专利名称：多指示笔输入装置和实现方法
技术领域：
一般来说，本发明涉及数字化输入装置，更具体地说，本发明涉及可与数字化仪设备中的数字化阵列配合工作的多指示笔指示/输入装置的发展。
背景技术：
数字化仪系统是本领域的技术人员熟悉的。电磁阵列或其它类型的系统通常对用户所使用的指示笔作出响应，以便通过写、画或将指示笔指向数字化仪阵列来直接在栅格上输入数据以及控制各种计算机功能。一些实施例将数字化仪直接放置在监视器上；另一些实施例则将这两种装置分开。通常，在需要与诸如监视器屏幕之类显示装置的尺寸相比较大的工作表面的情况下，采用分开的数字化仪。在便携性和尺寸较为重要的情况下，采用集成的数字化仪和显示装置。因此，许多类型的计算机系统采用基于指示笔的技术，并且可以包括便携式系统、台式系统、可运输的或基于终端的系统。
集成的数字化仪-显示系统仅在它们是共面的并一起装在同一装置中的意义上是集成的。它们的集成并非是由于需要信号处理器将数字化仪所产生的信号转换成与显示器兼容的显示信号而进行的。因此，即使在为了在数字化仪所在的同一显示表面上直接输入而集成的最简易数字化仪-显示系统中，也涉及了额外电路和复杂度。
先有技术中存在若干种指示笔输入数字化装置。其中一种涉及指示笔尖与电容-电阻阵列的直接接触。当指示笔尖、如金属笔尖或者甚至是用户手指放置在数字化垫板的所选区域附近时，垫板中的电容-电阻电路检测到指示笔的放置，并且根据众所周知的基于栅格的阵列的数学公式来计算其位置。电容-电阻阵列通常用于如便携式数字化仪屏幕或指压鼠标垫之类装置中的较小区域。
第二种先有技术系统采用了电磁数字化仪，在用户输入数据或执行所需动作的过程中，它与磁性笔尖的指示笔或产生电磁场的指示笔进行交互作用。指示笔尖与数字化仪上的磁场交互作用以传递来自用户的信息和数据。通常，相交线的栅格产生一个磁场，该磁场能够由指示笔所产生的磁场主动或被动地进行修改。交叉线能够感测笔尖的磁场，以便产生响应信号，或者能够在交互作用过程中产生由指示笔改变的磁场。
另一个实施例是一种指示笔，它具有RF发射器，用以向数字化阵列发送信号，然后采用阵列中的接收电路来检测所发送的信号。或者，垫板位置可以加上涂层，指示笔所产生的RF信号与阵列交互作用并由指示笔中的接收器所接收。
此外，备选实施例可以结合光源、如可见光或红外光，将其放置在指示笔尖中以从垫板反射回来。指示笔采用成像装置、如CCD(电荷耦合器件)摄像机以光学方式检测返回信号，从而检测指示笔与数字化仪交互作用的位置。然后，系统对所接收信号及位置进行处理并解码，以便确定适当的信息。
这些系统中的每一个都有其可取之处，但它们都存在一些局限，使其难以使用或不愿意使用。例如，直接接触技术在正常操作过程中易产生划伤和磨损，比其它技术的耐用性低。
线栅电磁技术的实现费用昂贵，并且对于较大分辨率需要许多独立的导线。另外，电磁数字化仪在线栅传感器后面通常需要平面磁性材料来对系统进行杂散磁效应屏蔽。在便携式的使用中，它使实现这种技术的系统的技术产生不必要的困难。在基于光的系统中，指示笔需要连线到数字化仪阵列，并且必须将产生光源的复杂电子线路以及CCD摄像机结合进来并加以扩展以实现这种指示笔。
还实现了基于指示笔的输入装置，以便将多指示笔结合到同一装置中。例如，已经研制了手套式输入装置，它以手套的形式戴在用户手上，其中两个或两个以上的手指具有与其关联的输入装置。不同的指示笔采用不同的信号以互相区分。因此，在有5个输入装置、拇指和其它手指各有一个输入装置的情况下，必须产生并管理五个不同的信号。如果用户使用两个手套，每个手套都具有五个输入指示笔，则必须产生并管理10个不同的信号。
此外，多指示笔输入装置采用极为复杂的例程来观察用户手指的移动、如特定关节和手指移动的距离，以便提供数据输入。需要额外的电子线路和换能器来测量各手指的各关节以及监测用户手指移动的距离。因此，这种装置的实现很昂贵且复杂。
因此，需要一种改进的多指示笔输入装置和数字化设备，它采用一种输入装置，这种输入装置具有比先有技术系统更高的分辨率，更易于制造，在计算机系统中实现时较为简单，以及在实际使用中更耐用。
发明内容
根据本发明，公开一种用于用户手上的输入系统，其中包括分别布置在用户手中分开的手指上的一个或多个指示笔、位置控制逻辑以及通信逻辑。另外，各指示笔能够根据用户输入动作来产生输出信号。位置控制逻辑连接指示笔并且可用以根据用户手上指定的、相对于用户手上其它手指的手指位置来识别各个指示笔。连接位置控制逻辑的通信逻辑将指示笔所产生的信号发送到计算机系统以便处理或显示。额外的指示笔是可能的，并且还可映射第二只手以供使用。可提供数字化仪输入板以与输入指示笔交互作用，并且可采用与数字化仪输入板结合的屏幕来实现触摸屏系统。
从以下结合附图的说明中，本领域的技术人员将会很清楚本发明的特征和优点，图中图1说明根据本发明的具有显示单元的数字化系统的示意图。
图2说明指示笔交互作用在图1所示磁随机存取存储器(MRAM)数字化垫板上留下轨迹的示意图；图3说明与根据图2所示输入板的数字化仪输入板交互作用的指示笔的剖面侧视图。
图4说明根据本发明的一对多指示笔输入装置的实施例的示意表示。
图5说明图4所示多指示笔输入装置之一的各指示笔的映射。
图6是根据本发明的用来映射各指示笔以供使用并管理输入数据的步骤的示意图。
具体实施例方式
为了简化说明，主要结合示范实施例来说明本发明的原理。不过，本领域的技术人员会知道，相同的原理同样适用于多种类型的具有显示器的数字化仪系统。
图1中说明了根据本发明、连接显示系统的数字化设备。所公开的数字化仪100采用磁随机存取存储器(MRAM)单元阵列来用作基于指示笔的输入装置。该输入装置不限于基于指示笔的系统，而是还包括其它输入装置，例如指示装置、数字输入装置，比如手指或指示笔或鼠标。其它类型的数字化仪系统也是可行的，并且本发明不限于仅采用基于MRAM的数字化仪。数字化仪100连接到信号处理器102，后者还连接到显示系统104。信号处理器102从数字化仪100接收信号，并且对它们进行处理以便在视频显示器104上显示。数字化仪100还包括控制逻辑105，用来在诸如阵列读取、阵列写入以及阵列清除之类的操作中控制数字化仪100，这些是本领域的技术人员所熟悉的。
图2中详细地说明数字化仪100，图中表示了至少一个指示笔尖在数字化仪100表面上的轨迹。数字化仪100包括存储单元106的阵列。每个存储单元根据单元108中得到的磁位的取向而具有至少两种状态可能性。指示笔与数字化仪100的表面交互作用时产生轨迹。单元中的位重新定向时形成该轨迹，使得存储单元106的状态如单元108中所示发生变化。轨迹110说明了指示笔所采取的路径。随后，电信号作为读取信号被施加到单元106的阵列上，产生通过位变化所修改的那些单元的读输出。随后，作为由所改变位的位置所产生的经过修改的电信号的读输出信号被发送给图1所示的信号处理器102，在其中根据用户所画的图案进行处理。然后，轨迹110显示在显示装置104上。
MRAM单元的出现代替了长期存储器，并且MRAM单元具有类似于半导体存储器的快速存取的特性。由于它们具有无限期地存储信息的能力，因此可用作长期存储装置。MRAM单元根据设置在形成图案的薄膜磁性元件中的磁化的磁性取向来存储一位信息。这种磁性薄膜经过设计，使其具有两个稳定且不同的磁状态。稳定的磁状态定义了二进制一(1)或二进制零(0)。尽管数字信息存储在磁性薄膜中，但是多层极为严格控制的磁性和介质层与存储元件相关联。
所选存储单元106的磁状态可以通过向穿过所选存储单元106的字线(未标出)和位线(未标出)施加电流来改变。电流产生两个正交磁场，这两个磁场结合时会在符合与非符合状态、即分别称作平行和反平行状态之间切换所选存储单元100的磁性取向。其它未选存储单元仅接收来自穿过未选存储单元的或者字线或者位线的磁场。单磁场的强度不足以改变未选单元的磁性取向，因此，它们仍保持其磁性取向。当具有磁尖的指示笔放置在靠近单元的位置时，则施加了一个足够磁场，使该单元的磁状态发生改变。这在平行和反平行状态之间产生了取向的改变。
采用MRAM单元的一个优点在于在没有施加任何外力的情况下，它们永远保持其取向。这就是说，不需要向MRAM单元施加任何电场或电流来保持其磁位的磁化取向。因此，如果关闭了该装置，则会永远保持上次保留在单元中的取向。当该系统重新通电时，读出操作会发出信号，表明已经保持这种状态，因此保持了定向。这就允许发送一个信号来通知信号处理器，从而将断电之前用户在数字化仪阵列上绘制的先前轨迹显示在显示装置上。
如图4所示，系统采用手套式并且包括多个指示笔402-420的输入装置400，通常用户的拇指及其它各手指各有一个指示笔。图中表示出左、右手套，它们可单独使用或前后使用。输入装置400象手套一样戴在用户手上，并提供高于其它非手掌集成的输入装置、如笔式指示笔或鼠标类型输入装置的灵活性。在一个实施例中，各指示笔402-420还包括能够在数字化仪阵列上扫描的磁尖。在垫板表面之下放置了与上述MRAM体系结构极为相似的MRAM单元阵列。当指示笔移动时，磁场由指示笔尖中的磁体产生，使指示笔移动路径中的位翻转并留下如图2所示的轨迹。MRAM阵列不断地被读取并扫描其中记录的位组合的变化。当指示笔402-420通过阵列时，轨迹改变该组合，其路径显示在显示器上。
在一个实施例中，图3所示的指示笔尖包括产生已知磁场的永磁体。磁体可以放置在用来与输入板交互作用的笔尖中，或者指示笔可以涂上一层产生可以影响MRAM存储单元的磁场的磁性材料。在数字化仪中有支持驱动电子电路，它们是本领域的技术人员熟悉的。这些驱动电子电路最初将存储单元阵列中的全部位设置为第一方向。当指示笔尖划过阵列时，磁场使一个位改变为与其原始对准方向相反的方向。驱动电子电路可以定期地或者当用户指示时将全部位恢复到其原始取向。
在另一个实施例中，指示笔尖112可以采用载流线圈来产生变化的磁场。由于可以通过改变电流的方向和强度来改变电流，因此，存储单元中受影响的位在对用户用指示笔所选的电流模式作出响应而在空间和时间上均发生改变时，将会被设置成唯一的位组合。可通过可表示类似在鼠标型指示装置上的按下按钮操作的用户朝阵列向下按压笔尖，或者通过可表示类似于选择鼠标中左、右或中键的不同按键点击的选择指示笔上一个或多个按钮，从而改变电流模式。在另一个实施例中，变化的电流模式还可以表示变化的色彩，下面将会详细说明。
由于MRAM单元独立于其它单元以及指示笔而进行工作，因此可方便地使用一个以上指示笔。各指示笔被设计成独立于其它指示笔而进行操作，因为它们所影响的单元也是彼此独立工作的。例如，可以实现多指输入系统。多指输入装置400还设计成用来确认各指示笔因其在用户手上的位置而只能在有限范围内操作，如图5所示。
图5说明具有五个输入指示笔402-410的单个手套。各指示笔402-410还连接到信号处理器102，后者经过编程而作为位置控制逻辑系统和通信逻辑系统来工作。分离的逻辑装置也是可行的，但执行两种功能的集成装置减少了部件和成本。
各指示笔402-410分别具有所定义的操作范围，如范围430-438所示。各范围430-438可与相邻指示笔的范围略有重叠，但不可以与较远的指示笔(多个指示笔)重叠。例如，范围430和432可以部分重叠，但范围430和434则不可以重叠，即使范围432和434可以重叠。操作范围被定义或映射到各指示笔。这是可行的，因为同一个手上的手指彼此间不可能移动太远，只能相隔这么大的距离。操作规则按照用户的手的自然限制条件，并且可编码为位置控制逻辑中的约束。因此各手指均限制在其自身在相同手套上彼此间影响范围上。位置相关的操作范围由信号处理器102的位置控制逻辑部分进行管理。通信逻辑使来自输入装置400的信号能够被发送到信号处理器102。在一个实施例中，信号处理器102是一种计算机系统，用作输入指示笔系统的控制逻辑。计算机系统通常包括但不限于具有中央处理器、用户输入装置以及输出装置。
映射可考虑用户的平均手指尺寸，或者经过编程，用于用户的特定手和手指尺寸。这些规则可能强调一个或多个分开的手指不会彼此交叉，从而防止其操作范围重叠。此外，在双手均戴上输入装置手套时，双手最好是不要交叉，使一个手套上的操作范围不会影响另一个手套上的操作范围。另外，用户天生最经常用任一只手的食指开始输入，这将用作相对于通过其它手指所执行的任何动作的基准点。其它能够实现并看作本发明的实施例的可能配置包括以下各项。一个实施例包括使用指向一块板的单个指示笔，其中，基于约束的位置控制逻辑将指示笔看作是与实际上哪个手指在那里无关的单一食指。另一个实施例包括布置在每只手上的单个指示笔，从而提供两个指示装置来指向两个不同点。在这种配置中，独立的指示装置被看作是两个独立的食指。另一个实施例允许来自分开的个体的分开的指示装置，其中每一个均具有指定给一只手并指向同一板的指示笔。这种配置与一个用户将指示装置放在每只手上时的情况相同。
磁单元阵列对磁场敏感。选择指示笔所产生的磁场的强度，使其足以在没有直接接触的情况下被阵列所检测。这就允许在MRAM单元的上表面放置覆盖物，从而可以直接在垫板上书写，而不用担心划伤或损坏下面的屏幕或阵列表面。这提供了一种采用本发明所实现的输入系统的触摸屏视频显示器。
图6说明实现和使用图4和5的多指示笔指示装置400的一种方法的流程图，与应用于图1-3的MRAM数字化仪100的使用中一样。最初，如框600所示，定义多个指定指示笔402-410(412-420)与数字化仪配合使用。与MRAM数字化仪100配合使用的各存储单元包括额外控制逻辑，以便识别数字化仪板上任何指示笔交互作用的特定位置。根据本发明，对改变所选单元内位取向的指示笔交互作用的检测使信号能够发送给信号处理单元，信号处理单元则使轨迹显示在显示设备上。
随后，如框602所示，通过用户手上指示笔的布局来定义哪个指示笔与手上的哪个手指相关联。一旦将指示笔分配给唯一的手指，则如框604所示，通常在信号处理器102中进行编程的映射方案将各指示笔映射到所指定的手指，并根据其手指分配来定义指示笔的操作范围。
这时，输入装置400将通过数字化仪系统100来实现。当用户将多指示笔应用于数字化仪系统时，存储单元被改变，系统将读电信号加至阵列以确定用户的动作，如框606所示。如果该动作只是在数字化仪表面上进行绘制，从而改变受影响存储单元的状态，系统则如框608所示，根据以前定义的映射从各指示笔读取输出信号。这个由受影响单元所修改的电信号被转发给信号处理器以对其进行处理，以便识别已经修改的单元。一旦识别了这些单元，则激活屏幕上与数字化仪的单元位置对应的像素，从而在显示器上再现该轨迹，如框612所示。通过指定用于显示的特定颜色以区分不同的轨迹，可以清楚地观查各指示笔。
如果系统检测到用户已经执行所需的动作，则该系统如框610所示，执行用户所请求的动作。通常，这些动作与用户可采用例如鼠标或轨迹球之类的指示装置来进行的动作相似。这些动作可以包括鼠标左、右或中键点击。运行程序或打开网页也可以方便地设置在用户所实现的指示笔工作范围内。
虽然所示的手套式输入装置与MRAM数字化仪系统配合工作，但也不必这样限定。实际上，本发明的输入装置可以应用到其它非基于MRAM的数字化仪显示器上。
本发明的输入装置避免了先有技术中存在的若干问题。例如，多指示笔输入装置不需要各自编码的指示笔，而这是先有技术中需要的。这就避免了这类多个信号的额外信号生成和处理的必要。此外，在本发明中还降低了这种多信号多指示笔输入装置所产生的费用。
多指示笔输入装置提供一种智能系统，它通过映射各指示笔和与其匹配的手指来进行识别。用户的手移动时，手指的运动使系统可以根据直觉来限制或约束用户的手的动作。例如，如果使用两个手套式多指示笔输入装置，一只手用一个，则用户凭直觉不会让手指或手交叉。因此，交互作用的指示笔区域的位置由其相对其它手指或指示笔的布局来约束。
本发明的另一个实施例将显示面板104设计为在物理上与数字化MRAM阵列100紧密配合。显示器104放置在数字化仪100上，使得当用户在显示器104表面移动一个或多个指示笔时，磁场与下面的阵列100交互作用，并且就在指示笔与显示面板交互作用处产生绘制的轨迹，或者使由特定指示笔所调用的功能执行。信号被发送给信号处理器102，然后再被发送到显示面板104进行显示。它的优点在于，将数字化设备100与显示设备104结合在一起，正如膝上型计算机和个人数字助理(PDA)装置等中采用的一样。
本发明的另一个实施例将显示设备104与数字化仪设备100紧密结合，使得采用MRAM单元的数字化仪主动控制显示面板104中的显示像素。这种类型的系统中所用的显示面板通常采用晶体管，例如在有源矩阵中那样，这是本领域的技术人员所熟悉的。根据本发明，阵列中的MRAM单元与所选晶体管配合，以便激活显示器中的像素。这允许用户查看数字化仪垫板上的轨迹，好象用户直接在纸上使用诸如钢笔或铅笔之类的标记器一样。
阵列可包括从X和Y方向中的少数几个像素、到提供传统大小的显示设备所需的尺寸的任何位置。这种显示器通常在X和Y维上都具有一千线以上。
这样就证明可结合采用MRAM单元阵列的数字化装置，以便与显示装置交互作用，以及数字化仪装置实际上可以与采用薄膜晶体管单元的显示器结合，使存储单元直接激活有源矩阵显示器中的像素。结果就是一种数字化仪-显示器，它几乎不需要其它数字化仪-显示装置中所需的信号处理逻辑。因此，当用户直接在显示器上书写轨迹时，该轨迹直接显示在屏幕上，而几乎不需要任何中间处理。组合装置产生一种触摸屏，它采用MRAM单元作为记录装置或位置感应装置。
在另一个实施例中，指示笔是与大屏幕上投影的图像交互作用的激光指示器。指示笔运动由摄像机进行捕捉，它把指示笔交互作用和活动的位置映射到屏幕。指示笔限制在一个区域中，其中，它们因手的构造的自然限制及其上面指示装置的设置而彼此相对进行工作。此外，由于MRAM阵列用作可寻址存储阵列，因此简化了先有技术系统通常需要的驱动电子电路。另外，所显示的图像/图形或者所定义的信息因MRAM单元的上述特性而能够以非逸失方式存储。由于MRAM单元永久地保持存储位的上次选定取向，当显示系统断电然后再通电时，不会丢失任何信息。显示器作为可写和可再用纸介质，而不是始终要求将数据保存到永久存储器而非直接存储在数字化仪本身中的传统数字化仪输入板。
在一个实施例中，MRAM单元可采用薄膜晶体管(TFT)单元来实现。也可采用其它的显示单元，其中可包含隧道磁阻(TMR)效应。其它单元包括基于磁阻(MR)效应、巨磁阻(GMR)效应、磁性隧道结(MTJ)效应或者超巨磁阻(CMR)效应的单元。
有四种产生不同类型MR的极为不同的物理效应AMR(各向异性)、GMR(巨)、TMR(隧道)以及CMR(超巨)。隧道磁阻(TMR)或隧道磁阻效应(TMR效应)是在磁隧道结(MTJ，有时又称作SDT结)中可见到的自旋相关隧道(SDT)的物理效应所产生的电阻变化。
应当知道，上述方案只是对本发明原理的应用进行说明。本领域的技术人员可以设计大量修改和替换方案，只要不违背本发明的精神和范围，而且所附权利要求意在涵盖这些修改和方案。因此，虽然在附图中结合目前认为是本发明最可行的最佳实施例对本发明进行了详细说明，但本领域的技术人员清楚地知道，可以进行包括但不限于大小、材料、形状、构造、功能以及工作方式、安装和使用等方面的大量修改，只要不背离权利要求书所提出的本发明的原理和概念。
权利要求
1.一种用在用户的手上的输入系统，包括第一指示笔和第二指示笔，所述第一指示笔分配给用户手上的第一手指，以及所述第二指示笔分配给用户手上的第二手指，各个指示笔能够根据用户输入动作来产生输出信号；位置控制逻辑，连接到所述第一指示笔和所述第二指示笔，以便根据用户手上所指定的相对于用户手上其它手指的手指位置来识别各个指示笔；以及通信逻辑，连接到所述位置控制逻辑，以便将所述指示笔产生的信号发送到计算机系统。
2.一种数据输入系统，包括用在用户的手上的输入指示笔，所述输入指示笔包括第一指示笔和第二指示笔，所述第一指示笔分配给用户手上的第一手指，以及所述第二指示笔分配给用户手上的第二手指；数字化仪输入板，检测所述第一和第二指示笔的运动，并将所述运动转换为输出的信号；以及位置控制逻辑，连接到所述第一指示笔和所述第二指示笔，以便根据用户手上所指定的、相对于用户手上其它手指的手指位置来识别各个指示笔，并且处理所述数字化仪输入板所产生的信号。
3.一种数据输入系统，包括供用户使用的输入装置，所述输入装置包括第一指示笔和第二指示笔，为所述第一指示笔分配第一操作区域，以及为所述第二指示笔分配相对于所述第一指示笔的第二操作区域；数字化仪输入板，检测所述第一和第二指示笔在其操作区域中的运动，并将所述运动转换为输出的信号；以及控制逻辑，连接到所述第一指示笔和所述第二指示笔，以便根据指示笔相对于用户动作的操作区域来识别各指示笔，以及处理所述数字化仪输入板所产生的信号。
4.如权利要求1或2所述的输入系统，其特征在于还包括分配给用户手上的第三手指的第三指示笔，以及所述位置控制逻辑根据其手指位置来识别所述第三指示笔。
5.如权利要求4所述的输入系统，其特征在于还包括分配给用户手上的第四手指的第四指示笔，以及所述位置控制逻辑根据其手指位置来识别所述第三指示笔。
6.一种采用手套式输入系统输入信息的方法，所述手套式输入系统包括戴在用户手指上的多个输入指示笔，所述方法包括根据用户手指上的所述输入指示笔的布局来映射所述多个输入指示笔；以及根据所述输入指示笔映射来识别来自各个输入指示笔的信号。
7.一种供用户使用的数字化输入系统，包括第一指示笔和第二指示笔，所述第一指示笔分配给用户的第一手指，以及所述第二指示笔分配给用户的第二手指，各个指示笔能够根据用户输入动作来产生输出信号。
位置控制逻辑，连接到所述第一指示笔和所述第二指示笔，以便根据分配给所述第一和第二指示笔的所述手指位置来识别各个指示笔，并且根据各指示笔相对于其它指示笔的位置来约束各指示笔的操作；以及通信逻辑，连接到所述位置控制逻辑，以便将所述指示笔产生的信号发送到计算机系统。
8.一种采用手套式输入系统输入信息的方法，所述手套式输入系统包括戴在用户手指上的多个输入指示笔，该方法包括根据用户手指上的输入指示笔的布局来映射所述多个输入指示笔；以及根据所述输入指示笔映射来识别来自各个输入指示笔的信号。
9.如权利要求2或3所述的数据输入系统，其特征在于，所述数字化仪输入板包括基于磁随机存取存储器阵列的数字化仪输入板。
10.如权利要求9所述的数据输入系统，其特征在于还包括显示器，它与所述数字化仪输入板连接并与其共面，以便所述指示笔与所述显示器和数字化仪输入板进行交互作用。
全文摘要
公开一种计算机输入系统，它采用根据其手指位置(402－420)进行映射以便操作的手套式多指示笔装置(400)。输入系统还可包括例如采用磁随机存取存储器单元(106)的数字化仪输入板(100)。
文档编号G06F3/00GK1487464SQ0313607
公开日2004年4月7日 申请日期2003年5月16日 优先权日2002年7月16日
发明者M·沙马, M 沙马 申请人:惠普开发有限公司