一種觸摸識別裝置及包含該裝置的人機交互系統的制作方法

本發明涉及人機交互領域，尤其涉及一種光學影像式觸摸識別裝置及包含該觸摸識別裝置的人機交互系統。

背景技術：

光學影像式電子白板主要應用于教育和辦公，由于其互動性非常好，因此很受用戶青睞，現有光學影像式觸摸屏(以下簡稱光學屏)其中一種技術通常包括攝像頭模塊、光源和回歸反射條，攝像頭采集拍攝到的亮度信息，進行分析，因不透光的介質遮擋光路，因此可以識別遮擋物所在的角度方向，對觸摸物進行位置識別。這種光學屏的缺點是支持觸摸感應，但對于每個識別物(包括觸摸物(手指)與書寫筆)不能區分，因此即使集成了筆尖壓力感應以傳遞壓力，仍不能正確匹配識別到的坐標與壓力數據的匹配關系，不能實現觸摸物(手指)與筆同時使用，無法有效區分觸摸與書寫筆，因此帶有壓力感應的書寫筆的書寫效果無法達到最佳。此外，現有技術中的電容屏、電阻屏、紅外屏、電磁屏以及激光投影式書寫屏等均無法在同時使用書寫筆和手指觸摸物的情況下進行有效區分，電磁屏僅支持專用的書寫筆，不支持觸摸，更加不能支持觸摸與書寫筆同時使用，激光投影式書寫屏僅支持專用的書寫筆，不支持觸摸，更加不能支持觸摸與書寫筆同時使用及區分。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是提供一種在同時使用有源書寫筆和手指或其它無源觸摸物的情況下，能準確識別并區分出有源書寫筆和無源觸摸物的觸摸識別裝置和人機交互系統。

為解決上述技術問題，本發明提供一種觸摸識別裝置，包括至少兩個圖像采集處理單元、觸摸面板、可控光源和控制器，所述圖像采集處理單元位于所述觸摸面板的邊緣，所述光源用于從所述觸摸面板的與所述圖像采集處理單元相對的邊緣向所述圖像采集處理單元發射光線；所述光源周期性的開啟和關閉，所述圖像采集單元同步所述光源的開啟狀態和關閉狀態采集圖像，將采集的圖像直接發送或處理后發送給所述控制器，所述控制器根據接收的圖像信息識別圖像中的觸摸物的位置并發送給主機。

優選地，所述光源包括回歸反射條和紅外光源，所述回歸反射條設置于所述觸摸面板的邊緣，用于將所述紅外光源發出的光反射回去，所述紅外光源位于所述圖像采集處理單元上。

優選地，所述光源開啟時，所述圖像采集單元采集的圖像用于識別無源觸摸物，所述光源關閉時，所述圖像采集單元采集的圖像用于識別有源觸摸物。

優選地，還包括與所述控制器連接的書寫筆通信單元，用于接收有源觸摸物發送的信息，將接收的信息發送到所述控制器，所述控制器將從有源觸摸物接收的信息與有源觸摸物的位置信息組合后一并發送到主機。

優選地，所述光源和所述圖像采集處理單元由所述控制器統一控制。

優選地，所述圖像采集處理單元控制所述光源的開啟和關閉。

優選地，所述光源為條狀紅外光源，設置在所述觸摸面板的邊緣。

優選地，所述信息包括壓力感應數據和/或筆顏色參數。

優選地，所述信息包括幻燈片播放控制信號。

優選地，所述信息包括操作系統熱鍵命令信息。

本發明還提供一種交互系統，包括上述觸摸識別裝置，還包括一種有源書寫筆，所述有源書寫筆包括處理器和筆光源，所述處理器與所述筆光源連接，所述處理器與所述觸摸識別裝置能建立無線連接，在所述有源書寫筆使用過程中所述處理器控制所述紅外發射管常亮，紅外光通過有源筆的筆頭向觸摸識別裝置邊緣輻射。

優選地，所述有源書寫筆還包括筆光源按鍵開關，所述按鍵開關與處理器連接，所述控制器通過采集的按鍵開關數據控制筆光源，同時將對應的筆顏色參數發送到所述觸摸識別裝置，所述筆光源包括紅外發射管和三色led管。

優選地，所述有源書寫筆還包括幻燈片控制按鍵開關及熱鍵按鍵開關，所述控制器通過采集的幻燈片按鍵開關數據及熱鍵按鍵開關數據向所述觸摸識別裝置發送幻燈片控制信息及熱鍵信息。

優選地，所述處理器與所述觸摸識別裝置建立無線連接后，才控制所述紅外發射管常亮。

優選地，所述有源書寫筆還包括與所述處理器連接的壓力感應器件，所述處理器接收到壓力感應數據將其發送到所述觸摸識別裝置。

本發明的觸摸識別裝置既能識別有源書寫筆，也能識別無源觸摸物，在同時存在有源書寫筆和無源觸摸物時能夠識別并區分，并針對有源書寫筆提供仿真字跡，增強了用戶體驗。

附圖說明

圖1本發明觸摸識別裝置結構示意圖；

圖2為本發明在開啟光源情況下的光路示意圖；

圖3為本發明在關閉光源情況下的光路示意圖；

圖4為觸摸識別裝置組成結構示意圖；

圖5為有源書寫筆組成結構示意圖；

圖6為有源書寫筆外觀圖；

圖7為有源書寫筆電路框圖。

具體實施方式

下面將結合具體實施方式及附圖，對本發明的技術方案進行清楚、完整地描述。

本發明的觸摸識別裝置如圖1所示，包括4個圖像采集處理單元1、觸摸面板2、回歸反射條3、控制器4和位于圖像采集處理單元上的可控紅外光源(紅外led，圖中未示出)，本實施例中觸摸面板2的四個角各設置一個圖像采集處理單元(實際應用中，有兩個以上圖像采集處理單元就可以)，回歸反射條和紅外光源提供從所述觸摸面板的與所述圖像采集處理單元相對的邊緣向所述圖像采集處理單元發射紅外光線的作用，如果在觸摸面板2的邊緣設置線狀的光源，可以替代上述回歸反射條和紅外光源。所述控制器4控制所述紅外光源周期性周期性的開啟和關閉，同時控制所述圖像采集單元同步所述光源周期性采集光源在開啟狀態和關閉狀態的圖像，所述圖像采集單元將采集的圖像處理后發送到所述控制器，所述控制器4處理后發送到主機。

下面分別說明光源在開啟和關閉狀態下圖像采集處理單元分別采集的圖像所起的作用：

光源在開啟時，用于識別無源觸摸物(例如手指)，開啟自身光源狀態下獲取圖像，若不存在無源觸摸物，光路由紅外光源發出，在回光反射條處反射后，射向紅外光源，也就是射向圖像采集處理單元(光不可能完全回歸反射，會存在一定的角度差異，有一部分光經過反射進入圖像采集處理單元被其接收)，采集的圖像表現為反光條全亮，若有無源觸摸物，則無源觸摸物會遮擋光路(如圖2所示)，圖中示出了無源觸摸物5對左上角攝像頭的影響，其中粗黑實線為紅外光源發射的光，細白實線為經過回歸反射條反射的光，可以看出與圖像采集處理單元相對的邊緣上的回歸反射條上反射的光射向該圖像采集處理單元，黑點為無源觸摸物5，粗黑虛線為被無源觸摸物遮擋的發射光，無源觸摸物5由于遮擋了紅外光源發射的光，因此沒有光線從回歸反射條反射回去，采集的圖像表現為無源觸摸物所處位置的亮度暗于其它無無源觸摸物的區域。此時有源的書寫筆由于自帶光源，因此圖像采集處理單元能夠接收到有源書寫筆的光源發出的光，因此在圖像采集處理單元采集的圖像中，有源書寫筆所處的位置其亮度亮于無源觸摸物所處位置的亮度，由此可見，有源書寫筆是否存在對圖像沒有明顯影響，不影響識別無源觸摸物的位置。圖像采集處理單元將部分圖像(包含對應無源觸摸物暗紋的線狀圖像)發送到所述控制器4，也可以是將整幅圖像發送到控制器4，所述控制器根據算法計算出無源觸摸物相對于該圖像采集處理單元所處的角度，利用至少兩個圖像采集處理單元計算出的角度關系，利用三角函數計算出無源觸摸物的位置等參數，包括觸摸點數量、每個點的坐標、尺寸、觸摸狀態等，以觸摸數據形式通過usb接口發送到主機。

光源在關閉時，用于識別有源觸摸物(例如有源書寫筆)，識別帶光源的有源書寫筆，若無有源書寫筆，圖像采集處理單元采集的圖像表現為全暗，若存在有源書寫筆，如圖3所示，有源書寫筆6筆尖發光，圖像采集處理單元采集的圖像表現為有源書寫筆尖所處位置亮度亮于不存在有源書寫筆所處位置的亮度，此時如果存在無源觸摸物，由于無源觸摸物在沒有光源的情況下，對圖像采集處理單元采集的圖像不會有亮度上的影響，因此，圖像采集處理單元采集的圖像無法用于識別無源觸摸物，由此可見，無源觸摸物是否存在對圖像沒有明顯影響，不影響識別有源書寫筆的位置。圖像采集處理單元將部分圖像(包含對應有源書寫筆亮紋的線狀圖像)發送到所述控制器4，所述控制器根據算法計算出有源書寫筆相對于該圖像采集處理單元所處的角度，利用至少兩個圖像采集處理單元計算出的角度關系，利用三角函數計算出有源書寫筆的位置。上述位置計算屬于現有光學影像式觸摸屏原理，本文就不再贅述。

上述實施例中，所述控制器4控制所述紅外光源周期性的開啟和關閉，同時控制所述圖像采集單元同步所述光源周期性采集光源在開啟狀態和關閉狀態的圖像，所述圖像采集單元將采集的圖像處理后發送到所述控制器4進行識別處理，所述控制器4處理后將獲得的信息(如位置信息)發送到主機。在具體實施中，作為一種優選替代實施方式，所述紅外光源和所述圖像采集處理單元一體集成，由圖像采集處理單元控制所述紅外光源的開啟和關閉，并同步采集圖像，將采集的圖像的部分或全部發送到所述控制器4進行識別處理。

作為另一個優選實施方式，如圖4所示，本發明觸摸識別裝置還包括一個書寫筆通信單元7，書寫筆通信單元與所述控制器4連接，用于將從具有通信模塊的書寫筆接收信息并發送到所述控制器4，圖4中光源集成在圖像采集處理單元1中，所以圖中未示出光源。

所述書寫筆通信單元7從書寫筆可以接收筆尖壓力數據、書寫筆按鍵數據，按鍵數據例如擦除開關數據(擦除狀態/書寫狀態)、書寫筆跡顏色數據、熱鍵數據、ppt播放控制命令數據等。控制器4將識別的書寫筆位置參數與接收到的壓力數據組合為筆數據發送到主機。具有通信模塊的書寫筆如果是有源書寫筆，則可以和無源觸摸物同時使用互不影響，有源書寫筆能夠利用壓力數據實現仿真筆跡，無源觸摸物也能夠與主機做交互。書寫筆通信單元7可以利用有線連接、藍牙、zigbee等通信協議與書寫筆中的通信模塊通信。

為了讓本領域技術人員更加容易理解本發明，下面對本發明提供有源書寫筆做詳細的說明，如圖5所示，有源書寫筆包括筆頭、固定安裝所述筆頭的筆頭固定裝置58、筆光源54和筆身，所述筆頭固定裝置58中有夾持件59，方便更換筆頭且不讓筆頭脫落。書寫筆還包括壓力感應器件512和與其連接的處理器510，壓力感應器件512位于筆頭的后端，筆頭在書寫時，會傳遞壓力給所述壓力感應器件512，壓力感應器件512將壓力感應值發送到處理器510，處理器510通過通信模塊將參數發送給觸摸識別裝置(電子白板)，所述處理器510包含了用于與觸摸識別裝置通信的通信模塊，例如藍牙模塊。處理器510還連接有多個按鍵開關511，通過采集按鍵開關信號控制筆光源54的發射，筆光源54包括紅外發射管以及三色led管，均通過處理器進行驅動。處理器510可以采用microchip公司的samb11芯片，含有低功耗藍牙模塊，開關11通常選用按鍵開關，在實物圖中分布在電子書寫筆的表面，如圖6所示。處理器510還可以采用nordic公司的nrf52832芯片，通信也是用了bluetoothlowenegry，簡稱bluetoothle或ble(該范疇內均無歧義)，中文名低功耗藍牙。

無論是紅外發射管還是三色led管發射出的光均通過筆頭向外發射，紅外發射管可以一直點亮，使得書寫筆成為有源書寫筆，便于觸摸識別裝置識別，三色led可以顯示不同的顏色，供用戶肉眼識別，同時處理器將三色led管的顏色狀態(筆顏色參數即書寫時筆的顏色)發送到觸摸識別裝置識別，觸摸識別裝置識別根據三色led管的顏色狀態采用相應的顏色筆。讓用戶有更便捷的體驗，在書寫時，省略掉選擇顏色筆的步驟。

下面介紹筆頭的結構和原理，筆頭包括導光件51及與其一端固定連接的書寫接觸件52，所述書寫接觸件52與導光件51連接的一端為錐形部53，所述導光件51的一端用于將書寫筆中筆光源54發出的光導向所述書寫接觸件52，其中一部分光55通過所述書寫接觸件的錐形部分進行反射，附圖標記56表示反射的光，如果筆桿垂直于觸摸識別裝置(電子白板)書寫，則反射的光以平行于電子白板的方式射到電子白板邊緣的圖像采集處理單元1。由于錐形部53的反射，筆光源54發出的光大部分都能被有效利用，因為光源大部分光線位于光源(一般是led光源)的光軸及附近，如果將光源設置在筆尖處，由光源直接向電子白板邊緣輻射的光強會很微弱。書寫接觸件52的與錐形部53相對的另一端為筆尖，用于直接接觸電子白板平面，通常為球面形，優選方案可以選用pom(聚甲醛:polyformaldehyde)熱塑性結晶聚合物。被譽為"超鋼"或者"賽鋼"，又稱聚氧亞甲基。英文縮寫為pom)加鈦白粉，靠pom本身的自潤性來減少書寫中的摩擦阻力，加入鈦白粉是為了增強光的反射，降低光的損耗。

導光件51和書寫接觸件52可以通過uv膠粘接；所述導光件51可以是中空柱體，光源發射的光直接發射到所述錐形部上進行反射，錐形部可以是由紅外光反射材料制成，也可以通過處理錐形部的錐形面，在錐形面上形成一層反射材料。所述導光件51也可以為透明的實心柱體，所述導光件與所述書寫接觸件固定連接的一端為凹錐形面，所述凹錐形面與所述書寫接觸件52的錐形部相配合，用uv膠將二者粘接在一起。

適當設置所述導光件的凹錐形面的傾斜角度和所述書寫接觸件的錐形部，讓凹錐形面與所述書寫接觸件的錐形部之間形成有空隙，所述凹錐形面可以對筆光源54發出的部分光形成全內反射，效果更加。所述的導光件51優選為亞克力材質，還可以是透明塑料等。電子白板接收到壓力感應值后可以調整筆畫的粗細，讓書寫出來的字跡更加蒼勁有力，更加有藝術感。

圖7是有源書寫筆的電路框圖，有源書寫筆包括處理器、壓力感應器件、按鍵開關和筆光源，其中壓力感應器件采集筆尖壓力數據傳遞至處理器；處理器采集按鍵開關數據，根據按鍵開關數據控制筆光源，不同顏色的筆光源顯示不同的顏色；同時，處理器將對應顏色相關的參數通過藍牙通信模塊發送到電子白板，處理器在初始化完成并于電子白板的書寫筆通信單元7建立連接后，控制紅外發射管常亮(斷開連接時，控制所有光源常滅，降低耗電功率)。還包括ppt播放按鍵開關，處理器根據ppt(幻燈片)按鍵開關數據將控制ppt播放的命令信息通過藍牙模塊發送到書寫筆通信單元7；按鍵開關還包括熱鍵開關，控制主機的熱鍵，處理器根據熱鍵數據通過藍牙模塊向書寫筆通信單元7發送熱鍵命令，有源書寫筆電路還可以包括一個加速度計(虛線框所示)，用于采集振動信息傳遞至處理器；處理器同樣通過藍牙模塊發送到電子白板。

本發明的上述觸摸識別裝置與有源書寫筆構成一種人機交互系統。既能識別有源書寫筆，也能識別無源觸摸物，在同時存在有源書寫筆和無源觸摸物時能夠識別并區分。

顯然，本領域的技術人員可以對本發明進行各種改動和變型而不脫離本發明的精神和范圍。這樣，倘若本發明的這些修改和變型屬于本發明權利要求及其同等技術的范圍之內，則本發明也意圖包含這些改動和變型在內。