基于指环键盘的无形输入方法的设计

金纯^1.2 贾珍梅¹ 刘鲁云² 汪源³

（1.重庆邮电大学通信与信息工程学院，无线传输重点实验室,重庆 400065；2.重庆金瓯科技发展有限责任公司，重庆 400041;3.四川大学，四川 610064；）

摘要：随着穿戴式接收设备的大量涌现，与其对应的各种输入方法也得到广泛研究。针对目前各种输入方法存在的不足，本文设计了一种用于向接收设备输入信息的指环键盘，并定义了该指环键盘的无形输入方法，文中主要对基于该指环键盘的无形输入方法做了详细阐述。通过验证，该指环键盘及其输入方法操作简单、便于携带、功耗低，可在任何环境和任何姿势下实现信息输入，对于穿戴式设备的普及具有重要的意义。

关键字：无形输入方法； 指环键盘；穿戴式设备；

中图分类号 TP37； 文献标志码 A

The Design of Intangible Input Method based on Ring Keyboard

JIN Chun^1.2, 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)

Abstract：As 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

随着高性能超低功耗蓝牙模块的推出以及移动互联网的发展、技术的进步等，智能穿戴设备种类逐渐丰富，穿戴式智能设备已经从概念走向商用化，新式穿戴设备不断推出，智能穿戴的时代已经到来了。谷歌眼镜、苹果手表、三星智能腕表、耐克的燃料腕带、会自动拍照的挂饰摄像头、蓝牙智能服、太阳能充电背包等穿戴式智能设备大量涌现，并有望成为潮流。智能穿戴技术已经渗透到健身、医疗、娱乐、安全、财务等众多领域，为交互技术提供商、元件供应商，以及紧抓新机会的其它厂商带来全新商机。

而目前大量涌现的智能穿戴式接收设备在接收信息时是以语音识别为主要输入方法，例如谷歌公司推出的谷歌眼镜就是主要采用语音命令实现网上冲浪、拍照、视频通话和读取电子邮件等功能。但是当人们佩戴谷歌眼镜或其它智能接收设备处于某些特殊场合，例如商场等一些比较喧闹的场合，使用语音输入就会因周围声音的干扰导致语音识别的失误；而在一些需要安静的场所，例如图书馆等地使用语音命令，有可能会导致信息泄露或影响到他人。针对语音输入的不足，谷歌公司又提出了一种新的输入方法，即激光投影虚拟键盘。其原理是在镜框的两侧分别内置一个激光投影仪和一个摄像头，投影仪在用户的手臂上显示一幅QWERTY虚拟键盘或是其他的虚拟按钮^[1]。同时，通过另一侧眼镜框上的摄像头来捕捉用户的手部动作并执行相关的操作。但是这种需要在接收设备上内置一个投影仪和一个摄像头的输入方法，必将导致接收设备复杂度的增加，同时也使得穿戴式设备的可穿戴性降低。且由于便携性的需要，穿戴式接收设备的电池容量都很小，再额外内置一个投影仪和一个摄像头，接收设备的供电时间就会极大的缩短。另外，这种激光投影虚拟键盘对于用户的使用环境也有很高的要求，当光线比较强时，激光投影仪会因光线的干扰而无法使用；同时当用户处于站立、行走或水下作业等特殊环境时也无法正常使用。另外，盲人也无法使用这种激光投影键盘^[1]。

针对目前存在的输入方式的不足，本文定义了一种无形输入方法，并设计了一款实现该无形输入方法的穿戴式指环键盘系统。该指环键盘通过侦测不同手指的运动状态来模拟传统键盘的输入，使用者可在任何环境和任何姿势下实现信息的输入。且可做到输入无声，同时盲人也可以使用，弥补了语音输入和激光投影输入的不足。

1. 指环键盘硬件结构设计

本文所设计的指环键盘由十个佩戴在手指上的指环组成，指环上主要集成有检测设备、运算单元、无线通信模块和电源管理模块等。其中检测设备包括加速度传感器和陀螺仪^[2]，加速度传感器和陀螺仪通过感知手指的运动获得手指动作过程中的加速度和位移信息，然后分别通过自带的A/D转换模块将获得的模拟信号转换为数字信号；运算单元采用一个MCU芯片，对接收到的数字信号进行解析；无线通信模块采用超低功耗蓝牙模块^[3]，该超低功耗蓝牙模块工作在2.4GHz ISM频段，能实现100m距离的通信，通过普通I/O口和串行口接收运算单元解析出的指令信息，并传输给接收设备；电源管理模块采用无线充电技术^[4]为整个指环键盘提供电源。其中接收设备包括移动智能设备、穿戴式智能设备、个人电脑、单片机等任何可以接收键盘输入信息的设备^[5]。其结构框图如图1所示：

图1 指环硬件结构框图

Figure 1 structure diagram of ring hardware

2. 指环键盘操作原理

操作者在进行信息输入时，在十个手指上均佩戴该指环键盘。指环键盘工作的原理步骤为：

(1) 当手指有动作时(这里手指动作表示佩戴者模拟击键的敲击动作，不同手指动作的先后顺序和/或组合代表不同的输出指令，该输出指令用于模拟键盘上不同的击键输出)首先通过指环上的检测设备侦测手指动作过程中的加速度和位移，产生一个输出信号；

(2) 为防止手指的无意识动作(无输入意图)对输入产生干扰，当检测设备检测到手指移动过程中的加速度绝对值大于设定值a，同时位移大于设定值y时，才为有效动作，执行步骤(3)，否则执行步骤(1)；

(3) 检测设备将产生的输出信号传输给运算单元，运算单元对输入的信号根据预设的指令规则(即输入方式)解析出输出指令，每个运算单元都设置一个ID号，以便于在向接收设备传递指令时判定是哪一个指环输出的指令；

(4) 检测设备将运算单元解析出的指令及对应的ID号通过蓝牙模块传输给接收设备上的相应单元；

(5) 接收设备接收到传递过来的指令后，会通过预装的软件(下文设计的输入法)对所有信息进行处理，并通过接收设备上的显示单元显示用户意图输入的信息。

上述步骤(2)中所述的加速度包括手指从开始移动到停止下来整个过程采集到的加速度，既可以是正加速度，也可以是负加速度(减速到停止过程)。本设计中以手指触碰到物体而停止瞬间的负加速度作为判断值，因为手指在移动的过程中，通常负加速度的绝对值最大，所取值接近不同人敲击可能产生的最大负加速度绝对值中的最小绝对值。

3.无形输入方法的设计

本文是以PC输入法为例，设计了指环键盘在输入状态所使用的输入方法。该输入方法的软件处理系统以输入法安装包的形式安装于穿戴式接收设备中，并可以通过穿戴式接收设备上的显示设备对用户的输入意图进行信息反馈。本文设计的输入法中不包括输入状态的进入和退出输入法，这两种输入法是由所针对的穿戴式智能接收系统定义的。

3.1 指环键盘输入模式的定义

用户可以通过学习简单的编码来模拟PC键盘。该指环键盘可以通过切换选择不同的键盘模式，例如：英语小写键盘（包括拉丁字母a- z），英语大写键盘，数字键盘（包含1,2,3,4,5,6,7,8,9,0），标点符号键盘，汉语拼音键盘以及常用控制按键回车，退格，和空格。当用户输入1时进入英语小写键盘模式，输入2时进入英语大写键盘模式，输入3时进入数字键盘模式，输入4时进入标点符号键盘模式，输入10（用户先敲击左手小拇指输入1，选择英语小写键盘，然后敲击右手小拇指输入0，即此时输入了10，即此时选择了汉语拼音输入法）时进入汉语拼音键盘模式。其它按键的定义在此不赘述。该键盘模式定义流程图如下图2所示：

图2 键盘模式定义流程图

Figure 2 flow chart of keyboard schema definition

3.2 键盘状态选择的定义

当用户左手五个手指同时敲击时，进入键盘选择模式，用户十个手指（左手小拇指无名指中指食指左手大拇指右手大拇指食指中指无名指右手小拇指）从左到右依次代表数字1，2，3，4，5，6，7，8，9，0，敲击其中一个有定义的手指选择键盘输入模式，然后右手五指同时敲击结束键盘选择状态。当用户在选择状态先后敲击两个手指时，即输入两位数字，第一位代表所选择的语言，第二位代表该语言的输入法，此时进入输入法选择模式，然后右手五指同时敲击结束选择状态。

例如，当用户左手五个手指同时敲击，进入键盘选择模式，再敲击左手小拇指选择1，然后右手五指再同时敲击结束选择状态，进入英语小写键盘输入模式。

此时，当用户左手五指同时敲击时进入选择状态，然后用户先敲击左手小拇指选择英语小写键盘，然后敲击右手小拇指即输入10选择汉语拼音输入法，右手五指同时敲击结束输入法选择状态。键盘状态选择伪代码如下所示：

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. 各键盘模式中手指动作的定义

在对各种键盘模式中手指动作的含义设定之前，先对大拇指的动作进行如下定义：在输入过程中，预装的软件系统会首先检测左右手大拇指的敲击状态，在时间内，如果系统检测到大拇指有敲击动作，则判定大拇指处于“1状态”，在时间内如果系统没有检测到大拇指的敲击动作，则判定大拇指处于“0状态”。其中检测时间可由用户根据自己不同的输入习惯设定不同的值。本文中定义的所有未表明为双击的敲击动作均为单击。

4.1 英语小写键盘手指动作的定义

当用户左手五指同时敲击时，进入键盘选择模式，敲击左手小拇指即输入1，再同时敲击右手五指结束选择状态，即进入英语小写键盘模式。当用户处于小写键盘输入状态时，手指敲击动作代表的含义为：

（1）当用户两个大拇指都处于“0状态”时，剩余八个手指（左手小拇指无名指中指食指左手大拇指右手大拇指食指中指无名指右手小拇指）从左到右的敲击动作分别代表小写字母qweruiop，其状态流程图如图3所示。

（2）当用户两个大拇指有一个处于“0状态”时，剩余八个手指（左手小拇指无名指中指食指左手大拇指右手大拇指食指中指无名指右手小拇指）从左到右的敲击动作分别代表小写asdfjkl和回车，其状态流程图如图4所示。

（3）当用户两个大拇指都处于“1状态”时，剩余八个手指（左手小拇指无名指中指食指左手大拇指右手大拇指食指中指无名指右手小拇指）从左到右的敲击动作分别代表小写字母zxcvbnm和退格，其状态流程图如图5所示。

（4）当用户两个拇指都处于“0状态”时，左右食指的双击动作分别代表小写字母t和y；当有一个大拇指处于“0状态”时，左右食指的双击动作分别代表小写字母g和h；左手或右手大拇指的双击动作代表空格。

当用户左手五指同时敲击进入键盘选择模式后，再敲击左手无名指，即输入数字2，进入英语大写键盘模式，然后右手五指同时敲击结束键盘模式选择状态，此时用户处于英语大写键盘输入状态。在此状态下，用户手指敲击动作的定义与英语小写键盘的定义是类似的，只需将小写字母改成大写字母即可，流程图也是类似的，本文不再赘述。

图3 双拇指“0状态”流程图 图4 单拇指“0状态”流程图

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

图5 双拇指“1状态”流程图 图6 数字键盘输入模式流程图

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

4.2 数字键盘和标点符号键盘手指动作的定义

当用户左手五指同时敲击时，进入键盘选择模式，再敲击左手中指选择3，然后右手五指同时敲击，结束键盘模式选择状态，此时用户进入数字键盘模式。十个手指（左手小拇指无名指中指食指左手大拇指右手大拇指食指中指无名指右手小拇指）从左到右依次代表数字1，2，3，4，5，6，7，8，9，0。其输入模式流程图如图6所示。

同理，当用户进入键盘选择模式后，如果敲击左手食指选择4，则进入了标点符号键盘输入状态。在该键盘模式中十个手指（左手小拇指无名指中指食指左手大拇指右手大拇指食指中指无名指右手小拇指）从左到右依次代表，。？！：“”；（）。其输入模式流程图如图7所示。

图7 标点符号键盘输入模式流程图

Figure 7 input mode of punctuation keyboard

4.3 汉语拼音键盘模式

当用户左手五指同时敲击时进入键盘模式选择状态，用户先敲击左手小拇指输入1即选择英语小写键盘模式，然后敲击右手小拇指输入0，即此时输入了10，选择汉语拼音输入法，然后用户再同时敲击右手五指，结束选择状态。

此时，用户即可使用汉语拼音输入法实现文字的输入。例如，当用户想要输入‘建（jian）’字时，首先同时敲击左手五指，进入键盘模式选择状态，然后依次敲击左手小拇指输入1（即选择英语小写键盘模式）和右手小拇指输入0，即输入了10，选择汉语拼音输入法，最后同时敲击右手五指，结束选择状态。然后用户就可以根据小写拼音输入法成功输入‘建（jian）’字的拼音，然后通过接收设备上的显示设备对输入的信息进行反馈。例如，对于输入的拼音‘jian’，显示设备上会出现多个相应的汉字，用户就可以根据自己的输入意图选择所要输入的汉字编号，即可实现最终的输入。

5.结束语

本文中设计的无形输入法的软件处理系统是以安装包的形式被安装于穿戴式接收设备中，并可以通过穿戴式接收设备上的显示设备对用户的输入意图进行信息反馈。对于那些能够对传统键盘熟练盲打的用户，就可以通过学习很快的掌握该无形输入方法。因此，本文设计的指环键盘的便携性及其输入方法的操作简便等优势，对于穿戴式接收设备的推广和商用化起到很大的推动作用。

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