CN102411433A - 使用图像捕捉设备的双功能手写板 - Google Patents

Abstract

一种使用图像捕捉设备的双功能手写板，使用红外图像传感设备作为手写笔位置坐标检测部件，通过支架安装在可以容纳下书写的纸张书写区域的上方；与其配合的信号处理电路包含有用于红外光点识别的图像识别单元、***控制和坐标计算、数据编码和传输单元。手写笔中有一个可以在纸上留下书写墨迹的墨芯，墨芯的尾端的笔杆内安装有一个书写压力传感元件。手写笔可以有发射红外线、反射红外线的有线笔，发射红外线、反射红外线的无线笔共四种基本结构。本发明的手写板能够实现电子和墨迹双功能书写，具有简单、方便、不限制书写纸张、低制造和使用成本等优点，适合于网络教学和交流的需要。

Description

使用图像捕捉设备的双功能手写板

技术领域

本发明涉及一种用于计算机的手写输入装置，属于图像采集和处理技术领域，尤其是图像采集和识别技术在计算机图文输入技术领域的应用。

背景技术

随着网络教学的发展，通过互联网实现远程教学已经越来越普及，但是现有的输入手段和产品却很难满足这种需求。对于文学、历史、政治等以文字内容为主的学科，尽管在某些情况下输入如注释、特殊格式文字符号时有些不便，但是键盘还可以基本满足要求；但是输入结构复杂的数学、物理公式、和化学分子式以及图形、矩阵等理工科学科的内容，键盘就很难满足要求。如果使用手写板输入公式、化学式等内容，由于没有纸面上的墨迹，所以输入公式、化学式、矩阵等内容时，使用者常常很难确定下一个字符要书写在手写板的什么位置，导致输入内容混乱。因此网络教学等应用，需要有一种既能留下计算机可识别显示的电子文档，又能在纸面上留下墨迹的双功能手写板。

现有的手写输入技术，主要有电阻膜技术、电磁感应技术、空间超声波技术，这些技术构成了若干种基本的手写板技术方案。使用这些技术构建的手写板产品，虽然各有自身的优点，如电阻膜的低成本、电磁感应的高精度和压感功能、空间超声波不需要实体手写底板的特点等，但是都有一个共同的缺点：就是不适合用于设计既能留下计算机可识别显示的电子文档，又能在纸面上留下墨迹的双功能手写板。

如电阻膜技术，虽然可以在手写板面上附上纸张用普通的铅笔、钢笔、圆珠笔、签字笔来书写，但是缺点在于：第一对纸张的厚度要求严格，普通的80g复印纸附在上面，书写的力度稍轻，墨迹有了，但是下面的电阻膜却因为纸张的存在而得不到足够的压强，不能留下电子文档；第二电阻膜的表面硬度和强度都很低，如果书写得力度稍大，就很容易被尖锐的笔尖划破致使手写板损坏。

对于电磁感应技术，第一因为手写笔内部需要安装线圈等电子元件，所以很难有空间安装带有油墨的笔芯，尤其是装入现在通用的成品圆珠笔芯或签字笔的笔芯。第二因为电磁场的存在，即使设计专用的笔芯，也因为涡流的存在，不能在笔芯的尖端有金属导体。这样制造笔尖的材料就受到了极大的限制，难以设计出长寿命的油墨笔芯。即使不惜代价设计制造出来，也非一般用户消耗得起。

对于空间超声波技术，虽然已经能够实现电子文档和墨迹文档的双功能手写板，但是因为手写笔的尖端安装有桶形的超声波发射器，笔身内部又有大量的电子元件，所以第一笔尖的直径、尺寸都受到限制，同样难以装入现在最通用的成品圆珠笔芯或签字笔的笔芯，只能装入一油墨容量很小的半专用笔芯。这样的笔芯寿命很短，一般在A4幅面的纸张上书写大密度地书写一两页后，笔芯的油墨就会被用完，所以日常使用费用很高。第二，受限于手写笔上超声波发射器的发射角，超声波的手写笔在书写时对笔与纸面的倾角要求很严格，要求笔身接近垂直于纸面，一般最大只允许与纸面的垂线有十几度的倾角，倾角再大了，在离超声波接收器距离稍远时，就很容易出现信号减弱、书写断线的问题，因此很不符合普通人的书写姿势。

如果把可用于手写输入的技术再扩大一些，还有红外触摸屏和电子白板技术、摄像头触摸屏和电子白板技术、表面声波触摸屏技术、电容触摸屏技术。这类技术主要用于平板显示器和投影屏幕的表面，其书写表面的性质，决定这些手写技术所使用的触摸物或手写笔无法使用墨芯，因此不适合直接应用于个人手写板类产品。

发明内容

本发明的目的，就是针对现有技术的缺点，公开了一种留下计算机可识别显示的电子文档，又能在纸面上留下墨迹的双功能手写板的技术方案，以满足网络教学、交流中理工科相关内容输入的需要。

本发明的双功能手写板，包含有书写压力传感元件的手写笔、手写笔位置坐标检测部件，以及与书写压力传感元件和位置坐标检测部件相配合的信号接收和处理电路。在本发明中，使用的坐标检测部件，是一个能够捕捉红外图像的图像传感设备，安装在书写区域的上方，与其配合的信号处理电路中包含有顺序连接的用于红外光点识别的图像识别单元、坐标计算单元、数据编码和传输单元，以及用于协调所述各单元工作的***控制单元；所使用的手写笔，内部包含有一个可以在纸上留下书写墨迹的墨芯，墨芯的尾端的笔杆内安装有所述压力传感元件；还包含有一个书写平面，用于容纳下书写的纸张；以及一个能被手写笔外壳的书写端发射或反射的红外线光源，以及与其配合的红外线光源驱动电路。

本发明中所使用的墨芯，是签字笔或者圆珠笔所使用的墨芯。

本发明的手写笔有两种：有线笔和无线笔。

对于有线笔，用于驱动红外线光源发光的驱动电路与所述信号接收处理电路通过导线或电缆与手写笔相连接，并且与红外线光源和压力传感元件有线连接。

有线笔的一种结构，所说的红外线光源，是若干只红外发光管，安装在手写笔外壳的书写端上。

还有一种反光结构的有线手写笔，在手写笔书写端外壳的表面，包裹有一层定向回归反射的光学材料；其中红外线光源，是若干只红外发光管，安装图像传感设备所在的位置，所发射的红外线照射在书写区域内。这样，通过定向回归反射的反射，红外线光源所发射的红外线，被定向反射到了图像传感器的镜头中。

反光结构的手写笔，也可以做成无线的。与有线手写笔相同，在手写笔书写端外壳的表面，包裹有一层定向回归反射的光学材料；其中红外线光源，是若干只红外发光管，安装图像传感设备的位置，所发射的红外线照射在书写区域内；在所述信号接收处理电路中，还包含有一个无线数据接收单元；在手写笔中，包含有一个以电池为电源的无线数据发射单元；安装在手写笔中的压力检测元件，与无线数据发射单元的数据输入端相连接，以传输压力检测元件的状态量到所述的无线数据接收单元。一般来说这对无限收发模块也可使用射频模块。但是如果在摄像头的光学通道上，包含有与用于寻迹的红外发光管的所发射的红外线的波长相匹配的窄带的红外滤镜，那么所述无线数据发射和接收单元，可以是利用另外波长的红外线传输数据的无线发射接收单元。

对于上述有线或者无线笔，如果有线或者无线数据传输通道可以用于传输压力检测元件的编码数据，所以手写笔中的压力传感元件，可以使用输出的电信号与所检测到的压力成一定函数关系的传感元件。

另一种无线手写笔的结构，红外线光源是若干只红外发光管，安装在手写笔的书写端的外壳上，所述手写笔内部包含有一个作为电源的电池和一个控制电路；所述控制电路中包含有驱动所述发光管发光的驱动电路，通过一个控制端来控制发光管的发光状态；所述控制端与手写笔内所述的压力检测元件相连接。更进一步，如果所述信号接收处理电路中的图像识别模块能够识别手写笔中发光管的亮度，并且控制发光管的发光状态的控制端能够控制发光管的亮度。那么所述的手写笔中的压力检测元件，也可以使用上述有函数关系的传感元件。

发明的益处：通过对本发明的技术方案的描述，可以看到本发明的手写板除了能够实现电子和墨迹双功能书写以外，还具有结构简单、使用方便、对书写纸张无限制、低制造和使用成本、寿命长等优点，能够充分满足网络交流和教学的需要。

附图说明

图1：本发明的总体结构的示意图；

图2：本发明的***电路结构方框图；

图3：一种红外发光管安装在手写笔书写端的结构；

图4：本发明一种使用可反射红外线的部分结构示意图；

图5：一种可反射红外线的手写笔的结构示意图；

图6：无线手写笔的部分结构示意图。

具体实施例

下面参照附图来说明本发明的原理和具体实施方式。

图1中给出了本发明的基本结构形式。从图1中可以看到，本发明由用于安放整个***的主要电路板的底座101、竖起的支架102、安装在外壳104之内的图像采集传感设备(一般使用常见的CMOS摄像头，下面统称为摄像头)103、用于容纳、放置书写纸的书写区域105、手写笔106构成。在手写笔的笔尖部分也就是书写端107位置，包含有一个红外元件，可发射或者反射近红外光线。在本发明中，之所以使用近红外线(波长一般为780～980nm)作为寻迹用的光线有三个原因：第一是人眼不可见，不会对使用者产生干扰；第二是摄像头又对这个波长段的光线很敏感，可见光也容易被滤除；第三是光源容易得到，如850nm和940nm的红外发光管已经被广泛应用。在书写区域105的一端，还可以设置一个用于塞入或者夹紧书写用纸张、书写用本子的开口或机构109，便于使用者固定纸张的位置。

在本发明中，手写笔的书写端107位置，可以使用红外发光管作为红外线光源来发射红外线，也可以使用反光元件尤其是定向回归反射元件来反射红外线，标示出手写笔笔尖所在的位置。当摄像头103捕捉到这些被发射或者被反射的红外线以后，红外线在摄像头的CMOS靶面上成像。

图2给出了本发明的摄像头图像信号处理***的结构方框图。从图2中可以看到，当图像传感设备103(即图1中摄像头)采集到手写笔书写端发射或者反射的红外线后，被送到由DSP或者单片机及内部可执行代码构成的信号处理***中，在***控制单元201的协调控制下，图像识别单元202通过数据比较等运算，从背景信号中识别提取出手写笔书写端的红外线图像信号，然后再通过设定的已知条件，利用坐标计算和数据整合单元203中的坐标计算功能，得到手写笔书写端在书写区域105内的位置信息，即在设定的坐标系XOY中的坐标值。如果必要，还可以再根据手写笔的书写端107上红外发射或反射元件与笔尖和红外元件的位置偏差以及使用者的一般书写习惯，对坐标值进行修正，得到笔尖在书写区域105内更精确的位置。在得到所需要的坐标信息以后，再利用坐标计算和数据整合单元203的数据整合和编码功能，对坐标数据和其他数据如从手写笔内部的书写压力检测元件的输入端口205输入的压力数据进行整合、计算，最终按照设定的通信协议，通过输入输出单元204，输出到使用本发明的计算机***中。图2所示的各个部分，除了图像采集不见103以外，均可以安装于手写板的底座101之中。

在图2中所给出的是各个部分、模块、单元的功能和一种结构和顺序，不是唯一的结构和顺序。因为微处理器***的整体性和可控性，所以绝大部分通过代码实现的功能，可根据微控制器***的特定结构和产品的实际需要来设计，将各个功能排列组合在不同的单元之中，如***控制单元也可以与图像识别单元组装在一起构成一个复合功能单元。另外，本发明所使用用于手写笔书写端寻迹的红外线光源206，需根据手写笔是有线笔还是无线笔、红外线是被发射还是被反射，来设定是独立安装在手写别内还是通过导线连接安装在手写笔内或者摄像头的附近，因此图中给出了虚线的连接，只表示这个单元是***所必需的，而不是一定要与图2所示的其它部分有电气上的连接。对于压力检测输入端口，虚线连接既表示与红外光源有相同的含义，同时还有无线连接的含义。

针对图2所示的***结构，主要输入图像采集和处理的技术领域，已经是成熟技术，很多应用在其他领域的技术方案可直接使用或借鉴使用。即使对于针对本发明的技术方案，前面背景技术所给出的关于“红外触摸屏和电子白板技术、摄像头触摸屏和电子白板技术”所使用的基本技术方案就可以直接应用于本发明。目前已经有很多专利文献记载了这类技术方案，如号码为200610122739.5、200610122463.0、200410054381.8、00128801.6、200580038703.2等中国专利或者专利申请所公开的技术方案，以及其内部所涉及的更早的技术方案。

在本发明中，对于信号捕捉处理部分来说，尽管可以有非常多的不同的具体结构，但是都是现有的成熟技术，故不再详细说明。本发明的实施方式主要集中在手写笔的形式和结构方面，因此下面将着重结合手写笔、红外光源以及书写压力传感部分的具体结构，来说明本发明的多种实施例。

本发明所使用的手写笔可以由有线笔、无线笔、发射红外线和反射红外线这四种特征结构，组合出四种不同的手写笔，即：有线发射红外线、有线反射红外线、无线发射红外线、无线反射红外线这四种结构的手写笔，构成不同的实施例。下面分别来说明。

实施例1：一种发射红外线的有线手写笔

图3是一种有线且主动发射红外线的手写笔的结构。从图中可看到，在手写笔的书写端107安装有若干只红外发光管304，外面安装有能通过红外线的透光窗303。透光窗通过螺纹或者卡接等方式安装在手写笔的外壳也就是笔杆301的一端，一支通用的签字笔的笔芯302，在透光窗与笔杆分离时，通过笔杆书写端的开口安装在笔杆内。这样笔杆这端内部的一个台阶与透光窗的内部穿过笔尖套筒，共同限定了笔杆的位置。适当设计这副限位结构之间的间隙，可以使笔芯只能在一个小的范围内移动，既能保证笔芯在书写时所受到的压力传递到安装在笔杆另一端的压力检测元件307上，又在书写压力过大时，笔杆内部的限位台阶能够完全担负书写压力而不至于损坏压力检测元件。

红外发光管304可以通过安装在笔杆在书写端的端面上的印刷电路板，安装在透光窗内部，并通过穿过笔杆内侧的缺口的导线305，与笔杆尾端的端盖306内用于安装压力检测元件的电路板或者接线板308等结个电气连接，最终连接到连接手写笔与摄像头图像信号处***的相连接的导线108上。同时，压力检测元件306也通过导线，与连接摄像头图像信号处***的导线电气连接。为保证红外发射管所发射的红外线比较集中，得到更好的识别效果，还可以在透光窗的外表面覆盖上内部为反射面的不透光表层309，只留出最接近笔尖的部分能射出红外线。

实施例2：一种反射红外线的有线手写笔

图4给出的是利用反射红外线的方式来检测手写笔位置坐标的结构示意图。在这种结构中，若干只红外发光管401被安装在摄像头103的镜头的附近或者周围。红外发光管所发射的光线402被安装在手写笔书写端107的反光元件所反射，被摄像头捕捉到。

这种结构既可以用于无线笔，也可以用于有线笔。当用于有线笔时，手写笔的基本结构如图5所示。在手写笔的笔尖上包裹或者覆盖上一层反光材料501，最好是能够将光线按照入射路径原方向反射回去的定向回归反射材料，如回归反射织物、回归反射膜等材料，甚至回归反射涂料。这种结构的手写笔的笔杆结构可以参照图3来设计，但省略了连通书写端的导线及相关结构，但可保留对笔芯的移动起限位作用的结构，将笔芯从书写端装入笔杆301。因为一般情况下书写的压力都不会很大，因此图5给出了一种简化的结构，从尾端装入笔芯，简化了笔杆的设计，身略了笔尖部分的安装结构。当然也可以在尾盖306内设计另外的限位结构，实现分担过大的书写压力的目的。在这里，压力检测元件306同样通过导线与连接摄像头图像信号处***的导线电气连接。

实施例3：另一种发射红外线的无线手写笔

对于无线笔，图1、图4的结构均可使用。当使用图1的结构时，无线手写笔的笔杆、笔尖的结构、笔芯的安装等部分的结构可以与图3中的相应部分相同，后端的结构如图6所示，笔杆的尾端与一个用于容纳作为电源的电池601和电路板602的套筒603相连接。作为光源的红外发光管与安装在电路板602上的控制电路相连接；这个控制电路中包含有驱动发光管的驱动电路，包含有一个控制端来控制发光管的发光状态；这个控制端与手写笔内所述的压力检测元件307相连接。这样压力检测元件307检测到书写压力以后，书写端的发光管所发射红外线被摄像头捕捉到以后，即可得到手写笔笔尖所在的位置。

实施例4：另一种反射红外线的无线手写笔

当使用图4所示的结构时，无线手写笔的笔杆、笔尖的结构、笔芯的安装等部分的结构可以与图5中的相应部分相同，后端依旧可以用如图6所示的结构。这时，在摄像头的信号接收处理电路中，可以设计安装一个无线数据接收单元；在手写笔中的电路板602上，相应设置一个无线数据发射单元，压力检测元件与数据发射单元的数据输入端相连接。这样这个无线通路可以传输压力检测元件的状态量到前述的接收单元。这个无线通路可以使用射频通信模块。如果在摄像头的光学通道上，包含有与用于寻迹的红外发光管的所发射的红外线的波长相匹配的窄带的红外滤镜，那么这个无线通道也可以使用波长与手写笔尖端的红外发光管波长差异较大的红外模块。如寻迹用850nm红外光源，无线模块用940nm的红外光源。

在本发明中，如果无线通信模块可以传输编码的数据，那么无论是有线手写笔，还是使用无线模块通信的无线笔，手写笔中的压力检测元件，均可以使用输出的电信号与所检测到的压力成一定函数关系的传感元件，如号码为201010101907.9中国专利申请中所公开的压力传感器。如果摄像头的信号接收处理电路中的图像识别模块能够识别手写笔中发光管的亮度，同时控制发光管的发光状态的控制端也能够控制发光管的亮度，那么结合图3和图6的结构而构成的无线手写笔，其中的压力检测元件也可以使用这样有函数关系的传感元件。这样，摄像头的信号接收处理电路所输出的数据中就可以包含有手写笔书写力度的信息，用于更真切地模拟实际书写的感受。

上述实施例给出了本发明可以实施的几种结构方案，但是实施本发明可用的实施方案不只局限于上述的具体结构。例如摄像头的信号处理电路和***部分，就可以有非常多种能够实现图像识别、坐标计算等功能的软硬件结构；手写笔的具体结构也可以有无限多种，包括在笔上增加其他功能键等附加功能，因此，在本发明的基本结构方案的基础上，对本发明的改进、替换、省略、移植等技术方案，均属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种使用图像捕捉设备的双功能手写板，包含有书写压力传感元件的手写笔、手写笔位置坐标检测部件，以及与书写压力传感元件和位置坐标检测部件相配合的信号接收和处理电路，其特征在于：

所使用的坐标检测部件，是一个能够捕捉红外图像的图像传感设备，安装在书写区域的上方，与其配合的信号处理电路中包含有顺序连接的用于红外光点识别的图像识别单元、坐标计算和数据整合单元、输入输出单元，以及用于协调所述各单元工作的***控制单元；

所述手写笔，内部包含有一个可以在纸上留下书写墨迹的墨芯，墨芯的尾端的笔杆内安装有所述压力传感元件；

还包含有一个书写平面，用于容纳下书写的纸张；

一个能被手写笔外壳的书写端发射或反射的红外线光源，以及与其配合的红外线光源驱动电路。

2.根据权利要求1所述的双功能手写板，其特征在于：所述的墨芯是签字笔或者圆珠笔所使用的墨芯。

3.根据权利要求1所述的双功能手写板，其特征在于：所述手写笔与所述信号接收处理电路之间通过导线相连接，并通过导线与所述红外线光源和压力传感元件相连接。

4.根据权利要求3所述的双功能手写板，其特征在于：所述红外线光源，是若干只红外发光管，安装在手写笔笔杆的书写端上。

5.根据权利要求3所述的双功能手写板，其特征在于：在所述手写笔书写端笔杆的表面，包裹有一层定向回归反射的光学材料；所述红外线光源，是若干只红外发光管，安装所述图像传感设备所在的位置，所发射的红外线照射在所述的书写区域内。

6.根据权利要求1所述的双功能手写板，其特征在于：在所述手写笔书写端笔杆的表面，包裹有一层定向回归反射的光学材料；所述红外线光源，是若干只红外发光管，安装所述图像传感设备的位置，所发射的红外线照射在所述的书写区域内；在所述信号接收处理电路中，还包含有用于接收手写笔中压力传感元件的电信号的无线数据接收单元；与此对应在所述手写笔中，包含有一个以电池为电源的无线数据发射单元；所述安装在所述手写笔中的压力检测元件，与所述无线数据发射单元的数据输入端相连接。

7.根据权利要求6所述的双功能手写板，其特征在于：在所述图像传感设备的光学通道上，安装有与所述红外光源的所发射的红外线的波长相匹配的窄带的红外滤镜；所述无线数据发射和接收单元，是利用另外波长的红外线传输数据的无线发射接收单元。

8.根据权利要求1所述的双功能手写板，其特征在于：所述红外线光源是若干只红外发光管，安装在所述手写笔的书写端的笔杆上，所述手写笔内部包含有一个作为电源的电池和一个控制电路；所述控制电路中包含有驱动所述发光管发光的驱动电路，通过一个控制端来控制发光管的发光状态；所述控制端与手写笔内所述的压力检测元件相连接。

9.根据权利要求8所述的双功能手写板，其特征在于：所述信号接收处理电路中的图像识别模块能够识别手写笔中发光管的亮度，并且控制发光管的发光状态的控制端能够控制所述发光管的发光亮度。

10.根据权利要求1-9中任意一条权利要求所述的双功能手写板，其特征在于：所述手写笔中的压力传感元件，是输出的电信号与所检测到的压力成一定函数关系的传感元件。

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