专利名称：一种计算机输入系统的制作方法
技术领域：
本发明是一种计算机输入系统，是替代键盘、鼠标、触摸板、书写板和触摸屏等常用输入设备的计算机输入系统。
键盘、鼠标、手写板、触摸板和触摸屏等常见的计算机输入设备大多已成为计算机的标准外设，即使它们有着各自的不足，人们在应用计算机的同时也不得不接受这些设备的种种缺陷。总结这些常用的计算机的输入装置的特性，不难知道它们有如下缺陷键盘它需要和鼠标结合使用，通过键盘不能快速将光标移到屏幕上的任意位置，也很难用键盘进行图形操作。通常只能输入字母和数字符号，以及其他几个功能键。源于西方的键盘有利于拼音文字字母的输入，而对于汉字这样的象形文字的输入从根本上存在很大障碍。现存的多种通过键盘输入汉字的输入法，一方面因多键操作影响输入效率，另一方面需要死记部分输入规则。因为键盘上看不出完整的汉字符号，使得这些输入方法使用起来不能直观方便，试图通过键盘来输入象形文字和图形有先天的不足。
鼠标鼠标的移动是线形的不间断的移动。如果要将屏幕上鼠标从一点移动到目标处，需要使用者在此期间始终与鼠标保持接触，不仅占用了使用者较多的时间，同时需要使用者保持对鼠标的注意力，限制了手的运动自由和使用方式。
触摸板现有触摸板的功能是代替传统的滚动式鼠标、点状或柱状鼠标起作用的，它也有前述传统鼠标的移动低效率、限制使用者手部运动自由、较多耗费使用者注意力的等缺陷。另外，它只采集了使用者手部的极少信息，不能解读使用者手部的多种动作。
手写板不具备键盘在输入规定符号、字母、数字时的快捷性和直观性，用途单一。手写板只能接受单点信息，一次输入的是平面上的单个点或单线条，而不反映同时触及它上面的不连续的多个位置的信息。所接收或反映的使用者的信息量少，使用者手部的大量信息没有得到利用，人机交流水平受到限制。
触摸屏使用者在触摸屏上用手指点时，手会遮挡触摸屏，多人同时观看触摸屏上的内容受到限制。在触摸屏上指点，使用者必须首先抬起上臂，长时间抬动手臂也会导致疲劳。这些局限使得其只能常摆放在大厅等少数地方作为辅助服务设备使用。
有关计算机输入系统的公开专利信息CN1291316A号发明专利公告公布了一种图像检测操作者输入装置，只是检测某一装置表面预设图形变化的情况，且只是基于输入装置的移动，只能得到相对位移信息。尤其重要的是，它并没有将使用者手(或指定物)的形态(或影像)影射到计算机显示屏幕上去让使用者随时了解自己的手(或指定物)的形态或位置。
CN1322982A号发明专利公告(与本发明同属一个发明专利申请人)公布了一种感应器感应手部信息，通过感应信息处理系统提取信息特征并依此特征信息作为计算机操作的指令。但是该专利未说明使用者手(或指定物)在三维空间中形态的信息获取和利用。本发明在利用使用者手部(或指定物)在三维空间的信息方面作了改进和补充。
本发明的设计思想本发明通过采集计算机操作者的手(和手指)或计算机操作者指定物的空间形态信息，提取其特征信息并将特征信息发送给计算机系统处理形成计算机操作指令。计算机将操作者的手(和手指)(或指定物)的空间形态信息(或影像)在计算机显示屏上表现出来使得操作者感受到自己的手或指定物在空间的位置，同时计算机执行分析操作者手(或指定物)的特征信息而形成计算机操作指令。
本发明的技术方案图1显示出手(或指定物)、图像感应装置和感应信息特征提取装置，以及计算机显示屏之间的空间相对关系，其中计算机显示屏上的有效显示表面与图像感应装置的有效感应表面是大小成比例的对应关系的。对于除手以外的其他计算机操作者用来作指定的物体(文中简称为指定物。例如笔状物，小木棍或其他替代手指功能的替代物等)可以和手作同样处理，获得同样的结果。
图1中，手(或指定物)(1)的空间运动被图像感应装置(2)所捕获，通过图像信息特征提取装置(8)将手(或指定物)的空间形态的特征信息提取出来，经传输线(9)传给计算机处理(若采用无线传输的方式不影响本发明的实施)，并作为引导计算机操作的信息的输入，即作为计算机操作的外部操作指令的输入。
计算机处理完这些空间形态的特征信息后，形成计算机操作指令，同时在计算机显示器的屏幕(6)上显示出手(或指定物)的映射图形(4)和手(1)(或指定物)在图像感应装置(2)的表面上所划过的轨迹(3)的映射图形(5)，这种映射图形是手(或指定物)的空间形态在计算机屏幕上的直观反映，让计算机操作者能适时感受到手(或指定物)的空间形态和位置。这种对计算机的信息输入操作一改传统的依赖鼠标和键盘及其他现有输入设备的方式，使得人机交流完全在互动状态下进行，界面友好、信息交换量大且快捷，能实现现有输入设备的所有功能，并容易进行直接的图形、图像输入，象形文字的输入也更加方便和快捷。
图1中手(或指定物)的空间形态的特征信息包括整个手(包括各个手指)(或指定物)的空间位置、移动方向和速度。如果手(或指定物)与图像感应装置(2)的表面有接触，在图像感应装置(2)的表面上的接触压力大小、位移的时间和速度信息(其他信息，如手指指纹信息、红外、声波、电容、地磁信息等)也是手的空间形态的特征信息的一部分。
图1中，手(1)(或指定物)的运动是空间的任意运动和在图像感应装置(2)的表面上的移动、敲击、停留，上述移动、敲击、停留分别包括了各自运动的平动和转动、单点和多点、快速与慢速和停止等运动特点。
图1中，手(1)(或指定物)在空间运动，在图像感应装置(2)的表面上划过的轨迹(3)，在计算机显示器的屏幕(6)上的对应位置处会显示出相应的手(1)(或指定物)和轨迹(3)的所对应的可视的映射图形(4)和(5)。这种映射图形与原物之间是逻辑上的对应关系，不是三维方向上的尺寸大小的一一对应相等，但大小上可成一定的比例关系，位置和运动方向成对应关系。
通过图1的计算机系统，手(或指定物)的许多静、动态信息经过了可视化处理，计算机操作者只通过手(或指定物)的简单手势和特定动作，即可完成对计算机的操作。手(或指定物)的空间形态通过可视化处理后作为计算机控制指令及计算机能够感受到的事件发生，实现鼠标、触摸板、触摸屏和手写板的功能，通过可视化键盘技术(比如通过计算机屏幕上的软键盘操作)也可实现键盘功能。
图像信息的获取和图像信息的处理的现有设备及技术有许多种，很多都可以应用于本发明。常用的用于可见光的成像元器件有CCD摄像器件、MOS阵列摄像器件、摄像管，以及其他光电转换器件诸如可变灵敏度光电检测器件(VSPD)和一些光电功能超薄膜等。
图像感应装置的表面(感应面)可采用类似触摸屏的器件。这样，图像感应装置不仅可以采集操作者手或指定物在三维空间的形态图像，而且可以采集其在感应面上的感应信息(压力、热量、电和磁信号、声波信号等)。
计算机操作系统本发明的工作环境要求，除了可以在MicrosoftWindows操作系统平台上运行外，也可以在Linux操作系统下运行。所不同的只是要开发针对个别操作系统的设备驱动程序。
计算机接口的选择计算机接口的选择也没有限制，无论是USB接口、串口、并口还是PCI接口，都是可行的。接口选择的技术障碍并不存在。
鼠标功能的实现由于可以将使用者手(或指定物)的形态(影像)影射到计算机显示屏上，使用者只需要看显示屏就知道自己手部的位置。当手(或指定物)触摸到图像感应装置的表面(图1中标号为2的部分)上时，计算机就根据设计的设定，判定是否为按动动作。当然，也同样可以设定单击、双击、左击、右击等一系列手部动作的识别模式。图4直观说明当手在图像感应装置的表面时，其形态影射到计算机屏幕上的影像。
动态化的软键盘的启用图4同样说明在本发明中，软键盘是如何起作用的。当使用者在图像感应装置的表面敲击时，他随时在屏幕上看到的是自己的手(或指定物)在软键盘上的敲击。软键盘的设计由需要和方便性来决定。我们至此可以做到键盘的动态化和丰富化。传统键盘的所有功能因此而轻易实现了。
触摸板和书写板功能的实现由于图像感应装置的表面能够读取使用者手(或指定物)在上面的触摸信息和手的形态信息，再通过软件对这些触摸信息的处理，本发明自然也就实现了触摸板的现有功能。
触摸屏功能的实现由于本发明能够将使用者手(或指定物)的影像影射到计算机显示屏上，自然使用者通过移动自己的手的位置就可以调整手的影像在屏幕上的位置，手的影像在显示屏上因而起到了指示的作用，触摸屏的功能就实现了。
输入法的选择各类现有输入法，在采用了本发明的输入系统后，从理论上说都可以继续使用。只要将现有各类输入法在显示屏上的界面作些变动，比如增大软键盘的面积以利于手的操作，增大选择项提示窗口以提高选择效率和方便操作，丰富软键盘的设计使得使用者有更多的选择选择等，这样在采用了本发明后，现有各类输入法不仅可以继续使用而且会使用的效率会更高，使用也会更加便捷。
总之，本发明通过采集计算机使用者手(或指定物)在空间的形态信息和在图像感应装置表面的触摸信息，将使用者手(或指定物)的形态(影像)影射到显示屏上，并且通过软件设计对手(或指定物)的形态和动作进行分析向计算机发出操作指令，结合使用屏幕上的软键盘，就完全实现了传统意义上的键盘、鼠标、书写板、触摸板和触摸屏的功能。
关于使用者手(或指定物)在空间形态的信息以及从中提取的特征信息的处理，这些涉及常用的计算机外设驱动程序的编写技术和图像数据处理技术，这些计算机软件技术都是公开和成熟的，这里不再赘述。
图1手(或指定物)的图像检测计算机输入装置系统原理图；1—手(或指定物)；2—图像感应装置；3—手(或指定物)划过的轨迹；4—手(或指定物)的图形映射；5—手(或指定物)划过的轨迹的图形映射；6—计算机显示屏幕；7—计算机主机；8—图像信息特征提取装置；
9—传输线图2带DSP实现的图像检测信息采集和传输系统结构示意图；图3不带DSP实现的图像检测信息采集和传输系统结构示意图；图4使用者使用本发明时的显示界面示意图。
实施例作为一个例证的实例，采用CCD(电荷耦合器件—ChargedCoupled Device)摄像头作为图像信息获取的传感器。图2给出了由光学镜头与CCD图像传感器组成的CCD摄像头、A/D转换器、DSP处理器、计算机接口、计算机主机、计算机显示器组成的手形图像信息采集和传输系统。在这一系统中，手的空间形态通过CCD摄像头转换成图像信号的模拟量，经A/D转换器变换成数字信号，送入数字信号处理器DSP进行信号处理和图像处理。DSP处理后输出手的空间形态的特征信息，计算机对此特征信息进行进一步处理，在计算机显示器的屏幕上显示出相应的映射图形，并解读特征信息产生相应的计算机操作。在这一过程中，手的移动距离、移动方向、移动快慢经DSP处理器处理后，能适时地传给计算机作为特征信息的一部分，手指的敲击(单击、双击、多击)等特定动作也会产生相应的特征信息传入计算机，计算机依据这些由图像处理而得到的特征信息进行操作。
作为一个例证的实例，还可以采用红外CCD摄像头器件，其图像信息的产生和处理过程同上。
为了充分利用计算机的资源，减少制造成本，本发明提出又一种实现方案。如图3所示。图中给出了由光学镜头与CCD图像传感器组成的CCD摄像头、A/D转换器、计算机接口、计算机主机、计算机显示器组成的手形图像信息采集和传输系统。在这一系统中，手的空间形态通过CCD摄像头转换成图像信号的模拟量，经A/D转换器变换成数字信号，由计算机接口直接传入计算机主机，并由计算机主机直接进行图像处理，提取出手的空间形态的特征信息，进而通过这些特征信息产生相应的计算机操作，同时在计算机显示器的屏幕上的相应位置处显示相应的映射图形。这种系统构成将原先DSP处理器的信号处理和图像处理的工作转移给计算机主机来完成，系统构成相对简单，计算机主机将需要完成全部输入图像数据的处理。
在前述硬件系统构成的基础上，通过重新编写驱动程序，利用现有的成熟和公开的计算机软件技术就可以很好地在现有的流行的操作系统平台上运行，实现本专利的所有功能。
权利要求
1.一种计算机输入系统，由图像感应装置和图像信息特征提取装置组成，其特征在于图像感应装置获取手(或指定物)在空间的形态信息，图像信息特征提取装置提取出手(或指定物)的空间形态的特征信息并传入计算机主机，在计算机显示器屏幕上显示出手(或指定物)的空间形态(或其影像)，同时计算机依据所传入的特征信息产生计算机操作指令。
2.依据权利要求1所述的计算机输入系统，其特征在于图像感应装置获得手(或指定物)的空间形态是指手(或指定物)在空间的位置和运动状态信息，包括整个手(和手指)(或指定物)在三维空间的位置信息、运动的方向和速度信息，也包括手(和手指)(或指定物)与图像感应装置感应面上的(单点或多点)感应点的坐标和其它接触信息(如指纹信息、压力、红外、声波、电容、地磁信息等)、手(和手指)(或指定物)在图像感应装置表面上的(平动和转动、单点或多点的、快速与慢速)移动、(单点或多点的、快速与慢速)敲击等各种运动和停留方式的信息。
3.依据权利要求1所述的计算机输入系统，其特征在于计算机显示屏上的有效显示表面的大小与图像感应装置的感应面的大小成一定比例关系。计算机显示器屏幕上显示出的手(或指定物)的空间形态的影像与空间中手(或指定物)是映射关系。
全文摘要
本发明公开了一种计算机输入系统,由图象感应装置和感应信息特征提取装置两部分组成。图像感应装置获取手(或指定物)的空间形态(或其影像),感应信息特征提取装置提取出手(或指定物)的空间形态的特征信息并将这些特征信息输入到计算机主机中,计算机依据所传入的特征信息产生计算机操作指令,同时在计算机显示器屏幕上显示出手(或指定物)的空间形态(或其影像)。计算机操作者通过该输入系统能适时直观地感受到自己的手(或指定物)的空间形态和位置,使得人机交流完全在互动状态下进行,界面友好且方便快捷,能实现常用的5类输入设备(键盘、鼠标、书写板、触摸板和触摸屏)的输入功能,使象形文字的输入也更加方便快捷,并且能容易进行直接的图形和手绘图像输入。
文档编号G06K9/46GK1378171SQ0211735
公开日2002年11月6日 申请日期2002年5月20日 优先权日2002年5月20日
发明者许旻 申请人:许旻