專利名稱：基于非光投影的輸入方法和鍵盤的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鍵盤技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及基于非光投影的輸入方法和鍵盤。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的鍵盤輸入設(shè)備大致分為如下幾種IX傳統(tǒng)的機(jī)械鍵盤，這類鍵盤采用硬件電路實(shí)現(xiàn)，按鍵按下時接通對應(yīng)電路，因此內(nèi)部電子線路較多，體積較大。存在不方便攜帶、壞了某個鍵不好維修，需整個更換、防水性能差、使用環(huán)境要求比較高等缺點(diǎn)。2>.手機(jī)的9鍵小鍵盤9鍵小鍵盤是手機(jī)最常見的輸入設(shè)備，其原理也是按鍵按下時接通對應(yīng)電路。由于按鍵數(shù)量少，需要多次按同一個鍵來達(dá)到單鍵復(fù)用的功能，同時需要另外的按鍵來完成中英文切換、數(shù)字切換等，因此嚴(yán)重影響了輸入速度。3>.手機(jī)全鍵盤例如申請?zhí)枮镃N200710148694. 3的專利《一種QWERTY全鍵盤》， 部分手機(jī)帶有全鍵盤，其布局雖與PC機(jī)的鍵盤非常相似，但由于體積小，手指無法像使用傳統(tǒng)PC鍵盤時那樣擺放，使用習(xí)慣有較大區(qū)別，因此也阻礙了輸入速度的提高。4>.手機(jī)觸摸屏軟鍵盤手機(jī)觸摸屏軟鍵盤是將上述的手機(jī)9鍵鍵盤或全鍵盤在觸摸屏上實(shí)現(xiàn)，使用時手指輕觸即可實(shí)現(xiàn)擊鍵，手感相對沒有真實(shí)鍵盤硬。但由于鍵盤較小，鍵與鍵之間沒有明顯界限，容易出現(xiàn)誤操作，影響了輸入速度。這類產(chǎn)品的相關(guān)專利有如申請?zhí)枮?00720076575. 7 的《手機(jī)觸摸屏》等。5>.基于圖像識別及激光投影的鍵盤例如申請?zhí)枮镃N02132177. 9的專利《投影式虛擬鍵盤裝置》，這種鍵盤應(yīng)用全息技術(shù)的激光投影產(chǎn)生，且要求光照背景不能太亮，敲打鍵盤手感較差，尤其是存在成本較高等缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有的PC機(jī)鍵盤不方便攜帶、筆記本鍵盤防水性能差、手機(jī)鍵盤太小影響輸入速度、光投影式鍵盤成本高的缺點(diǎn)，本發(fā)明提出了一種能夠廣泛應(yīng)用于上述平臺的基于非光投影的輸入方法和鍵盤，鍵盤部分由打印有鍵盤圖案的防水材料制成，在一個線形紅外激光器的輔助下，通過攝像頭圖像處理自動定位鍵盤所在區(qū)域，并識別手指動作，最終產(chǎn)生按鍵信號。本鍵盤的使用方法及功能與傳統(tǒng)鍵盤基本一致，用戶可以很快的適應(yīng)。本發(fā)明通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)。基于非光投影的輸入方法，具體是用線形紅外激光器的出射光平行覆蓋于鍵盤圖案的平面上方，手指觸碰鍵盤圖案中的按鍵，出射光在手指指尖產(chǎn)生光斑，通過攝像頭獲取包含有光斑的圖像，處理器接收攝像頭獲取的圖像，對所述光斑進(jìn)行定位，得到光斑中心在圖像中的坐標(biāo)，由光斑中心的坐標(biāo)換算出光斑中心在鍵盤圖案區(qū)域坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，并最終對應(yīng)到鍵盤按鍵編號，該按鍵編號對應(yīng)的鍵盤按鍵即為手指所觸碰的鍵盤圖案中的按鍵。
上述的基于非光投影的輸入方法中，由按鍵狀態(tài)的變化及狀態(tài)的持續(xù)時間判斷按鍵的動作為單擊、釋放或長按。上述的基于非光投影的輸入方法中，所述光斑中心坐標(biāo)的定位采用了輪廓查找的方法，將光斑輪廓找出，并由輪廓上所有點(diǎn)的坐標(biāo)平均值計算得到其中心坐標(biāo)。上述的基于非光投影的輸入方法中，所述輪廓查找的方法具體是先將圖像二值化，光斑處標(biāo)為白色，其余視為背景，標(biāo)為黑色；然后挖去內(nèi)部點(diǎn)得到多個輪廓圈，所謂內(nèi)部點(diǎn)的判斷方法為在3*3的方塊中，當(dāng)中心點(diǎn)為白點(diǎn)，且其8個鄰域點(diǎn)也為白點(diǎn)，即中心點(diǎn)被白色點(diǎn)包圍，則該中心點(diǎn)為內(nèi)部點(diǎn)；之后從原點(diǎn)出發(fā)，通過八方向的搜索，將光斑的輪廓圈出，并記錄輪廓上各個點(diǎn)的坐標(biāo)。上述的基于非光投影的輸入方法中，還包括鍵盤的自動定位步驟鍵盤圖案3平面的兩側(cè)各有一條凸起線，線形紅外激光器的出射光照射在凸起線上，形成兩條白色亮線； 采用輪廓查找的方法得到圖像中各個輪廓上所有點(diǎn)的坐標(biāo)、輪廓周長、面積，判斷輪廓是否符合兩條白色亮線的特征，以此確定兩條白色亮線的輪廓，兩條白色亮線的端點(diǎn)則構(gòu)成了鍵盤區(qū)域的頂點(diǎn)；所述兩條白色亮線的特征為輪廓的面積除以周長的比值較小且在設(shè)定的范圍內(nèi)，例如10到20，輪廓上各點(diǎn)縱坐標(biāo)的方差除以輪廓上各點(diǎn)橫坐標(biāo)的方差的比值較大且在另一設(shè)定的范圍內(nèi)，例如40到50。本發(fā)明的一種基于非光投影的輸入鍵盤，包括供輸入者觸碰并供攝像頭拍攝的鍵盤圖案和用于產(chǎn)生出射光的線形紅外激光器，所述出射光平行覆蓋于鍵盤圖案上方。上述的基于非光投影的輸入鍵盤中，還包括用于拍攝所述鍵盤圖案的攝像頭1。上述的基于非光投影的輸入鍵盤中，還包括用于處理拍攝圖像并得到輸入者所輸入的按鍵信息的處理器，處理器分別與所述攝像頭和待輸入設(shè)備連接。上述的基于非光投影的輸入鍵盤中，鍵盤圖案平面的兩側(cè)各有一條被線形紅外激光器照射形成亮線、用于鍵盤區(qū)域定位的凸起線。原理分析1、鍵盤的防水實(shí)現(xiàn)。由于鍵盤圖案沒有電子線路，因此防水性能好。2、 鍵盤圖案區(qū)域的自適應(yīng)定位。在鍵盤圖案兩側(cè)有兩條凸起線，線形紅外激光器的出射光照射在凸起線上，形成兩條白色亮線，通過亮線的輪廓特征可以準(zhǔn)確的找出亮線的各自兩個端點(diǎn)，即構(gòu)成了鍵盤圖案區(qū)域所在的4個頂點(diǎn)。3、對手指接觸鍵盤圖案動作的可靠捕捉。本發(fā)明加入了線形紅外激光器，其發(fā)射出的紅外線平行覆蓋在鍵盤圖案上面，當(dāng)手指觸碰鍵盤時擋住了紅外線，產(chǎn)生光斑，使用一個攝像頭即可以可靠的將光班捕捉出來。4、手指位置坐標(biāo)及對應(yīng)按鍵的確定。利用輪廓查找方法，能夠較準(zhǔn)確的計算出手指產(chǎn)生光斑的坐標(biāo)，通過折算后得到按鍵號。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)和技術(shù)效果1、可以通過圖像識別原理來實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)PC鍵盤的各種輸入功能。2、針對現(xiàn)有的筆記本鍵盤防水性能不佳，一旦進(jìn)水則會帶來重大損失的缺點(diǎn)，本發(fā)明“基于非光投影的輸入方法和鍵盤”，可以將筆記本鍵盤面板做成完全封閉的形式，只印上鍵盤圖案，徹底解決了防水問題。3、當(dāng)手機(jī)使用此鍵盤時，只需將手機(jī)放在底座上，開啟應(yīng)用程序后即可通過此新型鍵盤進(jìn)行輸入，操作簡單，且大大提高了輸入速度。4、鍵盤組成結(jié)構(gòu)簡單，其中包含的攝像頭部分目前大多數(shù)的手機(jī)及部分筆記本都已自帶，十分便攜。5、對打印鍵盤圖案的材料無要求，可以選擇防水材料制作，鍵盤部分僅是一張印制有鍵盤圖案的平面材料即可，成本低廉，更換鍵盤也只是更換此部分?？朔爽F(xiàn)有的鍵盤壞了某個按鍵往往不進(jìn)行維修，而是整個更換帶來的經(jīng)濟(jì)損失。6、鍵盤圖案的位置可以較隨意的擺放，通過圖像處理自動定標(biāo)，達(dá)到自適應(yīng)。


圖1為基于非光投影的輸入鍵盤的原理框架圖。圖2為基于非光投影的輸入鍵盤應(yīng)用于筆記本電腦的原理圖。圖3為基于非光投影的輸入鍵盤應(yīng)用于手機(jī)的原理圖。圖4為基于非光投影的輸入鍵盤的工作流程圖。圖5為實(shí)施例中按鍵坐標(biāo)折算示意圖。圖中示出1—攝像頭，2——線形紅外激光器，3——鍵盤圖案，4——紅外線，5——凸起線，6——反射鏡，7——鏡片夾
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施作進(jìn)一步說明，但本發(fā)明的實(shí)施和保護(hù)范圍不限于此。如附圖1、2所示，基于非光投影的輸入鍵盤，包括鍵盤圖案3、攝像頭1、線形紅外激光器2、處理器，鍵盤圖案3放置于攝像頭1前面，且鍵盤圖案3處于攝像頭1的取景范圍內(nèi)，線形紅外激光器2位于攝像頭1正下方，線形紅外激光器2發(fā)出的紅外線4平行覆蓋于鍵盤圖案3的表面上方，起到輔助作用，處理器分別與攝像頭1和待輸入設(shè)備連接。所述攝像頭1，如果移動終端(如手機(jī)、平板電腦)已自帶，則無需增加此部件。所述處理器，可以是待輸入設(shè)備自帶的處理器，也可以是外部增加的微處理器。所述鍵盤圖案3的兩側(cè)各設(shè)置一條凸起線5，且兩條凸起線與鍵盤圖案3的兩條側(cè)邊重合，用于鍵盤圖案3區(qū)域的自動定位。如圖2，對于筆記本電腦，鍵盤圖案3可直接設(shè)計在筆記本面板上。如圖3，對于手機(jī)，鍵盤圖案3需放置于反射鏡6的可見區(qū)域內(nèi)，通過反射鏡將鍵盤圖案反射到手機(jī)攝像頭檢測范圍內(nèi)，反射鏡通過鏡片夾7固定于手機(jī)上。如附圖4，基于非光投影的輸入鍵盤的工作流程先通過鍵盤圖案兩側(cè)的凸起線5定位出鍵盤圖案3所在區(qū)域，所述線形紅外激光器發(fā)出的紅外光照射在兩側(cè)的凸起線5上形成兩條白色亮線，攝像頭實(shí)時采集包含有鍵盤圖案3的圖像傳回到處理器，處理器采用輪廓查找的方法得到圖像中各個輪廓上所有點(diǎn)的坐標(biāo)、輪廓周長、面積，判斷輪廓是否符合兩條白色亮線的特征，以此確定兩條白色亮線的輪廓，兩條白色亮線的輪廓有如下特征輪廓的面積除以周長的比值較小且在設(shè)定的范圍內(nèi)，例如10到20 ；同時面積符合預(yù)設(shè)范圍；輪廓上各點(diǎn)縱坐標(biāo)的方差除以輪廓上各點(diǎn)橫坐標(biāo)的方差的比值較大且在另一設(shè)定的范圍內(nèi)，例如40到50。兩條白色亮線的端點(diǎn)即構(gòu)成了鍵盤圖案3的頂點(diǎn)，如附圖5所示A、B、C、D點(diǎn)；
當(dāng)手指敲打鍵盤圖案3時，線形紅外激光器2發(fā)出的紅外線4在手指指尖產(chǎn)生光斑，攝像頭1獲得含有光斑的圖像并傳給處理器，處理器中采用輪廓查找方法得到光斑中心的坐標(biāo)，由光斑中心的坐標(biāo)折算出其在鍵盤圖案3區(qū)域的相對坐標(biāo)，并最終對應(yīng)到鍵盤按鍵編號。后續(xù)再由按鍵狀態(tài)及時間特征得到按鍵按下及釋放、連擊動作，這些動作通過調(diào)用操作系統(tǒng)提供的關(guān)于按鍵事件的接口來實(shí)現(xiàn)。上述光斑坐標(biāo)的定位采用了輪廓查找的方法，將光斑輪廓找出，并由輪廓上所有點(diǎn)的坐標(biāo)平均值計算得到其中心坐標(biāo)。具體是先將圖像二值化，光斑處標(biāo)為白色，其余視為背景，標(biāo)為黑色。然后挖去光斑的內(nèi)部點(diǎn)，所謂內(nèi)部點(diǎn)的判斷方法為在3*3的方塊中，當(dāng)中心點(diǎn)為白點(diǎn)，且其8個鄰域點(diǎn)也為白點(diǎn)，即中心點(diǎn)被白色點(diǎn)包圍，則該中心點(diǎn)為內(nèi)部點(diǎn)。之后從原點(diǎn)出發(fā)，通過八方向的搜索(所謂八方向，即將平面內(nèi)360度按每45度一個方向，分成八個搜索方向，搜索過程通過當(dāng)前方向左右兩邊像素點(diǎn)的情況設(shè)定下一次的方向)，將輪廓圈出，并記錄輪廓上各個點(diǎn)的坐標(biāo)。上述過程也可由OPENCV提供的函數(shù) cvFindContoursO來實(shí)現(xiàn)，并直接得到輪廓個數(shù)、輪廓上各個點(diǎn)的坐標(biāo)、面積、周長等信息。上述利用凸起線5自動定位鍵盤圖案3所在區(qū)域的具體方法是線形紅外激光器2的出射光照射在凸起線5上，形成兩條白色亮線。采用上文所述方法查找輪廓，兩條白色亮線的輪廓有如下特征輪廓的面積除以周長的比值較小且在設(shè)定的范圍內(nèi)，例如10 到20 ；同時面積符合預(yù)設(shè)范圍；輪廓上各點(diǎn)縱坐標(biāo)的方差除以輪廓上各點(diǎn)橫坐標(biāo)的方差的比值較大且在另一設(shè)定的范圍內(nèi)，例如40到50。通過這些特征可以找到凸起線5被照射形成的兩條亮線，根據(jù)前文所述輪廓查找方法，可由白色亮線的輪廓上所有點(diǎn)的坐標(biāo)平均值計算得到其中心坐標(biāo)，比較2條亮線的中心橫坐標(biāo)的大小關(guān)系區(qū)分出左側(cè)及右側(cè)的凸起線。找出2條白色亮線各自的輪廓上所有點(diǎn)中縱坐標(biāo)最大及最小的點(diǎn)，共四點(diǎn)，則這四個點(diǎn)構(gòu)成了鍵盤圖案3的頂點(diǎn)，即附圖5中的A、B、C、D點(diǎn)。由光斑中心的坐標(biāo)折算出其在鍵盤圖案3區(qū)域的相對坐標(biāo)采用如下算法，下文涉及的直角坐標(biāo)系中X軸正方向?yàn)樗较蛴遥琘軸正方向?yàn)樨Q直向下。圖5中，E點(diǎn)為觸碰按鍵的手指光斑中心點(diǎn)，點(diǎn)A、B、C、D為鍵盤圖案所在區(qū)域的四個頂點(diǎn)，過E點(diǎn)做平行于Y軸的直線，分別與AB、⑶交于點(diǎn)F、G，則橫坐標(biāo)& = Xe = Xe,由斜率Kaf = kAB，Kcg = kCD可得到點(diǎn)F、G的縱坐標(biāo)，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分別為點(diǎn) A、B、C、D、Ε、F、G 的橫坐標(biāo)，Ya、ΥΒ、\、YD、 YE、YF、Yg分別為點(diǎn)A、B、C、D、Ε、F、G的縱坐標(biāo)。通過式子(Ye-Yf)*預(yù)先給定的鍵盤高度/(Yc-Yf)可以得到在鍵盤圖案3中，光斑的相對縱坐標(biāo)，進(jìn)而得到按鍵所在的行號。點(diǎn)H、I分別是在線段AC、BD上取的點(diǎn)，點(diǎn)H、I使得線段AH、AC、FE、FG、Bi、BD成如下比例關(guān)系A(chǔ)H/AC = FE/FG = BI/BD由此可通過如下關(guān)系式計算得點(diǎn)H、I的坐標(biāo)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分別為點(diǎn) A、B、C、D、Ε、F、G、H、I 的橫坐標(biāo)，
\、YB、Yc> Yd> Ye> Yp> YG、YH、Y1 分別為點(diǎn) A、B、C、D、Ε、F、G、H、I 的縱坐標(biāo)。通過式子(XE-Xh)*預(yù)先給定的鍵盤寬度/(XI-Xh)可以得到在鍵盤圖案3中，光斑的相對橫坐標(biāo)，進(jìn)而得到按鍵所在的列號。由按鍵所在的行號、列號可以得到光斑在鍵盤圖案3中所對應(yīng)的按鍵編號，并最終調(diào)用操作系統(tǒng)的應(yīng)用程序接口產(chǎn)生按鍵事件。
權(quán)利要求
1.基于非光投影的輸入方法，其特征在于用線形激光器的出射光平行覆蓋于鍵盤圖案 (3)的平面上方，手指觸碰鍵盤圖案(3)中的按鍵，出射光在手指指尖產(chǎn)生光斑，通過攝像頭 (1)獲取包含有光斑的圖像，處理器接收攝像頭(1)獲取的圖像，對所述光斑進(jìn)行定位，得到光斑中心在圖像中的坐標(biāo)，由光斑中心的坐標(biāo)換算出光斑中心在鍵盤圖案(3)區(qū)域坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，并最終對應(yīng)到鍵盤按鍵編號，該按鍵編號對應(yīng)的鍵盤按鍵即為手指所觸碰的鍵盤圖案(3)中的按鍵。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于非光投影的輸入方法，其特征在于由按鍵狀態(tài)的變化及狀態(tài)的持續(xù)時間判斷按鍵的動作為單擊、釋放或長按。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于非光投影的輸入方法，其特征在于所述光斑中心坐標(biāo)的定位采用了輪廓查找的方法，將光斑輪廓找出，并由輪廓上所有點(diǎn)的坐標(biāo)平均值計算得到其中心坐標(biāo)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于非光投影的輸入方法，其特征在于所述輪廓查找的方法具體是先將圖像二值化，光斑處標(biāo)為白色，其余視為背景，標(biāo)為黑色；然后挖去內(nèi)部點(diǎn)得到多個輪廓圈，所謂內(nèi)部點(diǎn)的判斷方法為在3*3的方塊中，當(dāng)中心點(diǎn)為白點(diǎn)，且其8個鄰域點(diǎn)也為白點(diǎn)，即中心點(diǎn)被白色點(diǎn)包圍，則該中心點(diǎn)為內(nèi)部點(diǎn)；之后從原點(diǎn)出發(fā)，通過八方向的搜索，將光斑的輪廓圈出，并記錄輪廓上各個點(diǎn)的坐標(biāo)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于非光投影的輸入方法，其特征在于還包括鍵盤的自動定位步驟鍵盤圖案(3)平面的兩側(cè)各有一條凸起線(5)，線形激光器的出射光照射在凸起線 (5)上，形成兩條白色亮線；采用輪廓查找的方法得到圖像中各個輪廓上所有點(diǎn)的坐標(biāo)、輪廓周長、面積，判斷輪廓是否符合兩條白色亮線的特征，以此確定兩條白色亮線的輪廓，兩條白色亮線的端點(diǎn)則構(gòu)成了鍵盤區(qū)域的頂點(diǎn)；所述兩條白色亮線的特征為輪廓的面積除以周長的比值在設(shè)定的范圍內(nèi)，輪廓上各點(diǎn)縱坐標(biāo)的方差除以輪廓上各點(diǎn)橫坐標(biāo)的方差的比值在另一設(shè)定的范圍內(nèi)。
6.基于非光投影的輸入鍵盤，其特征在于包括供輸入者觸碰并供攝像頭拍攝的鍵盤圖案(3)和用于產(chǎn)生出射光的線形激光器，所述出射光平行覆蓋于鍵盤圖案(3)上方。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于非光投影的輸入鍵盤，其特征在于還包括用于拍攝所述鍵盤圖案的攝像頭(1)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于非光投影的輸入鍵盤，其特征在于還包括用于處理拍攝圖像并得到輸入者所輸入的按鍵信息的處理器，處理器分別與所述攝像頭(1)和待輸入設(shè)備連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求6、任一項所述的基于非光投影的輸入鍵盤，其特征在于鍵盤圖案 (3 )平面的兩側(cè)各有一條被線形激光器照射形成亮線、用于鍵盤區(qū)域定位的凸起線(5 )。
全文摘要
本發(fā)明提供了基于非光投影的輸入方法和鍵盤，所述方法為用線形激光器的出射光平行覆蓋于顯示有鍵盤圖案的平面上方，手指觸碰鍵盤圖案中的按鍵，出射光在手指指尖產(chǎn)生光斑，通過攝像頭獲取包含有光斑的圖像，處理器接收攝像頭獲取的圖像，對所述光斑進(jìn)行定位，得到光斑中心在圖像中的坐標(biāo)，由光斑中心的坐標(biāo)換算出光斑中心在鍵盤圖案區(qū)域坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，并最終對應(yīng)到鍵盤按鍵編號，該按鍵編號對應(yīng)的鍵盤按鍵即為手指所觸碰的鍵盤圖案中的按鍵。所述鍵盤包括供輸入者觸碰并供攝像頭拍攝的鍵盤圖案和用于產(chǎn)生出射光的線形激光器，所述出射光平行覆蓋于鍵盤圖案上方。本發(fā)明徹底解決了傳統(tǒng)鍵盤存在的不可防水的問題。
文檔編號G06F3/042GK102520805SQ20111044274
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月24日
發(fā)明者謝巍, 陳暑生, 黃旭東 申請人:華南理工大學(xué)