交互屏幕上的稀疏感測的制作方法
【專利摘要】一種使用稀疏激活壓縮感測來檢測傳感器在交互屏幕上被激活的位置的方法。稀疏激活壓縮感測利用同時被激活的傳感器的數(shù)目充分小于傳感器(節(jié)點)的數(shù)目的情況。因為同時被激活的傳感器的數(shù)目充分小于傳感器的數(shù)目，所以所需用于確定哪些傳感器被激活的測量的次數(shù)也可以減少。因為當與全掃描技術相比時需要更少的測量，所以需要更小的電路以及功率來檢測交互屏幕上所激活的傳感器的位置。
【專利說明】交互屏幕上的稀疏感測

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及交互屏幕，并且更具體地，涉及與屏幕的感測接觸。

【背景技術】
[0002]自從智能手機以及平板PC(個人計算機)引入以來，交互屏幕已經越來越普及。交互屏幕在尺寸上變得更大，并且對這些交互屏幕的響應性、分辨率以及智能的需求日益增力口。通常，交互屏幕通過周期性地掃描屏幕上的通常稱為節(jié)點的每個傳感器來檢測其中傳感器已經激活的位置而起作用?？梢酝ㄟ^由物體(例如，人的手指或觸筆)進行的直接物理接觸、通過接近傳感器的物體或通過相距一定距離刺激傳感器來激活傳感器。
[0003]當與在交互屏幕上的傳感器的數(shù)目相比時，在特定時刻在交互屏幕上激活的傳感器的數(shù)目相對很少。圖3示出與交互屏幕進行的接觸的稀疏特性的示例。在圖3所示的示例中，當手指很靠近交互屏幕時，電容在主動節(jié)點上發(fā)生變化。在交互屏幕上手指不是很靠近交互屏幕的位置處，電容不發(fā)生變化。
[0004]一種確定交互屏幕上的傳感器何時被激活的方法是周期性地掃描屏幕上的所有傳感器以監(jiān)控哪些傳感器已經被激活以及哪些傳感器尚未被激活。全掃描(即，掃描屏幕上的所有傳感器)可能是耗時的并且可能消耗比所需的更多的功率。便攜式電子裝置上的功率消耗是極為重要的，因為功率的量可能有限。用于驅動交互屏幕的功率的量可以通過降低交互屏幕的感測復雜度同時維持對傳感器在何處被激活的檢測以及定位的精確度來減少。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0005]圖1是電容式觸摸屏上的傳感器與該電容式觸摸屏上的電容的橫截面圖。
[0006]圖2是表明電極的位置的電容式觸摸屏的布局圖。
[0007]圖3是兩個手指與電容式觸摸屏進行接觸產生的傳感器中的電容變化的曲線圖。
[0008]圖4A是為電容器充電的電壓源的示意圖。
[0009]圖4B是已充電電容器和未充電電容器的不意圖。
[0010]圖4C是電荷從一個電容器轉移到另一個電容器的不意圖。
[0011]圖5是電荷轉移電路的示意圖。
[0012]圖6是用于確定物體與電容式觸摸屏進行接觸的位置的設備的示意圖。
[0013]圖7根據(jù)本發(fā)明實施例說明大傳感器間距拓撲。
[0014]圖8根據(jù)本發(fā)明實施例說明利用大傳感器間距拓撲來恢復電容的變化。
[0015]圖9根據(jù)本發(fā)明實施例說明利用小傳感器間距拓撲來恢復電容的變化。
[0016]圖10是根據(jù)本發(fā)明實施例說明確定與電容式觸摸屏進行接觸的位置的方法的流程圖。

【具體實施方式】
[0017]附圖以及描述大體上揭示使用稀疏激活壓縮感測來檢測交互屏幕上傳感器被激活的位置的方法以及設備。在本發(fā)明的實施例中，稀疏激活壓縮感測利用其中同時被激活的傳感器的數(shù)目(例如，每人10個或更少)充分小于傳感器(節(jié)點)的數(shù)目(例如，100個)的情況。因為同時被激活的傳感器的數(shù)目充分小于傳感器的數(shù)目，所以需要用于確定哪些傳感器被激活的測量的次數(shù)也可以減少。因為當與全掃描技術相比時需要更少的測量，所以需要更小的電路以及功率來檢測在交互屏幕上被激活的傳感器的位置。
[0018]本發(fā)明的用于確定交互屏幕上被激活的傳感器位于何處的實施例包括三個步驟。在第一步驟期間，將在N個傳感器的列中的傳感器驅動至初始狀態(tài)。初始狀態(tài)經選擇以簡化用作此實施例的一部分的稀疏激活壓縮感測算法。N個傳感器的狀態(tài)是初始狀態(tài)以及它們感測到的交互的函數(shù)。同樣在第一步驟期間，來自N個傳感器的輸出被合并成單個狀態(tài)。在N個傳感器總計成單個狀態(tài)之后，該單個狀態(tài)被電子存儲。
[0019]在本發(fā)明的此實施例的第二步驟期間，重復第一步驟K次。第一步驟被重復的次數(shù)K的數(shù)目充分小于傳感器的數(shù)目N。在此實施例的第三步驟期間，使用K個被電子存儲的單個狀態(tài)以及稀疏激活壓縮感測來確定傳感器在交互屏幕上被激活的位置。
[0020]在本發(fā)明的另一實施例中，電壓驅動器將某列中的傳感器(節(jié)點)預充電至不同的電壓。在該列中的傳感器被預充電至不同的電壓Vn之后，這些傳感器以并聯(lián)方式被電氣連接并且來自這些傳感器的電荷被轉移到參考電容器Cm。參考電容器Cm上的電荷通過電容-電壓轉換器轉換成感測電壓Vsms-感測電壓Vsmse被存儲在觸摸屏控制器中。以下過程被重復K次(其中K的值充分小于傳感器的數(shù)目N-1):1)將某列中的傳感器預充電至電壓Vn，2)并聯(lián)連接這些傳感器，3)將電荷從這些傳感器轉移到參考電容器Cref，4)將參考電容器CMf上的電荷轉換成感測電壓Vsmse,以及5)將感測電壓Vsense存儲在觸摸屏控制器中，以便創(chuàng)建線性方程，在該線性方程中，可以使用稀疏激活壓縮感測來確定任何傳感器的電容變化。
[0021]線性方程以及稀疏激活壓縮感測以及本發(fā)明的其它實施例稍后將在本說明書中更加詳細地論述。
[0022]圖1說明電容式觸摸屏100上的傳感器112以及電容式觸摸屏100上的電容。兩層銦錫二氧化物(ITO)電極102和104被覆蓋在IXD屏幕108上。一層電介質材料(例如，塑料或派熱克斯玻璃)106位于兩層電極102和104之間。
[0023]考慮如圖2中所示的具有M行電極RE [O]到RE [M-1]以及N列電極CE [O]至IjCE [N-1]的電容式觸摸屏。圖2中示出的電容式觸摸屏具有MXN個電容傳感器Su到
(節(jié)點)，其中每個傳感器在每列和每行行電極的交叉點處具有寄生電容C ,每列和每行電極的交叉點在圖2中用虛線正方形表示。在列和行電極的交叉點處，電極不直接連接(即，它們不彼此短路)?？拷鼈鞲衅鞯氖种?10 (可以使用除手指之外的其它物體，例如觸筆)將電場的一部分分流到地，這相當于添加了與己并聯(lián)的電容AC。因此，節(jié)點上的感測電容變成:
[0024]方程I): C= C+ AC
[0025]電容式觸摸屏200上的每個傳感器Sc^ci到^1]可以被視為圖像中的像素。在從C中測定出?之后，每個節(jié)點上剩余的Λ C有效地構成與電容式觸摸屏200進行的觸摸或接觸的二維圖像。觸摸可以被檢測為圖像中的峰值，其具有如反映在峰值的形狀中諸如手指大小、形狀、定向以及壓力等特性。當相對于電容式觸摸屏上的傳感器的數(shù)目存在很少的數(shù)目的手指時，圖像被認為是稀疏的。作為圖像是稀疏的結果，可以使用稀疏激活壓縮感測技術來確定諸如手指的物體位于電容式觸摸屏上的何處。
[0026]圖3是兩個手指與電容式觸摸屏進行接觸產生的傳感器上的電容變化的曲線圖。圖3說明傳感器的電容在與兩個手指接觸的地方(即，主動節(jié)點)發(fā)生變化。在此示例中，未觸摸的傳感器(即，非主動節(jié)點)的數(shù)目充分大于被觸摸的傳感器(即，主動節(jié)點)的數(shù)目。因為電容式觸摸屏上的同時觸摸是稀疏的，所以可以減少感測觸摸的復雜度同時保持檢測以及定位的精確度。
[0027]圖4A到圖4C是電荷轉移技術的示意圖。如圖4A到圖4C中所示，電荷轉移在兩個階段中實現(xiàn):預充電階段和轉移階段。在如圖4A中所示的預充電階段中，電容器C利用已知電壓源Vfcive來充電，使得在穩(wěn)定狀態(tài)中，電荷Q等于Q = (VtoivJC),如圖4B中所示。在轉移階段中，圖4C中，參考電容器CMf與C并聯(lián)連接，使得C上的電荷被轉移到CMf上。Cref上的電壓是Vs.。根據(jù)總電荷守恒定律，我們有:
[0028]方程2):Vdrive*C = Vsense (C+Cref)；
[0029]該方程可以重新排列為:
[0030]方程3) =Vsense=C/ (C+Cref) *Vdrive。
[0031]在此情況下，因為Cm >> C，我們有:
[0032]方程4) =Vsense = (C/Cref) ^Vdrive
[0033]方程4使得有可能按照驅動電壓Vwve、感測電壓Vs.與參考電容CMf之間的比例關系來估算傳感器的電容C。在本發(fā)明的此實施例中，使用此關系以及其它關系來確定在電容式觸摸屏上的何處進行接觸。
[0034]圖5不出使用電荷轉移來確定傳感器的電容的替代方法。運算放大器502被使用并且Vsmse的極性被倒轉。使用電荷轉移來確定傳感器的電容的該方法還提供了驅動電壓Vtfcive、感測電壓Vsense與電容C之間的比例關系:
[0035]方程5) =Vsense = gCVdrive ;其中 g 是常數(shù)。
[0036]圖6是用于確定物體與電容式觸摸屏602進行接觸的位置的設備的示意圖。在此實施例中，在預充電階段期間，電壓驅動器VD[O]到VD[M-1]通過行電極RE[0]到RE[M_1]將在選自列C[0]到CE[N-1]中的單個列η中的每個傳感器S驅動至不同電壓。在此實施例中，列η中的每個傳感器S通過將行電極RE [O]到RE[M-1]驅動至正電壓Vtoive來充電，同時列電極C[O]到CE[N-1]接地。然而，在其它實施例中，列電極C[O]到CE[N-1]可以被驅動至非零電壓。
[0037]在轉移階段，所選擇的列η中的所有傳感器被并聯(lián)連接并且在所選擇的列η中的所有傳感器上積累的電荷被轉移到參考電容器Cref上以誘導感測電壓Vsense。電容-電壓轉換器604可以使用圖4A到4C、圖5中示出的技術或所屬領域中已知的其它技術來將電容轉換成感測電壓Vsmse。感測電壓Vsmse被存儲在觸摸屏控制器606中，該感測電壓稍后在觸摸屏控制器606中使用。
[0038]預充電階段以及轉移階段被重復K次，每次借助不同的一組電壓。在第k(k = O,L2...K-1)次預充電階段期間，針對列n，在行m處的驅動電壓是V1^1。感測電壓等于:

【權利要求】
1.一種確定所激活的傳感器位于交互屏幕上何處的非暫時性機器實施的方法，其包括: 第一步驟，所述第一步驟包括: 將初始狀態(tài)施加到N個傳感器的群組中的每個傳感器；其中所述N個傳感器的狀態(tài)是所述初始狀態(tài)以及它們感測的交互的函數(shù)； 將來自所述N個傳感器的輸出合并成單個狀態(tài)； 存儲所述單個狀態(tài)； 第二步驟，所述第二步驟包括: 重復所述第一步驟K次；其中所述K的值充分小于傳感器的數(shù)目N ； 第三步驟，所述第三步驟包括: 使用K個所存儲的狀態(tài)以及稀疏激活壓縮感測來確定傳感器在所述交互屏幕上被激活的位置。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所述N個傳感器的群被組布置成列或網格。
3.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所感測的所述交互是觸摸。
4.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所述傳感器被用來測量電容。
5.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所述初始狀態(tài)經選擇以簡化所述稀疏激活壓縮感測算法。
6.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所述稀疏激活壓縮感測是線性優(yōu)化/凸優(yōu)化或貪婪算法。
7.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中稀疏基用在所述稀疏激活壓縮感測中。
8.根據(jù)權利要求7所述的方法，其中所述稀疏基選自由DFT、DCT、小波以及曲波組成的群組。
9.根據(jù)權利要求4所述的方法，其中所述交互屏幕是電容式觸摸屏；其中將初始狀態(tài)施加到N個傳感器的群組中的每個傳感器上包括:將所述N個傳感器的群組中的每個傳感器預充電至不同電壓Vn ； 其中將來自所述N個傳感器的輸出合并成單個狀態(tài)包括: 以并聯(lián)方式電氣連接所有N個傳感器； 將來自并聯(lián)連接的所有N個傳感器的電荷轉移到參考電容器CMf ;將轉移到所述參考電容器CMf的電荷轉換成感測電壓Vsense ;其中所述感測電壓Vsense等于所述單個狀態(tài)； 其中使用K個所存儲的狀態(tài)以及稀疏激活壓縮感測來確定傳感器在所述交互屏幕上被激活的位置包括: 通過使用稀疏激活壓縮感測來求解方程而確定在所述N個傳感器的列中的每個傳感器的電容Cn，所述方程通過下式給出:vn = φηεη ； 其中

并且其中Cm，n是在行m以及列n的交叉點處的傳感器的節(jié)點電容；其中m = (O，1...，M-1);以及 其中所述電容式觸摸屏上的所激活的傳感器位于傳感器的電容Cm，n與所述電容式觸摸屏上未激活的傳感器的電容不同的位置處。
10.根據(jù)權利要求9所述的非暫時性機器實施的方法，其中所述列中所述N個傳感器的寄生電容通過下式給出:
= ? (,ο# ' - Om~ ? 其中傳感器處電容的變化通過下式給出:
Δ<?[( 二 Ln — Cri 其中Λ Cn的非零值的數(shù)目充分少于所述N個傳感器的數(shù)目； 其中經測定電壓V:等于:
= Φη 厶 Cn + en 其中en是測定誤差； 其中λ Cn通過解出以下方程來確定: min| I AcnI I 使得 \ - ^nAcii (I < € 其中八(；具有稀疏度8，其中1( = 0(8*1呢(1/8))。
11.一種用于確定在交互屏幕上所激活的傳感器位于何處的設備，其包含: 第一電子電路，其中所述第一電子電路將初始狀態(tài)施加到N個傳感器的群組中的每個傳感器；其中所述N個傳感器的狀態(tài)是所述初始狀態(tài)以及它們感測的交互的函數(shù)； 第二電子電路，其中所述第二電子電路將來自所述N個傳感器的輸出總計成單個狀態(tài)并且存儲所述單個狀態(tài)； 第三電子電路，其中所述第三電子電路控制所述第一電子電路以及所述第二電子電路，使得將所述N個傳感器驅動至初始狀態(tài)K次并且將所述單個狀態(tài)存儲K次；其中所述K的值充分小于傳感器的數(shù)目N ； 其中所述第三電子電路使用K個所存儲的單個狀態(tài)以及稀疏激活壓縮感測來確定傳感器在所述交互屏幕上被激活的位置。
12.根據(jù)權利要求11所述的設備，其中所述N個傳感器的群組布置成列或網格。
13.根據(jù)權利要求11所述的設備，其中所感測的所述交互是觸摸。
14.根據(jù)權利要求11所述的設備，其中所述傳感器被用來測量電容。
15.根據(jù)權利要求11所述的設備，其中所述初始狀態(tài)經選擇以簡化所述稀疏激活壓縮感測算法。
16.根據(jù)權利要求11所述的設備，其中所述稀疏激活壓縮感測是線性優(yōu)化/凸優(yōu)化或貪婪算法。
17.根據(jù)權利要求11所述的設備，其中稀疏基被用在所述稀疏激活壓縮感測中。
18.根據(jù)權利要求17所述的設備，其中所述稀疏基選自由DFT、DCT、小波以及曲波組成的群組。
【文檔編號】G06F3/044GK104169843SQ201380013927
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2013年3月28日 優(yōu)先權日:2012年3月28日
【發(fā)明者】C·羅, M·A·博卡, A·J·雷德芬 申請人:德克薩斯儀器股份有限公司