一种输入装置及输入方法
【专利摘要】本发明提供了一种输入装置，包括：面板；电场感应发射电极，位于所述面板的中心，用于产生电场；环绕所述电场感应发射电极设置的电场感应接收电极，用于检测所述电场的变化；电场感应驱动芯片，用于根据所述电场的变化确定进入所述电场的导电体在三维空间中的位置变化数据；处理单元，用于根据所述位置变化数据生成对应的控制指令。本发明能够在人机交互中增强输入能力和交互体验。
【专利说明】一种输入装置及输入方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及人机交互领域，尤其涉及一种输入装置及输入方法。
【背景技术】
[0002]新兴的电场感应技术是一种用于三维手势识别的前沿技术，其利用准静态电近场来感应导电物体，如人体，具体为人手或手指等。其技术原理大致为:在人手或手指进入该电场时，电场会失真。这是由于人体本身具有导电性，这时电场线会被引向人手并分流到地，从而本地的三维电场会减小。通过检测多个不同位置的电场变化，以获得电场失真的信息，并用于计算人手或手指的位置、跟踪人手或手指的移动以及区分人手或手指的移动模式(如手势等)。
[0003]这种技术在电路上可以近似于图1的模型，当有生物体如人手或手指进入到电场内时，人手或手指会分流掉一部分电流，通过检测所接收到的电流的微弱变化及若干电流信号的相关性获得人手或手指的三维坐标位置。
【发明内容】
[0004]本发明要解决的技术问题是如何在人机交互中增强输入能力和交互体验。
[0005]为了解决上述问题，本发明提供了一种输入装置，包括:面板；
[0006]电场感应发射电极，位于所述面板的中心，用于产生电场；
[0007]环绕所述电场感应发射电极设置的电场感应接收电极，用于检测所述电场的变化；
[0008]电场感应驱动芯片，用于根据所述电场的变化确定进入所述电场的导电体在三维空间中的位置变化数据；
[0009]处理单元，用于根据所述位置变化数据生成对应的控制指令。
[0010]可选地，所述面板包括:
[0011 ] 触摸面板和电场感应电极板；
[0012]所述电场感应发射电极和电场感应接收电极位于所述电场感应电极板上。
[0013]可选地，所述电场感应电极板为贴于触摸面板背面的独立的印刷电路板或者柔性电路板；
[0014]矩形的电场感应发射电极位于所述电场感应电极板的中间，四个长条形的电场感应接收电极位于所述电场感应电极板上电场感应发射电极的四周。
[0015]可选地，所述面板为电容触摸面板；所述电场感应发射电极和电场感应接收电极采用透明导电薄膜材料制作在所述电容触摸面板上。
[0016]可选地，所述导电体为人手或手指；
[0017]所述处理单元根据所述位置变化数据生成对应的控制指令是指:
[0018]所述处理单元根据所述位置变化数据识别出手势，生成所识别出的手势对应的控制指令。[0019]可选地，所述处理单元生成所识别出的手势对应的控制指令是指:
[0020]所述处理单元判断所述输入装置的当前使用状态，根据所述输入装置的当前使用 状态对应的第一对应关系，生成所识别出的手势对应的控制指令。
[0021]本发明还提供了一种输入方法，应用于上述任一输入装置中；所述方法包括:
[0022]通过电场感应发射电极产生电场；
[0023]通过电场感应接收电极检测所述电场的变化；
[0024]电场感应驱动芯片根据所述电场的变化确定进入所述电场的导电体在三维空间 中的位置变化数据；
[0025]处理单元根据所述位置变化数据生成对应的控制指令。
[0026]可选地，所述处理单元根据位置变化数据生成对应的控制指令的步骤包括:
[0027]所述处理单元判断所述输入装置的当前使用状态，根据所述输入装置的当前使用 状态对应的第一对应关系，生成所述位置变化数据对应的控制指令。
[0028]可选地，所述导电体为人手或手指；
[0029]所述处理单元根据位置变化数据生成对应的控制指令的步骤包括:
[0030]所述处理单元根据所述位置变化数据识别出手势，生成所识别出的手势对应的控 制指令。
[0031 ] 可选地，所述处理单元生成所识别出的手势对应的控制指令的步骤包括:
[0032]当识别出的手势为手指轻触所述面板上手对所述面板的投影区时，所述处理单元 根据手的投影区的位置，判断该轻触处于所述手的投影区的左半部分还是右半部分；
[0033]根据判断结果生成相当于鼠标左、右键功能的控制指令。
[0034]可选地，所述处理单元生成所识别出的手势对应的控制指令的步骤包括:
[0035]当识别出的手势为在手的投影区中间用手指做上下滑动或前后移动时，所述处理 单元生成相当于鼠标滚轮操作的控制指令。
[0036]本发明的技术方案可以进行多种人体信息的输入，应用的场景丰富；可以制作成 非常轻薄的平板形状，便于携带，例如可以做成插入笔记本电脑和平板电脑等移动设备背 部的专用卡槽的形态。用人手或手指等就可以输入包括鼠标功能在内的诸多控制指令，人 手或手指即使不与面板直接接触的情况下也能够进行输入，在车船等颠簸情形下也可以提 供较好的输入使用体验。与传统的鼠标和触摸板输入设备相比，可以增强输入能力和增强 交互体验效果，而且耗电量非常小，作为无线设备使用时可以大大延长电池使用寿命；而且 可以由用户开发出很多新颖的用途，例如挂在卧室门口，在无线网络环境下可以用作歹徒 入侵的报警器等功能，而用户只需要修改对应的应用即可。
【专利附图】
【附图说明】
[0037]图1为电场感应的原理示意图；
[0038]图2为实施例一中面板的结构示意图之一；
[0039]图3为图2中电场感应电极板的结构示意图；
[0040]图4为实施例一中面板的结构示意图之二 ；
[0041]图5为实施例一中空间位置识别原理不意图之一；
[0042]图6为实施例一中空间位置识别原理不意图之二 ；[0043]图7为实施例二中输入装置的示意框图；
[0044]图8为实施例三中输入方法的流程示意图；
[0045]图9为实施例三中第一个应用场景的使用示意图；
[0046]图10为实施例三中第二个应用场景的使用示意图；
[0047]图11为实施例三中第三个应用场景的使用示意图；
[0048]图12为实施例三中第四个应用场景的使用示意图；
[0049]图13为实施例三中第五个应用场景的使用示意图；
[0050]图14为实施例三中第六个应用场景的使用示意图。
【具体实施方式】
[0051]下面将结合附图及实施例对本发明的技术方案进行更详细的说明。
[0052]需要说明的是，如果不冲突，本发明实施例以及实施例中的各个特征可以相互结 合，均在本发明的保护范围之内。另外，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况 下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
[0053]实施例一、一种输入装置，包括:面板；
[0054]电场感应发射电极，位于所述面板的中心，用于产生电场；
[0055]环绕所述电场感应发射电极设置的电场感应接收电极，用于检测电场的变化；
[0056]电场感应驱动芯片，用于根据电场的变化确定进入电场的导电体在三维空间中的 位置变化数据；
[0057]处理单元，用于根据所述位置变化数据生成对应的控制指令。
[0058]本实施例中，所述导电体可以为人手或手指，还可以是其它与生物体具有相同或 相似导电特性的器具。
[0059]本实施例的一种实施方式中，所述面板包括:触摸面板和电场感应电极板；所述 电场感应发射电极和电场感应接收电极位于所述电场感应电极板上。
[0060]该实施方式中，所述电场感应电极板可以为贴于触摸面板背面的印刷电路板(SP PCB板)或者柔性电路板(即FPC板)，两者之间还可以包括一显示屏；所述输入装置还包括 与所述触摸面板相连的触摸驱动芯片，以及与所述显示屏相连的显示屏驱动电路。
[0061]触摸面板、显示屏和电场感应电极板所组成的多层面板复合结构如图2所示。其 中，触摸面板可以但不限于为电容触摸面板21 ;显示屏可以但不限于为电子墨水屏22，电 容触摸面板21、电子墨水屏22和电场感应电极板23依次叠放在一起，形成所述面板。
[0062]在其他的实施方式中，所述面板包括触摸面板、显示屏和电场感应电极板等中的 任意一种或任意组合。
[0063]该实施方式中，所述电场感应电极板的一种备选方案如图3所不,矩形的电场感 应发射电极31位于所述电场感应电极板30的中间，四个长条形的电场感应接收电极32位 于所述电场感应电极板30上电场感应发射电极31的四周。实施时也可以用其它方案实现 本实施方式。
[0064]本实施例的另一种实施方式中，所述面板是利用电容触摸面板制造中常用的透明 导电ITO (透明导电薄膜)材料，在普通电容触摸面板上额外制作电场感应发射电极和电场 感应接收电极而形成的一体化面板。[0065]该另一种实施方式的一种备选方案如图4所示，在电容触摸电极42的下方覆盖一 层矩形的由ITO材料制成的电场感应发射电极41，在其边缘处制作多个电场感应接收电极 43即可实现电容-电场感应一体化面板。其中，这些电场感应接收电极43可与电容触摸电 极42同层设置。实施时也可以用其它方案实现本实施方式。
[0066]下面举例说明当进入电场的导电体为人手时，在不同的应用场合下，所述输入装 置如何识别人手的操作。
[0067]I)当人手只是悬在所述面板上方做一些操作而没有与所述面板接触时，首先确定 人手的空间位置，即其几何中心投影在所述面板上的坐标(x，y)，以及其与面板的距离h， 如图5所示。下面以图3所示的四个长条形电场感应接收电极围绕一个矩形电场感应发射 电极的结构为例，说明所述电场感应驱动芯片如何通过检测所述电场感应接收电极的电流 信号变化来获得人手的空间位置。
[0068]如图3给出的例子中，设四个电极采样到的电压分变为VX1，VX2，VY1，VY2。设定感 应板的中心为坐标系零点，人手没有进入电场的静止状态时电极的感应值为分别为ful 1_ scale_xl, full_scale_x2, full_scale_yl, full_scale_y2, hmax 为最高检测高度，可以得 出以下关系:
[0069]AX=VX1-VX2
[0070]AY=VY2-VY1
[0071]Px=(VXI/full_scale_xl+VX2/full_scale_x2)/2
[0072]Py= (VYI/full_scale_yl+VY2/full_scale_y2)/2
[0073]Pxy= (Px+Py) /2
[0074]坐标 x=kx*Px* A X+offset_x
[0075]坐标 y=ky*Py* A Y+offset_y
[0076]与面板的距离 h=hmax*Pxy+offset_h
[0077]其中kx和ky是在不同的距离上坐标位置的校正系数，offset_x、offset_y和 OfTsetJ1是用于消除漂移的校正值，这些变量可根据实际的电场感应电极板进行实测得 至IJ。上述算法也可使用于其它电场感应芯片中，以获得人手几何中心投影在所述面板上的 坐标(x，y)，以及其与面板的距离h。
[0078]若所述电场感应驱动芯片采用的是能够获取空间位置的电场感应驱动芯片(比如 microchip公司的电场感应芯片MGC3130)，由于该公司提供的固件算法可以直接获取这两 个量(即坐标(x，y)及距离h)，所以可直接获得，比较容易。当然，也可通过其他算法获取坐 标(x，y)及距离h。
[0079]2)当人手与面板直接接触时，其在所述面板上会形成多点的轮廓数据，如图6中 左图的情形。但在实际的操作中，由于很多用户进行某些操作过程中，手指部分会抬起，并 且用户在移动的时候只会移动抬起的部分，由于所述面板无法检测到这部分轮廓数据，从 而导致人手的接触面轮廓数据丢失，如图6中右图所示方框内的若干个点，这时候就需要 加入电场感应驱动芯片提供的位置变化数据进行辅助识别，即:将所述面板提供的轮廓数 据和电场感应驱动芯片提供的位置变化数据在所述处理单元上进行融合运算，或者通过通 信接口上传于用户设备上进行融合运算，以避免只由所述面板获得的人手轮廓数据不能识 别出手指的位置改变而导致的无法完全反映用户想要进行的位移操作。[0080]该应用场合下对人手位置的识别步骤如下，包括步骤S21?S23:
[0081 ] S21、从触摸面板获得人手的轮廓数据。
[0082]S22、若人手的轮廓数据完整，如图6左图所述，包括手掌和手指部分的轮廓数据， 则可通过计算得到人手的质心坐标(x，y)直接替代空间坐标；若轮廓数据不完整，如图6右 图所示，不包括手指部分的轮廓数据，只包括手掌与所述触摸面板接触而形成的2块阴影， 则根据已接触的2个阴影块估算手掌大小和坐标的估算值(xc，yc)；
[0083]这种姿势无法通过触摸面板上的轮廓数据得到手指在空间中的具体位置，但可以 通过4个电场感应接收电极的电流信号衰减的程度，估算出手没有接触触摸面板的其余部 分的空间坐标。
[0084]S23、将所述估算值xc和yc，以及根据电场感应驱动芯片提供的位置变化数据得 到的人手悬空部分的空间坐标进行质心运算，得到整个人手的几何中心投影在所述面板上 的实际坐标(x，y)。
[0085]在上述融合运算中，可对二者的数据创建一个可信度评定的系统，利用卡尔曼滤 波进行优化处理，这样可以得出更为精准的位移数据。本实施例的一种实施方式中，所述处 理单元根据所述位置变化数据生成对应的控制指令具体可以是指:
[0086]所述处理单元根据所述位置变化数据识别出手势，生成所识别出的手势对应的控 制指令。
[0087]该实施方式中，所述处理单元生成所识别出的手势对应的控制指令具体可以是 指:
[0088]所述处理单元判断所述输入装置的当前使用状态，根据所述输入装置的当前应用 状态对应的第一对应关系，生成所识别出的手势对应的控制指令。
[0089]该实施方式可以使同样的手势在不同应用场景下产生不一样的控制指令，所述手 势不仅包括人手或手指的运动姿态，也包括各种导电体的运动姿态。比如当前应用状态为 运行防盗应用时的防盗状态；防盗状态对应的所述第一对应关系为:手势与报警的控制指 令之间的对应关系，比如当手势为向面板靠近时对应的控制指令为报警；如果当前应用状 态是普通的鼠标状态，则所述第一对应关系为手势与移动鼠标指针、点击鼠标左、右键、滑 动鼠标滚轮的控制指令之间的对应关系。
[0090]本实施例提供了一种全新概念的输入装置，可以实现诸如手势识别、手写板、空中 书写、全自由度鼠标、生物接近报警、立体显示游戏交互等功能。该输入装置可以在无线网 络的环境内跟平板电脑或个人计算机等终端通信，所有传感器的数据接口可以公开给用 户，用户甚至可以自行开发APP来扩展本输入平台的功能。
[0091]实施例二, 一种输入装置,如图7所示,所述输入装置包括面板71、电场感应驱动 芯片72及处理单元73。
[0092]所述面板71包括电容触摸面板712、电场感应电极板711及显示屏713 ;所述电场 感应电极板711上设置了电场感应发射电极和电场感应接收电极，均与所述电场感应驱动 芯片72相连。
[0093]所述处理单元73为MCU (微处理单元)；
[0094]所述输入装置还包括:
[0095]电容触摸驱动芯片74，用于根据所述处理单元73的控制驱动所述电容触摸面板712在二维空间上读取多点触摸手势；
[0096]显示屏驱动电路75，可以根据所述处理单元73的控制在所述显示屏713上显示用 户界面，增强交互效果；
[0097]USB接口 76，用于提供与PC或其他设备之间的有线连接；
[0098]无线通信模块77，用于提供与其它设备的无线连接，可以为蓝牙、2.4G/5.8G、WIFI 或者zigbee模块等。
[0099]实施例三、一种输入方法，应用于上述任一实施例的输入装置中，所述方法如图8 所示，包括:
[0100]801、通过电场感应发射电极产生电场；
[0101]802、通过电场感应接收电极检测所述电场的变化；
[0102]803、电场感应驱动芯片根据所述电场的变化确定进入所述电场的导电体在三维 空间中的位置变化数据；
[0103]804、处理单元根据所述位置变化数据生成对应的控制指令。
[0104]本实施例的一种实施方式中，所述导电体为人手或手指；
[0105]所述步骤804具体可以包括:
[0106]所述处理单元根据所述位置变化数据识别出手势，生成所识别出的手势对应的控 制指令。
[0107]本实施例的一种实施方式中，所述处理单元生成所识别出的手势对应的控制指令 的步骤具体可以包括:
[0108]所述处理单元判断所述输入装置的当前使用状态，根据所述输入装置的当前使用 状态对应的第一对应关系，生成所识别出的手势对应的控制指令。
[0109]本实施例的第一种应用场景如图9所示，用户将手放在面板(如上述任一实施例 的输入装置的面板)上时，所述生成所识别出的手势对应的控制指令的步骤具体可以包括: 当识别出的手势为整个手移动时，所述处理单元根据所述电场感应驱动芯片检测出的手的 移动的方向和距离，生成相当于鼠标向相应方向移动相应距离的控制指令。
[0110]本实施例的第二种应用场景如图10所示，所述生成所识别出的手势对应的控制 指令的步骤包括:当识别出的手势为手指轻触所述面板上手对所述面板的投影区时，所述 电场感应驱动芯片根据手的投影区的位置(可以但不限于以手的几何中心投影在所述面板 上的坐标(X，y)表示)，判断该轻触处于所述手的投影区的左半部分93还是右半部分91，所 述处理单元根据判断结果生成相当于鼠标左、右键功能的控制指令；当识别出的手势为用 户在投影区中间92用手指做上下滑动或前后移动时，所述处理单元生成相当于鼠标滚轮 操作的控制指令。用户在操作的时候手可以非常自由的在面板表面和空间上运动，手指可 以悬空。用户还可以做出手握鼠标的动作，仿佛手中确实有一个鼠标，以满足用户之前的操 作习惯。
[0111]本实施例的第三种应用场景如图11所示，当手悬空于面板上时,用手从空中做上 下左右以及其组合方向的滑动、顺逆时针转圈、打钩和打叉等操作时，根据之前的人手部投 影算法，不难得出手的三维运动轨迹；这个轨迹在数据上的表达形式是一个含有三个分量 的序列[X，y, h]，分别是手对于所述面板上方空间的x、y坐标和距离；对连续采样到序列进 行分析可以非常容易的得出其运动轨迹，从而通过位置变化数据识别出手势；还可以采用已有芯片完成手势识别。所述处理单元可以分别生成各手势对应的控制指令，以完成相应 的功能。
[0112]本实施例的第四种应用场景如图12所示，在运行手写应用时，应用状态为手写状 态，手写状态对应的第一对应关系为:所识别出的手势与输入笔划之间的对应关系。用户可 以用手在面板上书写。面板上附带的屏可以显示记录下的笔画。这项功能可以依靠电容触 摸板采样到的数据，通过平台端的应用程序实现识别。
[0113]本实施例的第五种应用场景如图13所示，在运行手写应用时，应用状态为悬空手 写状态，悬空手写状态对应的第一对应关系为:所识别出的手势与输入笔划之间的对应关 系。用户可以用手在空中书写并识别出所写的字。面板上附带的屏可以显示记录下的笔画。 该功能类似于手势识别功能，传统的书写识别仅仅对一组含2个分量[x，y]的序列进行特 征分析。空中书写则是对含有三个分量的序列[x，y，h]进行特征分析和特征库建立。
[0114]本实施例的第六种应用场景如图14所示，该屏幕也可以是支持裸眼3D的屏幕或 者是柔性屏。利用之前描述的手势识别的技术，可以实现空手对裸眼3D所显示的虚拟立体 物进行交互，比如当手从图14左图所示的形态改变为右图所示的形态时，可以识别为手在 空间中的抓取动作。面板上的若使用裸眼3D的屏幕可以显示一些n物体来增强互动性， 应用状态为交互状态，交互状态对应的第一对应关系为:所识别出的手势与产生的动作结 果之间的对应关系。例如做屏幕上显示一个杯子，当识别出的手势为出拳的动作时，则生成 显示杯子碎裂的样子的控制指令。
[0115]当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟 悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变 形都应属于本发明的权利要求的保护范围。
【权利要求】
1.一种输入装置，包括:面板； 其特征在于，还包括: 电场感应发射电极，位于所述面板的中心，用于产生电场； 环绕所述电场感应发射电极设置的电场感应接收电极，用于检测所述电场的变化；电场感应驱动芯片，用于根据所述电场的变化确定进入所述电场的导电体在三维空间中的位置变化数据； 处理单元，用于根据所述位置变化数据生成对应的控制指令。
2.如权利要求1所述的输入装置，其特征在于，所述面板包括: 触摸面板和电场感应电极板；所述电场感应发射电极和电场感应接收电极位于所述电场感应电极板上。
3.如权利要求2所述的输入装置，其特征在于: 所述电场感应电极板为贴于触摸面板背面的独立的印刷电路板或者柔性电路板； 矩形的电场感应发射电极·位于所述电场感应电极板的中间，四个长条形的电场感应接收电极位于所述电场感应电极板上电场感应发射电极的四周。
4.如权利要求1所述的输入装置，其特征在于: 所述面板为电容触摸面板；所述电场感应发射电极和电场感应接收电极采用透明导电薄膜材料制作在所述电容触摸面板上。
5.如权利要求1所述的输入装置，其特征在于: 所述导电体为人手或手指； 所述处理单元根据所述位置变化数据生成对应的控制指令是指: 所述处理单元根据所述位置变化数据识别出手势，生成所识别出的手势对应的控制指令。
6.如权利要求5所述的输入装置，其特征在于，所述处理单元生成所识别出的手势对应的控制指令是指: 所述处理单元判断所述输入装置的当前使用状态，根据所述输入装置的当前使用状态对应的第一对应关系，生成所识别出的手势对应的控制指令。
7.一种输入方法，应用于如权利要求1?6中任一项所述的输入装置中；所述方法包括: 通过电场感应发射电极产生电场； 通过电场感应接收电极检测所述电场的变化； 电场感应驱动芯片根据所述电场的变化确定进入所述电场的导电体在三维空间中的位置变化数据； 处理单元根据所述位置变化数据生成对应的控制指令。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述处理单元根据位置变化数据生成对应的控制指令的步骤包括: 所述处理单元判断所述输入装置的当前使用状态，根据所述输入装置的当前使用状态对应的第一对应关系，生成所述位置变化数据对应的控制指令。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于: 所述导电体为人手或手指；所述处理单元根据位置变化数据生成对应的控制指令的步骤包括: 所述处理单元根据所述位置变化数据识别出手势，生成所识别出的手势对应的控制指令。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述处理单元生成所识别出的手势对应的控制指令的步骤包括: 当识别出的手势为手指轻触所述面板上手对所述面板的投影区时，所述处理单元根据手的投影区的位置，判断该轻触处于所述手的投影区的左半部分还是右半部分； 根据判断结果生成相当于鼠标左、右键功能的控制指令。
11.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述处理单元生成所识别出的手势对应的控制指令的步骤包括: 当识别出的手势为在手的投影区中间用手指做上下滑动或前后移动时，所述处理单元生成相当于鼠标滚轮操作的.控制指令。
【文档编号】G06F3/0346GK103440049SQ201310381796
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2013年8月28日 优先权日:2013年8月28日
【发明者】蒋凌峰 申请人:深圳超多维光电子有限公司