一種基于聲定位技術(shù)的虛擬鍵盤的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于聲定位技術(shù)的虛擬鍵盤，核心設(shè)備放置在預(yù)設(shè)平面內(nèi)，且與預(yù)設(shè)平面相接觸；聲傳感器在同一個(gè)平面內(nèi)，且所有聲傳感器不在同一直線上，相互之間存在一定間距；聲傳感器所感應(yīng)到的區(qū)域?yàn)殒I盤區(qū)域；核心設(shè)備通過多路數(shù)字信號(hào)對(duì)敲擊點(diǎn)進(jìn)行定位，獲取敲擊點(diǎn)位置；將2個(gè)位置點(diǎn)作為鍵盤頂角的鍵，并對(duì)按鍵進(jìn)行擴(kuò)展確定整個(gè)鍵盤模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)鍵盤模型的標(biāo)定，在預(yù)設(shè)平面上形成利用聲音控制的虛擬鍵盤。本發(fā)明擴(kuò)大了按鍵面積，縮小了便攜設(shè)備體積，且耗能小，成本低。可廣泛應(yīng)用于平板式PC機(jī)、筆記本電腦、殘障人士鍵盤；或應(yīng)用在工業(yè)環(huán)境，潔凈室，無菌和醫(yī)療環(huán)境；以及應(yīng)用在測(cè)試設(shè)備、航空鐵路等運(yùn)輸設(shè)備上。
【專利說明】一種基于聲定位技術(shù)的虛擬鍵盤
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及虛擬鍵盤領(lǐng)域，特別涉及一種基于聲定位技術(shù)的虛擬鍵盤。
【背景技術(shù)】
[0002]虛擬鍵盤能夠解決手機(jī)或平板電腦等便攜設(shè)備因鍵盤過小而導(dǎo)致操作不便的問題，并能達(dá)到縮小便攜設(shè)備體積的目的。
[0003]已有的虛擬鍵盤為通常為激光虛擬鍵盤和觸摸虛擬鍵盤，其中激光虛擬鍵盤采用光投照技術(shù)，幾乎能在任意平面上投影出全尺寸的電腦鍵盤。通過虛擬鍵盤的適用性技術(shù)對(duì)用戶手指運(yùn)動(dòng)進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)對(duì)鍵盤擊打動(dòng)作的解碼和記錄。
[0004]但是，由于投影顯示技術(shù)所限，容易受到外界環(huán)境光的干擾，在過于明亮的環(huán)境下，無法正常工作。使用激光虛擬鍵盤時(shí)，需要底部不透明、不強(qiáng)反光。其底部接收器的工作范圍是固定的，無論是墊高激光虛擬鍵盤的底部，還是改變激光虛擬鍵盤的仰角，都會(huì)導(dǎo)致虛擬鍵盤無法正常工作。且該技術(shù)能耗大，成本高，不利于普及。
[0005]觸摸虛擬鍵盤通常包括:手機(jī)虛擬鍵盤和平板電腦虛擬鍵盤等，將觸摸屏上的虛擬鍵盤作為真實(shí)鍵盤使用，從而降低了產(chǎn)品的體積和成本。
[0006]但是，實(shí)際應(yīng)用中觸摸虛擬鍵盤受屏幕大小的限制，按鍵面積較小，經(jīng)常出現(xiàn)輸入錯(cuò)誤的問題，不便于實(shí)際操作；并且虛擬鍵盤占據(jù)較多的觸摸屏，當(dāng)文本信息或圖片信息中的內(nèi)容較多時(shí)，會(huì)出現(xiàn)信息內(nèi)容不能較完整的顯示。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明提供了一種基于聲定位技術(shù)的虛擬鍵盤，本發(fā)明降低了虛擬鍵盤的功耗和成本，增大了屏幕的顯示面積，提高用戶的體驗(yàn)，詳見下文描述:
[0008]一種基于聲定位技術(shù)的虛擬鍵盤，包括:核心設(shè)備，所述核心設(shè)備內(nèi)設(shè)置有至少三個(gè)聲傳感器，
[0009]所述核心設(shè)備放置在預(yù)設(shè)平面內(nèi)，且與預(yù)設(shè)平面相接觸；所述聲傳感器在同一個(gè)平面內(nèi)，且所有所述聲傳感器不在同一直線上，相互之間存在一定間距；所述聲傳感器所感應(yīng)到的區(qū)域?yàn)殒I盤區(qū)域；
[0010]所述核心設(shè)備通過多路數(shù)字信號(hào)對(duì)敲擊點(diǎn)進(jìn)行定位，獲取敲擊點(diǎn)位置；所述核心設(shè)備選取至少2個(gè)位置點(diǎn)進(jìn)行連續(xù)敲擊，將2個(gè)位置點(diǎn)作為鍵盤頂角的鍵，并對(duì)按鍵進(jìn)行擴(kuò)展確定整個(gè)鍵盤模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)所述鍵盤模型的標(biāo)定，在所述預(yù)設(shè)平面上形成利用聲音控制的虛擬鍵盤，所述核心設(shè)備將敲擊點(diǎn)對(duì)應(yīng)的按鍵值傳入鍵盤緩沖區(qū)，實(shí)現(xiàn)鍵盤功能。
[0011]所述核心設(shè)備包括:依次電連接的信號(hào)采集單元、信號(hào)調(diào)理單元、A/D轉(zhuǎn)換器和中央處理單元，所有聲傳感器同步采集在所述鍵盤區(qū)域敲擊所產(chǎn)生的聲音信號(hào)，所述信號(hào)采集單元在預(yù)設(shè)采樣頻率范圍內(nèi)采集各路聲音信號(hào)的波形，并傳入所述信號(hào)調(diào)理單元；所述信號(hào)調(diào)理單元對(duì)各路聲音信號(hào)的波形進(jìn)行平移和放大，并根據(jù)噪聲頻段對(duì)平移放大后的信號(hào)進(jìn)行濾波，獲取多路模擬信號(hào)，并通過所述A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成所述多路數(shù)字信號(hào)，并傳輸至所述中央處理單元。
[0012]所述預(yù)設(shè)平面為建立虛擬鍵盤的平面。所述預(yù)設(shè)平面為任意材料的平面。
[0013]所述核心設(shè)備為便攜設(shè)備、小型設(shè)備、適用于特殊環(huán)境的設(shè)備、以及不便于實(shí)現(xiàn)全尺寸鍵盤操作的儀器和設(shè)備。
[0014]當(dāng)手位偏離鍵盤模型的基準(zhǔn)按鍵時(shí)，所述核心設(shè)備對(duì)所述鍵盤模型進(jìn)行重新標(biāo)定。
[0015]所述鍵盤模型不顯示按鍵。
[0016]所述核心設(shè)備通過多路數(shù)字信號(hào)對(duì)敲擊點(diǎn)進(jìn)行定位，獲取敲擊點(diǎn)位置具體為:以每?jī)蓚€(gè)聲傳感器為焦點(diǎn)確定一個(gè)雙曲線，焦點(diǎn)F1、F2分別表示兩聲傳感器，雙曲線兩頂點(diǎn)之間的距離2a表示聲源分別到兩聲傳感器的距離差，兩聲傳感器間距為2c，通過聯(lián)立雙曲線方程獲取敲擊點(diǎn)的位置。
[0017]所述核心設(shè)備通過多路數(shù)字信號(hào)對(duì)敲擊點(diǎn)進(jìn)行定位，獲取敲擊點(diǎn)位置具體為:聲傳感器所圍區(qū)域的中心O (0，0)為基準(zhǔn)點(diǎn)，將基準(zhǔn)點(diǎn)與任一聲傳感器連線所在的直線定義為基準(zhǔn)線，取基準(zhǔn)線上的一個(gè)聲傳感器定義為基準(zhǔn)聲傳感器，基準(zhǔn)聲傳感器對(duì)應(yīng)的那路數(shù)字信號(hào)為基準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)，其他聲傳感器與基準(zhǔn)傳感器的夾角為Yi,聲傳感器所圍區(qū)域的孔徑為a/2，聲速為C，敲擊點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)的連線與基準(zhǔn)線的夾角為△ Θ，通過聯(lián)立直線方程獲取敲擊點(diǎn)的位置。
[0018]本發(fā)明提供的技術(shù)方案的有益效果是:本發(fā)明在實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)鍵盤功能的基礎(chǔ)上，擴(kuò)大了按鍵面積，縮小了便攜設(shè)備體積，且耗能小，成本低?？蓮V泛應(yīng)用于平板式PC機(jī)、筆記本電腦、殘障人士鍵盤；或應(yīng)用在工業(yè)環(huán)境，潔凈室，無菌和醫(yī)療環(huán)境；以及應(yīng)用在測(cè)試設(shè)備、航空鐵路等運(yùn)輸設(shè)備上。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為一種基于聲定位技術(shù)的虛擬鍵盤的結(jié)構(gòu)不意圖；
[0020]圖2為虛擬鍵盤的工作示意圖；
[0021]圖3為本發(fā)明所用聲達(dá)時(shí)間差法原理的示意圖；
[0022]圖4為本發(fā)明所用波束形成原理的示意圖；
[0023]圖5能量與夾角的關(guān)系示意圖；
[0024]圖6為本發(fā)明實(shí)施修正操作的流程圖。
[0025]附圖中，各部件的列表如下:
[0026]1:核心設(shè)備；11:信號(hào)采集單元；
[0027]12:信號(hào)調(diào)理單元； 13:A/D轉(zhuǎn)換器；
[0028]14:中央處理單元； 15:聲傳感器。
【具體實(shí)施方式】
[0029]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施方式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。
[0030]為了降低虛擬鍵盤的功耗和成本，增大了屏幕的顯示面積，提高用戶的體驗(yàn)，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種基于聲定位技術(shù)的虛擬鍵盤，參見圖1和圖2，詳見下文描述:[0031]基于聲定位技術(shù)的虛擬鍵盤，包括:核心設(shè)備1，核心設(shè)備I內(nèi)設(shè)置有信號(hào)采集單元11、信號(hào)調(diào)理單元12、A/D轉(zhuǎn)換器13、中央處理單元14和至少三個(gè)聲傳感器15，聲傳感器15在同一個(gè)平面內(nèi)，且所有聲傳感器15不在同一直線上，相互之間存在一定間距，例如:Icm0
[0032]使用時(shí)將核心設(shè)備I放置在預(yù)設(shè)平面內(nèi)，且與預(yù)設(shè)平面相接觸。預(yù)設(shè)平面為建立虛擬鍵盤的平面，即敲擊平面，聲傳感器15所感應(yīng)到的區(qū)域?yàn)殒I盤區(qū)域，鍵盤區(qū)域的大小根據(jù)需要需能容納一個(gè)臺(tái)式電腦所帶標(biāo)準(zhǔn)鍵盤或筆記本電腦所帶標(biāo)準(zhǔn)鍵盤。
[0033]實(shí)際應(yīng)用中，預(yù)設(shè)平面可以為任意材料的平面，例如:桌面、墻面或地面等。
[0034]其中，標(biāo)準(zhǔn)鍵盤通常包括:一鍵區(qū)鍵盤和倆鍵區(qū)鍵盤等，鍵盤的尺寸等為本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知，具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中的需要進(jìn)行選擇，本發(fā)明實(shí)施例對(duì)此不做限制。
[0035]具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，核心設(shè)備I可以為特殊環(huán)境下(高溫、輻射較強(qiáng)或污染嚴(yán)重等)或屏幕較小不便于實(shí)現(xiàn)全尺寸鍵盤操作的儀器和設(shè)備，例如:手機(jī)、平板電腦等能實(shí)現(xiàn)本發(fā)明功能的器件，本發(fā)明實(shí)施例對(duì)此不做限制。
[0036]根據(jù)工作情況的不同，每次初始化虛擬鍵盤前都需要進(jìn)行環(huán)境初始化。利用聲發(fā)射(Acousticemission簡(jiǎn)稱AE)技術(shù)進(jìn)行環(huán)境初始化,即確定環(huán)境噪聲頻段。聲發(fā)射又稱應(yīng)力波發(fā)射，是材料或零部件受力作用產(chǎn)生變形、斷裂，或內(nèi)部應(yīng)力超過屈服極限而進(jìn)入不可逆的塑性變形階段，以瞬態(tài)彈性波形式釋放應(yīng)變能的現(xiàn)象。這種彈性波以聲波形式存在，頻率范圍很寬包括數(shù)赫茲到數(shù)兆赫茲，如果能量足夠大，并且頻率集中在聲音頻段內(nèi)，則可以被人耳所聽見。諸多原因可以產(chǎn)生聲發(fā)射，如材料裂紋、斷裂、應(yīng)力再分配、撞擊及摩擦等。從聲發(fā)射源發(fā)射的彈性波最終傳播到達(dá)材料的表面，引起可以用聲發(fā)射傳感器探測(cè)的表面位移，這些探測(cè)器將材料的機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后再被放大、處理和記錄。通過對(duì)所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，最終達(dá)到以下目的:①確定聲發(fā)射源的部位；②分析聲發(fā)射源的性質(zhì)；③確定聲發(fā)射發(fā)生的時(shí)間或載荷；④評(píng)定聲發(fā)射源的嚴(yán)重性。
[0037]任選一個(gè)或多個(gè)聲傳感器15米集一段時(shí)間內(nèi)的(如Is內(nèi)，具體米集時(shí)間根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中的需要進(jìn)行設(shè)定)環(huán)境聲發(fā)射信號(hào)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，確定噪聲頻段(當(dāng)聲傳感器為多個(gè)時(shí)，將多個(gè)噪聲頻段的平均值作為噪聲頻段)，以便隨后使用濾波電路對(duì)噪聲進(jìn)行濾除。
[0038]所有聲傳感器同步采集在鍵盤區(qū)域敲擊所產(chǎn)生的聲音信號(hào)，得到各路聲音信號(hào)，信號(hào)采集單元11在預(yù)設(shè)采樣頻率范圍內(nèi)(本發(fā)明實(shí)施例以IMHz為例進(jìn)行說明，以保證所需的定位精度，具體實(shí)現(xiàn)時(shí)對(duì)此不做限制)采集各路聲音信號(hào)的波形，將各路聲音信號(hào)的波形傳入信號(hào)調(diào)理單元12，以便進(jìn)一步分析。
[0039]信號(hào)調(diào)理單元12對(duì)各路聲音信號(hào)的波形進(jìn)行平移和放大，并根據(jù)噪聲頻段對(duì)平移放大后的信號(hào)進(jìn)行濾波，獲取多路模擬信號(hào)，并通過A/D轉(zhuǎn)換器13轉(zhuǎn)換成多路數(shù)字信號(hào)。
[0040]即信號(hào)調(diào)理單元12中的運(yùn)放電路去除采集到的各路聲音信號(hào)的直流分量，并對(duì)其進(jìn)行平移放大，以保證處理后的信號(hào)可被A/D轉(zhuǎn)換器13接收。例如，一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器的量程為O?5V，而接收到聲音信號(hào)波形的幅值為6V?6.005V，則需將該聲音信號(hào)平移為
2.4975?2.505V,再放大1000倍，使其變?yōu)镺?5V。信號(hào)調(diào)理單元12中的濾波電路對(duì)平移放大后的信號(hào)進(jìn)行濾波。濾除環(huán)境初始化過程中確定出的噪聲頻段，消除聲信號(hào)中包含的噪聲信號(hào)，得到后續(xù)使用的多路模擬信號(hào)，并通過A/D轉(zhuǎn)換器13轉(zhuǎn)換成多路數(shù)字信號(hào)。[0041]本方法根據(jù)聲定位技術(shù)對(duì)敲擊點(diǎn)進(jìn)行定位，例如:采用基于最大輸出功率的可控波束形成技術(shù)、基于高分辨率譜估計(jì)技術(shù)和基于聲達(dá)時(shí)間差技術(shù)等對(duì)敲擊點(diǎn)進(jìn)行定位，本方法以聲達(dá)時(shí)間差法原理為例進(jìn)行說明，具體為:
[0042](I)選取特征值。
[0043]方法一:用互相關(guān)法，通過比較各路數(shù)字信號(hào)的波形，直接得到兩兩聲傳感器接收到聲音信號(hào)的時(shí)間差A(yù)T。
[0044]方法二:用取閾值法，確定每個(gè)聲傳感器接收到聲音信號(hào)的時(shí)間t，兩兩聲傳感器接收到聲音信號(hào)的時(shí)間t相減得時(shí)間差A(yù)T。
[0045](2)確定敲擊點(diǎn)。
[0046]根據(jù)聲達(dá)時(shí)間差法原理，即聲音信號(hào)到達(dá)兩聲傳感器的時(shí)間差值為已知定值，所以以每?jī)蓚€(gè)聲傳感器為焦點(diǎn)確定一個(gè)雙曲線，同理得其他幾組雙曲線，幾組雙曲線相交得一點(diǎn)。如圖3所示。圖中O為坐標(biāo)原點(diǎn)；兩焦點(diǎn)F1、F2分別表示兩聲傳感器,2a表示聲源分別到兩聲傳感器的距離差，也是雙曲線兩頂點(diǎn)之間的距離；2c表示兩聲傳感器間距，計(jì)算過程如下(設(shè)聲速為V):
【權(quán)利要求】
1.一種基于聲定位技術(shù)的虛擬鍵盤，包括:核心設(shè)備，其特征在于，所述核心設(shè)備內(nèi)設(shè)置有至少三個(gè)聲傳感器， 所述核心設(shè)備放置在預(yù)設(shè)平面內(nèi)，且與預(yù)設(shè)平面相接觸；所述聲傳感器在同一個(gè)平面內(nèi)，且所有所述聲傳感器不在同一直線上，相互之間存在一定間距；所述聲傳感器所感應(yīng)到的區(qū)域?yàn)殒I盤區(qū)域； 所述核心設(shè)備通過多路數(shù)字信號(hào)對(duì)敲擊點(diǎn)進(jìn)行定位，獲取敲擊點(diǎn)位置；所述核心設(shè)備選取至少2個(gè)位置點(diǎn)進(jìn)行連續(xù)敲擊，將2個(gè)位置點(diǎn)作為鍵盤頂角的鍵，并對(duì)按鍵進(jìn)行擴(kuò)展確定整個(gè)鍵盤模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)所述鍵盤模型的標(biāo)定，在所述預(yù)設(shè)平面上形成利用聲音控制的虛擬鍵盤，所述核心設(shè)備將敲擊點(diǎn)對(duì)應(yīng)的按鍵值傳入鍵盤緩沖區(qū)，實(shí)現(xiàn)鍵盤功能。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于聲定位技術(shù)的虛擬鍵盤，其特征在于，所述核心設(shè)備包括:依次電連接的信號(hào)采集單元、信號(hào)調(diào)理單元、A/D轉(zhuǎn)換器和中央處理單元， 所有聲傳感器同步采集在所述鍵盤區(qū)域敲擊所產(chǎn)生的聲音信號(hào)，所述信號(hào)采集單元在預(yù)設(shè)采樣頻率范圍內(nèi)采集各路聲音信號(hào)的波形，并傳入所述信號(hào)調(diào)理單元；所述信號(hào)調(diào)理單元對(duì)各路聲音信號(hào)的波形進(jìn)行平移和放大，并根據(jù)噪聲頻段對(duì)平移放大后的信號(hào)進(jìn)行濾波，獲取多路模擬信號(hào)，并通過所述A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成所述多路數(shù)字信號(hào)，并傳輸至所述中央處理單元。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于聲定位技術(shù)的虛擬鍵盤，其特征在于，所述預(yù)設(shè)平面為建立虛擬鍵盤的平面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于聲定位技術(shù)的虛擬鍵盤，其特征在于，所述預(yù)設(shè)平面為任意材料的平面。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于聲定位技術(shù)的虛擬鍵盤，其特征在于，所述核心設(shè)備為便攜設(shè)備、小型設(shè)備 、適用于特殊環(huán)境的設(shè)備、以及不便于實(shí)現(xiàn)全尺寸鍵盤操作的儀器和設(shè)備。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于聲定位技術(shù)的虛擬鍵盤，其特征在于，當(dāng)手位偏離鍵盤模型的基準(zhǔn)按鍵時(shí)，所述核心設(shè)備對(duì)所述鍵盤模型進(jìn)行重新標(biāo)定。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于聲定位技術(shù)的虛擬鍵盤，其特征在于，所述鍵盤模型不顯示按鍵。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于聲定位技術(shù)的虛擬鍵盤，其特征在于，所述核心設(shè)備通過多路數(shù)字信號(hào)對(duì)敲擊點(diǎn)進(jìn)行定位，獲取敲擊點(diǎn)位置具體為: 以每?jī)蓚€(gè)聲傳感器為焦點(diǎn)確定一個(gè)雙曲線，焦點(diǎn)F1、F2分別表示兩聲傳感器，雙曲線兩頂點(diǎn)之間的距離2a表示聲源分別到兩聲傳感器的距離差，兩聲傳感器間距為2c，通過聯(lián)立雙曲線方程獲取敲擊點(diǎn)的位置。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于聲定位技術(shù)的虛擬鍵盤，其特征在于，所述核心設(shè)備通過多路數(shù)字信號(hào)對(duì)敲擊點(diǎn)進(jìn)行定位，獲取敲擊點(diǎn)位置具體為: 聲傳感器所圍區(qū)域的中心O (O，O)為基準(zhǔn)點(diǎn)，將基準(zhǔn)點(diǎn)與任一聲傳感器連線所在的直線定義為基準(zhǔn)線，取基準(zhǔn)線上的一個(gè)聲傳感器定義為基準(zhǔn)聲傳感器，基準(zhǔn)聲傳感器對(duì)應(yīng)的那路數(shù)字信號(hào)為基準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)，其他聲傳感器與基準(zhǔn)傳感器的夾角為Yi,聲傳感器所圍區(qū)域的孔徑為a/2，聲速為C，敲擊點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)的連線與基準(zhǔn)線的夾角為△ Θ，通過聯(lián)立直線方程獲取敲擊點(diǎn)的位置。
【文檔編號(hào)】G06F3/16GK103440042SQ201310373467
【公開日】2013年12月11日 申請(qǐng)日期:2013年8月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月23日
【發(fā)明者】李一博, 羅靈, 孫曉菡, 趙穎, 唐建功, 霍紅偉 申請(qǐng)人:天津大學(xué)