一种软笔仿真系统及软笔仿真方法

摘要

本发明涉及一种软笔仿真系统，行笔流畅、自然、笔锋细腻。

说明书

技术领域：

本发明涉及电磁耦合原理的数位板的软笔仿真系统。 

背景技术：

为了描述简明，数位板中的笔的位置坐标(包括x、y、z轴)、姿态(包括与x、y、z轴夹角、笔自旋角)、压力(包括笔尖和面板之间的接触力、手指握指针的握力)、按键状态、碰触状态(笔尖是否碰触面板)等都分别对应手持笔的不同动作，我们将这些与笔特性相关的通过电磁耦合方式检出的待检量统称为动作变量，这些待检量的检出称为动作变量检出，将与笔配套检出动作变量的装置成为动作检出装置。 

软笔包括中国毛笔、外国的画刷等，软笔仿真系统即软笔书写的数字化技术，比如其中的一个基本组成“数位板+pc+画图软件”即可形成了一个软笔仿真系统。 

现有已知的软笔仿真系统中，效果还不太理想，比如专利“20091090801.0电子毛笔及识别码定位触屏”使用光纤技术的软笔仿真系统，其笔耗电大结构复杂，再比如“200610112406.4一种计算机录入的电子软笔”，是电磁原理的数位板，压力是控制笔尖的粗细主要变量，由于压力传感器的迟滞现象，使在抬笔的过程中压力与笔触大小对应关系偏离，而且速度越快则问题越严重，致使在速度较快的情况下失去粗细的准确控制，如图1所示是使用压感仿真系统模拟毛笔的行书草书情况，可以发现行书中的笔锋基本没有，有些地方则粗细失控。 

所以有必要需找一种响应速度快、失真小的方法，解决软笔书写不容易控制的问题。 

发明内容：

本发明的目的在于实现一种软笔的仿真系统，实现逼真的仿真软笔的书写过程。 

为了实现本发明的目的，技术方案1是一种软笔仿真系统，包括显示器、笔、动作检出装置、中央处理器，动作检出装置用来检测笔相对动作检出装 置的X、Y轴的坐标，笔内设有LC谐振电路，其特征在于，所述动作检出装置还用来检测笔相对动作检出装置的Z轴坐标，Z轴坐标是笔迹大小、形状的主要输入变量。主要输入变量是指，Z轴坐标参数在计算笔迹的大小形状时起到主要作用，而不是为了修正其他控制笔迹大小形状的变量的辅助作用，使用Z轴作为笔迹大小控制主要参数的有益效果是使软笔行笔流畅、自然、笔锋细腻，特别是在行笔速度快的情况下优势明显。 

技术方案2是根据权利要求1所述的软笔仿真系统，其特征在于，所述笔前端设有软性笔尖。设置软性笔尖目的在于提供软笔笔迹大小形状的闭环控制中的视觉、触觉反馈，使用更接近现实，更容易控制。 

技术方案3是根据权利要求2所述的软笔仿真系统，其特征在于，所述笔上设有压力传感器，由动作检出装置检测笔尖是否碰触动作。本方案实现了笔迹零点的自动测量，消除了视觉、触觉反馈与笔迹大小之间的偏差。 

技术方案4是根据权利要求2所述的软笔仿真系统，其特征在于，所述笔上的软性笔尖、笔杆是导体；软性笔尖、笔杆之间绝缘；动作检出装置面板表面是导体，软性笔尖与动作检出装置面板接触时共同形成第一导体；笔杆与其相握的手共同形成第二导体；笔杆与笔尖之间形成等效电容接入所述LC谐振电路。本方案实现了笔迹零点的自动测量，消除了视觉、触觉反馈与笔迹大小之间的偏差。 

技术方案5是根据权利要求1所述的软笔仿真系统，其特征在于，所述显示器显示指示Z轴坐标的光标。本方案目的在于提供软笔笔迹大小形状的闭环控制中的视觉、触觉反馈，使用笔迹大小更容易控制。 

技术方案6是根据权利要求5所述的软笔仿真系统，其特征在于，所述显示器显示的光标包括第一光标、第二光标，第一光标指示笔的X、Y轴坐标，第一光标与第二光标的距离指示笔的Z轴坐标。此方案是技术方案5的具体方案，效果是形象逼真。 

技术方案7是根据权利要求5所述的软笔仿真系统，其特征在于，所述显示器显示的光标包括第一光标、第二光标，第一光标指示笔的X、Y轴坐标，第二光标的长度指示笔的Z轴坐标。此方案是技术方案5的具体方案，效果是形象逼真、算法计算量小速度快。 

技术方案8是根据权利要求5所述的软笔仿真系统，其特征在于，所述显示器显示光标包括第一光标、第二光标，第一光标与第二光标相同的焦点， 焦点位置指示笔的X、Y轴坐标，第二光标的大小指示笔的Z轴坐标。此方案是技术方案5的具体方案，效果是算法计算量小速度快。 

技术方案9是一种软笔仿真方法，包括步骤：指定笔迹零点；检测笔Z轴坐标；判断笔Z轴坐标是否高于指定笔迹零点，Z轴坐标高于指定笔迹零点则使用光标指示Z轴坐标，如果低于指定笔迹零点则Z轴坐标指示为零，并进入划线状态，笔迹大小随Z轴坐标减少而增大。指定笔迹零点指在软件中指定或者由用户设定。 

技术方案10一种软笔仿真方法，包括步骤：检测笔迹零点；检测笔Z轴坐标；判断笔Z轴坐标是否低于测定笔迹零点，如果低于测定笔迹零点则进入划线状态，划线笔迹大小随Z轴坐标减少而增大。 

如图2所示的使用本发明书写的毛笔行书书法，可以看出行笔流畅、自然、笔锋细腻，没有使用压力感应书写的生硬的感觉。 

附图说明：

图1通过1个月时间训练后使用压感笔书写的行书 

图2通过1个月时间训练后使用本发明书写的行书 

图3压力感应零点软笔结构示意图 

图4电容感应零点软笔结构示意图 

图5阴影Z轴指示光标 

图6墨水Z轴指示光标 

图7十字Z轴指示光标 

图8动作检出装置与显示装置分体软笔仿真系统示意图 

图9动作检出装置与显示装置一体软笔仿真系统示意图 

图10压感碰触传感器的电气原理图 

图11动作检出装置的电路框图 

图12电容式触碰传感器的电气原理图 

图13分体软笔仿真系统中的本发明相关的软件流程 

图14一体软笔仿真系统中的本发明相关的软件流程 

图中数字、标号代表的意义： 

C1：谐振电容。 

L1：谐振电感。 

C2：压力传感器。 

C3：由笔尖、笔杆形成的孤立导体电容。 

81：显示器 

82：电脑 

83：动作检出装置 

11：软笔 

112：xyz轴坐标检测天线 

具体实施方式：

与现有的压力感应软笔仿真系统相同本发明分为两种形式，一种是如图8所示的“笔+动作检出装置(即数位板)+电脑+显示器”结构，称其为分体系统，另一种如图9是“笔+电脑+显示器(包含动作检出装置)”结构，称其为一体系统。分体系统中，用户在使用时视线只停留在显示器上，而一般情况动作检测装置和笔不在视线内所以在使用软笔仿真时需要在显示器使用光标提示笔的高度；一体系统中，笔在视线之内并且光标与笔同步移动，笔距离显示器的距离可以观察到，并且动作检出装置与显示器的相对距离固定，所以在操作时笔的实际位置在显示器上的光标提示不是必须的。 

在一体系统中，为了更逼真的仿真传统软笔的书写习惯，在软笔的笔前端设置软性笔尖，如图3图4使用毛束，考虑到软笔笔尖长度在使用中容易变化，使笔尖在接触显示器时的笔的高度会有些偏差，如果预先设定笔迹零点，从而产生笔迹和接触量不相符的情况，所以优选方案在笔上设置碰触传感器，确定笔尖和显示器是否碰触，有两种优选的方案，一种如图3在笔尖和笔杆连接处设置压力传感器，在笔尖接触显示器时，压力会引起笔中谐振电路的特性变化，由动作检出装置检出谐振电路特性的变化即检出了是否笔尖和显示器接触了，一种如图4将笔尖、笔杆设计成导体，笔尖与笔杆形成电容的两极，碰触动作会改变谐振电路的特性，由动作检出装置检出谐振电路特性的变化即检出了是否笔尖和显示器接触了。 

在一体软笔仿真系统中，当软笔从上到下运动时，在动作检出装置开始检测到笔尖碰触的时候记录软笔Z轴坐标则作为笔迹零点，根据笔的Z轴坐标计算笔迹的大小，当Z轴坐标减小时笔迹变大，形成书写笔迹；当软笔从下到上运动时，Z轴坐标由小变大，则笔迹变小，当达到笔迹零点时，笔迹大小变为零，则完成了一次书写。 

在一体软笔仿真系统中，压感碰触传感器的电气原理如图10，当有笔尖碰触是压力传感器C2的电容量会改变，从而改变了谐振电路(L1与C1、C2组成)的谐振频率，动作检出装置通过检测软笔中谐振电路的谐振频率，检测出软笔是否碰触了显示器面板，动作检出装置检测软笔谐振频率的电路结构如图11。 

在一体软笔仿真系统中，电容式触碰传感器的电气原理如图12，其中谐振电路由L1、C1组成，动作检出电路结构如图11，电容C3代表软性笔尖和笔杆共同形成的等效电容，笔尖是第一电极，笔杆与其相握的手是第二电极，显示器面板覆盖一层透明的导电膜，当软笔笔尖碰触到显示器面板即导电膜作为导体连接到第一电极，由于第二电极是固定的，第一电极是否接入显示面板的导电薄膜会影响等效电容C3的量，从而影响与之相连的LC谐振电路的谐振频率，从而为动作检出装置提供检测碰触动作与否的依据。 

如图11，动作检出装置的电路框图，动作检出电路通过天线矩阵发射能量到笔中的谐振电路，谐振电路产生谐振回波，动作检出电路通过天线矩阵上的不同的信号的幅值分析出谐振电路中电感的XYZ坐标，即得到的笔的XYZ坐标。 

在分体软笔仿真系统中，笔迹零点是预先设定初值或由用户设定，当Z轴坐标小于笔迹零点时产生笔迹，并且Z轴坐标越小则笔迹越大，光标Z轴坐标指示部分相对固定，当Z轴坐标大于笔迹零点时则不出现笔迹，而由光标Z轴指示部分指示软笔的Z轴变化，光标指示Z轴坐标变化的优选方案有三种，一种是相对距离光标指示方案，一种是长度光标指示方案，一种是大小光标指示方案。 

光标指示Z轴坐标变化的距离光标指示方案，设置至少两个光标，设软笔的坐标是(x，y，z)，笔迹零点是z0，在Z轴坐标高于笔迹零点的情况下，其中第一光标的在显示器的显示焦点位置为(x，y)，第二光标的显示焦点位置是(x+Cx*(z-z0)，y+Cy*(z-z0))其中Cx、Cy是根据显示效果需要预先设定的常数，在Z轴坐标等于低于笔迹零点的情况下其中第一光标 的在显示器的显示焦点位置为(x，y)，第二光标的显示焦点位置是(x，y)；如图5所示是距离光标指示方案具体方案，其中第一光标设计成软笔的形状，第二光标则设计成软笔的阴影，焦点是笔尖，Cx、Cy的值由产生阴影的光源的位置确定，其中Cx＝1 Cy＝0，本方案的使用感觉是手里握着一只灯光下的笔。 

光标指示Z轴坐标变化的长度光标指示方案，设置至少两个光标，设软笔的坐标是(x，y，z)，笔迹零点是z0，在Z轴坐标高于笔迹零点的情况下，其中第一光标的在显示器的显示焦点位置为(x，y)，第二光标的位置为(x+Ox，y+Oy)显示长度＝L-C*(z-z0)其中L、C、Ox、Oy是根据显示效果需要预先设定的常数，在Z轴坐标等于低于笔迹零点的情况下其中第一光标的在显示器的显示焦点位置为(x，y)，第二光标的显示焦点位置是(x，y)，光标长度是L；如图6所示是长度光标指示方案具体方案，其中第一光标设计成软笔的形状，第二光标则设计成软笔的墨水柱，焦点是笔尖，Ox、Oy的值由软笔和墨水柱相对位置决定是常数，L是墨水柱的总长度，C是由Z轴最大值和L确定的常数，本方案的使用感觉是手里握着带注射墨水活塞的笔的活塞柄。 

光标指示Z轴坐标变化的大小光标指示方案，设置至少两个光标，设软笔的坐标是(x，y，z)，笔迹零点是z0，在Z轴坐标高于笔迹零点的情况下，其中第一光标的在显示器的显示焦点位置为(x，y)，第二光标的位置为(x+Ox，y+Oy)显示半径＝R+C*(z-z0)其中R、C、Ox、Oy是根据显示效果需要预先设定的常数，在Z轴坐标等于低于笔迹零点的情况下其中第一光标的在显示器的显示焦点位置为(x，y)，第二光标的显示焦点位置是(x，y)，光标半径是R；如图7所示是大小光标指示方案具体方案，其中第一光标设计成圆形，第二光标则设计成圆形辐射线，焦点是圆心，Ox、Oy的值为零，R第一光标的半径，C是由Z轴最大值和R确定的常数，本方案的使用感觉是手里握着带光源的笔，随着笔上下移动半径变大变小辐射线是笔上光源照在纸面上的光点。 

图5图6图7中，各图中的a图是各种方案中Z轴坐标高于笔迹零点的情况，各图中的b图是各种方案中Z轴坐标等于笔迹零点的情况，各图中的c图是各种方案中Z轴坐标低于笔迹零点产生笔迹的情况。 

考虑到分体系统的软笔虽然柔软的笔尖不是必须的但设置上并不影响使用，而一体系统中的Z轴坐标的光标提示不是必须的但设置上也不影响使 用，所以在考虑到软件、软笔兼容时，可以将这些特性一并应用。 

图13是分体软笔仿真系统中的软件流程，其中有两个进程，左面的进程是坐标的提示和笔迹的书写进程，右面的进程是由人机界面设置笔迹零点进程。光标、笔迹的控制遵循上面提到的“距离、长度、大小”光标显示方案的方法。 

图14是一体软笔仿真系统中的软件流程，其中只有一个进程，笔迹零点由软件自动记录，笔迹的零点即是首次碰触采样点中的Z轴坐标。光标、笔迹的控制遵循上面提到的“距离、长度、大小”光标显示方案的方法。 

注：本说明书记载的具体实施方式，是优选的实施方案，其可以整体上说明发明的目的、和手段，并不是发明实例穷举。 

完毕