专利名称：计算机声学键盘及声学键盘的输入方法
技术领域：
本发明涉及一种键盘的输入方法和装置，特别是涉及一种台式计算机的声学键盘的输入方法和装置。
背景技术：
在计算机发展过程中，键盘成为一种重要的计算机输入设备，传统的敲击式键盘已广泛被人们接受，并习惯于敲击式键盘输入方式。随着计算机的发展，人们对计算机的方便简洁提出了更高的要求，减少计算机占用的空间及连线，缩小计算机的体积和重量，成为未来计算机发展的一个重要方向。液晶显示器的出现已经很大程度地减小了台式机的体积和重量，无线键盘和鼠标技术为计算机简化外设连线做出了贡献，但是，目前仍然无法实现既减少计算机键盘的体积和重量而又不改变人们的输入习惯。
迄今为止，国内外键盘研究的主要发展趋势有触摸式键盘、无线键盘、光学投影式键盘等。
由于触摸式键盘易损坏，存在输入信息速度较慢的缺点，不适合应用于台式计算机，比较多的用在掌上电脑(PDA)上；无线键盘一般利用蓝牙或红外技术在键盘和PC机之间传递信息，减少了键盘连线，但并没有减小键盘的体积，不能节省计算机的空间，另外，利用无线技术传输信息需要占用无线电频谱资源，在频谱资源日趋紧张的今天，这种方案不能显示出特别的优势；光学投影式键盘采用了VKB键盘技术，这种键盘成本很高，而且这种方案并不成熟，还在进一步研究当中。
专利申请号为02159165.2的名为《可以替代键盘适合多种计算设备进行输入的方法和装置》的专利技术提出一种超声波发生笔式键盘输入方法。该方法采用超声波信号发生笔，以主动定位的方式，通过超声波定位装置识别在普通纸张或塑料板上固定区域的书写或点击操作而获得键入信息。该方法虽然可以减少计算机的体积和重量，但使用方法与现有的触摸式键盘类似，存在信息输入速度慢的缺点，无法满足现代计算机键盘快速输入信息的要求，因此难于投入实际生产应用。
发明内容本发明的目的是提供一种基于麦克风阵列，对敲击印有键盘字符的键盘发出的声音进行精确定位，并对其位置对应的字符进行识别，从而实现传统键盘输入功能的，无绳化、无污染、使用简单的计算机声学键盘及输入方法。
本发明的键盘的构成为它包括键盘、核心处理器模块和麦克风阵列条，核心处理模块连接麦克风阵列条，麦克风阵列设置在键盘旁边，麦克风阵列条包括麦克风线阵、放大单元、AD转换单元和控制单元；麦克风线阵连接放大单元，放大单元连接AD转换单元，AD单元连接控制单元，控制单元连接核心处理模块，核心处理器模块上设置有连接计算机的接口。
本发明键盘还有这样一些技术特征1、所述的键盘为印有键盘图案的不具备活动键的键盘；2、所述的核心处理模块封装后置于计算机机箱内部或直接封装在显示器内部。
本发明的输入方法为第一步，通过麦克风阵列采集键盘敲击音信号，并将声音信号通过放大单元进行放大，经阵列幅相校正后，由AD转换单元模/数转换器转化为数字量；第二步，对经数字化的敲击音信号采用最高谱线跟踪滤波技术，转化为窄带信号，然后用改进的近场多维MUSIC定位算法计算出敲击音源位置；第三步，用预先建立的键位-键值互换表把敲击音源位置转化为相应的键值数据，并将其转换成符合PS/2或USB接口协议的数据格式，经PC机PS/2或USB接口传入PC机的操作系统中。
当纸键盘相对麦克风阵列位置发生偏移时，应敲击校正键，系统将自动对键盘位置进行校正。
本发明的输入方法还有这样一些技术特征1、所述的阵列幅相校正采用短时cw脉冲作为校正声源，进行近场阵列幅相校正，得到误差校正矩阵；2、所述的最高谱线跟踪滤波技术为根据敲击音的低频宽带特性，用窄带自适应滤波算法提取与键盘敲击音最高谱线对应的信号成份，具体步骤为首先对阵元通道1采集进来的敲击音信号x1进行FFT，再检测得到其最高谱线频率f0，然后让各通道信号均通过一个以f0为中心频率的窄带自适应滤波器。在滤波前各通道信号的延时时间为获得f0并生成窄带自适应滤波器的处理时间。
3、所述的改进的近场多维MUSIC定位算法为采用M个麦克风组成均匀直线阵，阵元间距为d。以阵元1为参考阵元，信源Si到参考阵元的来波方向与麦克风阵法线方向夹角为θi，到各阵元的距离分别为Ri1，Ri2，…，RiM。
在近场条件下，信源Ri到第k个阵元距离为
Rik=Ri12-2(k-1)dRi1sinθi+(k-1)2d2]]>二项式展开得其与参考阵元的距离差为Rik-Ri1≈(k-1)dsinθi-(k-1)2d2cos2θi/2Ri1-(k-1)3d3(0.5sinθi-sin3θi/6)/Ri12]]>得到阵列流型为A＝[α1(θ1，R11)，α2(θ2，R21)，…，αD(θD，RD1)]M×D其中，ai(θi,Ri1)={1,exp{-j(2π/λ)[dsinθi-d2cos2θi/2Ri1-d3(0.5sinθi-sin3θi/6)/Ri12]},]]>···,exp{-j(2π/λ)[(M-1)dsinθi-(M-1)2d2cos2θi/2Ri1-(M-1)3d3(0.5sinθi-sin3θi/6)/Ri12]}}T]]>根据MUSIC算法的谱估计公式，可得到关于(θi，Ri1)的二维空间波达角和距离的功率谱PMUSIC=1||aiH(θi,Ri1)U^NU^NHai(θi,Ri1)||,]]>i＝1，2，…，D； 为噪声子空间通过对(θi，Ri1)的二维空间搜索，由谱峰最大值点对应的角度和距离可得到声源位置。
本发明的声学键盘装置主要由一个核心处理器模块、麦克风阵列条和一张纸键盘组成。核心处理模块封装成手掌大小，模块接口完全与现有计算机接口兼容，也可置于机箱内部或直接封装在显示器内部，这样整个系统可见部分就仅为可折叠的麦克风阵列条和一张纸键盘。
本发明的关键特征是1.使用在普通纸或薄膜上印有键盘图案的不具备活动键的一张薄膜键盘，简称为键盘，或者也可以直接将键盘图案印制在桌面上，构成键盘；2.支持键盘按传统的输入方式工作；3.对敲击键盘产生的声音(键盘敲击音)运用谱线跟踪滤波技术；4.用改进的近场多维MUSIC算法对滤波后的键盘敲击音进行被动定位；5.处理电路采用与现有计算机键盘全兼容的接口技术。
本发明的实质是对经多路同步AD转换后的麦克风阵列信号，先提取参考阵元的最强谱线频率，再以此频率为中心构建窄带自适应滤波器来过滤各阵元信号。然后，利用近场多维MUSIC算法谱峰搜索确定键盘敲击音的位置，通过系统内部预存的键位-键值互换表获取敲击键盘对应的字符信息。使用声学键盘时，手指需戴上硬质的小指套，以增加敲击纸键盘时的声音响度。
本发明的有益效果在于1、声学键盘与传统键盘录入信息的方式不冲突，计算机既可以使用我们设计的声学键盘，也可以使用传统键盘。真正做到键盘“无绳化”，可以有效地减少计算机外设的体积和重量。若本声学键盘被广泛使用，则成本不高于传统键盘。
2、避免了销毁废旧传统键盘对环境造成的污染，对环境保护具有非常重要的意义。本声学键盘可见部分为一条可折叠的麦克风阵列条及一张纸键盘，其更新成本远小于传统键盘及超声发生笔。
3、声学键盘不改变人们双手敲击键盘的输入习惯。为了保护手指，可戴上简易美观的硬质指套敲击纸键盘。
4、从理论上给出了一种近场低频宽带信号精确定位方法。这对声音追踪和定位等应用场合具有实际工程指导意义。
5、经过进一步的改进可发展成为一种键盘音窃听技术，即通过窃听他人敲击键盘的声音而获取敲击的信息，这项技术可以广泛应用于安全部门的窃听与反窃听。
本发明无需特殊声发生器，通过麦克风阵列采集手指敲击印有键盘图案的普通纸张或薄膜上的敲击音，然后通过被动式声源精确定位获得键值信息并直接嵌入现有计算机系统。不同于采用超声发生笔点击的主动声定位，被动式敲击音定位并不知道敲击音信号的具体参数，而且不同人不同环境下的敲击音存在很大不同，同时环境干扰也很大，定位对象存在很多未知因素，故给定位带来很大困难。但是该方法不需要改变人们习惯的敲击式输入方式，输入速度快，也可更有效地减少计算机的体积和重量。
图1是本发明声学键盘实现原理图；图2为最高谱线跟踪滤波算法的实现原理框图；图3是本发明实施例的硬件实现原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例进行说明结合图3，本实施例的功能由均匀麦克风线阵U1、精密运算放大器单元U2、AD转换单元U3、控制单元U4、核心处理器单元U5、数据接口转换单元U6共同组成。
U1负责把声信号转换成电信号，麦克风采用驻极体式电容麦克风MW-CP02-17005P；U2负责把声音信号模拟放大，精密运放由两级级联的OP07完成；U3负责把模拟声音信号转换成16位二进制数字信号，转换时钟由U4提供，ADC为ADS8364；U4负责系统各单元间逻辑控制、实现数据采集，采用CPLD器件EPM7128SLC84-15来实现；U5负责实现被动定位算法、系统智能校正及键位-键值转换、输出接口芯片管理等，主处理器采用DSP器件TMS320C542；U6负责把U5的运算结果转换成符合PS/2接口协议数据格式。
结合图3，麦克风MIC1MIC-M分别把声音信号转换为模拟电信号，该模拟信号分别送入m路OP07反向输入端-IN，通过两级OP07级联构成的运算放大器放大后，由各自第二级OP07的OUT脚输出。m路第二级OP07的OUT脚分别连接ADS8364的CHA0、CHA1、CHB0、CHB1、CHC0、CHC1的6个差分输入端口。AD转换ADS8364的16位数字信号输出端口DB0:DB15分别连接DSP器件TMS320C542的D0:D15。CPLD器件EPM7218SLC84-15的I/O0:I/O2分别连接ADS8364的地址线A0、A1、A2；EPM7218SLC84-15的I/O3:I/O8分别连接ADS8364的ADD、EOC、CLK、CS、RD、WR；EPM7218SLC84-15的I/O9:I/O12分别连接TMS320C542的4根地址线A0:A3；EPM7218SLC84-15的I/O13:I/O16分别连接TMS320C542的IS、DS、PS、R/W；TMS320C542的BDX0和BCLKX0分别连接到PS/2接口的DATA和CLK脚。
本实施例采用的具体参数是1、阵元数为6阵元，阵元间距为6cm；2、运算放大倍数为300倍；3、A/D转换时钟为5MHz；4、被动定位算法由最高谱线跟踪滤波技术和改进近场多维MUSIC定位算法共同完成；5、采用2个校正键，分别位于键盘左上角和右上角。键盘上其他键大小和位置均与传统键盘相同。
结合图1，本发明的具体工作过程和原理是第一步，通过麦克风阵列采集敲击音信号，并将幅值不超过±10mV的声音信号进行放大，经阵列幅相校正后，由模-数转换器转化为数字量。第二步，对经数字化的敲击音信号采用最高谱线跟踪滤波技术，转化为窄带信号，然后用改进的近场多维MUSIC定位算法算出敲击音源位置。第三步，用预先建立的键位-键值互换表把敲击音源位置转化为相应的键值数据，并将其转换成符合PS/2或USB接口协议的数据格式，经PC机PS/2或USB接口传入PC机的操作系统中。
当纸键盘相对麦克风阵列位置发生偏移时，应敲击校正键，系统将自动对键盘位置进行校正。
本实施例的实现步骤是1、搭建麦克风阵列模型并对其进行幅相校正选择一个多阵元均匀麦克风线阵，该阵列模型做成可折叠式直线阵贴条，贴在显示器上边沿或其下边沿。采用短时cw脉冲作为校正声源，进行近场阵列幅相校正，得到误差校正矩阵，修正整个系统。只需在麦克风阵列搭建完成后校正一次即可。
2、利用模-数转换器(ADC)把经过放大的麦克风阵列信号转换成数字信号。
3、被动定位算法
1)最高谱线跟踪滤波技术根据敲击音的低频宽带特性，用窄带自适应滤波算法提取与纸键盘敲击音最高谱线对应的信号成份，这可以把对宽带信号的DOA估计问题转化为窄带DOA估计问题。
结合图2，M为麦克风阵的阵元个数，x1，x2…xM为各阵元接收到的信号，x1用于最高谱线检测，称为参考阵元，FFT为快速傅立叶变换单元，f0为最高谱线频率，y1，y2…yM为通过跟踪滤波处理后的各阵元数据。
2)改进的近场多维MUSIC定位算法采用M个麦克风组成均匀直线阵，阵元间距为d。阵元1(阵列任一端点阵元)为参考阵元，则信源Si到参考阵元的来波方向与阵法线方向夹角为θi，到各阵元的距离分别为Ri1，Ri2，…，RiM。
在近场条件下，信源Si到第k个阵元距离为Rik=Ri12-2(k-1)dRi1sinθi+(k-1)2d2]]>二项式展开得其与参考阵元的距离差为Ri1-Ri1≈(k-1)dsinθi-(k-1)2d2cos2θi/2Ri1-(k-1)3d3(0.5sinθi-sin3θi/6)/Ri12]]>得到阵列流型为A＝[α1(θ1，R11)，α2(θ2，R21)，…，αD(θD，RD1)]M×D其中，ai(θi,Ri1)={1,exp{-j(2π/λ)[dsinθi-d2cos2θi/2Ri1-d3(0.5sinθi-sin3θi/6)/Ri12]},]]>···,exp{-j(2π/λ)[(M-1)dsinθi-(M-1)2d2cos2θi/2Ri1-(M-1)3d3(0.5sinθi-sin3θi/6)/Ri12]}}T]]>根据MUSIC算法的谱估计公式，可得到关于(θi，Ri1)的二维空间波达角和距离的功率谱PMUSIC=1||aiH(θi,Ri1)U^NU^NHai(θi,Ri1)||,]]>i＝1，2，…，D； 为噪声子空间通过对(θi，Ri1)的二维空间搜索，由谱峰最大值点对应的角度和距离可得到声源位置。
4、键值获取与植入PC机利用定位信息从预先建立的键盘位置和键值码的对应表中查出键值码，再通过PC机的PS/2或USB键盘接口，把键值码按现有PS/2或USB键盘接口采用的数据格式传送给PC机，就可以达到把键值植入PC机操作系统中的目的。
5、系统智能校正键盘采用统一规格，并设置几个校正键(2-4个)，各键位置等信息预存入声学键盘信息处理系统。当纸键盘摆放位置被移动时，只要敲击校正键，系统即可自动对键盘位置进行一次校正。
权利要求
1.一种计算机声学键盘，它包括键盘，其特征在于它还包括核心处理器模块和麦克风阵列条，核心处理模块连接麦克风阵列条，麦克风阵列设置在键盘旁边，麦克风阵列条包括麦克风线阵、放大单元、AD转换单元和控制单元，麦克风线阵连接放大单元，放大单元连接AD转换单元，AD单元连接控制单元，控制单元连接核心处理模块，核心处理器模块上设置有连接计算机的接口。
2.根据权利要求1所述的一种计算机声学键盘，其特征在于所述的键盘为印有键盘图案的不具备活动键的键盘。
3.根据权利要求1或2所述的一种计算机声学键盘，其特征在于所述的核心处理模块封装后设置于计算机机箱内部或直接封装在显示器内部。
4.一种声学键盘的输入方法，其特征在于它包括以下步骤第一步，通过麦克风阵列采集键盘敲击音信号，并将声音信号通过放大单元进行放大，经阵列幅相校正后，由AD转换单元模-数转换器转化为数字量；第二步，对经数字化的敲击音信号采用最高谱线跟踪滤波技术，转化为窄带信号，然后用改进的近场多维MUSIC定位算法算出敲击音源位置；第三步，用预先建立的键位-键值互换表把敲击音源位置转化为相应的键值数据，并将其转换成符合PS/2或USB接口协议的数据格式，经PC机PS/2或USB接口传入PC机的操作系统中；当纸键盘相对麦克风阵列位置发生偏移时，应敲击校正键，系统将自动对键盘位置进行校正。
5.根据权利要求4所述的声学键盘的输入方法，其特征在于所述的阵列幅相校正采用短时cw脉冲作为校正声源，进行近场阵列幅相校正，得到误差校正矩阵。
6.根据权利要求4所述的声学键盘的输入方法，其特征在于所述的最高谱线跟踪滤波技术为根据敲击音的低频宽带特性，用窄带自适应滤波算法提取与键盘敲击音最高谱线对应的信号成份，具体步骤为首先对阵元通道1采集进来的敲击音信号x1进行FFT，再检测得到其最高谱线频率f0，然后让各通道信号均通过一个以f0为中心频率的窄带自适应滤波器。在滤波前各通道信号的延时时间为获得f0并生成窄带自适应滤波器的处理时间。
7.根据权利要求5所述的声学键盘的输入方法，其特征在于所述的改进的近场多维MUSIC定位算法为采用M个麦克风组成均匀直线阵，阵元间距为d，阵元1即阵列一端点阵元为参考阵元，则信源Si到参考阵元的来波方向与阵法线方向夹角为θi，到各阵元的距离分别为Ri1，Ri2，…，RiM，在近场条件下，信源Si到第k个阵元距离为Rik=Ri12-2(k-1)dRi1sinθi+(k-1)2d2]]>二项式展开得其与参考阵元的距离差为Rik-Ri1≈(k+1)dsinθi-(k-1)2d2cos2θi/2Ri1-(k-1)3d3(0.5sinθi-sin3θi/6)/Ri12]]>得到阵列流型为A＝[a1(θ1，R11)，a2(θ2，R21)，…，aD(θD，RD1)]M×D其中，ai(θi,Ri1)={1,exp{-j(2π/λ)[dsinθi-d2cos2θi/2Ri1-d3(0.5sinθi-sin3θi/6)/Ri12]},]]>···,exp{-j(2π/λ)[(M-1)dsinθi-(M-1)2d2cos2θi/2Ri1-(M-1)3d3(0.5sinθi-sin3θi/6)/Ri12]}}T]]>根据MUSIC算法的谱估计公式，可得到关于(θi，Ri1)的二维空间波达角和距离的功率谱PMUSIC=1||aiH(θi,Ri1)U^NU^NHai(θi,Ri1)||,]]>i＝1，2，…，D； 为噪声子空间通过对(θi，Ri1)的二维空间搜索，由谱峰最大值点对应的角度和距离可得到声源位置。
全文摘要
本发明提供了一种计算机声学键盘及输入方法。本发明的硬件装置声学键盘装置包括键盘、核心处理器模块和麦克风阵列条，核心处理模块连接麦克风阵列条，麦克风阵列设置在键盘旁边，麦克风阵列条包括麦克风线阵、放大单元、AD转换单元和控制单元；麦克风线阵连接放大单元，放大单元连接AD转换单元，AD单元连接控制单元，控制单元连接核心处理模块，核心处理器模块上设置有连接计算机的接口。本发明基于麦克风阵列，对敲击印有键盘字符的键盘发出的声音进行精确定位，并对其位置对应的字符进行识别，从而实现传统键盘输入功能，并支持键盘按传统的输入方式工作，与现有计算机键盘接口兼容，具有无绳化、无污染、使用简单等优点。
文档编号G06F3/16GK101038505SQ20071007207
公开日2007年9月19日 申请日期2007年4月20日 优先权日2007年4月20日
发明者付永庆, 张 林, 郑莉, 邵学辉 申请人:哈尔滨工程大学