一种触摸识别装置及包含该装置的人机交互系统的制作方法

本发明涉及人机交互领域，尤其涉及一种光学影像式触摸识别装置及包含该触摸识别装置的人机交互系统。

背景技术：

光学影像式电子白板主要应用于教育和办公，由于其互动性非常好，因此很受用户青睐，现有光学影像式触摸屏(以下简称光学屏)其中一种技术通常包括摄像头模块、光源和回归反射条，摄像头采集拍摄到的亮度信息，进行分析，因不透光的介质遮挡光路，因此可以识别遮挡物所在的角度方向，对触摸物进行位置识别。这种光学屏的缺点是支持触摸感应，但对于每个识别物(包括触摸物(手指)与书写笔)不能区分，因此即使集成了笔尖压力感应以传递压力，仍不能正确匹配识别到的坐标与压力数据的匹配关系，不能实现触摸物(手指)与笔同时使用，无法有效区分触摸与书写笔，因此带有压力感应的书写笔的书写效果无法达到最佳。此外，现有技术中的电容屏、电阻屏、红外屏、电磁屏以及激光投影式书写屏等均无法在同时使用书写笔和手指触摸物的情况下进行有效区分，电磁屏仅支持专用的书写笔，不支持触摸，更加不能支持触摸与书写笔同时使用，激光投影式书写屏仅支持专用的书写笔，不支持触摸，更加不能支持触摸与书写笔同时使用及区分。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种在同时使用有源书写笔和手指或其它无源触摸物的情况下，能准确识别并区分出有源书写笔和无源触摸物的触摸识别装置和人机交互系统。

为解决上述技术问题，本发明提供一种触摸识别装置，包括至少两个图像采集处理单元、触摸面板、可控光源和控制器，所述图像采集处理单元位于所述触摸面板的边缘，所述光源用于从所述触摸面板的与所述图像采集处理单元相对的边缘向所述图像采集处理单元发射光线；所述光源周期性的开启和关闭，所述图像采集单元同步所述光源的开启状态和关闭状态采集图像，将采集的图像直接发送或处理后发送给所述控制器，所述控制器根据接收的图像信息识别图像中的触摸物的位置并发送给主机。

优选地，所述光源包括回归反射条和红外光源，所述回归反射条设置于所述触摸面板的边缘，用于将所述红外光源发出的光反射回去，所述红外光源位于所述图像采集处理单元上。

优选地，所述光源开启时，所述图像采集单元采集的图像用于识别无源触摸物，所述光源关闭时，所述图像采集单元采集的图像用于识别有源触摸物。

优选地，还包括与所述控制器连接的书写笔通信单元，用于接收有源触摸物发送的信息，将接收的信息发送到所述控制器，所述控制器将从有源触摸物接收的信息与有源触摸物的位置信息组合后一并发送到主机。

优选地，所述光源和所述图像采集处理单元由所述控制器统一控制。

优选地，所述图像采集处理单元控制所述光源的开启和关闭。

优选地，所述光源为条状红外光源，设置在所述触摸面板的边缘。

优选地，所述信息包括压力感应数据和/或笔颜色参数。

优选地，所述信息包括幻灯片播放控制信号。

优选地，所述信息包括操作系统热键命令信息。

本发明还提供一种交互系统，包括上述触摸识别装置，还包括一种有源书写笔，所述有源书写笔包括处理器和笔光源，所述处理器与所述笔光源连接，所述处理器与所述触摸识别装置能建立无线连接，在所述有源书写笔使用过程中所述处理器控制所述红外发射管常亮，红外光通过有源笔的笔头向触摸识别装置边缘辐射。

优选地，所述有源书写笔还包括笔光源按键开关，所述按键开关与处理器连接，所述控制器通过采集的按键开关数据控制笔光源，同时将对应的笔颜色参数发送到所述触摸识别装置，所述笔光源包括红外发射管和三色led管。

优选地，所述有源书写笔还包括幻灯片控制按键开关及热键按键开关，所述控制器通过采集的幻灯片按键开关数据及热键按键开关数据向所述触摸识别装置发送幻灯片控制信息及热键信息。

优选地，所述处理器与所述触摸识别装置建立无线连接后，才控制所述红外发射管常亮。

优选地，所述有源书写笔还包括与所述处理器连接的压力感应器件，所述处理器接收到压力感应数据将其发送到所述触摸识别装置。

本发明的触摸识别装置既能识别有源书写笔，也能识别无源触摸物，在同时存在有源书写笔和无源触摸物时能够识别并区分，并针对有源书写笔提供仿真字迹，增强了用户体验。

附图说明

图1本发明触摸识别装置结构示意图；

图2为本发明在开启光源情况下的光路示意图；

图3为本发明在关闭光源情况下的光路示意图；

图4为触摸识别装置组成结构示意图；

图5为有源书写笔组成结构示意图；

图6为有源书写笔外观图；

图7为有源书写笔电路框图。

具体实施方式

下面将结合具体实施方式及附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明的触摸识别装置如图1所示，包括4个图像采集处理单元1、触摸面板2、回归反射条3、控制器4和位于图像采集处理单元上的可控红外光源(红外led，图中未示出)，本实施例中触摸面板2的四个角各设置一个图像采集处理单元(实际应用中，有两个以上图像采集处理单元就可以)，回归反射条和红外光源提供从所述触摸面板的与所述图像采集处理单元相对的边缘向所述图像采集处理单元发射红外光线的作用，如果在触摸面板2的边缘设置线状的光源，可以替代上述回归反射条和红外光源。所述控制器4控制所述红外光源周期性周期性的开启和关闭，同时控制所述图像采集单元同步所述光源周期性采集光源在开启状态和关闭状态的图像，所述图像采集单元将采集的图像处理后发送到所述控制器，所述控制器4处理后发送到主机。

下面分别说明光源在开启和关闭状态下图像采集处理单元分别采集的图像所起的作用：

光源在开启时，用于识别无源触摸物(例如手指)，开启自身光源状态下获取图像，若不存在无源触摸物，光路由红外光源发出，在回光反射条处反射后，射向红外光源，也就是射向图像采集处理单元(光不可能完全回归反射，会存在一定的角度差异，有一部分光经过反射进入图像采集处理单元被其接收)，采集的图像表现为反光条全亮，若有无源触摸物，则无源触摸物会遮挡光路(如图2所示)，图中示出了无源触摸物5对左上角摄像头的影响，其中粗黑实线为红外光源发射的光，细白实线为经过回归反射条反射的光，可以看出与图像采集处理单元相对的边缘上的回归反射条上反射的光射向该图像采集处理单元，黑点为无源触摸物5，粗黑虚线为被无源触摸物遮挡的发射光，无源触摸物5由于遮挡了红外光源发射的光，因此没有光线从回归反射条反射回去，采集的图像表现为无源触摸物所处位置的亮度暗于其它无无源触摸物的区域。此时有源的书写笔由于自带光源，因此图像采集处理单元能够接收到有源书写笔的光源发出的光，因此在图像采集处理单元采集的图像中，有源书写笔所处的位置其亮度亮于无源触摸物所处位置的亮度，由此可见，有源书写笔是否存在对图像没有明显影响，不影响识别无源触摸物的位置。图像采集处理单元将部分图像(包含对应无源触摸物暗纹的线状图像)发送到所述控制器4，也可以是将整幅图像发送到控制器4，所述控制器根据算法计算出无源触摸物相对于该图像采集处理单元所处的角度，利用至少两个图像采集处理单元计算出的角度关系，利用三角函数计算出无源触摸物的位置等参数，包括触摸点数量、每个点的坐标、尺寸、触摸状态等，以触摸数据形式通过usb接口发送到主机。

光源在关闭时，用于识别有源触摸物(例如有源书写笔)，识别带光源的有源书写笔，若无有源书写笔，图像采集处理单元采集的图像表现为全暗，若存在有源书写笔，如图3所示，有源书写笔6笔尖发光，图像采集处理单元采集的图像表现为有源书写笔尖所处位置亮度亮于不存在有源书写笔所处位置的亮度，此时如果存在无源触摸物，由于无源触摸物在没有光源的情况下，对图像采集处理单元采集的图像不会有亮度上的影响，因此，图像采集处理单元采集的图像无法用于识别无源触摸物，由此可见，无源触摸物是否存在对图像没有明显影响，不影响识别有源书写笔的位置。图像采集处理单元将部分图像(包含对应有源书写笔亮纹的线状图像)发送到所述控制器4，所述控制器根据算法计算出有源书写笔相对于该图像采集处理单元所处的角度，利用至少两个图像采集处理单元计算出的角度关系，利用三角函数计算出有源书写笔的位置。上述位置计算属于现有光学影像式触摸屏原理，本文就不再赘述。

上述实施例中，所述控制器4控制所述红外光源周期性的开启和关闭，同时控制所述图像采集单元同步所述光源周期性采集光源在开启状态和关闭状态的图像，所述图像采集单元将采集的图像处理后发送到所述控制器4进行识别处理，所述控制器4处理后将获得的信息(如位置信息)发送到主机。在具体实施中，作为一种优选替代实施方式，所述红外光源和所述图像采集处理单元一体集成，由图像采集处理单元控制所述红外光源的开启和关闭，并同步采集图像，将采集的图像的部分或全部发送到所述控制器4进行识别处理。

作为另一个优选实施方式，如图4所示，本发明触摸识别装置还包括一个书写笔通信单元7，书写笔通信单元与所述控制器4连接，用于将从具有通信模块的书写笔接收信息并发送到所述控制器4，图4中光源集成在图像采集处理单元1中，所以图中未示出光源。

所述书写笔通信单元7从书写笔可以接收笔尖压力数据、书写笔按键数据，按键数据例如擦除开关数据(擦除状态/书写状态)、书写笔迹颜色数据、热键数据、ppt播放控制命令数据等。控制器4将识别的书写笔位置参数与接收到的压力数据组合为笔数据发送到主机。具有通信模块的书写笔如果是有源书写笔，则可以和无源触摸物同时使用互不影响，有源书写笔能够利用压力数据实现仿真笔迹，无源触摸物也能够与主机做交互。书写笔通信单元7可以利用有线连接、蓝牙、zigbee等通信协议与书写笔中的通信模块通信。

为了让本领域技术人员更加容易理解本发明，下面对本发明提供有源书写笔做详细的说明，如图5所示，有源书写笔包括笔头、固定安装所述笔头的笔头固定装置58、笔光源54和笔身，所述笔头固定装置58中有夹持件59，方便更换笔头且不让笔头脱落。书写笔还包括压力感应器件512和与其连接的处理器510，压力感应器件512位于笔头的后端，笔头在书写时，会传递压力给所述压力感应器件512，压力感应器件512将压力感应值发送到处理器510，处理器510通过通信模块将参数发送给触摸识别装置(电子白板)，所述处理器510包含了用于与触摸识别装置通信的通信模块，例如蓝牙模块。处理器510还连接有多个按键开关511，通过采集按键开关信号控制笔光源54的发射，笔光源54包括红外发射管以及三色led管，均通过处理器进行驱动。处理器510可以采用microchip公司的samb11芯片，含有低功耗蓝牙模块，开关11通常选用按键开关，在实物图中分布在电子书写笔的表面，如图6所示。处理器510还可以采用nordic公司的nrf52832芯片，通信也是用了bluetoothlowenegry，简称bluetoothle或ble(该范畴内均无歧义)，中文名低功耗蓝牙。

无论是红外发射管还是三色led管发射出的光均通过笔头向外发射，红外发射管可以一直点亮，使得书写笔成为有源书写笔，便于触摸识别装置识别，三色led可以显示不同的颜色，供用户肉眼识别，同时处理器将三色led管的颜色状态(笔颜色参数即书写时笔的颜色)发送到触摸识别装置识别，触摸识别装置识别根据三色led管的颜色状态采用相应的颜色笔。让用户有更便捷的体验，在书写时，省略掉选择颜色笔的步骤。

下面介绍笔头的结构和原理，笔头包括导光件51及与其一端固定连接的书写接触件52，所述书写接触件52与导光件51连接的一端为锥形部53，所述导光件51的一端用于将书写笔中笔光源54发出的光导向所述书写接触件52，其中一部分光55通过所述书写接触件的锥形部分进行反射，附图标记56表示反射的光，如果笔杆垂直于触摸识别装置(电子白板)书写，则反射的光以平行于电子白板的方式射到电子白板边缘的图像采集处理单元1。由于锥形部53的反射，笔光源54发出的光大部分都能被有效利用，因为光源大部分光线位于光源(一般是led光源)的光轴及附近，如果将光源设置在笔尖处，由光源直接向电子白板边缘辐射的光强会很微弱。书写接触件52的与锥形部53相对的另一端为笔尖，用于直接接触电子白板平面，通常为球面形，优选方案可以选用pom(聚甲醛:polyformaldehyde)热塑性结晶聚合物。被誉为"超钢"或者"赛钢"，又称聚氧亚甲基。英文缩写为pom)加钛白粉，靠pom本身的自润性来减少书写中的摩擦阻力，加入钛白粉是为了增强光的反射，降低光的损耗。

导光件51和书写接触件52可以通过uv胶粘接；所述导光件51可以是中空柱体，光源发射的光直接发射到所述锥形部上进行反射，锥形部可以是由红外光反射材料制成，也可以通过处理锥形部的锥形面，在锥形面上形成一层反射材料。所述导光件51也可以为透明的实心柱体，所述导光件与所述书写接触件固定连接的一端为凹锥形面，所述凹锥形面与所述书写接触件52的锥形部相配合，用uv胶将二者粘接在一起。

适当设置所述导光件的凹锥形面的倾斜角度和所述书写接触件的锥形部，让凹锥形面与所述书写接触件的锥形部之间形成有空隙，所述凹锥形面可以对笔光源54发出的部分光形成全内反射，效果更加。所述的导光件51优选为亚克力材质，还可以是透明塑料等。电子白板接收到压力感应值后可以调整笔画的粗细，让书写出来的字迹更加苍劲有力，更加有艺术感。

图7是有源书写笔的电路框图，有源书写笔包括处理器、压力感应器件、按键开关和笔光源，其中压力感应器件采集笔尖压力数据传递至处理器；处理器采集按键开关数据，根据按键开关数据控制笔光源，不同颜色的笔光源显示不同的颜色；同时，处理器将对应颜色相关的参数通过蓝牙通信模块发送到电子白板，处理器在初始化完成并于电子白板的书写笔通信单元7建立连接后，控制红外发射管常亮(断开连接时，控制所有光源常灭，降低耗电功率)。还包括ppt播放按键开关，处理器根据ppt(幻灯片)按键开关数据将控制ppt播放的命令信息通过蓝牙模块发送到书写笔通信单元7；按键开关还包括热键开关，控制主机的热键，处理器根据热键数据通过蓝牙模块向书写笔通信单元7发送热键命令，有源书写笔电路还可以包括一个加速度计(虚线框所示)，用于采集振动信息传递至处理器；处理器同样通过蓝牙模块发送到电子白板。

本发明的上述触摸识别装置与有源书写笔构成一种人机交互系统。既能识别有源书写笔，也能识别无源触摸物，在同时存在有源书写笔和无源触摸物时能够识别并区分。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。