专利名称：基于非光投影的输入方法和键盘的制作方法
技术领域：
本发明涉及键盘技术领域，具体涉及基于非光投影的输入方法和键盘。
背景技术：
现有的键盘输入设备大致分为如下几种IX传统的机械键盘，这类键盘采用硬件电路实现，按键按下时接通对应电路，因此内部电子线路较多，体积较大。存在不方便携带、坏了某个键不好维修，需整个更换、防水性能差、使用环境要求比较高等缺点。2>.手机的9键小键盘9键小键盘是手机最常见的输入设备，其原理也是按键按下时接通对应电路。由于按键数量少，需要多次按同一个键来达到单键复用的功能，同时需要另外的按键来完成中英文切换、数字切换等，因此严重影响了输入速度。3>.手机全键盘例如申请号为CN200710148694. 3的专利《一种QWERTY全键盘》， 部分手机带有全键盘，其布局虽与PC机的键盘非常相似，但由于体积小，手指无法像使用传统PC键盘时那样摆放，使用习惯有较大区别，因此也阻碍了输入速度的提高。4>.手机触摸屏软键盘手机触摸屏软键盘是将上述的手机9键键盘或全键盘在触摸屏上实现，使用时手指轻触即可实现击键，手感相对没有真实键盘硬。但由于键盘较小，键与键之间没有明显界限，容易出现误操作，影响了输入速度。这类产品的相关专利有如申请号为200720076575. 7 的《手机触摸屏》等。5>.基于图像识别及激光投影的键盘例如申请号为CN02132177. 9的专利《投影式虚拟键盘装置》，这种键盘应用全息技术的激光投影产生，且要求光照背景不能太亮，敲打键盘手感较差，尤其是存在成本较高等缺点。
发明内容
针对现有的PC机键盘不方便携带、笔记本键盘防水性能差、手机键盘太小影响输入速度、光投影式键盘成本高的缺点，本发明提出了一种能够广泛应用于上述平台的基于非光投影的输入方法和键盘，键盘部分由打印有键盘图案的防水材料制成，在一个线形红外激光器的辅助下，通过摄像头图像处理自动定位键盘所在区域，并识别手指动作，最终产生按键信号。本键盘的使用方法及功能与传统键盘基本一致，用户可以很快的适应。本发明通过如下技术方案实现。基于非光投影的输入方法，具体是用线形红外激光器的出射光平行覆盖于键盘图案的平面上方，手指触碰键盘图案中的按键，出射光在手指指尖产生光斑，通过摄像头获取包含有光斑的图像，处理器接收摄像头获取的图像，对所述光斑进行定位，得到光斑中心在图像中的坐标，由光斑中心的坐标换算出光斑中心在键盘图案区域坐标系中的坐标，并最终对应到键盘按键编号，该按键编号对应的键盘按键即为手指所触碰的键盘图案中的按键。
上述的基于非光投影的输入方法中，由按键状态的变化及状态的持续时间判断按键的动作为单击、释放或长按。上述的基于非光投影的输入方法中，所述光斑中心坐标的定位采用了轮廓查找的方法，将光斑轮廓找出，并由轮廓上所有点的坐标平均值计算得到其中心坐标。上述的基于非光投影的输入方法中，所述轮廓查找的方法具体是先将图像二值化，光斑处标为白色，其余视为背景，标为黑色；然后挖去内部点得到多个轮廓圈，所谓内部点的判断方法为在3*3的方块中，当中心点为白点，且其8个邻域点也为白点，即中心点被白色点包围，则该中心点为内部点；之后从原点出发，通过八方向的搜索，将光斑的轮廓圈出，并记录轮廓上各个点的坐标。上述的基于非光投影的输入方法中，还包括键盘的自动定位步骤键盘图案3平面的两侧各有一条凸起线，线形红外激光器的出射光照射在凸起线上，形成两条白色亮线； 采用轮廓查找的方法得到图像中各个轮廓上所有点的坐标、轮廓周长、面积，判断轮廓是否符合两条白色亮线的特征，以此确定两条白色亮线的轮廓，两条白色亮线的端点则构成了键盘区域的顶点；所述两条白色亮线的特征为轮廓的面积除以周长的比值较小且在设定的范围内，例如10到20，轮廓上各点纵坐标的方差除以轮廓上各点横坐标的方差的比值较大且在另一设定的范围内，例如40到50。本发明的一种基于非光投影的输入键盘，包括供输入者触碰并供摄像头拍摄的键盘图案和用于产生出射光的线形红外激光器，所述出射光平行覆盖于键盘图案上方。上述的基于非光投影的输入键盘中，还包括用于拍摄所述键盘图案的摄像头1。上述的基于非光投影的输入键盘中，还包括用于处理拍摄图像并得到输入者所输入的按键信息的处理器，处理器分别与所述摄像头和待输入设备连接。上述的基于非光投影的输入键盘中，键盘图案平面的两侧各有一条被线形红外激光器照射形成亮线、用于键盘区域定位的凸起线。原理分析1、键盘的防水实现。由于键盘图案没有电子线路，因此防水性能好。2、 键盘图案区域的自适应定位。在键盘图案两侧有两条凸起线，线形红外激光器的出射光照射在凸起线上，形成两条白色亮线，通过亮线的轮廓特征可以准确的找出亮线的各自两个端点，即构成了键盘图案区域所在的4个顶点。3、对手指接触键盘图案动作的可靠捕捉。本发明加入了线形红外激光器，其发射出的红外线平行覆盖在键盘图案上面，当手指触碰键盘时挡住了红外线，产生光斑，使用一个摄像头即可以可靠的将光班捕捉出来。4、手指位置坐标及对应按键的确定。利用轮廓查找方法，能够较准确的计算出手指产生光斑的坐标，通过折算后得到按键号。与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果1、可以通过图像识别原理来实现传统PC键盘的各种输入功能。2、针对现有的笔记本键盘防水性能不佳，一旦进水则会带来重大损失的缺点，本发明“基于非光投影的输入方法和键盘”，可以将笔记本键盘面板做成完全封闭的形式，只印上键盘图案，彻底解决了防水问题。3、当手机使用此键盘时，只需将手机放在底座上，开启应用程序后即可通过此新型键盘进行输入，操作简单，且大大提高了输入速度。4、键盘组成结构简单，其中包含的摄像头部分目前大多数的手机及部分笔记本都已自带，十分便携。5、对打印键盘图案的材料无要求，可以选择防水材料制作，键盘部分仅是一张印制有键盘图案的平面材料即可，成本低廉，更换键盘也只是更换此部分。克服了现有的键盘坏了某个按键往往不进行维修，而是整个更换带来的经济损失。6、键盘图案的位置可以较随意的摆放，通过图像处理自动定标，达到自适应。
图1为基于非光投影的输入键盘的原理框架图。图2为基于非光投影的输入键盘应用于笔记本电脑的原理图。图3为基于非光投影的输入键盘应用于手机的原理图。图4为基于非光投影的输入键盘的工作流程图。图5为实施例中按键坐标折算示意图。图中示出1—摄像头，2——线形红外激光器，3——键盘图案，4——红外线，5——凸起线，6——反射镜，7——镜片夹
具体实施例方式以下结合附图对本发明的具体实施作进一步说明，但本发明的实施和保护范围不限于此。如附图1、2所示，基于非光投影的输入键盘，包括键盘图案3、摄像头1、线形红外激光器2、处理器，键盘图案3放置于摄像头1前面，且键盘图案3处于摄像头1的取景范围内，线形红外激光器2位于摄像头1正下方，线形红外激光器2发出的红外线4平行覆盖于键盘图案3的表面上方，起到辅助作用，处理器分别与摄像头1和待输入设备连接。所述摄像头1，如果移动终端(如手机、平板电脑)已自带，则无需增加此部件。所述处理器，可以是待输入设备自带的处理器，也可以是外部增加的微处理器。所述键盘图案3的两侧各设置一条凸起线5，且两条凸起线与键盘图案3的两条侧边重合，用于键盘图案3区域的自动定位。如图2，对于笔记本电脑，键盘图案3可直接设计在笔记本面板上。如图3，对于手机，键盘图案3需放置于反射镜6的可见区域内，通过反射镜将键盘图案反射到手机摄像头检测范围内，反射镜通过镜片夹7固定于手机上。如附图4，基于非光投影的输入键盘的工作流程先通过键盘图案两侧的凸起线5定位出键盘图案3所在区域，所述线形红外激光器发出的红外光照射在两侧的凸起线5上形成两条白色亮线，摄像头实时采集包含有键盘图案3的图像传回到处理器，处理器采用轮廓查找的方法得到图像中各个轮廓上所有点的坐标、轮廓周长、面积，判断轮廓是否符合两条白色亮线的特征，以此确定两条白色亮线的轮廓，两条白色亮线的轮廓有如下特征轮廓的面积除以周长的比值较小且在设定的范围内，例如10到20 ；同时面积符合预设范围；轮廓上各点纵坐标的方差除以轮廓上各点横坐标的方差的比值较大且在另一设定的范围内，例如40到50。两条白色亮线的端点即构成了键盘图案3的顶点，如附图5所示A、B、C、D点；
当手指敲打键盘图案3时，线形红外激光器2发出的红外线4在手指指尖产生光斑，摄像头1获得含有光斑的图像并传给处理器，处理器中采用轮廓查找方法得到光斑中心的坐标，由光斑中心的坐标折算出其在键盘图案3区域的相对坐标，并最终对应到键盘按键编号。后续再由按键状态及时间特征得到按键按下及释放、连击动作，这些动作通过调用操作系统提供的关于按键事件的接口来实现。上述光斑坐标的定位采用了轮廓查找的方法，将光斑轮廓找出，并由轮廓上所有点的坐标平均值计算得到其中心坐标。具体是先将图像二值化，光斑处标为白色，其余视为背景，标为黑色。然后挖去光斑的内部点，所谓内部点的判断方法为在3*3的方块中，当中心点为白点，且其8个邻域点也为白点，即中心点被白色点包围，则该中心点为内部点。之后从原点出发，通过八方向的搜索(所谓八方向，即将平面内360度按每45度一个方向，分成八个搜索方向，搜索过程通过当前方向左右两边像素点的情况设定下一次的方向)，将轮廓圈出，并记录轮廓上各个点的坐标。上述过程也可由OPENCV提供的函数 cvFindContoursO来实现，并直接得到轮廓个数、轮廓上各个点的坐标、面积、周长等信息。上述利用凸起线5自动定位键盘图案3所在区域的具体方法是线形红外激光器2的出射光照射在凸起线5上，形成两条白色亮线。采用上文所述方法查找轮廓，两条白色亮线的轮廓有如下特征轮廓的面积除以周长的比值较小且在设定的范围内，例如10 到20 ；同时面积符合预设范围；轮廓上各点纵坐标的方差除以轮廓上各点横坐标的方差的比值较大且在另一设定的范围内，例如40到50。通过这些特征可以找到凸起线5被照射形成的两条亮线，根据前文所述轮廓查找方法，可由白色亮线的轮廓上所有点的坐标平均值计算得到其中心坐标，比较2条亮线的中心横坐标的大小关系区分出左侧及右侧的凸起线。找出2条白色亮线各自的轮廓上所有点中纵坐标最大及最小的点，共四点，则这四个点构成了键盘图案3的顶点，即附图5中的A、B、C、D点。由光斑中心的坐标折算出其在键盘图案3区域的相对坐标采用如下算法，下文涉及的直角坐标系中X轴正方向为水平向右，Y轴正方向为竖直向下。图5中，E点为触碰按键的手指光斑中心点，点A、B、C、D为键盘图案所在区域的四个顶点，过E点做平行于Y轴的直线，分别与AB、⑶交于点F、G，则横坐标& = Xe = Xe,由斜率Kaf = kAB，Kcg = kCD可得到点F、G的纵坐标，即Yf = Ya- (Ya-Yb) * (Xa-Xe) / (Xa-Xb)Yg = Yc- (Yc-Yd) * (Xc-Xe) / (Xc-Xd)上式中，Xa、XB、Xc、Xd、XE、Xf、Xg分别为点 A、B、C、D、Ε、F、G 的横坐标，Ya、ΥΒ、\、YD、 YE、YF、Yg分别为点A、B、C、D、Ε、F、G的纵坐标。通过式子(Ye-Yf)*预先给定的键盘高度/(Yc-Yf)可以得到在键盘图案3中，光斑的相对纵坐标，进而得到按键所在的行号。点H、I分别是在线段AC、BD上取的点，点H、I使得线段AH、AC、FE、FG、Bi、BD成如下比例关系AH/AC = FE/FG = BI/BD由此可通过如下关系式计算得点H、I的坐标Xh = Xc+ (Yg-Ye) * (Xa-Xc) / (Yg-Yf)Yh = Yc- (Yg-Ye) * (Yc-Ya) / (Yg-Yf)
X1 = Xd+ (Yg-Ye) * (Xb-Xd) / (Yg-Yf)Y1 = Yd- (Yg-Ye) * (Yd-Yb) / (Yg-Yf)上式中，Xa、XB、Xc、Xd、XE、Xf、Xg、Xh、X1分别为点 A、B、C、D、Ε、F、G、H、I 的横坐标，
\、YB、Yc> Yd> Ye> Yp> YG、YH、Y1 分别为点 A、B、C、D、Ε、F、G、H、I 的纵坐标。通过式子(XE-Xh)*预先给定的键盘宽度/(XI-Xh)可以得到在键盘图案3中，光斑的相对横坐标，进而得到按键所在的列号。由按键所在的行号、列号可以得到光斑在键盘图案3中所对应的按键编号，并最终调用操作系统的应用程序接口产生按键事件。
权利要求
1.基于非光投影的输入方法，其特征在于用线形激光器的出射光平行覆盖于键盘图案 (3)的平面上方，手指触碰键盘图案(3)中的按键，出射光在手指指尖产生光斑，通过摄像头 (1)获取包含有光斑的图像，处理器接收摄像头(1)获取的图像，对所述光斑进行定位，得到光斑中心在图像中的坐标，由光斑中心的坐标换算出光斑中心在键盘图案(3)区域坐标系中的坐标，并最终对应到键盘按键编号，该按键编号对应的键盘按键即为手指所触碰的键盘图案(3)中的按键。
2.根据权利要求1所述的基于非光投影的输入方法，其特征在于由按键状态的变化及状态的持续时间判断按键的动作为单击、释放或长按。
3.根据权利要求1所述的基于非光投影的输入方法，其特征在于所述光斑中心坐标的定位采用了轮廓查找的方法，将光斑轮廓找出，并由轮廓上所有点的坐标平均值计算得到其中心坐标。
4.根据权利要求3所述的基于非光投影的输入方法，其特征在于所述轮廓查找的方法具体是先将图像二值化，光斑处标为白色，其余视为背景，标为黑色；然后挖去内部点得到多个轮廓圈，所谓内部点的判断方法为在3*3的方块中，当中心点为白点，且其8个邻域点也为白点，即中心点被白色点包围，则该中心点为内部点；之后从原点出发，通过八方向的搜索，将光斑的轮廓圈出，并记录轮廓上各个点的坐标。
5.根据权利要求1所述的基于非光投影的输入方法，其特征在于还包括键盘的自动定位步骤键盘图案(3)平面的两侧各有一条凸起线(5)，线形激光器的出射光照射在凸起线 (5)上，形成两条白色亮线；采用轮廓查找的方法得到图像中各个轮廓上所有点的坐标、轮廓周长、面积，判断轮廓是否符合两条白色亮线的特征，以此确定两条白色亮线的轮廓，两条白色亮线的端点则构成了键盘区域的顶点；所述两条白色亮线的特征为轮廓的面积除以周长的比值在设定的范围内，轮廓上各点纵坐标的方差除以轮廓上各点横坐标的方差的比值在另一设定的范围内。
6.基于非光投影的输入键盘，其特征在于包括供输入者触碰并供摄像头拍摄的键盘图案(3)和用于产生出射光的线形激光器，所述出射光平行覆盖于键盘图案(3)上方。
7.根据权利要求6所述的基于非光投影的输入键盘，其特征在于还包括用于拍摄所述键盘图案的摄像头(1)。
8.根据权利要求7所述的基于非光投影的输入键盘，其特征在于还包括用于处理拍摄图像并得到输入者所输入的按键信息的处理器，处理器分别与所述摄像头(1)和待输入设备连接。
9.根据权利要求6、任一项所述的基于非光投影的输入键盘，其特征在于键盘图案 (3 )平面的两侧各有一条被线形激光器照射形成亮线、用于键盘区域定位的凸起线(5 )。
全文摘要
本发明提供了基于非光投影的输入方法和键盘，所述方法为用线形激光器的出射光平行覆盖于显示有键盘图案的平面上方，手指触碰键盘图案中的按键，出射光在手指指尖产生光斑，通过摄像头获取包含有光斑的图像，处理器接收摄像头获取的图像，对所述光斑进行定位，得到光斑中心在图像中的坐标，由光斑中心的坐标换算出光斑中心在键盘图案区域坐标系中的坐标，并最终对应到键盘按键编号，该按键编号对应的键盘按键即为手指所触碰的键盘图案中的按键。所述键盘包括供输入者触碰并供摄像头拍摄的键盘图案和用于产生出射光的线形激光器，所述出射光平行覆盖于键盘图案上方。本发明彻底解决了传统键盘存在的不可防水的问题。
文档编号G06F3/042GK102520805SQ20111044274
公开日2012年6月27日 申请日期2011年12月24日 优先权日2011年12月24日
发明者谢巍, 陈暑生, 黄旭东 申请人:华南理工大学