專利名稱：輸入數(shù)據(jù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種為計算機(jī)產(chǎn)生控制信號的裝置。
背景技術(shù)：
計算機(jī)操作者執(zhí)行的任務(wù)已經(jīng)變成對產(chǎn)生輸入數(shù)據(jù)的裝置進(jìn)行確定操作。在個人計算機(jī)中常采用鍵盤和鼠標(biāo)器作為輸入裝置。
計算機(jī)外圍設(shè)備的設(shè)計和操作，在計算機(jī)與諸如無線電設(shè)備、高保真機(jī)(hi-fi)和電視機(jī)等其它裝置之間保持著差異。對鍵盤和鼠標(biāo)器日益增長的要求使之對人類更廣泛活動中的計算機(jī)應(yīng)用構(gòu)成主要障礙。
一個例子是MP3和其它相關(guān)聲頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)。它們提供高質(zhì)量的聲頻數(shù)據(jù)壓縮。世界上的大多數(shù)無線電臺，除了它們的傳統(tǒng)電磁波頻譜配置外，現(xiàn)在能在英特網(wǎng)上進(jìn)行廣播。再有，在低成本的計算機(jī)硬盤上存儲整個CD集也成為可能。但是，計算機(jī)以其當(dāng)前的形態(tài)還不能真替代無線電臺或高保真裝置。視頻數(shù)據(jù)方面的情況也是這樣。除了編輯功能外，首選的可視裝置是傳統(tǒng)的電視裝置。
在一個公共方便使用的計算機(jī)生成環(huán)境中，計算機(jī)日益能夠接收和管理各種不同類型的媒體。然而，對計算機(jī)終端提供輸入的方法對這種技術(shù)的廣泛使用構(gòu)成制約。鍵盤和鼠標(biāo)器最適合桌面操作，這妨礙了計算機(jī)在更廣范圍內(nèi)替代現(xiàn)有電子設(shè)備。隨著計算機(jī)和英特網(wǎng)技術(shù)的開發(fā)，日益對其構(gòu)成制約的方式是用戶通過輸入裝置與計算機(jī)的交互作用。
圖形設(shè)計、視頻和影片編輯的數(shù)字化已導(dǎo)致與圖像數(shù)據(jù)交互作用用的先進(jìn)裝置的開發(fā)。目前最廣泛使用的輸入裝置是圖形輸入板，它以紙筆方式工作。在大型圖形輸入板上可提供一個具有鍵盤功能的區(qū)域，對該區(qū)的操作能產(chǎn)生所要求的特定文本。
在三維計算機(jī)模擬方面，還未出現(xiàn)單獨理想的外圍裝置。對于特殊應(yīng)用，已知有幾種較佳系統(tǒng)。其例子之一是無線跟蹤，能提供三維位置和三維旋轉(zhuǎn)。在實際有效應(yīng)用中，無線接收機(jī)安裝到用戶頭戴顯示器，通過分析從固定發(fā)射機(jī)獲得的位置信息用來確定用戶眼睛用的立體感圖像。對該圖像進(jìn)行更新，以提供用戶頭部的角度和位置的適合視圖。類同的裝置也可用于跟蹤手的位置，包括使用超聲波確定方向的裝置。由手指運動產(chǎn)生的手的姿態(tài)可用數(shù)據(jù)手套跟蹤。但是，這些裝置中沒有哪種裝置適合替代鍵盤或鼠標(biāo)器，這是因為產(chǎn)生三維位置數(shù)據(jù)而要求將裝置懸掛在空中的緣故。
圖形輸入板和三維輸入裝置在某些應(yīng)用中可適合替代鍵盤和鼠標(biāo)器。但是，它們的成本高和出于其它方面的實際考慮，使得它們不適合替代廣泛流傳、成本低和隨處可見的個人計算機(jī)的鍵盤和鼠標(biāo)器。
發(fā)明概述本發(fā)明目的在于提供一種將控制信號提供給計算機(jī)的改進(jìn)的輸入裝置。
附圖簡述

圖1示出傳感器和計算機(jī)終端；圖2和圖3詳細(xì)示出圖1所示傳感器的結(jié)構(gòu)，包括傳聲器和傳感器心；圖4詳細(xì)示出述圖3所示傳感器心的組成，包括模擬數(shù)字變換器、方向傳感器和數(shù)字信號處理器；圖5詳細(xì)示出圖4所示數(shù)字信號處理器；圖6詳細(xì)示出圖4所示模擬數(shù)字變換器之一；圖7詳細(xì)示出圖2所示傳聲器之一響應(yīng)第一類接觸事件記錄到的聲頻數(shù)據(jù)的頻域分析；圖8詳細(xì)示出圖2所示傳聲器中2個傳聲器響應(yīng)第二類接觸事件記錄到的聲頻數(shù)據(jù)的時域分析；圖9詳細(xì)示出圖4所示數(shù)字信號處理器執(zhí)行的步驟，包括識別拖曳位置的步驟，識別碰撞位置的步驟和識別球體方向的步驟；圖10詳細(xì)示出圖9所示識別拖曳位置的步驟，包括與模板相關(guān)的步驟和識別交叉弧的步驟；圖11詳細(xì)示出用于圖10所示相關(guān)步驟中的模板；圖12圖示說明圖10所示識別交叉弧的步驟；圖13詳細(xì)示出圖9所示識別碰撞位置的步驟；圖14詳細(xì)示出圖4所示方向傳感器，包括磁場傳感器和重力場傳感器；
圖15和圖16詳細(xì)示出圖14所示磁場傳感器；圖17和圖18詳細(xì)示出圖14所示重力場傳感器；圖19詳細(xì)示出圖9所示識別球體方向的步驟；圖20和圖21詳細(xì)示出用于圖1所示傳感器和計算機(jī)的充電和接收單元的結(jié)構(gòu)；圖22詳細(xì)示出圖1所示包含存儲器在內(nèi)的計算機(jī)終端的組成；圖23詳細(xì)示出圖22所示計算機(jī)存儲器的內(nèi)容；圖24概括了圖1所示計算機(jī)終端執(zhí)行的步驟，包括標(biāo)定傳感器的步驟和使用傳感器的步驟；圖25詳細(xì)示出圖24所示標(biāo)定傳感器的步驟；圖26詳細(xì)示出圖24所示使用傳感器的步驟，包括處理接觸事件數(shù)據(jù)的步驟；和圖27詳細(xì)示出圖26所示處理接觸事件數(shù)據(jù)的步驟。
較佳實施例的詳細(xì)說明圖1示出計算機(jī)終端101，它包含高分辨率顯示器102和標(biāo)準(zhǔn)個人計算機(jī)線路。顯示器102只是計算機(jī)的可視部分。計算機(jī)的組成(構(gòu)件)設(shè)置在顯示器殼體內(nèi)。計算機(jī)連接到英特網(wǎng)，并提供對各種不同類型媒體的接入，包括諸如字處理器等的聲頻、視頻應(yīng)用。這種高變化功能性通過結(jié)合英特網(wǎng)瀏覽器軟件應(yīng)用和圖形用戶接口環(huán)境如X-Windows獲得。這種結(jié)合技術(shù)，即硬件和軟件以及通過圖形顯示提供的信息，可看作第一類計算機(jī)產(chǎn)生環(huán)境。第二類計算機(jī)產(chǎn)生環(huán)境是這樣一種環(huán)境，在該環(huán)境中三維客觀世界呈現(xiàn)在兩維屏幕上，且各種形式的用戶輸入使用戶能在實際空間航行，尤如在現(xiàn)實世界中。目前，這類實際空間廣泛地應(yīng)用在游戲中，還用于重要的業(yè)務(wù)應(yīng)用，例如在復(fù)雜的計算機(jī)軟件研制中顯示故障跟蹤。雖然目前對這種視圖的專用解釋還未充分開發(fā)以提供實際工程議案，但三維客觀世界被廣泛地認(rèn)為是英特網(wǎng)的未來。
為了與計算機(jī)產(chǎn)生環(huán)境進(jìn)行交互作用，用戶對他們觀察點的位置和方向必須有簡便的控制。在現(xiàn)有計算機(jī)桌面環(huán)境下，航行涉及光標(biāo)或指示器103的簡便移動。另外還要求文本輸入。要求輸入的文本量取決于應(yīng)用，但是這兩種要求，即移動和文本輸入能看作對任何類型的任一通用計算機(jī)環(huán)境的基礎(chǔ)。
當(dāng)前基于窗口的桌面環(huán)境開發(fā)了許多十進(jìn)制，并通過鼠標(biāo)器及文本輸入用鍵盤的可用性而得到發(fā)展。在它們開發(fā)時，基于窗口和鼠標(biāo)器的圖形用戶接口環(huán)境不認(rèn)為是有使用應(yīng)力的。然而，它們的各桌面應(yīng)用和工廠中每日近乎不變的應(yīng)用結(jié)果產(chǎn)生各種應(yīng)力相關(guān)的征兆，包括重復(fù)應(yīng)變損傷(RSIRepetitive Strain Injury)和腕關(guān)節(jié)隧道綜合癥(Carpal Tunnel Syndrome)。這些損傷的存在表明現(xiàn)有計算機(jī)接口至少是略帶有使用應(yīng)力的，并表明好的輸入方法會使工人能增加生產(chǎn)力，以及朝著無應(yīng)力從容不迫相關(guān)的活動中增加日常使用潛在地開發(fā)通用計算機(jī)。
圖1示出改進(jìn)的計算機(jī)輸入裝置。計算機(jī)輸入裝置104是球形的。該球體直徑約6厘米。球體104通常如圖所示的用左手握著，同時右手的手指面對表面追尋以對屏幕上的指示器103的位置施加影響和控制。球體104可以任一度數(shù)自由定向，手指運動解釋為相對于屏幕102進(jìn)行，而不是相對于球體104表面本身進(jìn)行。按照該方法，用戶可在球體表面的任何部分移動手指，因而可自由旋轉(zhuǎn)球體并對其定向，于是，可解釋為在計算機(jī)產(chǎn)生環(huán)境的空間中進(jìn)行，而不是在輸入裝置104本身的物理環(huán)境中進(jìn)行。這可從計算機(jī)接口去掉一抽象層，并能夠開發(fā)原有直覺和快的交互作用的語言。
在兩維桌面環(huán)境中，該球體提供無限大的表面，鼠標(biāo)指示器可在其上運動，因而模仿鼠標(biāo)器運動，而不是用手指的移動整體實現(xiàn)，包括必要時用左手轉(zhuǎn)動球體或球104。
對面表面上手指的有意識運動被解釋為計算機(jī)產(chǎn)生環(huán)境中指示器的運動。左手的操縱產(chǎn)生可忽略不計的接觸事件信號。在面對傳感器104的表面進(jìn)行手指追尋是產(chǎn)生輸入數(shù)據(jù)的第一方法。使用傳統(tǒng)計算機(jī)鼠標(biāo)器，點擊或雙點擊用來表示相對于屏幕102上的指示器定位的執(zhí)行動作。這可通過傳感器104上的抽頭或雙抽頭(tap)，稱為“碰撞”(hit)來達(dá)到。該碰撞的位置可用來確定要執(zhí)行的命令的性質(zhì)。然而，用球體104能進(jìn)行各種更深遠(yuǎn)廣泛的事件或作用。
球體104可用來輸入文本字符。為了表明按照前面描述的圖形操作方法的變化，因而傳感器相當(dāng)硬地碰撞或撞擊在它的表面的任何地方。此后，手指在表面上的運動可解釋為字母數(shù)字字符。文本輸入可使用字符識別每一次一個字符地進(jìn)行?；蛘邔τ诟咚傥谋据斎耄墒褂盟賹懶问?。
球體104有稍微粗糙的表面。當(dāng)指尖抵著表面移動時手指與表面間的磨擦力導(dǎo)致產(chǎn)生隨機(jī)音頻噪聲。對該磨擦產(chǎn)生的噪聲進(jìn)行分析，以便確定這種類型的手指拖曳事件。圖2示出傳感器的傳聲器的布局，用來檢測這種方式產(chǎn)生的噪聲。球體的外殼包含3毫米厚的硅橡膠，并用細(xì)尼龍氈被覆，該氈提供合適的噪聲產(chǎn)生表面。直接在硅橡膠外殼下面相互等距離排列4個傳聲器201，202，203和204。它們具有與人類聽力基本相等的頻率范圍，可以采用通用音頻傳聲器。各傳聲器可認(rèn)為是處在三面錐體或正四面體的一個面的中心。任何兩個傳聲器之間設(shè)置的球體中心的角度約為110度。
可對各個傳聲器接收到的信號進(jìn)行分析以識別噪聲產(chǎn)生的拖曳事件的距離，并將來自兩個或多個傳聲器的這類分析的結(jié)果相結(jié)合以識別接觸事件在球體表面上的位置。
圖3示出球體104的更詳細(xì)的結(jié)構(gòu)。在制造期間，硅橡膠外殼制成兩半301和302。中心心體303包含傳感器的電路。在心體303與硅橡膠外殼之間是一隔音和吸振聚酯纖維層304。該結(jié)構(gòu)首先確保傳聲器201-204相互間實現(xiàn)良好的隔音，并使各傳聲器只接收硅橡膠外殼直接來的聲音。但是，再一重要優(yōu)點是具有非常高級別的抗振性，使得球體104可粗獷運用而不會損壞。傳聲器201-204埋設(shè)在外殼中硅橡膠模塑的支架中。
球體104的兩半301和302使用聲學(xué)上類似的硅橡膠封加以結(jié)合。心體303包含可充電電池，當(dāng)需要充電時它必須接收外部電力。為了避免導(dǎo)線連接破壞表面的結(jié)構(gòu)完整性，感應(yīng)環(huán)305提供了無接觸接入到充電電源。
圖4詳細(xì)列示出包含在圖3所示的中心心體303中的電路。一第一立體模擬數(shù)字變換器(A-D)401接收2個第一傳聲器201和202來的模擬音頻信號，一第二立體模擬數(shù)字變換器402接收從2個第二傳聲器203和204來的模擬音頻信號。適用的模擬數(shù)字變換器可用如Cirrus Logic制造的CS53L32A，可從http//www.cirrus.com網(wǎng)址得到。變換器401和402產(chǎn)生復(fù)合數(shù)字音頻信號，此信號加給數(shù)字信號處理器(DSP)403。數(shù)字信號處理器最好是摩托羅拉(Motorola)DSP56603，它包含音頻信號分析用的算術(shù)和存儲電路。關(guān)于DSP56603的設(shè)計數(shù)據(jù)和其它信息可從http//ebus.mot-sps.com網(wǎng)址得到。
加到變換器401和402的信號分析導(dǎo)致產(chǎn)生接觸事件的位置信號，這些信號從發(fā)射機(jī)404以數(shù)字形式發(fā)送到與計算機(jī)終端101相連的接收機(jī)。相對終端101產(chǎn)生的位置信號與傳感器104的任何轉(zhuǎn)動度無關(guān)。這有利于方向傳感器405。從方向傳感器來的信號定義球體104相對于屏幕102的方向，由此能進(jìn)行計算，從解釋表面發(fā)生的接觸事件中消除球體的方向。其后相對于屏幕考慮和解釋所述的接觸事件，而與球體的實際方向無關(guān)。從用戶的觀點看，該球體總是那樣感覺不變，并能旋轉(zhuǎn)它和操作它，無需考慮它的方向。
為了測定球體的方向，方向傳感器405把傳感器方向特征化為地球磁場引起的圍繞水平軸的一第一旋轉(zhuǎn)RM和地球重力場引起的圍繞垂直軸的一第二旋轉(zhuǎn)RG。將這些數(shù)據(jù)項與在球體表面上發(fā)生的接觸事件位置的相關(guān)數(shù)據(jù)相結(jié)合，就能以計算機(jī)終端101所在空間為基礎(chǔ)解釋球體上用戶的接觸事件。因此，例如手指朝著屏幕101的向前拖曳運動會使光標(biāo)向上移動，與球體方向無關(guān)。
心體303包含電力管理電路406和其它電路。電力管理電路406幫助DSP403的低電力和斷電方式的管理，它接收可充電NiMH電池407的電力，也協(xié)助對感應(yīng)環(huán)305提供的可充電電力進(jìn)行整流和電流調(diào)節(jié)。
圖5詳細(xì)示出圖4所示數(shù)字信號處理器403。在DSP內(nèi)有幾種數(shù)據(jù)和地址總線，為清楚起見，用簡化的線連接501對它們加以概括。定時器502提供脈沖寬度定時性能，用來測量方向傳感器405的信號。輸入和輸出電路(I/O)503提供從DSP至心體中包括A-D變換器401和402的其它組成部分的幾種物理連接。程序ROM和RAM504包含引導(dǎo)指令和控制指令，用于接口操作與心體303中其它電路相配合并用于進(jìn)行實時信號分析。X數(shù)據(jù)RAM505和Y數(shù)據(jù)RAM506每個指令周期將一對操作數(shù)提供給算術(shù)和邏輯單元(ALU)507。由此，ALU能在每個指令周期獲得X和Y存儲器505和506來的兩個數(shù)據(jù)操作數(shù)并將它們相乘。該結(jié)構(gòu)有效地幫助執(zhí)行要求的處理算法，以便確定球體表面上的接觸事件的位置。
各A-D電路401和402包含圖6所示電路。一第一通道前置放大器601接收一傳聲器的未放大的音頻信號并把它的強(qiáng)度增加到適合數(shù)字模擬變換的強(qiáng)度?？够煜秊V波器602濾除超過半采樣率的頻率分量，以保證后繼的音頻數(shù)據(jù)的頻率分析給出頻譜的精確表示。濾波器602的輸出加到低電力的立體16比特模擬的左輸入數(shù)字變換器芯片603。采樣率為44.1KHz。另一通道使用前置放大器604和抗混淆濾波器605對第二傳聲器進(jìn)行工作。共同的復(fù)合輸出從A-D變換器芯片加到DSP403。為了清楚起見，圖6中省略了附加的時鐘和字同步信號。
圖7示出了對單信道來的幾種第二音頻數(shù)據(jù)的分析。水平軸表示時間，垂直軸表示頻率。圖中特定時間上特定頻率分量的振幅用密度表示。該圖表示手指在球體表面運動產(chǎn)生的信號圖形。
在起始圖形701，指尖遠(yuǎn)離傳聲器。到達(dá)傳聲器的聲波主要是橫波，即垂直于傳播方向的振蕩波。硅橡膠濾除高頻，但對低頻影響小。因而到達(dá)傳聲器的信號包含高低頻率的相對強(qiáng)度引出的(與實際幅值無關(guān))距離的指示。當(dāng)指尖運動靠近時高頻增加，而低頻強(qiáng)度基本上保持不變。當(dāng)指尖越來越靠近傳聲器時，在703處的頻譜中增加了一組全新的頻率。這是由于縱波越過硅橡膠的厚度傳輸從指尖直接到達(dá)傳聲器。當(dāng)逼近傳聲器時，存在縱波和橫波的混合，作為圖上703和702兩個不同區(qū)來的識別。
當(dāng)指尖直接位于傳聲器上時達(dá)到最后一種特殊情況。通過手指邊緣與球體粗化表面間的磨擦產(chǎn)生高頻分量。但是，當(dāng)手指直接在傳聲器上時，這些高頻分量被屏蔽，傳聲器接收到的聲音只來自指尖的中心區(qū)。在704突然會失去高頻，這是因為這些頻率受指尖區(qū)衰減。低頻呈現(xiàn)特征變化，具有更平衡的外形。
這些變化對出現(xiàn)在球體表面上的手指拖曳事件提供一組特征說明。通過同時比較2個或3個通道的輸出，就可識別指尖在球體表面上任何地方運動的位置。
為實現(xiàn)等同的鼠標(biāo)器點擊進(jìn)行的碰撞球體不包含那么多的頻率數(shù)據(jù)，并且使用類型差別大的分析。硅橡膠外殼中的橫向聲波的速度僅僅在每秒20米的量級內(nèi)。這使得能辨別到達(dá)不同傳聲器的波前的時間差。圖8示出同步數(shù)字化的碰撞事件形成的一對圖形。蹤跡801對應(yīng)于更遠(yuǎn)距離的傳聲器，并能看到它在第二蹤跡802后一個短期間開始。起始特征波前的差在千分之二秒的量級內(nèi)。這提供了相當(dāng)精確的位置數(shù)據(jù)源。蹤跡801和802還呈現(xiàn)頻率成份的差，可從第二蹤跡802的不平滑度看出，該第二蹤跡802來自最靠近碰撞事件的傳聲器。波形801達(dá)到更高峰是由于碰撞事件出現(xiàn)后缺少碰壓點上手指提供的阻尼?？蓪θ舾蛇@種特征進(jìn)行分析并組合分析結(jié)果，以便高精度識別接觸事件特征。
圖9中流程圖概括了圖4所示DSP403執(zhí)行的主要步驟序列。在步驟901對4個緩沖音頻數(shù)據(jù)的通道的每一個進(jìn)行頻域分析。在步驟902發(fā)問在數(shù)據(jù)中是否觀測到拖曳或碰撞事件。由于未出現(xiàn)事件或不能識別清零特征而使兩者都不能識別。如果在音頻數(shù)據(jù)中既沒有拖曳也沒有碰撞，則控制指向步驟905。如果觀測到碰撞，控制指向步驟904，或如果觀測到拖曳，控制指向步驟903。在步驟903識別拖曳位置。在步驟904識別碰撞位置。
在步驟905分析方向傳感器405來的數(shù)據(jù)，識別球體方向。在步驟906發(fā)問是否有任何數(shù)據(jù)要發(fā)送到計算機(jī)。例如，若無接觸事件發(fā)生且方向未改變，則無數(shù)據(jù)要發(fā)送，從而節(jié)省了電池供電。如果很長時間(譬如20秒)未出現(xiàn)事件，可將傳感器置于斷電模式。當(dāng)握在任一手中，即使不使用，傳感器也會檢測方向中的小變化，表明或許被使用。如果數(shù)據(jù)可用于發(fā)送，控制就指向步驟907，數(shù)據(jù)在串行鏈路上從DSP403傳送到無線發(fā)射機(jī)404，用于發(fā)送到計算機(jī)101。
圖10詳細(xì)示出圖9所示識別拖曳位置的步驟903。在步驟1001對緩沖音頻數(shù)據(jù)的4個通道進(jìn)行分析以識別具有最大幅值的3個。這3個是它們的分析會產(chǎn)生最精確的接觸事件特征的通道。這3個聲音最響的通道稱為A、B和C。在步驟1002選擇該3通道中第一個。在步驟1003進(jìn)行頻域分析并對其結(jié)果歸一化，使得聲音最響的頻率分量具有幅值為1。在步驟1003針對一組模板進(jìn)行校正。各模板對期望在離傳聲器已知的距離出現(xiàn)的特定的頻率響應(yīng)加以特征化。下面參見圖7，對701、702、703和704的頻率特征存在一個模板。各模板具有不同的形狀。實際傳聲器數(shù)據(jù)與這些模板之一匹配的程度表明它對那模板的特征距離的接近度。
在步驟1004產(chǎn)生校正得分，在步驟1005選擇2塊最高得分的模板。然后就知道，事件離那通道的傳聲器的實際距離在這2塊模板的特征距離之間。在步驟1006通過在這2個特征距離間按照與模板得分之間的差成比例進(jìn)行插入來識別實際距離。這樣確定的通道特征距離可以是DA、DB或DC，這取決于哪個通道被分析。在步驟1007發(fā)問是否有另一通道仍然被分析。如果有，控制返回到步驟1002?；蛘吒骶嚯xDA、DB或DC已被識別。在步驟1008，跨越各特征距離的球體表面識別交叉弧，在步驟1009，識別由DA、DB、和DC所定義的3個弧的最接近收斂點定義的點P。
圖11示出圖10所示步驟1004中使用的模板。模板1101對應(yīng)在離傳聲器D＝40mm的距離的理想頻率響應(yīng)。圖7中在701的信號對該模板最匹配。模板1102有特征距離D＝25mm，粗略對應(yīng)圖7中位置702的圖形。模板1103有特征距離D＝10mm，對剛在圖7中點703后出現(xiàn)的信號提供高得分。模板1104對應(yīng)直接位于傳聲器上的指尖，并對應(yīng)圖7中點704。通過選擇最好的2塊模板，可借助在模板的特征距離間進(jìn)行插入來識別離傳聲器的實際距離。
由于頻率特征可能隨不同手指大小、所加的壓力和其它可變因素而變，因而事件距離可看作抽象的距離。無論怎樣，距離DA、DB和DC定義3個特征弧，圖12示出它們的理想收斂點P。理想收斂點相同，與這些可變因素?zé)o關(guān)。
圖13詳細(xì)示出圖9中步驟904所示識別碰撞位置。在步驟1301識別3個聲音最響的通道A、B和C。在步驟1302選擇3通道中第一個，用于分析。在步驟1303對信號濾波。濾波器濾除低于250Hz的頻率，這樣能進(jìn)行最好的分析。最好是使用FIR線性相位濾波器。但是也可采用IIR濾波器(例如產(chǎn)生圖8所示蹤跡用的那種)，其結(jié)果精度稍差些。在步驟1304分析通道數(shù)據(jù)識別事件的開始時間。在步驟1305發(fā)問是否有另一通道仍在被分析，若如此，控制返回步驟1302。或者對各通道A、B和C已識別開始時間，且控制指向步驟1306。
一對通道的開始時間之間的差用來識別離兩傳聲器間中點的距離。在球體表面，該中點表達(dá)為線。在步驟1306對開始時間的各組合識別距離，形成跨越球體表面識別的3根線或弧。在步驟1307以圖12所示同樣方法識別特征公共點。理論上要求這樣的2個弧。但3個用來提高精度。如果所有4個傳聲器具有足夠高的質(zhì)量，也可采用4個。
本發(fā)明提供一種通過分析物體與表面間磨擦產(chǎn)生的噪聲來產(chǎn)生位置信息的方法。該磨擦最好由手指穿越表面運動產(chǎn)生。該表面可以是平坦的或彎曲的，有規(guī)則的或無規(guī)則的，或球形的。該表面可以是有彈性的，在手指壓力下可暫時或永久變形的，或是剛性的。本發(fā)明包含用戶手指與任何下面表面間的任何類型的交互作用，即對該表面產(chǎn)生的聲音加以分析可產(chǎn)生計算機(jī)產(chǎn)生環(huán)境用的位置信息。以這種方法產(chǎn)生的位置信息可與定義表面方向的信息相結(jié)合，該表面在計算機(jī)產(chǎn)生環(huán)境的顯示器上具有投影。這種位置和方向信息的結(jié)合使得在表面生成的發(fā)聲接觸事件能針對計算環(huán)境進(jìn)行解釋，與該表面的方向無關(guān)。
利用圍繞地球磁場和重力場的旋轉(zhuǎn)RM和RG定義傳感器的方向。圖14詳細(xì)示出圖4所示方向傳感器405。磁場傳感器1401和重力場傳感器1402產(chǎn)生數(shù)字振蕩信號，對它們的周期進(jìn)行測量以便確定各個場中的方向。復(fù)合器和計數(shù)器1403為振蕩電路提供接口和控制信號，并通過DSP403中的定時器502用適合高精度測量的分頻系數(shù)對頻率進(jìn)行下分頻。
圖15和圖16詳細(xì)示出磁場傳感器1401。圖15示出3個相互正交的電感器。各電感器長度小于10毫米。圖16詳細(xì)示出適合對3個電感器中每一個檢測地球磁場的極性和幅值的電路。一邏輯門1601經(jīng)電阻1602對當(dāng)前選中的電感器1501至1503提供正或負(fù)的DC偏置。通過加給三態(tài)邏輯緩沖器1602，1603和1604的邏輯控制信號來選擇某個電感器。運算放大器1605為持續(xù)振蕩提供放大，該振蕩的頻率通過選中的電感器1501-1503的電感進(jìn)行測定。電阻1602提供的DC偏置使選中的電感器的磁心接近飽和。
接近飽和時，即便線圈的繞組和磁心被固定，線圈的電感也會響應(yīng)所加磁場而變。由地球磁場產(chǎn)生的朝著或離開飽和的附加偏移量可用該方法檢測。通過轉(zhuǎn)換線圈中DC偏置的極性，比較不同結(jié)果的振蕩頻率就能確定地球磁場的極性。如果沒有差別，這表明該線圈與地球磁場呈正交排列。運算放大器1605的輸出作為邏輯信號加給計數(shù)器1403，DSP403測定各極性下各線圈的精確振蕩頻率，由此在三維中對準(zhǔn)磁北極。電路要求有幾毫安的工作電流，傳感器極小且價低。圖15所示類型的適用電感器如SEN-M磁感應(yīng)傳感器，它可從加利福尼亞的Precision Navigation of Menlo Park得到。美國專利4,851,775中詳細(xì)描述了按照這種方式使用部分飽和電感器檢測地球磁場。
圖17和圖18詳細(xì)示出圖14所示的重力場傳感器1402。封裝的球形容器一半裝填有相對于自由空間在頻率約500kHz時具有實質(zhì)上不同滲透性的液體。適用的液體如汞，它在該頻率上相對滲透率約0.7。3個線圈1702，1703和1704纏繞在極靠近容器1701之處，相互正交。圖18示出各線圈與振蕩電路連接。各線圈形成調(diào)諧電路的電感部分，調(diào)諧電路還包含2個電容器。HCMOSNOR邏輯門1801-1803提供放大和選擇輸入，以激活各自的振蕩電路。振蕩器的輸出結(jié)合在3輸入的或非(NOR)門1804，以便通過將邏輯高電平輸入到門1801，1802或1803選擇振蕩的電感器具有它的特征頻率，作為方波在門1804輸出提供。門1804的輸出提供或加到計數(shù)器電路1403。三線圈的振蕩頻率取決于最接近的汞量。三頻率在DSP403中測量，內(nèi)插對照表用來確定傳感器相對于地球重力場的實際方向。圖18的電路要求小于1毫安的工作電流。
磁和重力背景場的三維矢量可表示為圍繞磁北極軸和圍繞垂直重力軸的2個球旋轉(zhuǎn)RM和RG。
識別RM和RG的過程結(jié)合重力和磁場傳感器的測量。這可能使任一方受到干擾，重力場傳感器1402由于汞在容器1701中運動而不穩(wěn)定，特別是當(dāng)傳感器運動過快時。圖19詳細(xì)示出圖9所示識別球體905方向的步驟。在步驟1901識別繞磁北極的旋轉(zhuǎn)RM。在步驟1902對RM值施加卡爾曼濾波?？柭鼮V波器確定電流測量中的置信度，當(dāng)該置信度低時增加低通濾波。在步驟1903確定球體圍繞重力的垂直軸的旋轉(zhuǎn)RG，而在步驟1904對該值也施加卡爾曼濾波。在步驟1905存儲濾波后的RM和RG值，隨后需要時發(fā)給計算機(jī)101。
在一變換實施例中，地球磁場能用使用巨磁阻效應(yīng)的硅傳感器檢測。在又一變換實施例中，地球重力場能用加速度計檢測，它很昂貴，但有助于檢測球104的快加速，這可用作航行計算機(jī)環(huán)境的姿態(tài)信息源。
長期使用后需要對電池407充電。為了充電，感應(yīng)環(huán)305必須放在靠近另一個加有1kHz電源的匹配感應(yīng)環(huán)的位置。該匹配感應(yīng)環(huán)可設(shè)在圖20所示充電單元內(nèi)。球體外部有一直接對著感應(yīng)環(huán)305位置的標(biāo)記，當(dāng)球體放在充電單元2001上時該標(biāo)記必須朝最上。充電器2001也可方便地兼作接收機(jī)接收發(fā)射機(jī)線路404來的數(shù)據(jù)，串聯(lián)連接2002為將該數(shù)據(jù)送到計算機(jī)終端101提供連接。
圖21示出該充電和接收單元2001的詳細(xì)組成。充電期間感應(yīng)環(huán)和振蕩器2101將交流磁場供給傳感器104中的感應(yīng)環(huán)305。應(yīng)用期間傳感器104向無線接收機(jī)2102發(fā)送無線信號。中央處理單元(CPU)接口2103對無線鏈路上接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行糾錯。通用串行總線(USB)接口2104提供經(jīng)串聯(lián)電纜2002到計算機(jī)終端101的連接。
圖22詳細(xì)示出圖1所示計算機(jī)終端101。中央處理單元(CPU)2203為終端101提供坐標(biāo)和處理。CPU2203用的數(shù)據(jù)和指令存儲在主存儲器2204中，硬盤存儲單元2205幫助非易失性存儲數(shù)據(jù)和幾種軟件應(yīng)用。調(diào)制解調(diào)器2206提供至英特網(wǎng)的連接。通用串行總線(USB)接口2207幫助至充電和接收單元2001的連接。通過USB接口2207從球體104接收接觸事件和方向數(shù)據(jù)。圖形處理器2208提供專用的圖形再現(xiàn)能力，以便在顯示器102上加快顯示高分辨率圖像。音頻處理器2209將音頻信號提供給計算機(jī)終端101中的揚聲器并接收傳聲器2211來的音頻信號。
圖23詳細(xì)示出圖22所示主存儲器2204的內(nèi)容。操作系統(tǒng)為軟件應(yīng)用2302提供共用功能。計算機(jī)終端101接通時，傳感器104用的裝置驅(qū)動程序2303也存儲在主存儲器2204中。圖24詳細(xì)示出操作傳感器104所需操作序列。在步驟2401傳感器104使用圖20和圖21所示充電和接收單元2001進(jìn)行充電。在步驟2402對傳感器進(jìn)行標(biāo)定。為了使用傳感器，必須存儲方向數(shù)據(jù)，以便裝置驅(qū)動程序2303能確定相對于地球磁場因而也就是基本上相對于終端101哪條路線是向前、向后、向左和向右。
這里假定處于地球磁場和重力場中的傳感器的方向有效地提供相對于終端101的方向。很清楚，如果用戶在終端后面操作傳感器，則不會正確。但是為了實際操作傳感器，可以假定相對于地球磁場和重力場所做的球體104表面上的接觸姿態(tài)也可以相對于計算機(jī)終端101的位置所做的。如果終端位置基本上改變，有必要再次在步驟2402進(jìn)行標(biāo)定。在步驟2403使用傳感器104，在步驟2404對傳感器104充電。充電和接收單元2001的設(shè)計使得傳感器104只要不使用就可方便地停留在充電器2001上。
圖25詳細(xì)示出圖24所示標(biāo)定傳感器2402的步驟。在步驟2501計算機(jī)請求用戶從傳感器的背面到前面拖曳他們的手指，在頂部當(dāng)中移動。做完該動作后，計算機(jī)請求用戶以同樣的方式從左至右拖曳。雖然上述工作并非必須，但這樣會減少標(biāo)定誤差。在步驟2502對球體104來的方向數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以便確定繞地球重力場垂直軸的用戶方向角AG。
圖26詳細(xì)示出圖24所示使用傳感器2403的步驟。在步驟2601從傳感器104接收接觸事件和或方向數(shù)據(jù)，包含繞地球磁場和重力場相關(guān)的旋轉(zhuǎn)角RM和RG。在步驟2602從球體旋轉(zhuǎn)角RG減去在圖25中步驟2502計算得到的用戶方向角AG，以便獲得旋轉(zhuǎn)值SG。在步驟2603發(fā)問是否收到接觸事件。如果沒有收到，控制指向步驟2606，或指向步驟2604。在步驟2604接觸事件的球體坐標(biāo)與SG和RM相反和相同程度旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致接觸事件數(shù)據(jù)有靜止坐標(biāo)系統(tǒng)，與球體方向無關(guān)。在步驟2605對產(chǎn)生的接觸事件數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。最后，在步驟2606終端定向數(shù)據(jù)經(jīng)裝置驅(qū)動程序2303加給操作系統(tǒng)，供應(yīng)用程序2302使用。
圖27詳細(xì)示出圖26所示處理接觸事件數(shù)據(jù)的步驟2605。在步驟2701發(fā)問是否接收到大的碰撞。大的碰撞就是來自所有4個傳聲器通道的音頻數(shù)據(jù)的聲音很大的碰撞，表明用戶已經(jīng)很重地碰撞了傳感器，請求改變模式。如果接收到大的碰撞，控制就指向步驟2702，交換當(dāng)前模式。或者在步驟2701識別為不是大的碰撞，則控制指向步驟2703。在步驟2703發(fā)問當(dāng)前選定的傳感器模式是圖形模式還是文本模式。如果選擇文本模式，控制就指向步驟2706?；蛘咦R別是圖形模式，控制就指向步驟2704。在步驟2704任何小的碰撞被解釋為等同鼠標(biāo)按鈕的點擊。手指拖曳事件用來修改光標(biāo)的X和Y坐標(biāo)。在步驟2705更新光標(biāo)位置。
使用文本模式時，控制從步驟2703指向步驟2706。在步驟2706任何小的碰撞被解釋為等同已有鍵盤上的CAPS、CTRL和SHIFT事件。在步驟2707球體表面上的接觸運動解釋為字符輸入事件?；蛘邽榱烁咚傥谋据斎攵褂盟儆浶问健?br> 在一變換實施例中，DSP403對傳聲器201-204來的音頻信號進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮。壓縮后的音頻數(shù)據(jù)與方向數(shù)據(jù)相結(jié)合，發(fā)送到計算機(jī)終端101，用于分析確定表面事件特征。
在以上描述的實施例中，傳感器是被動器件，要求球體表面接觸事件能發(fā)出聲音。在一變換實施例中，采用主動傳感器。聲音可注入球體表面，由聲音的干涉和反射形成的特性可構(gòu)成表面壓力圖。如果傳感器外殼由硬質(zhì)材料制成，則超聲波可用來產(chǎn)生高細(xì)化的壓力圖。使用該壓力數(shù)據(jù)可促使更多的數(shù)據(jù)輸入方法。檢測壓力的另一方法是使用復(fù)合壓力靈敏的電傳感器，它的導(dǎo)電性隨所加壓力變化。
在另一變換實施例中，接觸事件由電傳感器檢測，在該電傳感器中，靠近或埋入球體表面的導(dǎo)電體的電容利用手或手指部分的存在加以改變。
傳感器的球體形狀有助于任何程度的旋轉(zhuǎn)，而不會給用戶帶來外觀或感覺上的任何差異。表面上的接觸事件相對于計算機(jī)顯示器102進(jìn)行。這對把計算機(jī)產(chǎn)生環(huán)境擴(kuò)展到用戶與終端間的空間具有心理上的效果。
雖然在較佳實施例中球體的整個表面的接觸是敏感的，但是為了在充電期間進(jìn)行直流電連接，一個不同的實施例也可以包含球體表面的一個接觸敏感差的無關(guān)緊要部分。在某些實施例中，由于擠壓或因優(yōu)選變形的形狀，因而球體形狀也可以變形。
球體是最簡單的三維形狀，為通用目標(biāo)映像提供合適的形狀。一個如電話手機(jī)的復(fù)雜形狀可使得其表面映像到球體傳感器104的表面，與該手機(jī)交互作用，例如撥號，可經(jīng)與該球體的交互作用來完成。另外，以這種方式映像的三維物體的形狀可用傳感器表面上的接觸事件來改變。形狀，然后是變化，可以重新映像到球體的表面，使得作出更多的變化。球體的通用形狀有助于與各種復(fù)雜形狀和形式進(jìn)行交互作用。
權(quán)利要求
1.一種數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的輸入裝置，其特征在于，具有完全封閉的實質(zhì)上為球形的物體，包含產(chǎn)生位置信號的接觸檢測裝置，該位置信號表明在該物體表面上任何地方出現(xiàn)的接觸事件的位置；識別該物體方向的方向檢測裝置；將接觸數(shù)據(jù)與方向數(shù)據(jù)相結(jié)合的處理裝置；和安排成將處理數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的發(fā)送裝置。
2.如權(quán)利要求1所述的輸入裝置，其特征在于，其中所述處理數(shù)據(jù)表示通過參照所述方向信號相對所述顯示裝置加以定向的所述接觸事件信號。
3.如權(quán)利要求2所述的輸入裝置，其特征在于，其中所述方向檢測裝置包含環(huán)境磁場傳感器。
4.如權(quán)利要求3所述的輸入裝置，其特征在于，其中所述磁場傳感器包含3個相互正交的磁場檢測器。
5.如權(quán)利要求2所述的輸入裝置，其特征在于，其中所述方向檢測裝置包含重力場檢測裝置。
6.如權(quán)利要求5所述的輸入裝置，其特征在于，其中所述重力場檢測裝置包含封殼內(nèi)的移動電感器心體，和響應(yīng)所述移動心體的3個相互正交的電感器。
7.如權(quán)利要求6所述的輸入裝置，其特征在于，其中所述電感器包括在振蕩電路中。
8.如權(quán)利要求7所述的輸入裝置，其特征在于，包含測量所述振蕩電路產(chǎn)生的頻率的計數(shù)裝置。
9.如權(quán)利要求6所述的輸入裝置，其特征在于，包含測量所述電感器的電感的裝置，處理所述測量的處理裝置，其中所述處理裝置包含根據(jù)重力識別所述球體方向的對照裝置。
10.如權(quán)利要求1所述的輸入裝置，其特征在于，其中所述檢測裝置包含多個聲音傳感器裝置。
11.如權(quán)利要求10所述的輸入裝置，其特征在于，其中所述球體具有響應(yīng)接觸事件產(chǎn)生聲音的表面。
12.如權(quán)利要求11所述的輸入裝置，其特征在于，其中所述聲音產(chǎn)生表面響應(yīng)手指的拖曳運動產(chǎn)生類似噪聲的聲音。
13.如權(quán)利要求11所述的輸入裝置，其特征在于，其中所述檢測裝置包含多個傳聲器。
14.如權(quán)利要求13所述的輸入裝置，其特征在于，包含安排成比較所述傳聲器來的信號以便識別接觸事件的特征的處理裝置。
15.如權(quán)利要求14所述的輸入裝置，其特征在于，其中所述特征是位置。
16.一種帶有圖形顯示裝置的計算機(jī)用輸入裝置，其特征在于，具有具有完全封閉的球體的形式，包含產(chǎn)生位置信號的接觸檢測裝置，該位置信號表明在該球體表面上任何地方出現(xiàn)的接觸事件的位置，安排成響應(yīng)所述位置信號將信號發(fā)送到計算機(jī)的發(fā)送裝置，檢測所述球體方向的方向檢測裝置，配置成組合所述接觸檢測裝置和所述方向檢測裝置來的信號用于后面識別接觸事件實質(zhì)上相對所述圖形顯示裝置的方向的處理裝置。
17.如權(quán)利要求16所述的輸入裝置，其特征在于，其中所述接觸檢測裝置包含多個傳聲器，所述球體具有響應(yīng)接觸事件產(chǎn)生聲音的表面。
18.如權(quán)利要求17所述的輸入裝置，其特征在于，其中所述球體具有粗化的表面。
19.如權(quán)利要求16所述的輸入裝置，其特征在于，其中所述計算機(jī)包含處理裝置，該處理裝置可配置成執(zhí)行如下步驟為所述傳感器選擇圖形或文本模式，處于所述圖形模式時響應(yīng)接觸事件執(zhí)行識別圖形指令的步驟，和處于所述文本模式時響應(yīng)接觸事件執(zhí)行識別文本的步驟。
20.如權(quán)利要求16所述的輸入裝置，其特征在于，其中所述傳感器包含可充電電池裝置和充電感應(yīng)環(huán)裝置。
21.一種產(chǎn)生控制信號用于數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)在顯示器裝置上顯示圖形接口的方法，其特征在于，其中傳感器具有實質(zhì)上球形形態(tài)并包含外表面和產(chǎn)生位置信號表明接觸事件在所述表面上位置的接觸檢測裝置，識別方向的方向檢測裝置，和發(fā)送檢測數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的發(fā)送裝置，所述方法包含如下步驟識別接觸事件在所述傳感器表面上的位置，識別所述傳感器的方向，和將代表位置的數(shù)據(jù)與代表所述方向的數(shù)據(jù)進(jìn)行組合，產(chǎn)生實質(zhì)上相對于顯示裝置定位的這種事件信號。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，其中所述接觸檢測裝置包含聲音傳感裝置，并通過處理聲音信號產(chǎn)生所述位置信號。
23.如權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，其中所述聲音處理包含頻域分析。
24.如權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于，包含根據(jù)所述傳感器的聲音的頻率特征識別接觸事件離傳感器的可能距離。
25.如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于，其中對所述距離進(jìn)行組合以識別位置。
26.如權(quán)利要求25所述的方法，其特征在于，其中對所述信號進(jìn)行附加處理以便減小位置誤差。
27.如權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于，包含測量多個聲音傳感裝置的聲音開始之間的時間間隔。
28.如權(quán)利要求27所述的方法，其特征在于，其中響應(yīng)所述球體表面上的碰撞事件產(chǎn)生所述聲音。
29.如權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于，其中頻率分析用來識別拖曳事件的特征，開始時間分析用來識別碰撞事件的特征。
30.一種在計算機(jī)產(chǎn)生環(huán)境中與三維目標(biāo)模型交互作用的方法，其特征在于，其中信號從表面接觸位置敏感的球體加到所述環(huán)境，所述方法包含下列步驟產(chǎn)生從所述球體到所述目標(biāo)的映像；和接收所述球體來的接觸事件并對其進(jìn)行解釋，與所述目標(biāo)的各個表面部分交互作用。
31.一種在計算機(jī)產(chǎn)生環(huán)境中改變?nèi)S目標(biāo)模型的方法，其特征在于，其中信號從表面接觸位置敏感的球體加到所述環(huán)境，所述方法包含下列步驟產(chǎn)生從所述球體到所述目標(biāo)的映像；和接收所述球體來的接觸事件并對其進(jìn)行解釋，對所述目標(biāo)的各個表面部分進(jìn)行控制；更新所述目標(biāo)；和產(chǎn)生從所述球體到所述目標(biāo)的新映像。
32.一種為計算機(jī)產(chǎn)生位置的輸入信號的方法，其特征在于，其中通過分析由表面與移動目標(biāo)間磨擦產(chǎn)生的聲音識別該移動目標(biāo)與所述表面間交互作用的位置。
33.如權(quán)利要求32所述的方法，其特征在于，其中所述目標(biāo)是計算機(jī)用戶的手指。
34.一種將位置信息加給計算機(jī)的方法，其特征在于，其中，通過表面與用戶手指間磨擦使該手指與所述表面間交互作用的位置產(chǎn)生聲音；利用聲音傳感裝置將所述聲音變換為電信號；和從所述聲音導(dǎo)出的信號發(fā)送到計算機(jī)，使得所述交互作用的位置控制所述計算機(jī)產(chǎn)生的環(huán)境中的位置特征。
35.一種實質(zhì)上參照圖1，2，3和4所描述的裝置。
36.一種實質(zhì)上參照圖1，2，3和4所描述的方法。
全文摘要
本發(fā)明揭示一種用于將輸入信號提供給計算機(jī)的裝置。一具有球體形態(tài)的傳感器設(shè)有接觸敏感的表面，用于產(chǎn)生接觸事件的位置數(shù)據(jù)。該傳感器包含相對于地球磁場和重力場確定轉(zhuǎn)動的方向傳感器。方向數(shù)據(jù)可與位置數(shù)據(jù)組合以解釋表面上接觸事件相對于計算機(jī)的顯示器的方向?？蓮慕佑|事件產(chǎn)生光標(biāo)移動或文本。球體最好具有接觸時產(chǎn)生聲音的粗化表面。通過處理球體表面下傳聲器來的信號產(chǎn)生位置數(shù)據(jù)。
文檔編號G06F3/0488GK1408101SQ0081679
公開日2003年4月2日 申請日期2000年12月5日 優(yōu)先權(quán)日1999年12月6日
發(fā)明者C·查普曼, D·L·桑德巴克, A·哈迪一比克 申請人:桑德特契有限公司