專利名稱：用于編碼的電子墨水表面的檢測元件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明總體上涉及一種檢測元件，用于捕捉相對一個表面的運動的交互作用以及相對一個表面的運動，更具體地，和相對一個電子墨水表面的運動的交互作用以及相對一個電子墨水表面的運動。
共同待審申請相關于本發(fā)明的各種方法、系統(tǒng)和裝置在以下由本發(fā)明申請人或受讓人和本發(fā)明同時提出申請的共同待審申請中披露PCT/AU00/01273、PCT/AU00/01279、PCT/AU00/01288、PCT/AU00/01282、PCT/AU00/01276、PCT/AU00/01280、PCT/AU00/01274、PCT/AU00/01289、PCT/AU00/01275、PCT/AU00/01277、PCT/AU00/01286、PCT/AU00/01281、PCT/AU00/01278、PCT/AU00/01287、PCT/AU00/01285、PCT/AU00/01284和PCT/AU00/01283。這些共同待審申請的內(nèi)容作為參考包含于本申請。
相關于本發(fā)明的各種方法、系統(tǒng)和裝置在以下由本發(fā)明申請人或受讓人在2000年9月15日提出申請的共同待審申請中披露PCT/AU00/01108、PCT/AU00/01110和PCT/AU00/0111。這些共同待審申請的內(nèi)容作為參考包含于本申請。
相關于本發(fā)明的各種方法、系統(tǒng)和裝置在以下由本發(fā)明申請人或受讓人在2000年6月30日提出申請的共同待審申請中披露PCT/AU00/00762、PCT/AU00/00763、PCT/AU00/00761、PCT/AU00/00760、PCT/AU00/00759、PCT/AU00/00758、PCT/AU00/00764、PCT/AU00/00765、PCT/AU00/00766、PCT/AU00/00767、PCT/AU00/00768、PCT/AU00/00773、PCT/AU00/00774、PCT/AU00/00775、PCT/AU00/00776、PCT/AU00/00777、PCT/AU00/00770、PCT/AU00/00769、PCT/AU00/00771、PCT/AU00/00772、PCT/AU00/00754、PCT/AU00/00755、PCT/AU00/00756、和PCT/AU00/00757。這些共同待審申請的內(nèi)容作為參考包含于本申請。
相關于本發(fā)明的各種方法、系統(tǒng)和裝置在以下由本發(fā)明申請人或受讓人在2000年6月30日提出申請的共同待審申請中披露PCT/AU00/00518、PCT/AU00/00519、PCT/AU00/00520、PCT/AU00/00521、PCT/AU00/00522、PCT/AU00/00523、PCT/AU00/00524、PCT/AU00/00525、PCT/AU00/00526、PCT/AU00/0527、PCT/AU00/00528、PCT/AU00/00529、PCT/AU00/00530、PCT/AU00/00531、PCT/AU00/00532、PCT/AU00/00533、PCT/AU00/00534、PCT/AU00/00535、PCT/AU00/00536、PCT/AU00/00537、PCT/AU00/00538、PCT/AU00/00539、PCT/AU00/00540、PCT/AU00/00541、PCT/AU00/00542、PCT/AU00/00543、PCT/AU00/00544、PCT/AU00/00545、PCT/AU00/00547、PCT/AU00/00546、PCT/AU00/00554、PCT/AU00/00556、PCT/AU00/00557、PCT/AU00/00558、PCT/AU00/00559、PCT/AU00/00560、PCT/AU00/00561、PCT/AU00/00562、PCT/AU00/00563、PCT/AU00/00564、PCT/AU00/0565、 PCT/AU00/00566、PCT/AU00/00567、PCT/AU00/00568、PCT/AU00/00569、PCT/AU00/00570、PCT/AU00/00571、PCT/AU00/00572、PCT/AU00/00573、PCT/AU00/00574、PCT/AU00/00575、PCT/AU00/00576、PCT/AU00/00577、PCT/AU00/00578、PCT/AU00/00579、PCT/AU00/00581、PCT/AU00/00580、PCT/AU00/00582、PCT/AU00/00587、PCT/AU00/00588、PCT/AU00/00589、PCT/AU00/00583、PCT/AU00/00593、PCT/AU00/00590、PCT/AU00/00591、PCT/AU00/00592、PCT/AU00/00594、PCT/AU00/00595、PCT/AU00/00596、PCT/AU00/00597、PCT/AU00/00598、PCT/AU00/00516、PCT/AU00/00517、和PCT/AU00/00511。這些共同待審申請的內(nèi)容作為參考包含于本申請。
由于這種筆類裝置典型地使用常規(guī)的標記工具，例如蘸墨水筆尖，所以被涂寫的表面介質一般不可再利用。
優(yōu)選地，該檢測元件還包括運動檢測裝置，配置為生成表示檢測元件相對該區(qū)域的運動的運動數(shù)據(jù)。該運動檢測裝置優(yōu)選地配置為利用編碼數(shù)據(jù)中的至少一些來生成運動數(shù)據(jù)。
編碼數(shù)據(jù)優(yōu)選地表示該區(qū)域的多個坐標點，該運動檢測裝置配置為當檢測元件相對所述坐標點中的至少一個運動時生成運動數(shù)據(jù)。編碼數(shù)據(jù)可以包括周期碼元，該運動檢測裝置配置為當檢測元件相對所述周期碼元中的至少一個運動時生成運動數(shù)據(jù)。
優(yōu)選地，該運動檢測裝置配置為對檢測元件相對至少一個坐標點的位置采樣，從而生成運動數(shù)據(jù)?？蛇x地，或另外地，該運動檢測裝置配置為對檢測元件相對至少一個周期碼元的位置采樣，從而生成運動數(shù)據(jù)。
優(yōu)選地，該運動檢測裝置包括至少一個加速度檢測裝置，該加速度檢測裝置配置為當檢測元件相對該區(qū)域運動時檢測檢測元件的加速度，該運動檢測裝置配置為通過對加速度定期采樣來生成運動數(shù)據(jù)。該加速度檢測裝置可以配置為檢測加速度的至少兩個基本正交的分量。
編碼數(shù)據(jù)可以獨立地或者當生產(chǎn)表面時記錄在表面上。該表面可以是任何表面，包括紙、塑料或任何其他固體材料。該表面可以是其他物體的一部分。例如，它可以是家具的一部分、墻的一部分、任何物體的一部分。優(yōu)選地，該表面是一個頁面，優(yōu)選是一個紙張頁面，并且可以是一個文件的一部分。
該檢測元件不需要實際接觸表面。它可以接觸表面，但是它也可以保持離開表面并且僅僅是越過表面。
該元件表面上的位置上的信息優(yōu)選地由發(fā)送器發(fā)送到一個計算機系統(tǒng)，這里可以解析信息。如果人們在一頁記錄有編碼數(shù)據(jù)的紙上畫圖，那么計算機系統(tǒng)能夠解析由該元件提供的位置信息，從而表示圖的數(shù)據(jù)能保存在計算機內(nèi)并且可以再現(xiàn)，例如以一張打印頁。可選地，位置信息可以用于控制計算機系統(tǒng)。使用該檢測元件及計算機系統(tǒng)的優(yōu)選實施例將在以下說明。
優(yōu)選地，該元件還包括一個狀態(tài)改變裝置，用于改變電子墨水的狀態(tài)。以這種方式，該表面能夠可見地標示出來或者當該元件相對表面運動時能夠通過改變電子墨水的狀態(tài)擦掉預先做出的標示。
優(yōu)選地，該狀態(tài)改變裝置可以啟動和停用。
該元件優(yōu)選地還包括一個作用力傳感器，用于當該元件和表面之間的作用力超過一個預定值時啟動或停用該狀態(tài)改變裝置。
優(yōu)選地，該元件還包括響應附著于該表面的標示的裝置，以使得該狀態(tài)改變裝置能夠或不能響應標示的檢測。
優(yōu)選地，該狀態(tài)改變裝置包括一個電場發(fā)生器。
優(yōu)選地，該狀態(tài)改變裝置包括一個第一狀態(tài)改變裝置用于將電子墨水的狀態(tài)改變?yōu)榈谝粻顟B(tài)，以及一個第二狀態(tài)改變裝置用于將電子墨水的狀態(tài)改變?yōu)榈诙顟B(tài)。
優(yōu)選地，該元件是長形的，第一狀態(tài)改變裝置設置在臨近該檢測元件的第一縱端，而第二狀態(tài)改變裝置設置在臨近該檢測元件的相對的第二縱端。
優(yōu)選地，編碼數(shù)據(jù)包括多個標識符，每個標識符代表該標識符所在區(qū)域的一個特性，并且每個標識符代表該區(qū)域的一個坐標點，該區(qū)域附著于表面上，并且該坐標點代表標識符相對該區(qū)域的位置?？蛇x地，或另外地，每個標識符代表該標識符所在區(qū)域的一個特性，并且每個標識符包括至少一個周期碼元。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供一種用于捕捉手書信息的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一個如本發(fā)明第一方面所述的檢測元件以及一個基片，其中該基片有一個表面，表面上附著有電子墨水并且編碼附著在表面上。
優(yōu)選地，該表面設置有電子墨水和非電子墨水的可見顏色的墨水。該基片優(yōu)選地是紙。
一個區(qū)域可以包括多個標識符。一個區(qū)域可以是，例如單張紙或者表面上的一個特定區(qū)域。優(yōu)選地，一個區(qū)域中的每個標識符代表了識別該區(qū)域的區(qū)域特性。如果該區(qū)域是一張紙，那么這張紙上的多個標識符中的每一個代表了識別這張紙上的標識符的絕對位置的位置數(shù)據(jù)以及識別這張紙的區(qū)域數(shù)據(jù)。優(yōu)選地，該元件的檢測裝置設置為捕捉區(qū)域數(shù)據(jù)并且可以轉到一個計算機系統(tǒng)。這能夠使得，例如，計算機系統(tǒng)識別紙，從而，例如，計算機系統(tǒng)“知道”將在其上寫或畫的確切的文件。
如上所述，該元件不需要接觸表面。當需要至少有時要接觸表面時，該元件可以包括一個作用力傳感器用于檢測施加給表面的該元件的作用力。優(yōu)選地，該元件包括一個作用力數(shù)據(jù)生成裝置用于生成提供作用力信息的作用力數(shù)據(jù)。該信息優(yōu)選地能以兩種方式加以利用。
首先，它可以用于確定該元件什么時候第一次接觸表面以及什么時候離開表面，其中作用力的施加和撤去之間的運動定義為手書的“一筆”。作用力數(shù)據(jù)信息可以以時間表示。
其次，它可以用于當該元件接觸表面時在基本連續(xù)的基礎上檢測作用力變化。這種信息可以用于鑒定使用者的簽名，例如，或者可以用于進一步控制計算機系統(tǒng)。
該元件優(yōu)選地是一個包含如上所述的合適的裝置的獨立元件。它可以有任何形狀但優(yōu)選地是鐵筆或鋼筆的形式。
該元件優(yōu)選地用于和計算機系統(tǒng)交互作用，其中該計算機系統(tǒng)可以被控制并且可以解析由使用者通過該元件提供的手書信息(不論是圖畫或者筆跡)。優(yōu)選地，該元件設置為提供唯一地識別該元件的元件識別信息。計算機系統(tǒng)因此可以利用這一信息來識別元件。
根據(jù)本發(fā)明的又一個方面，提供一種基片，它包括一個表面，表面上附著有電子墨水和編碼數(shù)據(jù)，編碼數(shù)據(jù)代表表面上的一個區(qū)域的特性。
參照附圖，由以下僅為示例的實施例將更加清楚本發(fā)明的特征和優(yōu)點。
圖6是標識符映像程序和解碼算法的示意圖；圖7是網(wǎng)頁筆及其相關的標識符檢測視場錐的透視圖；圖8是如圖7所示的網(wǎng)頁筆的透視分解圖；圖9是用于如圖7和8所示的網(wǎng)頁筆的筆控制器的示意框圖；

圖10是筆的光學路徑的示意圖；圖11是筆畫捕捉算法的流程圖；圖12是原始數(shù)字墨水分類表的示意圖；以及圖13是電極和一頁介質之間的電場的示意圖。
在優(yōu)選實施例中，本發(fā)明配置為用于網(wǎng)頁網(wǎng)絡計算機系統(tǒng)，該系統(tǒng)的簡要說明在下文給出，而其詳細說明在我們的較早的申請中給出，具體包括PCT/AU00/00569、PCT/AU00/00565、PCT/AU00/00570、PCT/AU00/0519和PCT/AU00/00578。應該明白并不必是完全一樣的裝置來實施與該基本系統(tǒng)相關的這些申請所述的具體細節(jié)和擴展的所有內(nèi)容或甚至絕大部分內(nèi)容。不過，以其最完全的形式說明了該系統(tǒng)以便有助于理解說明本發(fā)明優(yōu)選實施例的上下文。
簡要地說，網(wǎng)頁系統(tǒng)的優(yōu)選形式采用了映象表面形式的計算機界面，即一個包含了計算機系統(tǒng)的表面映象坐標的物理表面。映象坐標可以通過一個檢測元件捕捉。利用特定裝置，映象坐標可以可見或不可見地編碼，并且定義為局部查詢可以生成確定的映象內(nèi)和不同映象中的映象坐標。計算機系統(tǒng)可以包含關于映象表面上的特征的信息，并且這種信息可以根據(jù)由用于映象表面的檢測元件提供的映象坐標檢索。這樣檢索到的信息可以表現(xiàn)為由計算機系統(tǒng)啟動的代表操作人員響應操作人員和表面特征交互作用的操作的形式。
在其優(yōu)選形式中，網(wǎng)頁系統(tǒng)依賴于網(wǎng)頁作品以及人們和網(wǎng)頁的交互作用。這些是打印在普通紙或其他介質上的文本頁面、圖片和圖象，但運行為交互式網(wǎng)頁。信息由肉眼基本不可見的墨水編碼在每個頁面上。但是，墨水，從而以及編碼數(shù)據(jù)可以由光學圖象筆檢測并傳送到網(wǎng)頁系統(tǒng)。
在優(yōu)選形式中，每個頁面上的激活按鈕和超級鏈接能夠由筆點擊以從網(wǎng)絡索取信息或者向網(wǎng)絡服務器發(fā)送優(yōu)選信號。在一個實施例中，自動識別網(wǎng)頁上的手寫文本并且將其轉換為網(wǎng)頁系統(tǒng)中的計算機文本，允許填寫表格。在其他實施例中，自動校驗記錄在網(wǎng)頁上的簽名，使得安全地授權電子商務。
如圖1所示，一個打印網(wǎng)頁1表示一種交互式表格，它既可以由用戶物理地填寫在打印頁上，也可以通過筆和網(wǎng)頁系統(tǒng)之間的通信“電子”地填寫。該例子表示了一種“申請”表格，包含姓名和地址欄以及一個提交按鈕。網(wǎng)頁由利用可見墨水打印的圖表數(shù)據(jù)2、以及利用不可見墨水打印為標識符4集合的編碼數(shù)據(jù)3組成。存儲在網(wǎng)頁網(wǎng)絡中的相應的頁面說明5描述了網(wǎng)頁的各個元素。具體地說，它描述了各個交互式元素(即該例中的文本欄或按鈕)的類型和空間范圍(區(qū)域)，使得網(wǎng)頁系統(tǒng)通過網(wǎng)頁正確地解析輸入。例如，提交按鈕6有一個區(qū)域7，該區(qū)域對應于相應的圖表8的空間范圍。
如圖2所示，網(wǎng)頁筆101，其優(yōu)選形式在我們的較早申請PCT/AU00/00565中有說明，和網(wǎng)頁打印機601協(xié)作工作，其中該打印機是一個用于家庭、辦公室或者移動應用的聯(lián)網(wǎng)打印裝置。筆是無線的并且通過一個近程無線電線路9與網(wǎng)頁打印機安全通信。
網(wǎng)頁打印機601，其優(yōu)選形式在我們的較早申請PCT/AU00/00561和我們的共同提交申請PCT/AU00/01281中有說明，能夠定期地或者按照需要輸出私人報紙、雜志、目錄、小冊子以及其他出版物，所有這些如交互式網(wǎng)頁一樣高質量打印。不同于個人計算機，網(wǎng)頁打印機是一種這樣的裝置，例如它可以壁裝在最先消受早新聞的地方附近，例如用戶的廚房、早餐桌附近、或者上班出發(fā)的房屋處。它也可以是桌面式、便攜式和袖珍型。
在使用時打印的網(wǎng)頁結合了紙的易于使用和交互式介質的及時性和交互性。
如圖2所示，網(wǎng)頁筆101和打印網(wǎng)頁1上的編碼數(shù)據(jù)交互作用并且通過近程無線電線路9與網(wǎng)頁打印機通信交互作用。打印機601向有關的網(wǎng)頁頁面服務器10發(fā)送交互作用以便進行解析。在合適的情況下，頁面服務器向運行在網(wǎng)頁應用服務器13上的應用計算機軟件發(fā)送相應的信息。應用服務器可以轉而發(fā)送打印在主叫打印機上的回應。
該網(wǎng)頁系統(tǒng)在優(yōu)選實施例中通過結合基于噴墨(MemjetTM)打印機的高速微電子機械系統(tǒng)(MEMS)的使用作的相當方便，例如在我們的較早申請PCT/AU00/00578中所說明的。在該技術的優(yōu)選形式中，相對高速和高質量的打印對于消費者來說更加承受得起。在該優(yōu)選形式中，網(wǎng)頁出版物具有傳統(tǒng)新聞雜志的物理特征，例如打印在雙面的全色的一組字母大小尺寸的光滑頁面，裝訂在一起以便于翻閱和舒服地處理。
網(wǎng)頁打印機使用了寬帶因特網(wǎng)接入的不斷增長的可用性。網(wǎng)頁打印機也可以采用慢速連結，但具有較長的輸出時間和較低的圖象質量。網(wǎng)頁系統(tǒng)也可以利用現(xiàn)有的消耗型噴墨和激光打印機來運行，盡管該系統(tǒng)將運行緩慢并且因此從消費者的觀點看難于接收。在其他的實施例中，網(wǎng)頁系統(tǒng)設置在專用的企業(yè)內(nèi)部互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)。在另外的實施例中，網(wǎng)頁系統(tǒng)設置在單個計算機或者諸如打印機的計算機操縱的設備上。
網(wǎng)頁網(wǎng)絡上的網(wǎng)頁出版物服務器14配置為向網(wǎng)頁打印機發(fā)送打印質量的出版物。定期出版物通過打印信道和多信道因特網(wǎng)協(xié)議被自動地發(fā)送到預訂的網(wǎng)頁打印機。私人出版物根據(jù)各個用戶的特征數(shù)據(jù)被過濾和格式化。
一個網(wǎng)頁打印機可以配置為支持任何數(shù)量的筆，并且一個筆可以用于任何數(shù)量的網(wǎng)頁打印機。在優(yōu)選實施例中，每個網(wǎng)頁筆有一個唯一的標識符。一個家庭可以有一組有顏色的網(wǎng)頁筆，每一個筆分配給家庭的一個成員。這使得每個用戶相對網(wǎng)頁出版物服務器或應用服務器有一個不同的特征數(shù)據(jù)。
一個網(wǎng)頁筆還能夠在網(wǎng)頁注冊服務器11上注冊并且連結于一個或多個支付卡帳戶。這使得利用網(wǎng)頁筆安全地授權電子商務支付。網(wǎng)頁注冊服務器將由網(wǎng)頁筆捕捉的簽名和已經(jīng)注冊的簽名做比較，以允許將用戶的身份授權給電子商務服務器。其他的生物特征也可以用于核實身份。網(wǎng)頁筆的一種形式包括指紋掃描，以類似的方式由網(wǎng)頁注冊服務器核實。
盡管網(wǎng)頁打印機可以發(fā)送諸如晨報的期刊而不需用戶介入，但它可以配置為從不接收未經(jīng)請求的垃圾郵件。在其優(yōu)選實施例中，它只發(fā)送來自預訂的或授權的來源的期刊。在此方面，網(wǎng)頁打印機不同于傳真機或e-mail帳戶，其中后者對于知道電話號碼或者e-mail地址的任何垃圾郵件發(fā)送者來說是可見的。
系統(tǒng)中的每個對象模型利用標準建模語言(UML)分類表描述。一個分類表包括通過各種關系結合的一組對象類，并且這里只關心兩種關系關聯(lián)和類化。關聯(lián)表示對象之間，即類的個例之間的某些關系。類化描述實際類，可以理解為如果把一類認為是該類的所有對象的集合，并且類A是類B的類化，則B只是A的一個子集。每個類表示成貼有該類名稱的標簽的矩形框。它包含一欄類的屬性，由一條水平線將其和名稱分開；以及一欄類的運算指令，由一條水平線將其和屬性欄分開。關聯(lián)表示成連結兩類的一條線，可選地在任一端標有關聯(lián)的重數(shù)。缺省重數(shù)是一。星號(*)表示“許多”重數(shù)，即零或多個。每個關聯(lián)可選地標有其名稱，并且還可選地在任一端標有對應的類的作用?？樟庑螇K表示聚集關聯(lián)(“是一部分”)，并且畫在關聯(lián)線的聚集端。類化關系(“是一個”)表示成連結兩類的實線，在類化端有一個箭頭(空三角形形式)。當一個分類表分解成多個圖表時，任何完全相同的類除了確定該類的主圖表以外全部由虛線輪廓線表示。只在確定類的地方表示有屬性。
網(wǎng)頁是建造網(wǎng)頁網(wǎng)絡的基礎。它們提供了一個公布信息和交互服務的基于紙的用戶接口。一個網(wǎng)頁包括一個打印頁面(或者其他表面區(qū)域)，不可見地標記有該頁面的聯(lián)機說明的坐標。聯(lián)機頁面說明由網(wǎng)頁頁面服務器持續(xù)保持。網(wǎng)頁說明描述了頁面的可見的版面和內(nèi)容，包括文本、圖片和圖象。它還描述了頁面上的輸入元件，包括按鈕、超級鏈接和輸入?yún)^(qū)。網(wǎng)頁允許網(wǎng)頁系統(tǒng)同時捕捉和處理由網(wǎng)頁筆在網(wǎng)頁表面上所做的標記。
多個網(wǎng)頁可以共享同一個頁面說明。但是，為了能夠分別通過各個相同的頁面的輸入，每個網(wǎng)頁賦有一個唯一的標識符。這個頁面ID具有足夠的精確度以分別大量的網(wǎng)頁。
頁面說明的每個坐標用打印的標識符編碼。標識符確定了其上有標識符的唯一頁面，并且從而直接確定了頁面說明。標識符還確定了它在頁面上的位置。以下詳細說明標識符的性質。
標識符用紅外吸收墨水打印在任何反射紅外線的基層上，例如普通紙。近紅外線波長肉眼不可見，但可以容易地由具有適當過濾器的固態(tài)映象傳感器檢測到。
標識符由網(wǎng)頁筆上的一個區(qū)域映象傳感器檢測到，并且標識符數(shù)據(jù)通過最近的網(wǎng)頁打印機被傳送到網(wǎng)頁系統(tǒng)。筆是無線的并且通過近程無線電線路和網(wǎng)頁打印機通信。標識符足夠小并且稠密布置，從而即使單擊頁面筆也能夠可靠地映象至少一個標識符。在每次和頁面交互時筆識別頁面ID和位置很重要，因為該交互是無形的。標識符可糾錯地編碼以便使它們部分地容忍表面破損。
網(wǎng)頁頁面服務器為每個打印網(wǎng)頁維持一個唯一的頁面?zhèn)€例，允許它為每個打印網(wǎng)頁的頁面說明上的輸入?yún)^(qū)保持一個獨有的用戶提供值集合。
網(wǎng)頁說明、網(wǎng)頁個例、以及打印網(wǎng)頁之間的關系表示在圖3中。打印網(wǎng)頁可以是打印網(wǎng)頁文件45的一部分。網(wǎng)頁個例關聯(lián)于打印它的網(wǎng)頁打印機以及，如果已知，請求該網(wǎng)頁個例的網(wǎng)頁用戶。
在一個優(yōu)選形式中，每個標識符確定它所在的區(qū)域，以及它在該區(qū)域內(nèi)的位置。一個標識符還包含相關于整個區(qū)域或該標識符的特征位。一個或多個特征位，例如，可以向標識符檢測裝置發(fā)送信號以提供代表關于標識符當前區(qū)域的一個函數(shù)的反饋，而不必需要檢測裝置指向區(qū)域的說明。一個網(wǎng)頁筆，例如，可以當處于超級鏈接區(qū)時使一個“激活區(qū)”LED發(fā)亮。
在一個優(yōu)選實施例中，每個標識符包含一個易于識別的常量數(shù)據(jù)結構，它有助于初始檢測，并且它有助于減小由表面或者檢測過程引起的任何偏差作用。標識符優(yōu)選地平鋪顯示在整個網(wǎng)頁上，并且足夠小且稠密布置，從而即使單擊頁面筆也能夠可靠地映象至少一個標識符。在每次和頁面交互時筆識別頁面ID和位置很重要，因為該交互是無形的。
在一個優(yōu)選實施例中，和一個標識符相關的區(qū)域與整個頁面相符，并且因此以該標識符編碼的區(qū)域ID和該標識符所在頁面的頁面ID一致。在其他實施例中，和一個標識符相關的區(qū)域可以是一個頁面或其他表面的一個任意子區(qū)域。例如，它可以和一個交互元素的區(qū)域相符，在該例中，區(qū)域ID可以直接確定交互元素。
每個標識符典型地包含16位標識符ID，至少90位區(qū)域ID，以及許多特征位。假定最大的標識符密度是每平方英寸64個，則16位標識符ID支持的區(qū)域尺寸可達1024平方英寸。僅通過利用相鄰的區(qū)域和映象而不需增大精確度就可以連續(xù)映象較大的區(qū)域。區(qū)域ID和標識符ID的區(qū)別在于方便性。對于絕大多數(shù)目的來說，二者的結合可以認為是全局唯一的標識符ID。相反地，還很方便將數(shù)據(jù)結構導入標識符ID，例如以便確定標識符的x和y坐標。一個90位的區(qū)域ID允許唯一地確定290(約1027或一千萬億萬億)個不同的區(qū)域。標識符還可以包含類型信息，并且一個區(qū)域可以由多種標識符類型標識。例如，一個區(qū)域可以由編碼x坐標的一組標識符和與第一組交織的編碼y坐標的另一組標識符來標識。
在一個實施例中，120位標識符數(shù)據(jù)利用(15，5)里德-所羅門(Reed-Solomon)代碼冗余編碼。這產(chǎn)生出含有6個代碼字，每個代碼字有15個4位碼元的360個編碼位。該(15，5)代碼使得每個代碼字達到5個可糾錯的碼元，即，它可以允許每個代碼字的碼元錯誤比例達到33％。每個4位碼元以空間相干的方式表示在標識符中，并且該六個代碼字的碼元在標識符中空間交織。這保證區(qū)間誤差(一種影響多個空間相鄰的位元的誤差)總體上破壞很小數(shù)量的碼元以及任何一個代碼字中的很小數(shù)量的碼元，這樣增加了完全糾正區(qū)間誤差的可能性。
可以使用任何合適的糾錯代碼以代替(15，5)里德-所羅門代碼，例如，具有或多或少冗余度的里德-所羅門代碼，具有相同或不同碼元和代碼字數(shù)量的里德-所羅門代碼；另一種分組代碼；或者一種不同類型的代碼，比如卷積代碼(例如，參見Stephen B.Wicker所著的“數(shù)字通信和存儲的誤差控制系統(tǒng)”(Error Control System for DigitalCommunication and Storage)，Prentice-Hall出版公司1995年出版，其內(nèi)容包含于本文作為參考)。
表示在圖4a中并在我們較早的申請PCT/AU00/00569中說明的標識符物理表示的一個實施例，包括固定目標結構15、16、17以及可變數(shù)據(jù)區(qū)18。固定目標結構允許諸如網(wǎng)頁筆的檢測元件檢測標識符并推測其相對于傳感器的三維方位。數(shù)據(jù)區(qū)包括編碼標識符數(shù)據(jù)的各個位元的表示。為了減小尺寸，每個數(shù)據(jù)位元由徑向楔形體表示，該徑向楔形體的形式是一個由兩條徑向線和兩條同心圓弧界定的區(qū)域。每個楔形體有一個在1600dpi下8象素的最小尺寸，并且設計為使得其基部(內(nèi)弧)至少等于這一最小尺寸。楔形體的徑向高度總是等于最小尺寸。每個4位數(shù)據(jù)碼元由2×2的楔形體陣列表示。六個代碼字中的每一個的十五個4位數(shù)據(jù)碼元以交織的方式分配給四個同心的碼元環(huán)18a到18d。碼元沿圍繞標識符的圓環(huán)形連續(xù)系列交替分配。交織設計為使得同一個代碼字的任何兩個碼元之間的平均空間距離最大。
為了支持通過檢測元件與被標記區(qū)域“單擊”交互作用，不論檢測元件位于區(qū)域的任何地方或任何方向，檢測元件都必須能夠在其視場內(nèi)看到至少一個完整的標識符。因此檢測元件的視場的必要的直徑是標識符尺寸和間距的一個函數(shù)，假定是圓環(huán)形的標識符形狀，則當標識符平鋪顯示在一個等邊三角形網(wǎng)格上時可得到傳感器視場193的最小直徑，如圖4b所示。
圖6示出由諸如網(wǎng)頁筆的檢測元件進行的標識符處理和解碼。當從映象傳感器得到所捕捉映象時，確定映象的動態(tài)范圍(20)。該范圍的中心值隨后選擇為映象的二元閾值(21)。隨后該映象被閾化并分割成相連結的象素區(qū)(即形狀23) (22)。那些小的不能表示標識符結構的形狀被舍棄掉。還要計算每個形狀的大小和質心。
然后計算每個形狀的二元形狀靜矩25(24)，這些提供了順序定位目標結構的基礎。中心形狀靜矩位置必然不變，并且很容易地使比例、長寬比和旋度不變。
首先定位環(huán)形目標結構15(26)。環(huán)形具有當觀察失真時運轉良好的優(yōu)點。通過將每個形狀的靜矩方位規(guī)格化和旋度規(guī)格化進行匹配。當其二級靜矩被規(guī)格化后環(huán)形易于被識別，即使觀察失真相當嚴重。環(huán)形的原始方位和旋度27一起提供了觀察變換的有用的近似值。
隨后定位軸向目標結構16(28)。通過將環(huán)形的規(guī)格施加于每個形狀的靜矩，并且將所得到的靜矩旋度規(guī)格化進行匹配。當其二級靜矩被規(guī)格化后軸向目標易于被識別。注意要求三級靜矩以明確軸線的兩種可能方位。形狀有意斜向于一側以便使其成為可能。還要注意當軸向目標被施加環(huán)形的規(guī)格后只是有可能將軸向目標旋度規(guī)格化，因為觀察失真可以隱藏軸向目標的軸線。軸向目標的原始旋度由于筆側偏29而提供了標識符旋度的一個有用的近似值。
最后定位四個觀察目標結構17(30)。根據(jù)它們相對于環(huán)形和軸向目標、環(huán)形的方位和旋度、以及軸線的旋度的已知的空間關系計算正確的位置估算值。通過將環(huán)形的規(guī)格施加于每個形狀的靜矩進行匹配。當其二級靜矩被規(guī)格化后圓環(huán)形觀察目標易于被識別，并且最接近每個估算的位置的目標認為是匹配。該四個觀察目標的原始質心隨后成為標識符空間內(nèi)的已知尺寸的觀察失真的角31，并且根據(jù)求解關于四個標識符空間和映象空間的點偶的廣為人知的方程(參見Heckbert，P.的“結構映象和圖象變形的基本原理”(Fundamentals ofTexture Mapping and Image Warping)，伯克利加州大學EECS系碩士論文，技術報告號UCB/CSD 89/516，1989年6月，其內(nèi)容包含于本文以做參考)推出八自由度觀察變換33(32)。
所推出的標識符空間向映象空間的觀察變換用于將標識符空間中的每個已知的數(shù)據(jù)位元位置投射到映象空間中，在該映象空間內(nèi)，實值的位置用于將四個相應毗鄰的相素雙線形地插入到輸入映象中(36)。前面計算的映象閾值21用于限定結果以生成最終的位元值37。
當以此方式得到所有360個數(shù)據(jù)位元37，六個60位里德-所羅門代碼字中的每一個被解碼(38)以產(chǎn)生20個解碼的位元39，或者總共120個解碼的位元。注意代碼字碼元以代碼字的順序表示，從而代碼字在表示過程中被隱含地解交織。
僅在映象的子區(qū)內(nèi)可以尋找環(huán)形目標15，如果可以看到環(huán)形，該子區(qū)相對于環(huán)形的關系是它是一個完整標識符的一部分。如果完整的標識符不可看到，并且成功解碼，則當前楨沒有記錄筆的位置。如果有足夠的處理能量和理想的非最小的視場193，另一種策略是在當前映象中尋找另一個標識符。
所得到的標識符數(shù)據(jù)表示了區(qū)域的身份，包括標識符以及標識符在區(qū)域內(nèi)的位置。筆尖在區(qū)域內(nèi)的精確位置35，以及筆的總體方位35，則由在標識符上發(fā)現(xiàn)的觀察變換33和已知的筆的物理軸線和筆的光學軸線之間的關系可以推知。
上述標識符結構設計為允許平表面的規(guī)則平鋪和非平表面的不規(guī)則平鋪。一般來說，在非平表面上不可能規(guī)則平鋪。在平表面的可以規(guī)則平鋪標識符的更為有用的例子中，即諸如紙張等的表面，可以使用更多的有效標識符結構，其中有效標識符結構利用了平鋪的規(guī)則特性。
圖5a表示了另一種更適合于規(guī)則平鋪的標識符結構。標識符4是正方形的并且有四個觀察目標17。該結構類似于Bennett等人的美國專利5,051,746中所述的標識符。標識符有六十個4位里德-所羅門碼元47，總數(shù)是240個位元。標識符將每一個位元表示為一個點，將每個零位元表示為沒有相應的點。觀察目標設計為在相鄰的標識符之間共享，如圖5b和5c所示。圖5b示出標識符的正方形平鋪16以及相應的最小視場193，該視場必須跨過兩個標識符的對角線。圖5c示出九個標識符的正方形平鋪，為了示意包含全然相同的位元。
利用(15，7)里德-所羅門代碼，將標識符的112個位元冗余編碼以產(chǎn)生240個編碼位元。四個代碼字在標識符內(nèi)空間交織以增大區(qū)間誤差的回復力。對于如上所述的一個16位標識符ID，這使得區(qū)域ID達到92位。標識符的基于數(shù)據(jù)的點48設計為不和其鄰接點交迭，從而標識符組不會產(chǎn)生類似目標的結構。這也節(jié)約墨水。因此觀察目標允許檢測標識符，所以不需要另外的目標。如上所述進行標識符映象處理，除了略去步驟26和28。
盡管標識符可以包含一個方位特征以明確標識符相對傳感器的四個可能的方位，但是還可以在標識符數(shù)據(jù)內(nèi)嵌入方位數(shù)據(jù)。例如，四個代碼字可以布置為每個標識符方位包含一個放置在該方位上的一個代碼字，如圖5d所示，其中每個碼元標有其代碼字的編號(1-4)和碼元在代碼字內(nèi)的位置(A-O)。隨后的標識符解碼包括將每個方位上的一個代碼字解碼。每個代碼字既可以包括表示它是否是第一代碼字的單個位元，也可以包括表示它是哪個代碼字的兩個位元。后一種方法具有這樣的優(yōu)點，即如果只需要一個代碼字的數(shù)據(jù)內(nèi)容，則最多需要解碼兩個代碼字以得到需要的數(shù)據(jù)。這可以是這種情況，如果不希望在一次筆劃內(nèi)改變區(qū)域ID并且從而僅在一個筆劃的開始解碼。在一次筆劃內(nèi)只需要包含標識符ID的代碼。此外，由于檢測元件的旋度在一次筆劃內(nèi)緩慢且可預見地變化，因此典型地只需要每楨解碼一個代碼字。
也可能完全不需要觀察目標而是依賴于自動記錄的的數(shù)據(jù)表示。在這種情況中，每個位元值(或多位元值)典型地由一個顯式圖示符表示，即沒有位元值不是由圖示符表示的。這確保數(shù)據(jù)網(wǎng)格被很好地填充，而且這樣使得在數(shù)據(jù)采樣時可靠地識別網(wǎng)格并且檢測和隨后校驗其觀察失真。為了允許檢測標識符邊界，每個標識符數(shù)據(jù)必須包含一個標記符號，并且這些必須要冗余編碼以允許可靠檢測。這種標記符號的頂部和顯式觀察目標的頂部一樣。這種方案利用相對網(wǎng)格被頂定位為不同點的點來表示不同的圖示符并因而表示不同的多位元值(參見Anoto技術規(guī)格(Anoto Technology Description)，Anoto，2000年4月)。
對標識符解碼形成了一個區(qū)域ID、一個標識符ID、以及一個相關于標識符的筆變換。在將標識符ID和相關于標識符的筆位置轉換為在被標記區(qū)域內(nèi)的一個絕對位置前，標識符在區(qū)域內(nèi)的位置必須已知。這由一個標識符映象，一個將被標記區(qū)域內(nèi)的每個標識符ID映象到一個相應位置的函數(shù)給出。一個標識符映象反映了用于用標識符平鋪表面區(qū)域的方案，并且這可以根據(jù)表面類型變化。當多個被標記區(qū)域共享同一個平鋪方案和同一個標識符編號方案時，它們也共享同一個標識符映象。一個區(qū)域的標識符映象必須是可以通過區(qū)域ID檢索的。這樣，給定一個區(qū)域ID、一個標識符ID以及一個筆變換可以檢索標識符映象，標識符ID可以轉換為區(qū)域內(nèi)的一個絕對標識符位置，以及相關于標識符的筆位置可以被疊加到標識符位置以產(chǎn)生區(qū)域內(nèi)的絕對筆位置。
標識符ID可以有一個有助于經(jīng)由標識符映象轉換的結構。根據(jù)它所在表面的類 型，它可以是，例如，編碼的笛卡兒坐標或者極坐標。標識符ID結構由標識符映象表示并已知于標識符映象，并且因此關聯(lián)于不同標識符映象的標識符ID具有不同的結構。
關心兩種獨特的表面編碼方案，這兩種方案都利用了本節(jié)上述的標識符結構。優(yōu)選的編碼方案使用了已經(jīng)描述過的“表示位置”的標識符。另一種編碼方案使用了“表示對象”(或“表示功能”)的標識符。
一個表示位置的標識符包含一個標識符ID，當該標識符ID經(jīng)由關聯(lián)于被標記區(qū)域的標識符映象轉換時，在區(qū)域內(nèi)生成一個唯一的標識符位置。相關于標識符的筆的位置被疊加到這一標識符位置以產(chǎn)生筆在區(qū)域內(nèi)的位置。這轉而用于確定筆相對于關聯(lián)于該區(qū)域的頁面說明上的用戶界面的位置。不僅識別了用戶界面本身，而且還識別了相對于該用戶界面的位置。因此表示位置的標識符一般地支持捕捉在具體用戶界面的區(qū)域內(nèi)的絕對筆路徑。
一個表示對象(或表示功能)的標識符包含一個標識符ID，該標識符ID直接識別關聯(lián)于該區(qū)域(或者等同地，一個功能)的頁面說明上的用戶界面。用戶界面的區(qū)域內(nèi)的所有標識符識別該用戶界面，使得它們?nèi)恳粯硬⒁虼穗y于分辨。因此，表示對象的標識符不支持捕捉絕對筆路徑。但是，它們支持捕捉相對筆路徑。只要位置采樣頻率超過二倍的標識符頻率，則在一次筆劃中從一個采樣筆位置到下一個位置的位移就可以明確地確定。作為一種選擇，網(wǎng)頁筆101可以包含一對運動檢測加速計，如我們較早的申請PCT/AU00/00565。
現(xiàn)在說明本發(fā)明的以用于編碼的電子墨水表面的筆類檢測元件為形式的一個實施例。下文將該檢測元件簡稱為“筆”。
電子墨水典型形式是基本上雙穩(wěn)態(tài)的單色或彩色點，它可以外部訪問以便選擇性地改變點的狀態(tài)。一個單點的狀態(tài)典型地通過施加合適極性的電場而改變。盡管一些電子墨水是打印在一個表面上，但是其他的電子墨水實質上是加工在一個基層上，形成更加類似于“電子紙張”的物質。這兩種都視為包含于本發(fā)明的范圍內(nèi)。
電子墨水以兩種方式可變它可以由含有合適的點尋址電極的打印機“打印”多次，并且它可以由含有合適的電極的寫入(和/或擦除)裝置寫入(和/或擦除)。
一個編碼的電子墨水表面是一種雜合物，它包含如上所述的不可變的標識符，以及可變的電子墨水。它還可以包含以常規(guī)方法打印在表面上的可見的圖片信息。
一個編碼的電子墨水表面的優(yōu)點在于，如前所述，它可以通過使用包含一個合適的傳感器的檢測元件進行交互作用。
編碼的電子墨水頁面的“打印”在我們提交的申請PCT/AU00/01218中已做說明，其中頁面的可見圖片內(nèi)容在保持標識符不變的情況下可以多次變化。
電子墨水的一種形式披露在美國專利4,126,854中，其內(nèi)容包含于本文已做參考。所披露的電子墨水包含多個球體，每個都做得通過表面涂層而在靜電和光學方面各向異性，并且每個都懸浮在其自身得充液腔內(nèi)。在外部電場作用下，可以使得球體根據(jù)其靜電各向異性旋轉以提供一種與其光學各向異性一致的顯示。
電子墨水的另一種形式披露在美國專利5,389,945、6,017,584和6,120,588中，其內(nèi)容包含于本文已做參考。所披露的電子墨水包含多個具有一種顏色的顆粒，這些顆粒分散在另一種顏色的液體中。在外部電場作用下，顆?？梢栽谝后w中向著或遠離表面移動以提供一種顯示。通過使用靜電地色調(diào)漸變的具有不同顏色的顆粒，以及更為復雜的電場控制來提供彩色顯示。
現(xiàn)在參考圖7、8、9和10來說明本發(fā)明的第一實施例。總體以101表示的筆包括一個外殼102，該外殼形式為塑料模塑，它具有壁103，用以確定安裝筆部件的一個內(nèi)部空間104。筆頂105可轉動地安裝在外殼102的一個端部106。一個半透明蓋107固定在外殼102的相反的端部108。蓋107也是模塑塑料，并且由半透明材料制成以便保證用戶可以觀察到安裝在外殼102內(nèi)的LED的狀態(tài)(參見下文)。蓋107包括一個基本上圍住外殼102的端部108的主體109，以及一個突出部分110，它從主體10向后突出并且裝配在形成于外殼102的壁103內(nèi)的一個相應的槽111內(nèi)。一個無線電天線112裝在突出部分110后面，在外殼102內(nèi)。圍繞蓋107上的小孔113A設置有螺紋113以接收一個金屬端頭件114，該端頭件含有相應的螺紋115。金屬端頭件114可以取開以能夠更換墨水盒。
蓋107內(nèi)還安裝有一個位于柔性印刷電路板(PCB)117上的三色狀態(tài)LED116。天線112也安裝在柔性PCB117上。為了良好的全面可見性，狀態(tài)LED116裝在筆102的頂部。
筆既可以用做常規(guī)的標記墨水筆也可以用做非標記鐵筆。一個具有筆尖119的墨水筆筒118以及一個具有鐵筆尖121的鐵筆120并排地安裝在外殼102內(nèi)。墨水盒筆尖119或者鐵筆尖121都可以通過轉動筆頂105而經(jīng)過金屬端頭件114的開口端122向前伸出。各自的滑塊123和124分別安裝在墨水筆筒118和鐵筆120上。一個可轉動的凸輪套筒125活動地固定在筆頂105上并設置為隨之轉動。凸輪套筒125包括一個凸輪126，其形式為在凸輪套筒的壁181內(nèi)的槽。從滑塊123和124突出的凸輪從動件127和128裝配在凸輪槽126內(nèi)。當凸輪套筒125轉動時，滑塊123或124相對移動以將筆尖119或者鐵筆尖121伸出金屬端頭件114上的開口122。筆101有三種工作狀態(tài)。通過將筆頂105轉過90°該三種狀態(tài)是(1)鐵筆120的鐵筆尖121伸出。
(2)墨水筆筒118的筆尖119伸出。
(3)墨水筆筒118的筆尖119和鐵筆120的鐵筆尖121都不伸出。
一個第二柔性PCB129安裝在位于外殼102內(nèi)的一個電子底盤130上。第二柔性PCB129裝有一個紅外線LED131用于提供紅外線以投射到用紅外線墨水打印的位置標識符上(參見下文)。一個映象傳感器132安裝在第二柔性PCB129上用于從表面接收反射的射線。第二柔性PCB129還裝有一個包括一個RF轉換器和一個RF接收器的無線電頻率芯片133，以及一個用于控制筆101的操作的控制器芯片134。一個光學件135(由模塑透明塑料制成)設置在蓋107內(nèi)并且將紅外線光束投射到表面上并將映象接收到映象傳感器132上。供電線136將第二柔性PCB129上的部件連接到裝在凸輪套筒125內(nèi)的電池接點137。一個接線端138連結于電池接點137和凸輪套筒125。一個三伏的可充電電池139位于凸輪套筒125內(nèi)與電池接點連結。一個感應充電線圈140圍繞第二柔性PCB129安裝以使電池139能夠通過感應充電。第二柔性PCB129還裝有一個紅外線LED143和一個紅外光電二極管144，用以當用鐵筆120或者墨水筆筒118寫入時檢測凸輪套筒125內(nèi)的位移，以便能夠確定由筆尖119或鐵筆尖121施加到表面上的作用力。IR光電二極管144通過安裝在滑塊123和124上的反射器(未示出)檢測來自IR LED43的光。
在朝向外殼102的端部108處設置有橡膠抓緊墊141和142以幫助抓緊筆101，并且筆頂105還包括一個夾子142以將筆101夾在口袋里。
本發(fā)明的該實施例中的筆特別設置為用以檢測記錄在一個表面上的用于向計算機系統(tǒng)發(fā)送指令的編碼數(shù)據(jù)。這種編碼數(shù)據(jù)包括用紅外墨水打印在表面上的位置標識符。每個位置標識符包括打印的區(qū)域數(shù)據(jù)以及位置數(shù)據(jù)，其中區(qū)域數(shù)據(jù)表示了標識符所在區(qū)域形式的第一身份(例如，如果標識符打印在一頁紙上，則該數(shù)據(jù)將識別這頁紙)，而位置數(shù)據(jù)表示了區(qū)域內(nèi)標識符形式的第二身份。位置數(shù)據(jù)還包括目標結構，該目標結構能夠計算筆相對于其上打印有標識符的表面的三維方位(例如，相對于表面平鋪)。標識符可以包括各種控制數(shù)據(jù)。
筆101設置為確定映象傳感器32的位置，并且從而通過以紅外線頻譜映象臨近筆尖的表面的一個區(qū)域來確定筆尖(鐵筆尖121或筆尖119)的位置。它記錄來自最近的位置標識符的位置數(shù)據(jù)，并且設置為利用光學件135和控制器芯片134計算映象傳感器32并且從而筆尖121或119距位置標識符的距離。控制器芯片134由在映象標識符上發(fā)現(xiàn)的觀察失真計算筆的方位以及筆尖到標識符的距離。
來自位置標識符的控制數(shù)據(jù)包括指令筆101啟動其“激活區(qū)”LED(這實際上是三色LED116的一種模式，當筆根據(jù)控制數(shù)據(jù)確定被映象的區(qū)域是“激活區(qū)”時，該LED變成黃色)的控制位元。這樣，如果筆的用戶可見地反饋當筆101跨過按鈕或超級鏈接時按鈕或超級鏈接被激活，則表面上對應于按鈕或超級鏈接的激活區(qū)的區(qū)域可以被編碼以激活該LED。控制數(shù)據(jù)還可以指令筆101捕捉連續(xù)的筆作用力讀數(shù)。這樣表面上對應于簽名輸入?yún)^(qū)的區(qū)域可以被編碼以捕捉連續(xù)的筆101作用力。
筆101相對于表面的運動可以包括一系列筆劃。一個筆劃由以時間表示的筆101在表面上的位置的一個序列組成，由下筆開始并由隨后的提筆完成。注意筆作用力可以理解為相對于閾值來表示筆是“上”還是“下”，以及可理解為一個連續(xù)值，例如當筆捕捉簽名時。所捕捉的筆劃的序列下文中將稱之為“數(shù)字墨水”。數(shù)字墨水可以用于計算機系統(tǒng)以形成圖畫和筆跡的數(shù)字互換，聯(lián)機識別筆跡，以及聯(lián)機驗證筆跡的基礎。
利用RF芯片133和天線112，筆101可以將數(shù)字墨水數(shù)據(jù)(為了安全它被加密并且為了有效傳送它被打包)傳送到計算機系統(tǒng)。
當筆處于接收器的范圍內(nèi)時，當形成數(shù)字墨水數(shù)據(jù)時它被傳送。當筆移出范圍時，數(shù)字墨水數(shù)據(jù)在筆101內(nèi)緩沖(筆101電路中包括一個緩沖器，設置為存儲筆在表面上運動的數(shù)字墨水數(shù)據(jù)大約12分鐘)，并且可以以后傳送。
筆101還包括一個狀態(tài)改變裝置，其形式為電場發(fā)生器，該狀態(tài)改變裝置用于當筆101相對表面運動時改變表面的電子墨水的狀態(tài)?？梢詥与妶霭l(fā)生器，其中通過狀態(tài)改變裝置發(fā)生電子墨水的狀態(tài)改變，或者不啟動，其中利用任何合適的檢測裝置，例如作用力傳感器，不發(fā)生通過狀態(tài)改變裝置的狀態(tài)改變。作用力傳感器可以設置為當裝置和表面之間的相對作用力超過預定值時啟動或不啟動電場發(fā)生器。作用力傳感器可以和光學傳感器一樣或者獨立于光學傳感器，其中該光學傳感器用于檢測提筆和下筆狀態(tài)和/或如上所述由用戶施加到表面上的作用力的程度。
電場發(fā)生器的啟動可以通過將啟動或不啟動標記施加到表面上來控制。為了使電場發(fā)生器可以啟動或不啟動，必須要激活電場發(fā)生器。該標記可以被筆的檢測裝置檢測到，并且用于啟動或不啟動電場發(fā)生器。啟動還可以由和筆通信的計算系統(tǒng)控制，并且可以基于表面說明，或者由區(qū)域ID識別的和筆交互的表面的區(qū)域，其中區(qū)域ID由筆從表面上的位置標識符檢測并且和計算系統(tǒng)通信。
當啟動時，允許電場發(fā)生器改變打印在表面上的電子墨水的狀態(tài)，不啟動時，不允許電場發(fā)生器改變打印在表面上的電子墨水的狀態(tài)。
啟動或不啟動標記可以包含于位置標識符中作為一系列位元，這些位元表示由標識符占用的區(qū)域的映象，并且每個位元表示了一個區(qū)域或子區(qū)域是可以修改還是不能修改。可選地，啟動或不啟動標記可以獨立于位置標識符。還可選地，如上面暗示的，啟動或不啟動信息可以是由計算系統(tǒng)維持的表面說明(例如頁面說明)的一部分。
以此方式，表面上的特定區(qū)域可以被標記從而指出表面的可標記區(qū)域、不可標記區(qū)域、可擦除區(qū)域或不可擦除區(qū)域。
電場發(fā)生器可以放置在筆的一個縱端并且設置為具有兩種操作模式，即，將電子墨水的狀態(tài)改變?yōu)榈谝粻顟B(tài)(例如“被標記”)的第一模式，以及電場發(fā)生器的第二模式用于，例如將電子墨水的狀態(tài)改變?yōu)榈诙顟B(tài)(即“空”或“被擦除”)。
電場發(fā)生器可以包括一個或多個電極，具有相同的或者相反的極性。在一種配置中，如圖13所示，筆內(nèi)的電極500和表面介質504的導電層502交互作用以產(chǎn)生基本直交于表面的電場506。該電場用于將電子墨水層508內(nèi)的電子墨水顆粒和電場對齊，從而控制電子墨水并從而該表面的可見的版面。在標記模式中，電極相對于導電基層轉換到一個極性，而在擦除模式中，電極轉換到相反的極性。在另一種配置中，相反極性的電極被設置在筆中以產(chǎn)生穿過表面的電場，并且它的密度在所需要的方向上大于相反的方向。
電極可以包含在金屬端頭件114、蓋107、或鐵筆尖121中。
在另一個實施例中，標記和擦除電場發(fā)生器可以設置在筆的相反的縱端上。當然，這種布置下，在筆的每一端都需要標識符傳感器。
通過在表面上打印電子墨水點和永久墨水點而將信息施加到表面上，其中當打印在表面上時電子墨水點肉眼可見或不可見，永久墨水點例如是基于顏料的彩色墨水點或基于染料的墨水點。電子墨水點可以如上所述做的可以修改，而永久墨水點保持不可修改。這使得由用戶通過改變電子墨水的狀態(tài)而在表面上所做的標記可以修改而不影響不可修改的預先打印的信息。
下文將更加詳細地說明筆的各種操作。
如上所述，控制器芯片134安裝在筆101內(nèi)的第二柔性PCB129上。圖9是表示控制器芯片134詳細結構的框圖。圖9還示出RF芯片133、映象傳感器132、三色狀態(tài)LED116、IR照明LED131、IR作用力傳感器LED143、以及作用力傳感器光電二極管144的表示。
筆控制器芯片134包括一個控制處理器145?？偩€146能夠進行控制器芯片134的各組件之間的數(shù)據(jù)交換。還包括閃存147和512KB的DRAM 148。設置有一個模擬-數(shù)字轉換器149以將來自作用力傳感器光電二極管144的模擬信號轉換為數(shù)字信號。
一個映象傳感器接口152與映象傳感器132相互連接。還包括一個收發(fā)器控制器153和一個基帶電路154和RF芯片133連接，其中該RF芯片133包括一個RF電路155和連接于天線112的RF諧振器和感應器156控制處理器145通過映象傳感器132捕捉并解碼來自表面的標識符的位置數(shù)據(jù)，監(jiān)測作用力傳感器光電二極管144，控制LED 116、131和143，并且通過無線電收發(fā)器153處理近程無線電通信。它是一個中等性能(約40MHz)的通用RISC處理器。
處理器145、數(shù)字收發(fā)組件(收發(fā)器控制器153和基帶電路154)、映象傳感器接口152、閃存147和512KB的DRAM 148集成在單個控制器ASIC內(nèi)。模擬RF組件(RF電路155和RF諧振器和感應器156)設置在單獨的RF芯片上。
映象傳感器是帶有一個IR過濾器的CCD，其分辨率大約為215×215象素(這種傳感器由Matsushita Electronic Corporation生產(chǎn)，并且在Itakura，K T Nobusada，N Okusenya，R Nagayoshi，和M Ozaki的論文“微型相機系統(tǒng)的1毫米50k象素IT CCD映象傳感器”(A 1mm50k-Pixel IT CCD Image Sensor for Miniature Camera System)中有說明，該論文包含于本文以做參考)。
當筆101不和表面接觸時一個不啟動周期后控制器ASIC 134進入靜止狀態(tài)。它包含一個專用電路150，以監(jiān)測作用力傳感器光電二極管144并且當發(fā)生下筆事件時通過電源管理器151喚醒控制器134。
無線電發(fā)送器通信頻率為通常用于無繩電話的未授權的900MHz頻段，或者可選地為2.4GHz的工業(yè)、科學和醫(yī)療頻段，并且利用頻率跳躍和沖突檢出以提供抗擾的通信。
如上所述，筆101的光學系統(tǒng)由一個模制的光學件135實施。由光學件135實施的光學系統(tǒng)示意性地表示在圖10中。該光學系統(tǒng)包括一個第一透鏡157用于將來自紅外線LED131的射線聚焦，一個鏡子158，一個射束分裂器159，一個物鏡160以及一個第二透鏡161用于將一個映象聚焦到映象傳感器132上。近軸光線162表示光學路徑。
光學路徑設計為將所需要的平鋪范圍內(nèi)的和視場錐192貫穿相交的被映象表面的那一部分193的一個清晰映象傳送到映象傳感器132。主要的聚焦部件是物鏡160。這也反過來用于將來自IR照明LED131的光線投射到視場內(nèi)的表面上。因為不可能將映象傳感器132和IRLED131都放置在物體的焦點上，所以使用一個射束分裂器159來分裂路徑，并且在每個路徑上的傳播透鏡157和161分別提供了在映象傳感器132和IR LED131上的再次聚焦。這也允許將不同的裝置設置在這兩個路徑上。
映象傳感器132的邊緣用做捕捉視場的視場光闌，并且捕捉路徑設計為使得最終的對象空間角度視場符合需要(即對于本實施例來說是20度以下——參見下文)。照明路徑設計為產(chǎn)生和捕捉路徑一樣的對象空間視場，從而照明用最大能量和均勻性填充對象空間視場。
IR LED131由楨捕捉同步濾波。聚焦照明的使用允許短的暴光時間和小的光圈。短的曝光時間防止運動模糊，從而允許在筆移動過程中捕捉位置標識符數(shù)據(jù)。小的光圈允許由平鋪引起的表面深度的整個范圍具有足夠的視場深度。為此目的，捕捉路徑包括一個顯式孔徑光闌。
因為映象傳感器132在頻譜的整個可見部分以及近紅外部分具有很強的響應，因而在捕捉路徑上有一個紅外線過濾器163放置在它前面，從而它可以捕捉表面上標識符數(shù)據(jù)的清晰映象，而不受表面上其他圖象的干涉，其中這些其他圖象可以用透明于近紅外線的墨水打印。
當筆101的鐵筆尖121或筆尖119接觸表面時，筆101以100Hz的頻率確定其相對于表面的位置和方位以允許精確識別筆跡(參見Tappert，C，C Y Suen和T Wakahara的文章“聯(lián)機識別筆跡技術的現(xiàn)狀”(The State of the Art in On-Line Hand Writing Recognition)，IEEE關于圖樣分析和機器智能(Pattern Analysis and Machine Intelligence)的學報，第12卷，第8號，1990年8月，其內(nèi)容包含于本文以做參考)。作用力傳感器光電二極管144用于表示筆是“上”還是“下”的相對閾值。如上所述，作用力也可以作為連續(xù)值捕捉，以便允許驗證簽名的全部動力特性。
通過以紅外線頻譜映象接近筆尖119、121的表面的區(qū)域，筆101確定其筆尖119、121在表面上的位置和方位。它解碼最近的標識符數(shù)據(jù)并且根據(jù)所發(fā)現(xiàn)的被映象標識符上的觀察失真以及已知的筆光學件135的幾何結構計算筆尖119、121相對位置標識符的位置。盡管標識符的位置分辨率可能很低，但是調(diào)整后的位置分辨率非常高，可以很容易地超過精確識別筆跡所要求的200dpi的分辨率(參見以上參考文件)。
筆101相對于表面的運動作為一系列筆劃被捕捉。一個筆劃由以時間表示的筆在表面上的位置的一個序列組成，由下筆開始并由隨后的提筆完成。當區(qū)域ID改變時，即正常情況下在筆劃開始時，筆劃還用表面的區(qū)域ID標記。如上所述，每個位置標識符包括表示其在表面上的位置的數(shù)據(jù)和表示標識符所在的表面區(qū)域的區(qū)域數(shù)據(jù)。
筆還檢測并解碼表示在表面上的任何標記，并且響應標記的檢測而視情況使得電場發(fā)生器能夠標記表面或者將標記從表面擦除，或者不能進行標記和擦除。
圖11是表示筆101內(nèi)的位置標識符和筆劃過程的流程圖。當筆101處于提筆狀態(tài)時，筆控制器134連續(xù)監(jiān)測作用力傳感器光電二極管144的下筆條件(步驟164)。當筆處于下筆狀態(tài)時，筆控制器134連續(xù)捕捉165、166并解碼167表面的位置標識符的標識符數(shù)據(jù)，推出筆101相對于表面的位置和方位168，并且將位置數(shù)據(jù)添加到當前筆劃數(shù)據(jù)(包括標識符數(shù)據(jù)和其他信息，例如作用力，如果作用力是被連續(xù)監(jiān)測的話)。當發(fā)生提筆事件時，筆控制器134加密170筆劃數(shù)據(jù)并且通過RF芯片133和天線112將筆劃數(shù)據(jù)傳送171到計算系統(tǒng)。注意筆采樣筆尖作用力172以便確定筆劃是否已經(jīng)完成173并且還確定是否開始一個新的筆劃174。
如果是相當快速的8位乘法，則筆活動時處理算法占用80％的處理器時間。
如果筆脫離所要傳送的計算系統(tǒng)的范圍，則它將數(shù)字墨水緩沖在其內(nèi)存里。當它下一次處于計算系統(tǒng)的范圍內(nèi)時，它將傳送任何被緩沖的數(shù)字墨水。當筆的內(nèi)存占滿時筆停止捕捉數(shù)字墨水并當用戶試圖用筆101寫入時閃亮錯誤LED。
圖12是從筆101傳送到計算系統(tǒng)的原始數(shù)字墨水結構的示意圖。當筆101脫機工作時緩沖在筆101內(nèi)的數(shù)字墨水以與傳送到系統(tǒng)的數(shù)字墨水一樣的形式存儲。
當筆101連接于計算系統(tǒng)時，控制器134脫機前通知系統(tǒng)它從系統(tǒng)獲得的筆ID、筆尖ID175、當前絕對時間176、以及最后絕對時間。這允許系統(tǒng)以筆的時鐘計算和漂移并且從而時間漂移任何從筆101接收的數(shù)字墨水。隨后筆101將其實時時鐘和系統(tǒng)的精確實時時鐘保持同步。筆ID使得當有多個筆運行于計算系統(tǒng)時計算系統(tǒng)可以識別筆。在例如利用筆來識別筆的所有者，并且以特別直接的方式和該所有者交互作用的系統(tǒng)中筆ID是非常重要的。在其他實施例中這可以是不必要的。筆尖ID使得計算系統(tǒng)可以識別哪個筆尖，鐵筆尖121或墨水筆筒筆尖119，正在使用。計算系統(tǒng)可以根據(jù)正在使用哪個筆尖而改變其操作。例如，如果正在使用墨水筆筒筆尖119，計算系統(tǒng)會延遲產(chǎn)生反饋輸出，因為及時反饋由標在表面上的墨水標記提供。當正在使用鐵筆尖121時，計算系統(tǒng)會生成及時反饋輸出。
在筆劃開始時，筆控制器134記錄從通知給系統(tǒng)的最后絕對時間開始經(jīng)過的時間。對于每個筆101位置177，筆劃過程中控制器134記錄筆尖119、121從當前標識符的x和y偏移，筆101的x、y和z旋度，以及筆尖作用力。如果標識符ID發(fā)生改變則只記錄標識符ID(識別標識符位置的數(shù)據(jù))。由于標識符頻率稍微小于典型的位置采樣頻率，因此標識符ID對于許多連續(xù)的筆101位置是恒定的，并且如果筆劃很短，對于整個筆劃來說也可以是恒定的。
由于筆101以100Hz采樣其位置和方位，因此在一個筆劃中的筆101位置是以100Hz隱含地計時并且不需要顯式的時間表示。如果筆101未能計算筆101位置，例如由于它未能解碼標識符，它仍然必須記錄筆101位置以保持隱含計時。因此它將位置記錄為未知179，如果必要，允許計算系統(tǒng)以后從相鄰的采樣插入位置。
由于筆劃的32位時間偏移具有有限的范圍(即49.7天)，因此筆101可選地記錄一個筆劃的絕對時間176。這成為絕對時間，相對于該絕對時間測量以后的筆劃時間偏移。
由于標識符ID對于許多連續(xù)的筆劃是恒定的，因此如果標識符ID發(fā)生改變筆只記錄標識符ID180。這成為隱含地關聯(lián)于以后的筆位置的標識符ID。
由于用戶可能在一個筆劃和下一個筆劃之間改變筆尖119、121，因此筆101可選地記錄一個筆劃的筆尖ID。這成為隱含地關聯(lián)于以后的筆劃的筆尖ID。
一個筆劃的每個成分都有一個熵編碼的前綴。一個1秒時間段內(nèi)的10毫米筆劃跨過兩個或三個標識符，包含100個位置采樣，并且因而有大約5500位的大小。因此聯(lián)機連續(xù)捕捉數(shù)字墨水需要大約5.5Kbps的最大傳送速度，而脫機連續(xù)捕捉數(shù)字墨水需要大約每分鐘40Kbytes的緩沖內(nèi)存。因此筆的512KB的DRAM 148可以保持12分鐘以上的連續(xù)數(shù)字墨水。時間、區(qū)域和筆尖的變化很少發(fā)生因而它們對所需要得傳送速度和緩沖內(nèi)存得影響忽略不計。筆101位置得附加壓縮可以進一步降低對傳送速度和緩沖內(nèi)存的要求。
每個原始筆劃在傳送到計算系統(tǒng)之前利用Triple-DES算法加密(該算法參見Schneier，B的“實用密碼技術”(Applied Cryptography)，第二版，Wiley出版社1996年，其內(nèi)容包含于本文以做參考)。為此目的筆和計算系統(tǒng)在一個規(guī)則的基礎上交換話路密鑰?；诿總€加密位元50個循環(huán)的保守估計，一個一秒5500位筆劃的加密消耗處理器時間的0.7％。
在第一個可選實施例中，編碼數(shù)據(jù)表示了一個身份，該身份是識別基層的數(shù)據(jù)。這使得筆101識別基層，例如基層是否是一種特別類型的文件或者基層是否構成了另一個物體的一部分。當然，由于該實施例中標識符表示表面的屬性而不是標識符相對于表面的位置，因此需要單獨的裝置用于檢測裝置相對于表面的運動。
在第二個可選實施例中，編碼數(shù)據(jù)表示了一個身份，該身份是表示標識符類型的數(shù)據(jù)。筆101可以識別標識符是否表示一個關心的對象而不是表面上的位置。例如，如果標識符表示一個對象并且對應于一個用戶接口輸入部件(例如一個按鈕)，則該標識符可以直接識別輸入部件。
用于可選實施例的一種合適的獨立的運動檢測裝置包括一對安裝在垂直于筆101軸線的平面內(nèi)的直交的加速計190。在圖10和9中以虛線表示加速計190。
加速計使得筆101的該實施例能夠檢測運動而不參考表面標識符，允許以較低比例采樣標識符。
由加速計在x和y方向上測量的加速度相對于時間積分得到瞬時速度和位置。
由于不知道筆劃的開始位置，因此只計算筆劃內(nèi)的相對位置。盡管位置積分在所檢測到的加速度內(nèi)累計誤差，但是加速計典型低具有高精度，并且其上累計誤差的筆劃的時間周期很短。
可以提供另外一種運動檢測裝置，而不提供用于檢測相對表面的運動的加速計。這種裝置包括含有一個光學傳感器的運動檢測裝置，其中該光學傳感器與表面協(xié)作以產(chǎn)生表示光學傳感器相對于表面的運動的信號；含有至少兩個觸點的運動檢測裝置，其中觸點設置為與表面接觸并檢測兩個正交方向上的運動；或者其他任何合適的用于檢測相對一個表面的運動的運動檢測裝置。
參考一個優(yōu)選實施例和大量特定的可選實施例說明了本發(fā)明。但是，本領域的技術人員可以理解，不同于那些具體說明的實施例的大量其他的實施例也將落入本發(fā)明的實質和范圍內(nèi)。因此，可以明白本發(fā)明不限制在本說明書說明的具體實施例，包括作為參考包含于本文的文件。本發(fā)明的范圍只由所附的權利要求限定。
權利要求
1.一種用于在上面設置有編碼數(shù)據(jù)和電子墨水的表面的檢測元件，所述編碼數(shù)據(jù)表示了表面上一個區(qū)域的特性，該檢測元件包括一個區(qū)域特性生成器，配置為利用編碼數(shù)據(jù)生成代表一個區(qū)域的特性的區(qū)域特性數(shù)據(jù)；以及一個發(fā)送器，配置為將區(qū)域特性數(shù)據(jù)發(fā)送到一個計算機系統(tǒng)。
2.如權利要求1所述的檢測元件，還包括一個運動傳感器，配置為生成表示檢測元件相對區(qū)域的運動的運動數(shù)據(jù)。
3.如權利要求2所述的檢測元件，其特征在于，該運動傳感器配置為利用編碼數(shù)據(jù)生成運動數(shù)據(jù)。
4.如權利要求3所述的檢測元件，其特征在于，編碼數(shù)據(jù)表示該區(qū)域的多個坐標點，該運動傳感器配置為當檢測元件相對所述坐標點中的至少一個運動時生成運動數(shù)據(jù)。
5.如權利要求3所述的檢測元件，其特征在于，編碼數(shù)據(jù)包括周期碼元，該運動傳感器配置為當檢測元件相對所述周期碼元中的至少一個運動時生成運動數(shù)據(jù)。
6.如權利要求4所述的檢測元件，其特征在于，該運動傳感器配置為對檢測元件相對至少一個坐標點的位置采樣，從而生成運動數(shù)據(jù)。
7.如權利要求5所述的檢測元件，其特征在于，該運動傳感器配置為對檢測元件相對至少一個周期碼元的位置采樣，從而生成運動數(shù)據(jù)。
8.如權利要求2所述的檢測元件，其特征在于，優(yōu)選地，該運動傳感器包括至少一個加速度傳感器，該加速度傳感器配置為當檢測元件相對該區(qū)域運動時檢測檢測元件的加速度，該運動傳感器配置為通過對加速度定期采樣來生成運動數(shù)據(jù)。
9.如權利要求8所述的檢測元件，其特征在于，該加速度傳感器配置為檢測加速度的至少兩個基本正交的分量。
10.如權利要求1所述的檢測元件，還包括一個狀態(tài)改變裝置，用于改變電子墨水的狀態(tài)。
11.如權利要求10所述的檢測元件，其特征在于，該狀態(tài)改變裝置可以啟動和停用。
12.如權利要求11所述的檢測元件，還包括一個作用力傳感器，用于當該元件和表面之間的作用力超過一個預定值時啟動或停用該狀態(tài)改變裝置。
13.如權利要求11所述的檢測元件，還包括響應附著于該表面的標示的檢測器，以使得該狀態(tài)改變裝置能夠或不能響應標示的檢測。
14.如權利要求13所述的檢測元件，其特征在于，編碼數(shù)據(jù)包括多個標識符，每個標識符代表該標識符所在區(qū)域的一個特性，并且每個標識符包括一個標記。
15.如權利要求10所述的檢測元件，其特征在于，該狀態(tài)改變裝置包括一個電場發(fā)生器。
16.如權利要求10所述的檢測元件，其特征在于，該狀態(tài)改變裝置包括一個第一狀態(tài)改變裝置用于將電子墨水的狀態(tài)改變?yōu)榈谝粻顟B(tài)，以及一個第二狀態(tài)改變裝置用于將電子墨水的狀態(tài)改變?yōu)榈诙顟B(tài)。
17.如權利要求16所述的檢測元件，其特征在于，該元件是長形的，第一狀態(tài)改變裝置設置在臨近該元件的第一縱端，而第二狀態(tài)改變裝置設置在臨近該元件的相對的第二縱端。
18.如權利要求4所述的檢測元件，其特征在于，編碼數(shù)據(jù)包括多個標識符，每個標識符代表該標識符所在區(qū)域的一個特性坐標點，并且每個標識符代表該區(qū)域的一個坐標點，該區(qū)域附著于表面上，并且該坐標點代表標識符相對該區(qū)域的位置。
19.如權利要求5所述的檢測元件，其特征在于，編碼數(shù)據(jù)包括多個標識符，每個標識符代表該標識符所在區(qū)域的一個特性，并且每個標識符包括至少一個周期碼元。
20.一種用于捕捉手書信息的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括一個如權利要求1所述的檢測元件，以及一個表面，表面上附著有電子墨水并且編碼附著在表面上。
21.如權利要求20所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述表面設置有電子墨水和非電子墨水的可見顏色的墨水。
22.一種用于如權利要求1所述的檢測元件的基片，該基片包括一個表面，表面上附著有電子墨水和編碼數(shù)據(jù)，編碼數(shù)據(jù)代表表面上的一個區(qū)域的特性。
全文摘要
一種用于在上面設置有編碼數(shù)據(jù)和電子墨水的表面的檢測元件，所述編碼數(shù)據(jù)表示了表面上一個區(qū)域的特性，該檢測元件包括一個區(qū)域特性生成器，配置為利用編碼數(shù)據(jù)生成代表一個區(qū)域的特性的區(qū)域特性數(shù)據(jù)；以及一個發(fā)送器，配置為將區(qū)域特性數(shù)據(jù)發(fā)送到一個計算機系統(tǒng)。
文檔編號H04N1/32GK1402855SQ00816613
公開日2003年3月12日 申請日期2000年10月20日 優(yōu)先權日1999年12月1日
發(fā)明者保羅·拉普斯頓, 基亞·西爾弗布魯克 申請人:西爾弗布魯克研究有限公司