六位條碼
請參照圖l、圖2、圖3、圖4、圖5、圖6，本發明是一種電子毛筆及識 別碼定位觸摸屏，由電子毛筆1和觸摸屏2兩部分組成。
電子毛筆l由筆頭3和筆桿4組成，筆頭3內設置有連接器6、光錐7、 濾光片8、電荷耦合器件9組成。電荷耦合器件9即為通常所說的CCD。
電子毛筆1的筆毛5由主接收光纖11、輔接收光纖12和發射光纖13構 成，這些光纖固定在一個光纖盤10上，呈環形排列，各圈光纖的長度由內向 外依次遞減，輔接收光纖12和發射光纖13由單一的光導纖維構成，主接收 光纖11由光導纖維傳像束構成。光導纖維傳像束是由多根極細的密集排列的 光導纖維構成。
請參照圖7、圖8、圖9、圖10、圖ll、圖12，筆毛5的上部與連接器 6的下部相連，光錐7的下部與連接器6的上部相連，連接器6為圓筒形， 其內部設置有一定位板14，定位板14上開有多個通孔15，通孔15的位置與 主接收光纖11、輔接收光纖12的位置對應相符。筆毛5中的主接收光纖11、 輔接收光纖12由連接器的定位板14上的通孔15穿過，主接收光纖11、輔 接收光纖12的頂端與光錐7的底面相連，光錐7的頂面通過濾光片8與電荷 耦合器件9的采光窗連接。
在定位板14上還設置有多個紅外發光二極管 ，這些紅外發光二極管 16的位置與發射光纖13的位置對應相符，紅外發光二極管16嵌裝在定位板14上，其方向朝下，發射光纖13的頂端與紅外發光二極管16相連，因此紅 外發光二極管16發出的光線不會向上進入光錐7中，由于主接收光纖11、 輔接收光纖12的頭部都穿過的定位板14，所以紅外發光二極管16發出的光 線也不會進入主接收光纖11 、輔接收光纖12中。
主接收光纖ll、輔接收光纖12、發射光纖13的分布狀態如圖10所示， 請參照圖IO，圖中的實心圓圈為主接收光纖ll，空心圓圈為輔接收光纖12， 柵格圓圈為發射光纖13。
請參照圖3、圖4，筆桿4內設置有控制電路17，該控制電路17由微處 理器模塊21和無線發射模塊22組成，微處理器模塊21與電荷耦合器件9連 接；筆桿4的尾部設置有電池匣倉29，電池匣倉29內裝有電池19，電池19 由倉蓋18封堵。微處理器模塊21內裝有圖像解碼軟件、預處理軟件、顏色 管理軟件及毛筆身份碼管理軟件。
請參照圖13、圖14、圖15，觸摸屏2由對紅外線反射、對可見光透明 的薄膜構成，該觸摸屏2上刻有多個識別碼20，識別碼20的數量等于或大 于計算機屏幕上像素的數量。
請參照圖15，每一個識別碼20由起始標志條25、終止標志條26和位于 這兩個標志條之間的上、下兩組十六位條碼27、 28組成，每組十六位條碼中 的低十五位表示坐標數據，最高一位用作數據校驗位，條碼由簡單的長短棒 構成，長棒表示l，短棒表示O，因此十五位條碼能夠表示的橫坐標或縱坐標 的最大范圍是0 32767，校驗位為十五位數據位的簡單和，從而保證解析數據 的正確性。上組十六位條碼27代表橫坐標信息，下組十六位條碼28代表縱 坐標信息。
觸摸屏2上的識別碼20通過鍍膜、壓膜技術處理后，具有選擇透過性， 即識別碼20會將紅外光反射，而讓其它的光線通過。識別碼20表面的光潔 度與觸摸屏2表面的光潔度不同，這樣，其對紅外光的反射率不同，當主接 收光纖11和輔接收光纖12在識別碼20的區域內或區域外時，其反射的紅外 光的亮、暗程度不同，從而在電荷耦合器件9上呈現出識別碼20的圖像。
本發明的原理如下-
本產品的筆毛由光纖構成，由于單根光纖只能傳輸光，而不能傳輸圖像， 所以在筆毛中設置了主接收光纖11和輔接收光纖12，主接收光纖11由多根 極細的獨立的光纖密集排列構成，即通常所說的傳像束光纖，可以傳輸圖像， 輔接收光纖12可以傳輸光的明暗度。
主接收光纖ll的作用是將觸摸屏2上的識別碼圖像傳送到光錐7，通 過濾光片8，并最終到達電荷耦合器件9。
紅外發光二極管16的作用是發射特定波長的紅外線，并由發射光纖13 傳導照射到觸摸屏2上。考慮到電子毛筆所發出的光不應該干擾使用者對計 算機屏幕的正常視覺感受，因此選用紅外線。發射光纖13的作用是將紅外發光二極管16發射的紅外線傳導照射到觸 摸屏上。輔接收光纖12的作用是將觸摸屏2上反射的紅外線傳導至光錐7， 通過濾光片8，并最終到達電荷耦合器件9。
光錐7是由許多精確排列的單獨光纖組成的光纖塊，其兩個端頭的光纖 是熱熔固化在一起的,這樣，光錐7可忠于原樣地傳送圖像信號，并可以將圖像 從輸入表面放大或縮小傳送到輸出表面。在本發明中，其作用是將主接收光纖 11傳送的識別碼圖像以及輔接收光纖12傳送的紅外線明、暗信息傳送至至 濾光片8，然后到達電荷耦合器件9。
濾光片8的作用是只允許紅外發光二極管16發射的特定波長的紅外線 通過，而來自于光錐7的其它波長的光線則不能通過，這樣保證了電荷耦合 器件9只處理由該電子毛筆所發射的紅外線，避免環境光，比如計算機23的 屏幕上所顯示圖像光線的影響。
電荷耦合器件9是一種圖像采集芯片，即通常所說的CCD圖像傳感 器,CCD (Charge Coupled Device)由一種高感光度的半導體材料制成，能把 光線轉變成電荷，通過其內部的模數轉換器轉換成數字信號，可以輕而易舉 地把數據傳輸給微處理器，CCD由數百萬個感光單位組成，當CCD表面受 到光線照射時，每個感光單位會將電荷反映在組件上，所有的感光單位所產 生的信號加在一起，就構成了一幅完整的畫面。
電荷耦合器件9的作用是接收來自于主接收光纖11傳導的代表二進制條 碼信息，以及輔接收光纖12傳導的紅外線強、弱信息，這些信息在電荷耦合 器件9中形成圖像，圖像解碼軟件根據公知的算法將圖像中的信息解析出來， 該信息代表了主接收光纖11所在位置和輔接收光纖12與觸摸屏2接觸與否， 并輸出，交由電子毛筆l內預處理軟件進行進一步計算
觸摸屏2上的每一個識別碼20包含有自身位置的信息，即自身的的橫縱 坐標信息，電子毛筆1通過獲取此橫縱坐標信息，可知道電子毛筆l在觸摸 屏2上的位置；觸摸屏2緊密貼附于計算機23的屏幕上，觸摸屏2上的識別 碼的數量等于或大于計算機屏幕上的像素數量，這樣才能完成定位功能。
由于光纖對光線的約束傳播特性，當主、輔接收光纖ll、 12頭部與觸摸 屏2接近時才能有最強的來自觸摸屏2的紅外線進入主、輔接收光纖11、 12， 而遠離觸摸屏2時，主、輔接收光纖ll、 12能接收到的紅外線強度會很快降 低，降低程度與其同觸摸屏2距離的二次方成正比，因此可根據主、輔接收 光纖ll、 12中傳導的紅外線的亮度判斷其與觸摸屏的接觸情況；只有與觸摸 屏2接觸的主、輔接收光纖ll、 12，在電荷耦合器件9上才有其傳導來的足 夠亮度的紅外線信息。
預處理軟件的作用是根據電荷耦合器件9上的圖像數據計算出代表電子 毛筆1工作狀態的各項基本參數，這些基本參數包括電子毛筆1的位置、方 向、力度、傾角、運筆速度、運筆方向信息。下面詳述其原理電子毛筆1位置的獲得預處理軟件提取圖像解碼軟件解析出來的完整 的由主接收光纖11接觸觸摸屏所獲得的識別碼20信息，因識別碼20的上組
十六位條碼27代表橫坐標信息，下組十六位條碼28代表縱坐標信息，所以 預處理軟件通過二進制轉換就可得到識別碼的橫、縱坐標。該坐標即為主接 收光纖11接觸觸摸屏時所在的位置，由于每一根主接收光纖11在電子毛筆1 中的排列位置是已知的，因此也就得到了電子毛筆1的當前位置。
電子毛筆1在觸摸屏2上的相對方向的獲得，觸摸屏2有自已內定的基 準線，該基準線即為觸摸屏2的水平中心線，當電子毛筆1在觸摸屏上移動 時，會有兩根或兩根以上的主接收光纖與觸摸屏接觸，則預處理軟件可以解 析出各主接收光纖11在觸摸屏2上的位置點信息，兩點確定一條直線，各根
主接收光纖的位置點兩兩相連，形成多條參照線，通過公知的幾何學公式， 預處理軟件即可計算出主接收光纖位置點形成的參照線與觸摸屏基準線的夾 角，即電子毛筆1在觸摸屏2上的相對方向。
電子毛筆1力度的獲得即筆毛與觸摸屏的接觸強弱程度，眾所周知， 按照人們寫字的習慣，用力越大，則筆毛中與觸摸屏接觸的主接收光纖ll、 輔接收光纖12的數量越多，因此，根據筆毛光纖與觸摸屏2接觸的數量多少 可以計算出用筆的力度。
電子毛筆1傾角的獲得由于筆毛中的主接收光纖11、輔接收光纖12 的排列是由中心向外的長度是減小的，而且主、輔接收光纖ll、 12的排列順 序是已知的，當人們握筆姿態不同時，例如豎直或傾斜握筆時，必然在筆毛 的某一局部區域上，主接收光纖ll、輔接收光纖12與觸摸屏2接觸數量多， 而在其它的區域上，主接收光纖ll、輔接收光纖12與觸摸屏2接觸數量少， 由此可計算出筆毛相對觸摸屏的傾斜情況。
運筆速度的獲得即電子毛筆1的移動速度，預處理軟件是實時的計算 筆毛光纖在觸摸屏上的位置信息，因此，通過設定固定的時間間隔，比較當 前位置與前一時間間隔處筆所在的位置的坐標，可計算出其移動的距離，用 該距離除以兩位置的時間間隔，即為速度。
運筆走向的獲得即電子毛筆1在觸摸屏2上移動趨勢，預處理軟件是 實時的計算筆毛在觸摸屏上的位置信息，因此，通過設定固定的時間間隔， 即可比較當前位置與前一時間間隔處筆所在的位置的坐標，由于每點的位置 坐標是己知的，所以筆頭的運動軌跡就是各點位置坐標的連線，該運動軌跡 即為運筆走向。
每一支電子毛筆1都內設一個身份碼，由毛筆身份碼管理軟件進行管理， 在工作時，向宿主計算機提供自已的身份碼，當多支電子毛筆1在同一臺計 算機上同時工作時，由于身份碼不同而可互相區分開，因而宿主計算機通過 調用相應的程序可以支持多支電子毛筆同時使用，且不同的電子毛筆1可模 擬不同的書寫特性。考慮到在做畫時，常常需要調色、配色，即將不同的顏料放在調色盤上， 進行均勻攪拌，產生新的漸變的顏色，為模擬這種色彩變化效果本發明的 每一支電子毛筆1內都設置有顏色管理軟件，顏色管理軟件可以賦予電子毛 筆中每一根主、輔接收光纖ll、 12獨立的顏色特性，其方法是，顏色管理軟 件中為每一根主、輔接收光纖ll、 12分配一個獨立的顏色值存儲空間，該存 儲空間可記錄所對應每根筆毛光纖當前的顏色信息，該顏色信息即為進行繪 畫或書法輸入時的真實的顏色，比如赤、橙、黃、綠、青、藍、紫等不同顏
色，當電子毛筆1與計算機23輸入交互時，可接受計算機的顏色設置操作而
改變每一根筆毛光纖的顏色設置，即顏色調色，也可向計算機提供每一根筆 毛光纖的顏色信息，即顏色輸出。
不需要調色、配色時，顏色管理軟件可以將電子毛筆1上的所有主、輔
接收光纖ll、 12設置成一個顏色，這時，用戶可以將每支電子毛筆看成是沾 有單一顏料的普通毛筆，從而進行繪圖、繪畫、書法。
請參照圖13、圖14、圖15，每一支電子毛筆1將自身的參數信息通過 無線發射模塊22傳輸給計算機23，在計算機端要相應設置無線接收裝置24， 為了便于用戶使用，無線接收裝置24可以做成U盤的形狀如圖1所示，內 置USB2.0傳輸協議，通過USB接口與計算機23連接。這樣做的優點是不 用對宿主計算機的硬件做任何改造。無線接收裝置24可以接收來自一支電子 毛筆或多只電子毛筆1的信息，并交由計算機23處理。
計算機23上的繪圖軟件利用上述電子毛筆1提供的這些信息便可以完全 模擬出直觀的、類似于普通毛筆在紙上繪圖的效果，從而實現定位直觀、觸 感真實的毛筆輸入，這樣就實現了本發明的目的。
值得一提的是，本發明在具體實施時應注意以下幾點
一、 可根據需要定制不同的筆毛光纖數量和筆毛光纖排列，并選擇不同 的材質硬度，從而實現排筆、鋼筆、鉛筆的不同輸入效果；
二、 無線發射模塊22和無線接收裝置24使用公知的通信技術進行無線 通信，如已經成熟的藍牙通信技術，從而滿足小型化、輕型化、 一對多且互 不干擾的數據通信要求；
三、 考慮到不宜頻繁更換電池，電子毛筆所用電池應選用可充電鋰電池， 且電子毛筆1上可以設置充電接口，為便于充電，充電器可以設計成筆架的 形式。充電器的結構為現有技術，故本發明不再加以贅述；
四、 考慮到電子毛筆調色的直觀性，在實施時，可在筆桿上增加一個小 型彩色液晶顯示板，以顯示筆毛的顏色狀態，是單一的標準顏色，還是經過 調色、配色后的漸變顏色。這樣，在使用時，雖然每支電子毛筆的筆毛是由 無色的光纖構成，但用戶可以將每支電子毛筆看成是沾有不同顏料的普通毛 筆，從而進行繪圖、繪畫、書法。小型彩色液晶顯示板結構為現有技術，故 本發明亦不做贅述。
權利要求
1.一種電子毛筆及識別碼定位觸摸屏，由電子毛筆和觸摸屏組成，其特征是電子毛筆的筆毛由主接收光纖、輔接收光纖和發射光纖構成，這些光纖固定在一個光纖盤上，呈環形排列，各圈光纖的長度由內向外依次遞減，輔接收光纖和發射光纖由單一的光導纖維構成，主接收光纖由傳像束光纖構成；電子毛筆的內部設置有光錐、電荷耦合器件和紅外發光二極管，所述筆毛中的主接收光纖、輔接收光纖的頂端與光錐的底面相連，光錐的頂面通過濾光片與所述電荷耦合器件的采光窗連接，發射光纖的頂端與所述紅外發光二極管連接，電子毛筆內還設置有控制電路，該控制電路與所述電荷耦合器件連接；所述觸摸屏由對紅外線反射、對可見光透明的薄膜構成，該觸摸屏上密布有透明的且能反射紅外線的識別碼，每個識別碼內存貯有代表自身位置的坐標信息，識別碼的數量等于或大于計算機屏幕上像素的數量。
2. 如權利要求l所述的電子毛筆及識別碼定位觸摸屏，其特征是所述 每個識別碼由起始標志條、終止標志條和位于這兩個標志條之間的上、下兩 組十六位條碼組成，每組十六位條碼中的低十五位為坐標數據，最高一位為 數據校驗位，條碼由長短棒構成，長棒表示l，短棒表示0，上組十六位條碼 代表橫坐標信息，下組十六位條碼代表縱坐標信息。
全文摘要
一種電子毛筆及識別碼定位觸摸屏，由電子毛筆和觸摸屏組成，電子毛筆的筆毛由主接收光纖、輔接收光纖和發射光纖構成，輔接收光纖和發射光纖由單一的光導纖維構成，主接收光纖由傳像束光纖構成；電子毛筆的內部設置有光錐、電荷耦合器件和紅外發光二極管，筆毛中的主接收光纖、輔接收光纖的頂端與光錐的底面相連，光錐的頂面通過濾光片與電荷耦合器件的采光窗連接，發射光纖的頂端與紅外發光二極管連接，電子毛筆內還設置有控制電路，觸摸屏上密布有能反射紅外線的識別碼，識別碼的數量等于或大于計算機屏幕上像素的數量。本產品能夠像普通毛筆一樣直觀真實反映使用者的用筆力度、運筆特點、書寫風格，可進行繪畫書法及繪圖的輸入。
文檔編號G06F3/041GK101615092SQ20091009080
公開日2009年12月30日 申請日期2009年8月11日 優先權日2009年8月11日
發明者曾榮佳 申請人:北京大業嘉成科技有限公司;曾榮佳