在纸面书写的计算机笔式文字输入操作法 本发明属于计算机笔式操作方法技术领域中的一种在纸面上书写而被计算机直接识别的文字输入操作方法。
当前计算机的常见文字输入操作方法主要有键盘和笔式手写两种，手写文字输入操作又有屏写笔、板写笔和图形扫描器等三种。其中，键盘是目前最普通的使用工具，对于习惯使用打字机的西方人来说，用键盘输入西方文字的确是相当方便的，但是如果输入汉字等图形文字，键盘输入则遇到相当的大的困难，比如说，操作人员必须熟悉某种复杂的编码，而且非西方人还有一个使用键盘的习惯问题，因此，键盘输入方案并不是一个全球文字输入的好方案。近年来，随着屏写笔和板写笔技术的不断完善，手写输入成为计算机操作方法领域发展的主导方向。但是，现有的技术离真正的普及实用还存在一些问题：屏写笔通过光笔或电笔(有时也可用手指)在特制的液晶或真空屏上书写，使显示的有效显示面减少，以及成本昂贵，易伤显示面，所以这种方法不是理想的手写输入方法。板写笔通过一支电笔在一块专用书写板上书写，也存在着硬件大，操作复杂的问题，因为板写输入要求在专用书写板的一小块地方书写，每写完一个字需按一次输入键，使操作繁琐并难以提高速度，所以，板写输入也不是最佳输入方案。图形扫描器可以把纸面文字输入计算机内，但是一种间接输入方法，一般难以实现人机随时对话，还不是一种好办法。另外上述三种手写文字输入方法都是用二维图象为输入素材，以图象处理软件进行处理后识另的，存在识别精度低、计算量大的问题，因此，寻找一种方便的更有多国文字兼容性的文字输入方法是非常有意义地事。
我们可以认为：对操作人员来讲，早以习惯的纸面书写文字方式比一种非习惯性的、约束性的书写方式速度要快得多，而对于计算机识别方式来讲，提取文字最具特征性的一维信息比输入二维图象信息需要更小的计算量，而且识别精度要更高一些，如果利用方便输入的总特点来建个人字库，则识别精度可以达到无可挑剔的水平。
本发明提出的方案是：使用特有的硬件工具及文字识别码编制方法组成一种新的文字输入方式，使手写输入操作方式与传统的纸面书写习惯相同，并能实现对所有文字的输入在操作方式上都相同，同时能兼容现有的标准键盘和鼠标器功能，能直接操作那些用键盘和鼠标器操作的所有软件。
本发明的目的是提供一种新的文字输入操作方法，方便非西方人对计算机的操作。
本发明是这样来实现的：实现本发明功能需一支专用的书写笔和相应的软件，属于本发明的一部分的书写笔在书写时能随时记录书写时的方向、在某一方向上划过的大致速度及提笔动作的幅度，把这些量输入计算机进行处理能根据其过程量的不同识别文字符号，并能得到书写的大致轨迹，从而实现键盘和鼠标的双重功能。下面分别论述本发明的各组成部分。
1.文字识别编码方法
我们先作一个定义：把纸面平面360°方向按上、下、左、右、上左、上右、下左、下右划分八个等份，即得到角度范围各45°的八个方向区域，如说明书附图1所示，如果拿一支笔在该纸面进行书写，则笔尖的运动方向必然属于这八个方向区域中的一个区域，我们把这八个方向区从”上”开顺时针定义为0、1、2、3、4、5、6、7，则笔尖在纸面上的瞬时运动方向必然对应一个方向数字，如果把书写一个完整文字的过程记录下来，则会得到一个一维单位数组，再把这个数组数字按书写顺序从高位到低位合成一个数字，则是一个多位八进制数，这个多位八进制数记录了这个文字的的全部特征，我们就把它作为该文字的基本编码，计算机通过查找对应表就能找到该文字的计算机内码，从而实现文字的识别输入。
例如：汉字″上″字，它的书写过程是：下向、右向、右向，则它的基本编码是422。
由于汉字等文字有繁有简，有的繁体字将导致它的特征编码位数太长，这会占用软件更多的空间，一般的情况下没有必要，本发明的编码方法对文字的特征编码位数进行限制，不同的文字特征编码的规定长度不一样，比如简体汉字最长的规定是十位，其它多余的长度将被截除，因为通常笔划很多的文字数量有限，其前段特征已经足以识别，不致造成重码。
为了提高书写速度，通常大字的手写体一般是平滑的，字迹中有许多圆弧状的方向过渡过程，本发明的编码方法规定：一段笔迹的平滑曲线，如果有同一个方向的旋转过程，则只采集其起始方向数字，结尾方向数字，不理睬其中间方向变化过程，如果其旋向超过一周，则重复起始方向数字。
例如：汉字″乙″字的编码为″2520″，而不是″254320″；阿拉伯数字″0″字的编码是″66″，而不是″654321076″。
为了减少书写过程中的操作，本发明的方法提出专用的单文字识别原理：在连续书写过程中，计算机必须知道一个完整文字的结束和下一个文字的开始，只有这样才能把连续书写过程中的一个个文字单个地识别出来，这就是本发明所提出的单文字识别原理。它是这样完成的：通常大家书写时有这样的习惯，一个文字完成时，把笔尖稍稍提高，移动笔尖在下一个纸面空白处书写下一个文字，而书写同一个文字的各组成部分时这种提笔动作幅度明显小于前者，本发明就利用这个提笔动作的区别来提取文字分隔信号：我们用软件来设定一个人的提笔高度阈值，笔尖一旦超过这个阈值，则认为前段所写的一个文字结束，下一个文字的编码输入也即将开始，计算机就可把该文字的完整编码进行识别处理。按照大多数人的习惯，阈值默认值规定在2mm左右为宜。
几乎所有的文字转换编码方法都遇到重码问题，本发明所提的编码方案重码非常少，在中文中目前只发现两组：1.阿拉伯数字″0″、英文字母″0″、汉字句号″。″；2.汉字″由″、″甲″、″申″、″田″；对于第一组的句号″。″，本发明中用检测它与一般字幅的大小差别可以进行识别，其它几个很少的重码，可以用简单的人为规定来区别，从而消除重码。
2.专有硬件的组成及原理
本发明提出的专有硬件主要包括一支专用书写笔及输出电缆线，以及与计算机主机箱相联的接口插头。
专用书写笔具有一个钢笔的外形，外部包括两只微动按键开关，内部包括一个方向识别器、一个步速检测器、一个提笔高度检测器、一个专用处理电路。
微动开关安置在专用书写笔表面的大母指和食指压笔处，其作用有三个：
1)规定专用书写笔对人体的方向坐标的一致性，使方向识别器识别的方向是按人体方向定义的。
2)控制人手握笔书写的力度适度。
3)在书写笔作鼠标器工作时起鼠标器左、右键功能，在书写笔作文字输入操作时起Ctrl和Alt键使用。
方向识别器由传动杆、杆上两端的笔尖和动触点以及支承座、组成环状的八个方向静触点和支承游丝组成。方向识别器用来感知专用书写笔笔尖在纸面的运动受力方向，为文字识别提供主要依据。其工作原理是：传动杆以支承座为支点构成一个杠杆结构，当笔尖在纸面划过时，笔尖与纸面的摩擦力使扛杆以支点偏转，带动传动杆另一头的动触点由中心位置偏转到附近的静触点处，与其中的一个方向触点接触导通，输出一个方向信号。由于笔尖受的摩擦力与笔尖运动方向成180°角，而扛杆的两边运动方向成180°角，所以动触点的偏转方向与笔尖的运动方向一致，从而保证静触点所处位置刚好代表笔尖运动方向区域，使方向信号准确无误。
步速检测器由一个小麦克风和专用处理电路，其作用是检测笔尖划过纸面的相对速度，这个信号是文字输入操作的辅助信号，是鼠标器工作模式的主要信号。其工作原理是：当笔尖在纸面划过时，笔尖与纸面的摩擦运动将发生振动，笔尖运动速度快则振动频率高，这个振动通过笔尖、笔身以纵波的形式传播到小麦克风，小麦克风输出一个电讯号，这个电讯号通过电路整形和测量，则可得到笔尖在纸面划过的速度，这个速度并不是太精确，用同一个笔在不同的纸面上划动会有一些差别，但是对于精度不高的鼠标器来讲已经足够了。
提笔高度检测器由一个光敏器件和专用处理电路构成，光敏器件有两个作用，一个是用来检测环境光强，一个是用来检测笔尖附近纸面的光强。它的工作原理是这样的：光敏器件安置在笔尖附近靠近人体一侧，其测光区域是笔尖附近靠近人体的一小块区域。当在正常书写的光照环境下，由于人体和手部的遮挡，光线基本上是从书写人前上方照入的，那么在笔尖接触纸面时，笔尖和笔身在纸面上有一个阴影，这个阴影部分将正好落在光敏器件在纸面的测光区内，此时光敏器件将得到一个弱光信号，随着笔尖的提高，笔尖和笔身的阴影将逐渐变得模糊，光敏器件的测光区也逐步变亮，这个弱光信号将向一个较明亮的背景光亮强度的信号过渡，当笔尖提高到2cm以上，光敏器件辅出的是纸面反射的背景光信号，背景光信号将由计算机自动采集存储和更新，这样看来，光线的明暗对应着笔尖离纸面的高低，光强信号经过电路处理后即得到笔尖离纸面的高度。
专用处理电路由一些模拟电路和一个单片机系统组成，它可以放置在笔内，也可独立地放置在笔外。它的主要功能是采集并处理以上传感器件的信号，并通过中断通讯把有关信息传输到计算机主机。
3.鼠标功能的实现：
当同时按下笔上两只微动开关后，专用书写笔将由文字输入操作功能向鼠标功能切换，或者反切换，当在鼠标状态下，屏上光标将沿着书写方向，用对应的速度移动，其光标移动方向和速度分别由方向识别器和步速检测器提供，同时，大母指所按的微动开关表示原鼠标的左键，食指所按的微动开关取代原鼠标的右键。
4.文字输入状态下的计算机的命令操作的实现：
本发明所述的方案不但有上述的功能，而且可以用来代替键盘进行命令操作，比如在DOS状态下，输入″DIR″后，相当于用键盘敲入DIR并回车，计算机执行DIR命令，其中″″为定义的回车符，用书写笔可表达键盘上的所有操作，比如键盘上的″↑，↓，←，→″用手写输入是″，，，＂，空格键是″″，″F1″功能是″F1″。用本发明所述的方案可以实现一套新的可以向前兼容的操作系统，也可以对原有版本操作系统进行本国文字化，比如汉化，这对于计算机的大众化具有一定益处，可以让英语字母都不识的人进行方便操作。
因为笔迹组合的变化方式非常的多，使用本发明方法可以多国文字而不受键盘个数的限制，从而实现全球文字辅入方法的一致性，同时可以减小计算机系统的体积。
下面结合说明书附图说明本发明定义及所述的硬件的具体结构和实例：
图1是编码方向定义图，图2为书写专用笔的外形示意图，图3为书写专用笔的内部结构示意图，图4是本发明硬件系统电路框图。
请看图1，说明书附图1的纸面根据人体的方向被按上、下、左、右和上左、下左、上右、下右分为八个方向区，它们每个占有45°夹角，从上区域开始，顺时针被定义为0、1、2、3、4、5、6、7个对应数字，如果笔在纸上划过时，笔尖的运动方向必然对应其中一个方向偏码这个定义是本发明方法的基础。
请看图2、图3、图4，本发明所述的硬件包括一支书写专用笔及电缆线[7]和接口插头[8]组成，而书写专用笔外部包括笔身[15]及两个微动开关[4]、[5]和笔尖[6]组成，其内部有一个专用处理电路板[7]、一个小麦克风[8]、一个支承游丝[9]、一个八方向静触点[10]、一个动触点[14]、一个传动杆[11]、由一个轴向止动座[12]以及光敏器件[13]组成。
电缆线[1]和接口插头[2]可把信号传输到计算机主机处理，在专用书写笔[3]外部，用手按动微动开关[4]、[5]可以实现两个必要开关键的操作，在鼠标操作状态时表示左键、右键，在文字输入操作状态时表示Ctrl和Alt键。在专用书写笔内部，由笔尖[6]、轴向止动座[12]、传动杆[11]、动触点[14]、八方向静触点[10]和支承游丝[9]成一个方向识别器，书写时笔尖[6]所受的摩擦力将通过以轴向止动座[12]和传动杆[11]组成的杠杆传到动触点[14]上，使它以笔尖[6]移动的方向接触八方向静触点[10]上的静触点，从而得到一个方向电讯号。轴向止动座[12]能抵消来致笔尖[6]的轴向力。支承游丝[9]既能使动触点[14]在笔尖[6]未受力的情况下恢复到原始中心位置，也是动触点[14]与专用处理电路板[7]相联的导电通道。专用处理电路[7]和小麦克风[8]组成步速检测器，小麦克风[8]通过笔身[15]感受笔尖在纸面划过的主要振动频率，这个频率经专用处理电路板[7]处理后即得到笔尖[6]的速度信号。
光敏器件[13]和专用处理电路板[7]构成提笔高度检测器，光敏器件[13]安置在笔尖[6]朝人体方向的附近位置，传感面朝纸面，以检测笔尖[6]在纸面的投影情况，从而测量笔尖[6]离纸面的高度。