專利名稱：物體形狀確定方法及其系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于根據(jù)靜電感測(cè)來確定物體形狀的方法，用于根據(jù)所確定的形狀來控制裝置或設(shè)備的方法，以及包括處理裝置和靜電感測(cè)元件，用于執(zhí)行所述方法的設(shè)備。本發(fā)明特別而并非僅僅應(yīng)用于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、顯示器、消費(fèi)者電子裝置及其它交互式裝置，其中物體形狀確定例如可以用于姿勢(shì)識(shí)別，借此提供無接觸的控制和交互。
已知許多與諸如計(jì)算機(jī)、自動(dòng)售貨機(jī)或電話亭、顯示器、移動(dòng)電話和個(gè)人數(shù)字助理或便攜計(jì)算機(jī)之類的裝置相交互的技術(shù)。例如，經(jīng)由鍵盤/小鍵盤和“鼠標(biāo)”的直接輸入為大部分計(jì)算機(jī)用戶所熟知。特別地是，圖形用戶接口在指示裝置(鼠標(biāo))的控制下利用指針使用“指向和點(diǎn)擊”意象(metaphor)，所述指示裝置圖形表示在顯示器上的位置和動(dòng)作。隨著塑料“筆”被用于便攜計(jì)算機(jī)來提供直觀的交互作用，基于壓力或電容感測(cè)技術(shù)的觸摸屏技術(shù)逐漸變得通用。
可以向用戶交互作用提供裝置的另一技術(shù)是電場(chǎng)感測(cè)，有時(shí)被稱為準(zhǔn)靜電感測(cè)。通常，通過施加交流電壓來激勵(lì)第一發(fā)送電極，所述交流電壓由于電容耦合利用第二接收電極設(shè)立電場(chǎng)線并且由此在第二電極中感應(yīng)位移電流。當(dāng)物體被放置在電極附近并且進(jìn)而位于擴(kuò)展的場(chǎng)線中時(shí)，物體截止了一些場(chǎng)線，這導(dǎo)致電容性電流減小。從而，如果監(jiān)視電流的話，那么可以感測(cè)到非常接近于電極的物體的存在。
專利US6,025,726公開了一種意在用于計(jì)算機(jī)及其它應(yīng)用的電場(chǎng)感測(cè)器設(shè)備。取決于所打算的應(yīng)用，可以感測(cè)用戶手指或手或全身的位置。如US6,025,726所述的電路和設(shè)備有些龐大且復(fù)雜，這使它不能很好地集成到膝上計(jì)算機(jī)或具有顯示器的小型手持裝置中。此外，例如，用于確定物體近似位置的，所公開的方法是基于由偶極子場(chǎng)來描述在發(fā)送和接收電極之間電場(chǎng)的不正確物理假定，以及基于此場(chǎng)不會(huì)被物體的存在而干擾的不正確假定的。對(duì)這種系統(tǒng)和方法來說，分析物體的3D形狀或輪廓是成問題的。
因此，需要一種電場(chǎng)感測(cè)方法和設(shè)備，能夠確定物體的三維形狀以便能夠例如經(jīng)由姿勢(shì)識(shí)別來進(jìn)行控制。
依照本發(fā)明的第一方面，提供了一種用于確定在從感測(cè)器設(shè)備延伸的靜電感測(cè)區(qū)域中所放置的未知物體形狀的方法，所述感測(cè)器設(shè)備包括多個(gè)靜電接收裝置和至少一個(gè)靜電發(fā)送裝置，所述方法包括測(cè)量由所述未知物體在每個(gè)接收裝置上所感應(yīng)的電荷變化并且把所述電荷測(cè)量作為第一電荷圖像數(shù)據(jù)集Cf存儲(chǔ)，獲取用于表示點(diǎn)坐標(biāo)的預(yù)定形狀數(shù)據(jù)集(PSD)，所述點(diǎn)坐標(biāo)定義了所述預(yù)定形狀，對(duì)于第一電荷圖像數(shù)據(jù)集Cf確定電荷分布數(shù)據(jù)集q′，以便基本上產(chǎn)生所測(cè)量的電荷圖像Cf，所述電荷分布數(shù)據(jù)集q′用于表示在預(yù)定形狀上所要求的電荷分布，計(jì)算在對(duì)應(yīng)于所述電荷分布數(shù)據(jù)集q′的感測(cè)區(qū)域中的靜電勢(shì)分布，產(chǎn)生具有對(duì)應(yīng)于感測(cè)區(qū)域中點(diǎn)的坐標(biāo)的新的形狀數(shù)據(jù)集，在所述感測(cè)區(qū)域中靜電勢(shì)分布接近于零，并且通過把新的形狀數(shù)據(jù)集和預(yù)定形狀數(shù)據(jù)集之間的差異與預(yù)定閾值相比較，來把新的形狀數(shù)據(jù)集確定為用于表示在感測(cè)區(qū)域中未知物體的形狀。
依照本發(fā)明的第二方面，提供了一種用于控制裝置的方法，包括依照如上所述的第一方面來確定物體形狀，從與預(yù)定義形狀相關(guān)聯(lián)的控制動(dòng)作列表中選擇與所確定的物體形狀相關(guān)聯(lián)的控制動(dòng)作，并且執(zhí)行所選擇的控制動(dòng)作。
依照本發(fā)明的第三方面，公開了一種用于確定在從感測(cè)器設(shè)備延伸的靜電感測(cè)區(qū)域中所放置的未知物體形狀的系統(tǒng)，所述感測(cè)器設(shè)備包括至少一個(gè)靜電發(fā)送裝置和多個(gè)靜電接收裝置，用于存儲(chǔ)預(yù)定形狀數(shù)據(jù)集的存儲(chǔ)裝置，和用于按照上述第一方面來確定在靜電感測(cè)區(qū)域中所放置的未知物體形狀的處理裝置。
上述的方法方面通常通過根據(jù)所計(jì)算的靜電勢(shì)等值線來逐漸地修改預(yù)定已知物體的形狀，而確定未知物體的形狀。通過計(jì)算預(yù)定形狀(假想)的電荷分布來指導(dǎo)修改所述預(yù)定形狀，通過把預(yù)定物體認(rèn)為是接地導(dǎo)體來指導(dǎo)所述計(jì)算，這使得可以使用諸如Tikhonov規(guī)則化之類的規(guī)則化過程。
然后計(jì)算由于此假想電荷分布所導(dǎo)致的靜電勢(shì)分布，并且修改預(yù)定形狀以在3-D空間中更接近地對(duì)準(zhǔn)零靜電勢(shì)等值線的位置。利用這種方法把靜電勢(shì)等值線＝零用作未知形狀的下一最佳猜測(cè)，來逐漸地修改預(yù)定已知的假想物體形狀。
在一個(gè)實(shí)施例中，所述設(shè)備包括計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，所述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)具有可操作來執(zhí)行上述方法方面的微處理器，所述處理器和計(jì)算機(jī)鏈接到包括幾個(gè)接收電極和幾個(gè)發(fā)送電極的靜電感測(cè)板。
還提供了用于以外圍點(diǎn)坐標(biāo)的形式來存儲(chǔ)預(yù)定形狀的存儲(chǔ)裝置，其中把三角形元素映射到所述外圍點(diǎn)坐標(biāo)上。當(dāng)物體被接收器電極感測(cè)時(shí)(通過輸出電流的變化來表示)，處理器按照規(guī)則化過程的指導(dǎo)，監(jiān)視在每個(gè)接收器上所接收的電荷，把適當(dāng)?shù)募傧牖蛟O(shè)想的電荷分布映射到在存儲(chǔ)器中所存儲(chǔ)的已知物體形狀上，計(jì)算零靜電勢(shì)等值線并且修改朝著等值線的每個(gè)三角形元素的位置，直到已經(jīng)找到滿意的適合配置(satisfactory fit)。
所述處理器確定所述適合配置是滿意可通過比較在感測(cè)器板所測(cè)量的電荷和由于假想電荷數(shù)據(jù)集所要產(chǎn)生并因此而被測(cè)量的電荷之間的平方差的和，并且當(dāng)這個(gè)和在例如5％的預(yù)定閾值差異以下時(shí)終止所述過程來完成。
因此，逐個(gè)元素地修改預(yù)定形狀(例如球體)直到它近似于在所述設(shè)備附近所放置的未知形狀(例如翹拇指的手勢(shì))。
從而，獲得迭代收斂過程，其能夠在電場(chǎng)感測(cè)器設(shè)備中確定未知物體的形狀。
另外，設(shè)備可以包括顯示裝置和圖形用戶接口，其中當(dāng)確定所述形狀時(shí)執(zhí)行與所確定的形狀相關(guān)聯(lián)的控制動(dòng)作。
依照本發(fā)明的另一方面，提供了包括指令的程序代碼，所述指令指示處理器執(zhí)行上述方法，還提供了其上具有所述指令的程序代碼載體。
依照本發(fā)明的又一方面，提供了一種控制裝置的方法，所述控制取決于如第一方面所述的對(duì)物體形狀的確定。
在所附權(quán)利要求中列舉了本發(fā)明的進(jìn)一步特征和優(yōu)點(diǎn)，通過引用在此結(jié)合權(quán)利要求所公開的內(nèi)容，并且現(xiàn)在向讀者展示。
現(xiàn)在將僅以舉例形式并且參考附圖來描述本發(fā)明，其中


圖1示出了與電場(chǎng)感測(cè)感測(cè)器板鏈接的個(gè)人計(jì)算機(jī)；圖2更詳細(xì)地示出了感測(cè)器板；圖3是舉例說明依照本發(fā)明方法步驟的流程圖；和圖4是舉例說明依照本發(fā)明控制方法步驟的流程圖。
圖5是用于執(zhí)行依照本發(fā)明方法的計(jì)算機(jī)的顯示器屏幕快照。
應(yīng)當(dāng)注意，附圖是圖示的而不是按比例繪制的。為了在附圖中清楚且方便，部分這些圖的相對(duì)尺寸和比例被放大或縮小。通常在修改的和不同的實(shí)施例中，相同的附圖標(biāo)記用于指代相應(yīng)或類似的部件。
稍后要描述的實(shí)施例包括具有IBMTM可兼容個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC)的系統(tǒng)，所述個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC)連接到以電場(chǎng)感測(cè)板形式的感測(cè)器設(shè)備，所述電場(chǎng)感測(cè)板集成了場(chǎng)感測(cè)電極和電路組件。通常樣式的PC具有通用微處理器形式的處理裝置。提供了以磁性硬盤驅(qū)動(dòng)器、存儲(chǔ)器和光盤驅(qū)動(dòng)器的形式的存儲(chǔ)裝置來用于存儲(chǔ)程序，所述程序當(dāng)被載入存儲(chǔ)器并由微處理器執(zhí)行時(shí)能夠執(zhí)行本發(fā)明的各方面。應(yīng)當(dāng)注意，PC可以位于電場(chǎng)感測(cè)板遠(yuǎn)處，之間只有為所述PC提供所感測(cè)的測(cè)量而必須的連接鏈路?？梢杂芍苯友b置(例如串行、USB或電線實(shí)施方式)或間接裝置(諸如經(jīng)由以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)鏈路，有線或無線)來提供所述鏈路。
那些本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)容易地理解系統(tǒng)的精確配置將取決于所想要的應(yīng)用方案。例如，本地直接連接將足以至少部分地根據(jù)物體形狀確定來滿足基于家庭PC的用戶交互和控制，而網(wǎng)絡(luò)鏈路可能更適于安全和訪問控制應(yīng)用。此外，那些本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到具有存儲(chǔ)裝置和處理裝置以及感測(cè)器設(shè)備的消費(fèi)者電子裝置、手持裝置等也可以使本發(fā)明具體化。
圖1是使本發(fā)明具體化的系統(tǒng)的示意圖。所述系統(tǒng)包括由串行RS232數(shù)據(jù)鏈路11連接到電場(chǎng)感測(cè)器設(shè)備(S)20的PC 10。PC 10具有IntelTMPentium級(jí)的微處理器12(或者另一適當(dāng)?shù)膫溥x，如由AMDTM所生產(chǎn)的微處理器)，所述微處理器12經(jīng)由數(shù)據(jù)總線13連接到存儲(chǔ)裝置14(RAM)、硬盤驅(qū)動(dòng)器(HDD)16和光盤驅(qū)動(dòng)器17。本發(fā)明的方法特征被具體化為最初在光盤介質(zhì)17a上所提供的軟件代碼17b。代碼17b被拷貝到硬盤驅(qū)動(dòng)器16以便本地存儲(chǔ)并執(zhí)行。當(dāng)然，所述代碼可以在諸如閃速ram卡或軟盤之類的其它載體介質(zhì)上提供，或可以被作為因特網(wǎng)上的信號(hào)攜帶，并在用戶要求時(shí)下載到PC。所述代碼17b一旦被提供給PC 10，典型情況下將被安裝到硬盤驅(qū)動(dòng)器16上以便由微處理器12執(zhí)行。還提供了諸如MicrosoftWindows XPTM之類的操作系統(tǒng)代碼以便能夠正常操作所述PC。如圖所示還提供了顯示器18。
圖2更詳細(xì)地舉例說明了感測(cè)器設(shè)備(S)20。板20包括許多排電場(chǎng)接收電極(R)21a、21b、21c…和發(fā)送電極(T)31a、31b、31c…，所述電極依照棋盤格或交替圖案布置。感測(cè)器可以在矩陣中布置多達(dá)800×600個(gè)單個(gè)電極。為了清楚起見，在圖中只示出了幾行和列。選擇性地，構(gòu)成這種具有感測(cè)陣列的感測(cè)板20的配置、線路布置和電路構(gòu)造可以被集成到例如基于聚硅的薄膜晶體管液晶顯示器中，電極與單個(gè)顯示像素結(jié)合。感測(cè)板技術(shù)和示例性感測(cè)板設(shè)備和電路在2002年12月27日公布的、相同發(fā)明人的、申請(qǐng)人的一并待決的國(guó)際申請(qǐng)WO 02/103621中更完整地描述，在此將其內(nèi)容結(jié)合，現(xiàn)在向讀者給出。
操作中，板20測(cè)量由物體存在而在接收電極上所感應(yīng)的電荷變化，所述電荷變化經(jīng)由串行鏈路11被提供給PC 10以便經(jīng)由程序17b分析，所述程序具有與感測(cè)板的配置和類型有關(guān)的幾何信息，所述感測(cè)板的配置和類型由用戶在最初安裝時(shí)附加或輸入，或在程序/PC10和感測(cè)器板20之間初始即插即用類型的交換中被自動(dòng)檢測(cè)。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)到確定放置在上述區(qū)域中并且接近于感測(cè)板20的物體的形狀。一般地說，交變電勢(shì)電壓(在這種情況下V＝20V，f＝100kHz)被施加到每個(gè)發(fā)送電極31a、b、c。這在由感測(cè)器板20所定義的接地面上的感測(cè)區(qū)域中所放置的導(dǎo)電物體(人手可以被認(rèn)為是導(dǎo)體f＝100kHz)的表面上感應(yīng)出電勢(shì)。此電勢(shì)隨后在物體的表面上感應(yīng)電荷，以致由此電荷分布所產(chǎn)生的電勢(shì)等于發(fā)送器電勢(shì)，但是符號(hào)與之相反，以便在物體表面的凈電勢(shì)為零。最后，在所述物體上感應(yīng)的電荷導(dǎo)致在感測(cè)器板20上的電荷分布變化，此變化由接收電極(R)21a、b、c來測(cè)量。在電場(chǎng)或靜電(電容)感測(cè)的技術(shù)領(lǐng)域中，在感測(cè)平面所感應(yīng)的電荷變化有時(shí)被稱為“電荷圖像”。
原則上，人們可以監(jiān)視所述電荷圖像并且據(jù)此使用靜電理論來計(jì)算電勢(shì)分布，并且認(rèn)為零電勢(shì)等值線與物體形狀是一致的。然而，在實(shí)踐中，由板20所測(cè)量的電荷變化通常的數(shù)量級(jí)為每個(gè)接收電極幾個(gè)到一個(gè)毫微微法拉(1fF)，由此固然對(duì)噪聲敏感。以發(fā)明人看來，由噪聲引入到所測(cè)量電荷圖像中的不確定性妨礙了任何算法(由此妨礙了計(jì)算機(jī)實(shí)施這種算法)收斂到有意義的解，該有意義的解用于確定在感測(cè)區(qū)域中物體可能形狀。
在數(shù)學(xué)家的語言中，支配并描述在物體和發(fā)送器/接收器之間電場(chǎng)感測(cè)交互的靜電方程設(shè)立了不適定的矩陣方程。從而，很少保證矩陣方程的解收斂，并且在其中獲得解收斂的有限情況中，產(chǎn)生非物理上的物體形狀或電荷分布。
然而，申請(qǐng)人認(rèn)識(shí)到，以數(shù)學(xué)術(shù)語來說，可以通過假定在作為絕緣體的已知假設(shè)物體上的電荷分布將與在被當(dāng)作為導(dǎo)體的已知物體上產(chǎn)生的電荷分布類似，來使所述問題規(guī)則化。
此外，所述規(guī)則化使得能夠估計(jì)在感測(cè)板20上3D區(qū)域中的靜電勢(shì)分布。至關(guān)重要地，該假定暗示了在所述區(qū)域中零靜電勢(shì)等值線在形狀上將接近于生成圖像電荷的實(shí)際物體。從而，等值線可以用來構(gòu)成新的假設(shè)物體，其在形狀上更接近于干擾系統(tǒng)并且創(chuàng)建所測(cè)量電荷變化的實(shí)際物體。
現(xiàn)在將參考圖3描述以上所述，圖3舉例說明了在圖1的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)施例中執(zhí)行的依照本發(fā)明方法方面的步驟。
圖3在步驟40開始，其中計(jì)算機(jī)10監(jiān)視由板20所輸出的電荷。然后例如用戶把諸如手之類的物體放置在板20上，并且電荷變化被從每個(gè)接收電極21a、b、c提供到計(jì)算機(jī)，所述計(jì)算機(jī)把所述電荷作為第一電荷圖像數(shù)據(jù)集Cf存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器14中。
然后程序17b使處理器12接下來執(zhí)行步驟42，其中從存儲(chǔ)器中獲取用于表示預(yù)定形狀的數(shù)據(jù)。在此實(shí)施例中，申請(qǐng)人選擇把形狀作為具有位置信息的三角形序列來存儲(chǔ)，其中使所述位置信息與感應(yīng)器板相關(guān)。從而，如在3D圖形領(lǐng)域中所公知的那樣，可以通過移動(dòng)所述形狀的各個(gè)三角形來操縱所述形狀。起始形狀例如可以是懸吊在由感測(cè)板所定義的平面上幾厘米的球體，并且其具有在所述板的x和y限制內(nèi)的尺寸(例如假定20×20厘米)。
三角形元素被映射到物體表面以便形成3D預(yù)定形狀，由此所述預(yù)定形狀被存儲(chǔ)在硬盤驅(qū)動(dòng)器16中，作為用于描述組成所述形狀的元素的點(diǎn)坐標(biāo)的數(shù)據(jù)集。
從存儲(chǔ)裝置16獲取預(yù)定形狀數(shù)據(jù)集(PSD)并且將其傳送到存儲(chǔ)器18以便處理，然后所述程序使處理器移到步驟44，其中計(jì)算在預(yù)定形狀上所要求用來產(chǎn)生所測(cè)量電荷圖像Cf的電荷分布q′。
這通過對(duì)于預(yù)定形狀(其不是導(dǎo)致電荷圖像Cf的形狀/物體)建立N個(gè)線性方程系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)Gq＝t (1)其中G是在計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器中所存儲(chǔ)的矩陣數(shù)據(jù)集，包括用于描述在預(yù)定形狀的每個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)和所述預(yù)定形狀的每個(gè)其它點(diǎn)之間靜電交換電勢(shì)的元素，而t是用于描述在預(yù)定形狀的每個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)和發(fā)送電極31a、b、c的點(diǎn)坐標(biāo)之間靜電交換電勢(shì)的向量數(shù)據(jù)集。
計(jì)算機(jī)程序例如根據(jù)考慮像發(fā)送器之類的磁盤并且把形狀表面本身劃分為具有中點(diǎn)ρi、φi和zi的N個(gè)三角形元素并且定義向量t來產(chǎn)生N線性方程系，其中每個(gè)中點(diǎn)具有恒定的電荷qi，定義向量t是按照下面的方程式(2)ti=Vtzi2π∫0αi∫02πρ′dφ′dρ′(ρi2+ρ′2-2ρiρ′cos(φ′)+zi2)3/2---(2)]]>同樣地由下面方程式(3)給出了元素GGi,j=14π∫∂Oj[1ρ2+ρi2-2ρρicos(φ-φi)+(z-zi)2]]>-1ρ2+ρi2-2ρρicos(φ-φi)+(z+zi)2]ds---(3)]]>從而，計(jì)算機(jī)程序使用諸如由NAGTM或MATLABTM所提供的數(shù)值計(jì)算技術(shù)來在存儲(chǔ)器中產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于G和t的數(shù)據(jù)集。
為了描述在感測(cè)器板20的電容變化，所述板被分為段δRi，每個(gè)段具有電容ci并且其中具有元素Mi，j的矩陣被定義為Mi,j=-∈12πVt∫∂Ri′∫∂0jz(ρ2+ρ′2-2ρρ′cos(φ-φ′)+z2)3/2dsds′---(4)]]>這給出一組線性方程，C＝Mq (5)
描述了在已知物體上的電荷分布q和在接地面上(在感測(cè)器板)的電容變化(電荷圖像)。
通常，給出來自未知物體的所測(cè)量的電荷圖像Cf，原則上可以計(jì)算在預(yù)定物體(PSD)上的電荷分布q′，其中q′產(chǎn)生所測(cè)量的電荷圖像數(shù)據(jù)集Cf。即，q′是Cf＝Mq′的最小二乘解，其中對(duì)于已知物體(PSD)計(jì)算M。不幸地是，如先前所公開，Cf值對(duì)噪聲的敏感度意味著在實(shí)踐中很難找到方程式(5)的實(shí)際且合理的唯一解。
然而，認(rèn)識(shí)到如果導(dǎo)體允許定義規(guī)則化參數(shù)q0，其中q0是由方程式1(即t＝Gq0)所定義的線性方程組的解，那么在絕緣體預(yù)定形狀上的電荷分布q′將與已知物體上的類似。由于假定電荷分布q′不會(huì)與分布q0有太大不同，所以可以通過接受與q0類似的q′值來約束q′的解。從而方程式(5)變得可解。
從而，盡管如前所述M是情況糟糕的(不適定的)，通過例如使用Tikhonov規(guī)則化還是可以確定q′的收斂解，在這種情況下所述規(guī)則化要求q′值必須滿足以下方程式q′＝(MTM+P)-1(MTcf+Pq0) (6)其中P是用于定義標(biāo)準(zhǔn)qTPq的懲罰項(xiàng)。從而，應(yīng)用上述方程式，計(jì)算機(jī)程序在步驟44根據(jù)t＝Gq0和Cf＝Mq′來確定q′值，其中通過把q′設(shè)置為近似等于q0來約束所述值。
然后所述程序使處理器移到步驟46，其中依照下式來計(jì)算在接地面以上空間中的電勢(shì)分布Ψ(r′)=Ψi(r)-∫∂0G∂Ψ∂nds---(7)]]>按照電勢(shì)分布的估算，所述程序然后在步驟48修改組成預(yù)定形狀的三角形元素的位置，以便使它們更緊密地對(duì)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)于零電勢(shì)等值線的位置坐標(biāo)。從而產(chǎn)生新的形狀。
由處理器來計(jì)算零電勢(shì)等值線和三角形元素重新定位(步驟46和48)的有益高效方法如下。按照對(duì)零電勢(shì)等值線進(jìn)行電勢(shì)線性外插的方法來計(jì)算在預(yù)定形狀的每個(gè)三角形元素表面上的電勢(shì)。例如，由下式給出在每個(gè)三角形元素i上的電勢(shì)vi
12υ=t-Gq′---(8)]]>系數(shù)1/2確保在表面的電勢(shì)有適當(dāng)量的近似。然后由-vi/qi′給出每個(gè)三角形元素i必須移動(dòng)的量δxi，隨后可以由處理器依照下式估算所述量δxiδxi=λ2ΣjGi,jqj-tiqini---(9)]]>其中λ是引入以避免過沖(overshoot)的衰減系數(shù)。
從而重新定位每個(gè)三角形元素以便更接近對(duì)應(yīng)于在感測(cè)區(qū)域中零電勢(shì)等值線的位置，借此在步驟48產(chǎn)生新的形狀。
然后在步驟50，可以用各種閾值準(zhǔn)則來把新的形狀與預(yù)定形狀相比較(COM)，以便決定在存儲(chǔ)器14中是否用新的形狀來替換預(yù)定形狀(步驟54 SET)，并且在步驟56(REP)重復(fù)步驟42到50，或者決定是否從步驟50確定新的形狀緊密對(duì)應(yīng)于未知物體，由此停止經(jīng)由路徑58的迭代并且在步驟60，所述新的形狀被確定(DET)為用于表示所述未知物體的形狀。
例如在步驟50，可以把新的形狀元素位置與預(yù)定或先前的形狀元素?cái)?shù)據(jù)集相比較，并且如果差異小于差異閾值(假定5％)，那么所述程序移到步驟60，在那里把新的形狀數(shù)據(jù)集確定為未知物體形狀的數(shù)據(jù)集。
可以編程更復(fù)雜的閾值計(jì)算，其中感測(cè)器板讀數(shù)(電荷圖像)Cf′被計(jì)算，該讀數(shù)是由具有電荷分布q′的新形狀生成的。然后把此數(shù)據(jù)集Cf′與所測(cè)量的電荷圖像數(shù)據(jù)集Cf相比較，并且如果在對(duì)應(yīng)值之間的最小二乘方差在假定的閾值0.1％以下，那么確定滿意的適合配置，并且處理移到步驟60，其中新的形狀數(shù)據(jù)集被作為未知物體形狀返回，并且迭代過程結(jié)束。
在第一實(shí)施例中，參數(shù)q0依照方程式(1)來計(jì)算并且隨后用于根據(jù)方程式(5)來對(duì)q′的確定進(jìn)行規(guī)則化。在候選實(shí)施例中，應(yīng)用用于確定q0的試探性方法。對(duì)于圖1的系統(tǒng)，此方法包括模擬或測(cè)量為各種類似大小且不同形狀的物體所獲得的實(shí)際電荷分布。然后對(duì)于感測(cè)區(qū)域中的每個(gè)位置來平均這些電荷分布，并且如前所述那樣產(chǎn)生的數(shù)據(jù)集被用作q0以便根據(jù)方程式(5)來對(duì)q′的確定進(jìn)行規(guī)則化(即應(yīng)用方程式(6))。
在又一實(shí)施例中，在系統(tǒng)(圖1)中使用上述的方法方面以便依照所確定的物體形狀來進(jìn)行控制。例如，PC 10存儲(chǔ)了16一個(gè)諸如手姿勢(shì)(例如翹拇指，拳頭等)之類的預(yù)定物體形狀的列表，所述姿式與控制動(dòng)作相關(guān)聯(lián)。例如，翹拇指姿勢(shì)的手形狀可以與確認(rèn)或贊成控制動(dòng)作相關(guān)聯(lián)，而握拳的手形狀可以與停止或不贊成控制動(dòng)作相關(guān)聯(lián)。從而，與系統(tǒng)相交互的用戶可以接收來自系統(tǒng)的詢問。想要做出肯定響應(yīng)的用戶，通過把他的手以翹拇指的外形放在感測(cè)區(qū)域中來表示。然后處理器12如上所述確定物體形狀，從列表中選擇與最接近于所確定形狀的形狀相關(guān)聯(lián)的控制動(dòng)作，并且執(zhí)行所述控制動(dòng)作。從而實(shí)現(xiàn)了能夠用于進(jìn)行控制的姿勢(shì)識(shí)別。
圖4舉例說明了依照此實(shí)施例的步驟，其中在步驟62(DETOS)確定物體形狀，此后在步驟64(RCL)獲取控制列表并且在步驟66(SELCA)查閱所述控制列表以便選擇要執(zhí)行的控制動(dòng)作，此后在步驟68(EXCA)執(zhí)行所選擇的控制動(dòng)作。
圖5是上述用于確定未知物體形狀的示例性計(jì)算機(jī)實(shí)施方式的屏幕快照。利用在感測(cè)區(qū)域20中央的單個(gè)發(fā)送器31a以及16×16陣列的接收電極21a、b來執(zhí)行方法計(jì)算，所述接收電極分布在感測(cè)區(qū)域20的矩形網(wǎng)格中。參數(shù)λ是0.02。預(yù)定形狀是球形物體70，而為了清楚起見，在圖中只示出了實(shí)際未知物體72。在該圖中的插圖所示出的是只在六十次迭代之后的結(jié)果74。如插圖所示，預(yù)定形狀(球體)已經(jīng)變得近似于未知物體的形狀，借此表明依照上述方法有效地重構(gòu)了形狀信息。
以上描述了使用PC和感測(cè)板的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)運(yùn)行依照本發(fā)明方面的方法，其中根據(jù)對(duì)預(yù)定形狀物體的靜電計(jì)算以及所感測(cè)的測(cè)量來計(jì)算未知物體形狀。預(yù)定物體在每次迭代都朝著未知物體形狀變形，直到確定了物體形狀。有益地是，所述系統(tǒng)能夠控制裝置并且與裝置進(jìn)行交互。雖然上述實(shí)施例描述了基于PC的系統(tǒng)，然而那些本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到可以使用其它變化。
例如，諸如電視顯示器、機(jī)頂盒、高保真音頻裝置和汽車之類的消費(fèi)者裝置可以配備有處理裝置、程序代碼和感測(cè)器設(shè)備，以便能夠根據(jù)依照本發(fā)明對(duì)物體形狀的確定來控制所述裝置。類似地可以配備安全和訪問控制系統(tǒng)，例如手姿勢(shì)的交互作用用來獲得訪問。
根據(jù)閱讀本公開內(nèi)容，進(jìn)行其它修改對(duì)所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員來說是顯而易見的。這種修改可以包括其它特征，所述特征在設(shè)計(jì)、制造和使用靜電感測(cè)系統(tǒng)及其構(gòu)成部分中是已知的，并且在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，所述特征可以被用來代替或加入這里已經(jīng)描述的特征。
權(quán)利要求
1.一種用于確定在從感測(cè)器設(shè)備(20)延伸的靜電感測(cè)區(qū)域中所放置的未知物體形狀的方法，所述感測(cè)器設(shè)備(20)包括多個(gè)靜電接收裝置(21a，b，c)和至少一個(gè)靜電發(fā)送裝置(31a)，所述方法包括-測(cè)量由所述未知物體在每個(gè)接收裝置上所感應(yīng)的電荷變化并且把所述電荷測(cè)量作為第一電荷圖像數(shù)據(jù)集Cf(40)存儲(chǔ)，-獲取用于表示點(diǎn)坐標(biāo)的預(yù)定形狀數(shù)據(jù)集(PSD)，所述點(diǎn)坐標(biāo)定義了所述預(yù)定形狀(42)，-對(duì)于第一電荷圖像數(shù)據(jù)集Cf確定電荷分布數(shù)據(jù)集q′，以便基本上產(chǎn)生所測(cè)量的電荷圖像Cf(44)，所述電荷分布數(shù)據(jù)集q′用于表示在預(yù)定形狀上所要求的電荷分布，-計(jì)算在對(duì)應(yīng)于所述電荷分布數(shù)據(jù)集q′(46)的感測(cè)區(qū)域中的靜電勢(shì)分布，-產(chǎn)生具有對(duì)應(yīng)于感測(cè)區(qū)域中點(diǎn)的坐標(biāo)的新的形狀數(shù)據(jù)集，在所述感測(cè)區(qū)域中靜電勢(shì)分布接近于零(48)，并且-通過把新的形狀數(shù)據(jù)集和預(yù)定形狀數(shù)據(jù)集之間的差異與預(yù)定閾值相比較，來把新的形狀數(shù)據(jù)集確定(60)為用于表示在感測(cè)區(qū)域中未知物體的形狀。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中確定電荷圖像分布q′包括對(duì)于預(yù)定形狀計(jì)算M，即是包括用于描述在預(yù)定形狀的每個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)和接收裝置的每個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)之間靜電交換電勢(shì)的元素的矩陣數(shù)據(jù)集，G，即是包括用于描述在預(yù)定形狀的每個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)和預(yù)定形狀的每個(gè)其它點(diǎn)坐標(biāo)之間靜電交換電勢(shì)的元素的矩陣數(shù)據(jù)集，t，即是用于描述在預(yù)定形狀的每個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)和發(fā)送裝置的點(diǎn)坐標(biāo)之間靜電交換電勢(shì)的向量數(shù)據(jù)集，并且其中預(yù)定形狀上的電荷分布q0用于根據(jù)Cf＝Mq′來規(guī)則化對(duì)q′的確定。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中根據(jù)t＝Gq0來計(jì)算q0。
4.如前面權(quán)利要求中任何一個(gè)所述的方法，其中比較步驟包括對(duì)于新的形狀數(shù)據(jù)集來計(jì)算第二電荷圖像分布Cf′，并且其中通過比較在Cf′和Cf之間的平方差的和來計(jì)算與預(yù)定閾值相比較的差異。
5.如前面權(quán)利要求中任何一個(gè)所述的方法，其中所述預(yù)定形狀數(shù)據(jù)集(PSD)的點(diǎn)坐標(biāo)定義了所述已知形狀的三角形元素。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其中通過外插距離來產(chǎn)生新的形狀數(shù)據(jù)集，照此把感測(cè)區(qū)域中的每個(gè)三角形元素移動(dòng)到靜電勢(shì)分布為零的點(diǎn)。
7.如前面權(quán)利要求中任何一個(gè)所述的方法，其中所述預(yù)定閾值是5％。
8.一種用于控制裝置的方法，包括依照如權(quán)利要求1到7中任何一個(gè)所述的方法來確定(62)物體形狀，從與預(yù)定義形狀相關(guān)聯(lián)的控制動(dòng)作列表中選擇與所確定的物體形狀相關(guān)聯(lián)的控制動(dòng)作(64，66)，并且執(zhí)行所選擇的控制動(dòng)作(68)。
9.一種用于確定在從感測(cè)器設(shè)備(20)延伸的靜電感測(cè)區(qū)域中所放置的未知物體形狀的系統(tǒng)，所述感測(cè)器設(shè)備(20)包括至少一個(gè)靜電發(fā)送裝置(31a)和多個(gè)靜電接收裝置(21a，b，c)，用于存儲(chǔ)預(yù)定形狀數(shù)據(jù)集的存儲(chǔ)裝置(14，16)，和用于執(zhí)行如權(quán)利要求1到7中任何一個(gè)所述方法的處理裝置(12)。
10.如權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，還包括選擇裝置(12)，用于從所存儲(chǔ)的(16)與預(yù)定義形狀相關(guān)聯(lián)的控制動(dòng)作列表中選擇與所述確定的物體形狀相關(guān)聯(lián)的控制動(dòng)作，和控制裝置，用于執(zhí)行所選擇的控制動(dòng)作。
11.一種包括處理指令的程序代碼(17b)，所述處理指令當(dāng)由處理裝置(12)運(yùn)行時(shí)使所述處理器執(zhí)行如權(quán)利要求1到8中任何一個(gè)所述的方法。
12.一種攜帶程序代碼的程序代碼載體(17a)，所述程序代碼當(dāng)被提供給處理裝置(12)時(shí)使所述處理器執(zhí)行如權(quán)利要求1到8中任何一個(gè)所述的方法。
13.一種如上參照附圖描述并如附圖所示的方法。
14.一種被構(gòu)造并配置成基本如上參照附圖描述并如附圖所示進(jìn)行操作的系統(tǒng)。
全文摘要
描述了一種使用處理裝置(12)和靜電感測(cè)器設(shè)備(20)的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)運(yùn)行一種方法，其中根據(jù)對(duì)預(yù)定形狀物體(42，70)重復(fù)迭代(56)靜電計(jì)算(44，46)以及所感測(cè)的靜電測(cè)量(40)來計(jì)算未知物體形狀。在所述方法的每次迭代中，預(yù)定物體形狀(70)向未知物體形狀(72)變形，直到確定了(60，74)物體形狀。形狀的變形是基于計(jì)算靜電勢(shì)的零等值線的，其取決于應(yīng)用于所述預(yù)定形狀的電荷分布。
文檔編號(hào)G06F3/033GK1799021SQ200480014936
公開日2006年7月5日 申請(qǐng)日期2004年5月21日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月31日
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