用于手势检测的方法、光学传感器电路、特别是用于手势检测的光学传感器电路以及用于 ...的制作方法
【专利说明】用于手势检测的方法、光学传感器电路、特别是用于手势检测的光学传感器电路以及用于手势检测的光学传感器装置
[0001]本发明涉及用于手势检测的方法、光学传感器电路、特别是用于手势检测的光学传感器电路以及用于手势检测的光学传感器装置。
[0002]手势检测提供了借助于手指或笔来对移动装置如智能手机的操作进行控制的简便方式。例如，其使用户能够简单地与软件和硬件交互而不需要独立的键盘。通常使用触摸屏，并且触摸该屏的手指或笔的位置或特定移动由系统记录并被转化成某些动作，例如对虚拟书进行翻页或启动应用程序以及与应用程序交互。然而，在这样的情况下，该屏需要被触摸并且通常需要打开以进行连接。
[0003]本发明的目的是提供一种用于手势检测的方法、一种光学传感器电路以及一种具有改进的用户界面的用于手势检测的传感器装置。
[0004]此目的通过独立权利要求的主题来实现。其他实施例是从属权利要求的主题。
[0005]根据本发明的一个方面，一种用于手势检测的方法包括预处理步骤和主处理步骤。预处理包括使用发光器件来发光，以及通过使用方向光传感器阵列检测所发射的光的借助于可移动对象而反射回的一部分来生成方向传感器信号。生成随着时间变化的该方向传感器信号。
[0006]主处理包括使用方向传感器信号计算与时间相关的坐标。该坐标指示对象的相对于与光传感器阵列的主平面平行的平面的位置。最终，根据坐标的定时来检测对象的移动。
[0007]该对象的移动提供了以光学的方式识别手势的方法，因此增强了用户界面，例如可以通过在移动装置的表面的上方的简单的左右手势来进行对虚拟书本的翻页。在用户界面中可以有新的用户界面交互例如对对象的精细调节。不需要对触摸屏进行激活和触摸，这也节省了可观的电力。该过程通过使用方向光学传感器测量发射的光的光反射来操作，并且可以通过反射间的定时差来检测手势。
[0008]优选地，通过以循环的方式生成方向传感器信号来实现方向传感器信号的时间相关性以及后续的坐标的时间相关性。例如，光的发射可以是脉冲式的，该脉冲具有继之以无脉冲阶段的有脉冲阶段。在有脉冲时间期间生成对应的方向传感器信号。在稍后的时间即在稍后的周期中生成另一个方向传感器信号。以此方式，通过连续的信号生成周期来建立时间相关性。对坐标的计算保持了方向传感器信号的时间相关性并且因此得到与时间相关的坐标，即动作或手势。在这方面，术语“定时”涉及坐标的时间相关性，尤其涉及时间差。例如，坐标随时间的变化使得能够识别缓慢移动和快速移动，即缓慢手势和快速手势。
[0009]术语“方向光传感器阵列”涉及以空间分辨方式检测光的传感器阵列。该传感器生成方向传感器信号，每个方向传感器信号均可以被分配到光进入该阵列的主要方向。以下将讨论如何实现方向传感器阵列的细节。
[0010]根据本发明的另一方面，主处理还包括借助于具有时间常数的至少一个滤波器来根据所述坐标生成经滤波的坐标。然后，根据所述经滤波的坐标的定时来检测对象的移动。
[0011]所述坐标是随时间变化的，因此该滤波也是在时域。例如，可以使用均由适当的时间常数限定的低通滤波器、高通滤波器或带通滤波器或其组合。以此方式，可以滤除过慢和/或过快的移动，或者可以允许特定速率的移动通过以用于进一步处理。
[0012]根据本发明的一个方面，从坐标生成经滤波的坐标涉及若干个滤波器，每个滤波器具有不同的时间常数。若干个滤波器可以用于为移动或手势分配速率，即慢或快。快速扫动可以分配成在虚拟书本中翻页，而缓慢移动可以分配成在页内滚动，等等。
[0013]根据本发明的另一个方面，对移动的检测还取决于在预定时间帧内将坐标和/或经滤波的坐标分别与检测阈值进行比较。
[0014]定义若干个检测阈值并且将其分配给光传感器阵列的主平面内的对应移动方向，如上、下、左、右。然后，使用阈值来在预定时间帧内监视所检测的坐标以将沿该平面的移动结合成手势。例如，如果针对左上移动的检测阈值被触发长达250ms的预定时间帧，则该移动被解释成左/上手势。
[0015]根据本发明的另一个方面，主处理还包括通过使用方向传感器信号的幅度来估计另外的坐标。该幅度指示对象的相对于与光传感器阵列的主平面正交的轴线的位置。
[0016]例如，可以通过在给定时间对所有方向传感器信号求和来得出方向传感器信号的幅度。峰值则指示所述另外的坐标，并且使得能够获得关于可移动对象的位置和移动的三维信息。
[0017]根据本发明的另一个方面，预处理还包括下述步骤:根据暴露于光传感器阵列的环境光来生成环境信号。然后，根据所发射的光的借助于该对象反射到光传感器阵列的部分来生成光信号。根据光信号和环境传感器信号来调节和计算方向传感器信号。
[0018]在操作期间，光传感器阵列既被暴露于环境光也被暴露于最终从对象反射的光。为了改善检测，需要考虑环境光。例如，如果光的发射是脉冲式的，则在发射的光的有脉冲阶段期间可以检测到光信号，而在发射的光的无脉冲阶段期间可以检测到环境信号。用于调节方向传感器信号的简便方式是通过从光信号中减去环境信号以进行偏移校正来给出。
[0019]根据本发明的另一个方面，可以对每个通道加上或减去偏移或常数偏移。这是考虑了发光器件的发光与方向传感器信号之间的串扰。
[0020]根据本发明的另一个方面，预处理还包括以下步骤:确定每个方向传感器信号是否符合相应的阈值。然后，提供符合其相应阈值的方向传感器信号。
[0021]与相应阈值的比较使得能够减少噪声。以此方式，方向传感器信号需要特定的信噪比以用于手势检测。可以避免对手势检测的不期望触发。
[0022]根据本发明的另一个方面，根据所记录的方向传感器信号的限制函数来计算坐标，特别是根据所记录的方向传感器信号的比率来计算坐标。
[0023]限制函数用于将坐标限制到特定区间，例如在O与I之间。以此方式，可以减少计算负荷。
[0024]根据本发明的另一个方面，预处理和/或主处理还包括下述步骤:将缩放因子应用于方向传感器信号以及将距离函数应用于经缩放的方向传感器信号。
[0025]根据本发明的一个方面，一种光学传感器电路，特别是一种用于手势检测的光学传感器电路包括:用于连接发光器件的输入端子。控制单元连接至输入端子并且模数转换器连接至控制单元。方向光传感器阵列被布置并且与控制单元耦接。最后，信号处理单元连接至模数转换器。
[0026]在操作中，光传感器提供方向传感器信号，所述方向传感器信号指示发出的光的借助于可移动对象反射回的一部分。信号处理单元记录随时间变化的方向传感器信号，现在可以在输出端子处提供最终经过预处理的方向传感器信号。
[0027]光传感器电路提供了记录和/或检测对象的移动的方式，即提供了以光学的方式识别手势的方法并因此增强了用户界面，例如可以通过在移动装置的表面的上方的简单的左右手势来进行对虚拟书本的翻页。不需要对触摸屏进行激活和触摸，这也节省了可观的电力。该过程通过使用方向光学传感器测量发射的光的光反射来操作，并且可以通过反射间的定时差来检测手势。
[0028]信号处理单元可以被设计成用于根据上述用于手势检测的方法来执行预处理和/或主处理的过程步骤。
[0029]根据本发明的另一个方面，模数转换器也包括:线性模数转换器、对数模数转换器、或还包括用于从线性域转换到对数域的级的线性模数转换器。
[0030]根据预处理和/或主处理是否在线性域中或在对数域中进行来选择适当的模数转换器。实际上，在对数域中，即:使用对数模数转换器或者使用还包括用于从线性域转换到对数域的级的线性模数转换器，可以提高动态范围并且可以减小计算要求，例如可以将求平方根简化成被2除。
[0031]根据本发明的另一个方面，光传感器阵列包括方向光电二极管，每个光电二极管被布置在光传感器阵列内从而检测沿主要方向的光。
[0032]根据本发明的另一个方面，每个方向光电二极管分别被放置在光传感器阵列内的通道的端部的前面，所述通道具有限定主要方向的主轴线。
[0033]根据本发明的另一个方面，信号处理单元包括:用于记录随时间变化的方向传感器信号的信号记录单元，以及用于调节方向传感器信号中的偏移的偏移补偿单元。
[0034]如上所述，通过以循环的方式生成方向传感器信号来实现方向传感器信号的时间相关性。信号记录单元实现用于重复地生成方向传感器信号的周期。
[0035]例如，光的发射可以是脉冲式的，该脉冲具有继之以无脉冲阶段的有脉冲阶段。在有脉冲的时间期间生成对应的方向传感器信号。在稍后的时间即在稍后的周期中生成另一个方向传感器信号。以此方式，通过连续的信号生成周期来建立时间相关性。在下文中的术语“单元”用于表示硬件部件例如控制逻辑或ASIC，或者表示可以在如微控制器或微处理器的装置中作为软件运行的处理。
[0036]在操作期间，光传感器阵列既被暴露于环境光也被暴露于最终从对象反射的光。为了改善检测，需要考虑环境光，这在偏移补偿单元中完成。例如，如果光的发射是脉冲式的，则在发射的光的有脉冲阶段期间可以检测到光信号，而在发射的光的无脉冲阶段期间可以检测到环境信号。用于调节方向传感器信号的简便方式是通过从光信号中减去环境信号以进行偏移校正来给出。
[0037]根据本发明的另一个方面，一种用于手势检测的光学传感器装置包括前文所描述的光学传感器电路，并且还包括与光学传感器电路的输出端子连接的计算单元。计算单元包括坐标单元，所述坐标单元用于根据所记录的方向传感器信号来计算对象的在与光学传感器电路的主平面平行的平面中的坐标。设置滤波器单元以根据滤波器坐标的定时来检测对象的移动。
[0038]对坐标的计算保持了方向传感器信号的时间相关性并且因此得到与时间相关的坐标，即动作或手势。在这方面，术语“定时”与坐标的时间相关性有关，特别是与时间差有关。例如，坐标随时间的变化使得能够识别缓慢移动和快速移动，即缓慢手势和快速手势。
[0039]所述坐标是随时间变化，因此滤波器单元包括具有特定时间常数的至少一个滤波器。例如，可以使用均由适当的时