专利名称：数字书绘实时数据采集仿真系统及其采集方法
技术领域：
本发明涉及数字书画技术和加速度检测与磁场强度检测技术，尤其是涉及一种以 测量笔杆动态姿态的数字书画绘实时数据采集仿真系统及采集方法。
背景技术：
数字书画技术利用数字计算机及软件技术，将数字位置触摸屏技术和触摸笔(或 笔形鼠标)构成书写绘画仿真环境基本构架，在采集笔触平面位置(x，y)的笔迹轨迹信息 的基础上(或者还包括笔触对书写屏的压力(ζ)的对应信息)，用软件仿真实现屏幕显示的 书写或绘画效果。目前这类技术主要应用于文字识别(数字书写板或手写输入)，数字绘画 板，也应用于仿真或虚拟仿真书画软件技术的原始数据采集，这些仿真或虚拟仿真书画技 术已经涉及到硬笔书画，铅笔书画，水彩，油画，中国毛笔书画等表现领域。但是，至目前已经公开的相关计算机数字字画技术中，采集数据仅依据笔触的点 轨迹基础数据，并未能完整描述和反映笔杆的全部运移状态。也就是说，现有的电子书画仿 真数据检测技术仅检测xy或xyz基础数据，没有检测笔杆的姿态参数(如倾斜角，倾斜方向 角，和笔杆自身的旋转角)的能力；而这恰恰是书画操作者在书绘时实际所作的全部动作的 合成结果体现，缺少这些基本数据，制约了仿真显示的真实表现程度，尤其是在对最为复杂 困难的中国书画的仿真表达中，难以达到理想仿真的期望。此外，虚拟毛笔中国书画表达技术，自二十世纪八十年代起就开始研究和发展，但 主旨并不是实时书画手法的仿真，其毛笔是虚拟的，有许多效果属于后期制作完成，是一种 对中国书画效果的模仿，属于模仿的技术，其数据基础也是建立在书写时的着笔位置和着 笔压力上。因中国毛笔书画特殊的复杂性，使该项研究一直陷于多种瓶颈制约，难以在最终 效果上接近真实。目前资料表明三轴磁场分量检测传感器技术、三轴加速度分量检测传感器技术已 公开于智能手机的显示屏方位检测的应用，且见于推广及平板电脑等的多种相似应用以及 GPS卫星定位和导航技术应用的场景转换等。
发明内容
本发明的目的旨在通过笔和屏的三轴地磁场分量和三轴重力加速度分量的检 测，将笔杆的角度运动变化纳入实时数据采集范围，用计算技术，建立起一种采集书画过程 中笔杆的全部运动的物理参数的实时数据平台。本发明的主导思想是将基于三轴磁场分量检测传感器的由地磁场确定经纬方向 的技术、基于三轴加速度分量检测传感器的由地球重力加速度确定垂直方向的技术，应用 于数字书绘的笔具运动的实时数据采集技术中，借助于计算机运算解析出描写书画过程中 笔具角度姿态变化的实用数据，用于发展数字书绘实时采集仿真技术。这种数字书绘实时数据采集仿真系统，包括数字书画笔、计算机、触摸屏，三者之 间通过数据笔输出线缆、触摸屏线缆构成依赖计算机软件技术的数字书绘实时数据采集仿
6真系统。其中数字书画笔由笔头及笔杆组成，所述笔头与触摸屏组合构成检测笔头在仿真 书画过程中所处触屏位置的屏面坐标值和触屏压力值(或检测笔端运动点的触摸屏法向坐 标值)的检测感应器，本发明的特征在于所述的笔杆内腔设有以笔杆为局部直角坐标系、 并与笔杆坐标轴同轴线方向安装、测量三坐标轴方向加速度分量的加速度检测传感器和测 量三坐标轴方向的磁场分量的磁场检测传感器，以及根据需要配置的完成控制采集，处理 和传输数据功能的微处理器。所述的触摸屏设有与笔杆内对应配套的、以触摸屏为局部直角坐标系，测量触摸 屏三坐标轴方向的三轴加速度分量检测传感器和测量三坐标轴方向的三轴磁场分量检测 传感器。所述的三坐标轴加速度分量检测传感器为一个三轴加速度检测传感器，或者是多 个分离式加速度检测传感器。所述的三坐标轴磁场分量检测传感器为一个三轴数字罗盘集成电路，或者是多个 分离式磁场检测传感器。这种数字书绘实时数据采集仿真系统，由笔头与触摸屏对应配套设置的触摸屏屏 面坐标(X，y)检测感应器，笔头、刚性滑杆和笔杆内电感位移传感器、三轴向分量加速度检 测传感器、三轴向分量磁场检测传感器，以及微处理器共同构成能实时反映笔头和笔杆在 触摸屏局部直角坐标系中的书画触点坐标，以笔杆轴线为Z轴的局部直角坐标系中的触压 位移或压力、以及笔杆局部坐标的全部角度变化状态信息，并经由微处理器与计算机连接 构成的书绘软件的数据采集分析模块，共同构成采集数据和解析笔杆中轴线在触摸屏局部 直角坐标系中的笔杆倾斜角度、笔杆的倾斜方向角度和笔杆绕笔杆中轴线的旋转角度的装 置。这种数字书绘实时数据采集仿真系统，其采集实时数据的方法有两种方式 第一种方式为
A、通过设置在数字书画笔的笔杆内的三轴磁场检测传感器和三轴加速度检测传感器 分别检测获取以笔杆局部直角坐标系下的三坐标轴向的地磁场分量，并规格化为地磁场与 各坐标轴夹角的余弦Sx (t)、Sy (t)、Sz (t)和三坐标轴向的重力加速度分量，并规格化为重 力场与各坐标轴夹角的余弦Gx (t)、Gy (t)、Gz (t)；
B、通过安置在触摸屏内的三轴磁场检测传感器、三轴加速度检测传感器分别检测，获 得触摸屏局部直角坐标系下的三坐标轴向的地磁场分量，并规格化为地磁场与各坐标轴夹 角的余弦SX (t)、SY (t)、SZ (t)和三坐标轴向的重力加速度分量，并规格化为重力场与各坐 标轴夹角的余弦GX (t)、GY (t)、GZ (t)。第二种方式为
A、通过设置在数字书画笔的笔杆内的三轴磁场检测传感器和加速度检测传感器分别 检测获取以笔杆局部直角坐标系下的三坐标轴向的地磁场余弦分量Sx (t)、Sy (t)、Sz (t) 和三坐标轴向的重力加速度余弦分量Gx (t)、Gy (t)、Gz (t)；
B、将数字书画笔搁置在触摸屏上，或悬挂在触摸屏屏面范围内的方式，使笔杆局部坐 标系与触摸屏局部坐标系的坐标轴方向对齐，通过利用笔杆所获得的笔杆局部坐标系三坐 标轴向的地磁场分量和重力加速度分量、直接等同触摸屏局部坐标系的相应测量数据。该数字书绘实时数据采集仿真系统，通过采集上述数字书画笔和触模显示屏的各6个方向余弦分量数据，获取数字书画笔和触摸显示屏的充分必要的角度运动信息；据此， 由设置有计算机软件技术的数据解析模块，通过坐标系角度转换运算和解析几何运算，解 析获取在仿真书画的表达中方便适用的表达数字书画笔的局部坐标系相对于触摸显示屏 局部坐标系的角度姿态数据(以下参考图3)
(1)笔杆倾斜角度_(1)
φ(O是数字书画笔的中心轴(局部坐标的ζ轴)与触摸显示屏的屏面法向(局部坐
标的Z轴)的夹角 ’爭奶的范围(0
(2 )笔杆的倾斜方向角度m(2 )
是数字书画笔的中心轴(ζ)在触摸屏的屏面(XY)的正投影与触摸显示屏局部坐
标系的X轴的夹角，_的方便检测范围(-π/τ )；
(3)笔杆旋转角度 )(3)
0力是数字书画笔的笔杆绕中心轴(ζ)的旋转角度，的方便检测范围(-，‘ 本发明的直接效果是
(1)在仿真扁形笔头(铅笔，油化笔)的书画时，直接由笔的姿态参数得出触屏点是笔头 的寬沿着屏，窄沿着屏，还是尖角着屏，结合行笔方向数据(Xy)，提供了一种用运笔手势表 现笔画宽窄深浅的基础技术；
(2)在仿真中国毛笔书画时，据此可解析出笔触的大小，笔触的长短比例，笔锋的指向 位置等，给表现中国书画的中锋，偏锋，侧锋，逆锋的运笔手法提供了基本数据。从而，本发 明给数字书画仿真软件的发展提供新的基础和着力点，希望发展出一种以仿临场真实感为 目的，能表现真实书绘技术水平高低的实时数字书画显示技术，尤其希望把目标定位于获 取表现中国宣纸水墨书画效果的实时仿真显示技术的进步。
图1为数字书绘实时数据采集仿真系统结构示意图； 图2为数字书画笔的结构示意图3为实时数据采集仿真系统所涉及的三种坐标系设置原理及相互关系示意图。图中1-数字书画笔，1.1-笔头，1.2-刚性滑杆，1.3-电感位移传感器， 1. 4-三轴加速度检测传感器，1. 5-三轴磁场检测传感器，1. 6-微处理器 1. 7-安装基板， 1.8-笔杆，2-数字书画笔通讯连接线缆3-计算机，4-触摸屏连接线缆 5-触摸屏。图中
笔杆局部直角坐标系xyz (ζ轴为笔杆中轴线方向，xy为笔杆横截面向)， 触摸屏局部直角坐标系XYZ (XY为触摸显示屏屏面的二边向，Z为屏面的法向)， 地磁重力场坐标系X’ Y’ V (Z’指上，Y’指北，V指东)。
具体实施例方式以下结合说明书附图进一步阐述本发明，并给出本发明的实施例。本发明介绍的这种数字书绘实时数据采集仿真系统，包括数字书画笔1、计算机 3、触摸屏5，三者之间通过由数字书画笔线缆2、触摸屏线缆4等连接，构成依赖计算机软件 技术的数字书绘实时数据采集仿真系统，其中数字书画笔1由笔头1. 1及笔杆1. 8组成，笔 头1. 1与触摸屏5组合构成反映检测笔头在仿真书画过程中所处触屏位置的屏面坐标值 和触屏压力值、或检测笔端运动点的触摸显示屏法向坐标值的检测感应器，其中数字书画 笔的构造为笔头1. 1带有刚性滑杆1. 2、电感位移传感器1. 3，其特征在于所述的笔杆1. 8 内腔设有以笔杆为局部直角坐标系，并与笔杆(图3)同轴线方向安装，能测量三轴方向加速 度分量的三轴加速度检测传感器1. 4和测量三轴方向的磁场分量的三轴磁场检测传感器 1. 5，以及根据需要配置的实现控制采样、处理和传输数据的微处理器1. 6。所述的数字书绘实时数据采集仿真系统，具有对所采集数据进行处理的功能模 块，该功能模块既可以仅仅将预处理部分安置在笔杆微处理器内而将其余部分直接安置在 主计算机内，也可以作为一个整体安置在笔杆微处理器内，甚至全部安装在主计算机内。触摸屏作对应的重力加速度分量和磁场分量检测，有两种实现方式
第一种实现方式，触摸屏内设有与笔杆内对应配套的按触摸屏局部直角坐标系轴线方 向安装的测量该三坐标轴方向的加速度分量的加速度检测传感器和测量该三坐标轴方向 的磁场分向的量的磁场检测传感器。该方法的特点是可以实时检测相关数据，允许触摸显 示屏位置在书绘过程中改变.
第二种实现方式，所述触摸屏，设有专门用于搁笔或挂笔的结构装置，该装置可以是与 触摸屏一边相平行的搁架，能将数字书画笔按固定位置搁放，或者是垂直于触摸屏屏面的 立架，使数字书画笔按固定位置垂直悬挂与屏面上。这样设置的目的是使笔杆内的加速度 检测传感器、磁场检测传感器的三轴测量方向与触摸显示屏的局部直角坐标系的三坐标轴 线方向固定对齐。该方法仅适用于触摸显示屏位置固定的应用场合。所述数字书绘实时数据采集仿真系统，其控制器的软件处理系统含有由数字书画 笔、触摸显示屏和地球磁场重力场构成三组既独立又互相关联的局部坐标系即以数字书 画笔笔杆为ζ轴的xyz数字书画笔局部坐标系，以触摸显示屏边界为X轴、Y轴，屏正面 法向为Z轴的XYZ的触摸显示屏局部坐标系，以地球磁场重力场为基础的X’Y’Z’局部坐标 系(X’轴指东，Y’轴指北，Ζ’轴指上)。由笔杆内与触摸屏配套设置的电感位移传感器1.3、 三轴加速度传感器1. 4、三轴磁场传感器1. 5，以及微处理器1. 6、刚性滑杆1. 2和笔头1. 1 共同构成能准确反映笔头和笔杆在触摸屏坐标系、地球坐标系和以笔杆轴线为ζ轴的笔坐 标系中的位移、力度和倾角变化状态信息，据此解析获取笔杆运动的姿态数据，包括笔杆 中轴线在触摸屏坐标系中的笔杆倾斜角度、笔杆的倾斜方向角度和笔杆绕笔杆中心轴的旋 转角度。所述的三轴加速度检测传感器为一个型号MMA7260QT三轴加速度传感器 (Freescale Semiconductor 生产)0所述的三轴磁场检测传感器为一个型号HMC5843三轴数字罗盘集成电路 (Honeywell 生产)。此外，所述的触摸屏5可以是带有显示功能成为触摸显示屏。此时，触摸屏模块与显示屏模块构建在一起，且将两者的局部坐标系重叠，直接将仿真书画笔迹显示在书画笔 触位置，形成临场真实感仿真应用的触摸显示屏。 该数字书绘实时数据采集仿真系统，采集笔杆坐标轴角度变化实时数据的方法为 A、通过设置在数字书画笔的笔杆内的三轴磁场检测传感器和三轴加速度检测传感器 分别检测获取笔杆局部直角坐标系的χ，y, ζ三个坐标轴向的地磁场分量的规格化值 ，SW) , &⑴，和重力加速度分量的规格化值, Gy(t) , Gz(t),解析获取笔杆局部坐标 系的基向量在地磁重力场坐标系下的测量表达
权利要求
一种数字书绘实时数据采集仿真系统，包括数字书画笔、触摸显示屏、计算机，三者之间通过数字书画笔输出线缆、显示屏线缆和触摸屏线缆连接，依赖计算机仿真书画软件控制实现运作，其中数字书画笔由笔头及笔杆组成，所述笔头与触模显示屏组合，具有检测笔头在仿真书画过程中触屏位置的屏面坐标值和触屏压力值或检测与此关联的监测点触摸显示屏法向坐标值的检测感应器，其特征在于所述的笔杆内腔设有沿笔杆局部直角坐标系的坐标轴方向安装，能测量三坐标轴方向的加速度分量的检测传感器和测量该三坐标轴方向的磁场分量的检测传感器。
2.根据权利要求1所述的数字书绘实时数据采集仿真系统，其特征在于所述的触摸 显示屏，设有与笔杆内对应配套的测量触摸显示屏局部直角坐标系三坐标轴方向的加速度 分量的检测传感器和测量该三坐标轴方向的磁场分量的检测传感器。
3.根据权利要求1所述的数字书绘实时数据采集仿真系统，其特征在于所述的触摸 显示屏，设有用于搁置数字书画笔的搁架或挂笔结构装置，使笔杆内固定安装的加速度检 测传感器、磁场检测传感器的三轴测量方向在相应搁笔或挂笔操作位置时与触摸显示屏的 局部直角坐标系的三坐标轴处于固定对齐状态。
4.根据权利要求1所述的数字书绘实时数据采集仿真系统，其特征在于由笔头与触 摸显示屏两者对应配套设置的触摸显示屏屏面坐标(x，y)检测感应器，笔头、刚性滑杆和笔 杆内电感位移传感器、三轴向分量加速度检测传感器、三轴向分量磁场检测传感器，以及微 处理器、共同构成能实时反映笔头和笔杆在触摸屏坐标系的书画触点坐标、以笔杆轴线为ζ 轴的笔杆局部直角坐标系中的触压位移、触压力和笔杆局部直角坐标轴的角度变化状态信 息，并经微处理器与计算机连接构成的书绘软件的数据采集分析模块，共同构成采集数据 和解析提取笔杆中轴线在触摸屏坐标系中的笔杆倾斜角度、笔杆的倾斜方向角度和笔杆绕 笔杆中心轴的旋转角度的装置。
5.根据权利要求1所述的数字书绘实时数据采集仿真系统，其特征在于所述的检测 三坐标轴方向加速度分量的检测传感器为一个三轴加速度检测传感器。
6.根据权利要求1所述的数字书绘实时数据采集仿真系统，其特征在于所述的检测 三坐标轴方向磁场分量的检测传感器为一个三轴数字罗盘集成电路。
7.根据权利要求4所述的数字书绘实时数据采集仿真系统，其采集实时数据的方法具 有特征如下A、通过设置在数字书画笔的笔杆内的三轴磁场检测传感器和三轴加速度检测传感 器分别检测获取笔杆局部直角坐标系下的χ，y, ζ三个坐标轴向的地磁场分量的规格化值 Sk(J) , _ , Sz(J),和重力加速度分量的规格化值, (fy(t.) , Oz(J),解析获取笔杆局 部直角坐标系的基向量在地磁重力场坐标系下的测量表达
8.根据权利要求7所述的数字书绘实时数据采集仿真系统，其特征在于获取笔杆局 部直角坐标系相对于触摸显示屏局部直角坐标系的角度变化的实时数据的方法如下 A、通过坐标旋转运算将(2)式基向量矩阵旋转至单位矩阵
9.根据权利要求8所述的数字书绘实时数据采集仿真系统，其特征在于具有根据笔 杆使用角度和笔触压力的变化，对由此引起的数字书画笔触摸显示屏组合感应器采集书写 触点坐标的误差的实时修正，修正后的笔迹坐标为 Χφ》=Ζ0( ) — L(zO(t)) *Sm_J) *Cos(3{Cj),
全文摘要
一种数字书绘实时数据采集仿真系统，由软件控制的数字书画笔、触摸显示屏，计算机组成，其特征在于数字书画笔的笔杆内腔设有测量笔杆局部坐标系三坐标轴方向加速度分量的检测传感器和测量该三坐标轴方向磁场分量的检测传感器，通过采集数字书画笔局部直角坐标系和触摸显示屏局部直角坐标系的地磁场强度三的坐标轴分量和地球重力场的三坐标轴分量，解析获取实时的数字书画笔笔杆相对于触摸显示屏局部坐标系的倾斜角度，倾斜方向角度和笔杆绕笔杆中心轴的旋转角度。既提供了一种仿真书画系统应用运笔手势表现笔画宽窄深浅的基础技术，也为表现真实书绘技术水平高低的实时数字仿真书绘，尤其为表现以中国宣纸水墨书画效果的实时仿真技术的进步和跨越提供基本数据支持。
文档编号G06T11/80GK101976128SQ201010501590
公开日2011年2月16日 申请日期2010年10月11日 优先权日2010年10月11日
发明者庄永基, 陈一苇 申请人:庄永基;陈一苇