在干扰环境中检测目标对象的方法和实施所述方法的手势界面设备与流程

本发明涉及用于在干扰环境中检测目标对象的方法，其适用于手势界 面。本发明还涉及实施所述方法的手势界面设备。

本发明的领域更具体但不限于用于人机界面控制的触觉和3D电容表 面的领域。

背景技术：

通信设备和工作设备越来越多地使用诸如平板电脑或屏幕的触觉控制 界面。例如可提及手机、智能手机、触摸屏电脑、平板电脑、个人电脑、 鼠标、触摸屏、投影屏等。

大量这些界面使用电容技术。触摸表面配备有连接到电子装置的导电 电极，其能够测量发生于所述电极和待检测对象之间的电容变化以执行命 令。

目前在触觉界面中实施的电容技术最经常使用行和列形式的两层导电 电极。电子器件测量存在于这些行和列之间的耦合电容。当手指非常接近 于活动表面时，在手指附近的耦合电容变化，并且所述电子器件可由此在 活动表面平面内定位2D位置（YX）。

这些技术能够通过电介质来检测手指的存在和位置。它们的优势在于 使一个或更多个手指在敏感表面的（XY）平面中的定位具有非常高的分辨 率。

然而，这些技术的缺点是原则上在电极和电子器件的层面上产生高泄 漏电容。

这些泄漏电容可能会因为老化、材料变形、或环境温度变化的影响而 进一步随着时间漂移。这些变化可能会降低电极的灵敏度，或甚至不合时 宜地触发命令。一个解决方案是矫正这些漂移。已知Elia等人的文件 US2010/0013800提供一种用于通过激发电极和测量寄生电容来矫正这些 寄生电容的方法。然而该方法基本上适用于工厂中的校准阶段。

能够测量出现于电极和待检测对象之间的绝对电容的技术也是已知 的。例如已知Rozière的文件FR 2 844 349公开了一种电容式接近检测器， 其包括能够测量电极和其附近的对象之间的电容和距离的多个独立电极。

这些技术能够以高的分辨率和灵敏度获得电极和对象之间的电容值， 能够检测例如几厘米或甚至十厘米距离的手指。该检测可在三维空间 （XYZ）和平面（XY）中的表面上进行。这些技术提供了发展真正无接触 手势界面的机会并且也使触觉界面的性能得到提高。

然而，与基于触觉表面的接触测量技术对比，出现了一个环境影响的 新问题。实际上，常规触摸屏的范围是非常小的（在空气中最多几毫米的 数量级），诸如手、手指或任何对象接近的环境变化只对触觉检测的性能和 稳健性具有微不足道的影响。

在另一方面，在使用诸如在FR 2 844 349中所描述的绝对电容测量且 能够以大于10厘米检测对象接近的技术中，在此距离处的寄生对象的任何 移动也可以被解释为待检测对象的存在，从而触发不希望的寄生命令。

对于诸如手机、笔记本电脑、便携电脑等所有的便携式设备，环境变 化是特别重要的。

例如，左手持有手机用右手做出（无接触的）手势命令从测量的角度 可以证明是棘手的，这是因为左手手指可以具有与右手手指的手势动作相 当的寄生手势动作。事实上，难以或者甚至不可能将移动靠近敏感表面边 缘的手指与移动靠近几厘米距离的右手控制手指区别开。

另一个实例涉及便携电脑的触觉和手势电容屏。屏倾斜的设置移动敏 感屏表面靠近或远离键盘。这种变得更近或更远的变化可以被解释为待检 测的手移动靠近或远离。而且，由于键盘面积非常大，因此屏的电容电极 的灵敏度可以根据将它们与键盘分隔开的表面而变化。事实上，电容电极 的灵敏度取决于它们的面积，还取决于可以偏离或干扰所讨论电极的静电 场线的边缘效应。

静止对象例如在桌子上手势界面的电容式触摸屏附近的对象的存在也 可以明显地改变触摸屏的反应。静止对象也可以是电容式触摸屏的支撑体 例如桌子。例如该支撑体可以包括或厚或薄的木材，或任何其他介电或导 电材料。这些材料可以改变由于边缘效应产生的泄漏电容。由于诸如在桌 子下面由介电表面构成的脚的存在，在桌子上移动到不同位置也可以改变 泄漏电容。

另一个实例是在车辆中使用手势控制，其中环境的变化可以是变速杆 和手刹的移动、乘客的存在、座椅调节等。

本发明的目的是提供手势界面控制方法及设备，使得能够矫正环境的 干扰影响和改进命令的检测。

技术实现要素：

该目的通过以下方式实现：一种用于检测在环境中移动的一个或更多 个目标对象的方法，实施与所述一个或更多个目标对象电容耦合并且与存 在于该环境中的一个或更多个其他所谓的“干扰”对象电容耦合的至少一个 测量电极，其特征在于对于所述测量电极的至少一个包括以下步骤：

-测量所述测量电极和所述环境之间的总电容，

-存储所述总电容，

-基于在预存储的总电容测量历史之内的最小值的确定，计算由于所 述干扰对象产生的泄漏电容，

-通过从总测量电容中减去所述泄漏电容来计算由于所述一个或更多 个目标对象产生的目标电容，和

-处理所述如此计算得到的目标电容，以产生所述一个或更多个目标 对象的检测信息。

根据本发明的方法还可包括更新测量历史的步骤，使得所述测量历史 包括在对应于关于测量时间的具有预定持续时间的滑动时间窗的一段时间 内测得的总电容。

根据实施方案，

-滑动时间窗的持续时间可确定为高于目标对象在测量电极附近的平 均存在持续时间。

-滑动时间窗的持续时间可以为1秒到10秒。

在一个非限制性的方式中，根据环境的类型也可以使用滑动时间窗的 任何其他持续时间值。对于非常动态的应用该持续时间可以低于1秒，或者 相反地对于非常静态的环境该持续时间可以在几十秒到几分钟的数量级。

根据本发明的方法还可以包括根据测量的变化动态来调节滑动时间窗 的持续时间的步骤。

根据本发明的方法还可以包括以下步骤：

-采集最新存储的测量作为持续时间低于滑动时间窗的时间子窗，

-确定此子窗内的最小值，和

-将对应于所述子窗的测量替换为测量历史中的所述最小值。

根据实施方案：

-确定测量历史中的最小值可以包括使用最佳最小值/最大值滤波算 法，具有基本上不变的计算时间；

-计算目标电容可以包括计算泄漏电容和总测量电容的组合。该组合 可以是线性组合。

根据本发明的方法还可以包括：

-在先校准步骤，对于至少一个测量电极，其包括在没有目标对象的 情况下通过测量测量电极的总电容来确定初始泄漏电容，

-将该初始泄漏电容与之后确定的泄漏电容作为组合相加的步骤，其 中该组合可以是线性组合。

根据本发明的方法可以根据所述电极分别对多个测量电极实施。

根据另一个方面，提供了一种手势界面设备，其实施本发明的用于在 干扰环境中检测目标对象的方法，由在所述环境中手势移动的目标对象形 成的所述手势界面还包括干扰对象，所述设备包括至少一个测量电极，所 述测量电极能够通过所述测量电极和所述对象之间的电容耦合来检测对 象，其特征在于对于至少一个测量电极还包括：

-用于测量所述测量电极和所述环境之间的总电容的电子装置，

-用于存储所述总电容的装置，

-用于计算由于干扰对象产生的泄漏电容的装置，包括用于确定在预 存储的总电容测量历史内的最小值的装置，

-用于通过从总测量电容中减去所述泄漏电容来计算由于目标对象产 生的目标电容的装置，和

-用于处理所述如此计算得到的目标电容并且布置为传送所述一个或 更多个目标对象的检测信息的装置。

根据实施方案：

-所述设备还可以包括含有多个测量电极的基本平坦的表面；

-所述测量电极可包含基本上透光的材料。

根据另一个方面，提供了以下类别之一的系统：电话、电脑、电脑外 围设备、显示屏、仪表盘、控制面板，实施根据本发明的电容检测方法。

根据再一个方面，提供了以下类别之一的系统：电话、电脑、电脑外 围设备、显示屏、仪表盘、控制面板，包括根据本发明的手势界面设备。

附图说明及具体实施方式

根据阅读非限制的实施和实施方案的详细描述以及以下附图，本发明 进一步的优势和特征将变得显而易见，其中：

图1示出了环境对触摸屏型手势控制设备的影响，

图2示出了采用根据本发明的方法的电容测量，

图3示出了图2的放大图，使得能够观察到采用根据本发明的方法计 算得到的泄漏电容。

图1表示集成于电脑或电话（智能手机）触摸屏中的根据本发明的手势控制界面设备的一个示例性实施方案。界面设备1包括布置为使得基本 上覆盖其表面的多个电容电极2。为了清楚起见，只有一个电容电极2在 图1中示出。电容电极2和它们的控制电子器件根据FR 2 844 349中描述 的实施模式制成。控制电子器件包括用于在AC电压下激发电极2的装置 和基于浮桥电子器件具有非常高灵敏度的电容测量装置。电极2通过轮询 设备顺序询问。电子器件设计为使得基本上完全去除电极2之间或者电极 2和经历另一电势的界面设备1的一部分之间的电容耦合。

当目标对象诸如手指3移动接近电极2时，在其间建立电容耦合。对 应的电容5由控制电子器件测量。如果电极2的面积是已知的，则该电容 5的测量使得能够测量电极2和对象3之间的距离。

在控制设备1的敏感表面附近没有对象的情况下，由每个电极2测得 的电容接近于零，接近最近边缘效应以及接近敏感表面和电子器件的最近 缺陷。这些剩余电容被称为C_∞。这些剩余电容也可以是当目标对象3的距 离被认为是在测量电极2的范围之外或超过最大检测距离时对应于目标对 象3影响的低值电容。

在一种对所考虑应用更不利的方式中，剩余电容C_∞还可以是由于对象 4在界面设备1附近的存在而产生的。在这种情况下，建立泄漏电容6，其 大小的数量级可以与由于目标对象3产生的电容5的数量级相比，且其可 以进而导致明显的测量误差。

本发明一个目的在于精确地提供一种方法，该方法使得能够将待检测 对象3的存在与环境4的变化区分开，以改进其检测并且进而避免错误的 命令。

该区分利用以下事实：一个或更多个目标对象(或者在下文中还被称 为控制对象)3移动，尽管慢慢地，或仅在短时间间隔期间是静止的，而 环境4更加慢地改变，或在更长的时间间隔内改变，或甚至保持静止。

更精确地，矫正依赖于利用环境的一些特定方面，例如包括在电容界 面设备1附近并排的静态对象4：

-图1电极2的电容随着目标对象3或环境4的存在而增加。如果CE1、 CE2和CE3为环境对象4的泄漏电容6，Cobj为目标对象3的电容5，则由电极2测得的电容是：

C=CE1+CE2+CE3+Cobj (式1)

-对于手势检测型应用，典型的目标对象3诸如手指或手相对于被认 为是属于环境的对象4具有相对快的运动。

解决方案是实时或以随着时间变化的方式评估泄漏电容C_∞的图，以矫 正控制对象3的位置的评估。

通过考虑k个环境对象4，对于给定电极2泄漏电容C_∞可以表示如下：

C_∞=CE1+CE2+…+CEk (式2)

该评估持续更新以考虑环境变化，例如在界面设备1运动或者新对象 4在其附近出现时。

参照图2和图3，现在将描述在界面设备1的使用期间使得图C_∞能够 被动态评估的方法。

曲线10示出了界面设备1的电极2的总电容Ctot的测量。峰12对应 于在目标对象3移动接近电极2时的时间。曲线10代表其中例如手指3 移动接近并且周期性地来到界面设备1的表面附近或接触界面设备1的表 面以“点击”或致动虚拟键的情况。

电极2测量总电容C，由于对象Cobj其贡献对应于峰12的高度14。

选择时间窗13，其宽度或持续时间Tm基本上大于目标对象3可保持 静止的持续时间但是小于环境可以改变的周期。持续时间Tm必须尤其大 于典型的手势（目标对象3的运动）持续时间，以能够将由于目标对象3 改变产生的电容变化和由于被认为是属于环境的其他对象4产生的电容变 化区分开。时间窗13相对于测量时间（或现在时间）15表示在图2和图3 中。

存储在此时间窗13中采样于过去到现在时间15的电容C。

泄漏电容C_∞在现在时间15的数值确定为在此时间窗13中存储的最小 电容值C。

窗13随着时间滑动，意味着存储的值周期性地更新（例如在每一采集） 以仅保留具有持续时间Tm的测量历史。

实际上，在界面设备1中，每个电极2的电容C(t)以使得手势能够被 检测的采样时间△t周期性地进行测量。

对于根据本发明方法所应用的每个电极，对应于滑动时间窗的持续时 间Tm的最后N个测得的电容测量保留在设备的数字存储区域中，并用于 评估泄漏电容C_∞。在每次新的测量中，清除存储的N个最早测量而存储 最新测量。

由于C_∞≤C，因此在测量时间t处的泄漏电容C_∞作为存储电容C(s)的 函数计算：

C_∞(t)=min{C(s)} (式3)

其中，min{}为最小值搜索算子，s属于时间间隔[t-Tm,t]。

通过考虑采样时间，环境的泄漏电容可写成：

C_∞(t)=min{C(t-(n-1)·Δt),C(t-(n-2)·Δt),…,…,C(t-2)·Δt),C(t-Δt),C(t)} (式4)

该泄漏电容C_∞的确定由此意指通过最小值算子的滤波运算，或最小值 滤波。

该最小值滤波具有相对于环境变化非对称的自适应行为：

-如果新的环境对象4出现和/或如果目标对象3移动接近检测表面， 则瞬时电容C增加。在这种情况下，在根据式3或4提高泄漏电容值C_∞ 之前，滤波器“等待”直到该增加至少持续滑动窗13的所有持续时间Tm。 通过明智地选择该持续时间Tm，进而避免了目标对象3被考虑到泄漏电 容C_∞的计算中;

-相反地，在环境对象4消失和/或目标对象3移动远离检测表面的情 况下，瞬时电容C降低，并且电容C_∞在最小值滤波器的作用下几乎瞬间 降低。因此，检测灵敏度瞬间被调节。此为所建议方法的优点中的一个。

这种区分得以实现是由于考虑变化时间常数Cobj和C_∞之间的差别以 及窗13的宽度Tm的明智选择。

曲线11示出了如由式4所计算的泄漏电容C_∞随时间的变化。

时间窗Tm的宽度的选择取决于待控制设备的类型及其操作模式。

在界面设备1装配具有电容式触摸和手势屏的手机的情况下，命令是 相对地动态的。最慢的命令是例如在屏上选择图标以移动或删除它。于是 该动作是在至少1秒的期间固定手指以实施图标的选择。

具有2-10秒或者甚至1-10秒持续时间的时间窗适合于该类设备，以 保留选择图标的可能同时集成环境矫正。

一旦评估泄漏电容C_∞，由于目标对象3的存在产生的电容计算如下：

Cobj(t)=C(t)-C_∞(t) (式5)

然后该环境影响矫正的电容14可以常规地用于检测目标对象3的位置 或手势。

根据替代实施方案，为了通过优化使用计算资源来快速地计算泄漏电 容C_∞(t)，可以使用具有最佳计算时间复杂性的最小值/最大值滤波算法。 若干该类型的算法可在文献中找到，其共享了比较次数基本上保持不变而 与所选时间窗的宽度无关的事实。以下算法尤其适用于本发明范围内。

-M.Van Herk,“A fast algorithm for local minimum and maximum filters on rectangular and octagonal kernels”,Pattern Recogn Lett13(7),第517-521 页，1992；

-J.Gil,R.Kimmel,“Efficient Dilation,Erosion,Opening and Closing Algorithms”IEEE Trans Pattern Anal Mach Intell24(12),第1606-1617页， 2002；

-D.Lemire,“Streaming Maximum-Minimum Filter Using No More than Three Comparisons per Element”,Nordic Journal of Computing,13(4),第 328-339页，2006。

这些算法使得能够最小化计算时间，但需要将在滑动窗13的整个持续 时间Tm上测得的电容存储在存储器中。

根据替代实施方案，在计算时间和存储空间上可以实现折衷。在这种 情况下，包括N次测量的滑动窗13再分为M个非重叠子窗，各自长度为 n1、n2、…、nM，N=n1+n2+…+nM，并且M<<N。

在最后一个子窗中最小值的计算，目前填充的，可以通过子窗已存储 数值在每次迭代（对应于用于测量电容C的采集）时重新浏览，或者通过 在每次迭代时将最小数值保留在存储器中来实现。

对于包括在时间窗13中的每个完整的子窗，仅最小值被保留在存储器 中，当由子窗所覆盖的时间间隔相对于采集时间变得早于Tm时其被清除。

所有子窗上的极小值可通过使用上述优化算法来比较。在这种情况下， 存储区需要维度M（不再是N）。

根据替代实施方案：

-窗13的时间宽度Tm可以通过考虑测量中环境随时间的变化而使用 特定算法，根据该环境类型自主地适应。其也可手动地适应；

-目标电容Cobj的计算可包括总电容C和泄漏电容C_∞的线性组合，或 者C和C_∞的任何其他函数；

-利用如式（4）中所描述的最小值滤波，电容C_∞的评估可结合泄漏电 容C_∞’的另一校准图，预先确定并存储的，例如来自工厂中的校准。该组 合可以是具有增益和偏置因子的线性组合，或任何其他组合。这样使得能 够避免电容检测灵敏度过于突然的变化；

-方法可以用界面设备1的不同电极2的相似或不同的方式来实施。具 体地，其可以对位于设备1敏感表面周边的对环境变化自然地更加敏感的 电极分别地实施。采用具有更短时间宽度Tm的窗13，更快的矫正可以应 用于这些电极；

-本发明可以用能够限制电容泄漏的任何类型的电容测量电子器件实 施。

当然，本发明不限于刚刚描述的实施例，可以对这些实施例提供大量 修改而不脱离本发明范围。