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 системы и электроприборы.
Известно устройство многоцелевой оптической клавиатуры, содержащее множество прямоугольных клавиш, верхняя часть которых изготовлена из прозрачных материалов и выступает вверх через клавиатуру, неудерживаемая плоской пружиной, расположенной между средней пластиной и фланцем, а вертикальные боковые поверхности изготовлены из непрозрачных материалов. Каждая из клавиш имеет соответствующий оптический прерывающий блок, снабженный вышеуказанным фланцем, переднюю пластину клавиатуры со множеством отверстий, выполненных с возможностью установки соответствующих верхних частей клавиш, которые размещены в заранее определенной матрице, группы фотосоединителей, оптическую направляющую, расположенную между средней пластиной и плоским блоком дисплея, на лицевой стороне которого выполнены изображения знаков, при этом оптический прерывающий блок выполнен из непрозрачного материала, а оптическая направляющая имеет то же расположение, что и отверстия клавиатуры и группы фотосоединителей, содержащих светоизлучающий диод и фототранзистор, расположенных на передней и задней частях и на левой и правой частях клавиатуры, кроме того, оптические направляющие выполнены с возможностью приема всех оптических прерывающих блоков, связанных с верхними частями клавиш, а плоская пружина установлена на средней пластине, имеющей малые отверстия, сформированные с тем же размещением, что и отверстия клавиатуры (патент РФ №2131141, опубликован 1999.05.27, 6 G06F 3/00, G06F 3/023).
Данная клавиатура не обеспечивает скрытый от постороннего наблюдателя ввод кода, поскольку экран дисплея расположен недостаточно глубоко от лицевой поверхности клавишных головок, что открывает широкий угол обзора символов клавиш. Кроме этого, в рассмотренной клавиатуре не реализовано случайное распределение знаков и соответствующим им функций по клавишам. Поэтому, рассматриваемую клавиатуру не целесообразно применять в местах, где необходимо обеспечить секретность ввода - в банкоматах и электронных кодовых замках.
Известна также клавиатура электронного устройства, которая выбрана в качестве прототипа предлагаемого изобретения, 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, опубликован 2003.10.20, 7 G06F 3/00).
Недостатком рассматриваемого устройства является невысокая секретность набора кода пользователем, поскольку расстояние от лицевых поверхностей клавиш до расположенного ниже дисплея (длина оптического канала) мало по сравнению с размерами их поперечных сечений, что не обеспечивает достаточное сужение угла обзора изображений символов 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.
Задачей изобретения является повышение секретности ввода персонального кода-идентификатора или других персональных данных пользователя при работе с электронными техническими устройствами.
Поставленная задача достигается тем, что клавиатура электронного устройства, также как прототип, содержит клавиши с дисплеями и выполнена с возможностью вывода на клавиши символов с соответствующими им функциями, смены символов клавиш и соответствующих им функций. Согласно изобретению клавиши и их дисплеи соединены с блоком случайного распределения символов и соответствующих им функций по клавишам, а в каждой клавише между лицевыми поверхностями и дисплеями выполнены оптические каналы, длина которых 1 удовлетворяет соотношению
где d - диаметр окружности, описанной вокруг изображения символа 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.
В целях соблюдения секретности ввода кода, необходимо, чтобы все изображения символов наборного поля клавиатуры были полностью видны оператору и не были видны стороннему наблюдателю рядом с оператором. Эта задача может быть достигнута путем подбора определенных соотношений между рядом геометрических параметров клавиш и наборного поля клавиатуры при заданном месте размещения оператора и стороннего наблюдателя относительно наборного поля клавиатуры.
На фиг.1 представлен случай, когда оптический центр оператора (точка О) расположен в плоскости v-w напротив середины (точка s) наборного поля клавиатуры (s-c - половина наборного поля клавиатуры). При этом ось оптического канала клавиши, наиболее удаленной от середины (точка s) наборного поля клавиатуры, смещена на расстояние h от параллельной линии О-s, проходящей через оптический центр оператора (точка О). Из геометрических соотношений, приведенных на фиг.1, следует, что изображение символа а-б наиболее удаленной от оптического центра оператора клавиши будет полностью видно оператору при условии:
где l - длина оптического канала клавиши, мм;
o
L - расстояния от оптического центра оператора О до плоскости наборного поля клавиатуры, мм;
D - диаметр окружности, описанной вокруг верхнего отверстия оптического канала клавиши, мм;
d - диаметр окружности, описанной вокруг изображения символа клавиши, мм;
h - максимальное отклонение оси оптического канала клавиши от центра наборного поля клавиатуры, мм.
Когда оптический центр стороннего наблюдателя (точка О) расположен на расстоянии Н (фиг.2) от середины (точка s) наборного поля клавиатуры (s-r - половина наборного поля клавиатуры) в плоскости v-w. Из геометрических соотношений, приведенных на фиг.2, следует, что изображение символа а-б наиболее близкой к наблюдателю клавиши будет полностью невидно стороннему наблюдателю при условии:
H
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.
Анализ выражений (1), (2) показывает, что оба требования к длине оптического канала клавиши могут быть выполнены одновременно, если обеспечить соотношение ряда геометрических размеров в соответствии с выражением:
где m=D/d - коэффициент увеличения верхнего отверстия оптического канала клавиши;
D - диаметр окружности, описанной вокруг верхнего отверстия оптического канала клавиши, мм;
d - диаметр окружности, описанной вокруг изображения символа клавиши, 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.
o
н
Воспользовавшись выражениями (1), (2), (3) можно определить размеры наборного поля клавиатуры (характеризуются параметром h), поперечные сечения оптических каналов клавиш (характеризуются параметрами d, D) и длину оптических каналов клавиш 1, обеспечивающих скрытный от стороннего наблюдателя набор кода оператором при возможных вариантах расположения оператора и стороннего наблюдателя относительно наборного поля клавиатуры (характеризуются параметрами L, L, Н).
н.mах
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 клавиш для достижения секретности ввода персонального кода-идентификатора пользователем электронных технических устройств.
На фиг.1 представлена конструкция клавиши клавиатуры электронного устройства и вариант расположения оптического центра оператора на границе зоны обзора изображения символа клавиши.
На фиг.2 приведена конструкция клавиши клавиатуры электронного устройства и вариант расположения оптического центра наблюдателя вне зоны обзора изображения символа клавиши.
На фиг.3 изображено возможное размещение изображений символов клавиш на наборном поле клавиатуры электронного устройства перед выполнением операции ввода кода.
На фиг.4 показано возможное размещение изображений символов клавиш на наборном поле клавиатуры электронного устройства при повторном выполнении операции ввода кода.
Клавиатура электронного устройства содержит панель 1, на которой размещены клавиши 2 (фиг.3, 4) с изображениями символов 3 определенных функций клавиш 2 (фиг.3, 4). Клавиши 2 (фиг.1, 2) выполнены в форме полого усеченного конуса с днищем 4 и оптическим каналом 5. Лицевая поверхность клавиши 2 может быть закрыта прозрачным защитным экраном 6. На днище 4 клавиши 2 (или непосредственно за днищем 4) размещен дисплей 7 для вывода изображения символа 3 (фиг.1, 2) выполняемой клавишей 2 функции. Распределение символов и соответствующих им функций по клавишам реализовано с помощью блока случайного распределения символов и соответствующих им функций по клавишам 8 (не показан), имеющего электрическую связь с клавишами 2 и их дисплеями 7.
Блок случайного распределения символов и соответствующих им функций по клавишам 8 может быть выполнен в виде генератора случайных чисел («белого шума») или в виде микроконтроллера с соответствующим программным обеспечением. Этот блок конструктивно может быть выполнен как в корпусе клавиатуры электронного устройства, так и вне него.
В качестве дисплея 7 (фиг.1, 2) может быть использована любая известная конструкция его выполнения, например жидкокристаллическая, светодиодная, оптико-волоконная, газоразрядная и другие.
Предложенное устройство клавиатуры электронного устройства может располагаться как в одном корпусе с электронным устройством (банкомат, сотовый телефон), так и отдельно (клавиатура ЭВМ).
Длину 1 оптического канала 5 клавиши 2, диаметр d окружности, описанной вокруг изображения символа 3 клавиши 2, диаметр D окружности, описанной вокруг верхнего отверстия оптического канала 5 клавиши 2, а также максимальное отклонение h оси 9 оптического канала 5 клавиши 2 от центра наборного поля 10 клавиатуры (фиг.1, 2) определяли из соотношений (4), (5), (6).
Например, при h=30 мм (может быть выбрана исходя из оптимальных размеров наборного поля 10 клавиатуры) величина D не может превышать 20 мм (для фиг.1, 2). Если изображения символов 3 задать такими, чтобы они вписывались в диаметр d=10 мм, то величина m должна быть не менее 1,151 в соответствии с выражением (6). Следовательно, величина диаметра D должна быть в пределах от 11,51 мм до 20 мм. При минимальном диаметре D (D=11,51 мм) согласно неравенств (4), (5) длина оптического канала 6 клавиши 2 будет выбрана из диапазона
13,59≤1≤13,59.
Следовательно, в этом случае величина 1 определена единственным значением. Если данное значение будет превышено, то оператор не сможет полностью видеть изображения символов 3 крайних клавиш 2 наборного поля 10 клавиатуры находясь напротив середины (точка s на фиг.3, 4) наборного поля клавиатуры. В случае уменьшения рассматриваемой величины сторонний наблюдатель сможет видеть, по меньшей мере, изображения символов 3 крайних клавиш 2 наборного поля 10 клавиатуры, что снижает секретность ввода кода оператором.
При максимальном диаметре D (D=20 мм) длина оптического канала 6 клавиши 2 может быть выбрана из диапазона
18,95≤1≤90,00.
н
Причем, чем большее значение параметра 1 будет выбрано, тем шире возможная зона нахождения оптического центра О стороннего наблюдателя по сравнению с определенной изначально (характеризуется параметрами L, Н) и тем большая секретность ввода кода обеспечивается в нестандартных ситуациях.
Работа предлагаемой клавиатуры электронного устройства выглядит следующим образом.
Оператор размещается у наборного поля 10 клавиатуры с ограниченным углом обзора изображений символов 3 клавиш 2 в зоне их свободного обзора на дисплеях 7 клавиш 2 (напротив середины (точка s) наборного поля 10 клавиатуры, как это изображено на фиг.1). Затем  он выполняет предварительные процедуры, предшествующие вводу кода (распознавание идентификационной карты, запуск процесса ввода кода и т.п.).
После этого блок случайного распределения символов и соответствующих им функций по клавишам 8 произвольным образом формирует расположение изображений символов 3 на дисплеях 7 клавиш 2, которым присваиваются функции, соответствующие отображенным на дисплеях 7 клавиш 2 изображениям символов 3, например, как это представлено на фиг.3.
Затем оператор вводит требуемую последовательность символов кода, например 7018 (нажимаемые при этом клавиши 2 выделены цветом на фиг.3). Блок случайного распределения символов и соответствующих им функций по клавишам 8 производит сопоставление нажатой клавиши 2 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, который расположен вне зоны свободного обзора изображений символов 3 клавиш 2 (фиг.2), будет видеть лишь внутреннюю поверхность клавиши 2 на участке а-е, лежащем вне поверхности дисплея 7. При этом сторонний наблюдатель будет фиксировать лишь размещение нажимаемых клавиш 2 на клавиатуре (выделены цветом на фиг.3) и последовательность их нажатия, но не может сопоставить размещение клавиш 2 с изображениями символов 3.
При попытке сторонним наблюдателем воспроизвести ввод данного кода (7018) он также запустит процесс ввода кода, после чего на клавиатуре ввода кода блоком случайного распределения символов и соответствующих им функций по клавишам 8 произвольным образом формируется расположение изображений символов 3 на дисплеях 7 клавиш 2 и им присваиваются функции, соответствующие изображениям символов 3 на дисплеях 7 клавиш 2, например, как это показано на фиг.4. Причем расположение изображений символов 3 клавиш 2 на клавиатуре (фиг.4) в данном случае не будет совпадать с предыдущим расположение изображений символов 3 клавиш 2 (фиг.3). Следовательно, набор наблюдаемой ранее последовательности нажимаемых клавиш 2 не даст желаемого результата - ввода правильной последовательности символов. В этом случае будет набран номер 20_7 (клавише 2 с цифрой 1 на фиг.3 будет соответствовать пробел на фиг.4), который не соответствует требуемому коду. Для набора правильного кода 7018 на вновь сформированном наборном поле 10 клавиатуры (фиг.4) следует нажимать клавиши 2, выделенные цветом, причем в требуемой последовательности, что не может быть заранее известно стороннему наблюдателю.
Предложенная клавиатура электронного устройства может быть применена в любом электронном приборе, предполагающем ввод данных путем нажатия на клавиши, например банкомат, ЭВМ, система контроля и ограничения доступа и т.п.
Применение 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.