КЛАВИАТУРА ЭЛЕКТРОННОГО УСТРОЙСТВА
ELECTRONIC DEVICE KEYBOARD

Изобретение относится к области создания устройств ввода информации в электронные технические устройства, такие как банкоматы, электронные кодовые замки и другие многопользовательские электромеханические системы и электроприборы.
Известна клавиатура электронного устройства, содержащая контроллер, устройство обработки данных и клавиши с клавишными головками, выполненная с возможностью вывода на клавиши символов с соответствующими им функциями, смены символов каждой из клавиш и соответствующих им функций. В клавишной головке клавиши клавиатуры размещен соединенный с контроллером и устройством обработки данных мини-дисплей, экран которого выходит на лицевую поверхность клавишной головки (патент РФ №2214619, МПК G06F 3/00, опубл. 20.10.2003).
Недостатком этого устройства является невысокая секретность набора кода пользователем, поскольку длины оптических каналов клавиш малы по сравнению с размерами их поперечных сечений (несмотря на расположение изображений знаков в нижних частях клавиш), что не обеспечивает достаточное сужение угла обзора изображений знаков клавиш. При этом становится возможным раскрытие пароля доступа сторонним наблюдателем, находящимся рядом с оператором, набирающим код. Другим недостатком данной клавиатуры является отсутствие случайного распределения символов и соответствующих им функций по клавишам.
Известна клавиатура электронного устройства (патент РФ №2377636, МПК G06F 3/00, опубл. 27.12.2009), которая выбрана в качестве прототипа, содержащая клавиши с дисплеями, выполненная с возможностью вывода на клавиши символов с соответствующими им функциями, смены символов клавиш и соответствующих им функций. Клавиши и их дисплеи соединены с блоком случайного распределения символов и соответствующих им функций по клавишам. В клавишах между лицевыми поверхностями и дисплеями выполнены оптические каналы, длина которых 1 удовлетворяет соотношению:
,
где d - диаметр окружности, описанной вокруг изображения знака клавиши, мм;
h - максимальное отклонение оси оптического канала клавиши от центра наборного поля клавиатуры, мм;
m - коэффициент увеличения верхнего отверстия оптического канала клавиши, выбранный из выражения:
.
где D - диаметр окружности, описанной вокруг верхнего отверстия оптического канала клавиши, мм.
Недостатком этой клавиатуры является повышенная длина оптического канала клавиш, необходимая для обеспечения требуемого угла обзора символов клавиш исходя из соображений секретности набора кода. Данный параметр соизмерим с поперечными габаритами клавиши и может в несколько раз превышать его. В результате высота клавиш и толщина клавиатуры возрастает, что в ряде случаев может ограничить ее применение. Уменьшение длины оптического канала клавиш относительно расчетной величины сопровождается увеличением угла обзора символов клавиш и снижением секретности набора кода.
Задачей изобретения является повышение уровня секретности ввода кода при заданных габаритах клавиатуры, либо уменьшение габаритов клавиатуры при сохранении уровня секретности.
Поставленная задача достигается тем, что клавиатура электронного устройства, также как в прототипе, содержит клавиши и их дисплеи, соединенные с блоком случайного распределения символов и соответствующих им функций по клавишам, причем в клавишах между их лицевыми поверхностями и дисплеями выполнены оптические каналы.
Согласно изобретению в каждой клавише выполнено N≥2 раздельных оптических каналов с непрозрачными стенками, длины которых 1 удовлетворяют соотношению
,
где q - максимальный линейный размер участка поля дисплея, открытого для обзора в оптическом канале, в плоскости, проходящей через ось оптического канала и оптический центр оператора, мм;
h - максимальное отклонение оси оптического канала клавиши от центра наборного поля клавиатуры, мм;
m - коэффициент превышения линейного размера верхнего отверстия оптического канала клавиши (Q) над линейным размером q в плоскости, проходящей через ось оптического канала и оптический центр наблюдателя, величина которого выбрана из выражения
,
где Q - линейный размер верхнего отверстия оптического канала клавиши в плоскости, проходящей через ось оптического канала и оптический центр наблюдателя, мм.
Использование клавиш с несколькими раздельными оптическими каналами позволяет добиться эффекта скрытия символов при заданном угле обзора, поскольку часть символа перекрывается непрозрачными стенками оптических каналов. При этом пользователь может выполнять ввод требуемой последовательности знаков кода, который не может быть виден стороннему наблюдателю. Увидеть символ в этом случае возможно лишь при меньшем угле обзора, что повышает секретность ввода персональных данных пользователя.
На фиг.1 изображено возможное размещение изображений знаков клавиш на наборном поле клавиатуры перед выполнением операции ввода кода.
На фиг.2 приведена конструкция клавиши с четырьмя оптическими каналами.
На фиг.3 представлен вариант расположения оптического центра оператора на границе зоны обзора участка символа клавиши, наиболее удаленного от середины наборного поля клавиатуры.
На фиг.4 приведен вариант расположения оптического центра стороннего наблюдателя на границе зоны обзора участка символа клавиши, наиболее удаленного от середины наборного поля клавиатуры.
На фиг.5 изображена наиболее удаленная от оптического центра оператора клавиша.
На фиг.6 показана наиболее приближенная к оптическому центру стороннего наблюдателя клавиша.
На фиг.7 показано возможное размещение изображений знаков клавиш на наборном поле клавиатуры при повторном выполнении операции ввода кода.
Предлагаемая клавиатура электронного устройства 1 содержит наборное поле 2 (фиг.1), на котором размещено заданное количество клавиш 3 с раздельными оптическими каналами 4, через которые видны участки изображений символов 5, соответствующих определенным функциям клавиш 3.
Клавиши 3 (фиг.4) выполнены с раздельными оптическими каналами 4, через которые видны части символов 5 на дисплеях 6, расположенных в нижней части клавиш 3. Стенки 7 оптических каналов 4 выполнены непрозрачными. В простейшем случае они могут представлять собой вставки из тонкого непрозрачного материала. Стенки 7 оптических каналов 4 и корпус клавиш 3 могут быть выполнены в виде единого целого. Лицевая поверхность клавиш 3 выполнена прозрачной. Поперечное сечение оптических каналов 4 может быть различным, например, прямоугольным, треугольным, восьмигранным и другим. В качестве дисплеев 6 может быть использована любая известная конструкция его выполнения, например жидкокристаллическая, светодиодная, оптико-волоконная, газоразрядная и другая.
Распределение символов 5 и соответствующих им функций по клавишам 3 реализовано с помощью блока случайного распределения символов и соответствующих им функций по клавишам (не показан), имеющего электрическую связь с клавишами 3 и их дисплеями 6. Блок случайного распределения символов 5 и соответствующих им функций по клавишам 3 может быть выполнен в виде генератора случайных чисел (генератор «белого шума») или в виде микроконтроллера с соответствующим программным обеспечением. Этот блок может быть размещен как в корпусе клавиатуры электронного устройства, так и вне него.
Предложенное устройство клавиатуры электронного устройства может располагаться как в одном корпусе с электронным устройством (банкомат, сотовый телефон), так и отдельно (клавиатура ЭВМ).
о
o
о
На фиг.3 представлен случай, когда оптический центр оператора (точка О) расположен напротив середины наборного поля клавиатуры (точка s). При этом ось 8 оптического канала, наиболее удаленного от середины s наборного поля клавиатуры, смещена на расстояние h от O-s, проходящей через оптический центр оператора О. Из геометрических соотношений, приведенных на фиг.3, следует, что изображение части символа на участке а-б дисплея 6 для оптического канала, наиболее удаленного от середины s наборного поля клавиатуры, будет полностью видно оператору при условии:
где l - длина оптического канала клавиши, мм;
o
о
L - расстояния от оптического центра оператора О до плоскости наборного поля клавиатуры, мм;
Q - линейный размер верхнего отверстия оптического канала клавиши в плоскости, проходящей через ось оптического канала и оптический центр оператора, мм;
q - максимальный линейный размер участка поля дисплея, открытого для обзора в оптическом канале, в плоскости, проходящей через ось оптического канала и оптический центр оператора, мм;
h - максимальное отклонение оси оптического канала клавиши от центра наборного поля клавиатуры, мм;
d - диаметр окружности, описанной вокруг изображения знака клавиши, мм.
н
Когда оптический центр стороннего наблюдателя (точка О) расположен на расстоянии Н (фиг.4) от середины s наборного поля клавиатуры в плоскости v-w, параллельной плоскости s-r наборного поля клавиатуры. Из геометрических соотношений следует, что изображение части символа на участке а-б для оптического канала, наиболее близкого к наблюдателю и наиболее удаленного от середины наборного поля, будет полностью невидно стороннему наблюдателю при условии:
н
где L - величина расстояния от оптического центра наблюдателя до плоскости наборного поля клавиатуры, мм;
Н - минимальное отклонение оптического центра наблюдателя от центра наборного поля клавиатуры в плоскости, параллельной плоскости наборного поля клавиатуры, мм;
d - диаметр окружности, описанной вокруг изображения знака клавиши, мм.
Анализ выражений (1), (2) показывает, что оба требования к длине оптических каналов клавиш могут быть выполнены одновременно, если обеспечить соотношение ряда геометрических размеров в соответствии с выражением:
где m - коэффициент превышения линейного размера Q верхнего отверстия оптического канала клавиши над линейным размером q в плоскости, проходящей через ось оптического канала и оптический центр наблюдателя коэффициент увеличения верхнего отверстия оптического канала клавиши;
Q - линейный размер верхнего отверстия оптического канала клавиши в плоскости, проходящей через ось оптического канала и оптический центр наблюдателя, мм;
o
н
o
н
n=L/L - отношение величины расстояния от оптического центра оператора L до плоскости наборного поля клавиатуры к величине расстояния от оптического центра наблюдателя L до плоскости наборного поля клавиатуры.
о
н
Воспользовавшись выражениями (1), (2), (3) можно определить размеры наборного поля клавиатуры (характеризуются параметром h), поперечные сечения раздельных оптических каналов клавиш (характеризуются параметрами q, Q) и длину оптических каналов клавиш l, обеспечивающих скрытный от стороннего наблюдателя набор кода оператором при возможных вариантах расположения оператора и стороннего наблюдателя относительно наборного поля клавиатуры (характеризуются параметрами L, L, H).
н.max
o.min
Исходя из вероятного приближения стороннего наблюдателя к оператору, можно принять параметр Н равным 500 мм. Принимая во внимание, что при прочих равных геометрических параметрах наибольшая величина нижней границы длины оптического канала клавиши достигается при максимальном расстоянии от оптического центра наблюдателя до плоскости наборного поля клавиатуры L, которое для человека составляет около 600 мм, а минимальная величина верхней границы длины оптического канала клавиши достигается при минимальном расстоянии от оптического центра оператора до плоскости наборного поля клавиатуры L, которое для человека составляет около 450 мм, выражения (1), (2), (3) можно преобразовать к виду:
Следовательно, используя зависимости (4), (5), (6), можно определить основные конструктивные размеры наборного поля клавиатуры и оптических каналов клавиш для достижения секретности ввода персонального кода-идентификатора пользователем электронных технических устройств.
о
н
Геометрические параметры оптических каналов 4 клавиш 3 обеспечивают обзор частей символов на дисплее 6 даже в наиболее удаленных оптических каналах от середины наборного поля (точка s) при размещении оператора напротив наборного поля (оптический центр оператора в точке О), как это показано на фиг.5. Большая часть участков символов на дисплее 6 не видна стороннему наблюдателю, находящемуся рядом с оператором (оптический центр наблюдателя в точке О), даже в наиболее приближенных к наблюдателю каналах 4, как это изображено на фиг.6.
Увеличение числа оптических каналов 4 в клавишах 3 сопровождается уменьшением длины оптических каналов 4, необходимой для обеспечения требуемого угла обзора символов 5 клавиш 3 и, соответственно, секретности ввода кода, что позволяет снизить габариты предлагаемой клавиатуры электронного устройства.
Работа предлагаемой клавиатуры электронного устройства выглядит следующим образом.
Оператор размещается у наборного поля 2 клавиатуры 1 с ограниченным углом обзора изображений символов 5 клавиш 3 в зоне их свободного обзора в оптических каналах 4 на дисплеях 6 клавиш 3 напротив середины s наборного поля 2 клавиатуры 1 (фиг.3, 5). Оператор выполняет предварительные процедуры, предшествующие вводу кода (распознавание идентификационной карты, запуск процесса ввода кода и т.п.).
После этого блок случайного распределения произвольным образом формирует расположение изображений символов 5 на дисплеях 6 клавиш 3, которым присваиваются функции, соответствующие отображенным на дисплеях 6 клавиш 3 изображениям символов 5, например, как это представлено на фиг.1.
Затем оператор вводит требуемую последовательности символов кода, например 7018 (нажимаемые при этом клавиши 3 выделены цветом на фиг.1). Блок случайного распределения символов и соответствующих им функций производит сопоставление нажатой клавиши 3 с присвоенной ей функцией и выполняет передачу сигналов о нажатиях на клавиши во внешние устройства (банкомат, электронный кодовый замок и т.д.), использующие клавиатуру электронного устройства в качестве средства ввода.
Сторонний наблюдатель, расположенный вне зоны свободного обзора изображений символов 5 клавиш 3 (фиг.4, 6), видит лишь внутреннюю поверхность оптических каналов 4 клавиш 3 на участке а-е, лежащем вне зоны, содержащей основную информацию о символах 5 на дисплее 6. Сторонний наблюдатель фиксирует лишь размещение нажимаемых клавиш 3 на клавиатуре (выделены цветом на фиг.1) и последовательность их нажатия, но не может сопоставить размещение клавиш 2 с изображениями символов 5.
При попытке сторонним наблюдателем воспроизвести ввод кода 7018 он запускает процесс ввода кода, после чего на клавиатуре ввода кода блоком случайного распределения произвольным образом формируется расположение изображений символов 5 на дисплеях 6 клавиш 3 и им присваиваются функции, соответствующие изображениям символов 5 на дисплеях 6 клавиш 3, например, как это показано на фиг.7. Причем расположение изображений символов 5 клавиш 3 на клавиатуре 1 (фиг.7) в данном случае не будет совпадать с предыдущим расположением изображений символов 5 клавиш 3 (фиг.1). Следовательно, набор наблюдаемой ранее последовательности нажимаемых клавиш 3 не даст желаемого результата - ввода правильной последовательности символов. В этом случае будет набран номер 20_7, который не соответствует требуемому коду. Для набора правильного кода 7018 на вновь сформированном наборном поле 2 клавиатуры 1 (фиг.7) следует нажимать клавиши 3, выделенные цветом, причем в требуемой последовательности, что не может быть заранее известно стороннему наблюдателю.
Использование предлагаемой клавиатуры электронного устройства обеспечивает повышение секретности ввода персонального кода-идентификатора или других персональных данных пользователем при работе с электронными техническими устройствами, что предотвращает несанкционированный доступ сторонних лиц к защищаемым объектам и закрытой электронной информации.
Кроме того, предлагаемая клавиатура позволяет добиться уменьшения длин оптических каналов клавиш, а следовательно, габаритов клавиатуры при сохранении на первоначальном уровне секретности ввода персональных данных пользователя при работе с электронными техническими устройствами.