ИНЕРЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ РУКОПИСНОГО ВВОДА ДАННЫХ В КОМПЬЮТЕР

Полезная модель относится к микроэлектронике, а именно к периферийным устройствам ЭВМ и может быть использована для ввода рукописной и графической информации и команд в компьютер без помощи клавиатуры.
Цель полезной модели - расширение функциональности, повышение точности распознавания рукописного текста.
Уровень техники
Известна ручка для рукописного ввода данных в компьютер, содержащая полый корпус, внутри которого размещены пишущий элемент, датчик касания, устройство связи с компьютером, содержащее передающее устройство и излучатель, причем пишущий элемент упирается своим верхним концом в датчик касания, подключенный к одному из входов устройства связи с компьютером, а выход передающего устройства подключен к излучателю, миниатюрную видеокамеру, закрепленную на боковой поверхности ручки так, что в поле ее зрения попадает пишущаяся информация, а выход ее подключен к входу устройства связи с компьютером, при этом идентификация написанных символов осуществляется путем последовательной фиксации кадров, их сравнения с целью выделения новых элементов и последовательного сравнения получаемой в процессе написания цепочки символов с образцами, получаемыми предварительно и размещаемыми в памяти компьютера. Патент РФ RU 2166796 С2 " Ручка для ввода рукописной и графической информации в компьютер «Shellpen III», опубликована на сайте
При работе известной ручки задействуется миниатюрная видеокамера, расположенная на боковой поверхности ручки так, что в поле ее зрения попадает пишущаяся информация, а выход ее подключен к входу устройства связи с компьютером, при этом идентификация написанных символов осуществляется путем последовательной фиксации кадров, их сравнения с целью выделения новых элементов и последовательного сравнения получаемой в процессе написания цепочки символов с образцами, получаемыми предварительно и размещаемыми в памяти компьютера.
Известная ручка работает следующим образом: при необходимости ввести текст или команды в компьютер, ручка берется в руку как обычная пишущая ручка и осуществляется написание пишущим элементом текста, команд или графиков на листе обычной бумаги. При этом при нажатии на ручку замыкается определенный контакт, что сообщает компьютеру, что начинается написание очередного элемента, линии, фрагмента текста. При этом включается видеокамера и фиксирует кадры видеоинформации в поле зрения видеокамеры, которые передаются в память компьютера. Написание текста происходит так - последовательная с постоянной частотой фиксация кадров и селекция вновь появившихся, которые интерпретируются как буквы. Определение буквы происходит путем последовательного сравнения выделяемых букв с образцами, которые хранятся в памяти компьютера. Если последующий символ остается не идентифицированным, он выводится в том виде как есть.
Недостатками известной ручки являются отсутствие внутренней памяти в самой ручке, что делает не возможным ее использование в удалении от компьютера, практическая невозможность написания рукописных знаков жестами по воздуху. А так же низкая точность распознавания написанных рукописных символов, поскольку распознавание происходит по картинке, сравнением с шаблоном, хранящимся в ПК.
За прототип принята ручка для ввода рукописной рукописи и графической информации в ЭВМ «SHELPEN» содержащая полый корпус, пишущий стержень с установленным на его заднем конце датчиком касания и инерционный элемент, контакты которого и контакты датчика касания соединены с линией связи с ЭВМ. Патент РФ RU 2073907 ручка для ввода рукописной рукописи и графической информации в ЭВМ «SHELPEN» (варианты), опубликована на сайте
При работе с прототипом задействуется специальное выполнение инерционного элемента, обеспечивающее непрерывное слежение за перемещением ручки в процессе письма или рисования. Для этого в ручке с полым корпусом и пишущим стержнем, имеющем на своем заднем конце датчик касания, инерционный элемент выполнен в виде металлического кольца, размещенного свободно либо на пластине из изоляционного материала, установленной внутри полого корпуса непараллельно его продольной оси, либо на кольцевой пластине из изоляционного материала, свободно подвешенной внутри полого корпуса на двух штифтах. Металлическое кольцо является замыкателем контактов инерционного датчика. Контакты датчика соединены с линией связи с ЭВМ, которая может быть линией радиосвязи, на наружной поверхности полого корпуса размещены зарядные контакты аккумулятора, подключаемые к зарядным контактам зарядного устройства при вставлении ручки в держатель на корпусе ЭВМ.
Написание линии происходит следующим образом: пусть ручка движется слева направо. При этом, так как центр тяжести чашки находится ниже центра вращения чашки (штифтов), чашка автоматически занимает горизонтальное положение. Кольцо, являясь инерционным элементом, под действием сил инерции будет смещаться в сторону, противоположную движению ручки и до касания края чашки, на котором расположены секторные контакты. При этом замкнется кольцо с определенным контактом. Дешифратор контактов определяет номер контакта, который замкнут и в течение всего времени замыкания включает передатчик, модулируя каким-либо способом его несущую частоту. Приемник, размещенный в ЭВМ, принимает сигналы передатчика и производит обратное преобразование - соответствующую модуляцию преобразовывает в номер замкнутого контакта чашки. Если номер контакта в течение какого-то отрезка времени не меняется, значит ручкой проводится прямая линия.
Недостатком прототипа является отсутствие внутренней памяти в самой ручке, что делает не возможным ее использование в удалении от компьютера, практическая невозможность написания рукописных знаков жестами по воздуху. А так же очень низкая точность используемого инерционного датчика, поскольку разрешение записанного рукописного знака или рисунка мало в следствии использования грубого инерционного датчика, выполненного в виде металлического кольца.
Цель полезной модели - расширение функциональности, повышение точности распознавания рукописного текста.
Данная цель достигается применением твердотельной полупроводниковой энергонезависимой перезаписываемой памяти (флеш-памяти), гироскопа измеряющего изменения углов ориентации по трем осям, линейного акселерометра, измеряющего линейные ускорения по координатным осям, а так же использование магнитного датчика для определения направления азимута.
Технический результат от использования полезной модели заключается в расширении функциональных возможностей, а именно возможность использования инерционного устройства для рукописного ввода данных в компьютер автономно, без компьютера, с последующей возможностью переноса данных в компьютер, возможность написания рукописных знаков жестами по воздуху, что равноценно написанию по неровной поверхности, например, быстрая заметка на руке, а так же увеличение точности распознавания, основываясь на движении руки пользователя, а не фактически статического сканированного изображения рукописного текста, представленного в виде матрицы черных и белых пикселей, что существенным образом повышает качество распознавания.
Раскрытие и осуществление полезной модели
Задачи, на решение которых направлена полезная модель заключается в следующем:
1. В качестве устройства ввода рукописного текста и графической информации в персональный или карманный компьютеры с распознаванием в режиме реального времени записанного рукописного текста. Распознавание рукописного текста происходит, основываясь на движении руки пользователя, а не на графической информации, что существенным образом повышает качество распознавания. То есть решается задача, в которой входной информацией является последовательность векторов движения пера, соответствующую траектории движения ручки, а не статических пикселей.
2. В качестве манипулятора типа «мышь» - устройство Инерционное устройство для рукописного ввода данных в компьютер может быть использовано в качестве манипулятора типа «мышь», управление которым может быть как на плоскости так и в пространстве. Пользователь держа в руках устройство и двигая его в различных направлениях наблюдает на экране повторяющие его движение указателя курсора «мышки».
3. В качестве игрового джойстика - устройство позволяющее повторять движения руки пользователя может быть применено в различных игровых приложениях, в качестве дополнительного устройства ввода.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 приведена функциональная схема инерционного устройства для рукописного ввода данных в компьютер.
Инерционное устройство для рукописного ввода данных в компьютер состоит из гироскопа 1, трехосевого акселерометра 2, магнитного датчика 3, флеш-памяти 4, микроконтроллера 5, приемо-передатчика 6.
На фиг.2 - общая структура инерционного устройства.
Обозначения: гироскоп 1, трехосевой акселерометр 2, магнитный датчик 3, флеш-память 4, микроконтроллер 5, приемо-передатчик 6, корпус устройства 7, пишущий стержень 8, α угол между пишущей поверхностью и инерционным устройством.
На фиг.3 - положение трехосевого акселерометра.
Обозначения: трехосевой акселерометр - 2, g - ускорение свободного падения, θ - угол крена, φ - тангаж, Xh и Yh - проекции координат на горизонтальную плоскость.
На фиг.4 - пример написания буквы алфавита.
Обозначения: Va - вектор движения пера в какой-то момент времени, Ха и Ya пересчитанные на плоскость написания линейные и угловые ускорения.
Инерционное устройство для рукописного ввода данных в компьютер работает следующим образом.
a
a
a
x
Y
z
При необходимости ввести текст или команды в ЭВМ инерционное устройство берется в руку как обычная пишущая ручка и осуществляется написание пишущим стержнем 8 текста, команд или графиков на листе обычной бумаги. При этом, как-только ручка оказывается в положении под углом α к пишущей поверхности, означает что начинается написание очередного элемента, линии, фрагмента текста, устанавливается флаг начала. Угол α - величина не постоянная, у каждого пользователя свой угол, настраиваемый в процессе калибровки инерционного устройства. Если в течение определенного времени после установки флага начала написания не изменяются линейные ускорения акселерометра по какой либо оси координат (, , ), считается, что написана точка.
a
a
a
a
a
a
x
Y
z
θ
φ
γ
При написании линии: так же как и в предыдущем случае определяется начало написания графического элемента, затем если сразу же начинают изменяться линейные ускорения (, , ) и угловые ускорения (, , ) акселерометра, где φ, θ, Az - угол крена, тангажа и азимут, соответственно, затем, линейные ускорения снова возвращаются в исходное состояние, считается, что написана прямая. Направление линии зависит от того, по каким координатным осям происходят изменения ускорений. Длина прямой зависит от продолжительности изменений и рассчитывается двойным интегрированием ускорения, например для оси X, так . Все изменения автоматически обрабатываются и записываются в флеш-память инерционного устройства или напрямую в ЭВМ через передающее устройство (например Bluetooth), в зависимости от режима работы.
Таким образом, по линейным и угловым ускорениям, а так же по направлению движения, то есть азимута, можно записать не саму графическую последовательность пикселей, а траекторию движения пера. Технологии, решающие задачи распознавания в реальном режиме времени, по движению пера, развиты гораздо лучше, чем распознавание по статической картинке. Они находят применение во всевозможных электронных записных книжках, карманных компьютерах и везде, где возможен непосредственный ввод информации при письме.
i
Таким же образом происходит запись более сложного знака, например буквы алфавита. Распознавание происходит следующим образом, на вход фактически поступает вектор движения пера, состоящий из двух координат, что значительно упрощает систему дальнейшее классификации, поскольку, во-первых, нет необходимости хранить в памяти графические образы букв, которые занимают большой объем памяти, хранятся только вектора Va. Соответственно скорость сравнения и достоверность так же увеличивается.
Использование твердотельной полупроводниковой энергонезависимой перезаписываемой памяти (флеш-памяти), гироскопа измеряющего изменения углов ориентации по трем осям, линейного акселерометра, измеряющего линейные ускорения по координатным осям, а так же использование магнитного датчика для определения направления азимута позволяет использовать инерционное устройство для рукописного ввода данных в компьютер автономно, без компьютера, с последующей возможностью переноса данных в компьютер, возможность написания рукописных знаков жестами по воздуху, что равноценно написанию по неровной поверхности, например, быстрая заметка на руке, а так же увеличение точности распознавания, основываясь на движении руки пользователя, а не фактически статического сканированного изображения рукописного текста, представленного в виде матрицы черных и белых пикселей, что существенным образом повышает качество распознавания.