專利名稱：數(shù)字書繪實時數(shù)據(jù)采集仿真系統(tǒng)及其采集方法
技術領域：
本發(fā)明涉及數(shù)字書畫技術和加速度檢測與磁場強度檢測技術，尤其是涉及一種以 測量筆桿動態(tài)姿態(tài)的數(shù)字書畫繪實時數(shù)據(jù)采集仿真系統(tǒng)及采集方法。
背景技術：
數(shù)字書畫技術利用數(shù)字計算機及軟件技術，將數(shù)字位置觸摸屏技術和觸摸筆(或 筆形鼠標)構(gòu)成書寫繪畫仿真環(huán)境基本構(gòu)架，在采集筆觸平面位置(x，y)的筆跡軌跡信息 的基礎上(或者還包括筆觸對書寫屏的壓力(ζ)的對應信息)，用軟件仿真實現(xiàn)屏幕顯示的 書寫或繪畫效果。目前這類技術主要應用于文字識別(數(shù)字書寫板或手寫輸入)，數(shù)字繪畫 板，也應用于仿真或虛擬仿真書畫軟件技術的原始數(shù)據(jù)采集，這些仿真或虛擬仿真書畫技 術已經(jīng)涉及到硬筆書畫，鉛筆書畫，水彩，油畫，中國毛筆書畫等表現(xiàn)領域。但是，至目前已經(jīng)公開的相關計算機數(shù)字字畫技術中，采集數(shù)據(jù)僅依據(jù)筆觸的點 軌跡基礎數(shù)據(jù)，并未能完整描述和反映筆桿的全部運移狀態(tài)。也就是說，現(xiàn)有的電子書畫仿 真數(shù)據(jù)檢測技術僅檢測xy或xyz基礎數(shù)據(jù)，沒有檢測筆桿的姿態(tài)參數(shù)(如傾斜角，傾斜方向 角，和筆桿自身的旋轉(zhuǎn)角)的能力；而這恰恰是書畫操作者在書繪時實際所作的全部動作的 合成結(jié)果體現(xiàn)，缺少這些基本數(shù)據(jù)，制約了仿真顯示的真實表現(xiàn)程度，尤其是在對最為復雜 困難的中國書畫的仿真表達中，難以達到理想仿真的期望。此外，虛擬毛筆中國書畫表達技術，自二十世紀八十年代起就開始研究和發(fā)展，但 主旨并不是實時書畫手法的仿真，其毛筆是虛擬的，有許多效果屬于后期制作完成，是一種 對中國書畫效果的模仿，屬于模仿的技術，其數(shù)據(jù)基礎也是建立在書寫時的著筆位置和著 筆壓力上。因中國毛筆書畫特殊的復雜性，使該項研究一直陷于多種瓶頸制約，難以在最終 效果上接近真實。目前資料表明三軸磁場分量檢測傳感器技術、三軸加速度分量檢測傳感器技術已 公開于智能手機的顯示屏方位檢測的應用，且見于推廣及平板電腦等的多種相似應用以及 GPS衛(wèi)星定位和導航技術應用的場景轉(zhuǎn)換等。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的旨在通過筆和屏的三軸地磁場分量和三軸重力加速度分量的檢 測，將筆桿的角度運動變化納入實時數(shù)據(jù)采集范圍，用計算技術，建立起一種采集書畫過程 中筆桿的全部運動的物理參數(shù)的實時數(shù)據(jù)平臺。本發(fā)明的主導思想是將基于三軸磁場分量檢測傳感器的由地磁場確定經(jīng)緯方向 的技術、基于三軸加速度分量檢測傳感器的由地球重力加速度確定垂直方向的技術，應用 于數(shù)字書繪的筆具運動的實時數(shù)據(jù)采集技術中，借助于計算機運算解析出描寫書畫過程中 筆具角度姿態(tài)變化的實用數(shù)據(jù)，用于發(fā)展數(shù)字書繪實時采集仿真技術。這種數(shù)字書繪實時數(shù)據(jù)采集仿真系統(tǒng)，包括數(shù)字書畫筆、計算機、觸摸屏，三者之 間通過數(shù)據(jù)筆輸出線纜、觸摸屏線纜構(gòu)成依賴計算機軟件技術的數(shù)字書繪實時數(shù)據(jù)采集仿
6真系統(tǒng)。其中數(shù)字書畫筆由筆頭及筆桿組成，所述筆頭與觸摸屏組合構(gòu)成檢測筆頭在仿真 書畫過程中所處觸屏位置的屏面坐標值和觸屏壓力值(或檢測筆端運動點的觸摸屏法向坐 標值)的檢測感應器，本發(fā)明的特征在于所述的筆桿內(nèi)腔設有以筆桿為局部直角坐標系、 并與筆桿坐標軸同軸線方向安裝、測量三坐標軸方向加速度分量的加速度檢測傳感器和測 量三坐標軸方向的磁場分量的磁場檢測傳感器，以及根據(jù)需要配置的完成控制采集，處理 和傳輸數(shù)據(jù)功能的微處理器。所述的觸摸屏設有與筆桿內(nèi)對應配套的、以觸摸屏為局部直角坐標系，測量觸摸 屏三坐標軸方向的三軸加速度分量檢測傳感器和測量三坐標軸方向的三軸磁場分量檢測 傳感器。所述的三坐標軸加速度分量檢測傳感器為一個三軸加速度檢測傳感器，或者是多 個分離式加速度檢測傳感器。所述的三坐標軸磁場分量檢測傳感器為一個三軸數(shù)字羅盤集成電路，或者是多個 分離式磁場檢測傳感器。這種數(shù)字書繪實時數(shù)據(jù)采集仿真系統(tǒng)，由筆頭與觸摸屏對應配套設置的觸摸屏屏 面坐標(X，y)檢測感應器，筆頭、剛性滑桿和筆桿內(nèi)電感位移傳感器、三軸向分量加速度檢 測傳感器、三軸向分量磁場檢測傳感器，以及微處理器共同構(gòu)成能實時反映筆頭和筆桿在 觸摸屏局部直角坐標系中的書畫觸點坐標，以筆桿軸線為Z軸的局部直角坐標系中的觸壓 位移或壓力、以及筆桿局部坐標的全部角度變化狀態(tài)信息，并經(jīng)由微處理器與計算機連接 構(gòu)成的書繪軟件的數(shù)據(jù)采集分析模塊，共同構(gòu)成采集數(shù)據(jù)和解析筆桿中軸線在觸摸屏局部 直角坐標系中的筆桿傾斜角度、筆桿的傾斜方向角度和筆桿繞筆桿中軸線的旋轉(zhuǎn)角度的裝 置。這種數(shù)字書繪實時數(shù)據(jù)采集仿真系統(tǒng)，其采集實時數(shù)據(jù)的方法有兩種方式 第一種方式為
A、通過設置在數(shù)字書畫筆的筆桿內(nèi)的三軸磁場檢測傳感器和三軸加速度檢測傳感器 分別檢測獲取以筆桿局部直角坐標系下的三坐標軸向的地磁場分量，并規(guī)格化為地磁場與 各坐標軸夾角的余弦Sx (t)、Sy (t)、Sz (t)和三坐標軸向的重力加速度分量，并規(guī)格化為重 力場與各坐標軸夾角的余弦Gx (t)、Gy (t)、Gz (t)；
B、通過安置在觸摸屏內(nèi)的三軸磁場檢測傳感器、三軸加速度檢測傳感器分別檢測，獲 得觸摸屏局部直角坐標系下的三坐標軸向的地磁場分量，并規(guī)格化為地磁場與各坐標軸夾 角的余弦SX (t)、SY (t)、SZ (t)和三坐標軸向的重力加速度分量，并規(guī)格化為重力場與各坐 標軸夾角的余弦GX (t)、GY (t)、GZ (t)。第二種方式為
A、通過設置在數(shù)字書畫筆的筆桿內(nèi)的三軸磁場檢測傳感器和加速度檢測傳感器分別 檢測獲取以筆桿局部直角坐標系下的三坐標軸向的地磁場余弦分量Sx (t)、Sy (t)、Sz (t) 和三坐標軸向的重力加速度余弦分量Gx (t)、Gy (t)、Gz (t)；
B、將數(shù)字書畫筆擱置在觸摸屏上，或懸掛在觸摸屏屏面范圍內(nèi)的方式，使筆桿局部坐 標系與觸摸屏局部坐標系的坐標軸方向?qū)R，通過利用筆桿所獲得的筆桿局部坐標系三坐 標軸向的地磁場分量和重力加速度分量、直接等同觸摸屏局部坐標系的相應測量數(shù)據(jù)。該數(shù)字書繪實時數(shù)據(jù)采集仿真系統(tǒng)，通過采集上述數(shù)字書畫筆和觸模顯示屏的各6個方向余弦分量數(shù)據(jù)，獲取數(shù)字書畫筆和觸摸顯示屏的充分必要的角度運動信息；據(jù)此， 由設置有計算機軟件技術的數(shù)據(jù)解析模塊，通過坐標系角度轉(zhuǎn)換運算和解析幾何運算，解 析獲取在仿真書畫的表達中方便適用的表達數(shù)字書畫筆的局部坐標系相對于觸摸顯示屏 局部坐標系的角度姿態(tài)數(shù)據(jù)(以下參考圖3)
(1)筆桿傾斜角度_(1)
φ(O是數(shù)字書畫筆的中心軸(局部坐標的ζ軸)與觸摸顯示屏的屏面法向(局部坐
標的Z軸)的夾角 ’爭奶的范圍(0
(2 )筆桿的傾斜方向角度m(2 )
是數(shù)字書畫筆的中心軸(ζ)在觸摸屏的屏面(XY)的正投影與觸摸顯示屏局部坐
標系的X軸的夾角，_的方便檢測范圍(-π/τ )；
(3)筆桿旋轉(zhuǎn)角度 )(3)
0力是數(shù)字書畫筆的筆桿繞中心軸(ζ)的旋轉(zhuǎn)角度，的方便檢測范圍(-，‘ 本發(fā)明的直接效果是
(1)在仿真扁形筆頭(鉛筆，油化筆)的書畫時，直接由筆的姿態(tài)參數(shù)得出觸屏點是筆頭 的寬沿著屏，窄沿著屏，還是尖角著屏，結(jié)合行筆方向數(shù)據(jù)(Xy)，提供了一種用運筆手勢表 現(xiàn)筆畫寬窄深淺的基礎技術；
(2)在仿真中國毛筆書畫時，據(jù)此可解析出筆觸的大小，筆觸的長短比例，筆鋒的指向 位置等，給表現(xiàn)中國書畫的中鋒，偏鋒，側(cè)鋒，逆鋒的運筆手法提供了基本數(shù)據(jù)。從而，本發(fā) 明給數(shù)字書畫仿真軟件的發(fā)展提供新的基礎和著力點，希望發(fā)展出一種以仿臨場真實感為 目的，能表現(xiàn)真實書繪技術水平高低的實時數(shù)字書畫顯示技術，尤其希望把目標定位于獲 取表現(xiàn)中國宣紙水墨書畫效果的實時仿真顯示技術的進步。


圖1為數(shù)字書繪實時數(shù)據(jù)采集仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為數(shù)字書畫筆的結(jié)構(gòu)示意圖3為實時數(shù)據(jù)采集仿真系統(tǒng)所涉及的三種坐標系設置原理及相互關系示意圖。圖中1-數(shù)字書畫筆，1.1-筆頭，1.2-剛性滑桿，1.3-電感位移傳感器， 1. 4-三軸加速度檢測傳感器，1. 5-三軸磁場檢測傳感器，1. 6-微處理器 1. 7-安裝基板， 1.8-筆桿，2-數(shù)字書畫筆通訊連接線纜3-計算機，4-觸摸屏連接線纜 5-觸摸屏。圖中
筆桿局部直角坐標系xyz (ζ軸為筆桿中軸線方向，xy為筆桿橫截面向)， 觸摸屏局部直角坐標系XYZ (XY為觸摸顯示屏屏面的二邊向，Z為屏面的法向)， 地磁重力場坐標系X’ Y’ V (Z’指上，Y’指北，V指東)。
具體實施例方式以下結(jié)合說明書附圖進一步闡述本發(fā)明，并給出本發(fā)明的實施例。本發(fā)明介紹的這種數(shù)字書繪實時數(shù)據(jù)采集仿真系統(tǒng)，包括數(shù)字書畫筆1、計算機 3、觸摸屏5，三者之間通過由數(shù)字書畫筆線纜2、觸摸屏線纜4等連接，構(gòu)成依賴計算機軟件 技術的數(shù)字書繪實時數(shù)據(jù)采集仿真系統(tǒng)，其中數(shù)字書畫筆1由筆頭1. 1及筆桿1. 8組成，筆 頭1. 1與觸摸屏5組合構(gòu)成反映檢測筆頭在仿真書畫過程中所處觸屏位置的屏面坐標值 和觸屏壓力值、或檢測筆端運動點的觸摸顯示屏法向坐標值的檢測感應器，其中數(shù)字書畫 筆的構(gòu)造為筆頭1. 1帶有剛性滑桿1. 2、電感位移傳感器1. 3，其特征在于所述的筆桿1. 8 內(nèi)腔設有以筆桿為局部直角坐標系，并與筆桿(圖3)同軸線方向安裝，能測量三軸方向加速 度分量的三軸加速度檢測傳感器1. 4和測量三軸方向的磁場分量的三軸磁場檢測傳感器 1. 5，以及根據(jù)需要配置的實現(xiàn)控制采樣、處理和傳輸數(shù)據(jù)的微處理器1. 6。所述的數(shù)字書繪實時數(shù)據(jù)采集仿真系統(tǒng)，具有對所采集數(shù)據(jù)進行處理的功能模 塊，該功能模塊既可以僅僅將預處理部分安置在筆桿微處理器內(nèi)而將其余部分直接安置在 主計算機內(nèi)，也可以作為一個整體安置在筆桿微處理器內(nèi)，甚至全部安裝在主計算機內(nèi)。觸摸屏作對應的重力加速度分量和磁場分量檢測，有兩種實現(xiàn)方式
第一種實現(xiàn)方式，觸摸屏內(nèi)設有與筆桿內(nèi)對應配套的按觸摸屏局部直角坐標系軸線方 向安裝的測量該三坐標軸方向的加速度分量的加速度檢測傳感器和測量該三坐標軸方向 的磁場分向的量的磁場檢測傳感器。該方法的特點是可以實時檢測相關數(shù)據(jù)，允許觸摸顯 示屏位置在書繪過程中改變.
第二種實現(xiàn)方式，所述觸摸屏，設有專門用于擱筆或掛筆的結(jié)構(gòu)裝置，該裝置可以是與 觸摸屏一邊相平行的擱架，能將數(shù)字書畫筆按固定位置擱放，或者是垂直于觸摸屏屏面的 立架，使數(shù)字書畫筆按固定位置垂直懸掛與屏面上。這樣設置的目的是使筆桿內(nèi)的加速度 檢測傳感器、磁場檢測傳感器的三軸測量方向與觸摸顯示屏的局部直角坐標系的三坐標軸 線方向固定對齊。該方法僅適用于觸摸顯示屏位置固定的應用場合。所述數(shù)字書繪實時數(shù)據(jù)采集仿真系統(tǒng)，其控制器的軟件處理系統(tǒng)含有由數(shù)字書畫 筆、觸摸顯示屏和地球磁場重力場構(gòu)成三組既獨立又互相關聯(lián)的局部坐標系即以數(shù)字書 畫筆筆桿為ζ軸的xyz數(shù)字書畫筆局部坐標系，以觸摸顯示屏邊界為X軸、Y軸，屏正面 法向為Z軸的XYZ的觸摸顯示屏局部坐標系，以地球磁場重力場為基礎的X’Y’Z’局部坐標 系(X’軸指東，Y’軸指北，Ζ’軸指上)。由筆桿內(nèi)與觸摸屏配套設置的電感位移傳感器1.3、 三軸加速度傳感器1. 4、三軸磁場傳感器1. 5，以及微處理器1. 6、剛性滑桿1. 2和筆頭1. 1 共同構(gòu)成能準確反映筆頭和筆桿在觸摸屏坐標系、地球坐標系和以筆桿軸線為ζ軸的筆坐 標系中的位移、力度和傾角變化狀態(tài)信息，據(jù)此解析獲取筆桿運動的姿態(tài)數(shù)據(jù)，包括筆桿 中軸線在觸摸屏坐標系中的筆桿傾斜角度、筆桿的傾斜方向角度和筆桿繞筆桿中心軸的旋 轉(zhuǎn)角度。所述的三軸加速度檢測傳感器為一個型號MMA7260QT三軸加速度傳感器 (Freescale Semiconductor 生產(chǎn))0所述的三軸磁場檢測傳感器為一個型號HMC5843三軸數(shù)字羅盤集成電路 (Honeywell 生產(chǎn))。此外，所述的觸摸屏5可以是帶有顯示功能成為觸摸顯示屏。此時，觸摸屏模塊與顯示屏模塊構(gòu)建在一起，且將兩者的局部坐標系重疊，直接將仿真書畫筆跡顯示在書畫筆 觸位置，形成臨場真實感仿真應用的觸摸顯示屏。 該數(shù)字書繪實時數(shù)據(jù)采集仿真系統(tǒng)，采集筆桿坐標軸角度變化實時數(shù)據(jù)的方法為 A、通過設置在數(shù)字書畫筆的筆桿內(nèi)的三軸磁場檢測傳感器和三軸加速度檢測傳感器 分別檢測獲取筆桿局部直角坐標系的χ，y, ζ三個坐標軸向的地磁場分量的規(guī)格化值 ，SW) , &⑴，和重力加速度分量的規(guī)格化值, Gy(t) , Gz(t),解析獲取筆桿局部坐標 系的基向量在地磁重力場坐標系下的測量表達
權利要求
一種數(shù)字書繪實時數(shù)據(jù)采集仿真系統(tǒng)，包括數(shù)字書畫筆、觸摸顯示屏、計算機，三者之間通過數(shù)字書畫筆輸出線纜、顯示屏線纜和觸摸屏線纜連接，依賴計算機仿真書畫軟件控制實現(xiàn)運作，其中數(shù)字書畫筆由筆頭及筆桿組成，所述筆頭與觸模顯示屏組合，具有檢測筆頭在仿真書畫過程中觸屏位置的屏面坐標值和觸屏壓力值或檢測與此關聯(lián)的監(jiān)測點觸摸顯示屏法向坐標值的檢測感應器，其特征在于所述的筆桿內(nèi)腔設有沿筆桿局部直角坐標系的坐標軸方向安裝，能測量三坐標軸方向的加速度分量的檢測傳感器和測量該三坐標軸方向的磁場分量的檢測傳感器。
2.根據(jù)權利要求1所述的數(shù)字書繪實時數(shù)據(jù)采集仿真系統(tǒng)，其特征在于所述的觸摸 顯示屏，設有與筆桿內(nèi)對應配套的測量觸摸顯示屏局部直角坐標系三坐標軸方向的加速度 分量的檢測傳感器和測量該三坐標軸方向的磁場分量的檢測傳感器。
3.根據(jù)權利要求1所述的數(shù)字書繪實時數(shù)據(jù)采集仿真系統(tǒng)，其特征在于所述的觸摸 顯示屏，設有用于擱置數(shù)字書畫筆的擱架或掛筆結(jié)構(gòu)裝置，使筆桿內(nèi)固定安裝的加速度檢 測傳感器、磁場檢測傳感器的三軸測量方向在相應擱筆或掛筆操作位置時與觸摸顯示屏的 局部直角坐標系的三坐標軸處于固定對齊狀態(tài)。
4.根據(jù)權利要求1所述的數(shù)字書繪實時數(shù)據(jù)采集仿真系統(tǒng)，其特征在于由筆頭與觸 摸顯示屏兩者對應配套設置的觸摸顯示屏屏面坐標(x，y)檢測感應器，筆頭、剛性滑桿和筆 桿內(nèi)電感位移傳感器、三軸向分量加速度檢測傳感器、三軸向分量磁場檢測傳感器，以及微 處理器、共同構(gòu)成能實時反映筆頭和筆桿在觸摸屏坐標系的書畫觸點坐標、以筆桿軸線為ζ 軸的筆桿局部直角坐標系中的觸壓位移、觸壓力和筆桿局部直角坐標軸的角度變化狀態(tài)信 息，并經(jīng)微處理器與計算機連接構(gòu)成的書繪軟件的數(shù)據(jù)采集分析模塊，共同構(gòu)成采集數(shù)據(jù) 和解析提取筆桿中軸線在觸摸屏坐標系中的筆桿傾斜角度、筆桿的傾斜方向角度和筆桿繞 筆桿中心軸的旋轉(zhuǎn)角度的裝置。
5.根據(jù)權利要求1所述的數(shù)字書繪實時數(shù)據(jù)采集仿真系統(tǒng)，其特征在于所述的檢測 三坐標軸方向加速度分量的檢測傳感器為一個三軸加速度檢測傳感器。
6.根據(jù)權利要求1所述的數(shù)字書繪實時數(shù)據(jù)采集仿真系統(tǒng)，其特征在于所述的檢測 三坐標軸方向磁場分量的檢測傳感器為一個三軸數(shù)字羅盤集成電路。
7.根據(jù)權利要求4所述的數(shù)字書繪實時數(shù)據(jù)采集仿真系統(tǒng)，其采集實時數(shù)據(jù)的方法具 有特征如下A、通過設置在數(shù)字書畫筆的筆桿內(nèi)的三軸磁場檢測傳感器和三軸加速度檢測傳感 器分別檢測獲取筆桿局部直角坐標系下的χ，y, ζ三個坐標軸向的地磁場分量的規(guī)格化值 Sk(J) , _ , Sz(J),和重力加速度分量的規(guī)格化值, (fy(t.) , Oz(J),解析獲取筆桿局 部直角坐標系的基向量在地磁重力場坐標系下的測量表達
8.根據(jù)權利要求7所述的數(shù)字書繪實時數(shù)據(jù)采集仿真系統(tǒng)，其特征在于獲取筆桿局 部直角坐標系相對于觸摸顯示屏局部直角坐標系的角度變化的實時數(shù)據(jù)的方法如下 A、通過坐標旋轉(zhuǎn)運算將(2)式基向量矩陣旋轉(zhuǎn)至單位矩陣
9.根據(jù)權利要求8所述的數(shù)字書繪實時數(shù)據(jù)采集仿真系統(tǒng)，其特征在于具有根據(jù)筆 桿使用角度和筆觸壓力的變化，對由此引起的數(shù)字書畫筆觸摸顯示屏組合感應器采集書寫 觸點坐標的誤差的實時修正，修正后的筆跡坐標為 Χφ》=Ζ0( ) — L(zO(t)) *Sm_J) *Cos(3{Cj),
全文摘要
一種數(shù)字書繪實時數(shù)據(jù)采集仿真系統(tǒng)，由軟件控制的數(shù)字書畫筆、觸摸顯示屏，計算機組成，其特征在于數(shù)字書畫筆的筆桿內(nèi)腔設有測量筆桿局部坐標系三坐標軸方向加速度分量的檢測傳感器和測量該三坐標軸方向磁場分量的檢測傳感器，通過采集數(shù)字書畫筆局部直角坐標系和觸摸顯示屏局部直角坐標系的地磁場強度三的坐標軸分量和地球重力場的三坐標軸分量，解析獲取實時的數(shù)字書畫筆筆桿相對于觸摸顯示屏局部坐標系的傾斜角度，傾斜方向角度和筆桿繞筆桿中心軸的旋轉(zhuǎn)角度。既提供了一種仿真書畫系統(tǒng)應用運筆手勢表現(xiàn)筆畫寬窄深淺的基礎技術，也為表現(xiàn)真實書繪技術水平高低的實時數(shù)字仿真書繪，尤其為表現(xiàn)以中國宣紙水墨書畫效果的實時仿真技術的進步和跨越提供基本數(shù)據(jù)支持。
文檔編號G06T11/80GK101976128SQ201010501590
公開日2011年2月16日 申請日期2010年10月11日 優(yōu)先權日2010年10月11日
發(fā)明者莊永基, 陳一葦 申請人:莊永基;陳一葦