專利名稱：平面和空間書寫系統(tǒng)及其方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用電子板標記裝置(電子筆)、計算機和顯示設備來顯示筆跡
的的系統(tǒng)，更具體地說，涉及一種結合COMS圖像傳感器和加速計傳感器和 交互式的積累誤差校準技術來在任何書寫表面和書寫空間實現(xiàn)手寫的系統(tǒng)
背景技術：
目前已經有一些用電子筆、計算機和投影儀來顯示書寫路徑的電子板系 統(tǒng)，例如，美國專利0231488是在計算機平臺上的書寫系統(tǒng)，美國專利6188392 是在壓力傳感器板上的書寫系統(tǒng)，等等。所有現(xiàn)有的產品或發(fā)明都需要帶有特 別表面如黑板、白板或觸摸屏和柵格屏的電子板上的數(shù)據(jù)傳感器輸入設備。這 些產品是基于電磁、壓力和光電掃描傳感技術，用不同的方法將機械力轉化成 電子信號。上述的現(xiàn)有的技術或發(fā)明使用不便，其特殊的書寫表面/書寫板使 得購買和維護的成本高。
現(xiàn)有的產品或發(fā)明由于傳感器的局限只是2D (二維)的輸入和顯示系統(tǒng)。 本發(fā)明的電子空間板書寫系統(tǒng)(EFWS)使用3D (三維)的加速計傳感器， 可像美國專利6897854那樣檢測到電子筆在2D書寫平面或3D空間中的運動 加速度，然而，當在可接觸表面書寫時，電子筆和和書寫表面之間的摩擦所產 生的振動噪聲使得加速計傳感器檢測其自身的運動，從而引起混淆。為了實現(xiàn) 可接觸書寫的正確檢測，加入了2DCOMS傳感器。
本發(fā)明采用不同的技術即將2DCOMS圖像傳感器和3D加速計傳感器 相結合的技術。它的方法是用圖像比較器和運動加速度轉化來記錄運動的步 幅。根據(jù)這些方法，本發(fā)明是在電子筆內安裝傳感器而不是在書寫板上安裝。 因此，EFWS使得可以進行非電子板書寫，也就是在任何板上，如木板、墻、 纖維、紙或在空氣構成的空間中書寫。本發(fā)明EFWS克服了現(xiàn)有技術固有的缺陷。
在電子筆中使用CMOS傳感器是現(xiàn)有技術，它工作在不受限制的書寫表
面。此電子筆像光電鼠標一樣在可接觸的表面跟蹤其自身的運動。在當前的鼠 標產品或發(fā)明中有兩個問題。使用開關按鈕來檢測間隔的書寫運動如空格、改 變線條、改變書寫區(qū)域等是絕對的。同樣，每次重寫時，鼠標必須從上一個左 邊的點開始，否則，就會出現(xiàn)"繪圖光標"的無效運動。兩個問題都使得在可接 觸表面的書寫(間隔運動)與紙筆書寫不是很相似。本發(fā)明的電子筆有兩個傳
感器，COMS和加速度計輪流地跟蹤2D間隔運動，只有加速度計跟蹤3D連 續(xù)運動時才工作。上述的本發(fā)明使在板上的書寫更接近于紙筆書寫。
本發(fā)明使用以下方法來從加速度計減少積累誤差計算機實時地發(fā)送基準 信號給校準器，校準器上的微處理器計算更新了的顯示比例參數(shù)。校準器是獨 立的并且提供了加入更多的功能來支持EFWS的器件。
在本發(fā)明中，顯示屏可以在投影儀的正常工作范圍內沒有邊界，因此，初 始化只是確定在寫路徑和一次觸摸板的計算機顯示屏之間的比例。無論如何， EFWS的初始化很簡單。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供一種在書寫板上自動跟蹤2D間隔運動和跟蹤3D連續(xù)運動及 其顯示的系統(tǒng)和方法，系統(tǒng)包括具有兩個傳感器的電子筆，其可在兩種環(huán)境下 工作 一個是可接觸的書寫表面，另一個是無接觸運動空間，系統(tǒng)還包括校準 器(校準器的功能可融于電子筆中以實現(xiàn)電子筆對有無線功能計算機的直接發(fā) 送)、計算機或另外的電子顯示裝置、投影儀和專門的應用軟件。


下面將結合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步說明，附圖中
圖1是本發(fā)明電子空間板書寫系統(tǒng)的優(yōu)選實施例的結構示意圖2是本發(fā)明電子空間板書寫系統(tǒng)的優(yōu)選實施例的主要功能，包括初始 化、書寫和擦除；圖3是本發(fā)明電子空間板書寫系統(tǒng)的優(yōu)選實施例的初始化的過程；
圖4是本發(fā)明電子空間板書寫系統(tǒng)的優(yōu)選實施例的2D書寫表面間隔運動
的跟蹤和3D運動空間連續(xù)運動及其顯示的示意圖5是本發(fā)明電子空間板書寫系統(tǒng)的優(yōu)選實施例的的電子筆裝置的結構
示意圖6是本發(fā)明電子空間板書寫系統(tǒng)的優(yōu)選實施例的的電子筆的頂端的電 子筆裝置的透視圖7是本發(fā)明電子空間板書寫系統(tǒng)的優(yōu)選實施例的電子筆的示意圖8是本發(fā)明電子空間板書寫系統(tǒng)的優(yōu)選實施例的的包括電子筆和校準 器在內的主要元件的連接方框圖 ，
圖9是本發(fā)明電子空間板書寫系統(tǒng)的優(yōu)選實施例的2D書寫(間隔運動)寫 操作的原理的示意圖10是本發(fā)明電子空間板書寫系統(tǒng)的優(yōu)選實施例的電子筆跟蹤和其2D 書寫時的傳感器；
圖11是本發(fā)明電子空間板書寫系統(tǒng)的優(yōu)選實施例的電子筆和校準器與另 外的電子裝置在3D空間運動的示意圖12是本發(fā)明電子空間板書寫系統(tǒng)的優(yōu)選實施例的在3D空間中操作的 原理的示意圖13是本發(fā)明的電子空間板書寫系統(tǒng)的優(yōu)選實施例的從加速計減少積累 誤差的方法；
圖14是本發(fā)明電子空間板書寫系統(tǒng)的優(yōu)選實施例的用來支持3D空間運 動的移動手指架的示意圖15是本發(fā)明電子空間板書寫系統(tǒng)的優(yōu)選實施例的可用來支持在紙上書 寫并實時將其輸入到計算機的附加筆的與電子筆連接的結構示意圖16是本發(fā)明電子空間板書寫系統(tǒng)的優(yōu)選實施例的檢測裝置的不同優(yōu)選 實施例；
圖17是本發(fā)明電子空間板書寫系統(tǒng)的優(yōu)選實施例的顯示裝置的不同優(yōu)選 實施例。
具體實施例方式
下面將結合附圖和優(yōu)選實施例對本發(fā)明做進一步的描述。
在下面的描述中，各種特定的細節(jié)是為了清楚地闡明本發(fā)明，然而，計算 機和投影儀的一般設備并不限于這些特定的細節(jié)。
圖1是本發(fā)明的優(yōu)選實施例的電子空間板書寫系統(tǒng)(EFWS) 100，包括 電子筆101、校準器103、積累誤差校準固件104、計算機上的應用軟件105、 投影儀106、非電子板102，包括可接觸書寫表面和無接觸書寫空間。本發(fā)明 有3個主要功能，即配置、書寫和擦除。圖2示出了這些功能的操作步驟。
圖2示出了本發(fā)明的優(yōu)選實施例的上述功能的操作步驟。配置功能的實現(xiàn) 的第一步是在應用軟件105上選擇要配置的功能；書寫表面的調節(jié)大小是由投 影儀106確定的；然后按下電子筆101上的按鈕和根隨基線107劃線；最后一 步是計算顯示比例參數(shù)并將其存儲于校準器103中。書寫功能的實現(xiàn)，首先是 自然地握住電子筆101并且將其在書寫表面/空間102上移動，校準器103從 電子筆101接收路徑數(shù)據(jù)并為投影儀106的顯示計算有關數(shù)據(jù)。應用軟件105 支持在計算機上顯示來自校準器103的書寫路徑。最后，投影儀106在黑色或 其他除了白色之外的其他顏色中在書寫表面/空間顯示路徑。擦除功能的實現(xiàn) 類似于書寫功能的實現(xiàn)，唯一的不同之處是電子筆的把持和顯示白色的路徑起 到相當于改正液的作用。
圖3是本發(fā)明的優(yōu)選實施例的設定EFWS的初始化操作參數(shù)的更詳細的 描述。EFWS的操作環(huán)境可根據(jù)用戶的需要來改變，比如如果要移動投影儀或 書寫表面/空間，改變投影儀的比率或書寫表面的大小。上述的情形出現(xiàn)時就 需要進行配置操作。配置的詳細操作步驟在圖3中(A)到(E)所示。關鍵 的問題是用校準器103計算和存儲顯示參數(shù)?；€107在書寫表面/空間顯示 的標準顯示比例參數(shù)嵌入在校準器中。當電子筆沿著書寫表面102上的基線 107運動時，電子筆101的路徑步進數(shù)據(jù)被傳送到校準器103中。校準器將標 準的顯示比率參數(shù)與到來的路徑坐標數(shù)據(jù)比較來產生新的顯示比率參數(shù)以使 路徑數(shù)據(jù)在計算機窗口和書寫表面以適度的比率顯示出來。圖4是本發(fā)明的優(yōu)選實施例的2D書寫表面間隔運動的跟蹤和3D運動空 間連續(xù)運動及其顯示的示意圖。本發(fā)明EFWS的獨特特征是電子筆與數(shù)據(jù)傳 感器配置而不是在書寫表面/空間102配置，使得書寫表面/空間102可以是任 何材料，例如，木材、塑料、織物、紙或空氣。同樣，它使得顯示窗口 108 的大小靈活可變而不受制造商和產品設計者的限制。顯示窗口 108的不同大小 用圖中虛線表示，它可被投影儀106調節(jié)。EFWS包括不需要特別購買的空間 書寫板，使得本發(fā)明應用起來方便、經濟、安全。
圖5是本發(fā)明的優(yōu)選實施例的電子筆裝置的的結構示意圖。109是可打開 的有電源開/關功能的蓋子。當蓋子109被旋松，電子筆就關掉。否則，如果 蓋子109是緊的，則電子筆就開著。IIO是循環(huán)指示燈，用光的顏色和閃爍類 型來代表電子筆的不同操作功能。lll是電子筆的本體，它是中空圓柱體，電 子筆的控制線路板安裝在其內部。112是群壓電按鈕，其轉換電子筆的不同功 能是按下電子筆的凹處、握持電子筆時按壓按鈕或雙擊按鈕來實現(xiàn)的。113是 電子筆的頂部截面，其詳細結構參見圖6。
圖6是本發(fā)明的優(yōu)選實施例的電子筆裝置的電子筆頂部截面113的透視 圖。有一個組合的傳感器系統(tǒng)在此部分的內部。組合傳感器系統(tǒng)包括兩個集成 電路(IC)傳感器芯片和透鏡，114是CMOS傳感器IC芯片，115是加速計傳感 器IC芯片，包括回轉儀和加速計。透鏡和光源116安裝在電子筆的末端，并 且COMS傳感器114安裝在電子筆的末端來捕獲電子筆的運動步幅信息。頂 端的小孔的大小等于透鏡和光源116的大小。加速計傳感器115檢測電子筆的 加速運動。尖端116A是傾斜的表面，以保持正確的書寫風格。
圖7是為了說明EFWS而展示的電子筆101 (也被稱為"標記裝置")的一 個優(yōu)選實施例。電子筆101包括延長的外殼123，其中空的內部容納電子筆101 的多個部件。外殼123在其末端有帶透鏡116和光源的中空部分。尖端116A 被設計來接觸可以是任何材料的書寫表面/空間102。連接到尖端116的是組合 傳感器系統(tǒng)117。
組合傳感器系統(tǒng)117包括兩個傳感器114和115，設置在靠近外殼123的 靠近尖端116A的位置。CMOS傳感器114配置來檢測并提供對尖端116A的位移有關的測量。來自兩個傳感器的信息可被控制器119交替處理來選擇數(shù) 據(jù)，并且打包，用RF發(fā)射器122傳輸?shù)叫试O備103。 118是群開關單元， 其被用來選擇電源的開/關、配置、書寫、擦寫和接觸/無接觸書寫。選擇的第 一個功能電源開/關是用帶彈簧(在此圖中未畫出)的蓋子開關109來實現(xiàn)的。 余下的選擇的功能是通過3個壓電開關112 (在此圖中未畫出)實現(xiàn)的。120 是顯示給用戶功能設定的指示燈單元。121是電源管理單元，控制從干電池或 充電電池來的供電。
圖8是本發(fā)明的優(yōu)選實施例的主要部件的方框圖，包括本發(fā)明的電子筆 101和校準器103的優(yōu)選實施例。電子筆101的電路模塊方框圖展示了 2D COMS傳感器和3D加速度計傳感器。2D COMS被配置來檢測當尖端116A接 觸書寫表面102時，類似于計算機的光電鼠標那樣，處于工作狀態(tài)。尖端106A 在離開書寫表面102上時用3D加速器傳感器配置來檢測。同樣，圖8中展示 了微控制器的電子筆另外主要功能是數(shù)據(jù)處理和打包，選擇的功能和數(shù)據(jù)包以 無線的方式實時地發(fā)送給校準器103。
校準器103的電路模塊方框圖由接收器、數(shù)據(jù)處理接口和電源構成。校準 器103上的接收器的工作頻率與來自電子筆101上的發(fā)射器的發(fā)射頻率相匹 配。數(shù)據(jù)處理器計算尖端106A在顯示窗口 108上的當前坐標以及從電子筆101 傳來的路徑數(shù)據(jù)和存儲在數(shù)據(jù)處理存儲器上的顯示比例參數(shù)。這樣的處理可基 于本領域技術人員所熟知的現(xiàn)有的數(shù)學算法，可基于加速度、速度、位置等。 校準器和計算機或電子顯示裝置之間的通信是通過接口驅動實現(xiàn)的，可以是計 算機鼠標接口， USB接口和另外的特殊接口。
圖9是本發(fā)明電子空間板書寫系統(tǒng)的優(yōu)選實施例的2D書寫(間隔運動)寫 操作的原理的示意圖。圖9描述了電子筆101上的COMS傳感器128和加速 度傳感器129之間的自動轉換，也包括在可接觸的2D書寫下的在校準器103 上處理有關數(shù)據(jù)。在此條件下的書寫操作的原理是兩個傳感器交替工作。當電 子筆在書寫表面時，2DC0MS傳感器的透鏡聚焦，以使書寫126連續(xù)。電子 筆的操作狀態(tài)自動選擇來檢測電子筆步幅128的運動步幅。當電子筆在無接觸 的書寫表面時，2D COMS傳感器的透鏡不聚焦，使得書寫沒有間斷127，如空白、改變線、改變書寫區(qū)域等。電子筆的操作狀態(tài)自動選擇來檢測電子筆加
速129的運動加速度。在可接觸透鏡集中時，檢測到的數(shù)據(jù)被發(fā)送到校準器 103來進行數(shù)據(jù)處理和積累誤差校準處理步驟130。如果計算機與校準器103 相連，計算機鼠標接口格式或USB接口格式數(shù)據(jù)分組包被130步驟發(fā)送。否 則，在無接觸的透鏡不聚焦的條件下，在3D中產生當前位置坐標被存儲在存 儲器123中來產生重新可接觸的參考點。如果另外的電子顯示器設備與校準器 103相連的話，另外的匹配了的數(shù)據(jù)分組被步驟130產生。
圖IO是計算從電子筆來的書寫路徑的解釋的示意圖。Pn = f (Pn小Sn}。 此處，P是采樣點，n是采樣點的編號，S是運動步幅。當前采樣點"P。"
的位置數(shù)據(jù)是前一個采樣點"Pn.r和步幅編號"n"的函數(shù)(從點"Pn-r到點"Pn"的
距離)。用上述的功能實現(xiàn)的電子筆的檢測運動尖端106總是被兩個傳感器交 替工作來連續(xù)，因此，上述功能實現(xiàn)的書寫更接近用紙筆書寫。
圖11展示了本發(fā)明的優(yōu)選實施例的電子筆與其他電子裝置在無接觸(空 中)環(huán)境中的應用擴展。電子筆101在空中138中畫任何3D圖畫如133，其 運動軌跡被其自己的加速計傳感器檢測到。檢測到的數(shù)據(jù)被發(fā)送到校準器103 并引起有關數(shù)據(jù)處理和界面匹配。3D圖畫133可在電子器件例如PAD/寫字板 PC 134、計算機135和HDTV (High Definition Television,高清晰數(shù)字電視) 136上用它們的相應接口和安裝在這些電子設備中的相關的軟件顯示出。如果 配置在電子筆101中的校準器和電子筆的數(shù)據(jù)傳輸是以藍牙格式傳輸，3D圖 畫133還可在移動電話137上顯示。
圖12是在無接觸的書寫表面操作原理的細節(jié)。在此情況下，只有電子筆 中的加速計傳感器才在129上工作，其檢測多個方向上的數(shù)據(jù)，X、 Y、 Z軸 和時間軸134。檢測到的帶有時間刻度的3D加速數(shù)據(jù)(X、 Y、 Z軸和時間軸) 被發(fā)送到校準器進行數(shù)據(jù)處理和積累誤差校準步驟130。連接接口可是除了計 算機鼠標以外的接口類型。在本發(fā)明中，檢測和顯示數(shù)據(jù)包括時間因子，其產 生一些新的EFWS的功能，例如，顯示慢速的運動。
權利要求
1、一種交互式書寫的數(shù)據(jù)輸入和校準系統(tǒng)，其特征在于，包括電子筆、計算機、校準器、寫裝置和顯示裝置；所述寫裝置，包括可接觸的寫表面和無接觸的寫表面或寫空間；顯示裝置，包括投影儀、其他與計算機直接連接的顯示裝置；所述系統(tǒng)的功能包括配置、書寫、擦寫；所述電子筆檢測其自身的運動，并將檢測到的路徑數(shù)據(jù)發(fā)送到校準器，所述校準器將處理后的顯示數(shù)據(jù)發(fā)送到計算機，通過顯示裝置顯示書寫路徑，所述校準器的功能可融于電子筆中以實現(xiàn)電子筆對無線功能計算機的直接發(fā)送。
2、 根據(jù)權利要求1所述的交互式書寫的數(shù)據(jù)輸入和校準系統(tǒng)，其特征在 于，所述電子筆包括二維傳感器芯片和/或三維傳感器芯片、COMS透鏡、開 關、儲存芯片、微控制器、發(fā)送器、固件；所述一個或多個傳感器芯片用來確 定位置；所述電子筆用傳感器芯片檢測其自身運動距離和加速度并且將自身運 動距離和加速度的路徑數(shù)據(jù)用發(fā)送器發(fā)送。
3、 根據(jù)權利要求1所述的交互式書寫的數(shù)據(jù)輸入和校準系統(tǒng)，其特征在 于，所述校準器包括接收器、數(shù)據(jù)處理器、USB接口或鼠標接口，所述校 準器計算并顯示比率參數(shù)、位置坐標，進行接口分組，交互式的積累錯誤校準。
4、 根據(jù)權利要求1所述的交互式書寫的數(shù)據(jù)輸入和校準系統(tǒng)，其特征在 于，所述電子筆還包括固件，所述固件支持無線傳輸以及自身的協(xié)議或藍牙協(xié) 議、電源管理、濾除檢測到的噪聲。
5、 根據(jù)權利要求1所述的交互式書寫的數(shù)據(jù)輸入和校準系統(tǒng)，其特征在 于，所述校準器上包括固件，所述固件進行交互式積累錯誤校準、數(shù)據(jù)處理/ 過濾來去除振動噪聲和傾斜并且利用COMS 二維傳感器和/或三維加速度計 的數(shù)據(jù)來計算步幅和位移、投影儀顯示的數(shù)據(jù)匹配，加上顯示比率參數(shù)、數(shù)據(jù) 轉換成USB鼠標格式或另外的格式、支持無線接收自身的協(xié)議/藍牙、多個電 子筆書寫、強調/點光。
6、 根據(jù)權利要求1所述的交互式書寫的數(shù)據(jù)輸入和校準系統(tǒng)，其特征在 于，所述計算機上的應用軟件支持二維或三維顯示書寫路徑、書寫顏色、擦寫、跟蹤、游戲、運動鍛煉、系統(tǒng)初始化或配置。
7、 根據(jù)權利要求2所述的交互式書寫的數(shù)據(jù)輸入和校準系統(tǒng)，其特征在 于，所述二維、三維傳感器芯片包括COMS 二維傳感器、三維加速度計和三 維陀螺儀。
8、 根據(jù)權利要求1所述的交互式書寫的數(shù)據(jù)輸入和校準系統(tǒng)，其特征在 于，所述電子筆上加上普通的筆就能夠在紙上書寫，所述普通的筆包括水筆和 圓珠筆。
9、 根據(jù)權利要求1所述的交互式書寫的數(shù)據(jù)輸入和校準系統(tǒng)，其特征在 于，所述電子筆的外形為筆或自動適應手指大小的環(huán)或球或腕帶。
10、 一種在可接觸表面書寫和用投影儀、HDTV和另外的計算機相連接的 計算機顯示裝置來顯示書寫的方法，其特征在于，所述方法包括檢測無接觸 空間中的運動和用投影儀、HDTV和其他與計算機相連的電子顯示裝置來進行 三維顯示的方法；跟蹤無接觸空間和用投影儀、HDTV和另外的與計算機相連 的電子顯示裝置來進行三維顯示的方法；加上時間因子來進行四維顯示。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種平面和空間書寫系統(tǒng)及其方法，系統(tǒng)包括電子筆、計算機、校準器、寫裝置和顯示裝置；寫裝置，包括可接觸的寫表面和無接觸的寫表面；顯示裝置，包括空間-表面投影儀、其他與計算機直接連接的顯示裝置；系統(tǒng)的功能包括配置、書寫、擦寫；方法包括檢測無接觸空間中的運動和用投影儀、HDTV和其他與計算機相連的電子顯示裝置來進行二維或三維顯示的方法；跟蹤無接觸空間和用投影儀、HDTV和另外的電子顯示裝置來進行二維或三維顯示的方法；加上時間因子來進行四維顯示。本發(fā)明的優(yōu)勢是書寫不需用專門的書寫板，書寫可以在任何表面或空間進行，使得本發(fā)明應用起來方便、經濟、安全、可靠性高。
文檔編號G06F3/033GK101430614SQ20081008830
公開日2009年5月13日 申請日期2008年3月21日 優(yōu)先權日2007年11月6日
發(fā)明者劉北松·貝琳達, 張超·查爾斯, 戴人龍·大衛(wèi), 李辛華, 斌 胡, 袁丕堅 申請人:袁丕堅;張超·查爾斯;劉北松·貝琳達;胡 斌;李辛華;戴人龍·大衛(wèi)