TWI520015B - 混合式人因介面裝置 - Google Patents

Description

混合式人因介面裝置

本發明係關於一種混合式人因介面裝置，特別係關於一種混合式人因介面裝置，其包含一光學導航模組用以感測至少一手指之手勢及一模組用以導航一主機裝置之指向指標或游標。

習知指向裝置中，例如一光學滑鼠及一滾輪滑鼠，顯示於一主機之顯示器之一指向指標係被該指向裝置與一表面間之一相對位移所控制。該指向裝置通常包含兩按鍵(左鍵及右鍵)用以啟動相關於該顯示器上該指向指標移動之命令。通常，當一使用者想要執行程式、拖曳圖示或修改圖案等，該使用者移動該顯示器上之指向指標並將該指向指標指向一特定的圖形使用者介面(GUI)上後，按壓至少一按鍵以啟動命令。為了提高習知指向裝置之應用，某些指向裝置上設置有兩個以上的按鍵。因此，使用者可定義特定功能，其透過按壓額外的按鍵或同時按壓多個按鍵並移動顯示器上之指向指標來啟動。

然而，由於使用者同時最多只能使用五隻手指來操作按鍵，設置太多按鍵會造成使用者的困擾。例如，當使用者嚐試按壓許多按鍵時，該使用者可能難以移動指向裝置來移動顯示器上之指向指標。

另一種指向裝置係提供一光學感測模組以取代習知滑鼠。該光學感測模組用以發光至手指並接收該手指所反射之光以感測該手指之移動，藉以控制顯示器上之指向指標。此種指向裝置較小型且感測區域相對較小，然其確有解析度低、難以精確操控指向指標及難以快速移動指向指標等缺點。

此外，由於使用者之手及手指的不穩定操作，上述習知滑鼠難以控制指向指標筆直的朝向一方向移動、沿著一特定路徑移動、繪製 一平滑的弧線或進行正確的細微移動。

近年來，業界提出一種具有一電容式觸控模組(CTM)或一電阻式觸控模組(RTM)之指向裝置。該電容式觸控模組或電阻式觸控模組係用以感測手指之觸控動作以啟動命令。更詳細而言，該電容式觸控模組或電阻式觸控模組具有一感測陣列均勻地分布於一感測區域上。當手指適當的接觸該感測區域，該觸控動作將會造成該感測陣列之電性變化以標示該感測陣列上之接觸位置。然而，為了確保能夠正確地偵測手指，整個電容式觸控模組或電阻式觸控模組必須維持正常運作。一但電容式觸控模組或電阻式觸控模組的一部分運作不正常，則無法正確地偵測手指之移動。再者，手指必須以足夠力道確實接觸電容式觸控模組或電阻式觸控模組以被該指向裝置所感測。上述這些特性均限制了此技術之應用。

有鑑於此，提出一種能夠不需使用按鍵即可以不同方式啟動命令以及可精確移動以達到更加控制之指向裝置是非常重要的。

本發明提供一種包含一光學導航模組及一指向模組之一混合式人因介面裝置。該指向模組用以感測該混合式人因介面裝置相對於一表面之移動以導航例如一電腦或一電視等一主機裝置之一指向指標或一游標。該光學導航模組用以取代例如一光學滑鼠或一滾輪滑鼠等習知指向裝置之習知按鍵(例如左鍵、右鍵或滾輪)。該光學導航模組用以感測使用者至少一手指之手勢以啟動一主機所執行特定程式之命令。由於該光學導航模組僅用以感測該手指之手勢而非該混合式人因介面裝置相對該表面之移動，該光學導航模組之解析度只要能足夠感測手勢即可而不需太高。

本發明另提供一種包含一光學導航模組及一指向模組之一混合式人因介面裝置。該光學導航模組用以輔助移動指向指標更貼近使用者之需求。透過感測至少一手指之特定手勢，該光學導航模組可用以啟動一命令來限定指向指標之移動方向，藉以筆直的移動顯示器上之指向指標。因此，使用者可比習知指向裝置更精確地操控指向指標沿著所期望的方向移動。此外，透過感測至少一手指之特定手勢，該光學導航模組可配合一鍵盤上至少一按鍵直接移動指向指標、以相對較高的速度在顯示器上移動指向指標、在一限定範圍內直接移動指向指標或以不同速度移動視窗。

由於該光學導航模組能以多種方式被操作，例如滑動至少一手指、執行一手勢、以多指觸控、以至少一手指點擊及以至少一手指旋轉等，相較於習知指向裝置中使用者僅能選擇按壓或不按壓其上的按鍵以啟動命令，本發明之該光學導航模組可提供更直覺的方法來操控顯示器上之指向指標或視窗。

本發明之光學導航模組包含至少一影像感測器、至少一光源及至少一散射層(scattering layer)。該光源發光且一使用者所操作的至少一物件反射被發出之光以被該影像感測器所接收。由於該物件手勢之不同動作於該影像感測器造成不同影像，該光學導航模組則轉換該影像為電信號以控制一顯示器上之指向指標或啟動一主機運行之特定程式。該散射層用以散射該光源所發出之光或自該物件之反射光。沒有該散射層，在該物件確實觸碰到該第二模組之前，該反射光的強度可能太強並造成誤動作。

本發明之混合式人因介面裝置係用以供一使用者操作於一表面上。該混合式人因介面裝置包含一第一模組、一第二模組及一處理器。該第一模組用以感測該混合式人因介面裝置相對於該表面之移動。該第二模組包含一光源、一影像感測器及一散射層。該光源用以發光。該影像感測器用以擷取包含該使用者所操作至少一物件反射該光源所發出之光的至少一光點之一影像。該散射層用以散射該光源所發出之光或自該物件之反射光。該處理器用以根據該影像中該光點之位置信息辨識手勢並產生該物件之一位置訊號。

本發明可透過加入本發明之光學導航模組及改變相關週邊裝置以整合於習知光學滑鼠或滾輪滑鼠結構中。在本發明一實施例中，該混合式人因介面裝置所包含之該第一模組及該第二模組可共用相同光源。

為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

10‧‧‧混合式人因介面裝置

101‧‧‧影像感測器

105‧‧‧光源

107‧‧‧操作區域

108‧‧‧指向模組

109‧‧‧處理器

201‧‧‧散射層

203、301、302‧‧‧隆凸

303、304‧‧‧凹陷

305‧‧‧粒子

401、501‧‧‧濾光片

圖1顯示本發明第一實施例之混合式人因介面裝置之示意圖。

圖2(a)-2(c)顯示具有隆凸之散射層之數個實施例。

圖3(a)-3(e)顯示本發明之散射層之數個實施例。

圖4顯示本發明之另一實施例。

圖5顯示本發明中整合在一散射層之一濾光片。

圖6-7顯示本發明另一實施例之混合式人因介面裝置之示意圖。

為了讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯，下文將配合所附圖示，作詳細說明如下。此外，於本發明之說明中，相同之構件係以相同之符號表示，於此合先敘明。

下列說明中，將以實施例說明本發明之混合式人因介面裝置，其具有一光學導航模組用以取代習知具有按鍵之指向裝置。然而，本發明之實施例並不限定於任何特定環境、應用或實施方式。因此，下列各實施例之說明僅為用以說明，並非用以限定本發明。可以瞭解的是，與本發明不直接相關之構件已省略而未顯示於下列實施例及圖示中。

下列圖示中顯示本發明之數種範例，其類似於習知滑鼠。亦即，下列本發明之混合式人因介面裝置係用以包含一指向模組其可導航例如一電腦或一電視等主機裝置之一指向指標或一游標。在其他實施例中，該指向模組可被其他裝置所取代，例如一滾輪指向模組或一機械導航模組。本發明所屬領域具有通常知識者可暸解習知指向模組之功能，故下列說明中將不再贅述。

圖1顯示包含本發明第一實施例之混合式人因介面裝置10之示意圖。該混合式人因介面裝置10包含一影像感測器101、一光源105及一處理器109，該處理器109電性連接至該影像感測器101、該光源105及一指向模組108。本實施例中，該指向模組108如同一傳統光學滑鼠模組。其他實施例中，該指向裝置可以是一習知電視遙控器模組或一習知光學滾輪模組。

必需注意的是，該光源及影像感測器之數目並非用以限定 本發明。該混合式人因介面裝置10另具有一操作區域107，其為一觸控板之上表面以供一使用者置放至少一手指並於其上移動手指。如圖1所示，該光源105發光且使用者手指反射該被發出之光。反射光被該影像感測器101所接收並取得一影像訊號。一般而言，該影像訊號強度與該影像感測器101所接收的反射光強度是成比例的。該處理器109用以根據該影像之該光點之變化辨識介於該手指與該光源105之一相對距離並產生該手指之一位置訊號。因此該位置訊號係用以控制該指向指標或該游標。例如，位置訊號之一序列可被理解成觸發該主機之一命令之一手勢。此外，該位置訊號用以適用並相關於該指向模組以觸發一命令。例如，該指向模組可選擇一圖示或開始一程式，然後該位置訊號可觸發一命令用以執行該圖示或程式。

該光源105所發出之光在到達該使用者之手指前將被一散射層散射。或者從該手指之反射光在到達該影像感測器101之前將被該散射層散射。因此從該手指到該影像感測器101之反射光有較低的強度。否則，在該手指確實觸碰到該操作區域107之前，其亦被稱之為懸浮狀態(hovering status)，該手指可造成太強之反射光。在懸浮狀態下，該處理器109可能會誤判該手指已置放於該操作區域107。本發明用以減少懸浮狀態造成的誤動作。該散射層可散射該光源105之光因而減少該手指反射光之光強度。在該手指未到達該操作區域107而該手指與該操作區域107之間的距離足夠短以形成該反射光時，該散射層用以減少該影像訊號之強度以低於一門檻值，因此該處理器109不對該懸浮狀態作出反應直到該手指觸碰到該操作區域107。較佳地，該影像訊號與雜訊的訊噪比(SNR)用以決定該門檻值。當該訊噪比大於一預設值，例如訊噪比等於2，時該處理器109判定該手指觸碰到該操作區域107。因此，在懸浮狀態下，該散射層用以減少該訊噪比至夠低的值。

為了達到前述之門檻值，該散射層可透過塗布一光學散射材料(例如一金屬材料或其他具有高反射係數之材料)在該散射層至少一表面上所形成。再者，該散射層也可透過蝕刻該散射層至少一表面以在該底部表面形成複數凹陷(recesses)所形成。或者該散射層可透過形成複數隆凸(protuberance)在該散射層至少一表面上所形成。或者該散射層可透過其內部摻雜複數粒子所形成。前述方法用以減少從該光源105到達該手 指前之光量。較佳地，該塗層(即光學散射材料)之一面積及前述凹陷、隆凸或粒子之一直徑介於10微米至100微米的範圍。

對於現行的滑鼠設計，該散射層可相對地設置於許多位置。例如，該操作區域107可作為該散射層之上表面，而且該操作區域107可製作有前述散射特徵，例如蝕刻、塗布、凹陷及隆凸。另一方面，該散射層可與該操作區域107不同層而設置於該操作區域107下方。某些設計中，為消除懸浮狀態一滑鼠可具有一個以上的散射層，因為愈多的散射層，該光線就能更均勻地被散射。

圖2(a)-2(c)顯示具有隆凸的散射層之數個實施例。這些圖例示例地顯示該散射層及該操作區域之相對位置。圖2(a)顯示一散射層201於一表面有多處隆凸203。該等隆凸203形成於該散射層201之上表面，且該光源105所發出之光在到達該手指之前將被該等隆凸203散射。同樣地，圖2(b)顯示一散射層201具有多處隆凸203。圖2(a)與2(b)之不同為圖2(b)之該等隆凸203形成於該散射層201之下表面。

圖2(c)顯示一操作區域107具有多處隆凸203形成於一表面，且該光源105所發出之光在到達該手指前將被該等隆凸203散射。本實施例中，可以瞭解該操作區域107係製作有散射特徵，亦即該操作區域107為該散射層供手指放置之一面。

上述實施例中，該散射層可不只一層以達成特定散射之設計並減少懸浮狀態。

圖3(a)-3(e)顯示該散射層之數個實施例。這些圖例示例地顯示多種散射層設計。圖3(a)顯示一散射層201具有隆凸301於該上表面，該等隆凸301例如可透過印刷/黏合散射材料或於該表面長成散射材料所形成。示例地，該散射材料可以是初硬化階段(A-stage)、半硬化階段(B-stage)或不溶階段(C-stage)之樹脂。圖3(b)與圖3(a)相似，而圖3(b)與圖3(a)之不同為圖3(b)顯示該等隆凸302位於下表面。圖3(c)顯示一散射層201具有凹陷303位於上表面，該等凹陷303例如可透過蝕刻該散射層201之上表面或模造該散射層201所形成。圖3(d)與圖3(c)相似，而圖3(d)與圖3(c)之不同為圖3(d)顯示該等凹陷304位於下表面。圖3(e)顯示一散射層201內部具有粒子305用以散射光。

該混合式人因介面裝置10可包含一濾光片以濾除不要的光，因此該影像感測器101可正確地接收源自該光源105的光。圖4顯示本發明之另一實施例，其中一濾光片401設置在該影像感測器101與該操作區域107之間。例如，當該光源105發出紅外光，該濾光片401用以濾除可見光，因此該影像感測器101可以充分地接收從該光源105發出而被該手指反射後之紅外光。當該光源105用以發出特定波長之光，該濾光片401可被相對應地選用以濾除其他波長之光。

在其他實施例中，為了要過濾不要的光，該影像處理器可搭載濾光片，例如設置一濾光片至少部分覆蓋於該影像感測器或至少部分塗布一濾光層於該影像感測器。此外，該濾光片可整合在該散射層。圖5示例地顯示一濾光片501整合在該散射層201。

另一實施例中，該影像感測器101可設置在該混合式人因介面裝置10內一垂直壁面102之上，如圖6及圖7所示，以致於該影像感測器101在該混合式人因介面裝置10被該使用者的手抓取時可以僅擷取該操作區域107上之手指而不會偵測到手掌。更精確的說，該垂直壁面102可具有一端直接連接至(或延伸自)該操作區域107之一端而非設置成相對於該操作區域107以於在該垂直壁面102與該操作區域107之間形成一夾角，例如70至110度之間。另一實施例中，該垂直壁面102之一端可連接至(或延伸自)該混合式人因介面裝置10之上外殼，其延伸自該操作區域107(亦即該操作區域107係為該上外殼之一部分)，伴隨著其間一夾角，例如70至110度之間。另一實施例中，只要該影像感測器101可被配置成面對該混合式人因介面裝置10之前端，該垂直壁面102可以不直接連接至該上外殼及該操作區域107。藉此，該影像感測器101係被配置成面對該操作區域107上該手指向前或向後移動之一方向，例如進行捲動操作。更精確的說，本實施例中該影像感測器101之一視野係實質地朝向一水平方向(亦即平行於操作該混合式人因介面裝置10之一工作表面S或該混合式人因介面裝置10之一底部表面，其於操作時放置於該工作表面S)而非朝向上方。亦即，該影像感測器101之一視野包含平行該混合式人因介面裝置10之一底面的平面。可以瞭解的是，該光源105並非限定於設置在如圖6及圖7所示之位置，只要可以照亮該操作區域107，該光源105可設置在任何適合 位置。

本實施例中，該垂直壁面102可由適合的材質例如塑膠或橡膠所製成。該垂直壁面102可以是該混合式人因介面裝置10之另一元件的一延伸部分或是一獨立構件透過至少一牢固件固定至該混合式人因介面裝置10之另一元件而沒有任何限制，只要可以固定在該混合式人因介面裝置10內即可。

該操作區域107可以形成如圖6所示的一弧形，或如圖7所示的一傾斜的平坦表面而沒有任何限制，該操作區域107可以僅形成在該混合式人因介面裝置10之前面上方部分且為對於該光源105所發出之光為透明。一實施例中，由於該混合式人因介面裝置10之後面上方部分係供該使用者放置他/她的手掌於其上，該後面上方部分對於該光源105所發出之光較佳為不透明。可以瞭解的是，該操作區域107並非僅限定為該混合式人因介面裝置10之該上外殼的一半，該操作區域107可以大於或小於該混合式人因介面裝置10之上外殼的一半。

藉此，該影像感測器101可擷取一影像，其包含操作在該操作區域107上之至少一物件(例如該手指)反射自該光源105所發出之光直接至該影像感測器101形成之至少一光點。該處理器109即可根據被擷取影像中至少一光點定位該至少一物件。

一實施例中，為了防止該光源105所發出之光被該影像感測器101直接接收而降低影像品質，該混合式人因介面裝置10可另包含一阻光件11設置在該混合式人因介面裝置10的外殼內並介於該光源105及該影像感測器101間以阻擋該光源105所發出之光。可以瞭解的是，該阻光件11的尺寸及位置沒有特定限制，只要可以防止該光源105所發出之光被該影像感測器101直接接收即可。另一實施例中，該光源150的發光範圍可被該光源150前方一第二光學透鏡定義而不需要該阻光件11。

上述光源可為任何習知光源，例如發光二極體、雷射二極體或紅外光光源等，但本發明並不限於此。使用紅外光光源的優點在於利用其不可視的特點以避免影響使用者的視覺。從接觸的手指之移動所擷取之追蹤資訊亦可用以協助移動顯示器上之指向指標。例如，當該光學導航模組偵測接觸的手指之移動方向相同於指向模組之移動方向，例如接觸的 手指向左移動且指向模組向左移動指向指標，該指向指標可加速向左移動。或者，該光學導航模組可在搭配或不搭配鍵盤上至少一按鍵下，在偵測一特定手勢後透過於該操作區域上移動至少一手指來暫時控制指向指標之移動。上述各實施例之該操作區域及(或)該影像感測器可設置為具有一傾斜角以便於放置手指及易於感測影像。

如上所述，習知具有光學感測模組之指向裝置具有難以精確控制指向指標及難以較高速移動指向指標之問題。而且習知具有電容式觸控模組或電阻式觸控模組之指向裝置必須以較大的按壓力道來操作且必須維持於良好狀態。因此，本發明提供一種混合式人因介面裝置，其具有多指觸控功能以致能較為直覺的操作。再者，由於本發明之光學導航模組係用以感測使用者手指之手勢或移動，上述各實施例中光學導航模組之影像感測器之解析度可低於指向模組之影像感測器之解析度。

雖然本發明已以前述實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與修改。因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

10‧‧‧混合式人因介面裝置

101‧‧‧影像感測器

105‧‧‧光源

107‧‧‧操作區域

108‧‧‧指向模組

109‧‧‧處理器

Claims (20)

1. 一種混合式人因介面裝置，用以供一使用者操作於一工作表面上並產生該混合式人因介面裝置與該工作表面間之相對移動，該混合式人因介面裝置包含：一第一模組，用以感測該混合式人因介面裝置相對於該工作表面之一移動；一垂直壁面，位於該混合式人因介面裝置內部；一第二模組，包含：一操作區域，位於該混合式人因介面裝置之一前面上方部份供該使用者之一手指放置，其中該垂直壁面位於該操作區域之一後端；一光源，用以發光；及一影像感測器，設置在該垂直壁面以避免該影像感測器偵測到該使用者之一手掌並具有一視野平行該混合式人因介面裝置之一底面，且用以擷取包含該使用者之該手指反射該光源所發出之光直接至該影像感測器形成的至少一光點之一影像；一散射層，用以散射該光源所發出之光及/或自該手指之反射光；以及一處理器，用以根據該影像之該光點之變化辨識該手指與該光源間之一相對距離並產生該手指之一位置訊號；其中該散射層用以減少該手指至該影像感測器之該反射光之一光強度。
2. 如申請專利範圍第1項所述之混合式人因介面裝置，其中該第一模組為一光學導航模組或一機械導航模組。
3. 如申請專利範圍第1項所述之混合式人因介面裝置，其中該散射層設置於該操作區域與該光源之間。
4. 如申請專利範圍第1項所述之混合式人因介面裝置，其中該散射層透過塗布一光學散射材料在該散射層至少一表面上所形成。
5. 如申請專利範圍第1項所述之混合式人因介面裝置，其中該散射層透過蝕刻該散射層至少一表面以形成複數凹陷所形成。
6. 如申請專利範圍第1項所述之混合式人因介面裝置，其中該散射層透過形成複數隆凸在該散射層至少一表面上所形成。
7. 如申請專利範圍第1項所述之混合式人因介面裝置，其中該散射層透過於其內部摻雜複數粒子所形成。
8. 申請專利範圍第4項所述之混合式人因介面裝置，其中該塗布之一面積具有一直徑介於10微米至100微米的範圍。
9. 如申請專利範圍第1項所述之混合式人因介面裝置，其中該光源用以發出一特定波長之光，且該第二模組另包含一濾光片用以濾除該特定波長以外之光。
10. 如申請專利範圍第1項所述之混合式人因介面裝置，其中該第一模組包含一影像感測器，且該第二模組之該影像感 測器之一影像解析度小於該第一模組之該影像感測器之一影像解析度。
11. 如申請專利範圍第5項所述之混合式人因介面裝置，其中該等凹陷具有一直徑介於10微米至100微米的範圍。
12. 如申請專利範圍第6項所述之混合式人因介面裝置，其中該等隆凸具有一直徑介於10微米至100微米的範圍。
13. 如申請專利範圍第7項所述之混合式人因介面裝置，其中該等粒子具有一直徑介於10微米至100微米的範圍。
14. 如申請專利範圍第1項所述之混合式人因介面裝置，另包含一阻光件介於該光源及該影像感測器之間。
15. 如申請專利範圍第3項所述之混合式人因介面裝置，其中該垂直壁面與該操作區域間之一夾角係介於70至110度。
16. 一種混合式人因介面裝置，用以供一使用者操作於一工作表面上並產生該混合式人因介面裝置與該工作表面間之相對移動，該混合式人因介面裝置包含：一第一模組，用以導航一主機裝置之一指向指標或一游標；一垂直壁面，位於該混合式人因介面裝置內部；一第二模組，包含：一操作區域，位於該混合式人因介面裝置之一前面上方部份供該使用者之一手指放置，其中該垂直壁面位於該操作區域之一後端；一光源，用以發光；及 一影像感測器，設置在該垂直壁面以避免該影像感測器偵測到該使用者之一手掌並具有一視野平行該混合式人因介面裝置之一底面，且用以擷取包含該使用者之該手指反射該光源所發出之光直接至該影像感測器形成的至少一光點之一影像；一散射層，用以散射該光源發出之光及/或自該手指之反射光；以及一處理器，用以根據該影像之該光點之變化辨識該手指與該光源間之一相對距離並產生該手指之一位置訊號，且該位置訊號用以適用並相關於該第一模組以觸發一命令；其中該散射層用以減少該手指至該影像感測器之該反射光之一光強度。
17. 如申請專利範圍第16項所述之混合式人因介面裝置，另包含一阻光件介於該光源及該影像感測器之間。
18. 如申請專利範圍第16項所述之混合式人因介面裝置，其中該操作區域相對於該垂直壁面具有一夾角介於70至110度。
19. 一種混合式人因介面裝置，用以供一使用者操作於一工作表面上並產生該混合式人因介面裝置與該工作表面間之相對移動，該混合式人因介面裝置包含：一第一模組，用以感測該混合式人因介面裝置相對於該工作表面之一移動；一垂直壁面，位於該混合式人因介面裝置內部； 一第二模組，包含：一操作區域，僅位於該混合式人因介面裝置之一前面上方部分並相對於該垂直壁面具有一夾角介於70至110度，其中該垂直壁面位於該操作區域之一後端；一光源，用以向該操作區域發光；及一影像感測器，設置在該垂直壁面以避免該影像感測器偵測到該使用者之一手掌並具有涵蓋該操作區域之一視野，且用以擷取包含操作於該操作區域上之至少一手指反射該光源所發出之光直接至該影像感測器形成的至少一光點之一影像；及一處理器，用以根據該影像中該至少一光點定位該至少一手指。
20. 如申請專利範圍第19項所述之混合式人因介面裝置，另包含一阻光件介於該光源及該影像感測器之間。