專利名稱：一種識(shí)別空間動(dòng)作的手指鼠標(biāo)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種手指鼠標(biāo)，具體涉及一種識(shí)別空間動(dòng)作的手指鼠標(biāo)實(shí)現(xiàn)方法。
背景技術(shù)：
鼠標(biāo)的發(fā)明，改變?nèi)藗兪褂秒娔X的方式。鼠標(biāo)發(fā)展到現(xiàn)在，大致經(jīng)歷了機(jī)械鼠標(biāo)、 光機(jī)鼠標(biāo)、光電鼠標(biāo)、無線鼠標(biāo)等幾個(gè)階段。在每個(gè)階段中，鼠標(biāo)的實(shí)用性和功能都有大幅度的提升。上述的鼠標(biāo)都只具有二維平面移動(dòng)控制功能，隨著3D游戲、三維電視和電影的出現(xiàn)，操控方式也將發(fā)生改變，直接用手與電腦互動(dòng)的視覺體驗(yàn)時(shí)代正在向我們走來，因此迫切地需要一種能三維空間全方位控制，識(shí)別空間動(dòng)作的鼠標(biāo)。識(shí)別空間動(dòng)作的手指鼠標(biāo)， 目前國內(nèi)未見使用，也沒有看到相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是解決現(xiàn)有鼠標(biāo)存在的上述問題，而提供一種不使用整個(gè)手掌來操作鼠標(biāo)，只用一根手指就可以在空中靈活自如操控電腦，識(shí)別空間動(dòng)作的手指鼠標(biāo)。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是這種識(shí)別空間動(dòng)作的手指鼠標(biāo)，包括影像傳感器、單片機(jī)、紅外光發(fā)射控制電路和USB傳輸連接線，利用COMS影像傳感器對三維空間手指動(dòng)作成像，單片機(jī)完成基于平面的三維空間手指動(dòng)作任意點(diǎn)空間位置的恢復(fù)算法，同時(shí)對空間實(shí)行多幀采樣，分析出連續(xù)點(diǎn)的移動(dòng)，利用三維空間距離計(jì)算得到二維空間點(diǎn)的移動(dòng)，控制 USB上傳至PC機(jī)，PC機(jī)高速運(yùn)算得出空間連續(xù)動(dòng)作對應(yīng)的鼠標(biāo)動(dòng)作，最后基于VC對空間連續(xù)動(dòng)作與鼠標(biāo)動(dòng)作的對應(yīng)研究分析，構(gòu)造出鼠標(biāo)移動(dòng)和點(diǎn)擊控制。上述技術(shù)方案中，所述的COMS影像傳感器采用ET21X130D芯片，所述的單片機(jī)選用ET44M210單片機(jī)。上述技術(shù)方案中，所述CMOS影像傳感器ET21X130D是一款內(nèi)含160X 120的CMOS 影像傳感陣列、信號(hào)處理電路和8位微控制器的集成傳感芯片；內(nèi)部9. 76K字節(jié)SRAM，視頻編碼器和1 接口 ；具有集成度高、價(jià)格低、功耗低和體積小的優(yōu)點(diǎn)；可廣泛應(yīng)用于各種低分辨率圖像信號(hào)采集、移動(dòng)目標(biāo)偵查和字圖辨認(rèn)等應(yīng)用系統(tǒng)中。ET21X130D中CMOS傳感陣列感光后，每個(gè)感光單元中的CMOS晶體管會(huì)發(fā)生電荷變化，形成一個(gè)模擬電壓。該模擬電壓經(jīng)過放大以后，由A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。芯片內(nèi)置的微控制器按照外接引腳電平的選擇，確定芯片的參數(shù)設(shè)置、輸出方式、系統(tǒng)復(fù)位、圖像信號(hào)處理、算法處理以及1 通信協(xié)議處理等。上述技術(shù)方案中，所述單片機(jī)ET44M210是ETOMS公司設(shè)計(jì)的一款8位、高速、RISC 指令、低功耗、CMOS微控制器芯片，具有42個(gè)1/0、10位ADC、SPI、2路16位P麗、USB HUB、 和2. 4GHz無線HUB。ET44M210仿真模塊自帶仿真開發(fā)系統(tǒng)?？蓱?yīng)用于各種嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)，尤其是帶有USB接口或無線通信的應(yīng)用。上述技術(shù)方案中，所述的紅外光發(fā)射控制電路控制四個(gè)紅外二極管發(fā)射紅外光，四個(gè)紅外二極管呈邊長為3cm左右的正方形分布，影像傳感器安裝在四個(gè)紅外二極管圍成的正方形兩對角線的交叉點(diǎn)上，紅外二極管發(fā)射的紅外光照射到手指上面粘貼的反光紙， 反光紙反射回來的紅外光經(jīng)過透鏡在影像傳感器上成像，當(dāng)手指運(yùn)動(dòng)時(shí)，在影像傳感器上的成像就有所變化，通過單片機(jī)控制采集，對比后把數(shù)據(jù)上傳至PC，由PC判斷為各種鼠標(biāo)動(dòng)作。上述技術(shù)方案中，所述的紅外光發(fā)射控制電路通過單片機(jī)采用PWM調(diào)制方式，控制紅外二極管發(fā)射的紅外光強(qiáng)度，保證在有效范圍內(nèi)，無論手指距離影像傳感器遠(yuǎn)還是近， 反射到影像傳感器上的成像光斑大小基本一致。本發(fā)明的有益效果是采用影像傳感器、單片機(jī)、紅外光發(fā)射控制電路和USB傳輸連接線，利用影像傳感器對三維空間手指動(dòng)作紅外成像，單片機(jī)完成基于平面的三維空間手指動(dòng)作任意點(diǎn)空間位置的恢復(fù)算法，同時(shí)對空間實(shí)行多幀采樣分析出連續(xù)點(diǎn)的移動(dòng)，利用三維空間距離計(jì)算得到二維空間點(diǎn)的移動(dòng)，控制USB上傳至PC機(jī)，PC機(jī)高速運(yùn)算得出空間連續(xù)動(dòng)作對應(yīng)的鼠標(biāo)動(dòng)作，提供了一種新型人機(jī)操控方式，不使用整個(gè)手掌來操作鼠標(biāo)， 只用一根手指就可以在空中靈活自如的操控電腦，適合于3D游戲、三維電視和電影的三維空間全方位控制。下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案及工作過程作進(jìn)一步說明。


圖1為本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)框圖；圖2為本發(fā)明的模擬光學(xué)成像示意圖；圖3為本發(fā)明的紅外光發(fā)射控制電路圖；圖4為本發(fā)明的單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖；圖5為本發(fā)明的COMS影像傳感器應(yīng)用電路圖；圖6為本發(fā)明的主程序流程圖；圖7為本發(fā)明的采集圖像程序流程圖；圖8為本發(fā)明的鼠標(biāo)控制程序流程圖。
具體實(shí)施例方式參見圖1，整個(gè)系統(tǒng)由影像傳感器、微控制器、紅外光發(fā)射控制電路和USB傳輸連接線，利用COMS影像傳感器對三維空間手指動(dòng)作成像，ET44M210單片機(jī)對紅外成像完成基于平面的三維空間手指動(dòng)作任意點(diǎn)空間位置的恢復(fù)算法，同時(shí)對空間實(shí)行多幀采樣分析出連續(xù)點(diǎn)的移動(dòng)，利用三維空間距離計(jì)算得到二維空間點(diǎn)的移動(dòng)。利用ET44M210單片機(jī)控制 USB上傳至PC機(jī)，PC機(jī)高速運(yùn)算得出空間連續(xù)動(dòng)作對應(yīng)的鼠標(biāo)動(dòng)作，最后基于VC對空間連續(xù)動(dòng)作與鼠標(biāo)動(dòng)作的對應(yīng)研究分析，構(gòu)造出鼠標(biāo)移動(dòng)和點(diǎn)擊控制，可以控制鼠標(biāo)在PC機(jī)整個(gè)屏幕中移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)左鍵單擊、雙擊和鼠標(biāo)右鍵單擊等操作。圖2為本發(fā)明的模擬光學(xué)成像圖，此圖為實(shí)際空間中的平面俯視圖。圖中B是影像傳感器的有效感光區(qū)，C是光源，因?yàn)楣庠礊槎鄠€(gè)，而且排放成線性，所以在圖中表示成一個(gè)區(qū)間，根據(jù)光學(xué)原理可以把多個(gè)光源映射為一個(gè)D光源。紅外燈的有效照射角度為30°， 得出虛擬光源D的照射范圍A，實(shí)際在空間里應(yīng)該為一個(gè)以D點(diǎn)為頂點(diǎn)的椎體。XI、X2、X3為空間中三維有效物體的移動(dòng)，它們在像傳感器中的成像為Y1、Y2、TO。X1、X2為同一水平線上不同距離的物體，它們的投影在影像傳感器中感光區(qū)間為Y2 > Y1，這些感光區(qū)間的中心點(diǎn)基本不變，因此得出，空間物體只有相對光源距離變化時(shí)在影像傳感器上表示為感光區(qū)間大小的變化；XI、X3為同一距離上的不同位置的物體，它們的投影在影像傳感器中的感光區(qū)間Yl = Y3，但這些感光區(qū)間的中心點(diǎn)位置有偏差，因此得出，空間物體只有相對光源位置變化時(shí)在影像傳感器上表示為感光區(qū)間中心位置的變化?？梢韵胂?，如果物體在同一平面上相對光源在X軸上移動(dòng)，在影像傳感器上表現(xiàn)為感光區(qū)間中心位置沿X方向變化； 同理在Y軸上移動(dòng)，在影像傳感器上表現(xiàn)為感光區(qū)間中心位置沿Y方向變化，歸納得出對應(yīng)的變化如表1所示，當(dāng)為多項(xiàng)變化時(shí)，結(jié)論滿足疊加原理。表1感光區(qū)間中心位置變化表
空間物體相對光源距離X方向Y方向變化增加減少左移右移上移下移感光區(qū)間受光點(diǎn)增加受光點(diǎn)減少中心左移中心右移中心上移中心下移參見圖3，紅外光發(fā)射控制電路采用大功率管8050驅(qū)動(dòng)，Ql工作在開關(guān)狀態(tài)，基極接單片機(jī)I/O 口線，R40為限流電阻，R41是集電極偏置電阻，當(dāng)LED 口信號(hào)為1時(shí)，Q2基極為低電平，紅外二極管01、02、03、04不導(dǎo)通；當(dāng)LED 口信號(hào)為0時(shí)，Q2基極為高電平，紅外二極管Dl、D2、D3、D4導(dǎo)通。四個(gè)紅外二極管Dl、D2、D3、D4呈邊長為3cm左右的正方形分布，影像傳感器安裝在四個(gè)紅外二極管圍成的正方形兩對角線的交叉點(diǎn)上，紅外二極管發(fā)射的紅外光照射到手指上面粘貼的反光紙，反光紙反射回來的紅外光經(jīng)過透鏡在影像傳感器上成像，當(dāng)手指運(yùn)動(dòng)時(shí)，在影像傳感器上的成像就有所變化，通過單片機(jī)控制采集，對比后把數(shù)據(jù)上傳至PC，由PC判斷為各種鼠標(biāo)動(dòng)作。單片機(jī)采用PWM調(diào)制方式，控制紅外二極管發(fā)射的紅外光強(qiáng)度，保證在有效范圍內(nèi)，無論手指距離影像傳感器遠(yuǎn)還是近，反射到影像傳感器上的成像光斑大小基本一致。參見圖4，ET44M210最小系統(tǒng)包括晶體振蕩電路、復(fù)位開關(guān)和電源部分。ET44系列微控制器是屬于精簡指令集的架構(gòu)(RISC)，幾乎所有的指令都只需要一個(gè)時(shí)脈周期，外部只要接6MHz的石鐘晶體，內(nèi)部則可倍頻到速度48MHz，是執(zhí)行速度相當(dāng)快的微控制器。ET44 系列微控制器其內(nèi)部還整合了 USB、16位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換(Analog to Digital Converter), 串行外圍控制接口(SPI)、脈波頻寬調(diào)變(PWM)以及2. 4GHz的無線控制功能。參見圖5，ET21X130D最小系統(tǒng)包括晶體振蕩電路、電源和濾波部分。ET21X130D 是一款內(nèi)含160X 120的CMOS影像傳感陣列、信號(hào)處理電路和8位微控制器的集成傳感芯片；內(nèi)部9. 76K字節(jié)SRAM，視頻編碼器和1 接口 ；具有集成度高、價(jià)格低、功耗低和體積小的優(yōu)點(diǎn)；ET21X130D中CMOS傳感陣列感光后，每個(gè)感光單元中的CMOS晶體管會(huì)發(fā)生電荷變化，形成一個(gè)模擬電壓。該模擬電壓經(jīng)過放大以后，由A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。芯片內(nèi)置的微控制器按照外接引腳電平的選擇，確定芯片的參數(shù)設(shè)置、輸出方式、系統(tǒng)復(fù)位、圖像信號(hào)處理、算法處理以及1 通信協(xié)議處理等工作。圖6是主程序流程圖，在程序中先進(jìn)行傳感器的設(shè)置，比如增益、平滑方式、曝光像素、有效像素等。設(shè)置好后ET21X130D就能正常工作，此時(shí)ET44M210只需等待ET21X130D 傳來的幀信號(hào)，隨后進(jìn)行圖像采集。當(dāng)采集成功后ET44M210通過SPI傳送給通訊芯片，通訊芯片進(jìn)行USB上傳處理，這樣一幀圖像采集、判斷、計(jì)算和輸出就完成了。圖7是采集圖像程序流程圖，程序中引入監(jiān)測機(jī)制，因?yàn)镋T21X130D配置后能自行工作，并且每一點(diǎn)數(shù)據(jù)輸出的時(shí)間已經(jīng)確定，所以ET44M210采集的時(shí)間由ET21X130D決定。 監(jiān)測機(jī)制能防止發(fā)生下列錯(cuò)誤當(dāng)ET21X130D出現(xiàn)故障或者配置出錯(cuò)時(shí)ET44M210將陷入無限循環(huán)，也就是系統(tǒng)出現(xiàn)假死狀態(tài)，但監(jiān)測機(jī)制檢測到時(shí)將自動(dòng)跳出采集，復(fù)位ET21X130D ； 當(dāng)ET44M210采集某點(diǎn)時(shí)間溢出時(shí)，監(jiān)測機(jī)制強(qiáng)制使程序采集下一點(diǎn)，而不會(huì)因?yàn)闀r(shí)間溢出使以后所有點(diǎn)錯(cuò)位。圖8是鼠標(biāo)控制程序流程圖，鼠標(biāo)控制程序在每Ims接收一次USB傳輸過來的數(shù)據(jù)，把它進(jìn)行譯碼，計(jì)算后分析數(shù)據(jù)中包含的點(diǎn)數(shù)，按表2所示的數(shù)據(jù)分析表，算出對應(yīng)到屏幕上鼠標(biāo)的位置，最后響應(yīng)鼠標(biāo)函數(shù)。表2數(shù)據(jù)分析表
權(quán)利要求
1.一種識(shí)別空間動(dòng)作的手指鼠標(biāo)，其特征在于包括影像傳感器、單片機(jī)、紅外光發(fā)射控制電路和USB傳輸連接線，利用COMS影像傳感器對三維空間手指動(dòng)作成像，單片機(jī)完成基于平面的三維空間手指動(dòng)作任意點(diǎn)空間位置的恢復(fù)算法，同時(shí)對空間實(shí)行多幀采樣，分析出連續(xù)點(diǎn)的移動(dòng)，利用三維空間距離計(jì)算得到二維空間點(diǎn)的移動(dòng)，控制USB上傳至PC機(jī)， PC機(jī)高速運(yùn)算得出空間連續(xù)動(dòng)作對應(yīng)的鼠標(biāo)動(dòng)作，最后基于VC對空間連續(xù)動(dòng)作與鼠標(biāo)動(dòng)作的對應(yīng)研究分析，構(gòu)造出鼠標(biāo)移動(dòng)和點(diǎn)擊控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種識(shí)別空間動(dòng)作的手指鼠標(biāo)，其特征在于所述的COMS影像傳感器采用ET21X130D芯片，所述的單片機(jī)選用ET44M210單片機(jī)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種識(shí)別空間動(dòng)作的手指鼠標(biāo)，其特征在于所述的紅外光發(fā)射控制電路控制四個(gè)紅外二極管發(fā)射紅外光，四個(gè)紅外二極管呈邊長為3cm左右的正方形分布，影像傳感器安裝在四個(gè)紅外二極管圍成的正方形兩對角線的交叉點(diǎn)上，紅外二極管發(fā)射的紅外光照射到手指上面粘貼的反光紙，反光紙反射回來的紅外光經(jīng)過透鏡在影像傳感器上成像，當(dāng)手指運(yùn)動(dòng)時(shí)，在影像傳感器上的成像就有所變化，通過單片機(jī)控制采集， 對比后把數(shù)據(jù)上傳至PC，由PC判斷為各種鼠標(biāo)動(dòng)作。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種識(shí)別空間動(dòng)作的手指鼠標(biāo)實(shí)現(xiàn)方法，該手指鼠標(biāo)包括影像傳感器、單片機(jī)、紅外光發(fā)射控制電路和USB傳輸連接線，利用影像傳感器對三維空間手指動(dòng)作紅外成像，單片機(jī)完成基于平面的三維空間手指動(dòng)作任意點(diǎn)空間位置的恢復(fù)算法，對空間實(shí)行多幀采樣，分析出連續(xù)點(diǎn)的移動(dòng)，利用三維空間距離計(jì)算得到二維空間點(diǎn)的移動(dòng)，控制USB上傳至PC機(jī)，PC機(jī)高速運(yùn)算得出空間連續(xù)動(dòng)作對應(yīng)的鼠標(biāo)移動(dòng)和點(diǎn)擊控制。本發(fā)明提供一種新型人機(jī)操控方式，不使用整個(gè)手掌來操作鼠標(biāo)，只用一根手指就可以在空中靈活自如的操控電腦，適合于3D游戲、三維電視和電影的三維空間全方位控制。
文檔編號(hào)G06F3/01GK102360247SQ20111030028
公開日2012年2月22日 申請日期2011年10月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月9日
發(fā)明者劉輝, 周志英, 朱宗銘, 梁亮, 謝雙 申請人:長沙學(xué)院