用于连续检测工具的尖端与具有可变厚度的书写介质之间的接触或非接触状态的方法、及相关系统与流程
本发明涉及一种用于连续检测工具的尖端与可变厚度的书写介质之间的接触或非接触状态的方法、及相关系统。
背景技术：
用于连续检测工具的尖端与可变厚度的书写介质之间的接触和非接触状态的方法和系统是已知的。
使用承载接触检测设备(例如压力传感器)的书写工具是众所周知的，但是这种书写工具需要被提供采用电力供应源的电子设备。
使用触敏书写表面(例如触摸界面)也是众所周知的，但是这种方法不允许使用具有可变厚度的无源介质，例如笔记本。
使用固定接触阈值也是众所周知的，例如在文档fr2988874中所描述的，其不允许克服在估计书写工具的尖端的位置时的错误，需要亚毫米度量的估计误差，并且如果书写介质在与工具接触时变形，其是无效的。
本发明的目标是减轻这些问题。
技术实现要素：
根据本发明的一个方面，提出了一种用于连续检测工具的尖端与位于追踪设备的承载表面上的可变厚度的书写介质的书写表面之间的接触或非接触状态的方法；所述方法包括以下步骤：
-在当前时刻确定工具的尖端相对于承载表面的位置；
-在当前时刻基于所述尖端的位置确定承载表面与尖端之间的距离；
-当所述距离短于承载表面与书写表面之间的最小距离的当前值时，利用当前时刻承载表面与尖端之间的距离更新最小距离的当前值；
-在当前时刻确定尖端的移动参数，该移动参数代表在当前时刻与先前时刻之间的与书写表面相切的移动和正交于书写表面的移动的比率；
-在当前时刻确定幅度参数，该幅度参数代表当前时刻与先前时刻之间的尖端的移动的幅度；
-当满足以下条件时，确定在当前时刻尖端与书写表面之间为接触状态：
-距离小于或等于最小当前距离和容差的和，所述容差代表关于书写表面与承载表面之间的距离的不确定性；
-移动参数代表实质上与书写表面相切的移动，即，其值小于或等于切向移动阈值；以及
-幅度参数的范数大于或等于最小幅度阈值；
-否则，确定在当前时刻尖端与书写表面之间为非接触状态。
因此，即使书写介质在与工具接触时变形，对书写工具的尖端的位置进行准确估计也是可能的。因此，本发明在单张纸的情况下与在笔记本的情况下工作得一样好。
在实施方式的一个模式中，使用移动时间窗口，其中，相应的加权平均用于所述位置、和/或所述距离、和/或所述移动参数、和/或所述幅度参数；移动窗口包括与其中考虑当前时刻的一组连续时刻相对应的一组数据样本，所述组中的在当前时刻之前的其它时刻被考虑为相对于移动窗口的过去的时刻，并且在当前时刻之后的其它时刻被考虑为相对于当前移动窗口的将来的时刻。
换句话说，在包括多个连续的时刻的当前移动窗口中，正在考虑的当前时刻并不是最后的。
因此，提高了方法的准确性，由此使得提供关于移动的性质的较大可见性并且因此降低误报的发生率成为可能。
根据实施方式的一个模式，方法另外包括如下步骤：当确定接触或非接触状态的两个连续操作确定为一个相同的状态时更新所述容差。
因此，方法更好地适应于书写表面的状态，而不会在短的失去接触期间失去反应。
在实施方式的一个模式下，当确定状态的两个连续操作确定为接触状态时，所述容差减小，并且不能够在最小容差阈值以下。
因此，减小容差允许方法对较短的失去接触做出反应。
根据实施方式的一个模式，当移动参数代表实质上与书写表面相切的移动时，即，其值小于或等于切向移动阈值(期望的是使其保持相同，这是因为定义了相同的条件)，并且当距离大于当前最小距离和容差的和时，当前最小距离增加。
因此，增大最小距离允许方法根据接触的位置来追踪介质厚度的潜在变化，这在具有不规则高度的接触表面的介质的情形下具有实际用途。
在实施方式的一个模式中，当确定状态的两个连续操作确定为非接触状态并且移动参数的值小于最大移动阈值时，所述容差增加，并且不能够在最大容差阈值以上。
根据实施方式的一个模式，工具被提供有固定磁性元件，并且所使用的追踪设备被提供有至少n个三轴磁力计的阵列，该至少n个三轴磁力计机械地连接到彼此而不具有自由度，以便保持这些磁力计的已知相对位置，n为至少等于2的整数。
因此，利用与磁体连接的无源工具(简单的触控笔、等等)使用无源书写介质(纸、笔记本、等等)是可能的。
根据本发明的另一方面，还提出了用于连续检测工具的尖端与位于追踪设备的承载表面上的可变厚度的书写介质的书写表面之间的接触或非接触状态的系统；所述系统包括计算机，计算机能够：
-在当前时刻确定工具的尖端相对于承载表面的位置；
-在当前时刻基于所述尖端的位置确定承载表面与尖端之间的距离；
-当所述距离短于承载表面与书写表面之间的最小距离的当前值时，利用当前时刻承载表面与尖端之间的距离更新最小距离的当前值；
-在当前时刻确定尖端的移动参数，该移动参数代表在当前时刻与先前时刻之间的与书写表面相切的移动和正交于书写表面的移动的比率；
-在当前时刻确定幅度参数，该幅度参数代表当前时刻与先前时刻之间的尖端的移动的幅度；
-当满足以下条件时，确定在当前时刻尖端与书写表面之间为接触状态：
-距离小于或等于最小当前距离和容差的和，所述容差代表关于书写表面与承载表面之间的距离的不确定性；
-移动参数代表实质上与书写表面相切的移动，即，其值小于或等于切向移动阈值；以及
-幅度参数的范数大于或等于最小幅度阈值；
-否则，确定在当前时刻尖端与书写表面之间为非接触状态。
附图说明
在研究通过完全非限制性示例的方式描述并通过附图例示的若干实施例后，将更好地理解本发明，在附图中：
图1-图10示意性地例示了根据本发明的一个方面的方法。
在所有附图中，具有相同标记的元件是类似的。
具体实施方式
本发明的方法和系统假设工具u(例如触控笔或笔)的尖端p相对于平面参考或承载表面sa的位置的估计值在每个时刻ti是可用的，其中在所述平面参考或承载表面sa上放置包括书写表面se的书写介质sue。书写介质sue(例如记事本或笔记本)可以变形较大或较少程度。本发明的目的在于使得可以决定在时刻ti工具的尖端是否与书写介质接触。
关联到参考表面的坐标系(o，x，y，z)被定义为使得x和y轴平行于书写表面se并且z轴垂直于该表面se。在时刻ti工具u的尖端p的位置pos在该坐标系中被描述为：
沿x轴和y轴的分量x和y被称为切向分量，并且用矢量t(ti)表示。沿z轴的分量z被称为法向分量。尖端p与承载表面sa之间的距离用h(h＝||z||)表示。
例如，工具u可以被提供有固定磁性元件em并且所使用的追踪设备dl可以被提供有至少n个三轴磁力计mi的阵列r，该至少n个三轴磁力计机械地关联到彼此而不具有自由度，以便保持这些磁力计mi的已知相对位置，n为至少等于2的整数。类似的工具u和追踪设备dl例如在文档fr2988862和fr2988874中描述。
然而，本发明还应用于基于超声追踪的数字化系统，其中，超声发射器关联到工具，并且超声接收器系统关联到书写表面。本发明还应用于使用摄像头的光学追踪系统，其能够在三维中确定工具的点的位置。
贯穿说明书的剩余部分，使用利用n个连续值的移动窗口描述了方法，但是该方法也可以应用于不具有移动窗口的情况，即，应用于一次单个数据(n＝1)的情况，这等同于考虑包括一次单个数据样本的移动窗口。
工具u的尖端p的位置的n个最后的估计值置于移动窗口中：
pos(ti-n+1)…pos(ti-1)pos(ti)(2)
决策时间tj∈ti-n+1…ti被定义为做出决策(接触或非接触)的时刻。相对于时刻tj的过去的时刻用时刻tk表示，以使得ti-n+1≤tk<tj。将来的时刻用时刻tk表示，以使得tj<tk≤ti。
在时刻ti的移动矢量被定义为：
dpos(ti)＝pos(ti)-pos(ti-1)(3)
类似于位置，针对在连续时刻的移动形成移动窗口：
dpos(ti-n+2))…dpos(ti)
移动可以由与两个x和y轴相对应的切向移动dt(ti)、以及法向移动dz(ti)组成：
在时刻ti的移动幅度用如下标量值表示：
||dpos(ti)||(5)
在时刻ti的移动参数(用pm(ti)表示)使得可以确定移动相对于书写表面更相切还是更正交于书写表面。
如果移动的幅度低，则移动参数并不提供有用的信息。这是由于尖端p的位置pos的估计值(以及因此移动)的噪声。因此必需的是将对移动参数的测试关联到对移动幅度的测试以便具有关于这些测试的确定性。
例如使用法向移动与移动的范数的比率作为指示符是可能的：
该参数的值在-1与1之间。值1对应于完全正交于书写表面se的移动(即，当尖端p从书写表面se移动开)。值0对应于完全平行于书写表面se的移动。值-1对应于当尖端p朝书写表面se移动时的完全正交于书写表面se的移动。
使用法向移动(或距离h)的绝对值与移动的范数的绝对值的比率作为移动参数是可能的：
该形式与阈值相比是简单的，因为结果包括在0与1之间。值1对应于完全正交于表面的移动。值0对应于完全平行于书写表面se(或者更精确地承载表面sa)的移动。
可能的是使用移动的法向分量dz(ti)的值或者距离的变化dh(ti)，这给出法向方向的移动的幅度。通常，当工具u的尖端p与书写表面se接触时，该分量随着时间变化很小。然而，当工具u不与书写表面se接触时，难以使其保持在低值。对于较大程度的确定性，更佳的是还需要移动的幅度dpos(ti)超过阈值dposmin，以便确定移动的实质。
包含在各个连续时刻的移动参数pm(ti)的值的移动窗口被形成为：
[pm(ti-(n-1))…pm(tj)](7)
每次接收到工具u的尖端p的位置pos(ti)的新的估计值时，估计两个其它参数：
在决策时间的接触表面的最小高度hmin(tj)；
关于在决策时间的接触表面或书写表面se的高度的容差tolh(tj)(关于接触表面的高度的不确定性)。
图1示出了描述书写表面se的各个参数。
最后，可能的是定义描述工具u的尖端p与书写表面se之间的接触状态的布尔变量contact。
说明书的剩余部分详细描述了本发明的一个非限制性实施例。
最初，接触表面的最小高度，或者换句话说，承载表面sa与书写介质sue的书写表面se之间的最小距离hmin(ti)的当前值是未知的。其被初始化为书写介质的厚度的最大可容忍值，例如3cm(在这是笔记本的最大厚度的假设下)。
容差被设置为初始值，例如1mm，并且工具u的尖端p被认为处于非接触状态。方法接下来等待，直到已经接收到工具u的尖端p的位置的n个估计值。
如图3中所例示的方法的迭代处理操作包括以下步骤：
-每次再次估计工具u的尖端p的位置时，更新在移动窗口中被考虑的参数的值(pos、h、pm、dpos、tol)；
-进行承载表面sa与尖端p之间的最小距离hmin(tj)的初始估计值；以及
-确定工具u的尖端p之间的接触或非接触状态，以及潜在地，改善承载表面sa与尖端p之间的最小距离hmin(tj)的估计值和/或容差tol(tj)的估计值。
关于在估计时间ti更新移动窗口，以下值是可用的：
pos(ti-n+1)；…pos(ti-1)；pos(ti)(8)
[dpos(ti-n+2))；…dpos(ti-1)；dpos(ti)](9)
[pm(ti-n+2))…pm(ti)](10)
hmin(tj-1)(11)
tolh(tj-1)(12)
contact(tj-1)(真或假)(13)
本发明的方法目标在于估计值hmin(tj)、tol(tj)和contact(tj)，其中，
最初，做出在时刻j接触表面的最小高度、或者承载表面sa与尖端p之间的最小距离hmin(tj)的初始估计值。可以根据所记录的点的数量以及窗口中决策时间的位置来以几种方式计算该估计值。
例如，hmin(tj)可以与在一个相同的时刻的工具u的尖端p的垂直距离(h(tj))进行比较。如果h(tj)<hmin(tj)，则hmin(tj)＝h(tj)。
该比较也可以关于移动窗口的所有点、关于平均值、或者关于窗口的中值做出。它还可以关于将来的时刻或者关于过去的时刻、或者关于移动窗口中的被认为是当前时刻的时刻做出。
使用跨移动窗口的点中的所有点或者一部分的平均值hmean(tj)允许噪声的影响被减小：
其中，
i-n+1<l<m<i
n表示移动窗口的点的数量；
i：用于计算移动窗口的点的平均值(中值或最小值)的部分的第一点的脚标；
m：移动窗口的点的部分中的最后点的脚标；
m-l+1：该部分中的点的数量。
尖端p的位置pos的估计值中的噪声水平越高，限制其影响所需要的点的数量越大。
为了不具有许多延迟(在检测接触或非接触状态时)，更佳的是减小在决策时间tj之后的移动窗口中的点的数量。
确定在时刻tj的接触或非接触状态以先前状态tj-1以及在移动窗口中保存的参数中的所有参数或一些参数为条件。
因此，定义具有两个状态(接触/非接触)的机器。从一个状态转变为另一状态使用适于允许估计工具u的尖端p的位置的追踪设备dl的测试和阈值来执行。这些阈值也可以根据书写或画图式样来优化。
这些测试被划分成两个种类：能够利用相当高精度的系统操作的强制性测试，以及使得可以补偿对尖端p的位置pos的估计值中的某些瑕疵以及书写支撑物sue(即，书写表面se)的变形的可选测试。
关于书写表面se的高度的容差tolh(tj)可以是固定的(适于其中用于估计工具的尖端的位置的追踪设备相当准确并且介质并不变形许多的情形)或可变的，在可变的情形中，其估计值将根据测试的结果而被改善。
用于从非接触状态转变为接触状态的条件包括以下强制性条件：
-在时刻tj的尖端p的垂直位置，或者换句话说承载表面sa与尖端p之间的距离h(tj)位于关于接触表面se的高度的容差tol被增加到的接触表面或书写表面se的最小高度hmin(tj)下方。
-尖端p的移动参数pm(tj)指示平行于书写表面se的移动。此外，必需的是将该情形与移动幅度参数的最小条件(阈值)||dpos(tj)||≥dposmin耦合。
必须满足这两个条件以从非接触状态转变为接触状态。
移动幅度dpos(tj)和移动参数pm(tj)可以在决策时间(tj)被单独计算或者在移动窗口的多个时刻被计算，即通过组合移动窗口中的将来的时刻和过去的时刻(例如，最大值、最小值、平均值或中值)来计算。例如，这使得可以检测垂直移动与水平移动之间的转变瞬间，如图4中示出的，其总体上对应于尖端p与书写表面se之间的接触瞬间。
在书写开始之前，移动实质上正交于书写表面se，在此之后在书写期间移动与表面相切。例如可以在将来的时刻计算该参数pm的加权平均值以及判断其是否对应于与表面相切的移动。
一个另外的可选条件可以是执行对尖端p的位置的低通滤波或者单独对位置的法向分量z的低通滤波；快速移动(例如一段时间的书写)不满足强制性条件是可能的。在这种情形下，增加可选条件，其允许该问题被管理。图5示出了这种情形。
如果工具u的尖端p执行向下移动，之后是向上移动，并且在决策时间尖端p的位置pos位于到针对该选择提供的承载表面sa的距离的最大阈值下方，则对于单次迭代进行到接触状态的转变。
为了其被检测到，可能的是使用先前的一个或多个时刻的移动参数以及随后的一个或多个时刻的移动参数，并且检测有快速的向下移动之后是快速的向上移动的时刻。
还可能的是求助于过去的时刻的组合(例如线性组合)以及将来的时刻的组合(例如线性组合)以便检测工具u的尖端p与书写表面之间的接触瞬间，例如以计算平均值、中值、等等。
至于改善关于非接触状态下接触表面se的高度的容差tol，如果不满足这些条件，则保持非接触状态。此外，可能的是改善容差以便补偿某些问题，例如尖端p的追踪设备dl的不准确性，当在进行书写时纸的弯曲以及书写支撑物sue的厚度的增加(通过书写表面se的高度的初始估计值来管理减小)。
如果移动参数pm允许检测到切向移动，以使得尖端p位于最大阈值下方，则容差递增。该技术使得可以快速到达书写支撑物sue的新厚度，并且不会由于这种改变而失去许多点。因此，结果可能是高度满意的，但是取决于追踪设备的获取频率。这在图6中例示。
还可以在移动是大体上切向时并且在容差到达新的厚度时保存过去的时刻；可以通过假设存在接触来校正这些过去的时刻的决策。这使得可以跟上支撑物的厚度的大量改变的事件，并且当支撑物的变形非常大或者当系统不足够准确时是有用的。
用于从接触状态转变为非接触状态的条件包括以下强制性条件：
-在时刻tj的尖端p的垂直位置，或者换句话说承载表面sa与尖端p之间的距离h(tj)位于关于接触表面se的高度的容差tol被增加到的书写表面se的最小高度hmin(tj)上方。
-尖端p的移动参数pm(tj)指示具有大于阈值的相对于书写表面se的斜率的移动。取决于所使用的移动参数，必需的是将该条件与移动幅度参数的最小条件(阈值)||dpos(tj)||≥dposmin耦合。
图7示出了工具u的尖端p与书写表面se之间的接触结束的简单情形。
这些强制性条件不允许关联到书写支撑物sue的弯曲的问题或者对尖端p的位置进行估计时的错误被克服。因此，可能的是组合可选的附加条件，其使得可以判断尖端p是真正从书写表面se脱离还是其实际上仅仅是书写表面se的弯曲、由于书写表面sa不完全平行于承载表面sa的平面xy而导致的厚度变化、还是关联到获取设备dl的准确性的问题。
图8中例示了这种情形。
这些可选条件基于移动参数pm(或者在过去的和/或将来的时刻的移动参数的值的组合)。具体来说，尖端p在书写或绘画期间的形貌特征以及厚度的改变的形貌特征并不相异，并且其足以应用双阈值处理：
-使用移动参数pm的对于强制性条件的更宽容的阈值处理；以及
-对于可选条件的较严格的阈值处理，其使得可以只有当已经检测到具有较大斜率的移动时，才转变为非接触状态。否则，改善以下两个参数的估计值：
-在决策时间的接触表面的最小高度hmin(tj)；
-关于在决策时间的书写表面的高度的容差tolh(tj)(关于书写表面的高度的不确定性)。
术语“阈值处理”被理解为表示将移动参数pm与阈值相比较。如果其不超过阈值，则改善参数的估计值。该阈值使得可以表明支撑物的厚度可能已经改变，并且仍存在接触。
就像对于关联到移动指示符pm的其它条件那样，优选的是将其与移动的幅度的测试耦合以便获得较佳的结果。
至于改善在接触状态下承载表面sa与书写表面se之间的最小距离hmin(tj)的估计值。
如果不满足任何可选条件，则保持接触状态。此外，改善书写表面se的最小高度hmin(tj)的估计值是可能的。这使得可以在书写时适应厚度的改变，例如如果在介质sue的书写表面se上存在小隆起物或者如果介质sue并不完全平行于平面xy。
如果工具u的尖端p的位置pos(即，距离h(tj))落在关于书写表面se的高度的容差tol(tj)被增加到的书写表面的最小高度hmin(tj)下方，则增加书写表面se的最小高度hmin(tj)的值。这是有效的直到某个阈值，以便不会支持接触的误报或错误检测。因此，根据阈值处理参数和增量的值，解决方案针对书写表面se的高度中的缺陷的较大或较小的容忍程度。
图9例示了改善关于接触状态下的书写表面的高度的容差的操作。
当不满足强制性条件时，显然，尖端p事实上与书写表面se接触。在这种情形下，可选地可能的是利用它以便减小关于书写表面se的高度的容差tol(tj)。容差tol(tj)可能未落在最小阈值以下，以便避免与由于瑕疵而导致的所绘制的线中的间隔相关的问题。
该操作使得可以迅速检测到失去接触，因为当该范围到达其最小值时，抬升尖端p导致其迅速离开容差区，并允许满足以上提出的强制性条件。
图10例示了利用容差tol(tj)的可选的更新的示例性状态机(接触或非接触)。
以上所描述的方法的步骤可以通过执行计算机程序的一个或多个可编程处理器来执行，以便通过处理输入数据并生成输出数据来执行本发明的功能。
可以用任何形式的编程语言来编写计算机程序，包括编译语言或解释语言，并且计算机程序可以以任何形式被部署，包括作为独立的程序或作为子程序、元素、或适于在计算机环境中使用的其它单元。计算机程序可以被部署以便在一个计算机上执行或者在一个站点上的或跨多个站点分布并通过通信网络彼此连接的多个计算机上执行。
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