CN103440042B - 一种基于声定位技术的虚拟键盘 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于声定位技术的虚拟键盘，核心设备放置在预设平面内，且与预设平面相接触；声传感器在同一个平面内，且所有声传感器不在同一直线上，相互之间存在一定间距；声传感器所感应到的区域为键盘区域；核心设备通过多路数字信号对敲击点进行定位，获取敲击点位置；将2个位置点作为键盘顶角的键，并对按键进行扩展确定整个键盘模型，实现对键盘模型的标定，在预设平面上形成利用声音控制的虚拟键盘。本发明扩大了按键面积，缩小了便携设备体积，且耗能小，成本低。可广泛应用于平板式PC机、笔记本电脑、残障人士键盘；或应用在工业环境，洁净室，无菌和医疗环境；以及应用在测试设备、航空铁路等运输设备上。

Description

一种基于声定位技术的虚拟键盘

技术领域

本发明涉及虚拟键盘领域，特别涉及一种基于声定位技术的虚拟键盘。

背景技术

虚拟键盘能够解决手机或平板电脑等便携设备因键盘过小而导致操作不便的问题，并能达到缩小便携设备体积的目的。

已有的虚拟键盘为通常为激光虚拟键盘和触摸虚拟键盘，其中激光虚拟键盘采用光投照技术，几乎能在任意平面上投影出全尺寸的电脑键盘。通过虚拟键盘的适用性技术对用户手指运动进行研究，实现对键盘击打动作的解码和记录。

但是，由于投影显示技术所限，容易受到外界环境光的干扰，在过于明亮的环境下，无法正常工作。使用激光虚拟键盘时，需要底部不透明、不强反光。其底部接收器的工作范围是固定的，无论是垫高激光虚拟键盘的底部，还是改变激光虚拟键盘的仰角，都会导致虚拟键盘无法正常工作。且该技术能耗大，成本高，不利于普及。

触摸虚拟键盘通常包括：手机虚拟键盘和平板电脑虚拟键盘等，将触摸屏上的虚拟键盘作为真实键盘使用，从而降低了产品的体积和成本。

但是，实际应用中触摸虚拟键盘受屏幕大小的限制，按键面积较小，经常出现输入错误的问题，不便于实际操作；并且虚拟键盘占据较多的触摸屏，当文本信息或图片信息中的内容较多时，会出现信息内容不能较完整的显示。

发明内容

本发明提供了一种基于声定位技术的虚拟键盘，本发明降低了虚拟键盘的功耗和成本，增大了屏幕的显示面积，提高用户的体验，详见下文描述：

一种基于声定位技术的虚拟键盘，包括：核心设备，所述核心设备内设置有至少三个声传感器，

所述核心设备放置在预设平面内，且与预设平面相接触；所述声传感器在同一个平面内，且所有所述声传感器不在同一直线上，相互之间存在一定间距；所述声传感器所感应到的区域为键盘区域；

所述核心设备通过多路数字信号对敲击点进行定位，获取敲击点位置；所述核心设备选取至少2个位置点进行连续敲击，将2个位置点作为键盘顶角的键，并对按键进行扩展确定整个键盘模型，实现对所述键盘模型的标定，在所述预设平面上形成利用声音控制的虚拟键盘，所述核心设备将敲击点对应的按键值传入键盘缓冲区，实现键盘功能。

所述核心设备包括：依次电连接的信号采集单元、信号调理单元、A/D转换器和中央处理单元，所有声传感器同步采集在所述键盘区域敲击所产生的声音信号，所述信号采集单元在预设采样频率范围内采集各路声音信号的波形，并传入所述信号调理单元；所述信号调理单元对各路声音信号的波形进行平移和放大，并根据噪声频段对平移放大后的信号进行滤波，获取多路模拟信号，并通过所述A/D转换器转换成所述多路数字信号，并传输至所述中央处理单元。

所述预设平面为建立虚拟键盘的平面。所述预设平面为任意材料的平面。

所述核心设备为便携设备、小型设备、适用于特殊环境的设备、以及不便于实现全尺寸键盘操作的仪器和设备。

当手位偏离键盘模型的基准按键时，所述核心设备对所述键盘模型进行重新标定。

所述键盘模型不显示按键。

所述核心设备通过多路数字信号对敲击点进行定位，获取敲击点位置具体为：以每两个声传感器为焦点确定一个双曲线，焦点F1、F2分别表示两声传感器，双曲线两顶点之间的距离2a表示声源分别到两声传感器的距离差，两声传感器间距为2c，通过联立双曲线方程获取敲击点的位置。

所述核心设备通过多路数字信号对敲击点进行定位，获取敲击点位置具体为：声传感器所围区域的中心O（0,0）为基准点，将基准点与任一声传感器连线所在的直线定义为基准线，取基准线上的一个声传感器定义为基准声传感器，基准声传感器对应的那路数字信号为基准数字信号，其他声传感器与基准传感器的夹角为γ_i，声传感器所围区域的孔径为a/2，声速为c，敲击点与基准点的连线与基准线的夹角为Δθ，通过联立直线方程获取敲击点的位置。

本发明提供的技术方案的有益效果是：本发明在实现传统键盘功能的基础上，扩大了按键面积，缩小了便携设备体积，且耗能小，成本低。可广泛应用于平板式PC机、笔记本电脑、残障人士键盘；或应用在工业环境，洁净室，无菌和医疗环境；以及应用在测试设备、航空铁路等运输设备上。

附图说明

图1为一种基于声定位技术的虚拟键盘的结构示意图；

图2为虚拟键盘的工作示意图；

图3为本发明所用声达时间差法原理的示意图；

图4为本发明所用波束形成原理的示意图；

图5能量与夹角的关系示意图；

图6为本发明实施修正操作的流程图。

附图中，各部件的列表如下：

1：核心设备；11：信号采集单元；

12：信号调理单元；13：A/D转换器；

14：中央处理单元；15：声传感器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

为了降低虚拟键盘的功耗和成本，增大了屏幕的显示面积，提高用户的体验，本发明实施例提供了一种基于声定位技术的虚拟键盘，参见图1和图2，详见下文描述：

基于声定位技术的虚拟键盘，包括：核心设备1，核心设备1内设置有信号采集单元11、信号调理单元12、A/D转换器13、中央处理单元14和至少三个声传感器15，声传感器15在同一个平面内，且所有声传感器15不在同一直线上，相互之间存在一定间距，例如：1cm。

使用时将核心设备1放置在预设平面内，且与预设平面相接触。预设平面为建立虚拟键盘的平面，即敲击平面，声传感器15所感应到的区域为键盘区域，键盘区域的大小根据需要需能容纳一个台式电脑所带标准键盘或笔记本电脑所带标准键盘。

实际应用中，预设平面可以为任意材料的平面，例如：桌面、墙面或地面等。

其中，标准键盘通常包括：一键区键盘和俩键区键盘等，键盘的尺寸等为本领域技术人员所公知，具体实现时，根据实际应用中的需要进行选择，本发明实施例对此不做限制。

具体实现时，核心设备1可以为特殊环境下（高温、辐射较强或污染严重等）或屏幕较小不便于实现全尺寸键盘操作的仪器和设备，例如：手机、平板电脑等能实现本发明功能的器件，本发明实施例对此不做限制。

根据工作情况的不同，每次初始化虚拟键盘前都需要进行环境初始化。利用声发射(Acousticemission简称AE)技术进行环境初始化，即确定环境噪声频段。声发射又称应力波发射，是材料或零部件受力作用产生变形、断裂，或内部应力超过屈服极限而进入不可逆的塑性变形阶段，以瞬态弹性波形式释放应变能的现象。这种弹性波以声波形式存在，频率范围很宽包括数赫兹到数兆赫兹，如果能量足够大，并且频率集中在声音频段内，则可以被人耳所听见。诸多原因可以产生声发射，如材料裂纹、断裂、应力再分配、撞击及摩擦等。从声发射源发射的弹性波最终传播到达材料的表面，引起可以用声发射传感器探测的表面位移，这些探测器将材料的机械振动转换为电信号，然后再被放大、处理和记录。通过对所得到的数据进行分析，最终达到以下目的：①确定声发射源的部位；②分析声发射源的性质；③确定声发射发生的时间或载荷；④评定声发射源的严重性。

任选一个或多个声传感器15采集一段时间内的（如1s内，具体采集时间根据实际应用中的需要进行设定）环境声发射信号并进行数据处理，确定噪声频段（当声传感器为多个时，将多个噪声频段的平均值作为噪声频段），以便随后使用滤波电路对噪声进行滤除。

所有声传感器同步采集在键盘区域敲击所产生的声音信号，得到各路声音信号，信号采集单元11在预设采样频率范围内（本发明实施例以1MHz为例进行说明，以保证所需的定位精度，具体实现时对此不做限制）采集各路声音信号的波形，将各路声音信号的波形传入信号调理单元12，以便进一步分析。

信号调理单元12对各路声音信号的波形进行平移和放大，并根据噪声频段对平移放大后的信号进行滤波，获取多路模拟信号，并通过A/D转换器13转换成多路数字信号。

即信号调理单元12中的运放电路去除采集到的各路声音信号的直流分量，并对其进行平移放大，以保证处理后的信号可被A/D转换器13接收。例如，一个A/D转换器的量程为0～5V，而接收到声音信号波形的幅值为6V～6.005V，则需将该声音信号平移为2.4975～2.505V，再放大1000倍，使其变为0～5V。信号调理单元12中的滤波电路对平移放大后的信号进行滤波。滤除环境初始化过程中确定出的噪声频段，消除声信号中包含的噪声信号，得到后续使用的多路模拟信号，并通过A/D转换器13转换成多路数字信号。

本方法根据声定位技术对敲击点进行定位，例如：采用基于最大输出功率的可控波束形成技术、基于高分辨率谱估计技术和基于声达时间差技术等对敲击点进行定位，本方法以声达时间差法原理为例进行说明，具体为：

（1）选取特征值。

方法一：用互相关法，通过比较各路数字信号的波形，直接得到两两声传感器接收到声音信号的时间差ΔT。

方法二：用取阈值法，确定每个声传感器接收到声音信号的时间t，两两声传感器接收到声音信号的时间t相减得时间差ΔT。

（2）确定敲击点。

根据声达时间差法原理，即声音信号到达两声传感器的时间差值为已知定值，所以以每两个声传感器为焦点确定一个双曲线，同理得其他几组双曲线，几组双曲线相交得一点。如图3所示。图中O为坐标原点；两焦点F1、F2分别表示两声传感器，2a表示声源分别到两声传感器的距离差，也是双曲线两顶点之间的距离；2c表示两声传感器间距，计算过程如下（设声速为V）：

2a=V×ΔT

a²+b²=c²

通过上述两式可以得出中间参数b，进而得到双曲线方程

$\frac{x^2}{a^2}-\frac{y^2}{b^2}=1$

同理，还可以得出其他几个双曲线方程，将几个双曲线方程联立可以得到一个交点，该交点即为敲击点的位置P（X，Y）。

下面以波束形成原理为例说明对敲击点进行定位，具体为：

由4个声传感器所组成的阵列。声传感器所围区域的中心O（0,0）为基准点。将基准点与任一声传感器连线所在的直线定义为基准线。取基准线上的一个声传感器定义为基准声传感器。基准声传感器对应的那路数字信号为基准数字信号。其他声传感器与基准传感器的夹角为γ_i，声传感器所围区域的孔径为a/2，声速为c，敲击点与基准点的连线与基准线的夹角为Δθ，如图4所示。

假设敲击点在无穷远处，Δθ由0度逐渐增大至360度，随着Δθ的变化，各路数字信号相对于基准数字信号的延时时间Δd_i变化。延时时间变化与角度变化的关系方程为

${\mathrm{\Δd}}_i=\frac{a}{2c}({\mathrm{\α}}_i-\cos \left(\mathrm{\Δ\θ}\right)+\cos ({\mathrm{\γ}}_i+\mathrm{\Δ\θ}))---\left(1\right)$

式中 ${\mathrm{\α}}_i=\frac{a}{2c}(1-\cos \left({\mathrm{\γ}}_i\right)).$

对多路数字信号进行延时处理并叠加得中间变量g(t,s)：

$g(t,s)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{u}_i(t-{\mathrm{\Δd}}_i)---\left(2\right)$

其中u_i为第i路数字信号的幅值，t为时间。叠加信号的能量E(t,s)为

$E(t,s)={\∫}_{t-T/2}^{t+T/2}g{(\mathrm{\τ},s)}^2\mathrm{d\τ}---\left(3\right)$

能量变化如图5所示，T为预设时间区间，能量最大值时对应的Δθ即为敲击点对于该阵列的方向。进而确定该方向所在直线的方程y=xtanΔθ。

再由与该阵列相距一定距离l（如10cm）的另一相同阵列，此阵列基准点为O’（l,0），同理得到敲击点对于这一阵列的方向。该方向所在直线的方程为

y=(x-l)tanΔθ

两直线方程联立解出交点，该交点即为敲击点P（X，Y）。

核心设备1对键盘模型进行标定，即在键盘区域中选取至少2个位置点进行连续敲击，将其中的2个位置点作为键盘顶角的键。位置点之间的相对位置关系根据***设定，由使用者假象确定。中央处理单元14根据位置点确定该按键所对应的按键值，并对按键进行扩展确定整个键盘模型，从而在预设平面上形成利用声音控制的虚拟键盘，***开始工作，中央处理单元13将敲击点对应的按键值传入键盘缓冲区，实现键盘功能。

具体实现时，该键盘模型不显示具体按键，键盘模型与事先设定的标准键盘所对应，例如：设定的标准键盘为通用的输入键盘时，当选取2个位置点进行连续敲击时，将这两个位置点分别作为“ESC”键和“Enter”键。当选取3个位置点进行连续敲击时，将这三个位置点分别作为“ESC”键、“Enter”键和“F”键。

实际应用中，参见图6，在操作虚拟键盘时会出现手位偏离键盘模型的基准按键（通常为“F”键和“J”键，也可以根据实际应用中的需要进行设定）的情况，需要对键盘模型进行重新标定，具体标定的过程和上述初始化标定相同，本发明实施例对此不做赘述。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于声定位技术的虚拟键盘，包括：核心设备，其特征在于，所述核心设备内设置有至少三个声传感器，

所述核心设备放置在预设平面内，且与预设平面相接触；所述声传感器在同一个平面内，且所有所述声传感器不在同一直线上，相互之间存在一定间距；所述声传感器所感应到的区域为键盘区域；

所述核心设备通过多路数字信号对敲击点进行定位，获取敲击点位置；所述核心设备选取至少2个位置点进行连续敲击，将2个位置点作为键盘顶角的键，并对按键进行扩展确定整个键盘模型，实现对所述键盘模型的标定，在所述预设平面上形成利用声音控制的虚拟键盘，所述核心设备将敲击点对应的按键值传入键盘缓冲区，实现键盘功能；

其中，所述核心设备包括：依次电连接的信号采集单元、信号调理单元、A/D转换器和中央处理单元，

所有声传感器同步采集在所述键盘区域敲击所产生的声音信号，所述信号采集单元在预设采样频率范围内采集各路声音信号的波形，并传入所述信号调理单元；所述信号调理单元对各路声音信号的波形进行平移和放大，并根据噪声频段对平移放大后的信号进行滤波，获取多路模拟信号，并通过所述A/D转换器转换成所述多路数字信号，并传输至所述中央处理单元。

2.根据权利要求1所述的一种基于声定位技术的虚拟键盘，其特征在于，所述预设平面为建立虚拟键盘的平面。

3.根据权利要求1所述的一种基于声定位技术的虚拟键盘，其特征在于，所述预设平面为任意材料的平面。

4.根据权利要求1所述的一种基于声定位技术的虚拟键盘，其特征在于，所述核心设备为便携设备、小型设备、适用于特殊环境的设备、以及不便于实现全尺寸键盘操作的仪器和设备。

5.根据权利要求1所述的一种基于声定位技术的虚拟键盘，其特征在于，当手位偏离键盘模型的基准按键时，所述核心设备对所述键盘模型进行重新标定。

6.根据权利要求1所述的一种基于声定位技术的虚拟键盘，其特征在于，所述键盘模型不显示按键。

7.根据权利要求1所述的一种基于声定位技术的虚拟键盘，其特征在于，所述核心设备通过多路数字信号对敲击点进行定位，获取敲击点位置具体为：

以每两个声传感器为焦点确定一个双曲线，焦点F1、F2分别表示两声传感器，双曲线两顶点之间的距离2a表示声源分别到两声传感器的距离差，两声传感器间距为2c，通过联立双曲线方程获取敲击点的位置。

8.根据权利要求1所述的一种基于声定位技术的虚拟键盘，其特征在于，所述核心设备通过多路数字信号对敲击点进行定位，获取敲击点位置具体为：

声传感器所围区域的中心O(0,0)为基准点，将基准点与任一声传感器连线所在的直线定义为基准线，取基准线上的一个声传感器定义为基准声传感器，基准声传感器对应的那路数字信号为基准数字信号，其他声传感器与基准传感器的夹角为γ_i，声传感器所围区域的孔径为a/2，声速为c，敲击点与基准点的连线与基准线的夹角为Δθ，通过联立直线方程获取敲击点的位置。