基于指環鍵盤的無形輸入方法的設計

 金純1.2  賈珍梅1  劉魯云2  汪源3

1.重慶郵電大學通信與信息工程學院,無線傳輸重點實驗室,重慶 4000652.重慶金甌科技發展有限責任公司,重慶 400041;3.四川大學,四川 610064

摘要隨著穿戴式接收設備的大量涌現,與其對應的各種輸入方法也得到廣泛研究。針對目前各種輸入方法存在的不足,本文設計了一種用于向接收設備輸入信息的指環鍵盤,并定義了該指環鍵盤的無形輸入方法,文中主要對基于該指環鍵盤的無形輸入方法做了詳細闡述。通過驗證,該指環鍵盤及其輸入方法操作簡單、便于攜帶、功耗低,可在任何環境和任何姿勢下實現信息輸入,對于穿戴式設備的普及具有重要的意義。

關鍵字無形輸入方法; 指環鍵盤;穿戴式設備;

中圖分類號  TP37   文獻標志碼  A

The Design of Intangible Input Method based on Ring Keyboard

JIN Chun1.2, JIA Zhen-mei1 ,LIU Lu-yun2, WANG Yuan3

 

1.Wireless Transmission Key Laboratory, School of Communication & Information Engineering, Chongqing University of Posts & Telecommunications, Chongqing 400065, China; 2.Chongqing Jinou Science&Technology Development Co. , Ltd. ,Chongqing 400041, China;3.Sichuan University , Sichuan 610064)

AbstractAs the spring up of wearable receiving equipment, the input methods corresponding which have been widely studied. Aiming at the lack of a variety of input methods at the present time, this paper designed a kind of ring keyboard which is used to input information to receiving devices, and defines the intangible input method of the ring keyboard. This paper mainly expounds the intangible input method in detail. Through the verification, the ring keyboard and input method can be operated simply, easy to carry and kept low power consumption. Meanwhile information can be input under any environment and position, which has the vital significance for the popularity of wearable devices.

Keyboard: intangible input method;ring keyboard ;wearable devices

0.引言

隨著高性能超低功耗藍牙模塊的推出以及移動互聯網的發展、技術的進步等,智能穿戴設備種類逐漸豐富,穿戴式智能設備已經從概念走向商用化,新式穿戴設備不斷推出,智能穿戴的時代已經到來了。谷歌眼鏡、蘋果手表、三星智能腕表、耐克的燃料腕帶、會自動拍照的掛飾攝像頭、藍牙智能服、太陽能充電背包等穿戴式智能設備大量涌現,并有望成為潮流。智能穿戴技術已經滲透到健身、醫療、娛樂、安全、財務等眾多領域,為交互技術提供商、元件供應商,以及緊抓新機會的其它廠商帶來全新商機。

而目前大量涌現的智能穿戴式接收設備在接收信息時是以語音識別為主要輸入方法,例如谷歌公司推出的谷歌眼鏡就是主要采用語音命令實現網上沖浪、拍照、視頻通話和讀取電子郵件等功能。但是當人們佩戴谷歌眼鏡或其它智能接收設備處于某些特殊場合,例如商場等一些比較喧鬧的場合,使用語音輸入就會因周圍聲音的干擾導致語音識別的失誤;而在一些需要安靜的場所,例如圖書館等地使用語音命令,有可能會導致信息泄露或影響到他人。針對語音輸入的不足,谷歌公司又提出了一種新的輸入方法,即激光投影虛擬鍵盤。其原理是在鏡框的兩側分別內置一個激光投影儀和一個攝像頭,投影儀在用戶的手臂上顯示一幅QWERTY虛擬鍵盤或是其他的虛擬按鈕[1]。同時,通過另一側眼鏡框上的攝像頭來捕捉用戶的手部動作并執行相關的操作。但是這種需要在接收設備上內置一個投影儀和一個攝像頭的輸入方法,必將導致接收設備復雜度的增加,同時也使得穿戴式設備的可穿戴性降低。且由于便攜性的需要,穿戴式接收設備的電池容量都很小,再額外內置一個投影儀和一個攝像頭,接收設備的供電時間就會極大的縮短。另外,這種激光投影虛擬鍵盤對于用戶的使用環境也有很高的要求,當光線比較強時,激光投影儀會因光線的干擾而無法使用;同時當用戶處于站立、行走或水下作業等特殊環境時也無法正常使用。另外,盲人也無法使用這種激光投影鍵盤[1]

針對目前存在的輸入方式的不足,本文定義了一種無形輸入方法,并設計了一款實現該無形輸入方法的穿戴式指環鍵盤系統。該指環鍵盤通過偵測不同手指的運動狀態來模擬傳統鍵盤的輸入,使用者可在任何環境和任何姿勢下實現信息的輸入。且可做到輸入無聲,同時盲人也可以使用,彌補了語音輸入和激光投影輸入的不足。

1. 指環鍵盤硬件結構設計

本文所設計的指環鍵盤由十個佩戴在手指上的指環組成,指環上主要集成有檢測設備、運算單元、無線通信模塊和電源管理模塊等。其中檢測設備包括加速度傳感器和陀螺儀[2],加速度傳感器和陀螺儀通過感知手指的運動獲得手指動作過程中的加速度和位移信息,然后分別通過自帶的A/D轉換模塊將獲得的模擬信號轉換為數字信號;運算單元采用一個MCU芯片,對接收到的數字信號進行解析;無線通信模塊采用超低功耗藍牙模塊[3],該超低功耗藍牙模塊工作在2.4GHz ISM頻段,能實現100m距離的通信,通過普通I/O口和串行口接收運算單元解析出的指令信息,并傳輸給接收設備;電源管理模塊采用無線充電技術[4]為整個指環鍵盤提供電源。其中接收設備包括移動智能設備、穿戴式智能設備、個人電腦、單片機等任何可以接收鍵盤輸入信息的設備[5]。其結構框圖如圖1所示:

        

                           1  指環硬件結構框圖

                     Figure 1 structure diagram of ring hardware

2. 指環鍵盤操作原理

操作者在進行信息輸入時,在十個手指上均佩戴該指環鍵盤。指環鍵盤工作的原理步驟為:

(1) 當手指有動作時(這里手指動作表示佩戴者模擬擊鍵的敲擊動作,不同手指動作的先后順序和/或組合代表不同的輸出指令,該輸出指令用于模擬鍵盤上不同的擊鍵輸出)首先通過指環上的檢測設備偵測手指動作過程中的加速度和位移,產生一個輸出信號;

(2) 為防止手指的無意識動作(無輸入意圖)對輸入產生干擾,當檢測設備檢測到手指移動過程中的加速度絕對值大于設定值a,同時位移大于設定值y時,才為有效動作,執行步驟(3),否則執行步驟(1)

(3) 檢測設備將產生的輸出信號傳輸給運算單元,運算單元對輸入的信號根據預設的指令規則(即輸入方式)解析出輸出指令,每個運算單元都設置一個ID號,以便于在向接收設備傳遞指令時判定是哪一個指環輸出的指令;

(4) 檢測設備將運算單元解析出的指令及對應的ID號通過藍牙模塊傳輸給接收設備上的相應單元;

(5) 接收設備接收到傳遞過來的指令后,會通過預裝的軟件(下文設計的輸入法)對所有信息進行處理,并通過接收設備上的顯示單元顯示用戶意圖輸入的信息。

 上述步驟(2)中所述的加速度包括手指從開始移動到停止下來整個過程采集到的加速度,既可以是正加速度,也可以是負加速度(減速到停止過程)。本設計中以手指觸碰到物體而停止瞬間的負加速度作為判斷值,因為手指在移動的過程中,通常負加速度的絕對值最大,所取值接近不同人敲擊可能產生的最大負加速度絕對值中的最小絕對值。

3.無形輸入方法的設計

本文是以PC輸入法為例,設計了指環鍵盤在輸入狀態所使用的輸入方法。該輸入方法的軟件處理系統以輸入法安裝包的形式安裝于穿戴式接收設備中,并可以通過穿戴式接收設備上的顯示設備對用戶的輸入意圖進行信息反饋。本文設計的輸入法中不包括輸入狀態的進入和退出輸入法,這兩種輸入法是由所針對的穿戴式智能接收系統定義的。

3.1 指環鍵盤輸入模式的定義

用戶可以通過學習簡單的編碼來模擬PC鍵盤。該指環鍵盤可以通過切換選擇不同的鍵盤模式,例如:英語小寫鍵盤(包括拉丁字母a- z),英語大寫鍵盤,數字鍵盤(包含1,2,3,4,5,6,7,8,9,0),標點符號鍵盤,漢語拼音鍵盤以及常用控制按鍵回車,退格,和空格。當用戶輸入1時進入英語小寫鍵盤模式,輸入2時進入英語大寫鍵盤模式,輸入3時進入數字鍵盤模式,輸入4時進入標點符號鍵盤模式,輸入10(用戶先敲擊左手小拇指輸入1,選擇英語小寫鍵盤,然后敲擊右手小拇指輸入0,即此時輸入了10,即此時選擇了漢語拼音輸入法)時進入漢語拼音鍵盤模式。其它按鍵的定義在此不贅述。該鍵盤模式定義流程圖如下圖2所示:

                                           

                      

                       2 鍵盤模式定義流程圖

                 Figure 2  flow chart of keyboard schema definition

3.2 鍵盤狀態選擇的定義

當用戶左手五個手指同時敲擊時,進入鍵盤選擇模式,用戶十個手指(左手小拇指無名指中指食指左手大拇指右手大拇指食指中指無名指右手小拇指)從左到右依次代表數字1234567890,敲擊其中一個有定義的手指選擇鍵盤輸入模式,然后右手五指同時敲擊結束鍵盤選擇狀態。當用戶在選擇狀態先后敲擊兩個手指時,即輸入兩位數字,第一位代表所選擇的語言,第二位代表該語言的輸入法,此時進入輸入法選擇模式,然后右手五指同時敲擊結束選擇狀態。

例如,當用戶左手五個手指同時敲擊,進入鍵盤選擇模式,再敲擊左手小拇指選擇1,然后右手五指再同時敲擊結束選擇狀態,進入英語小寫鍵盤輸入模式。

此時,當用戶左手五指同時敲擊時進入選擇狀態,然后用戶先敲擊左手小拇指選擇英語小寫鍵盤,然后敲擊右手小拇指即輸入10選擇漢語拼音輸入法,右手五指同時敲擊結束輸入法選擇狀態。鍵盤狀態選擇偽代碼如下所示:

BEGIN

 

i <- N <- 0

Scanning ring 30 seconds

if(Left hand five fingers tap at the same time)

{

   While(Not right hand five fingers tap at the same time)

   {

      Scanning ring 30 seconds

      Determine the K value

      if(0 <= K<= 9)

      {

          N + K * 10^i -> N

          i+1 -> i

      }

   }

}

else

{

   Warning error

   N <- 0

}

 

End

4. 各鍵盤模式中手指動作的定義

在對各種鍵盤模式中手指動作的含義設定之前,先對大拇指的動作進行如下定義:在輸入過程中,預裝的軟件系統會首先檢測左右手大拇指的敲擊狀態,在時間內,如果系統檢測到大拇指有敲擊動作,則判定大拇指處于“1狀態”,在時間內如果系統沒有檢測到大拇指的敲擊動作,則判定大拇指處于“0狀態”。其中檢測時間可由用戶根據自己不同的輸入習慣設定不同的值。本文中定義的所有未表明為雙擊的敲擊動作均為單擊。

4.1 英語小寫鍵盤手指動作的定義

當用戶左手五指同時敲擊時,進入鍵盤選擇模式,敲擊左手小拇指即輸入1,再同時敲擊右手五指結束選擇狀態,即進入英語小寫鍵盤模式。當用戶處于小寫鍵盤輸入狀態時,手指敲擊動作代表的含義為:

(1)當用戶兩個大拇指都處于“0狀態”時,剩余八個手指(左手小拇指無名指中指食指左手大拇指右手大拇指食指中指無名指右手小拇指)從左到右的敲擊動作分別代表小寫字母qweruiop,其狀態流程圖如圖3所示。

(2)當用戶兩個大拇指有一個處于“0狀態”時,剩余八個手指(左手小拇指無名指中指食指左手大拇指右手大拇指食指中指無名指右手小拇指)從左到右的敲擊動作分別代表小寫asdfjkl和回車,其狀態流程圖如圖4所示。

(3)當用戶兩個大拇指都處于“1狀態”時,剩余八個手指(左手小拇指無名指中指食指左手大拇指右手大拇指食指中指無名指右手小拇指)從左到右的敲擊動作分別代表小寫字母zxcvbnm和退格,其狀態流程圖如圖5所示。

(4)當用戶兩個拇指都處于“0狀態”時,左右食指的雙擊動作分別代表小寫字母ty;當有一個大拇指處于“0狀態”時,左右食指的雙擊動作分別代表小寫字母gh;左手或右手大拇指的雙擊動作代表空格。

當用戶左手五指同時敲擊進入鍵盤選擇模式后,再敲擊左手無名指,即輸入數字2,進入英語大寫鍵盤模式,然后右手五指同時敲擊結束鍵盤模式選擇狀態,此時用戶處于英語大寫鍵盤輸入狀態。在此狀態下,用戶手指敲擊動作的定義與英語小寫鍵盤的定義是類似的,只需將小寫字母改成大寫字母即可,流程圖也是類似的,本文不再贅述。

                                                                                   

   3 雙拇指“0狀態”流程圖                   4 單拇指“0狀態”流程圖

Figure 3 double thumbs with "0" state       Figure 4 single thumb with "0" state

 

 

 

 

 

 

         

      5 雙拇指“1狀態”流程圖                6 數字鍵盤輸入模式流程圖

Figure 5 double thumbs with "1" state      Figure 6 input mode of digital keyboard

4.2 數字鍵盤和標點符號鍵盤手指動作的定義

當用戶左手五指同時敲擊時,進入鍵盤選擇模式,再敲擊左手中指選擇3,然后右手五指同時敲擊,結束鍵盤模式選擇狀態,此時用戶進入數字鍵盤模式。十個手指(左手小拇指無名指中指食指左手大拇指右手大拇指食指中指無名指右手小拇指)從左到右依次代表數字1234567890。其輸入模式流程圖如圖6所示。

同理,當用戶進入鍵盤選擇模式后,如果敲擊左手食指選擇4,則進入了標點符號鍵盤輸入狀態。在該鍵盤模式中十個手指(左手小拇指無名指中指食指左手大拇指右手大拇指食指中指無名指右手小拇指)從左到右依次代表,。?!:“”;()。其輸入模式流程圖如圖7所示。

                      

                         7 標點符號鍵盤輸入模式流程圖

                    Figure 7  input mode of punctuation keyboard

4.3 漢語拼音鍵盤模式

當用戶左手五指同時敲擊時進入鍵盤模式選擇狀態,用戶先敲擊左手小拇指輸入1即選擇英語小寫鍵盤模式,然后敲擊右手小拇指輸入0,即此時輸入了10,選擇漢語拼音輸入法,然后用戶再同時敲擊右手五指,結束選擇狀態。

此時,用戶即可使用漢語拼音輸入法實現文字的輸入。例如,當用戶想要輸入‘建(jian)’字時,首先同時敲擊左手五指,進入鍵盤模式選擇狀態,然后依次敲擊左手小拇指輸入1(即選擇英語小寫鍵盤模式)和右手小拇指輸入0,即輸入了10,選擇漢語拼音輸入法,最后同時敲擊右手五指,結束選擇狀態。然后用戶就可以根據小寫拼音輸入法成功輸入‘建(jian)’字的拼音,然后通過接收設備上的顯示設備對輸入的信息進行反饋。例如,對于輸入的拼音‘jian’,顯示設備上會出現多個相應的漢字,用戶就可以根據自己的輸入意圖選擇所要輸入的漢字編號,即可實現最終的輸入。 

5.結束語

本文中設計的無形輸入法的軟件處理系統是以安裝包的形式被安裝于穿戴式接收設備中,并可以通過穿戴式接收設備上的顯示設備對用戶的輸入意圖進行信息反饋。對于那些能夠對傳統鍵盤熟練盲打的用戶,就可以通過學習很快的掌握該無形輸入方法。因此,本文設計的指環鍵盤的便攜性及其輸入方法的操作簡便等優勢,對于穿戴式接收設備的推廣和商用化起到很大的推動作用。

參考文獻

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