一种笔迹数字化实现装置及其方法
【专利摘要】本发明公开了一种笔迹数字化实现装置及其方法，包括中空笔体和用于纸张书写的笔芯，笔芯内置于笔体内，笔体内还设有惯性测量系统、笔尖压力感应系统、控制单元、无线通信模块和电池，笔尖压力感应系统输出数字信号给控制单元，控制单元依据数字信号判定笔尖处于书写或抬笔状态，惯性测量系统测量笔尖书写时的加速度，并将加速度输出至控制单元；控制单元根据惯性测量系统输出的加速度求时间的积分，得出笔尖书写速度，再次求时间的积分，得出笔尖在纸平面上的位移，从而得出笔尖在纸平面上相对于初始位置的位置信息。本发明在进行传统纸张书写的同时实现了笔迹数字化操作，保留了传统纸张书写体验与习惯，利于产品的普及和推广。
【专利说明】一种笔迹数字化实现装置及其方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种笔迹数字化实现装置，还涉及一种笔迹数字化实现方法，属于数据处理装置【技术领域】。
【背景技术】
[0002]笔迹数字化技术对教育行业和办公领域具有重大应用意义。在信息技术应用于教育的前景和趋势下，中小学生不改变现有书写习惯，笔迹数字化技术将生成学生作业的数字记录，帮助日常教学实现更好的学习诊断，因材施教，交互学习等教育教学理念。目前许多能实现笔迹数字化的技术都是不符合传统书写方式或笔迹的定位方式是非自主性的。符合传统书写方式指的是用普通的笔在普通的纸上书写，不改变已有的书写方式或书写体验。自主定位指的是不依靠笔的外部装置就能实现书写笔迹的定位。
[0003]现有技术中有一种数字手写板，包括划笔和手写底板，划笔的手写体验不同于普通笔在普通纸上的书写感觉和体验，不能产生传统书写笔迹，且划笔笔迹的定位必须依靠外部装置，比如红外线，超声波，或手写底板的位置感应等装置来实现笔迹坐标的定位。带原笔迹手写笔的平板电脑也是一种非传统书写、非自主定位的笔迹数字化实现方式。无论是使用有源笔或者是无源笔都要和平板电脑的电磁感应屏配套起来使用，才能定位书写笔迹的坐标位置。
[0004]其不足之处在于:基于非传统书写方式和非自主定位的笔迹数字化实现方法比较大地改变了人们平时的书写体验和书写习惯，不利于产品的推广和普及应用；现有手持移动设备使用的惯性系统比如MEMS加速度传感器芯片，虽然体积、功耗、和成本可以普及应用，但因为基于MEMS技术惯性系统的定位精度不高、误差较大等原因，还远远达不到对书写笔迹定位的精度和准确度要求。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种笔迹数字化实现装置，解决现有技术中笔迹数字化装置不具备传统纸张书写体验且不能够自主定位实现笔迹数字化的技术问题。
[0006]本发明的目的是这样实现的:一种笔迹数字化实现装置，包括中空笔体和用于纸张书写的笔芯，所述笔芯内置于笔体内，其特征在于，所述笔体内还设有惯性测量系统、笔尖压力感应系统、控制单元、无线通信模块和电池；所述惯性测量系统和笔尖压力感应系统，和无线通信模块分别通过数字接口与控制单元连接；
所述惯性测量系统用于测量笔尖在书写时因移动而产生的加速度，并将加速度通过数字接口输出至控制单元；
所述笔尖压力感应系统包括压力传感器和模数转换器，压力传感器感应笔尖压力，将所述压力转换成电信号传输给模数转换器，模数转换器将电信号转换成数字信号输出至控制单元； 所述控制单元根据笔尖压力感应系统发出的数字信号判断笔尖处于书写或是抬笔状态，控制单元根据惯性测量系统输出的加速度计算笔尖的位置信息；
所述无线通信模块用于将数字化笔迹位置信息无线传输给外部接收设备；
所述电池用于给惯性测量系统、笔尖压力感应系统、控制单元和无线通信模块供电。
[0007]所述惯性测量系统包括有微机械和质量体位移测量装置，所述微机械包括壳体和设置于壳体内的质量体，质量体与壳体之间有阻尼介质，质量体通过弹簧与壳体相连，所述质量体位移测量装置包括光源和与光源对应设置的感光传感器，所述光源固定在质量体上，光源发出的光束方向与质量体因加速度而产生的位移方向垂直，所述感光传感器固定在壳体上，感光传感器的感光平面与光源发出的光束垂直，控制单元依据感光传感器上感光元素的受光情况得知光源位置即得出质量体的位移，控制单元根据质量体发生的位移计算输出笔尖书写时的加速度。
[0008]所述控制单元内设有数字校正单元，数字校正单元检测所述压力传感器输出的电信号，判断电信号中是否存在直流信号和高频交流信号，一旦检测到电信号中有直流信号但不存在高频交流信号，则将笔尖速度置零。
[0009]所述控制单元还通过数字接口连接有数据存储单元，所述数据存储单元用于存储笔迹数字化信息，并通过无线通信模块或数字接口将笔迹数字化信息输出给外部接收设备。
[0010]所述控制单元上连接有用于控制笔迹数字化实现装置使用状态的硬件开关按钮。[0011 ] 所述控制单元还通过数字接口连接有发光显示单元，发光显示单元用于显示使用状态、电池电量、数据连接状态信息。
[0012]所述控制单元上还连接有用于振动提醒的振动器。
[0013]所述笔芯为铅笔芯或者圆珠笔芯或者墨水笔芯或者签字笔芯或者毛笔。
[0014]与现有技术相比，本发明的有益效果是:1、进行传统纸张书写的同时实现笔迹数字化操作，使用户信息不仅具备了纸张易于保全的优点，同时具备了电子存储、传输方便快捷的优点；2、无需其它外部设备，即可实现笔迹自主定位，同时保留了传统纸张书写体验与习惯，利于产品的普及和推广；3、采用微机械配合感光传感器测量笔尖加速度，具备较高的灵敏度和测量精度；4、具备数字校正单元，用户每次顿笔便将初速度置零，实时校正使笔尖位置信息更加精准，从而保证数字化后的笔迹更加接近真实手写笔迹；5、具备无线通信模块使数据传输更加方便快捷；6、设置了发光显示单元和振动器，使用户更加直观的得知电池用量、使用状态、数据连接状态等信息。
[0015]本发明的另一目的在于提供一种笔迹数字化实现方法，解决现有技术中笔迹数字化实现方法操作不便、精确度不高的技术问题。
[0016]为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是:一种笔迹数字化实现方法，包括如下步骤:
步骤一:判断笔尖是否处于书写状态:压力传感器感应笔尖压力并将所述压力转换成电信号传输给模数转换器，模数转换器将电信号转换成数字信号输出至控制单元，控制单元根据数字信号判断笔尖工作状态；
步骤二:笔尖书写速度校正:数字校正单元检测所述压力传感器输出的电信号，判断电信号中是否存在直流信号和高频交流信号，一旦检测到电信号中有直流信号但不存在高频交流信号，则将笔尖速度置零；
步骤三:计算笔尖书写加速度:光源向感光传感器发出光信号，控制单元依据感光传感器上感光元素的受光情况得出光源位置即得出质量体的位移，控制单元根据质量体发生的位移计算输出笔尖书写时的加速度；
步骤四:计算笔尖在纸平面上的位置信息:控制单元根据惯性测量系统输出的加速度求时间的积分，再加上数字校正单元输出的初速度，得出笔尖书写速度；对笔尖书写速度再次求时间的积分，得出笔尖在纸平面上的位移，从而得出笔尖在纸平面上相对于初始位置的位置信息；
步骤五:输出笔迹数字化信息:控制单元将笔迹的位置信息通过无线通信模块发送至外部接收设备，实现笔迹数字化。
[0017]所述无线通信模块通过WLAN802.11协议或Bluetooth协议与外部接收设备无线
通信连接。
[0018]与现有技术相比，本发明的有益效果是:对用户顿笔现象进行实时检测，每次顿笔即将笔尖初速度置零，及时校正笔尖初速度，减少速度误差，从而提高笔尖位置信息的精确度；采用微机械配合感光传感器测量笔尖书写加速度，提高了惯性测量系统的灵敏度和精确度；采用无线通信模式进行数据传输，传输数据量大、传输速度快。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1为笔迹数字化实现装置的结构示意图。
[0020]图2为惯性测量系统的结构示意图。
[0021]图3为笔迹数字化实现装置的电路原理框图。
[0022]图中:1、笔芯；la、笔尖；2、笔体；3、壳体；4、质量体；5、弹簧；6、阻尼介质；7、光
源；8、感光传感器。
【具体实施方式】
[0023]下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0024]如图1至图3所示，笔迹数字化实现装置，包括中空笔体2和用于纸张书写的笔芯1，笔芯I内置于笔体2内。笔芯I可以是铅笔芯、圆珠笔芯、墨水笔芯、签字笔芯、毛笔或其它可进行传统纸张书写的笔芯。惯性测量系统、笔尖压力感应系统、控制单元、无线通信模块和电池分别设置于笔体2内。惯性测量系统、笔尖压力感应系统和无线通信模块分别通过数字接口与控制单元连接。无线通信模块用于将笔迹数字化信息无线传输给外部接收设备。电池可以选用一次性电池也可选用可充电电池，用于给惯性测量系统、笔尖压力感应系统、控制单元和无线通信模块供电。
[0025]惯性测量系统用于测量笔尖Ia在书写时因移动而产生的加速度，并将加速度通过数字接口输出至控制单元。它包括有微机械和质量体位移测量装置，微机械包括壳体3和设置于壳体3内的质量体4，质量体4与壳体3之间填充有阻尼介质6，阻尼介质6可以为空气、油或其它介质。阻尼介质6在质量体4发生位移时给质量体4 一个阻碍力，该阻碍力的大小等于质量体4的相对运动速度乘以阻尼介质6的阻尼系数。质量体4通过弹簧5与壳体3相连，当质量体4发生位移时，弹簧5给予质量体4 一个反作用力，该反作用力与质量体4的位移成正比，比例系数即为弹簧5的弹性系数。质量体位移测量装置包括光源7和与光源7对应设置的感光传感器8，光源7固定在质量体4上，随着质量体4的移动而移动，光源7发出的光束方向与质量体4因加速度而产生的位移方向垂直。感光传感器8固定在壳体3上，感光传感器8的感光平面与光源7发出的光束垂直。感光传感器8的感光平面是由众多感光元素排列构成的二维感光阵列，控制单元依据感光传感器8上感光元素的受光情况得知被光束照射的感光元素位置，即可得出质量体4的位移，控制单元根据质量体4发生的位移计算输出笔尖Ia书写时的加速度。光源7可选用发光二极管，也可选用光束聚拢效果较好的激光，感光传感器8可选用CCD或CMOS感光传感器。由于笔尖在纸平面上移动是二维的，惯性测量系统也是二维的，因此可以同时测量横向(X轴)和纵向(y轴)的加速度值。
[0026]笔尖压力感应系统包括压力传感器和模数转换器，笔芯I的顶端抵靠在压力传感器的感应元件上。压力传感器感应笔尖Ia压力，将压力转换成电信号传输给模数转换器，模数转换器将电信号转换成数字信号输出至控制单元。控制单元根据笔尖压力感应系统发出的数字信号判断笔尖Ia处于书写或是抬笔状态。当笔尖Ia长时间处于抬笔状态时，控制单元即判定笔处于不使用状态因而可以发出停止信号给各模块，停止书写笔迹数字化进程以节省电池电量。当笔尖Ia再次处于书写状态时，控制单元自动启动各进程，根据惯性测量系统输出的加速度计算笔尖Ia的位置信息。控制单元上还连接有用于控制笔迹数字化实现装置使用状态的硬件开关按钮，由用户自行操作控制。
[0027]因书写状态下，笔尖Ia与纸张摩擦会产生高频振动，高频振动导致压力传感器输出的电信号中存在高频交流信号，而用户顿笔时，该高频交流信号便会消失。据此，控制单元内设置了数字校正单元，数字校正功能的实现主要依据于控制单元内的软件实施，硬件与控制单元共享。数字校正单元实时检测压力传感器输出的电信号，判断电信号中是否存在高频交流信号，如果有直流信号但不存在高频交流信号，则表明用户出现顿笔，此时立即将笔尖Ia速度置零，作为下次书写时笔尖Ia的初速度。
[0028]控制单元还通过数字接口连接有数据存储单元，数据存储单元用于存储笔迹数字化信息，并通过无线通信模块或数字接口将笔迹数字化信息输出给外部接收设备。控制单元还通过数字接口连接有发光显示单元，用户可根据发光显示单元的发光颜色、亮度、闪烁频率和发光时间长短来判断本装置的使用状态、电池电量、数据连接状态等信息。为使用户更加直观的了解本装置的状态信息，控制单元上还连接有用于振动提醒的振动器，通过振动器的振动强度和振动时间长短来提醒用户本装置所处的不同状态。
[0029]一种采用上述笔迹数字化实现装置的笔迹数字化实现方法，包括如下步骤: 步骤一:判断笔尖Ia是否处于书写状态:压力传感器感应笔尖Ia压力并将压力转换
成电信号传输给模数转换器，模数转换器将电信号转换成数字信号输出至控制单元，控制单元根据数字信号判断笔尖Ia工作状态。
[0030]步骤二:笔尖Ia书写速度校正:数字校正单元检测压力传感器输出的电信号，判断电信号中是否存在高频交流信号，一旦检测到电信号中不存在高频交流信号，则将笔尖Ia速度置零。在书写状态下，压力传感器输出的电信号有直流信号和高频交流信号成分:直流信号，表示笔尖Ia和纸张之间有压力；高频交流信号，表示笔尖Ia与纸张之间存在摩擦，笔尖Ia书写速度不为零。当笔尖Ia顿笔时，笔尖Ia与纸张之间的摩擦消失，高频交流信号消失。当电信号仅有直流信号而不存在高频交流信号时，表明笔尖Ia顿笔，此时笔尖Ia速度应为零，此时控制单元给出的速度值即为速度误差值。在书写过程中，控制单元可以利用数字校正单元给出的零速度状态不断反复地校正在计算过程中出现的速度误差，使给出的笔迹位置更加准确。
[0031]步骤三:计算笔尖Ia书写加速度:光源7向感光传感器8发出光信号，控制单元通过读出感光传感器8上感光元素的受光情况得知光源的位置，即得出质量体4的位移，控制单元根据质量体4发生的位移计算输出笔尖Ia书写时的加速度。
[0032]步骤四:计算笔尖Ia在纸平面上的位置信息:控制单元根据惯性测量系统输出的加速度求时间的积分，再加上数字校正单元输出的初速度，得出笔尖Ia书写速度；对笔尖Ia书写速度再次求时间的积分，得出笔尖Ia在纸平面上的位移，从而得出笔尖Ia在纸平面上相对于初始位置的位置信息。
[0033]步骤五:输出笔迹数字化信息:控制单元将笔尖Ia的位置信息通过无线通信模块发送至外部接收设备，实现笔迹数字化。无线通信模块通过WLAN802.11协议或Bluetooth协议与外部接收设备无线通信连接。外不接受设备可以是手机或者电脑等支持WLAN802.11协议或Bluetooth协议的设备。
[0034]以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种笔迹数字化实现装置，包括中空笔体和用于纸张书写的笔芯，所述笔芯内置于笔体内，其特征在于，所述笔体内还设有惯性测量系统、笔尖压力感应系统、控制单元、无线通信模块和电池；所述惯性测量系统和笔尖压力感应系统，和无线通信模块分别通过数字接口与控制单元连接； 所述惯性测量系统用于测量笔尖在书写时因移动而产生的加速度，并将加速度通过数字接口输出至控制单元； 所述笔尖压力感应系统包括压力传感器和模数转换器，压力传感器感应笔尖压力，将所述压力转换成电信号传输给模数转换器，模数转换器将电信号转换成数字信号输出至控制单元； 所述控制单元根据笔尖压力感应系统发出的数字信号判断笔尖处于书写或是抬笔状态，控制单元根据惯性测量系统输出的加速度计算笔尖的位置信息； 所述无线通信模块用于将数字化笔迹位置信息无线传输给外部接收设备； 所述电池用于给惯性测量系统、笔尖压力感应系统、控制单元和无线通信模块供电。
2.根据权利要求1所述的笔迹数字化实现装置，其特征在于，所述惯性测量系统包括有微机械和质量体位移测量装置，所述微机械包括壳体和设置于壳体内的质量体，质量体与壳体之间有阻尼介质，质量体通过弹簧与壳体相连，所述质量体位移测量装置包括光源和与光源对应设置的感光传感器，所述光源固定在质量体上，光源发出的光束方向与质量体因加速度而产生的位移方向垂直，所述感光传感器固定在壳体上，感光传感器的感光平面与光源发出的光束垂直，控制单元依据感光传感器上感光元素的受光情况得知光源位置即得出质量体的位移，控制单元根据质量体发生的位移计算输出笔尖书写时的加速度。
3.根据权利要求2所述的笔迹数字化实现装置，其特征在于，所述控制单元内设有数字校正单元，数字校正单元检测所述压力传感器输出的电信号，判断电信号中是否存在直流信号和高频交流信号，一旦检测到电信号中有直流信号但不存在高频交流信号，则将笔尖速度置零。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的笔迹数字化实现装置，其特征在于，所述控制单元还通过数字接口连接有数据存储单元，所述数据存储单元用于存储笔迹数字化信息，并通过无线通信模块或数字接口将笔迹数字化信息输出给外部接收设备。
5.根据 权利要求4所述的笔迹数字化实现装置，其特征在于，所述控制单元上连接有用于控制笔迹数字化实现装置使用状态的硬件开关按钮。
6.根据权利要求5所述的笔迹数字化实现装置，其特征在于，所述控制单元还通过数字接口连接有发光显示单元，发光显示单元用于显示使用状态、电池电量、数据连接状态信肩、O
7.根据权利要求6所述的笔迹数字化实现装置，其特征在于，所述控制单元上还连接有用于振动提醒的振动器。
8.根据权利要求1所述的笔迹数字化实现装置，其特征在于，所述笔芯为铅笔芯或者圆珠笔芯或者墨水笔芯或者签字笔芯或者毛笔。
9.一种采用权利要求3所述的笔迹数字化实现装置的笔迹数字化实现方法，其特征在于，包括如下步骤: 步骤一:判断笔尖是否处于书写状态:压力传感器感应笔尖压力并将所述压力转换成电信号传输给模数转换器，模数转换器将电信号转换成数字信号输出至控制单元，控制单元根据数字信号判断笔尖工作状态； 步骤二:笔尖书写速度校正:数字校正单元检测所述压力传感器输出的电信号，判断电信号中是否存在直流信号和高频交流信号，一旦检测到电信号中有直流信号但不存在高频交流信号，则将笔尖速度置零； 步骤三:计算笔尖书写加速度:光源向感光传感器发出光信号，控制单元依据感光传感器上感光元素的受光情况得出光源位置即得出质量体的位移，控制单元根据质量体发生的位移计算输出笔尖书写时的加速度； 步骤四:计算笔尖在纸平面上的位置信息:控制单元根据惯性测量系统输出的加速度求时间的积分，再加上数字校正单元输出的初速度，得出笔尖书写速度；对笔尖书写速度再次求时间的积分，得出笔尖在纸平面上的位移，从而得出笔尖在纸平面上相对于初始位置的位置信息； 步骤五:输出笔迹数字化信息:控制单元将笔迹的位置信息通过无线通信模块发送至外部接收设备，实现笔迹数字化。
10.根据权利要求9所述的笔迹数字化实现方法，其特征在于，所述无线通信模块通过WLAN802.11协议 或Bluetooth协议与外部接收设备无线通信连接。
【文档编号】B43K29/00GK103927025SQ201410175327
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2014年4月29日 优先权日:2014年4月29日
【发明者】徐斌 申请人:南京数模微电子有限公司