专利名称：信息输入装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种信息输入装置及信息输入方法。
背景技术：
目前便携设备的应用已经非常普遍，然而在这些便携设备上设置的键盘都非常小，导致操作者的操作不便。现阶段很多研究人员都致力于研究各种信息输入技术来解决便携设备的输入问题，例如语音识别以及虚拟键盘(VKB，VirtUal Key Board)等等。然而， 由于语音识别的结果受周围环境噪音的影响非常大，因此，在噪声较大的环境下，通过语音识别技术实现便携设备的输入的效果并不理想。另外，在应用VKB技术实现信息输入时，需要先通过红外线在一个平面上投射出键盘的图像，然后再通过检测红外反射线获得操作者的手指在红外激光键盘图像上的位置以及按键动作，但是，现有的VKB技术无法实现按键力量的检测以及对按键时间的检测，因此，无法应用于例如虚拟乐器的表演等需要识别按键力度以及按键时间间隔的应用中。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的实施例提供了一种信息输入装置及方法，可以精确定位手指在键盘上的位置，识别出按键动作，并且可以确定按键力度和按键时间等参数。本发明实施例所述的信息输入装置包括五个指部传感模块，其中，每个指部传感模块包括三个相互垂直放置的加速度传感器以及三个相互垂直放置的磁场传感器；其中，所述三个相互垂直放置的加速度传感器确定的手指坐标系和所述三个相互垂直放置的磁场传感器确定的手指坐标系重合；所述三个加速度传感器用于测量手指坐标系三个坐标轴方向上的加速度分量；三个磁场传感器用于测量手指坐标系三个坐标轴方向上的磁场分量；以及，连接于所述五个指部传感模块的处理器，用于根据每个指部传感模块输出的每个手指坐标系三个坐标轴方向上的加速度分量以及每个手指坐标系三个坐标轴方向上的磁场分量分别定位每个手指并识别手指的动作。其中，处理器包括运动加速度确定单元，用于根据每个手指坐标系三个坐标轴方向上的加速度分量以及磁场分量确定每个手指的运动在手指运动平面坐标系三个坐标轴方向上的运动加速度分量；定位单元，用于根据每个手指的运动在手指运动平面坐标系中χ和y两个坐标轴方向上的运动加速度分量计算每个手指在手指运动平面上的运动轨迹，完成手指的定位； 以及，按键动作识别单元，用于根据每个手指的运动在手指运动平面坐标系中ζ坐标轴方向上的运动加速度分量判断每个手指是否有按键动作，如果有，则进一步计算按键力度以及按键时间。
运动加速度确定单元包括初始状态检测模块，用于在操作者的手处于正常姿态时，根据每个手指坐标系三个坐标轴方向上的重力加速度分量以及该手指坐标系三个坐标轴方向上的磁场分量确定运动初始状态下该手指相对于由地理磁场所确定的地理坐标系的运动角度的初始值；运动角度检测模块，用于在运动过程中根据每个手指坐标系三个坐标轴方向上的磁场分量的变化量确定该手指的运动角度的动态变化量；重力加速度去除模块，用于根据每个手指的运动角度的动态变化量得到该手指坐标系三个坐标轴上的重力加速度分量，并从该手指坐标系三个坐标轴方向上的加速度分量中去除相应坐标轴上的重力加速度分量，得到该手指坐标系三个坐标轴方向上的运动加速度分量；以及，运动加速度投影模块，用于根据每个手指的运动角度的初始值以及运动角度的动态变化量得到手指运动平面坐标系三个坐标轴方向上的运动加速度分量。上述信息输入装置还可以进一步包括一个连接到处理器的腕部传感模块，包括三个相互垂直放置的加速度传感器以及三个相互垂直放置的磁场传感器，其中，所述三个相互垂直放置的加速度传感器确定的腕部坐标系和所述三个相互垂直放置的磁场传感器确定的腕部坐标系重合；所述三个加速度传感器用于测量腕部坐标系三个坐标轴方向上的加速度分量；所述三个磁场传感器用于测量腕部坐标系三个坐标轴方向上的磁场分量；此时，所述处理器用于根据每个指部传感模块输出的每个手指坐标系三个坐标轴方向上的加速度分量以及每个手指坐标系三个坐标轴方向上的磁场分量以及腕部传感模块输出的腕部坐标系三个坐标轴上的加速度分量和磁场分量分别定位每个手指并识别手指的按键动作。此时，处理器包括运动加速度确定单元，用于根据每个手指坐标系三个坐标轴方向上的加速度分量以及磁场分量确定每个手指的运动在手指运动平面坐标系三个坐标轴方向上的运动加速度分量；腕部运动加速度确定单元，用于根据腕部传感模块上报的腕部坐标系三个坐标轴方向上的加速度分量以及磁场分量确定腕部的运动在手指运动平面坐标系三个坐标轴方向上的运动加速度分量；运动加速度修正单元，用于利用腕部的运动在手指运动平面坐标系三个坐标轴方向上的运动加速度分量修正手指的运动在手指运动平面坐标系三个坐标轴方向上的运动加速度；定位单元，用于根据修正后的每个手指的运动在手指运动平面坐标系X和y两个坐标轴方向上的运动加速度分量计算每个手指在手指运动平面上的运动轨迹，完成手指的定位；以及，按键动作识别单元，用于根据修正后的每个手指的运动在手指运动平面坐标系中 ζ坐标轴方向上的运动加速度分量判断每个手指是否有按键动作，如果有，则进一步计算按键力度以及按键时间。本发明实施例所述的信息输入方法包括通过指部传感模块中的三个相互垂直放置的加速度传感器获取手指坐标系三个坐标轴方向上的加速度分量；通过指部传感模块中的三个相互垂直放置的磁场传感器获取手指坐标系三个坐标轴方向上的磁场分量；以及根据手指坐标系三个坐标轴方向上的加速度分量以及磁场分量定位该手指并识别手指的按键动作。根据手指坐标系三个坐标轴方向上的加速度分量以及磁场分量定位手指并识别手指的按键动作包括根据手指坐标系三个坐标轴方向上的加速度分量以及磁场分量确定手指的运动在手指运动平面坐标系三个坐标轴方向上的运动加速度分量；以及根据手指的运动在手指运动平面坐标系中χ和y两个坐标轴方向上的运动加速度分量计算手指在手指运动平面上的运动轨迹，完成手指的定位，并根据手指的运动在手指运动平面坐标系中ζ 坐标轴方向上的运动加速度分量判断是否有按键动作，如果有，则进一步计算按键力度以及按键时间。确定手指的运动在手指运动平面坐标系三个坐标轴方向上的运动加速度分量包括在操作者的手处于正常姿态时，根据手指坐标系三个坐标轴方向上的重力加速度分量和磁场分量确定运动初始状态下该手指相对于由地理磁场所确定的地理坐标系的运动角度的初始值；在手指的运动过程中根据手指坐标系三个坐标轴方向上的磁场分量的变化量确定运动角度的动态变化量；根据运动角度的动态变化量得到手指坐标系三个坐标轴上的重力加速度分量，并从手指坐标系三个坐标轴方向上的加速度分量中去除相应坐标轴上的重力加速度分量，得到手指坐标系三个坐标轴方向上的运动加速度分量；以及根据运动角度的初始值以及运动角度的动态变化量得到手指运动平面坐标系三个坐标轴方向上的运动加速度分量。在根据手指的运动在手指运动平面坐标系三个坐标轴方向上的运动加速度分量计算手指在手指运动平面上的运动轨迹之前进一步包括通过腕部传感模块中的三个相互垂直放置的加速度传感器获取腕部坐标系三个坐标轴方向上的加速度分量；通过腕部传感模块中的三个相互垂直放置的磁场传感器获取腕部坐标系三个坐标轴方向上的磁场分量； 根据腕部坐标系三个坐标轴方向上的加速度分量以及磁场分量确定腕部的运动在手指运动平面坐标系三个坐标轴方向上的运动加速度分量；以及根据腕部的运动在手指运动平面坐标系三个坐标轴方向上的运动加速度分量修正手指的运动在手指运动平面坐标系三个坐标轴方向上的运动加速度分量。其中，运动角度包括俯仰角、横滚角以及航向角；其中，采用如下公式计算俯仰角和横滚角的初始值
权利要求
1.一种信息输入装置，包括五个指部传感模块，其中，每个指部传感模块包括三个相互垂直放置的加速度传感器以及三个相互垂直放置的磁场传感器；其中，所述三个相互垂直放置的加速度传感器确定的手指坐标系和所述三个相互垂直放置的磁场传感器确定的手指坐标系重合；所述三个加速度传感器用于测量手指坐标系三个坐标轴方向上的加速度分量；三个磁场传感器用于测量手指坐标系三个坐标轴方向上的磁场分量；以及，连接于所述五个指部传感模块的处理器，用于根据每个指部传感模块输出的每个手指坐标系三个坐标轴方向上的加速度分量以及每个手指坐标系三个坐标轴方向上的磁场分量分别定位每个手指并识别手指的动作。
2.根据权利要求1所述的信息输入装置，其特征在于，所述处理器包括运动加速度确定单元，用于根据每个手指坐标系三个坐标轴方向上的加速度分量以及磁场分量确定每个手指的运动在手指运动平面坐标系三个坐标轴方向上的运动加速度分量；定位单元，用于根据每个手指的运动在手指运动平面坐标系中χ和y两个坐标轴方向上的运动加速度分量计算每个手指在手指运动平面上的运动轨迹，完成手指的定位；以及，按键动作识别单元，用于根据每个手指的运动在手指运动平面坐标系中ζ坐标轴方向上的运动加速度分量判断每个手指是否有按键动作，如果有，则进一步计算按键力度以及按键时间。
3.根据权利要求2所述的信息输入装置，其特征在于，所述运动加速度确定单元包括初始状态检测模块，用于在操作者的手处于正常姿态时，根据每个手指坐标系三个坐标轴方向上的重力加速度分量以及该手指坐标系三个坐标轴方向上的磁场分量确定运动初始状态下该手指相对于由地理磁场所确定的地理坐标系的运动角度的初始值；运动角度检测模块，用于在运动过程中根据每个手指坐标系三个坐标轴方向上的磁场分量的变化量确定该手指的运动角度的动态变化量；重力加速度去除模块，用于根据每个手指的运动角度的动态变化量得到该手指坐标系三个坐标轴上的重力加速度分量，并从该手指坐标系三个坐标轴方向上的加速度分量中去除相应坐标轴上的重力加速度分量，得到该手指坐标系三个坐标轴方向上的运动加速度分量；以及，运动加速度投影模块，用于根据每个手指的运动角度的初始值以及运动角度的动态变化量得到每个手指在手指运动平面坐标系三个坐标轴方向上的运动加速度分量。
4.根据权利要求1所述的信息输入装置，其特征在于，进一步包括一个连接到处理器的腕部传感模块，包括三个相互垂直放置的加速度传感器以及三个相互垂直放置的磁场传感器，其中，所述三个相互垂直放置的加速度传感器确定的腕部坐标系和所述三个相互垂直放置的磁场传感器确定的腕部坐标系重合；所述三个加速度传感器用于测量腕部坐标系三个坐标轴方向上的加速度分量；所述三个磁场传感器用于测量腕部坐标系三个坐标轴方向上的磁场分量；所述处理器用于根据每个指部传感模块输出的每个手指坐标系三个坐标轴方向上的加速度分量以及每个手指坐标系三个坐标轴方向上的磁场分量以及腕部传感模块输出的腕部坐标系三个坐标轴上的加速度分量和磁场分量分别定位每个手指并识别手指的按键动作。
5.根据权利要求4所述的信息输入装置，其特征在于，所述处理器包括运动加速度确定单元，用于根据每个手指坐标系三个坐标轴方向上的加速度分量以及磁场分量确定每个手指的运动在手指运动平面坐标系三个坐标轴方向上的运动加速度分量；腕部运动加速度确定单元，用于根据腕部传感模块上报的腕部坐标系三个坐标轴方向上的加速度分量以及磁场分量确定腕部的运动在手指运动平面坐标系三个坐标轴方向上的运动加速度分量；运动加速度修正单元，用于利用腕部的运动在手指运动平面坐标系三个坐标轴方向上的运动加速度分量修正每个手指的运动在手指运动平面坐标系三个坐标轴方向上的运动加速度；定位单元，用于根据修正后的每个手指的运动在手指运动平面坐标系中χ和y两个坐标轴方向上的运动加速度分量计算每个手指在手指运动平面上的运动轨迹，完成手指的定位；以及，按键动作识别单元，用于根据修正后的每个手指的运动在手指运动平面坐标系中ζ坐标轴方向上的运动加速度分量判断每个手指是否有按键动作，如果有，则进一步计算按键力度以及按键时间。
6.一种信息输入方法，其特征在于，包括通过指部传感模块中的三个相互垂直放置的加速度传感器获取手指坐标系三个坐标轴方向上的加速度分量；通过指部传感模块中的三个相互垂直放置的磁场传感器获取手指坐标系三个坐标轴方向上的磁场分量；根据手指坐标系三个坐标轴方向上的加速度分量以及磁场分量定位该于指并识别手指的按键动作。
7.根据权利要求6所述的信息输入方法，其特征在于，根据手指坐标系三个坐标轴方向上的加速度分量以及磁场分量定位手指并识别手指的按键动作包括根据手指坐标系三个坐标轴方向上的加速度分量以及磁场分量确定手指的运动在手指运动平面坐标系三个坐标轴方向上的运动加速度分量；以及，根据手指的运动在手指运动平面坐标系中χ和y两个坐标轴方向上的运动加速度分量计算手指在手指运动平面上的运动轨迹，完成手指的定位，并根据手指的运动在手指运动平面坐标系中ζ坐标轴方向上的运动加速度分量判断是否有按键动作，如果有，则进一步计算按键力度以及按键时间。
8.根据权利要求7所述的信息输入方法，其特征在于，所述确定手指的运动在手指运动平面坐标系三个坐标轴方向上的运动加速度分量包括在操作者的手处于正常姿态时，根据手指坐标系三个坐标轴方向上的重力加速度分量和磁场分量确定运动初始状态下该手指相对于由地理磁场所确定的地理坐标系的运动角度的初始值；在手指的运动过程中根据手指坐标系三个坐标轴方向上的磁场分量的变化量确定运动角度的动态变化量；根据运动角度的动态变化量得到手指坐标系三个坐标轴上的重力加速度分量，并从手指坐标系三个坐标轴方向上的加速度分量中去除相应坐标轴上的重力加速度分量，得到手指坐标系三个坐标轴方向上的运动加速度分量；以及，根据运动角度的初始值以及运动角度的动态变化量得到手指运动平面坐标系三个坐标轴方向上的运动加速度分量。
9.根据权利要求7所述的信息输入方法，其特征在于，在根据手指的运动在手指运动平面坐标系三个坐标轴方向上的运动加速度分量计算手指在手指运动平面上的运动轨迹之前进一步包括通过腕部传感模块中的三个相互垂直放置的加速度传感器获取腕部坐标系三个坐标轴方向上的加速度分量；通过腕部传感模块中的三个相互垂直放置的磁场传感器获取腕部坐标系三个坐标轴方向上的磁场分量；根据腕部坐标系三个坐标轴方向上的加速度分量以及磁场分量确定腕部的运动在手指运动平面坐标系三个坐标轴方向上的运动加速度分量；以及，根据腕部的运动在手指运动平面坐标系三个坐标轴方向上的运动加速度分量修正手指的运动在手指运动平面坐标系三个坐标轴方向上的运动加速度分量。
10.根据权利要求8所述的信息输入方法，其特征在于，所述运动角度包括俯仰角、横滚角以及航向角；其中，采用如下公式计算俯仰角和横滚角的初始值
11.根据权利要求10所述的信息输入方法，其特征在于，采用如下公式计算运动角度的动态变化量
12.根据权利要求11所述的信息输入方法，其特征在于，采用如下公式计算当前时刻手指坐标系三个坐标轴方向上的重力加速度分量
13.根据权利要求11所述的信息输入方法，其特征在于，根据如下的公式计算手指运动平面坐标系三个坐标轴方向上的运动加速度分量
14.根据权利要求13所述的信息输入方法，其特征在于，根据下面公式计算得到手指在手指运动平面上的运动轨迹其中，
全文摘要
本发明公开了一种信息输入装置，包括五个指部传感模块，每个指部传感模块包括三个相互垂直放置的加速度传感器以及三个相互垂直放置的磁场传感器；三个加速度传感器用于测量手指坐标系三个坐标轴方向上的加速度分量；三个磁场传感器用于测量手指坐标系三个坐标轴方向上的磁场分量；以及连接于所述五个指部传感模块的处理器，用于根据每个指部传感模块输出的每个手指坐标系三个坐标轴方向上的加速度分量以及每个手指坐标系三个坐标轴方向上的磁场分量分别定位每个手指并识别手指的按键动作。本发明还公开了一种虚拟键盘输入方法。通过采用磁场传感器可以在确定手指的运动加速度时去除重力加速度的影响，精确实现完成的手指定位和按键动作的识别。
文档编号G06F3/033GK102262456SQ20101019233
公开日2011年11月30日 申请日期2010年5月31日 优先权日2010年5月31日
发明者张鹏飞 申请人:西门子公司