专利名称：一种非接触式人机交互方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种非接触式人机交互方法和系统，特别是一种应用于各类小型电子设备的非接触式人机交互方法和系统。
背景技术：
操作系统的人机交互功能是决定计算机系统“友善性”的一个重要因素。人机交互功能主要依靠可输入输出的外部设备和相应的软件来完成。人机交互部分的主要作用是控制有关设备的运行和理解并执行通过人机交互设备传来的有关的各种命令和要求。可供人机交互使用的设备主要有键盘显示、鼠标、各种模式的识别设备等。早期的人机交互设施是键盘显示器。操作员通过键盘打入命令，操作系统接到命令后立即执行并将结果通过显示器显示。随着计算机技术的发展，智能化的人机交互逐渐被应用，并得到较大的发展，非接触式的便是其中的代表。这种不需要直接接触的人机交互方式在某些场合表现出很大的优势，但是由于其对操作命令的处理复杂，对硬件设备要求较高，一直是智能化的人机交互应用的瓶颈。针对以上技术问题，有发明人曾提出一项名称为一种利用视觉的非接触式人机交互的系统的专利申请案(申请号2008102274320)，该系统包括机器视觉单元、信息处理分析单元、交互信息显示单元。此发明使人机交互过程更加简便、迅速、易操作。但是它存在的问题也是不容忽视的。为了提高操作命令的准确性，所述的视觉处理单元包括视线检测模块、状态分析及意图提取模块、决策模块、交互信息产生模块和记忆模块。这些功能性模块在提高系统可靠性的同时，产生了另一系列不容忽视的问题
1、系统庞大
2、结构复杂
3、成本高昂
4、功耗大
5、对硬件设备的性能要求较高，不适用于手持式电子设备
6、对工作环境的要求较高，容易受光线复杂环境的影响
7、算法复杂，实现较困难
以上缺点与小型电子的发展方向——微型化和低成本化是格格不入的。随着科学技术的发展，有发明人曾提出一项名称为非触摸式交互系统及方法的专利申请案(申请号2009101639651)，所述系统包括显示装置，位于该显示装置表面附近的多个非接触式传感器，以及用于响应传感器信号并能确定指示部件轨迹的控制电路。通过这项专利技术方案，上述问题得到了一定程度的解决。但是，由于这种传感器采用的是以点阵的方式均布在显示屏上的，由于触发灵敏度的原因，必须以非常近距离、准确的操作才能得到所需要的响应，不适用于某些环境下指示部件不能近距离定位，限制了非接触式人机交互的距离和触发方式。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供一种非接触式人机交互方法和系统，所述方法和系统通过指示部件一些简单的动作实现交互功能，不需要近距离准确操作，一定程度上实现了远距离的人机交互。本发明是通过以下技术方案来解决上述技术问题的
一种非接触式人机交互方法，包括以下步骤在设备上设置若干光源发射装置并使之发射出光波，在设备上设置若干光波接收装置接收反射光波，同时在接收装置上设置恰当触发门坎以屏蔽掉光接收装置接收到的环境反射光信号，同时记录在指示部件的作用下的反射光信号。对各位置上的光接收装置采集到的指示部件的作用下的反射光信号进行分析，根据各光接收装置采集到的指示部件作用下的反射光波的区别特征来确定指示部件的作用位置。将得到的位置信息解码并发出指令，指示执行系统做出相应的操作。本发明通过这种简单的方法实现了非接触式人机交互，在保证应用需要的情况下降低了系统复杂程度和成本，特别适用于手持式电子设备。特别地，对接收到的反射光进行比较，过滤非对应发射装置发射出的光波，提取与接收装置对应的发射装置引起的反射光波。前述的过滤方法可以是依据光波强度，因为不同的发射装置位置的位置差异，会引起光接收装置接收到不同强度的光波，根据强度的不同可以确定与所述接收装置对应的发射装置的光波。当然，根据频率进行滤波也是可行的。本方法的一种扩展设计所述区别特征为光波的相位差，并通过差频得到低频的相位参数，根据相位测距法确定指示部件的位置，并根据不同时刻的位置拟合指示部件的轨迹。本发明的另一扩展设计所述区别特征为光波的强度参数，根据发射光和反射光的强度确定指示部件的位置，并根据不同时刻的位置拟合指示部件的轨迹。一种应用了上述方法的非接触式人机交互系统，特别之处是所述系统包括作为发射光源的发射装置和对应的接收装置以及控制装置，所述接收装置包括设置触发门槛的触发器。触发器通过监测环境光线，设定能触发接收装置的光波的门限值，降低环境光线的干扰，以此达到对不同环境的适应。根据实际应用的不同所述门限值可以是光波强度范围和/或频率范围。所述控制装置包括实现发射光和反射光的参数采集的数据采集器、对参数进行运算处理的数据处理器以及实现数据解码和控制的决策器。可以做到，所述光源发射的光为不可见光。用不可见光作为人机交互的媒介可以降低光对环境特别是使用者的不利影响，并且红外线在穿越其它物质时折射率很小而且不易扩散，可以提高系统的可靠性。进一步地，所述系统包括实现差频相位测距的差频装置，所述差频装置包括通过调制器耦合到光发射装置的主振器和提供本振高频信号的本振器。所述主振信号和接收装置的反射信号经差频后均被控制装置采集。通过差频技术能降低待测光波的频率，提高相位测距的精度。优选于所述发射装置包括能发射不同频率的红外光的红外发射器，所述接收装置包括相应的红外接收器，所述红外发射器与红外接收器形成红外收发对。应当能够做到， 使各个外收发对具有不同的中心频率以减小红外发射对相互间的影响。
所述发射装置与接收装置相互间隔一定的距离布置，形成反射式红外线收发对， 在无指示部件的干扰时接收装置不能接收到反射光。红外发射器发射出的红外光被限定在一锥形区域，指示部件在该区域的运动能影响红外接收器的工作。这样可以防止指示部件在其他区域非指示性的运动影响所述红外接收器。所述系统还包括切换装置，所述切换装置包括一个实现在接触式人机交互与非接触式人机交互之间切换的外置按钮。相对于现有技术，本发明能产生如下有益效果
操作命令通过光波的变化来表达，通过一些简单的手势干扰反射光波进行人机交互， 增加了指示部件的操作距离；触发门槛的设定和数据采集前的滤波大大降低了环境对可靠性的影响。通过用一组简单的装置完成非接触人机交互，相对于基于视频的人机交互较大地降低了系统的复杂度和成本；红外线的传播距离较远、不易散射，相对于现有技术的电容传感器，提高了人机交互的距离，使交互更加方便，特别适用于手持式电子设备。
图1本发明所述方法的流程图
图2为本发明应用于掌上电脑的示意图； 图3为图2的另一方向的示意图； 图4为本发明一优选实施方式的结构示意图； 图5为本发明的指示部件轨迹求解的示意图； 图6为本发明另一优选实施方式的结构示意图； 图7为本发明再一优选实施方式的结构示意图。
具体实施例方式如图1所示本发明所述方法的流程图，在设备上设置若干光源发射装置并使之发射出光波，在设备上设置若干光波接收装置接收反射光波，同时在接收装置上设置恰当触发门坎以屏蔽掉光接收装置接收到的环境反射光信号，同时记录在指示部件的作用下的反射光信号。需要提到的是，触发门坎应当根据环境光波来设定。对各位置上的光接收装置采集到的指示部件的作用下的反射光信号进行分析，根据各光接收装置采集到的指示部件作用下的反射光信号的区别特征来确定指示部件的作用位置。将得到的位置信息解码并发出指令，指示执行系统做出相应的操作。值得一提的是，为了尽量提高准确性，在采集到反射光波后，优选的进行下述步骤对接收到的反射光进行比较，过滤非对应发射装置发射出的光波，提取与接收装置对应的发射装置引起的反射光波。此处的滤波与前述的触发门坎可以起到类似的作用，均是为了进一步提高人机交互的功能和系统响应的准确性。结合2、3所示的应用了本发明的个人数字助理(PDA)，所述PDA包括用于接触式人机交互的键盘6，所述系统还包括非接触式人机交互系统。所述系统包括发射装置1，所述发射装置1包括三个纵向布置在PDA显示屏右侧的红外发射器11，所述红外发射器11能发射特定频率的红外线，所述PDA显示屏左侧布置三个用于接收对应频率的红外接收器 21。特别的，所述系统还包括带有外置按钮8的切换装置，能实现接触式人机交互与非接触式人机交互的自由切换，提高了系统的适应不同环境的能力。特别是，红外线发射管11将红外光限制在一锥形区域9内，指示部件4在该区域的运动能影响红外接收管21的工作。 在此实施例中，将红外光限制在一较小区域内，指示部件只有在此区域内才能对红外光产生影响，减小了红外光受非指令操作干扰的可能。根据图4，本发明包括发射装置1、接收装置2、控制装置3以及差频装置5。所述发射装置1包括红外发射器11，所述接收装置2对应的包括红外接收器21。所述控制装置包括数据采集器31、数据处理器32、决策器33。所述差频装置5包括分别耦合参考信号混频器M和测距信号混频器53的本振器52，所述参考信号混频器M通过调制器12耦合红外发射器11，所述测距信号混频器53通过触发器22耦合红外接收器21。主振器51分别耦合调制器12和参考信号混频器54。数据采集器31分别记录参考信号混频器和测距信号混频器的相位信号，并将这些数据传递至数据处理器32。数据处理器32将得到的数据按照数学变换求解得出指示部件4的空间坐标，并根据各个时刻的坐标得出指示部件4的轨迹， 并将这些数据传递至决策器33。决策器33将得到的指示部件4轨迹数据解码成操作命令交由执行系统执行。如图5所示数据处理器32的定位算法原理图，根据数据采集器31获得的相位差 Φ和已知的c、f，利用相位测距公式D= (c/2) (Φ/2πΓ)可以得到光的路程ASB。建立笛卡尔坐标系，由于AB为常数，可将S确定在一个旋转椭球面内。其中，相邻的红外线发射管 11之间的距离设为r。令，ASB=2a, AB=2c，可得此椭球面满足
2/ 2 , 2 / 2 , 2 / 2_ι
χ /a0 +y /c +z /c -1
同样地，令，A1SB1=2a1, A2S4=2ei2，并且 AB=Ap2=A1B1=ZhWlJ, XVa12+ (y-r)2/c2+z2/c2=l x2/a22+ (y+r)2/c2+z2/c2=l
据此可以得到S的坐标，当然，可以使红外发射管11和与其对应的接收管21紧靠在一起，此时的S应当被限制在球面内，根据球面坐标公式同样可以确定指示部件4的位置坐标。根据不同时刻指示部件4的坐标可以确定指示部件4的空间轨迹，决策器33将得到的轨迹解码成可执行的指令交由执行系统(例如显示屏7)执行。需要说明的是，根据不同的结构和外形要求，红外发射器11和红外接收器21有不同的布置形式，(如图5所示)此时可以对应不同的定位算法。特别地，在系统对精度要求不高的情况下，可以直接根据发射装置1发出红外光和收装置2接收到红外光的时间间隔确定指示部件4的空间坐标。以上对指示部件4轨迹的数学求解属于本发明的一优选实施方式，不应当解释为对本发明保护范围的限制。根据图6，本发明的非接触式人机交互系统与其他输入设备(如键盘6)与执行系统之间耦合一切换装置，所述切换装置能实现在接触式人机交互与非接触式人机交互之间的切换。如图7所示的移动电子设备，所述设备包括非接触式人机交互系统，所述系统包括三个能发射相同频率的红外发射器11以及一个红外接收器21。通过这种简单的发射与接收能实现对指示部件4轨迹的简单判断，可以实现一些较为简单的人机交互功能，例如电子书的翻页、视频的暂停、音乐的播放等等。 结合图4和图5，红外发射器11持续发射红外光，在指示部件4的影响下，红外接受器21能接收到反射回的红外光。数据采集器31获得发射光和反射光的相位差，并将这些数据传递至数据处理器32，数据处理器32将这些数据按照预定的定位算法转换成指示部件4的空间坐标，并根据不同时刻的坐标得到指示部件1的轨迹。决策器33将得到的轨迹解码成可执行的操作指令交由执行系统(例如显示屏7)执行。
权利要求
1.一种非接触式人机交互方法，其特征在于所述方法包括以下步骤，在设备上设置若干光源发射装置并使之发射出光波，在设备上设置若干光波接收装置接收反射光波，同时在接收装置上设置恰当触发门坎以屏蔽掉光接收装置接收到的环境反射光信号，同时记录在指示部件的作用下的反射光信号，对各位置上的光接收装置采集到的指示部件的作用下的反射光信号进行分析，根据各光接收装置采集到的指示部件作用下的反射光信号的区别特征来确定指示部件的作用位置。将得到的位置信息解码并发出指令，指示执行系统做出相应的操作。
2.根据权利要求1所述的非接触式人机交互方法，其特征在于在对反射光数据进行采集前进行下述步骤，对接收到的反射光进行比较，过滤非对应发射装置发射出的光波，提取与接收装置对应的发射装置引起的反射光波。
3.根据权利要求1所述的非接触式人机交互方法，其特征在于所述区别特征为光波的相位差，并通过差频得到低频的相位参数，根据相位测距法确定指示部件的位置，并根据不同时刻的位置拟合指示部件的轨迹。
4.根据权利要求1所述的非接触式人机交互方法，其特征在于所述区别特征为光波的强度参数，根据发射光和反射光的强度确定指示部件的位置，并根据不同时刻的位置拟合指示部件的轨迹。
5.一种应用了权利要求1所述方法的非接触式人机交互系统，其特征在于所述系统包括作为发射光源的发射装置和对应的接收装置以及控制装置；所述接收装置包括设定触发门槛的触发器(22)，所述控制装置包括实现发射光和反射光区别特征的采集的数据采集器(31)、对区别特征进行运算处理的数据处理器(32)以及实现数据解码和控制的决策器 (33)。
6.根据权利要求5所述的非接触式人机交互系统，其特征在于所述系统包括实现差频测相的差频装置(5)，所述差频装置包括通过调制器耦合到光发射装置的主振器和提供本振高频信号的本振器。所述主振信号和接收装置的反射信号经差频后均被控制装置采集。
7.根据权利要求5所述的非接触式人机交互系统，其特征在于所述发射装置包括若干个能发射不同频率的红外光的红外发射器(11)，所述接收装置相应的包括红外接收器 (21)。
8.根据权利要求7所述的非接触式人机交互系统，其特征在于所述发射装置与接收装置相互间隔一定的距离布置，形成反射式红外线收发对。
9.根据权利要求8所述的非接触式人机交互系统，其特征在于红外发射器发射出的红外光被限定在一锥形区域(9)，指示部件在该区域的运动能影响红外接收器的工作。
10.根据权利要求5所述的非接触式人机交互系统，其特征在于所述系统还包括切换装置，所述切换装置包括一个实现在接触式人机交互与非接触式人机交互之间切换的外置按钮(8)。
全文摘要
本发明公开了一种非接触式人机交互方法和系统，所述方法包括光的发射和接收、信号的提取和处理、操作指令的解码和发出；所述系统包括发射装置、接收装置、控制装置。通过指示部件一些简单的动作实现交互功能，不需要近距离准确操作，一定程度上实现了远距离的人机交互。特别适用于手持电子设备。
文档编号G06F3/048GK102455849SQ20101052239
公开日2012年5月16日 申请日期2010年10月28日 优先权日2010年10月28日
发明者陈仲凯, 黄荣健 申请人:星河会海科技(深圳)有限公司