專利名稱：一種光學(xué)成像轉(zhuǎn)換模塊、對象控制系統(tǒng)和控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于空間對象控制技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種對象控制裝置、系統(tǒng)及其控制方法， 尤其是一種適用于二維或三維空間對象且具有通用性人機(jī)界面的光學(xué)成像轉(zhuǎn)換模塊、對象 控制系統(tǒng)和控制方法。
背景技術(shù)：
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，為了實(shí)現(xiàn)人與計(jì)算機(jī)之間的信息交換獲得更大的帶寬， 80年代發(fā)展起來的圖形用戶界面(GUI)技術(shù)廣泛普及，實(shí)現(xiàn)了從一維(文本)人機(jī)交互形 式向二維(圖形)人機(jī)交互形式的過渡。隨著人們對新型高效人機(jī)交互形式的追求和探索， 三維空間交互技術(shù)日益受到重視。CAD/CAM、CAI、可視化廣告、藝術(shù)等眾多應(yīng)用領(lǐng)域都迫切 需要三維圖形用戶界面和三維空間交互技術(shù)，即使一些本身并非三維性質(zhì)甚至非幾何性質(zhì) 的數(shù)據(jù)顯示(如人事檔案)也使用三維形式，以充分發(fā)揮人對三維空間的感知能力。CAD/ CAM技術(shù)的發(fā)展更是強(qiáng)烈而明顯地顯示了這種趨勢，產(chǎn)品建模和造型便是處于一個完全的 三維圖形環(huán)境，甚至從最初的概念設(shè)計(jì)直到最終的產(chǎn)品成形始終在這樣的環(huán)境進(jìn)行。而近 年興起的可視化、多通道交互和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等則可以認(rèn)為是建立于三維空間交互技術(shù)的 基石出上。三維空間交互技術(shù)的研究主要包括兩個方面一是三維圖形顯示技術(shù)，二是三維 空間控制技術(shù)。現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基本解決了三維圖形顯示的各種技術(shù)問題；例如高性 能圖形工作站，它能夠滿足一般應(yīng)用中三維圖形實(shí)時動態(tài)顯示的要求?，F(xiàn)階段，一種基于新 型顯示原理的頭盔顯示器等立體圖形顯示設(shè)備也已經(jīng)研究成功。相比之下，三維空間控制 技術(shù)遠(yuǎn)比三維圖形顯示技術(shù)復(fù)雜和困難，有關(guān)研究工作和設(shè)備研制也更為落后。常見的三維控制裝置有數(shù)據(jù)手套(Data Glove)、跟蹤球(Space Ball)、三維探 針(3D Probers)、三維鼠標(biāo)器(3D Mouse)和三維操作桿(3D Joystick)等等，目前這些 設(shè)備多應(yīng)用于虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。根據(jù)硬件配置不同，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)可以分為桌面系統(tǒng)和臨境 (immersive)系統(tǒng)。桌面VR系統(tǒng)基于PC，采用CRT顯示器和立體顯示技術(shù)，所以也稱為窗 口中的虛擬現(xiàn)實(shí)；控制設(shè)備采用二或六自由度鼠標(biāo)器，通常應(yīng)用于CAD等應(yīng)用系統(tǒng)。臨境VR 系統(tǒng)基于高性能工作站，利用頭盔顯示器和數(shù)據(jù)手套等專用設(shè)備將用戶與計(jì)算機(jī)的交互活 動“封閉起來，使用戶產(chǎn)生一種身臨其境的感受，但這類系統(tǒng)的技術(shù)復(fù)雜性、應(yīng)用范圍和成 本都大不相同。人們在利用電腦模擬產(chǎn)生一個三維空間的虛擬世界，提供使用者關(guān)于視覺、聽覺、 觸覺等感官的模擬，讓使用者如同身歷其境一般，可以及時、沒有限制地觀察三維空間內(nèi)的 事物。卻忽視了一個問題現(xiàn)實(shí)世界就是三維立體空間，所有的物體都是三維對象，現(xiàn)有的 三維對象操控技術(shù)將虛擬對象和實(shí)際對象區(qū)分對待，使用不同方式實(shí)現(xiàn)控制；即便是虛擬 三維空間和現(xiàn)實(shí)三維空間內(nèi)部對于同類對象的控制方式也存在著差異，比如現(xiàn)實(shí)社會中汽 車、挖掘機(jī)、塔吊等，控制原理基本相似，都由方向盤等基本組件實(shí)現(xiàn)控制，但是為實(shí)現(xiàn)這些 不同的控制必須去學(xué)習(xí)。不同的控制方式增加學(xué)習(xí)的成本和控制的難度以及降低了機(jī)器間信息交互能力。在二維空間對象領(lǐng)域，計(jì)算機(jī)屏幕、電視和其他二維表面通常用于顯示2D可視內(nèi) 容，例如，文字頁面、圖像、視頻等，也存在控制方式的不統(tǒng)一，比如電視遙控器和鼠標(biāo)，雖然 實(shí)現(xiàn)的類似對象的控制，上年齡的人會用遙控器但是不一定會用鼠標(biāo)，即技術(shù)間的隔閡增 加了學(xué)習(xí)的難度、技術(shù)運(yùn)用的普及度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種光學(xué)成像轉(zhuǎn)換模塊、對象 控制系統(tǒng)和控制方法，該對象控制系統(tǒng)采用光學(xué)系統(tǒng)投影原理，能夠消除虛擬現(xiàn)實(shí)三維空 間對象和現(xiàn)實(shí)三維空間對象控制裝置的差異，以及各二維或三維空間內(nèi)部不同對象控制裝 置的差異，提高通用性并降低人們控制和學(xué)習(xí)的難度。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來解決的這種光學(xué)成像轉(zhuǎn)換模塊，包括光學(xué)成像裝置以及與該光學(xué)成像裝置連接的光電傳 感子模塊，所述光學(xué)成像裝置包括筒式成像密封倉、人機(jī)界面板和透鏡組；所述光電傳感子 模塊包括圖像傳感器和傳感器控制處理電路；所述透鏡組、圖像傳感器和人機(jī)界面板均固 定設(shè)于成像密封倉內(nèi)，所述人機(jī)界面板和圖像傳感器分設(shè)于透鏡組的兩側(cè)，所述成像密封 倉在靠近人機(jī)界面板的位置還設(shè)有補(bǔ)償光源；所述人機(jī)界面板上的影像透過透鏡組由圖像 傳感器接收，所述圖像傳感器將接收的光信號轉(zhuǎn)換成電信號傳送給傳感器控制處理電路， 所述傳感器控制處理電路控制圖像傳感器按照一定的采樣周期完成人機(jī)界面板上影像的 采集及將傳感器傳遞出的信號處理形成數(shù)字圖像作為光學(xué)成像轉(zhuǎn)換模塊的輸出信號。根據(jù)上述的基本結(jié)構(gòu)，本發(fā)明提出第一種方案為人機(jī)界面板設(shè)于成像密封倉的 上端開口處，所述補(bǔ)償光源是可見光源或不可見光源，補(bǔ)償光源設(shè)于人機(jī)界面板上方的成 像密封倉的敞口位置，所述人機(jī)界面板是一矩形透明板，人機(jī)界面板上端面的四周設(shè)有一 圈凸起邊框，在凸起邊框內(nèi)于透明板的兩側(cè)和下部分別設(shè)有第一至三直線型凹槽，所述第 一至三直線型凹槽的兩端分別設(shè)有矩形的移動終止?？繅K，所述透明板的上部還排列有一 列按鍵凸起，所述透明板的中部設(shè)有一組旋轉(zhuǎn)凹槽組，所述旋轉(zhuǎn)凹槽組包括多個同心環(huán)形 凹槽。上述旋轉(zhuǎn)凹槽組包括有三個同心環(huán)形凹槽，分別是圓環(huán)形凹槽、第一橢圓環(huán)形凹 槽和第二橢圓環(huán)形凹槽，所述透明板的中心位置還設(shè)有一圓形書寫輸入?yún)^(qū)，所述第一橢圓 環(huán)形凹槽和第二橢圓環(huán)形凹槽的長軸相互垂直；在所述圓環(huán)形凹槽的外部區(qū)域、于第一至 三直線型凹槽圍成的方形區(qū)域的四角設(shè)有帶弧形邊楔體；在所述圓環(huán)形凹槽的內(nèi)部區(qū)域， 由第一橢圓環(huán)形凹槽和第二橢圓環(huán)形凹槽分隔成第一至八異型凸起按鍵。上述旋轉(zhuǎn)凹槽組包括有兩個同心圓環(huán)形凹槽，該兩個同心圓環(huán)形凹槽的之間和兩 側(cè)分別設(shè)有三個圓環(huán)凸起，所述兩個同心圓環(huán)形凹槽的內(nèi)圈區(qū)域?yàn)閳A形書寫輸入?yún)^(qū)。進(jìn)一步的，上述第一至三直線型凹槽的底面是光滑的平面或者是設(shè)有基準(zhǔn)刻度線 的底面，所述旋轉(zhuǎn)凹槽組的多個同心環(huán)形凹槽的槽底是光滑的平面或者是設(shè)有基準(zhǔn)刻度線 的底面。本發(fā)明提出的另一種方案為所述人機(jī)界面板是一塊設(shè)于成像密封倉上端開口處 的圓形透明板，該圓形透明板上端面的外圈區(qū)域設(shè)有三個同心的圓環(huán)形凹槽，該三個圓環(huán)形凹槽之間分別設(shè)有圓環(huán)凸起，處于外圈的圓環(huán)形凹槽外沿也設(shè)有圓環(huán)凸起，所述透明板 的中心區(qū)域設(shè)有圍成矩形的四條直線型凹槽，各直線型凹槽的兩端均設(shè)有矩形的移動終止 停靠塊，四條直線型凹槽圍成的矩形區(qū)域?yàn)闀鴮戄斎雲(yún)^(qū)，所述矩形區(qū)域的四角各設(shè)有一按 鍵功能方塊；所述圓環(huán)形凹槽的底面為光滑平面或者是帶有基準(zhǔn)刻度的平面；所述直線型 凹槽的底面為光滑平面或者是帶有基準(zhǔn)刻度的平面；所述矩形區(qū)域的底面是光滑平面或者 帶有基準(zhǔn)刻度的平面。基于以上所述的光學(xué)成像轉(zhuǎn)換模塊，本發(fā)明提出一種對象控制系統(tǒng)，包括光學(xué)成 像轉(zhuǎn)換模塊、圖像比對處理模塊、信號編碼發(fā)送模塊和信號接受及指令響應(yīng)模塊；所述圖像 比對處理模塊的輸入端連接光學(xué)成像轉(zhuǎn)換模塊，所述圖像比對處理模塊的輸出端連接有信 號編碼發(fā)送模塊；所述信號編碼發(fā)送模塊的輸出端連接信號接受及指令響應(yīng)模塊。所述圖像比對處理模塊包括微處理器/微控制器和存儲器；所述存儲器存儲各個 采樣周期內(nèi)來自光學(xué)成像轉(zhuǎn)換模塊中人機(jī)界面板的圖像以及人機(jī)界面板的初始界面圖像 和設(shè)定操作。所述信號編碼發(fā)送模塊包括相互連接的信號編碼器和數(shù)據(jù)接口單元；所述信號編 碼器的輸入端連接到圖像比對模塊的輸出端；所述信號編碼器根據(jù)圖像比對處理模塊傳送 的被控制對象的操作指令完成信號編碼；所述數(shù)據(jù)接口單元通過有線或者無線方式將信號 發(fā)送出去給信號接受及指令響應(yīng)模塊。所述信號接受及指令響應(yīng)模塊包括信號接收單元和指令響應(yīng)單元；所述信號接收 單元通過有線或者無線方式獲得信號編碼發(fā)送模塊的指令，并進(jìn)行身份識別，解碼和糾錯 后將信號傳送給指令響應(yīng)單元，所述指令響應(yīng)單元根據(jù)解碼后的信號實(shí)現(xiàn)對二維或三維對 象的控制。基于上述對象控制系統(tǒng)，本發(fā)明還提出一種控制方法，具體如下1)首先在所述圖像比對模塊中的存儲器中存儲人機(jī)界面板的初始界面圖像信息 以及對應(yīng)所述人機(jī)界面板上各功能區(qū)域所代表的設(shè)定操作信息；2)用戶利用手指或光電筆在人機(jī)界面板的上點(diǎn)擊或觸摸滑動，該動作使手指或光 電筆在人機(jī)界面板上形成投影或者投影的連續(xù)運(yùn)動軌跡，人機(jī)界面板連同手指或光電筆投 射的影像或影像軌跡被透鏡模塊收集并投射到圖像傳感器上，圖像傳感器利用其內(nèi)部的光 電轉(zhuǎn)換器件將光信號轉(zhuǎn)換成電信號傳送給傳感器控制處理電路，傳感器控制處理電路控制 圖像傳感器按照采樣周期完成人機(jī)界面板上影像的采集及將傳感器傳遞出的信號處理形 成數(shù)字圖像傳送給圖像比對處理模塊；3)當(dāng)所述圖像比對模塊首次接收到由光學(xué)成像轉(zhuǎn)換模塊中的傳感器控制處理電 路傳送的第一個采樣周期的影像信息后，所述存儲器實(shí)時存儲第一個采樣周期的影像信 息，所述微處理器/微控制器將該影像信息與存儲器中存儲的人機(jī)界面板的初始界面圖像 信息進(jìn)行比對，找出兩者的影像變化動作，并依據(jù)該影像變化動作查找存儲在存儲器中相 應(yīng)的設(shè)定操作信息，將查找到的設(shè)定操作信息翻譯成被控制對象的控制指令傳送給信號編 碼發(fā)送模塊；以此循環(huán)，所述微處理器/微控制器將由傳感器控制處理電路傳送的每個采 樣周期的影像信息與存儲器中存儲的上一采樣周期的影像信息進(jìn)行對比，生成被控制對象 的控制指令并傳遞給信號編碼發(fā)送模塊；4)所述信號編碼發(fā)送模塊中的信號編碼器根據(jù)對微處理器/微控制器傳送的被控制對象的控制指令進(jìn)行編碼和身份加密后由數(shù)據(jù)接口單元通過有線或無線方式將指令 信號發(fā)送給信號接受及指令響應(yīng)模塊；5)所述信號接受及指令響應(yīng)模塊的信號接收單元接收到信號編碼發(fā)送模塊的指 令信息后，進(jìn)行身份識別、解碼和糾錯，并將處理后指令信號傳送給指令響應(yīng)單元，所述指 令響應(yīng)單元根據(jù)解碼后的指令信息實(shí)現(xiàn)對二維或三維對象的控制。本發(fā)明具有以下有益效果本發(fā)明提供了統(tǒng)一的人機(jī)界面和控制系統(tǒng)，用戶使用相同的控制系統(tǒng)，通過在人 機(jī)界面上的移動或點(diǎn)擊實(shí)現(xiàn)不同對象的控制，整個系統(tǒng)的差異在于對于不同的對象人機(jī)界 面各部分代表的意義不同，以及指令響應(yīng)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)不同，指令響應(yīng)根據(jù)對象的不同分為 電子響應(yīng)和機(jī)械傳動響應(yīng)。電子設(shè)備通過電子命令進(jìn)行控制，機(jī)械裝置通過控制電機(jī)的轉(zhuǎn) 動而實(shí)現(xiàn)機(jī)械的間接控制。


圖1為本發(fā)明的對象控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；圖2為本發(fā)明的方案一結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明的方案二結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明人機(jī)界面板1的方案一結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為圖3中人機(jī)界面板1帶有基準(zhǔn)刻度的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為本發(fā)明人機(jī)界面板1的方案二結(jié)構(gòu)示意圖；圖7為圖5中人機(jī)界面板1帶有基準(zhǔn)刻度的結(jié)構(gòu)示意圖；圖8為本發(fā)明人機(jī)界面板1的方案三結(jié)構(gòu)示意圖；圖9為圖7中人機(jī)界面板1帶有基準(zhǔn)刻度的結(jié)構(gòu)示意圖；圖10為圖4的立體結(jié)構(gòu)圖；圖11為圖6的立體結(jié)構(gòu)圖；圖12為圖9的立體結(jié)構(gòu)圖；圖13為本發(fā)明人手指操作示意圖一；圖14為本發(fā)明人手指操作示意圖二 ；圖15(a) (b)均為手持式對象控制器操作示意圖；其中1為人機(jī)界面板；1. 1為凸起邊框；1. 2為移動終止?？繅K；1. 3為圓環(huán)形凹 槽；1. 4為第一橢圓環(huán)形凹槽；1. 5為第二橢圓環(huán)形凹槽；1. 6為書寫輸入?yún)^(qū)；1. 7為按鍵凸 起；1. 8為圓環(huán)凸起；2為透鏡組；3為圖像傳感器；4為成像密封倉；5為補(bǔ)償光源；6為PCB 面板；7為數(shù)據(jù)線；8為直線型凹槽；9為按鍵功能方塊；10為矩形區(qū)域；11為接觸陰影；12 為手指；13為顯示屏；14為手持式控制器殼體；15為滑動軌跡。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述光學(xué)成像轉(zhuǎn)換模塊本發(fā)明首先提出一種光學(xué)成像轉(zhuǎn)換模塊，參見圖2或圖3，該模塊包括光學(xué)成像裝 置以及與該光學(xué)成像裝置連接的光電傳感子模塊。光學(xué)成像裝置包括筒式成像密封倉4、
7人機(jī)界面板1和透鏡組2。光電傳感子模塊包括圖像傳感器3和傳感器控制處理電路，本 發(fā)明的傳感器控制處理電路承載于圖中所示的PCB面板6上。所述透鏡組2、圖像傳感器3 和人機(jī)界面板1均固定設(shè)于成像密封倉4內(nèi)，人機(jī)界面板1和圖像傳感器3分設(shè)于透鏡組 2的兩側(cè)，成像密封倉4在靠近人機(jī)界面板1的位置還設(shè)有補(bǔ)償光源5。人機(jī)界面板1上的 影像透過透鏡組2由圖像傳感器3接收，圖像傳感器3利用其內(nèi)部的光電轉(zhuǎn)換器件將光信 號轉(zhuǎn)換成電信號傳送給傳感器控制處理電路，傳感器控制處理電路控制圖像傳感器3按照 一定的采樣周期(采樣周期根據(jù)需要定)完成人機(jī)界面板1上影像的采集及將傳感器傳遞 出的信號處理形成數(shù)字圖像作為光學(xué)成像轉(zhuǎn)換模塊的輸出信號。圖2和圖3分別給出本發(fā)明提出的光學(xué)成像轉(zhuǎn)換模塊的兩種形式，其中圖2中所 示的是將人機(jī)界面板1設(shè)于整個模塊的最上部，整個成像密封倉4是一個完全密封的倉體， 透鏡組2、圖像傳感器3和PCB面板6均設(shè)置于成像密封倉4內(nèi)部，人機(jī)界面板1的外側(cè)(即 上端面)是人機(jī)交互的平臺。而圖3中所示的是另一種形式，其成像密封倉4并不是完全 密封，而是只有上方一部分密封，而下方人機(jī)界面板1的側(cè)壁位置需要預(yù)留一人手進(jìn)入的 操作口，在上方的密封部分設(shè)置圖像傳感器3、透鏡組2以及PCB面板的第一部分6. 1，PCB 面板的第二部分6. 2設(shè)置在成像密封倉4的外部，整個成像密封倉4的外部包裹另一層外 殼4. 1，可以將PCB面板的第二部分6. 2固定在外殼4. 1上，傳感器控制處理電路可以分別 布置于PCB面板的第一部分6. 1和第二部分6. 2上，可以將補(bǔ)償光源5設(shè)置在PCB面板的 第二部分6. 2上，使其伸入至成像密封倉4的下部。該種形式中人機(jī)界面板1的人機(jī)交互 界面設(shè)置在成像密封倉4內(nèi)，需要人手由操作口伸入至人機(jī)界面板1的上方操作。以上本發(fā)明提到的人機(jī)界面板1具有多種結(jié)構(gòu)形式，以下結(jié)合附圖具體介紹本發(fā) 明人機(jī)界面板1的幾種結(jié)構(gòu)形式矩形透明板的人機(jī)界面板1參見圖4-圖7，上述的人機(jī)界面板1設(shè)于成像密封倉4的上端開口處，補(bǔ)償光源5 是LED燈，補(bǔ)償光源5設(shè)于人機(jī)界面板1上方的成像密封倉4的敞口位置(如圖2所示)， 該種人機(jī)界面板1都具有以下的基本結(jié)構(gòu)該種人機(jī)界面板1是一矩形透明板，人機(jī)界面板1上端面的四周設(shè)有一圈凸起邊框 1. 1，在凸起邊框1. 1內(nèi)于透明板的兩側(cè)和下部分別設(shè)有第一至三直線型凹槽X、Y、Z，第一至 三直線型凹槽X、Y、Z的兩端分別設(shè)有矩形的移動終止?？繅K1. 2，透明板的上部還排列有一 列按鍵凸起1. 7，透明板的中部設(shè)有一組旋轉(zhuǎn)凹槽組，旋轉(zhuǎn)凹槽組包括多個同心環(huán)形凹槽?；谏鲜龅娜藱C(jī)界面板1的基本結(jié)構(gòu)，參見圖4，旋轉(zhuǎn)凹槽組包括有三個同心環(huán)形 凹槽，分別是圓環(huán)形凹槽1. 3、第一橢圓環(huán)形凹槽1. 4和第二橢圓環(huán)形凹槽1. 5，透明板(即 透明的人機(jī)界面板1)的中心位置還設(shè)有一圓形書寫輸入?yún)^(qū)1. 6，第一橢圓環(huán)形凹槽1. 4和 第二橢圓環(huán)形凹槽1. 5的長軸相互垂直；在圓環(huán)形凹槽1. 3的外部區(qū)域、于第一至三直線型 凹槽X、Y、Z圍成的方形區(qū)域的四角設(shè)有帶弧形邊楔體Al ；在所述圓環(huán)形凹槽1. 3的內(nèi)部區(qū) 域，由第一橢圓環(huán)形凹槽1. 4和第二橢圓環(huán)形凹槽1. 5分割形成第一至八異型凸起按鍵Α2、 Α3、Α4、Α5、Α6、Α7、Α8、Α9。圖10是圖4中所示的人機(jī)界面板1的立體結(jié)構(gòu)示意圖，該圖更 能直觀表示該種人機(jī)界面板的結(jié)構(gòu)。上述第一至三直線型凹槽X、Y、Z的底面是光滑的平面或者是設(shè)有基準(zhǔn)刻度線的 底面，所述旋轉(zhuǎn)凹槽組的多個同心環(huán)形凹槽的槽底是光滑的平面或者是設(shè)有基準(zhǔn)刻度線的底面。帶有基準(zhǔn)刻度線的人機(jī)界面板1如圖5所示，圖中所示的人機(jī)界面板1的基本機(jī)構(gòu) 與圖4相同。參見圖6，圖中所示的人機(jī)界面板1是基于圖4或圖5的基本結(jié)構(gòu)而不同于其細(xì)節(jié) 結(jié)構(gòu)的另一種結(jié)構(gòu)形式，其中旋轉(zhuǎn)凹槽組包括有兩個同心圓環(huán)形凹槽1. 3，該兩個同心圓環(huán) 形凹槽1. 3的之間和兩側(cè)分別設(shè)有三個圓環(huán)凸起1. 8，所述兩個同心圓環(huán)形凹槽1. 3的內(nèi) 圈區(qū)域?yàn)閳A形書寫輸入?yún)^(qū)1. 6。圖7是與圖6結(jié)構(gòu)相同而帶有基準(zhǔn)刻度線的人機(jī)界面板1。 圖11是圖6所示人機(jī)界面板1的立體結(jié)構(gòu)示意圖。圓形透明板的人機(jī)界面板1參見圖8或圖9，本發(fā)明提出另一種基本結(jié)構(gòu)完全不同于上述人機(jī)界面板1的結(jié)構(gòu) 形式，即人機(jī)界面板1是一塊設(shè)于成像密封倉4上端開口處的圓形透明板，該圓形透明板上 端面的外圈區(qū)域設(shè)有三個同心的圓環(huán)形凹槽1. 3，該三個圓環(huán)形凹槽1. 3之間分別設(shè)有圓 環(huán)凸起1. 8，處于外圈的圓環(huán)形凹槽1. 3外沿也設(shè)有圓環(huán)凸起1. 8，透明板的中心區(qū)域設(shè)有 圍成矩形的四條直線型凹槽8，各直線型凹槽8的兩端均設(shè)有矩形的移動終止?？繅K1. 2， 四條直線型凹槽8圍成的矩形區(qū)域10為書寫輸入?yún)^(qū)，矩形區(qū)域10的四角各設(shè)有一按鍵功 能方塊9 ；圓環(huán)形凹槽1. 3的底面為光滑平面或者是帶有基準(zhǔn)刻度的平面；直線型凹槽8的 底面為光滑平面(如圖8)或者是帶有基準(zhǔn)刻度(如圖9)的平面；矩形區(qū)域10的底面是光 滑平面(如圖8)或者帶有基準(zhǔn)刻度的平面(如圖9)。圖12是圖9所示的帶有基準(zhǔn)刻度線 的人機(jī)界面板1的立體結(jié)構(gòu)示意圖。本發(fā)明人機(jī)界面板1的工作原理如下以圖9中所示的人機(jī)界面板1結(jié)構(gòu)為例，如圖13，當(dāng)人手指12按在按鍵凸起1. 7 上時，在手指12與按鍵凸起1. 7上面接觸的位置會出現(xiàn)接觸陰影11，或者人手指12在人 機(jī)界面板1的各種凹槽(第一至三直線型凹槽X、Y、Z或者多個同心環(huán)形凹槽等)中滑動， 人手指12與凹槽底部接觸的部分也同樣會形成接觸陰影11 (如圖14所示)，整個人機(jī)界 面板1連同接觸陰影11的影像經(jīng)過透鏡組2后由圖像傳感器3接收。本發(fā)明中，當(dāng)人手指 12在凹槽中滑動時，圖像傳感器3及傳感器控制處理電路實(shí)時將光信號轉(zhuǎn)換成電信號形成 數(shù)字圖形，微處理器/微控制器將數(shù)字圖像與人機(jī)界面板上的影像信息對比判斷，可以識 別出手指12在凹槽中的滑動軌跡15，如圖15(a)至圖15 (b)，這樣可以根據(jù)滑動軌跡和滑 動快慢來指代控制對象的相對應(yīng)的響應(yīng)動作。基于以上的光學(xué)成像轉(zhuǎn)換模塊，本發(fā)明以下提出一種對象控制系統(tǒng)參見圖1，這種對象控制系統(tǒng)，包括光學(xué)成像轉(zhuǎn)換模塊、圖像比對處理模塊、信號編 碼發(fā)送模塊和信號接受及指令響應(yīng)模塊；所述圖像比對處理模塊的輸入端連接光學(xué)成像轉(zhuǎn) 換模塊；所述圖像比對處理模塊的輸出端連接信號編碼發(fā)送模塊；所述信號編碼發(fā)送模塊 的輸出端連接信號接受及指令響應(yīng)模塊。所述圖像比對處理模塊包括微處理器/微控制器和存儲器；所述存儲器存儲各個 采樣周期內(nèi)來自光學(xué)成像轉(zhuǎn)換模塊中人機(jī)界面板1的圖像以及人機(jī)界面板1的初始界面圖 像和設(shè)定操作；所述信號編碼發(fā)送模塊包括相互連接的信號編碼器和數(shù)據(jù)接口單元；所述信號編 碼器的輸入端連接到圖像比對模塊的輸出端；所述信號編碼器的輸入端連接到圖像比對模 塊的輸出端；所述信號編碼器根據(jù)圖像比對處理模塊傳送的被控制對象的操作指令、身份
9識別信息以及編碼規(guī)則完成信號編碼；所述數(shù)據(jù)接口單元通過有線或者無線方式將信號發(fā) 送出去給信號接受及指令響應(yīng)模塊；所述信號接受及指令響應(yīng)模塊包括信號接收單元和指令響應(yīng)單元；所述信號接收 單元通過有線或者無線方式獲得信號編碼發(fā)送模塊的指令，并進(jìn)行身份識別，解碼和糾錯 后將信號傳送給指令響應(yīng)單元，所述指令響應(yīng)單元根據(jù)解碼后的信號實(shí)現(xiàn)對二維或三維對 象的控制?；谏鲜隹刂葡到y(tǒng)，以下介紹本發(fā)明的具體控制方法1)首先在所述圖像比對模塊中的存儲器中存儲人機(jī)界面板1的初始界面圖像信 息以及對應(yīng)所述人機(jī)界面板1上各功能區(qū)域所代表的設(shè)定操作信息；所述設(shè)定操作信息是 指人機(jī)界面板1各部分的影像變化動作所指代的被控對象相應(yīng)運(yùn)動信息；2)用戶利用手指或光電筆在人機(jī)界面板1的上點(diǎn)擊或觸摸滑動，該動作使手指或 光電筆在人機(jī)界面板1上形成投影或者投影的連續(xù)運(yùn)動軌跡，人機(jī)界面板1連同手指或光 電筆投射的影像或影像軌跡被透鏡模塊收集并投射到圖像傳感器3上，圖像傳感器3利用 其內(nèi)部的光電轉(zhuǎn)換器件將光信號轉(zhuǎn)換成電信號傳送給傳感器控制處理電路，傳感器控制處 理電路控制圖像傳感器3按照一定的采樣周期完成人機(jī)界面板1上影像的采集及將傳感器 傳遞出的信號處理形成數(shù)字圖像傳送給圖像比對處理模塊；3)當(dāng)所述圖像比對模塊首次接收到由光學(xué)成像轉(zhuǎn)換模塊中的傳感器控制處理電 路傳送的第一個采樣周期的影像信息后，所述存儲器實(shí)時存儲第一個采樣周期的影像信 息，所述微處理器/微控制器將該影像信息與存儲器中存儲的人機(jī)界面板1的初始界面圖 像信息進(jìn)行比對，找出兩者的影像變化動作，并依據(jù)該影像變化動作查找存儲在存儲器中 相應(yīng)的設(shè)定操作信息，將查找到的設(shè)定操作信息翻譯成被控制對象的控制指令傳送給信號 編碼發(fā)送模塊；以此循環(huán)，所述微處理器/微控制器將由傳感器控制處理電路傳送的每個 采樣周期的影像信息與存儲器中存儲的上一采樣周期的影像信息進(jìn)行對比，生成被控制對 象的控制指令并傳遞給信號編碼發(fā)送模塊；4)所述信號編碼發(fā)送模塊中的信號編碼器根據(jù)對微處理器/微控制器傳送的被 控制對象的控制指令進(jìn)行編碼和身份加密后由數(shù)據(jù)接口單元通過有線或無線方式將指令 信號發(fā)送給信號接受及指令響應(yīng)模塊；5)所述信號接受及指令響應(yīng)模塊的信號接收單元接收到信號編碼發(fā)送模塊的指 令信息后，進(jìn)行身份識別、解碼和糾錯，并將處理后指令信號傳送給指令響應(yīng)單元，所述指 令響應(yīng)單元根據(jù)解碼后的指令信息實(shí)現(xiàn)對二維或三維對象的控制。在實(shí)際應(yīng)用中，可以將對象控制系統(tǒng)嵌入手持型設(shè)備。如圖15(a) (b)所示為一手 持式對象控制器的外形結(jié)構(gòu)示意圖；該控制器在手持式控制器殼體14內(nèi)設(shè)置一對象控制 系統(tǒng)，其中將光學(xué)成像轉(zhuǎn)換模塊設(shè)置在稍下部的位置，圖像顯示模塊中的顯示屏13設(shè)置在 手持式控制器殼體14的上部位置，整個對象控制器類似于手機(jī)或掌上電腦，人一只手12. 1 可以握住控制器下部，用另一只手12. 1在光學(xué)成像轉(zhuǎn)換模塊上的人機(jī)界面板1上操作。本發(fā)明在實(shí)現(xiàn)了二維/三維空間對象控制方式的統(tǒng)一，人們在各自的領(lǐng)域?qū)?shí)現(xiàn) 原有控制系統(tǒng)的升級，對于三維空間對象，在圓形、橢圓形凹槽或凸起上的移動實(shí)現(xiàn)對象三 維的旋轉(zhuǎn)，在直線型凹槽或凸起上的移動實(shí)現(xiàn)對象水平方向上的移動；對于二維空間對象， 凹槽或凸起上的移動實(shí)現(xiàn)某一屬性的控制增加或減少。
權(quán)利要求
一種光學(xué)成像轉(zhuǎn)換模塊，包括光學(xué)成像裝置以及與該光學(xué)成像裝置連接的光電傳感子模塊，其特征在于所述光學(xué)成像裝置包括筒式成像密封倉(4)、人機(jī)界面板(1)和透鏡組(2)；所述光電傳感子模塊包括圖像傳感器(3)和傳感器控制處理電路；所述透鏡組(2)、圖像傳感器(3)和人機(jī)界面板(1)均固定設(shè)于成像密封倉(4)內(nèi)，所述人機(jī)界面板(1)和圖像傳感器(3)分設(shè)于透鏡組(2)的兩側(cè)，所述成像密封倉(4)在靠近人機(jī)界面板(1)的位置還設(shè)有補(bǔ)償光源(5)；所述人機(jī)界面板(1)上分布著各種凹槽和凸起；所述人機(jī)界面板(1)上的影像透過透鏡組(2)由圖像傳感器(3)接收，所述圖像傳感器(3)利用其內(nèi)部的光電轉(zhuǎn)換器件將光信號轉(zhuǎn)換成電信號傳送給傳感器控制處理電路，所述傳感器控制處理電路控制圖像傳感器(3)按照采樣周期完成人機(jī)界面板(1)上影像的采集及將傳感器傳遞出的信號處理形成數(shù)字圖像作為光學(xué)成像轉(zhuǎn)換模塊的輸出信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)成像轉(zhuǎn)換模塊，其特征在于所述人機(jī)界面板(1)設(shè)于 成像密封倉(4)的上端開口處，所述補(bǔ)償光源(5)為可見光源或不可見光源，補(bǔ)償光源(5) 設(shè)于人機(jī)界面板(1)上方的成像密封倉(4)的敞口位置，所述人機(jī)界面板(1)是一矩形透 明板，人機(jī)界面板⑴上端面的四周設(shè)有一圈凸起邊框(11)，在凸起邊框(11)內(nèi)于透明板 的兩側(cè)和下部分別設(shè)有第一至三直線型凹槽(X、Y、Z)，所述第一至三直線型凹槽(X、Y、Z) 的兩端分別設(shè)有矩形的移動終止?？繅K(1. 2)，所述透明板的上部還排列有一列按鍵凸起 (1.7)，所述透明板的中部設(shè)有一組旋轉(zhuǎn)凹槽組，所述旋轉(zhuǎn)凹槽組包括多個同心環(huán)形凹槽。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光學(xué)成像轉(zhuǎn)換模塊，其特征在于所述旋轉(zhuǎn)凹槽組包括有三 個同心環(huán)形凹槽，分別是圓環(huán)形凹槽(1.3)、第一橢圓環(huán)形凹槽(1.4)和第二橢圓環(huán)形凹 槽(1.5)，所述透明板的中心位置還設(shè)有一圓形書寫輸入?yún)^(qū)(1.6)，所述第一橢圓環(huán)形凹槽 (1. 4)和第二橢圓環(huán)形凹槽(1. 5)的長軸相互垂直；在所述圓環(huán)形凹槽(1. 3)的外部區(qū)域、 于第一至三直線型凹槽(X、Y、Z)圍成的方形區(qū)域的四角設(shè)有帶弧形邊楔體(Al)；在所述圓 環(huán)形凹槽(1.3)的內(nèi)部區(qū)域，由第一橢圓環(huán)形凹槽(1.4)和第二橢圓環(huán)形凹槽(1.5)分隔 成第一至八異型凸起按鍵(Α2、A3、Α4、Α5、Α6、Α7、Α8、Α9)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光學(xué)成像轉(zhuǎn)換模塊，其特征在于所述旋轉(zhuǎn)凹槽組包括有兩 個同心圓環(huán)形凹槽(1.3)，該兩個同心圓環(huán)形凹槽(1.3)的之間和兩側(cè)分別設(shè)有三個圓環(huán) 凸起(1.8)，所述兩個同心圓環(huán)形凹槽(1.3)的內(nèi)圈區(qū)域?yàn)閳A形書寫輸入?yún)^(qū)(1.6)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2、3或4所述的光學(xué)成像轉(zhuǎn)換模塊，其特征在于所述第一至三直線 型凹槽(Χ、Υ、Ζ)的底面是光滑的平面或者是設(shè)有基準(zhǔn)刻度線的底面，所述旋轉(zhuǎn)凹槽組的多 個同心環(huán)形凹槽的槽底是光滑的平面或者是設(shè)有基準(zhǔn)刻度線的底面。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)成像轉(zhuǎn)換模塊，其特征在于所述人機(jī)界面板(1)是一 塊設(shè)于成像密封倉(4)上端開口處的圓形透明板，該圓形透明板上端面的外圈區(qū)域設(shè)有三 個同心的圓環(huán)形凹槽(1.3)，該三個圓環(huán)形凹槽(1.3)之間分別設(shè)有圓環(huán)凸起(1.8)，處于 外圈的圓環(huán)形凹槽(1.3)外沿也設(shè)有圓環(huán)凸起(1.8)，所述透明板的中心區(qū)域設(shè)有圍成矩 形的四條直線型凹槽(8)，各直線型凹槽(8)的兩端均設(shè)有矩形的移動終止?？繅K(1.2)， 四條直線型凹槽(8)圍成的矩形區(qū)域(10)為書寫輸入?yún)^(qū)，所述矩形區(qū)域(10)的四角各設(shè) 有一按鍵功能方塊(9)；所述圓環(huán)形凹槽(1.3)的底面為光滑平面或者是帶有基準(zhǔn)刻度的 平面；所述直線型凹槽(8)的底面為光滑平面或者是帶有基準(zhǔn)刻度的平面；所述矩形區(qū)域 (10)的底面是光滑平面或者帶有基準(zhǔn)刻度的平面。
7.一種對象控制系統(tǒng)，其特征在于包括光學(xué)成像轉(zhuǎn)換模塊、圖像比對處理模塊、信號 編碼發(fā)送模塊和信號接受及指令響應(yīng)模塊，所述圖像比對處理模塊的輸入端連接光學(xué)成像 轉(zhuǎn)換模塊；所述圖像比對處理模塊的輸出端連接信號編碼發(fā)送模塊；所述信號編碼發(fā)送模 塊的輸出端連接信號接受及指令響應(yīng)模塊；所述圖像比對處理模塊包括微處理器/微控制器和存儲器；所述存儲器存儲各個采樣 周期內(nèi)來自光學(xué)成像轉(zhuǎn)換模塊中人機(jī)界面板的圖像以及人機(jī)界面板的初始界面圖像和設(shè) 定操作；所述信號編碼發(fā)送模塊包括相互連接的信號編碼器和數(shù)據(jù)接口單元；所述信號編碼器 的輸入端連接到圖像比對模塊的輸出端；所述信號編碼器根據(jù)圖像比對處理模塊傳送的被 控制對象的操作指令完成信號編碼，所述數(shù)據(jù)接口單元通過有線或者無線方式將信號發(fā)送 出去給信號接受及指令響應(yīng)模塊；所述信號接受及指令響應(yīng)模塊包括信號接收單元和指令響應(yīng)單元；所述信號接收單元通 過有線或者無線方式獲得信號編碼發(fā)送模塊的指令，并進(jìn)行身份識別，解碼和糾錯后將信號傳 送給指令響應(yīng)單元，所述指令響應(yīng)單元根據(jù)解碼后的信號實(shí)現(xiàn)對二維或三維對象的控制。
8.一種基于權(quán)利要求7所述對象控制系統(tǒng)的控制方法，其特征在于1)首先在所述圖像比對模塊中的存儲器中存儲人機(jī)界面板(1)的初始界面圖像信息 以及對應(yīng)所述人機(jī)界面板(1)上各功能區(qū)域所代表的設(shè)定操作信息；2)用戶利用手指或光電筆在人機(jī)界面板(1)的上點(diǎn)擊或觸摸滑動，該動作使手指或 光電筆在人機(jī)界面板(1)上形成投影或者投影的連續(xù)運(yùn)動軌跡，人機(jī)界面板(1)連同手指 或光電筆投射的影像或影像軌跡被透鏡模塊收集并投射到圖像傳感器(3)上，圖像傳感器 (3)利用其內(nèi)部的光電轉(zhuǎn)換器件將光信號轉(zhuǎn)換成電信號傳送給傳感器控制處理電路，傳感 器控制處理電路控制圖像傳感器(3)按照采樣周期完成人機(jī)界面板(1)上影像的采集及將 傳感器傳遞出的信號處理形成數(shù)字圖像傳送給圖像比對處理模塊；3)當(dāng)所述圖像比對模塊首次接收到由光學(xué)成像轉(zhuǎn)換模塊中的傳感器控制處理電路傳 送的第一個采樣周期的影像信息后，所述存儲器實(shí)時存儲第一個采樣周期的影像信息，所 述微處理器/微控制器將該影像信息與存儲器中存儲的人機(jī)界面板(1)的初始界面圖像信 息進(jìn)行比對，找出兩者的影像變化動作，并依據(jù)該影像變化動作查找存儲在存儲器中相應(yīng) 的設(shè)定操作信息，將查找到的設(shè)定操作信息翻譯成被控制對象的控制指令傳送給信號編碼 發(fā)送模塊；以此循環(huán)，所述微處理器/微控制器將由傳感器控制處理電路傳送的每個采樣 周期的影像信息與存儲器中存儲的上一采樣周期的影像信息進(jìn)行對比，生成被控制對象的 控制指令并傳遞給信號編碼發(fā)送模塊；4)所述信號編碼發(fā)送模塊中的信號編碼器根據(jù)對微處理器/微控制器傳送的被控制 對象的控制指令進(jìn)行編碼和身份加密后由數(shù)據(jù)接口單元通過有線或無線方式將指令信號 發(fā)送給信號接受及指令響應(yīng)模塊；5)所述信號接受及指令響應(yīng)模塊的信號接收單元接收到信號編碼發(fā)送模塊的指令信 息后，進(jìn)行身份識別、解碼和糾錯，并將處理后指令信號傳送給指令響應(yīng)單元，所述指令響 應(yīng)單元根據(jù)解碼后的指令信息實(shí)現(xiàn)對二維或三維對象的控制。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的對象控制系統(tǒng)的控制方法，其特征在于所述設(shè)定操作信息 是指人機(jī)界面板(1)各部分的影像變化動作所指代的被控對象相應(yīng)運(yùn)動信息。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種光學(xué)成像轉(zhuǎn)換模塊、對象控制系統(tǒng)和控制方法，其中光學(xué)成像轉(zhuǎn)換模塊中的人機(jī)界面板使用直線型凹槽代表三維空間坐標(biāo)系中X、Y、Z軸，使用圓形或橢圓形凹槽代表三維空間坐標(biāo)系中以X、Y、Z軸為中心的旋轉(zhuǎn)，用戶手指或操作筆在人機(jī)界面凹槽內(nèi)的移動將實(shí)現(xiàn)被控制對象在二維/三維空間中的移動及旋轉(zhuǎn)，人機(jī)界面板中心區(qū)為文字手寫輸入?yún)^(qū)。整個控制系統(tǒng)通過光學(xué)成像及電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)對用戶在凹槽及人機(jī)界面板凸起上的移動軌跡意義識別、編碼，通過有線或無線方式傳遞給命令識別響應(yīng)端實(shí)現(xiàn)對對象的控制。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了二維和三維空間對象控制方式的統(tǒng)一。
文檔編號G06F3/01GK101950220SQ20101027335
公開日2011年1月19日 申請日期2010年9月6日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月6日
發(fā)明者王東 申請人:王東