杨宇琪

摘要：基于VKB键盘技术设计投影键盘，用红外线激光投影技术将虚拟键盘投影至用户指定的界面平面，再通过摄像头采集工作计算出用户手指敲击落点的位置坐标，将其对应的字符显示在用户使用的设备屏幕上。作为一种全新的输入方式，虚拟投影键盘相较于传统键盘而言，使用起来更加简洁便携。

关键词：虚拟键盘;红外线激光投影

随着计算机技术和多媒体技术的快速发展，诸多电子产品移动设备已然普及家家户户。从世界上第一台超大型现代电子计算机，到笨重的台式电脑，再到轻薄的笔记本，便携的平板。可以说，科技的进步丰富便利了人们的生活娱乐，人们对美好生活的更高需求也极大推动了科技的进一步发展。如此看来，传统的人机交互式机械键盘因其体积重量等一系列不便携问题，已经完全不能满足用户的进一步需要，用户渴望更加轻巧便携甚至趋于隐形的键盘。鉴于这一原因，目前可以实现这一技术的主要有基于VKB键盘技术的虚拟投影键盘，它能较为有效地实现便携这一优点，也能满足移动终端对输入设备的要求。

迄今为止，世界范围内已有三家公司提出了集成虚拟键盘技术的设想，它们分别是美国的Virtual Devices公司、Canasta公司以及以色列的VKB公司。这三家公司关于设计虚拟投影键盘的设计技术大同小异，都是用镭射光或红外线射出标准的QWERTY键盘的影像，其几乎能再任意平面上投影出全尺寸的电脑键盘。虚拟投影键盘的工作原理，大致是通过对用户打字时的运动曲线和敲击动作进行扫描、搜集记录并解码，从而转换成用户敲击的字符出现在显示屏上。由于虚拟投影键盘应用的是光影技术，所以用户在不需要使用键盘时可以完全将其收起，相对于传统键盘节省了很大的存放空间，提高了便携性。

基于VKB键盘技术设计的激光投影虚拟键盘，是采用投影来作为新的输入方式工具，其内置的红色激光发射器将由经过特殊设计的高效全息光学原件照明产生的界面模版，也就是标准键盘轮廓，投影至用户指定的界面平面。此时，红外线光照平面应与界面表面相平行，红外线技术进一步跟踪用户手指的动作，当用户在界面表面轻击所需按键时，其对应位置的按键边上就会发出反射光線。接着，反射光线传入传感器模块中，通过一系列算法确定用户敲击字符位置对应的坐标，在显示屏上显现出敲击的字符，从而实现虚拟键盘的输入。作为一种全新的输入方式，激光投影键盘虽然不如实体机械键盘使用起来顺手，但如果用户操作熟悉后，其每分钟最多可输入的字符也是可以高达300多个。与此同时，虚拟激光键盘的按键传感器十分灵敏，即使是在强光照射的特殊情况下也能保持正常准确的工作状态，其识别率不会因环境问题大打折扣。除此之外，虚拟激光键盘可以设置USB接口进行充电或蓝牙设备配对，适用于笔记本、平板、手机甚至是智能手表。激光键盘开机后，虚拟投影键盘的蓝牙可以自动连接上之前用户使用过的自定义设备，与此同时，用户还可以根据个人习惯喜好设置虚拟键盘是否发出仿真敲击声，在保证创新便携性的同时极大地保留给用户原始机械键盘的使用体验，其优秀的精敏度和灵活性具有很大的市场前景和相当可观的社会经济效应。

由上述介绍，我们大致可以知道，设计激光虚拟投影键盘的关键是在于红外激光设备对手指敲击动作的识别及敲击位置坐标的搜集计算。其工作过程可以分为两个环节，先是进行手指敲击位置坐标采集，然后采集设备将采集到的坐标数据送入图像数据处理模块。激光投影器投影标准键盘布局轮廓到用户指定的界面平面，同时在激光投影器底部还有一个红外线激光管，它能发出贴近并平行与界面平面的一束红外射线，该红外射线能够覆盖投影到界面平面的整个虚拟键盘轮廓。当用户的敲击某个按键手指落下时，会遮挡到红外线激光管发出的一部分与之对应位置坐标的红外射线，这个时候，装有带滤光片的摄像头就可以十分灵敏地捕捉到这个光源，送给第二个环节——图像数据处理模块。系统中装有带滤通片的摄像头采用的是单摄像头，配合滤光片可以较好地消除其余可见光的干扰，解决了由于环境光变化产生的干扰造成的图像采集误差。且因为系统采用的是单摄像头，采集数据少，工作量低，不需要使用占内存较大的控制器就可以实现位置坐标图像的采集和计算，控制了设备的设计制作成本，便于推广大范围投入生产使用。但单摄像头在工作时也存在一定问题，摄像头内部不同的放大器不能保持一致的放大性，导致采集位置坐标图像时噪点较多。除此之外，摄像头制作的工艺偏差以及安装的机械结构倾角等一系列因素会使采集出来的图像发生不可忽略的畸变。因此需要采用MATLAB的摄像头标定工具箱和图像处理工具箱进行图像的标定校正及滤波处理。虚拟投影键盘系统软件的摄像头采集工作过程主要为：在程序开始是，首先进行系统的初始化，然后设置摄像头初始化，判断场中断是否到达，如已到达即由DMA采集指针复位开启行中断，行指针到达末端后即代表图像采集完毕，最后输出本图像即可结束。将采集输出的图像实时显示到TET屏上，便可通过人眼观察检测出摄像头是否能正常正确进行图像数据采集工作。

虚拟激光投影出来的键盘是通过蓝牙和用户所需使用设备连接起来的键盘，使用场合较为随意，适用于台式电脑、笔记本、平板、智能手机手表，连网游戏机等诸多设备。它作为一种还未普及的全新输入方式，通过在内部配置红外激光发射器，把虚拟键盘投射到用户指定的界面平面上，用户可以直接在投射出来的虚拟键盘上进行文字输入操作。我们将光学原理应用于此，根据用户敲击键盘的位置坐标来计算确定其对应的输入字符并显示于与键盘连接的用户设备上，达到我们需要输入信息的目的。因为它们是没有实际物体的键盘，所以相较于传统键盘来说，体积特别小巧，不占空间，方便携带，适合上班族随时随地进行公文处理。从虚拟键盘投影在界面平面上的形状来看，它们跟实际的键盘是一样的，投影出来的按键都是按照实际键盘的布局大小所设计的。纵使我们在设计时极大地去使虚拟键盘贴近于传统实体机械键盘，但初次使用虚拟键盘，用户肯定会有许些不适应之处。比如，虚拟键盘没有传统机械键盘使用时的敲击感;虚拟键盘按键没有突起部分，用户在使用时极容易误触。除了便于携带，快速性也是虚拟激光投影键盘不可忽视的一个优点。激光键盘在连接时速度特别快，使用的过程中也十分顺畅，反应灵敏准确，使用性能稳定。配置性能良好的电池板，可以使它们只充电几十分钟的时间，便可供用户续航使用四五个小时左右。若用户使用熟练，虚拟键盘可以保证在每一分钟能识别用户敲击输入的约三百五十个字符。且只要是固体的平面就可以操作，十分便捷。激光投影键盘具有十分广阔的前景，它弥补了传统键盘的许多局限性，做到轻巧方便，灵活便携，极大地满足了移动终端对于输入设备的更高要求。目前虚拟键盘这块市场有极大的开拓性而且所耗费的经济成本相对降低，可以积极跟进设计技术发展。