ручка для ввода рукописной и графической информации в компьютер "shelpen iii"

Формула изобретения

Ручка для ввода рукописной и графической информации в компьютер, содержащая полый корпус, внутри которого размещены пишущий элемент и датчик касания, в полом корпусе размещено 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, отличающаяся тем, что на боковой поверхности ручки располагается миниатюрная видеокамера 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.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области периферийных устройств компьютеров и может быть использовано для ввода рукописной и графической информации и команд в компьютер без помощи клавиатуры.

Известны устройства для ввода графической, а в принципе и рукописной, информации в компьютер, представляющие собой подключаемый кабелем к компьютеру электронно-механический или электронно-оптический блок ("Мышь"), в котором при перемещении его по поверхности стола (листа бумаги) происходит качение обрезиненного шарика и вращение связанных с ним датчиков, фиксирующих перемещение шарика относительно осей координат.

Вращение датчиков преобразуется в электрические сигналы, поступающие по кабелю в компьютер и отображаемое на экране дисплея в виде линий и/или знаков. Кроме того, на блоке имеются кнопки, управляющие режимом работы "мыши" (ж. "Компьютер-пресс", 1989 г., N 10, с. 220).

Недостатком данного устройства является практическая невозможность написания рукописных знаков из-за большого размера шарика (который в принципе не может быть уменьшен), отсутствия следов на бумаге, невозможности наблюдать, как при письме, что пишет в данный момент шарик, так как он находится вне поля зрения оператора, под днищем "мыши". Кроме того, наличие соединительного кабеля мешает работе. Данное устройство при изготовлении требует прецизионной обработки механических деталей и узлов и поэтому достаточно дорого.

Известны также устройства для ввода рукописной и/или графической информации и команд в компьютер, представляющие собой подключаемый к компьютеру оптоэлектронный блок ("Сканер"), в котором при перемещении его по поверхности листа с уже (ранее) написанным текстом или рисунком происходит локальное освещение узкой полосы листа и регистрация изображения этой полосы линейной последовательностью фотопреобразователей.

Наличие или отсутствие текста или контуров рисунка или букв определяется по различной величине отраженного от листа бумаги светового сигнала (Фигурнов В. Э. Работа пользователя с IBM PC. М.: Интервкадро, 1990 г., с. 41).

Недостатком данного устройства является сложность его технической реализации, невозможность ввода или редактирования рукописного текста или рисунка в процессе его написания.

Известны устройства для ввода графической и/или рукописной информации планшетного типа, представляющие собой планшет с нанесенной на его поверхность или размещенной в соседних слоях вблизи поверхности координатной сеткой, представляющей собой взаимно перпендикулярно размещенные проводники. Движение ручки по листу бумаги, размещенному на планшете, вызывает замыкание последовательности электрических контактов в точках пересечения проводников координатной сетки (Пат. Японии В41-57366, G 66 F 3/03, G 06 K 11/06, опубл. 05.12.89, N 6 - 1435).

Аналогичное устройство планшетного типа имеет сетку ортогональных световых лучей над поверхностью планштета, которую пересекает карандаш или ручка при написании текста (Заявка Японии N 63-131222, аннотация опубликована в РЖ "Изобретения стран мира", вып. 117, N 11, 1989 г. - G 03 F 3/03).

Известно также устройство планшетного типа, содержащее координатные шины и индуктивный токосъемник в виде ручки с катушкой индуктивности, соединенной с компьютером кабелем (А.с. СССР N 1506460, G 06 K 11/00, опубл. 07.09.89, БИ N 33).

Недостатком известных устройств является необходимость иметь планшет с созданной каким-либо образом координатной сеткой для определения положения конца датчика ручки, которой записывается текст или рисуется рисунок на бумаге, расположенной на этом планшете. Это ограничивает возможность создания и эксплуатации автономных персональных компьютеров, так как не позволяет, например, делать записи на любом носителе (блокноте, записной книжке, тетради), а только с использованием планшета.

Кроме того, для получения хорошего разрешения и точности воспроизведения рукописного текста требуется координатная сетка с очень малым шагом между проводниками (шинами), а это ведет к сложности изготовления и высокой стоимости таких устройств (PenPad "Newton" стоит 600 USD).

Известно также перо для ввода рукописной информации, содержащее полый корпус, внутри которого расположен пишущий элемент, датчик давления и датчик ускорения, выполненные в виде взаимно перпендикулярных пьезопластин с инерционными элементами, расположенными вдоль оси пишущего элемента в два ряда, в верхнем из которых инерционные элементы закреплены на нижних концах пьезопластин, причем датчик давления выполнен в виде пьезопластины, плоскость которой параллельна оси пишущего элемента и один конец которой жестко закреплен в корпусе, а другой соединен с рычагом, одна сторона которого через амортизирующий элемент связана с корпусом, а другая, через подпружиненный толкатель - с пишущим элементом (А.с. СССР 3811307, G 06 K 11/06, опубл. 07.03.81, БИ N 9).

Недостатком известного устройства является то, что величина электрического сигнала, возникающего в пьезоэлементе при его инерционном перемещении при письме, сравнима с величиной сигнала, возникающего от вибрации ручки на неровностях бумаги. Так как величина сигнала с пьезоэлемента мала, требуется дополнительное его усиление, при этом проблема выделения полезного сигнала из смеси сигнал+шум ("Скрип пера по бумаге") усугубляется.

Имеется и еще один существенный недостаток: так как ручка при письме располагается под углом к поверхности бумаги, инерционные колебания пьезоэлементов в плоскости наклона ручки и в перпендикулярной происходят по-разному, причем плоскость колебаний пьезоэлементов располагается вдоль оси ручки, но пишущий конец ручки колеблется в плоскости бумаги, а не перпендикулярно продольной оси ручки, что и определяет сложный и взаимозависимый характер колебаний, значительно усложняющий задачу дешифрирования и идентификации пишущихся символов.

Известно также устройство для ввода рукописных символов, содержащее в полом корпусе пишущий элемент, расположенные вдоль стержня пьезоэлектрические пластины, одни концы которых с расположенными на них электродами, соединенными с выходными шинами, закреплены в корпусе, а также инерционные элементы, связанные с другими концами пьезоэлектрических пластин. Момент касания пера к бумаге определяется датчиком касания, представляющим собой подпружиненный контакт, замыкающийся, когда перо прикасается с некоторым усилием к поверхности бумаги (А. с. СССР N 638988 G 06 K 9/00, опубл. 25.12.78, БИ N 47).

Недостатки данного устройства те же, что и у предыдущих:

необходимость усиления слабого сигнала с пьезопластин

наличие помехи типа "скрипа пера", по величине, сравнимой с полезным сигналом и усложняющей выделение полезного сигнала из смеси сигнал+шум

несовпадение плоскости колебаний конца пишущего элемента и инерционных пьезоэлектрических датчиков, что приводит к сложной неоднозначной зависимости величины электрического сигнала от величины ускорений во взаимно перпендикулярных плоскостях

инерционные периодические затухающие колебания системы масс датчиков при перемене направления движения, налагающиеся на полезный сигнал

и по этой причине - неадекватная идентификация написанных символов.

Наиболее близким по существу решаемой задачи является ручка "ShelPen", содержащая полый корпус, внутри которого расположен пишущий элемент, верхним концом упирающийся в датчик касания инерционный датчик, представляющий собой поверхность, на которой расположено металлическое кольцо, которое при письме перемещается под действием сил инерции и замыкает секторные контакты, расположенные на внутренней поверхности корпуса с общим контактом, размещенным на поверхности. В верхней части корпуса расположены цифровые схемы логики контроля состояния контактов инерционного элемента, передающего устройства и аккумулятора для питания электронных узлов устройства. Подвижное кольцо и сегментные контакты подключены к входу схемы логики контроля состояния контактов инерционного элемента, выход схемы логики подключен к входу передающего устройства, а его выход подключен к излучателю (антенне).

Целью предлагаемого изобретения является повышение надежности работы устройства для ввода рукописной информации в компьютер и точности ее идентификации.

Для достижения поставленной цели, в предлагаемом устройстве, ручке для ввода рукописной информации в компьютер, как и в известном, имеется полый корпус, внутри которого размещен пишущий элемент, верхним концом упирающийся в датчик касания, подключенный к устройству (далее блок) связи с компьютером. В верхней части внутри корпуса ручки размещены блок связи с компьютером, включающий передающее устройство (радио-, оптическое или ультразвуковое) и излучатель, а также источник питания (аккумулятор).

В отличие от известного, предлагаемое устройство содержит миниатюрную видео (ТВ) камеру, размещаемую на боковой поверхности ручки так, чтобы в поле ее зрения находилась пишущаяся информация. Выход видеокамеры подключен к входу блока связи с компьютером.

Сравнение с прототипом показывает, что предлагаемое устройство отличается от него наличием нового узла - миниатюрной видеокамеры, поэтому оно соответствует критерию "новизна".

Известные датчики типа "перо" являются электромеханическими устройствами и используют инерционный принцип преобразования движения "пера" в последовательность электрических импульсов для идентификации пишущихся символов и фигур. Все они обладают рядом качеств, затрудняющих идентификацию именно по причине присутствия массы как таковой в инерционном датчике, инерционные колебания которой искажают регистрируемую картину движения конца "пера".

Оптоэлектронным прибором, позволяющим вводить уже написанную информацию, является "сканер", не имеющий инерционных механических узлов и использующий принцип преобразования оптического сигнала в электрический. Однако трудно приладить сканер, даже ручной, к ручке для целей регистрации и идентификации пишущих знаков.

Возможно в принципе (хотя автор и не встречал чего-либо подобного) использование для этой же цели (ввод и идентификация уже написанной информации) стандартной видеокамеры, однако, как и предыдущее устройство, ее невозможно приспособить к ручке для ввода информации в процессе написания. Да и цена у видеокамеры...

Такая возможность появилась в связи с последними сообщениями (фирма Toshiba, Япония) о возможности создания чувствительного элемента видеокамеры на МДП структурах, а не на приборах с зарядовой связью (ПЗС), как обычно, потребляющих на порядок меньший ток и имеющих много меньшие размеры. Это и дает возможность говорить о появлении возможности создания оптоэлектронного, а не электромеханического устройства для ввода рукописной информации в компьютер. До сих пор автор не обнаружил какой-либо информации о таком использовании видеокамер. По этой причине предлагаемое техническое решение неочевидно и имеет изобретательский уровень, так как явно не следует из известных технических решений.

Предлагаемое техническое решение необходимо для каждого персонального компьютера, причем в уже имеющихся оно будет работать параллельно с клавиатурой, а в будущих компьютерах позволит избавиться от клавиатуры вообще, обеспечивая естественный (рукописный) ввод информации в компьютер. То есть оно найдет широкое применение в промышленности, науке и технике.

На фиг. 1 представлен общий вид ручки. Здесь изображены: 1 - пишущий элемент, 2 - полый корпус, 3 - видеокамера, 4 - соединительный кабель, 5 - датчик касания, 6 - блок связи с компьютером, 7 - передающее устройство, 8 - излучатель (в случае связи по радио - антенна).

В полом корпусе ручки 2 установлен пишущий элемент 1. На боковой поверхности ручки укреплена миниатюрная видеокамера 3. В съемной верхней части корпуса 2 размещены электронные схемы датчика касания 5, блок связи с компьютером 6, передающего устройства 7, а также излучатель 8. Верхний торец пишущего элемента 1 упирается в нажимной контакт 5, являющийся датчиком касания. Видеокамера 3 и блок связи с компьютером 6 соединены кабелем 4. Выход передающего устройства 7 подключен к излучателю 8. Питание видеокамеры и электронных блоков ручки осуществляется от источника питания, подзарядка которого происходит во время перерывов в работе от зарядного устройства, размещенного, например, в корпусе компьютера.

Работа устройства. При необходимости ввести текст или команды в компьютер, ручка берется в руку как обычная пишущая ручка и осуществляется написание пишущим элементом 1 текста, команд или графиков на листе обычной бумаги. При этом при нажатии на ручку замыкается контакт 5, 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.

Рассмотрим, как происходит написание линии: после срабатывания датчика касания включается таймер, определяющий периодичность съемки кадров. По мере движения ручки происходит смещение кадров, информация в каждом из них связывается с соседним методами корреляционной обработки видеоинформации ("глаз лягушки": новые объекты добавляются, неизменные детали отбрасываются). Направление перемещения ручки вычисляется по положению конца линии в соседних кадрах.

Рассмотрим теперь написание текста. При этом происходит последовательная с постоянной частотой фиксация кадров и селекция вновь появившихся элементов (тем же методом, что и выше), которые интерпретируются как буквы. Определение буквы происходит путем последовательного сравнения выделяемых букв с образцами, которые хранятся в памяти компьютера. Если последующий символ остается неидентифицированным, он выводится в том виде как есть.

Для настройки системы на конкретного пользователя с целью определения характерных особенностей его письма, перед началом работы ему предлагается написать ручкой несложный текст типа "Quick brown fox jumps ower the lazy dog", чтобы установить скорость и особенности почерка, размах и форму написания и т.д.

Позиционирование ручки относительно листа бумаги производится путем поднятия ручки на такую высоту относительно листа, что бы он весь, или его верхний край попадал в поле зрения камеры. Относительно зафиксированного края производится отсчет положения ручки.

Устройство уверенно работает с простейшим передатчиком 5 мВт и приемником прямого усиления на расстоянии до 10 м от компьютера.

В настоящее время устройство собрано в виде макета. В качестве телекамеры используется микросхема динамической памяти типа 565РУ5 со спиленной крышкой корпуса так, что кристалл памяти освещается отраженным от листа бумаги светом. В электронной части параллельного интерфейса устройства использованы микросхемы 555 серии.

В настоящее время производится вывод изображения на экран компьютера без идентификации букв. Ведется разработка программного обеспечения, причем предполагается использование известных пакетов типа AUTHOR и LINGVA.

Использование предлагаемого изобретения, в конечном счете, позволит избавиться от клавиатуры компьютера вообще и вводить информацию в него естественным образом - путем написания ее на бумаге ручкой.