一種輸入裝置及輸入方法

一種輸入裝置及輸入方法
【專利摘要】本發明提供了一種輸入裝置，包括：面板；電場感應發射電極，位于所述面板的中心，用于產生電場；環繞所述電場感應發射電極設置的電場感應接收電極，用于檢測所述電場的變化；電場感應驅動芯片，用于根據所述電場的變化確定進入所述電場的導電體在三維空間中的位置變化數據；處理單元，用于根據所述位置變化數據生成對應的控制指令。本發明能夠在人機交互中增強輸入能力和交互體驗。
【專利說明】一種輸入裝置及輸入方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及人機交互領域，尤其涉及一種輸入裝置及輸入方法。
【背景技術】
[0002]新興的電場感應技術是一種用于三維手勢識別的前沿技術，其利用準靜態電近場來感應導電物體，如人體，具體為人手或手指等。其技術原理大致為:在人手或手指進入該電場時，電場會失真。這是由于人體本身具有導電性，這時電場線會被引向人手并分流到地，從而本地的三維電場會減小。通過檢測多個不同位置的電場變化，以獲得電場失真的信息，并用于計算人手或手指的位置、跟蹤人手或手指的移動以及區分人手或手指的移動模式(如手勢等)。
[0003]這種技術在電路上可以近似于圖1的模型，當有生物體如人手或手指進入到電場內時，人手或手指會分流掉一部分電流，通過檢測所接收到的電流的微弱變化及若干電流信號的相關性獲得人手或手指的三維坐標位置。

【發明內容】

[0004]本發明要解決的技術問題是如何在人機交互中增強輸入能力和交互體驗。
[0005]為了解決上述問題，本發明提供了一種輸入裝置，包括:面板；
[0006]電場感應發射電極，位于所述面板的中心，用于產生電場；
[0007]環繞所述電場感應發射電極設置的電場感應接收電極，用于檢測所述電場的變化；
[0008]電場感應驅動芯片，用于根據所述電場的變化確定進入所述電場的導電體在三維空間中的位置變化數據；
[0009]處理單元，用于根據所述位置變化數據生成對應的控制指令。
[0010]可選地，所述面板包括:
[0011 ] 觸摸面板和電場感應電極板；
[0012]所述電場感應發射電極和電場感應接收電極位于所述電場感應電極板上。
[0013]可選地，所述電場感應電極板為貼于觸摸面板背面的獨立的印刷電路板或者柔性電路板；
[0014]矩形的電場感應發射電極位于所述電場感應電極板的中間，四個長條形的電場感應接收電極位于所述電場感應電極板上電場感應發射電極的四周。
[0015]可選地，所述面板為電容觸摸面板；所述電場感應發射電極和電場感應接收電極采用透明導電薄膜材料制作在所述電容觸摸面板上。
[0016]可選地，所述導電體為人手或手指；
[0017]所述處理單元根據所述位置變化數據生成對應的控制指令是指:
[0018]所述處理單元根據所述位置變化數據識別出手勢，生成所識別出的手勢對應的控制指令。[0019]可選地，所述處理單元生成所識別出的手勢對應的控制指令是指:
[0020]所述處理單元判斷所述輸入裝置的當前使用狀態，根據所述輸入裝置的當前使用 狀態對應的第一對應關系，生成所識別出的手勢對應的控制指令。
[0021]本發明還提供了一種輸入方法，應用于上述任一輸入裝置中；所述方法包括:
[0022]通過電場感應發射電極產生電場；
[0023]通過電場感應接收電極檢測所述電場的變化；
[0024]電場感應驅動芯片根據所述電場的變化確定進入所述電場的導電體在三維空間 中的位置變化數據；
[0025]處理單元根據所述位置變化數據生成對應的控制指令。
[0026]可選地，所述處理單元根據位置變化數據生成對應的控制指令的步驟包括:
[0027]所述處理單元判斷所述輸入裝置的當前使用狀態，根據所述輸入裝置的當前使用 狀態對應的第一對應關系，生成所述位置變化數據對應的控制指令。
[0028]可選地，所述導電體為人手或手指；
[0029]所述處理單元根據位置變化數據生成對應的控制指令的步驟包括:
[0030]所述處理單元根據所述位置變化數據識別出手勢，生成所識別出的手勢對應的控 制指令。
[0031 ] 可選地，所述處理單元生成所識別出的手勢對應的控制指令的步驟包括:
[0032]當識別出的手勢為手指輕觸所述面板上手對所述面板的投影區時，所述處理單元 根據手的投影區的位置，判斷該輕觸處于所述手的投影區的左半部分還是右半部分；
[0033]根據判斷結果生成相當于鼠標左、右鍵功能的控制指令。
[0034]可選地，所述處理單元生成所識別出的手勢對應的控制指令的步驟包括:
[0035]當識別出的手勢為在手的投影區中間用手指做上下滑動或前后移動時，所述處理 單元生成相當于鼠標滾輪操作的控制指令。
[0036]本發明的技術方案可以進行多種人體信息的輸入，應用的場景豐富；可以制作成 非常輕薄的平板形狀，便于攜帶，例如可以做成插入筆記本電腦和平板電腦等移動設備背 部的專用卡槽的形態。用人手或手指等就可以輸入包括鼠標功能在內的諸多控制指令，人 手或手指即使不與面板直接接觸的情況下也能夠進行輸入，在車船等顛簸情形下也可以提 供較好的輸入使用體驗。與傳統的鼠標和觸摸板輸入設備相比，可以增強輸入能力和增強 交互體驗效果，而且耗電量非常小，作為無線設備使用時可以大大延長電池使用壽命；而且 可以由用戶開發出很多新穎的用途，例如掛在臥室門口，在無線網絡環境下可以用作歹徒 入侵的報警器等功能，而用戶只需要修改對應的應用即可。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0037]圖1為電場感應的原理示意圖；
[0038]圖2為實施例一中面板的結構示意圖之一；
[0039]圖3為圖2中電場感應電極板的結構示意圖；
[0040]圖4為實施例一中面板的結構示意圖之二 ；
[0041]圖5為實施例一中空間位置識別原理不意圖之一；
[0042]圖6為實施例一中空間位置識別原理不意圖之二 ；[0043]圖7為實施例二中輸入裝置的示意框圖；
[0044]圖8為實施例三中輸入方法的流程示意圖；
[0045]圖9為實施例三中第一個應用場景的使用示意圖；
[0046]圖10為實施例三中第二個應用場景的使用示意圖；
[0047]圖11為實施例三中第三個應用場景的使用示意圖；
[0048]圖12為實施例三中第四個應用場景的使用示意圖；
[0049]圖13為實施例三中第五個應用場景的使用示意圖；
[0050]圖14為實施例三中第六個應用場景的使用示意圖。
【具體實施方式】
[0051]下面將結合附圖及實施例對本發明的技術方案進行更詳細的說明。
[0052]需要說明的是，如果不沖突，本發明實施例以及實施例中的各個特征可以相互結 合，均在本發明的保護范圍之內。另外，雖然在流程圖中示出了邏輯順序，但是在某些情況 下，可以以不同于此處的順序執行所示出或描述的步驟。
[0053]實施例一、一種輸入裝置，包括:面板；
[0054]電場感應發射電極，位于所述面板的中心，用于產生電場；
[0055]環繞所述電場感應發射電極設置的電場感應接收電極，用于檢測電場的變化；
[0056]電場感應驅動芯片，用于根據電場的變化確定進入電場的導電體在三維空間中的 位置變化數據；
[0057]處理單元，用于根據所述位置變化數據生成對應的控制指令。
[0058]本實施例中，所述導電體可以為人手或手指，還可以是其它與生物體具有相同或 相似導電特性的器具。
[0059]本實施例的一種實施方式中，所述面板包括:觸摸面板和電場感應電極板；所述 電場感應發射電極和電場感應接收電極位于所述電場感應電極板上。
[0060]該實施方式中，所述電場感應電極板可以為貼于觸摸面板背面的印刷電路板(SP PCB板)或者柔性電路板(即FPC板)，兩者之間還可以包括一顯示屏；所述輸入裝置還包括 與所述觸摸面板相連的觸摸驅動芯片，以及與所述顯示屏相連的顯示屏驅動電路。
[0061]觸摸面板、顯示屏和電場感應電極板所組成的多層面板復合結構如圖2所示。其 中，觸摸面板可以但不限于為電容觸摸面板21 ;顯示屏可以但不限于為電子墨水屏22，電 容觸摸面板21、電子墨水屏22和電場感應電極板23依次疊放在一起，形成所述面板。
[0062]在其他的實施方式中，所述面板包括觸摸面板、顯示屏和電場感應電極板等中的 任意一種或任意組合。
[0063]該實施方式中，所述電場感應電極板的一種備選方案如圖3所不,矩形的電場感 應發射電極31位于所述電場感應電極板30的中間，四個長條形的電場感應接收電極32位 于所述電場感應電極板30上電場感應發射電極31的四周。實施時也可以用其它方案實現 本實施方式。
[0064]本實施例的另一種實施方式中，所述面板是利用電容觸摸面板制造中常用的透明 導電ITO (透明導電薄膜)材料，在普通電容觸摸面板上額外制作電場感應發射電極和電場 感應接收電極而形成的一體化面板。[0065]該另一種實施方式的一種備選方案如圖4所示，在電容觸摸電極42的下方覆蓋一 層矩形的由ITO材料制成的電場感應發射電極41，在其邊緣處制作多個電場感應接收電極 43即可實現電容-電場感應一體化面板。其中，這些電場感應接收電極43可與電容觸摸電 極42同層設置。實施時也可以用其它方案實現本實施方式。
[0066]下面舉例說明當進入電場的導電體為人手時，在不同的應用場合下，所述輸入裝 置如何識別人手的操作。
[0067]I)當人手只是懸在所述面板上方做一些操作而沒有與所述面板接觸時，首先確定 人手的空間位置，即其幾何中心投影在所述面板上的坐標(x，y)，以及其與面板的距離h， 如圖5所示。下面以圖3所示的四個長條形電場感應接收電極圍繞一個矩形電場感應發射 電極的結構為例，說明所述電場感應驅動芯片如何通過檢測所述電場感應接收電極的電流 信號變化來獲得人手的空間位置。
[0068]如圖3給出的例子中，設四個電極采樣到的電壓分變為VX1，VX2，VY1，VY2。設定感 應板的中心為坐標系零點，人手沒有進入電場的靜止狀態時電極的感應值為分別為ful 1_ scale_xl, full_scale_x2, full_scale_yl, full_scale_y2, hmax 為最高檢測高度，可以得 出以下關系:
[0069]AX=VX1-VX2
[0070]AY=VY2-VY1
[0071]Px=(VXI/full_scale_xl+VX2/full_scale_x2)/2
[0072]Py= (VYI/full_scale_yl+VY2/full_scale_y2)/2
[0073]Pxy= (Px+Py) /2
[0074]坐標 x=kx*Px* A X+offset_x
[0075]坐標 y=ky*Py* A Y+offset_y
[0076]與面板的距離 h=hmax*Pxy+offset_h
[0077]其中kx和ky是在不同的距離上坐標位置的校正系數，offset_x、offset_y和 OfTsetJ1是用于消除漂移的校正值，這些變量可根據實際的電場感應電極板進行實測得 至IJ。上述算法也可使用于其它電場感應芯片中，以獲得人手幾何中心投影在所述面板上的 坐標(x，y)，以及其與面板的距離h。
[0078]若所述電場感應驅動芯片采用的是能夠獲取空間位置的電場感應驅動芯片(比如 microchip公司的電場感應芯片MGC3130)，由于該公司提供的固件算法可以直接獲取這兩 個量(即坐標(x，y)及距離h)，所以可直接獲得，比較容易。當然，也可通過其他算法獲取坐 標(x，y)及距離h。
[0079]2)當人手與面板直接接觸時，其在所述面板上會形成多點的輪廓數據，如圖6中 左圖的情形。但在實際的操作中，由于很多用戶進行某些操作過程中，手指部分會抬起，并 且用戶在移動的時候只會移動抬起的部分，由于所述面板無法檢測到這部分輪廓數據，從 而導致人手的接觸面輪廓數據丟失，如圖6中右圖所示方框內的若干個點，這時候就需要 加入電場感應驅動芯片提供的位置變化數據進行輔助識別，即:將所述面板提供的輪廓數 據和電場感應驅動芯片提供的位置變化數據在所述處理單元上進行融合運算，或者通過通 信接口上傳于用戶設備上進行融合運算，以避免只由所述面板獲得的人手輪廓數據不能識 別出手指的位置改變而導致的無法完全反映用戶想要進行的位移操作。[0080]該應用場合下對人手位置的識別步驟如下，包括步驟S21?S23:
[0081 ] S21、從觸摸面板獲得人手的輪廓數據。
[0082]S22、若人手的輪廓數據完整，如圖6左圖所述，包括手掌和手指部分的輪廓數據， 則可通過計算得到人手的質心坐標(x，y)直接替代空間坐標；若輪廓數據不完整，如圖6右 圖所示，不包括手指部分的輪廓數據，只包括手掌與所述觸摸面板接觸而形成的2塊陰影， 則根據已接觸的2個陰影塊估算手掌大小和坐標的估算值(xc，yc)；
[0083]這種姿勢無法通過觸摸面板上的輪廓數據得到手指在空間中的具體位置，但可以 通過4個電場感應接收電極的電流信號衰減的程度，估算出手沒有接觸觸摸面板的其余部 分的空間坐標。
[0084]S23、將所述估算值xc和yc，以及根據電場感應驅動芯片提供的位置變化數據得 到的人手懸空部分的空間坐標進行質心運算，得到整個人手的幾何中心投影在所述面板上 的實際坐標(x，y)。
[0085]在上述融合運算中，可對二者的數據創建一個可信度評定的系統，利用卡爾曼濾 波進行優化處理，這樣可以得出更為精準的位移數據。本實施例的一種實施方式中，所述處 理單元根據所述位置變化數據生成對應的控制指令具體可以是指:
[0086]所述處理單元根據所述位置變化數據識別出手勢，生成所識別出的手勢對應的控 制指令。
[0087]該實施方式中，所述處理單元生成所識別出的手勢對應的控制指令具體可以是 指:
[0088]所述處理單元判斷所述輸入裝置的當前使用狀態，根據所述輸入裝置的當前應用 狀態對應的第一對應關系，生成所識別出的手勢對應的控制指令。
[0089]該實施方式可以使同樣的手勢在不同應用場景下產生不一樣的控制指令，所述手 勢不僅包括人手或手指的運動姿態，也包括各種導電體的運動姿態。比如當前應用狀態為 運行防盜應用時的防盜狀態；防盜狀態對應的所述第一對應關系為:手勢與報警的控制指 令之間的對應關系，比如當手勢為向面板靠近時對應的控制指令為報警；如果當前應用狀 態是普通的鼠標狀態，則所述第一對應關系為手勢與移動鼠標指針、點擊鼠標左、右鍵、滑 動鼠標滾輪的控制指令之間的對應關系。
[0090]本實施例提供了一種全新概念的輸入裝置，可以實現諸如手勢識別、手寫板、空中 書寫、全自由度鼠標、生物接近報警、立體顯示游戲交互等功能。該輸入裝置可以在無線網 絡的環境內跟平板電腦或個人計算機等終端通信，所有傳感器的數據接口可以公開給用 戶，用戶甚至可以自行開發APP來擴展本輸入平臺的功能。
[0091]實施例二, 一種輸入裝置,如圖7所示,所述輸入裝置包括面板71、電場感應驅動 芯片72及處理單元73。
[0092]所述面板71包括電容觸摸面板712、電場感應電極板711及顯示屏713 ;所述電場 感應電極板711上設置了電場感應發射電極和電場感應接收電極，均與所述電場感應驅動 芯片72相連。
[0093]所述處理單元73為MCU (微處理單元)；
[0094]所述輸入裝置還包括:
[0095]電容觸摸驅動芯片74，用于根據所述處理單元73的控制驅動所述電容觸摸面板712在二維空間上讀取多點觸摸手勢；
[0096]顯示屏驅動電路75，可以根據所述處理單元73的控制在所述顯示屏713上顯示用 戶界面，增強交互效果；
[0097]USB接口 76，用于提供與PC或其他設備之間的有線連接；
[0098]無線通信模塊77，用于提供與其它設備的無線連接，可以為藍牙、2.4G/5.8G、WIFI 或者zigbee模塊等。
[0099]實施例三、一種輸入方法，應用于上述任一實施例的輸入裝置中，所述方法如圖8 所示，包括:
[0100]801、通過電場感應發射電極產生電場；
[0101]802、通過電場感應接收電極檢測所述電場的變化；
[0102]803、電場感應驅動芯片根據所述電場的變化確定進入所述電場的導電體在三維 空間中的位置變化數據；
[0103]804、處理單元根據所述位置變化數據生成對應的控制指令。
[0104]本實施例的一種實施方式中，所述導電體為人手或手指；
[0105]所述步驟804具體可以包括:
[0106]所述處理單元根據所述位置變化數據識別出手勢，生成所識別出的手勢對應的控 制指令。
[0107]本實施例的一種實施方式中，所述處理單元生成所識別出的手勢對應的控制指令 的步驟具體可以包括:
[0108]所述處理單元判斷所述輸入裝置的當前使用狀態，根據所述輸入裝置的當前使用 狀態對應的第一對應關系，生成所識別出的手勢對應的控制指令。
[0109]本實施例的第一種應用場景如圖9所示，用戶將手放在面板(如上述任一實施例 的輸入裝置的面板)上時，所述生成所識別出的手勢對應的控制指令的步驟具體可以包括: 當識別出的手勢為整個手移動時，所述處理單元根據所述電場感應驅動芯片檢測出的手的 移動的方向和距離，生成相當于鼠標向相應方向移動相應距離的控制指令。
[0110]本實施例的第二種應用場景如圖10所示，所述生成所識別出的手勢對應的控制 指令的步驟包括:當識別出的手勢為手指輕觸所述面板上手對所述面板的投影區時，所述 電場感應驅動芯片根據手的投影區的位置(可以但不限于以手的幾何中心投影在所述面板 上的坐標(X，y)表示)，判斷該輕觸處于所述手的投影區的左半部分93還是右半部分91，所 述處理單元根據判斷結果生成相當于鼠標左、右鍵功能的控制指令；當識別出的手勢為用 戶在投影區中間92用手指做上下滑動或前后移動時，所述處理單元生成相當于鼠標滾輪 操作的控制指令。用戶在操作的時候手可以非常自由的在面板表面和空間上運動，手指可 以懸空。用戶還可以做出手握鼠標的動作，仿佛手中確實有一個鼠標，以滿足用戶之前的操 作習慣。
[0111]本實施例的第三種應用場景如圖11所示，當手懸空于面板上時,用手從空中做上 下左右以及其組合方向的滑動、順逆時針轉圈、打鉤和打叉等操作時，根據之前的人手部投 影算法，不難得出手的三維運動軌跡；這個軌跡在數據上的表達形式是一個含有三個分量 的序列[X，y, h]，分別是手對于所述面板上方空間的x、y坐標和距離；對連續采樣到序列進 行分析可以非常容易的得出其運動軌跡，從而通過位置變化數據識別出手勢；還可以采用已有芯片完成手勢識別。所述處理單元可以分別生成各手勢對應的控制指令，以完成相應 的功能。
[0112]本實施例的第四種應用場景如圖12所示，在運行手寫應用時，應用狀態為手寫狀 態，手寫狀態對應的第一對應關系為:所識別出的手勢與輸入筆劃之間的對應關系。用戶可 以用手在面板上書寫。面板上附帶的屏可以顯示記錄下的筆畫。這項功能可以依靠電容觸 摸板采樣到的數據，通過平臺端的應用程序實現識別。
[0113]本實施例的第五種應用場景如圖13所示，在運行手寫應用時，應用狀態為懸空手 寫狀態，懸空手寫狀態對應的第一對應關系為:所識別出的手勢與輸入筆劃之間的對應關 系。用戶可以用手在空中書寫并識別出所寫的字。面板上附帶的屏可以顯示記錄下的筆畫。 該功能類似于手勢識別功能，傳統的書寫識別僅僅對一組含2個分量[x，y]的序列進行特 征分析。空中書寫則是對含有三個分量的序列[x，y，h]進行特征分析和特征庫建立。
[0114]本實施例的第六種應用場景如圖14所示，該屏幕也可以是支持裸眼3D的屏幕或 者是柔性屏。利用之前描述的手勢識別的技術，可以實現空手對裸眼3D所顯示的虛擬立體 物進行交互，比如當手從圖14左圖所示的形態改變為右圖所示的形態時，可以識別為手在 空間中的抓取動作。面板上的若使用裸眼3D的屏幕可以顯示一些n物體來增強互動性， 應用狀態為交互狀態，交互狀態對應的第一對應關系為:所識別出的手勢與產生的動作結 果之間的對應關系。例如做屏幕上顯示一個杯子，當識別出的手勢為出拳的動作時，則生成 顯示杯子碎裂的樣子的控制指令。
[0115]當然，本發明還可有其他多種實施例，在不背離本發明精神及其實質的情況下，熟 悉本領域的技術人員當可根據本發明作出各種相應的改變和變形，但這些相應的改變和變 形都應屬于本發明的權利要求的保護范圍。
【權利要求】
1.一種輸入裝置，包括:面板； 其特征在于，還包括: 電場感應發射電極，位于所述面板的中心，用于產生電場； 環繞所述電場感應發射電極設置的電場感應接收電極，用于檢測所述電場的變化；電場感應驅動芯片，用于根據所述電場的變化確定進入所述電場的導電體在三維空間中的位置變化數據； 處理單元，用于根據所述位置變化數據生成對應的控制指令。
2.如權利要求1所述的輸入裝置，其特征在于，所述面板包括: 觸摸面板和電場感應電極板；所述電場感應發射電極和電場感應接收電極位于所述電場感應電極板上。
3.如權利要求2所述的輸入裝置，其特征在于: 所述電場感應電極板為貼于觸摸面板背面的獨立的印刷電路板或者柔性電路板； 矩形的電場感應發射電極·位于所述電場感應電極板的中間，四個長條形的電場感應接收電極位于所述電場感應電極板上電場感應發射電極的四周。
4.如權利要求1所述的輸入裝置，其特征在于: 所述面板為電容觸摸面板；所述電場感應發射電極和電場感應接收電極采用透明導電薄膜材料制作在所述電容觸摸面板上。
5.如權利要求1所述的輸入裝置，其特征在于: 所述導電體為人手或手指； 所述處理單元根據所述位置變化數據生成對應的控制指令是指: 所述處理單元根據所述位置變化數據識別出手勢，生成所識別出的手勢對應的控制指令。
6.如權利要求5所述的輸入裝置，其特征在于，所述處理單元生成所識別出的手勢對應的控制指令是指: 所述處理單元判斷所述輸入裝置的當前使用狀態，根據所述輸入裝置的當前使用狀態對應的第一對應關系，生成所識別出的手勢對應的控制指令。
7.一種輸入方法，應用于如權利要求1?6中任一項所述的輸入裝置中；所述方法包括: 通過電場感應發射電極產生電場； 通過電場感應接收電極檢測所述電場的變化； 電場感應驅動芯片根據所述電場的變化確定進入所述電場的導電體在三維空間中的位置變化數據； 處理單元根據所述位置變化數據生成對應的控制指令。
8.如權利要求7所述的方法，其特征在于，所述處理單元根據位置變化數據生成對應的控制指令的步驟包括: 所述處理單元判斷所述輸入裝置的當前使用狀態，根據所述輸入裝置的當前使用狀態對應的第一對應關系，生成所述位置變化數據對應的控制指令。
9.如權利要求7所述的方法，其特征在于: 所述導電體為人手或手指；所述處理單元根據位置變化數據生成對應的控制指令的步驟包括: 所述處理單元根據所述位置變化數據識別出手勢，生成所識別出的手勢對應的控制指令。
10.如權利要求9所述的方法，其特征在于，所述處理單元生成所識別出的手勢對應的控制指令的步驟包括: 當識別出的手勢為手指輕觸所述面板上手對所述面板的投影區時，所述處理單元根據手的投影區的位置，判斷該輕觸處于所述手的投影區的左半部分還是右半部分； 根據判斷結果生成相當于鼠標左、右鍵功能的控制指令。
11.如權利要求9所述的方法，其特征在于，所述處理單元生成所識別出的手勢對應的控制指令的步驟包括: 當識別出的手勢為在手的投影區中間用手指做上下滑動或前后移動時，所述處理單元生成相當于鼠標滾輪操作的.控制指令。
【文檔編號】G06F3/0346GK103440049SQ201310381796
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年8月28日 優先權日:2013年8月28日
【發明者】蔣凌峰 申請人:深圳超多維光電子有限公司