CN102520799A - 一种光学键盘 - Google Patents

Abstract

一种光学键盘，公开了一种判断运动物体运动轨迹的方法和一种新型的键盘技术，它包括一个小型的投影***和两个摄像头以及图像处理单元，投影***把摄像头的图像投影到桌面上，摄像头拍摄桌面上的键盘图像，通过对图像的分析处理，识别出用户的手指，并计算出指尖的运动角度，并将指尖接触点所在的按钮对应的字符输入主机***，完成一次击键输入。这项技术适用于PAD、手机等便携设备，能替换键盘，起到输入字符的作用。具有极强的便携性，是目前机械键盘的升级技术。

Description

一种光学键盘

所属领域：本发明涉及一种设备，特别是一种光学输入装置和光学键盘。

背景技术：现有的键盘都是机械按压式的，在电脑、平板电脑、手机等设备上作为一种输入装置。

近来，还出现了一种激光虚拟键盘，它利用标准键盘的投影来代替实际键盘，用户在敲击这种虚拟键盘时，键盘会自动读取“键击”位置，并转换为真实的输入。它包括两个激光发射装置，第一个发射激光光束，可在几乎任何平坦的表面上投影出一个全尺寸键盘虚拟图像。第二个激光器在投影表面上方几毫米处投影出一个隐形的平面。当用户的手指经过这个平面时，激光就被反射回监测器件。一旦图像传感器检测到反射激光，传感器就要捕捉投影键盘的图像。通过处理分析，以确定QWERTY键盘图案中哪些部分被占据(blocked)或是仍然可见(visible)，从而推断出用户的手指位置，由此，也就可以确定实际的键击动作，并输出到相应的设备。这种虚拟键盘的应用并不局限于PDA，还能够成为个人计算***的更完整更精巧方案的一部分；

这种键盘可以根据需要收放自如，完全不占用空间，也不会遭遇诸如不小心把咖啡泼洒在上面的这类麻烦。

虚拟键盘拥有范围广大的应用领域：个人数字助理(PDA)，移动电话，小型电脑(为了解决占放空间)，笔记本，Tablet PC(可书写型笔记本)，工业环境，医学环境(无菌室)，测试设备，运输业等等。

但是这种虚拟键盘结构复杂，成本较高，不利于推广使用。

发明内容：

本发明的目的在于公开一种计算三维空间中物体的运动方向与工作平面夹角角度的方法和一种光学键盘。并且避免现有键盘的不足之处，提供一种结构简单，成本较低的光学键盘，使输入设备使用更加方便，更加实用。

一种判断物体的运动方向与工作平面夹角角度的方法，其特征是：在物体的运动路径上取两个或两个以上参照平面，参照平面与运动路径相交，每个参照平面至少有一组参照物，每组参照物包括至少三个不在同一条直线上的参照点，工作平面和参照物在三维空间里的位置是已知的，且是固定的，在调试时测量出来，并记录到***，供分析图像时使用；

运动物体在三维空间里的位置随时间变化，其成像位置也是随时间变化，两个或两个以上摄像头对运动物体进行拍摄，通过分析图像，使用由专利号：201010297546.x所公开的判断判断点与平面是否接触的方法，判断出三维空间中的物体表面是否与参照平面接触，如果接触，测量出接触点与参照物的距离，进一步计算出接触点在三维空间中的位置，然后分别计算出运动物体与其它参照平面的接触点的位置，再计算出这些接触点的连线在三维空间中的位置，最后判断连线与工作平面夹角的角度，这就是物体的运动方向与工作平面的夹角角度。

一种光学键盘，包括一个投影子***，将键盘图像投影到工作平面上，用户的手指在键盘图像上点击按键图像输入字符，其特征是：还包括两个或两个以上摄像头以及处理单元；

多个摄像头对工作平面上的键盘图像及手指进行同步拍摄；

处理单元从背景中识别出手指图像，使用前面的方法，计算出三维空间里手指指尖的运动轨迹与工作平面的夹角，并判断手指指尖或手指前端是否与工作平面上的键盘图像接触，如果夹角符合预设的角度大小要求，并且指尖或手指前端与键盘图像接触，则根据接触点在键盘图像中的位置，找出接触点所在的按键，并把按键所对应的字符输入主机***。

判断手指指尖是否与参照平面接触的方法是：两个或两个以上摄像头对平面上和平面两侧的点进行拍摄，取平面上的标志为参照物，该参照物至少包括不在同一条直线上的三个点，图像识别单元从上述摄像头拍摄到的图像中识别出点的图像和参照物的图像，如果点的像与参照物的像的相对位置在上述摄像头中相同，则该点属于这个平面，否则，该点位于平面的两侧。这个方法由专利号：201010297546.x所公开。

计算手指指尖或手指前段运动轨迹与工作平面的夹角的方法是：取至少两个参照平面，每个参照平面至少包含一组参照物，每组参照物包括至少三个不在同一条直线上的参照点，参照物在三维空间里的位置是固定的、已知的；两个或两个以上摄像头对运动物体进行拍摄，通过分析图像，判断出物体表面是否与参照平面接触，如果接触，测量出接触点与参照物的距离，以确定接触点在三维空间中的位置，然后分别计算出运动物体与其它参照平面的接触点的位置，再计算出这些接触点的连线在三维空间中的位置，最后计算连线与工作平面夹角的角度，这就是物体的运动方向与工作平面的夹角角度。

用户的手指在键盘上的动作分成两种，一是有效的击键动作；二是无效动作。有效的击键动作具有两个标志：一是与键盘表面接触；二是手指的运动轨迹与键盘表面的夹角大小落在预设的范围之中，这个范围是根据用户的使用习惯设定的：拇指、食指的夹角接近于直角；中指的运动轨迹有一定倾斜，夹角稍小；无名指、小指的倾斜较大，夹角依次减小。

用光学键盘解决便携设备输入文本困难的问题。完全不占用空间，也不会遭遇不小心把咖啡泼洒在上面这类麻烦。

附图说明：图1是实施例1的示意图

1、2、3是第二个参照平面的三个参照点

4、5、6是第一个参照平面的三个参照点

7、9是两个摄像头

8是投影镜头

10、11两个参照平面

具体实施方式

实施例1：光学键盘在平板电脑上的应用。

在平板电脑显示屏上方的边框上内置一小型的投影***8，其功能是在任何工作平面投影出一个键盘的图像，键盘图像的尺寸为200mm*90mm，在投影***的两侧，安装两个摄像头7、9，功能是拍摄手指的动作，摄像头的位置、焦距、光轴等都是固定的。还包括一个图像处理单元，用于对拍摄的图像进行识别处理。

投影***包括一个激光组件。其中一个激光二极管(或称半导体激光器)插在顶端，负责将键盘投影到一个平坦的表面上。而要将复杂得多的QWERTY键盘投影，顶端的这个激光二极管的光束通过衍射光或全息光学原理进行投影，从而产生键盘图像。个中的光学原理包括把激光二极管的点光源转换为精确的二维图像的显微模式。

上述硬件设备都整合到平板电脑中，保证了平板电脑的便携性。

***正常工作前，需要进行调试，调试的目的是确定参照平面以及参照物的位置。调试过程在设备的生产阶段进行，调试过程如下：

将平板电脑以正常使用时的角度倾斜放置在桌面上，打开投影，将键盘图像投影到桌面上，预设工作平面和两个参照平面，工作平面就是键盘图像所投影到的桌面，两个参照平面位置如图所示。第一个参照平面11就是键盘图像所在的桌面，任意取三个不在一条直线上的标志为参照物，参照物的位置必须位于摄像头的视野之中，可以在投影到该平面的键盘图像中任意选取，如点4、5、6。第二个参照平面10在工作平面上方，其三个参照物的位置如下，其中两个位于平板电脑下缘边框上，位置高于桌面，可以是平板电脑的下边框和显示屏的下面的两个角，即点1、2。另一个在桌面上、在键盘图像远端的某个图案，即点3。在调试时，把这些参照物人工选取出来，操作人员测量出它们的物理位置并保存，供正常使用时的图像分析处理过程使用。另外，摄像头拍摄参照物的图像，并人工记录下参照物在图像中的位置，供正常使用时的图像分析处理过程使用。

摄像头图像中的一个成像点与工作平面上的一个实物点是一一对应的，它们的对应关系也需要在调试阶段确定并保存下来，供图像分析时使用。

正常工作时，平板电脑以一定角度倾斜放置在桌面上，打开投影，将键盘图像投影到桌面上，输入字符的过程如下：首先，摄像头的位置、光轴和焦距等参数都是固定的。其次，两个摄像头对运动手指进行同步、连续拍摄。第三，图像处理单元识别出手指指尖的图像，并判断手指指尖与桌面和两个参照平面是否接触：如果手指指尖与桌面和两个参照平面都接触，且先与上方的参照平面接触，后于下方的参照平面接触，且时间间隔小于0.1秒，时间间隔根据用户的使用***面的接触点在参照平面的位置，进一步计算出接触点连线与工作平面的夹角，如果夹角大小大于80度，则计算出与桌面的接触点的位置。第四，根据与键盘图像接触点位置找到对应的按键位置，将这个按键对应的字符输入到***中。

实施例2：光学键盘和手指鼠标在PAD上应用

键盘和鼠标是最常用的输入设备，它们的作用互相补充，互不替换。平板电脑为了追求便携性，通常配置触摸屏来替换键盘和鼠标进行输入，这种输入方式和通常的输入方式相比，使用并不方便。本实施例介绍的设备通过光学键盘和手指鼠标使用光学方式同时实现了外接键盘和鼠标的功能，具有超强的便携性，和使用方便性。

手指鼠标是专利号201010297546.x，所公开的一种计算机输入技术。其基本结构包括两个摄像头，和图像处理单元。使用手指鼠标时，手指上不需要佩戴任何附加装置，只需要贴在工作平面上移动，摄像头对手指进行拍摄，图像处理单元对图像进行处理，其过程如下：第一，判断出手指指尖是否与工作平面接触，第二，如果接触，则计算出接触点的位置，第三，根据接触点的位置，对屏幕上的光标定位。手指鼠标的硬件组成和工作原理，工作过程和光学键盘有诸多相同之处，只要做简单的调整就能同时实现键盘和鼠标的功能。

本实施例将实施例1所述的光学键盘和手指鼠标融合，协同工作。

在平板电脑显示屏上方的边框上内置一小型的投影***，在投影***的两侧，安装两个摄像头，预设两个参照平面，并记录参照物的位置，硬件配置和调试过程与实施例1相同，在投影的键盘图像中，包含鼠标左右键图案。

在正常操作时，手指的运动分三种类型：贴在工作平面上的鼠标动作；方向与工作平面接近垂直的击键动作；其它动作，又称无效动作。

光学键盘和手指鼠标的工作过程如下：

摄像头的位置、光轴和焦距等参数都是固定的。两个摄像头对运动手指进行同步、连续拍摄。参照平面和参照物的选取和实施例1相同。

图像处理单元的处理过程如下：

识别出手指，并确定指尖图像在摄像头拍摄到的图像中的位置；

判断指尖是否与两个个参照平面接触。如果先与第二个参照平面接触，后与第一个参照平面接触，接触时间间隔小于0.1秒，两个接触点的连线与工作平面的夹角小于预设值，则判断为击键动作。如果接触点只与第一个参照平面(工作平面)接触，没有与第二个工作平面接触，则判断为鼠标动作。其它运动情况属于无效动作。

如果是击键动作，则根据接触点与键盘图像按键的对应关系，输入按键对应的字符。

如果是鼠标动作，则根据接触点的运动方向和运动速度，控制屏幕上光标的运动，如果判读出接触点对应在键盘图像上的左键或右键上，则执行鼠标的左键或右键操作。

在光学光学键盘的基础上不需要增加额外的硬件，只需要增加一次判断就能实现鼠标的功能，使用一种最简单的方式将两者结合在一起，以达到在一组设备上实现两项功能的目标，有效地降低了成本，提高了便携性，还能使用户的输入操作更加方便，其优越的便携性和方便性远远超过一般的激光键盘和普通外接鼠标。

Claims (6)

1.一种计算三维空间中物体的运动方向与工作平面夹角角度的方法，工作平面在三维空间中的位置是固定的、已知的，其特征是：在物体的运动路径上取两个或两个以上参照平面，每个参照平面至少包含一组参照物，每组参照物包括至少三个不在同一条直线上的参照点，参照物在三维空间里的位置是固定的、已知的；两个或两个以上摄像头对运动物体进行拍摄，通过分析图像，判断出物体表面是否与参照平面接触，如果接触，测量出接触点与参照物的距离，以确定接触点在三维空间中的位置，然后分别计算出运动物体与其它参照平面的接触点的位置，再计算出这些接触点的连线在三维空间中的位置，最后计算连线与工作平面夹角的角度，这就是物体的运动方向与工作平面的夹角角度。

2.一种光学键盘，包括一个投影子***，将键盘图像投影到工作平面上，用户的手指在键盘图像上点击按键的图像输入字符，其特征是：包括两个或两个以上摄像头以及处理单元；

摄像头对工作平面上的键盘图像及手指进行拍摄；

处理单元对摄像头拍摄的图像进行处理，从背景中识别出手指图像，计算出三维空间里手指指尖或手指前端的运动轨迹与工作平面的夹角，并判断手指指尖或前端是否与键盘图像接触，如果手指指尖或前端与键盘图像接触，并且手指指尖或前端运动方向与工作平面的夹角符合预设的角度大小要求，则计算出手指与键盘图像的接触点的位置，进一步计算出接触点所对应的按键，并把按键对应的字符输入主机***。

3.根据权力要求2所示的光学键盘，其特征是：一个参照平面是键盘图像所在的工作平面，另一个参照平面在键盘图案上方。

4.根据权力要求2所示的光学键盘，其特征是：参照物可以选取为键盘图像中的图案，也可以是辅助标志，在设备调试时摆放在摄像头拍摄范围内并拍摄其图像同时记录下其位置。

5.根据权力要求2所示的光学键盘，其特征是：手指指尖先与上方的参照平面接触，后与下方的参照平面接触，时间间隔小于预设的时间阈值。

6.根据权力要求2所示的光学键盘，其特征是：根据用户的使用习惯，对不同的手指预设不同的角度大小。

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