一种在光学手写板上区分悬浮和书写的方法与流程

本发明涉及一种用于计算机的手写输入设备，属人机交互技术领域，特别是手写触摸类人机交互的技术领域。

背景技术：

现有用于图文输入的手写板主要有电阻、电磁、电容和光学、超声波手写板等几类。其中电磁和超声波手写板可以实现鼠标悬浮定位功能，即当手写板中手写笔的笔尖浮在板面上移动时，显示屏幕上的鼠标指正能随之移动，告知笔尖现在在屏幕上的位置。对于可以同时在纸张上留下墨迹、同时又能在计算机上留下电子数据的需求，光学手写板是目前唯一可以使用水性通用墨芯并且手写笔的粗细做到最小的，因此在微课制作、电子作业等领域具有非常好的实用性。但是现有光学手写板的技术方案是使用笔尖可发射红外光的手写光笔来实现笔尖的定位，即捕捉笔尖在手写板上的位置，映射到计算机屏幕上耳朵对应位置，而后通过如蓝牙等其他数据通道，来传送手写笔是处于在纸面上浮动定位还是处于书写状态的信息。这种结构方案需要增加一套用于传递手写笔尖是否处于书写状态的信号通道，现有的方案是使用蓝牙构建这条通道。这样，因为增加了蓝牙部件，所以增加了手写笔中电路和结构复杂性，增加了手写笔的直径、体积和产品的原材料成本。同时，蓝牙系统也要消耗一部分电能，这将加快手写笔内电池的消耗，缩短手写板的使用时间。同时，复杂的结构也降低了产品的可靠性。

技术实现要素：

本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，公开了一种在光学手写板上区分鼠标指针悬浮和书写的方法。这种方法用于由可发射红外光线的手写笔和包含有由安装在手写板的两个顶角的图像传感器，或者是由一个安装在手写板上方的面阵图像传感器，及其信号扫描接收、处理、计算、数据输出单元构成的手写信号接收系统所构成的光学手写板；在所述方法分别包含有手写笔内的和手写中的分别被同时执行的步骤：

在所述手写笔内，系统启动后按照如下步骤顺序执行：

a、检测手写笔中书写压力传感器是否处于书写状态，如果处于书写状态则执行步骤b，如果没有处于书写状态则执行步骤c；

b、微控制器驱动红外发射管发射被编码1调制的红外光线；

c、微控制器驱动红外发射管发射被编码2调制的红外光线；

d、返回步骤a；

在所述手写信号接收系统内，系统启动后包含有如下步骤，按照某种设定的顺序执行。这里所说的设定的顺序，是依据摄像头的扫描速度、微处理器的计算速度以及微处理器是否具备多线程的能力等各个方面综合来设定的执行顺序。所述的包含的步骤如下：

a、检测图像传感器被扫描、接收、处理后的信号输出是否是有效的信号，如果有，则执行后面的步骤，如果没有则循环执行本步骤；

b、通过所述有效信号计算手写笔笔尖的坐标值的步骤；

c、判定有效信号的编码是编码1还是编码2的步骤；

d、在步骤c判定有效信号的编码为编码1以后，生成包含有手写笔笔尖的坐标值的浮动鼠标数据的步骤；

e、在步骤c判定有效信号的编码为编码2以后，生成包含有手写笔笔尖的坐标值的书写数据的步骤；

f、输出坐标数据的步骤；

g、返回步骤a的步骤。

如果信号接收系统内的微处理器只能执行单任务，那么所有步骤只能顺序执行，这时手写信号接收系统可设定为按照如下的设定顺序执行各个步骤：

步骤a，步骤b，步骤c，步骤d或步骤e二选一，步骤f，步骤g；或者：

步骤a，步骤c，步骤b，步骤d或步骤e二选一，步骤f，步骤g。

至少可同时执行两个步骤；

如果所述的手写信号接收系统是可执行多任务的微控制器系统，至少可同时执行两个步骤；那么为尽量缩短扫描处理的周期，提升上报率，应该将某些步骤安排为并行执行。这时所述步骤g包含有两个功能的步骤：其一是返回到步骤a的功能步骤g1，其二是监测后续处理状况的功能步骤g2，g2在监测到后续步骤全部完成以后，引导后续步骤继续执行；并且步骤g在步骤a和二选一的步骤d或e之间被执行。这样，所述手写信号接收系统可以设定为以如下几种顺序执行各个步骤：

步骤a，步骤g、步骤b，步骤c，步骤d或步骤e二选一，步骤f；或者：

步骤a，步骤b，步骤g、步骤c，步骤d或步骤e二选一，步骤f；或者：

步骤a，步骤b，步骤c，步骤g、步骤d或步骤e二选一，步骤f。

这里，所述步骤b和步骤c的执行顺序可根据需要对调。

在本发明中，编码1和编码2是设定周期不同的脉冲、脉冲的组合，或者其中一个是驱动发光二极管持续发光的高电平。

有益效果

从上面对本发明的技术方案的描述中可以看到，本发明通过对原本用于发射定位手写笔尖位置信息的红外脉冲，依据笔尖压力感应元件所检测到的书写状态实施编码，并在手写板上的红外光电信号的接收端对所收到的红外信号实施解码、判定，从而实现了仅仅通过红外信号通道既可区分手写笔的书写或悬浮定位的状态，简化了手写板尤其是空间极为有限的手写笔的电子和机械结构的设计，降低了产品的原材料和生产成本，非常有利于本方案产品的推广应用。

附图说明

图1：（a）手写笔内部的程序流程图，（b）手写信号接收系统内部的一种程序流程图；

图2：手写信号接收系统内的另一种程序流程图；

图3：手写信号接收系统内一种多任务的程序流程图；

图4：手写信号接收系统内另一种多任务的程序流程图；

图5：本方法所适用的一种单摄像头手写板的基本机构示意图；

图6：本方法所适用的一种双摄像头手写板的基本机构示意图。

具体实施例

首先，图5和图6给出了适用于这种方法的手写板的基本结构，在此先行说明。图5所示的是一种由两个图象传感器（通常称为摄像头，在本发明中含义相同）构成一种光学手写板的基本结构。在图中，在手写底版（也可以是一个可供书写的区域，如桌面的一部分）506的两个顶角位置分别安装有两个摄像头502和503。这两个摄像头可以是通用的面阵摄像头，但因为不需要显示手写笔的形状，只是测量角度，所以也可以使用成本更低、灵敏度更高、抗干扰性更强的线阵（图像）传感器。所述的两个摄像头同时接收可在笔尖505处发出红外光的手写光笔504所发出的红外光，所输出的光电信号被信号接收、处理、计算、传输系统501接收处理后，手写笔504的坐标和操作数据通过输出端口507被传送到上位机。

图6是另一种可以使用本方法的光学手写板的基本结构。如图6所示，在手写底版（也可以是一个可供书写的区域，如桌面的一部分）606的上方，通过支架602安装有一个图像传感器（摄像头）601；检测包含有可发射出红外光的笔尖605的手写光笔604的笔尖的位置。摄像头601所接收到的图像信号通过信号处理系统603的接收、计算等处理后，通过输出端口607传输到上位机。

但无论哪种结构的手写板，手写笔内的控制方法都是类似的，如图1（a）所示，手写笔内的微控制器系统的执行代码中包含有系统通过上电或中断启动的操作11，即步骤a，然后系统在不停地循环检测书写压力传感器（如与笔尖联动的微动开关或利民传感器），实现对手写笔书写还是悬浮状态的判断环节12，即步骤b。在系统设计时，可以设定：当手写笔没有书写而只是在手写板上方悬空移动时，笔内的微控制器系统通过操作13，驱动红外发光管发射编码1的红外光，这时要求手写笔的笔尖以鼠标光标的形式在上位机的显示屏幕上移动；当手写笔尖以一定压力接触到手写板的板面书写时，笔内的微控制器系统通过操作14，驱动红外发光管发射编码2的红外光，这时要求手写笔的笔尖在上位机的显示屏幕上留下“墨迹”，或者执行点击等操作。红外发射管所发射的红外光通过笔尖505或605，被发射到周围空间。在一个检测或发射周期结束后，系统返回步骤a，开始新一轮循环。这样，所述的图像传感器即可接收到两种对应于手写笔不同的使用状态的、不同编码的红外光，为手写板内红外光电信号的接收系统对所收到的红外信号实施解码、判定提供了信号源。

这里，编码1和编码2是设定周期不同的脉冲、脉冲的组合，或者其中一个是驱动发光二极管持续发光的高电平。

实施例1：单任务系统的方法和步骤

图1（b）给出的是一种用于手写板内信号扫描接收、处理、计算、数据输出单元构成的手写信号接收系统的、相对简单通用的信号处理流程图。在这个系统中，微控制器每时每刻只能做一件事，因此各个步骤顺序进行，是一个单任务的信号处理系统。在这个系统中，包含有可执行如下操作或步骤的代码。首先，通过上电或者中断的方式实现系统启动、自检的操作101，而后系统进入对摄像头是否有输出信号的操作102以及是否输出了有效信号进行判断的操作103，即步骤a，以区分是环境光还是手写笔发出的红外光。如果没有收到手写笔发射的有编码的红外光，步骤a自我循环不断检测；如果收到了手写笔所发出的红外光，则进入下一个操作104——计算单元读取微控制器系统输出的、经过a/d变换的光电信号，实施坐标点计算的操作，即步骤b。然后，系统进入编码判断的步骤，即步骤c，通过操作105来判断编码的标记是编码1还是编码2。当系统判断输入的光电信号为编码1的信号时，系统进入手写数据生成的环节107，即步骤d，结合手写笔尖的坐标值和通信协议，生成对应于鼠标指针悬浮状态的数据文件，通过传输环节108即步骤f传输到上位机。当系统判断输入的光电信号为编码2的信号时，系统首先进入书写指令生成或发出环节106，输出手写指令（一般类同于鼠标左键按下的指令）到进入手写数据生成的环节107，构成手写数据生成的步骤e，再结合手写笔尖的坐标值和通信协议，生成对应于书写状态的数据文件，通过传输环节108即步骤f传输到上位机。最后，在完成上述过程之后，系统通过返回步骤109即步骤g，返回到步骤a开始下一个循环。这里，步骤d和e是一个二选一的操作，因为手写笔不会出现既悬浮又书写的状态，只能是或者悬浮或者书写。

对于单任务系统，某些步骤的执行顺序可以灵活设计，如图2给出的流程图。相对于图1，图2中的步骤b与c的执行顺序作了调换，相应的执行环节或操作顺序也对应作了调整，是本实施例的另一种流程，可在技术方案设计中依据习惯或硬件资源的情况自行选定。

实施例2：多任务系统的方法和步骤

由于微控制器技术的进步，现在已经有很多mcu（微控制单元）具备了多任务多线程的能力，可至少同时进行两个操作，因此为尽量缩短扫描处理的周期，提升上报率（单位时间内向上位机传输单元数据的次数），应该充分发挥微控制器的处理能力，将某些步骤安排为并行执行。这样将有助于缩短手写板的相应时间，使书写更流畅，提升使用体验。图3、图4给出了两种当手写板内信号扫描接收、处理、计算、数据输出单元构成的手写信号接收系统的为多任务系统时，微控制系统的操作流程图。首先以图3为例来说明多任务系统的结构和流程。与图2相比，图3中的大部分操作环节、步骤相同，但为了协调不同任务之间操作、循环的协调性，保证各个环节不冲突不遗失数据，图3中增加了一新新的控制环节和步骤。在图3中，将整个数据检测、存储、处理、计算、输出等操作划分为了两组循环，其中实施例1中的步骤a与步骤c、步骤g构成了一组循环，步骤b、d或e二选一、f也通过步骤g构成了另一组循环。这里步骤g包含有两个功能的步骤：其一是返回到步骤a的功能步骤g1，由返回操作109实现；其二是监测后续处理状况的环节201、暂停环节203构成功能步骤g2，监测后面是否有任务在执行。当某一个循环中步骤a完成以后，摄像头输出的信号经过a/d变换和步骤c的编码判定、书写指令生成后，通过新增的操作环节202将a/d等各项数据存储在缓存中，这时监测后续处理状况的操作201在不停地检测是否收到由数据输出操作步骤f所发出的空闲信号，如果没有监测到所述的困难空闲信号，则系统进入暂停环节203，步骤g2得到执行，步骤a暂停；当监测步骤201检测到所述的空闲信号以后，手写笔坐标值的计算环节104读取缓存中的a/d数据而进入到步骤b，而后步骤d或e、f顺序得到执行，同时步骤a退出暂停，重新开始执行，并将收到的摄像头的有效数据经a/d变换后，再次存入缓存，等待后面的操作读取。

图4与图3的区别在于所述双任务的两个循环的分割点不同，图4把手写笔坐标计算的操作105即步骤b纳入了摄像头输出信号检测这个循环之中，由步骤a、b、g构成了第一组循环，其余步骤放入第二组循环之中。因为对一般mcu来说，手写笔坐标值的计算是最耗费时间的，逻辑判断则比较快，因此为了均衡两个循环的时间，可以将两外的一些操作，如上述的编码判断纳入摄像头输出信号检测这个循环之中。例如按照步骤a，步骤b，步骤c，步骤g、步骤d或步骤e二选一，步骤f这样的顺序执行操作。

图3、图4只是比较典型的两套多任务系统的执行步骤。在构建系统的整个流程时，还可以采用不同的分割方式，比如改变步骤b和c的执行顺序，甚至改变步骤b、c、d或e的执行顺序，可依据摄像头的扫描速度、mcu的性能、输出端口的传输速率等多方面因素综合设计。

上述两个实施例只是说明了本发明的一部分可能实施方式。因为具体的执行方式、软件框架结构设计、硬件设备的不同性能的差异，本发明的技术方案可以有非常多的具体实施方式，所以基于本发明技术方案的基本原理的等同替换、移植、劣化等改变，均在本发明的保护范围之内。