CN107004401A - 分行光学模块和使用分行光学模块的电子键盘 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种使用相机的电子键盘，包括：键盘，回向反射膜附接到键盘；光源，其用于向回向反射膜发射光；以及相机，其提供在光源旁以便拍摄从回向反射膜回向反射的光源的光，其中由相机拍摄的图像经分析以便跟踪经反射光源的位置使得发现键盘的按压状态，且因此对应于按压状态的乐器的声音被输出。

Description

分行光学模块和使用分行光学模块的电子键盘
技术领域
本发明涉及一种能够在高分辨率下观察长物件的分行光学(row division)模块，以及一种电子键盘。
背景技术
本发明涉及一种能够在高分辨率下一次俘获长物件(例如键盘)的一个以上按键的图像的分行光学模块，以及一种使用所述分行光学模块的电子键盘。
发明内容
技术问题
为了一眼就能观察到左和右长物件(例如钢琴上具有大量按键的键盘)，观察者必须足够远以便一眼就能看到整个物件。当你离得较远时，你可以一眼就能看到整个物件，但物件较小，使得难以详细观察所述物件。已作出本发明来解决上文提及的问题，且本发明的一个目标是提供一种分行光学模块以及一种使用分行光学模块的电子键盘。
技术解决方案
本发明提供一种分行光学模块，例如棱镜，其中长物件的左侧(或右侧)在视场上方可见，且剩余右侧(或左侧)在视场下方可见。通过将此光学模块安装在相机的透镜的前方，可以高分辨率在物件的整个区域上方俘获长物件。利用此相机，有可能在高分辨率下一次俘获到钢琴的最左和最右侧的具有大量按键的物件的图像，检测由图像处理构件俘获的图像中键盘上的按键的移动，且输出乐器声音或乐器数字接口信号(midi)。
有利效果
常规数码钢琴装备有传感器或开关，用于检测键盘中每一按键的移动，使得其归因于大量零件和复杂的电路而难以制造，容易断裂且较重。然而，使用根据本发明的分行光学模块和相机的钢琴可容易地制造，且将通过用简单且小型相机，以及可通过将其直接组装而购买和制造的相机模块，替代针对每一个按键提供的复杂的开关电路来改进电子电路的可靠性，使得可用低成本实现数码钢琴。
并且，键盘下方不存在印刷电路板(PCB)和传感器电路，因此其具有键盘的光亮度的优点，且键盘可由透明材料制成，所述透明材料可经设计为看起来像珠宝并提供视觉美观性。
附图说明
图1为本发明的实施例的框图。
图2为本发明的实施例的框图。
图3为分行棱镜的透视图。
图4为分行棱镜的侧视图。
图5为分行棱镜的平面图。
图6为分行棱镜的分解视图。
图7为棱镜片材的分解视图。
图8为分行棱镜的分解视图。
图9为图8的棱镜的侧视图。
图10为图6的配置的修改。
图11为在分行棱镜未安装在相机前方的情况下俘获的键盘的标记的图像。
图12为在分行棱镜安装在相机前方的情况下键盘的标记的图像。
图13为分行棱镜的修改。
图14为在图13的分行棱镜安装在相机前方的情况下键盘的标记的图像
图15为使用潜望镜的分行光学模块的透视图。
图16示出安装在键盘底部上的相机。
图17示出与键盘底侧成角度安装的相机。
图18示出刚好安装在键盘下方的相机。
图19为图17或图18的配置的俯视图。
图20示出安装在键盘上方的相机。
图21为图20的透视图。
图22示出键盘，其中以不同方式调整键盘的标记之间的间隔。
具体实施方式
实施例1
在电子钢琴中，当按压按键时，按压连接到按键的开关，且扫描电路检测按键并输出对应于按键的乐器的声音。因为此装置具备用于每一按键的开关，所以其归因于大量组件而难以制造，容易出故障，且包含复杂的布线。复杂电路和布线视觉上不美观，因此其用不透明套壳覆盖。这些不透明套壳看起来令人不愉快。本发明可通过用紧凑且可靠的相机替代此复杂电路来消除此不透明套壳以简单地且视觉上改进按键部分。还可能使按键像珠宝一样透明以提供美观性而不会在视觉上沉闷。并且，通过移除开关电路的印刷电路板，其容易制造且减少工业废料的产生。
具有相机的上述钢琴可被构造如下。例如回向反射膜(SR)等标记附接到每一按键(KE)极大地移动的部分，且例如红外LED等光源(LS)和相机(CM)彼此附接和安装，且当从光源(LS)发射的光由回向反射膜(SR)回向反射之后到达相机(CM)时，光被相机俘获，回向反射膜的位置经分析以便检测按键凹陷的程度，其中所述分析由图像处理构件处理，且可产生对应于按键的凹陷程度的声音。
在使用红外光源的情况下，优选的是，将滤光片附接在相机的前方以仅允许红外线到达相机。此使得容易检测键盘上的移动，因为背景是黑色的，且仅由回向反射膜回向反射的光被明亮地俘获。
代替使用单独红外LED，可使用环境光，且可使用共同标记代替单独回向反射膜。如果获得当前所俘获图像与先前所俘获图像之间的差分图像(difference image)，那么容易检测按键的运动，因为在无按键运动的情况下在背景中差分像素值变为0，且移动的按键上的标记部分的像素值不是0，其中差分图像意味着差分图像的像素值为当两个图像重叠时两个重叠图像的重叠位置中的两个像素之间的差值。
图1中，键盘放置在支撑杆(AX)上，且按压(DN)键盘的一端，而另一端相对于支撑杆(AX)升高(UP)。当键盘如此旋转时，由相机俘获的回向反射膜的位置改变，且通过分析所述位置，可发现按键的旋转度(也就是说，按键被按压的程度)。
如果存在大量按键，那么可能不能由一个相机俘获所有按键。为了由一个相机俘获所有按键，有必要增加相机与键盘之间的距离。然而，存在一个问题：难以跟踪键盘的位置，因为回向反射膜在如图11中所示的所俘获图像中太小。为了解决此问题，优选的是，在如图1中所示的相机的前方提供本发明的分行(row division)棱镜(PS)。图3为安装在相机前方的分行棱镜的详细视图，图4为其侧视图，且图5为俯视图。图6为示出划分成四个简单矩形棱镜的分行棱镜的视图。当使用此实施例的分行棱镜时，可一次由一个相机俘获到最左和最右的大量按键。
图12为由相机经由如图3中所示的棱镜俘获的键盘上的按键的回向反射膜(SR)回向反射的光的视图。图12中，在图像的较低水平区中俘获24个按键的按键0到11，且在图像的上部水平区中俘获剩余按键12到23。另一方面，在不使用棱镜的情况下俘获的图像含有如图11中所示的明亮小光点的一条水平线。因此，存在以下问题：如此小地俘获每一按键以致于图像处理构件难以检测按键的移动，且许多浪费的像素未被用于俘获按键。
图6中的第三(P3，第三光学部分)和第四棱镜(P4，第四光学部分)折射光线使得在相机视场中的两个行中单独地俘获最左和最右按键。也就是说，第三棱镜折射从水平向下标记(SR)稍微向上反射的光，且第四棱镜折射从水平向上标记稍微向下反射的光。
第一棱镜(P1，第一光学部分)和第二棱镜(P2，第二光学部分)分别朝右和朝左折射光线，其中光线被第三和第四棱镜折射且分离为2行。优选的是，第一和第二棱镜形成为相同形状，且第三和第四棱镜形成为相同形状。
例如红外LED等光源(LS)可安装在第一棱镜上方和第二棱镜下方，但在此情况下，不便执行安装工作两次且制造两个光源模块。因此，优选的是，光源模块(LS)形成为一个模块且安装在如图9中所示的第一与第二棱镜之间。优选的是，在第一和第二棱镜与如图8中所示的相机透镜之间安装第五(P5，第五光学部分)和第六(P6，第六光学部分)棱镜，使得光源模块不会使相机视场模糊(即，向上移动相机的上部视场并进一步向下移动下部视场)。第五棱镜可如图8中所示倾斜地形成使得第一棱镜和第五棱镜的相对表面上的点可彼此接触，使得第一棱镜和第五棱镜可一体地形成。类似地，第二棱镜可如图8中所示倾斜地形成使得第二棱镜和第六棱镜的相对表面上的点可彼此接触，使得第二棱镜和第六棱镜可一体地形成。图9为所述棱镜的侧视图。
此棱镜可以由菲涅耳透镜型的棱镜片材或如图7中所示的全息图形成以便占据小体积。也就是说，此棱镜可用具有折射功能的任何光学模块实施。如图6中所示，第三和第四棱镜的直角部分(R3，R4)经附接以便彼此接触从而形成等腰三角棱镜，且第一和第二棱镜的直角部分(R1，R2)经附接以便处于相对方向中，使得可形成此实施例的分行棱镜。第三、第四、第五和第六棱镜可省略。
图6中示出的第一和第二棱镜可由一般三角棱镜(例如等腰三角形)代替如图10中所示的直角棱镜而形成。在此情况下，优选的是，如图10中所示倾斜地形成第三棱镜，使得第一棱镜和第三棱镜的相对表面上的所有点可彼此接触。类似地，优选的是，第四棱镜以如图10中所示的角度形成，使得朝向第二棱镜的表面上的所有点可彼此接触。以此方式，可通过形成彼此相对且彼此接触的两个棱镜且用粘合剂(例如丙烯酸结合)附接两个棱镜(例如丙烯酸棱镜)而将棱镜形成为一体式棱镜。
图1中，分别用两个相机(CM1、CM2)俘获键盘的左和右半部。如果按键数目较小，那么仅一个相机就足够。如果存在许多按键，那么可使用两个或更多个相机。在每一相机前方，提供如图3中所示的棱镜以朝向相机折射射束，其中所述射束来自相机的左和右侧。在图像的下(或上)侧在水平线区域中俘获左按键，且在图像的上(或下)侧在水平线中俘获右按键。也就是说，朝向键盘的左和右(ROW)的按键的图像划分成所述图像中的两条短线，且所述两条线可分别在相机视场中向上和向下布置。
图13示出在相机前方的两个棱镜之间提供空间且经由所述空间俘获键盘的配置。以如图14中所示的三个行中的此配置俘获按键。图15为用于使用潜望镜型镜面代替棱镜俘获三个行中的键盘的配置。能够以高分辨率一次俘获此长物件的光学模块(例如，棱镜、全息图、潜望镜镜面模块等)被称作本发明中的分行(row division)光学模块。
回向反射膜是由3M公司出售的产品，其向光源反射入射光。通过将不同颜色的回向反射膜附接到键盘的两个邻近按键，每一按键可由用于跟踪其运动的图像处理构件区分。举例来说，红回向反射膜附接到黑按键，蓝回向反射膜附接到白按键，彩色相机将其俘获，且图像处理构件分析所俘获图像的颜色以跟踪明亮部分。通过这样做，可更准确地检测到按键的运动。不同颜色(例如，绿)或两个颜色(红、蓝)的回向反射膜可附接到特定按键(例如中间八度音阶的开始按键，即中间do)。通过用图像处理构件检测特定颜色，图像处理构件可容易地辨识周围按键的次序。或者，回向反射膜的形状可不同地形成以显示特定按键的参考位置。举例来说，正常按键的回向反射膜可为多边形(例如正方形)，且参考位置处键盘的回向反射膜可为圆形。
回向反射膜的间隔可经调整以显示特定参考位置的按键。举例来说，如图22中所示，邻近回向反射膜之间的间隙可减小或大幅调整。
因为被按压的按键的深度(角度)和所俘获图像中的回向反射膜或标记的移动距离近似成比例，所以所俘获图像上每一按键的回向反射膜的位置经跟踪使得所述深度和对应于所述深度的声音可为输出。举例来说，稍高的频率可为所述输出，与按键按压的深度成比例。在此情况下，通过改变按压的深度，可产生演奏效应，其中所述效应为通过使按压吉他或小提琴弦的手指振动而产生的声音。还可能与凹陷的深度成比例而增加声音的大小(音量)。还可能检测用以按压按键的力并与此力成比例而增加钢琴声的音量。
或者，如图2中所示，通过用左和右侧的相机俘获按键的振动，且通过由图像处理构件检测所述振动，有可能实施调制轮、滑音轮或键后触感的功能。在此情况下，附接到所俘获图像中的键盘的回向反射膜表现为在左和右方向中振动。为此目的，优选的是，配置键盘以便不仅可垂直移动而且可水平移动。
也就是说，常规主键盘的调制轮、滑音轮或键后触感的功能可通过检测当按压每一按键时移动的程度或方向来实施。
在常规电子键盘的情况下，深度检测电路与按键数目成比例而增加。然而，在根据本发明的电路中，即使按键数目增加，也不必与按键数目成比例而增加相机的数目。此外，因为其是使用相机代替使用包含物理电端子的开关的非接触式检测方法，所以防止电端子中发生的接触故障、摩擦和颤振的问题。可使用此功能(例如)来获得当演奏例如伽倻琴等琴弦时连续改变琴弦的按压力的效应。
为了减小设备的体积，可通过在相机与键盘之间安装直角棱镜(RP)或镜面而将相机安装在如图16或图20中所示的键盘下方或上方。图21为图20的透视图。
代替图16的直角棱镜，相机沿着如图17或图18中所示的键盘进一步向下移动，且杆(LB)呈L形附接到键盘的端部，且可附接回向反射膜(SR)。如果使用一个以上相机(例如，88个按键的情形中使用两个相机)，那么推荐将相机安装在按键踏板附近。图19为图17或图18的俯视图。为了缓解位于相机视场的左和右端的回向反射膜的失真，优选的是将回向反射膜放置在如图19中所示的曲线(例如，具有在相机侧上的中心的椭圆)上。并且，推荐相机的最左和最右端处的按键上的回向反射膜(FSR)的大小增加，且较接近相机的按键上的回向反射膜(NSR)的大小减小，以便以相同大小俘获所有回向反射膜。推荐远离相机的左和右端部分的邻近回向反射膜(FSR)之间的间隔增加，且较接近相机的邻近回向反射膜(NSR)之间的间隔减小，使得可以相同大小俘获所有回向反射膜的间隔。
并且，当长时间不演奏时，需要通过自动切断光源和相机来减小电消耗。为此目的，优选的是，自动切断光源和相机，且允许其在图像处理程序中未检测到键盘的运动的时间超出阈值时间时进入在休眠模式中。此处，举例来说，休眠模式可以是接通光源和相机持续一秒以及切断光源和相机持续两秒的重复，其中在接通周期期间发生俘获。如果此休眠模式期间检测到键盘的移动，那么可恢复原始正常模式(其中光源和相机始终接通的模式)。

Claims (20)

1.一种分行光学模块，其包括：
第一光学部分，其用于向前侧折射、反射或绕射从右侧入射的光；以及
第二光学部分，其用于向所述前侧折射、反射或绕射从左侧入射的光，
其中所述第一和第二光学部分垂直布置。
2.根据权利要求1所述的分行光学模块，其进一步包括：
第三光学部分，其用于向下折射、反射或绕射所述入射光；以及
第四光学部分，其用于向上折射、反射或绕射所述入射光，
其中所述第三光学部分定位在所述第一和第二光学部分中的上部一者前方，且所述第四光学部分定位在所述第一和第二光学部分中的下部一者前方。
3.根据权利要求1所述的分行光学模块，其进一步包括：
第五光学部分，其用于向上折射、反射或绕射所述入射光；以及
第六光学部分，其用于向下折射、反射或绕射所述入射光，
其中所述第五光学部分定位在所述第一和第二光学部分中的上部一者后方，且所述第六光学部分定位在所述第一或第二光学部分中的下部一者后方。
4.根据权利要求1到3中任一权利要求所述的分行光学模块，其中空白区形成于所述第一光学部分与所述第二光学部分之间。
5.根据权利要求1到3中任一权利要求所述的分行光学模块，其中所述光学部分包括棱镜、棱镜片材、全息图或镜面。
6.一种电子键盘装置，其包括：
多个按键，其纵向布置于左和右方向中；
相机，其包含分行光学模块，用于通过将所述按键划分为多个行来俘获所述按键；以及
图像处理构件，其用于检测由所述相机俘获的所述图像中的所述按键的所述移动，且输出对应于所述按键的所述移动的乐器声音或乐器数字接口信号。
7.根据权利要求6所述的电子键盘装置，其中所述分行光学模块包含用于朝向相机侧折射、反射或绕射从所述右侧入射的光的第一光学模块，以及用于朝向所述相机折射、反射或绕射从所述左侧入射的所述光的第二光学模块，其中所述第一和第二光学模块垂直布置。
8.根据权利要求7所述的电子键盘装置，其中所述分行光学模块进一步包含用于向下折射、反射或绕射所述入射光的第三光学模块，以及用于向上折射、反射或绕射所述入射光的第四光学模块，
其中所述第三光学模块定位在所述第一和第二光学模块中的上部一者前方，且所述第四光学模块定位在所述第一或第二光学模块中的下部一者前方。
9.根据权利要求7所述的电子键盘装置，其中所述分行光学模块进一步包含用于向上折射、反射或绕射所述入射光的第五光学模块，以及用于向下折射、反射或绕射所述入射光的第六光学模块，
其中所述第五光学模块定位在所述第一和第二光学模块中的上部一者后方，且所述第六光学模块定位在所述第一和第二光学模块中的下部一者后方。
10.根据权利要求7所述的电子键盘装置，其中自由空间形成于所述第一光学模块与所述第二光学模块之间。
11.根据权利要求7到9中任一权利要求所述的电子键盘装置，其中所述光学模块包含棱镜、棱镜片材、全息图或镜面。
12.根据权利要求6所述的电子键盘装置，其中所述按键包含标记，其中所述图像处理构件检测所述所俘获图像上的所述标记以寻找所述按键的所述移动。
13.根据权利要求12所述的电子键盘装置，其中所述标记为回向反射构件，
其中所述相机包含用于向所述回向反射构件照射光的光源。
14.根据权利要求6所述的电子键盘装置，其中当所述按键预定时间或更长时间未移动时，所述图像处理构件调整所述光源或所述相机以在功率节省模式中操作。
15.根据权利要求6所述的电子键盘装置，其中在以所述相机俘获的图像中，参考按键与其邻近按键之间的间隔不同于正常按键之间的间隔。
16.根据权利要求6所述的电子键盘装置，其中在由所述相机俘获的图像中，参考按键的形状、大小或颜色与正常按键不同。
17.根据权利要求6所述的电子键盘装置，其中所述键盘具有在末端处呈L形附接到所述键盘的底部的杆，所述相机位于所述键盘下方且俘获所述杆，且所述图像处理构件检测所述所俘获图像上所述杆的运动并输出乐器声音或乐器数字接口MIDI信号。
18.根据权利要求6所述的电子键盘装置，其中所述键盘在末端处包含直角棱镜或镜面，
其中所述相机通过定位在所述键盘下方或上方而经由所述棱镜或镜面俘获所述按键的所述移动。
19.根据权利要求6所述的电子键盘装置，其中所述图像处理构件与所述按键的按压速度或所述按键的按压深度成比例而输出乐器声音或MIDI信号。
20.根据权利要求17所述的电子键盘装置，其中所述杆布置在例如具有在所述相机的侧上的中心的椭圆等凹形曲线上。
CN201580056574.3A 2014-08-23 2015-08-22 分行光学模块和使用分行光学模块的电子键盘 Active CN107004401B (zh)

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