一种还原真实书写的电子笔的制作方法

本发明涉及一种还原真实书写的电子笔，属于计算机应用和模式识别领域。

背景技术：

空中手写是近年发展出的一种人机交互技术，通过传感器捕捉用户操控空中手写终端的动作来实现书写及计算机光标移动。

空中手写识别的实现方式主要有两种：一种是用摄像头捕捉空中手写的手势，通过基于计算机视觉的定位技术和特定算法将手势的特殊含义分析出来。空中手写识别的另外一种实现方式是通过惯性传感器采集空中手写的运动数据，通过分析运动数据，提取相关特征向量并通过模式识别方法识别分类。惯性传感器即指加速度传感器、陀螺仪和磁力传感器。

空中手写对于字符的识别及计算机光标的位移控制已经具有成熟的算法，且已经有大量产品实现了空中手写功能。

空中手写一般是通过相对位置来识别字符或者控制计算机光标移动方向，但不能够实现等同于笔直接在显示屏上书写的效果。因此，空中手写目前无法替代触摸屏。

在设计及教学等工作中，对于精确度要求较高，人们一直想要在显示屏上实现如同笔在纸上书写的体验，即还原真实书写。目前，仅有触控屏技术能够达到这种要求。而在目前的触控屏技术下，想要书写的平面有多大，触控屏组件就需要多大，其成本高昂，且不可能随身携带。因此，如果有一种无需大尺寸组件也能实现还原真实书写的技术存在，则成本和体积可以大幅度降低，甚至完全替代掉目前的触控屏技术。这种情况也能够证明，本申请所述的技术目前并不存在。

目前技术无法实现还原真实书写的技术缺陷有两点，第一，如何模仿书写落笔。所述落笔，即笔尖接触纸张时的状态。目前识别方式大多需要按下按键来表示书写的落笔，想要写出标准的字符需要多次按下与松开按键，而实际用笔书写是一个连贯的过程，目前的手写技术会减慢书写速度，并且让使用者十分别扭，没有专门练习的话，写出的字会明显变形。第二，如何适应不同尺寸的屏幕。目前空中手写的识别方式无法实现还原真实书写的最重要一个原因在于手写笔迹与光标位移之间缩放比例的控制，只有缩放比例正确时才能还原真实书写的尺寸，即在实际用电子笔书写的长度与显示屏幕上显示长度的一致。缩放比例的调整是非常容易操作的，将采集到的笔迹在显示屏上进行放大与缩小显示即可，困难的是这个放大与缩小的比例值是如何确定。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供了一种还原真实书写的电子笔，该还原真实书写的电子笔能够任意在各种显示屏幕上实现还原真实书写效果。

本发明通过以下技术方案得以实现。

本发明提供的一种还原真实书写的电子笔，包括中央处理器；所述中央处理器连接控制初始设置按钮、上翻页按钮、下翻页按钮、激光灯开光、激光灯头、状态指示灯，激光灯头、激光灯开光、上翻页按钮、下翻页按钮、状态指示灯、初始设置按钮均安装在一笔状壳体上；中央处理器还连接控制有惯性传感器；中央处理器至少有两种工作模式：

①初始化模式：通过从惯性传感器中读取姿态数据和加速度数据，基于初始设置按钮的电平信号对姿态数据和加速度数据进行计算，得到显示平面的位置及尺寸；

②书写模式：根据惯性传感器的姿态数据和加速度数据计算投影于显示平面的位移数据和相对于显示平面的距离数据，当距离数据小于预设的笔位置跟随区间距离值时，计算电子笔此时对显示平面投影的坐标，使鼠标光标移动至此处并通过位移数据控制显示屏上的光标跟随电子笔移动，在预设的落笔识别区间距离值范围内时置位鼠标左键按下的描述符。

所述激光灯头、激光灯开光、上翻页按钮、下翻页按钮、状态指示灯、初始设置按钮在一笔状壳体上由前至后依次安装，其中激光灯头位于前端位置、激光灯开光、上翻页按钮、下翻页按钮、状态指示灯位于侧壁上、初始设置按钮位于后端位置。

在所述初始化模式和书写模式中，中央处理器控制状态指示灯变色、闪烁或常亮以提供用户交互。

所述书写模式中，控制光标移动及发出鼠标左键按下的描述符均通过usb鼠标通信协议实现。

所述初始化模式，通过如下方式完成：

(1.1)确定原点位置及初始姿态：先手动将电子笔笔尖放置于显示屏左下角并使笔身垂直于显示屏，再按下初始设置按钮，设定笔尖位置为原点位置，此时中央处理模块开始从惯性传感器中读取加速度数据来计算电子笔的位移，以获取电子笔在空间中相对于原点的实时位置坐标，同时，中央处理模块从惯性传感器中读取姿态数据，以该数据为初始姿态数据，设定过原点垂直于笔状壳体的平面为显示屏所在平面；

(1.2)确定屏幕顶角：依次将电子笔笔尖对准显示屏幕的另外至少两个顶角点位，并按下初始设置按钮，此时中央处理模块对姿态数据进行计算，得到电子笔笔尖的指向，结合电子笔在空间中相对于原点的此时位置坐标和显示平面位置，计算得到对应顶角相对于原点的位置坐标，原点自身即为一个顶角，三个顶角确定的一个方形即为显示平面；

(1.3)缩放比例计算：获取电脑屏幕的显示分辨率，根据显示分辨率和显示屏尺寸，确定显示屏幕上光标位移相对于投影于显示平面的位移数据的缩放比例。

所述初始化模式通过按下初始设置按钮超过一秒进入。

在书写模式中，当距离数据在预设的笔位置跟随区间距离范围内时，通过投影于显示平面的位移数据控制显示屏幕上的光标位移，同时鼠标左键按下的描述符保持复位状态。

所述计算得到屏幕尺寸有两种情况：

(a)对应顶角点位相对于原点数据的位置与初始平面的距离大于等于预设值，则以对应顶角点位的方向投影在初始平面的点位作为顶角点位；

(b)对应顶角点位相对于原点数据的位置与初始平面的距离小于预设值，则以对应顶角点位相对于原点数据的位置作为顶角点位。

所述激光灯头上套有笔尖套，笔尖套为耐磨塑料材质，中间有透明部分，用于激光光线的透过。

本发明的有益效果在于：既能提供真实书写体验、还原真实笔迹，基本等同于在纸上书写的字迹，不影响人用笔的书写习惯，也能提供常规激光笔的激光指向功能，一定程度上能够代替触摸屏组件，其设置简单，用户体验好，市场前景佳。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明初始化模式的示意图；

图3是本发明书写模式的操作示意图；

图4是本发明的模块连接示意图。

图中：1-显示屏幕，2-落笔识别区间，3-笔位置跟随区间，4-原点位置，5-屏幕右下角，6-屏幕右上角，7-屏幕左上角，8-电子笔，9-激光光线，10-初始设置按钮，11-上翻页按钮，12-下翻页按钮，13-激光灯开光，14-激光灯头，15-状态指示灯。

具体实施方式

下面进一步描述本发明的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。

如图1、图4所示的一种还原真实书写的电子笔，包括中央处理器；所述中央处理器连接控制初始设置按钮10、上翻页按钮11、下翻页按钮12、激光灯开光13、激光灯头14、状态指示灯15，激光灯头14、激光灯开光13、上翻页按钮11、下翻页按钮12、状态指示灯15、初始设置按钮10均安装在一笔状壳体上；中央处理器还连接控制有惯性传感器；中央处理器至少有两种工作模式：

①初始化模式：通过从惯性传感器中读取姿态数据和加速度数据，基于初始设置按钮10的电平信号对姿态数据和加速度数据进行计算，得到显示平面的位置及尺寸；

②书写模式：根据惯性传感器的姿态数据和加速度数据计算投影于显示平面的位移数据和相对于显示平面的距离数据，当距离数据小于预设的笔位置跟随区间3距离值时，计算电子笔此时对显示平面投影的坐标，使鼠标光标移动至此处并通过位移数据控制显示屏上的光标跟随电子笔移动，在预设的落笔识别区间2距离值范围内时置位鼠标左键按下的描述符。

所述激光灯头14、激光灯开光13、上翻页按钮11、下翻页按钮12、状态指示灯15、初始设置按钮10在一笔状壳体上由前至后依次安装，其中激光灯头14位于前端位置、激光灯开光13、上翻页按钮11、下翻页按钮12、状态指示灯15位于侧壁上、初始设置按钮10位于后端位置。

在所述初始化模式和书写模式中，中央处理器控制状态指示灯15变色、闪烁或常亮以提供用户交互。

所述书写模式中，控制光标移动及发出鼠标左键按下的描述符均通过usb鼠标通信协议实现。

所述初始化模式，通过如下方式完成：

(1.1)确定原点位置4及初始姿态：先手动将电子笔笔尖放置于显示屏左下角并使笔身垂直于显示屏，再按下初始设置按钮10，设定笔尖位置(显示屏左下角)为原点位置，此时中央处理模块开始从惯性传感器中读取加速度数据来计算电子笔的位移，以获取电子笔在空间中相对于原点的实时位置坐标，同时，中央处理模块从惯性传感器中读取姿态数据，以该数据为初始姿态数据，设定过原点垂直于笔状壳体的平面为显示屏所在平面；

进一步地，显示平面是显示的平面，同时也是操作和书写的平面，是个空间内的方形范围；

优选的，“位移”这个过程对于惯性传感器来说并不是一个随时可以测得的离散量，必须是连续的；其次，位移是通过连续获取加速度传感器的数据来计算出的，因为装有加速度传感器的物体只要有移动，加速度传感器就能够感知自身的移动方向和强度，再通过积分的方法来计算，就能够计算出自身移动的方向和距离，因此，在设定原点之后，中央处理模块就必须对加速度传感器进行不停止的运算，不然就会有移动的数据没采集到，而造成数据错误；

(1.2)确定屏幕顶角：依次将电子笔笔尖对准显示屏幕的另外至少两个顶角点位(当不方便笔尖直接触碰顶角来对准时，打开激光灯，用激光灯投影在显示屏上的激光点来对准顶角点位)，并按下初始设置按钮10，此时中央处理模块对姿态数据进行计算，得到电子笔笔尖的指向，结合电子笔在空间中相对于原点的此时位置坐标和显示平面位置，计算得到对应顶角相对于原点的位置坐标，原点自身即为一个顶角，三个顶角确定的一个方形即为显示平面；

(1.3)缩放比例计算：获取电脑屏幕的显示分辨率，根据显示分辨率和显示屏尺寸，确定显示屏幕上光标位移相对于投影于显示平面的位移数据的缩放比例。

所述初始化模式通过按下初始设置按钮10超过一秒进入。

在书写模式中，当距离数据在预设的笔位置跟随区间3距离范围内时，通过投影于显示平面的位移数据控制显示屏幕上的光标位移，同时鼠标左键按下的描述符保持复位状态。

所述计算得到屏幕尺寸有两种情况：

(a)对应顶角点位相对于原点数据的位置与初始平面的距离大于等于预设值，则以对应顶角点位的方向投影在初始平面的点位作为顶角点位；

(b)对应顶角点位相对于原点数据的位置与初始平面的距离小于预设值，则以对应顶角点位相对于原点数据的位置作为顶角点位。

所述激光灯头14上套有笔尖套，笔尖套为耐磨塑料材质，中间有透明部分，用于激光光线的透过。

由此，如图1所示，上翻页按钮11和下翻页按钮12是用来实现ppt上翻页和下翻页用的按键。按下、激光灯开光13时，激光灯头14会点亮，发射出激光射线，当激光射线照到物体上时，会出现一个激光点，起到指示效果。激光灯头14上套的电子笔笔尖是一个均匀且耐磨的部分，一般为塑料，中间为透明的透光部分，作为激光射线的发射口，同时可以在平面上类似普通笔一样的方式进行书写动作。在使用该发明前，用初始设置按钮10用来进行初始设置。

如图2所示，本发明提供的一种还原真实书写的电子笔8(以下简称电子笔)对应为图1中的整体，状态指示灯15有红绿两种颜色用于指示设置状态。将激光灯头14放到显示屏幕1的原点位置4屏幕左下角处，长按初始设置按钮10，使状态指示灯15变成红色闪烁状态时表示空间原点和初始姿态设置成功。设置成功后中央处理器不断获取电子笔相对于空间原点的实时位置及电子笔的实时指向。

按下激光灯开光13使激光灯头14发射出激光射线，将激光点对准屏幕右下角5，然后按下初始设置按钮10，状态指示灯15短暂变成绿色常亮状态表示操作成功，然后恢复红色闪烁状态。依次对屏幕右上角6和屏幕左上角7进行相同操作。

上述每一个操作完成时，中央处理器都会记录此时电子笔8的位置信息和姿态信息，并储存至内部存储器，通过运算来获取显示屏幕1的实际空间位置坐标。

如图3所示，当电子笔8在与显示屏幕1之间距离大于笔位置跟随区间3时，对电脑设备不作任何操作。当距离小于笔位置跟随区间3时，中央处理器根据电子笔8的实时位置信息算出该位置在显示屏幕1空间位置上的投影坐标，使电脑上的光标移到当前位置，同时使光标跟随电子笔8在显示屏幕空间位置上的投影位置进行移动。当距离小于落笔识别区间2时对电脑触发按下鼠标左键的操作。

在一般使用中，在电子笔上设置一个初始设置按钮，电子笔首次在一个新的显示设备上开始使用前，初始设置按钮用来使电子笔的中央处理器获取显示屏幕位置及大小的相关参数。将电子笔笔尖放在显示屏幕的左下角处，并使电子笔笔身垂直于显示屏幕，此时长按设原点按钮，中央处理器将此时的位置及姿态数据进行存储，该数据作为电子笔在该显示设备上使用时的空间原点位置及电子笔垂直指向显示屏幕时的初始姿态数据。因为惯性传感器能够获取移动距离、移动方向、旋转角度和旋转方向，所以在已知空间原点与初始姿态之后，可以得到电子笔相对于原点的实时位置及电子笔的实时指向，此时的电子笔的实时指向即显示屏幕所在平面的垂线。初始姿态的设置意义在于确认垂直指向显示屏幕的方向，已知平面上一点位置确认和垂直于平面方向确认时，可以确认所在平面位置。设置的空间原点是显示屏幕上一点，所以显示屏幕所在平面位置确认，同时空间原点是显示屏幕的左下角位置，是显示屏幕上最方便人手直接触及的位置。

空间原点设置和初始姿态设置之后，中央处理器需要不断获取当前的电子笔相对于原点的实时位置及电子笔的实时指向，用于后续分析。

因为投影仪之类的显示屏幕很大，靠近房顶的位置靠人手触及十分困难，因此采用激光—平面定位法来获取屏幕上较难触及的顶角位置。所述激光—平面定位法就是，在电子笔上设置一个激光灯，用激光灯发射出的激光点瞄准想要确定的位置，因为原点位置确定，垂直于显示屏幕的方向也已确定，所以显示屏幕的平面位置已经确定。已知电子笔相于空间原点的实时位置和电子笔此时的实时指向，激光点即为电子笔发射出的激光射线与显示屏幕的平面的交点，因此可以计算出激光点的位置信息。以横向坐标为例，已知原点位置坐标为(0，0，0)，实时激光笔坐标位置为(x，y，z)，z为垂直于显示屏幕方向，x为横向坐标轴，y为纵向坐标轴，电子笔沿xoy平面转动角度为θ，则此时激光点的横向坐标为z·tanθ，纵向坐标同理。

在用激光点对准显示屏幕右下角后，按下初始设置按钮，中央处理器记录此时电子笔的实时位置和电子笔此时的实时指向，计算出激光点的位置信息。继续对右上角、左上角重复此操作，即可获取显示屏幕四个顶角的位置信息，从而确认显示屏幕的确切空间位置，通过三个顶角确定显示屏幕的确切空间位置，能简化流程来缩短设置时间，此处也可以通过确定四个顶角确定显示屏幕的确切空间位置，即再获取左下角的位置信息，达到通过平均值的方法来提高设置精度的效果。普通的空中手写笔每次操作时都是以自身当前位置为空间原点来实现对电脑光标的移动，实现还原真实书写要求每个书写点的位置都是确定的，显示屏幕相当于纸面，确认显示屏幕的确切空间位置后才能保证笔迹在显示屏幕上显示的位置一致。

中央处理器根据显示屏幕的大小与输出的分辨率来调整采集到的手写笔迹在显示屏幕上显示的缩放比例，即屏幕上多少个像素点代表实际多少长度。假设显示屏幕横向像素点数目为n，显示屏幕的实际横向长度为m，则当电子笔横向位移长度为a时，光标应当与电子笔同向位移a*n/m个像素，此时的横向的缩放比例应为m/n，竖向缩放比例同理，从而实现手写笔迹在显示屏幕上显示的大小一致。

设置落笔识别区间和笔位置跟随区间：所述落笔识别区间，即设置手写笔笔尖与显示屏幕的平面位置间隔一个距离之内时，触发鼠标左键点击信号，其作用是模仿真实笔的笔尖接触纸面的效果。所述笔位置跟随区间，即设置手写笔笔尖与显示屏幕的平面位置间隔一个距离之内时，中央处理器根据手写笔实时位置信息算出该位置在显示屏幕空间位置上的投影坐标，使电脑上的光标移到当前位置，同时使电脑上的光标随着手写笔在显示屏幕前方的移动而移动，其作用是模仿手持笔移动，因为在实际正常书写时不会写一个字时多次放下手中的笔，而应该是笔一直随手部移动而移动。其中，落笔识别区间必然小于笔位置跟随区间，因为在落笔书写前，笔绝不会到纸面之下。落笔识别区间要远小于笔位置跟随区间，因为落笔识别区间模仿的是实际笔的笔尖接触纸的时候，该区间太大会使中央处理器判断电子笔一直处于落笔状态，导致连笔现象的出现。在设置落笔识别区间和笔位置跟随区间之后，手写笔就能够实现还原真实笔迹，即基本等同于在纸上书写的字迹，同时不影响人用笔的书写习惯。