機(jī)頂盒遙控器的鼠標(biāo)模式設(shè)計(jì)

王帥卿，楊　帆，華　中

(1.河北工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，天津 300401；2.天津鉑創(chuàng)國(guó)茂電子科技有限公司，天津 300384)

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機(jī)頂盒遙控器的鼠標(biāo)模式設(shè)計(jì)

王帥卿1，楊帆1，華中2

(1.河北工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，天津 300401；2.天津鉑創(chuàng)國(guó)茂電子科技有限公司，天津 300384)

摘要:多數(shù)機(jī)頂盒上只提供上下左右的滑動(dòng)方式在不同選項(xiàng)之間選擇，而設(shè)計(jì)優(yōu)化了一種新的方式，該方式可以讓機(jī)頂盒的用戶做到定點(diǎn)選擇。該方式是利用一種多功能觸屏遙控器實(shí)現(xiàn)的。遙控器內(nèi)部由單片機(jī)做主控芯片，采集觸摸屏的數(shù)據(jù)并判斷用戶操作的當(dāng)前狀態(tài)，如果是滑動(dòng)操作再由量化算法計(jì)算出移動(dòng)距離的量化結(jié)果。最后，自定義一種紅外協(xié)議，將數(shù)據(jù)通過(guò)這種紅外協(xié)議發(fā)送給機(jī)頂盒，以達(dá)到控制機(jī)頂盒的目的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明遙控器的平均正確操作率在95%以上，而且定位精度和有線鼠標(biāo)接近，易操作性良好。

關(guān)鍵詞:觸摸屏遙控器；鼠標(biāo)模式；機(jī)頂盒控制；紅外協(xié)議

智能機(jī)頂盒或者網(wǎng)絡(luò)機(jī)頂盒等智能設(shè)備已經(jīng)進(jìn)入了大眾生活[1]。為了能夠更加方便地使用機(jī)頂盒遙控器控制機(jī)頂盒，在遙控器上添加了鼠標(biāo)模式。目前，電腦上的鼠標(biāo)已經(jīng)近乎完美，而將這一工具用在遙控器上控制機(jī)頂盒才剛剛開(kāi)始。目前，國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上應(yīng)用較多的是按鍵鼠標(biāo)，按鍵鼠標(biāo)是在原來(lái)的遙控器上附加的一種功能，靠按鍵被按下的時(shí)間長(zhǎng)短區(qū)分鼠標(biāo)指針的移動(dòng)速度。這樣的鼠標(biāo)模式和傳統(tǒng)遙控器合并，按鍵較多，使用不方便。而在鼠標(biāo)遙控器開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)中，比較熱門(mén)的要數(shù)空中飛鼠，空中鼠標(biāo)是利用陀螺儀感應(yīng)人手的動(dòng)作，得出鼠標(biāo)指針的移動(dòng)方向和距離的一種工具[2-3]。而且這類(lèi)鼠標(biāo)多采用2.4 GHz無(wú)線技術(shù)，輻射高，且在第一次使用時(shí)必須要經(jīng)過(guò)碼率配對(duì)過(guò)程；電池供電，使用成本高[4]。

本文所設(shè)計(jì)的鼠標(biāo)模式是基于一種多功能觸屏遙控器設(shè)計(jì)的，用戶可以在遙控器上選擇鼠標(biāo)模式，并通過(guò)對(duì)觸屏遙控器的點(diǎn)擊、滑動(dòng)和長(zhǎng)按等操作，將操作數(shù)據(jù)通過(guò)紅外協(xié)議傳輸?shù)綑C(jī)頂盒，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)頂盒的控制。

1鼠標(biāo)模式硬件平臺(tái)

現(xiàn)在市場(chǎng)上流行的遙控器鼠標(biāo)模式是基于傳統(tǒng)按鍵式遙控器開(kāi)發(fā)的，鼠標(biāo)模式的人機(jī)交互很不方便，也很少被用到；而人們又不太習(xí)慣使用空中鼠標(biāo)。本文設(shè)計(jì)的觸摸屏遙控器是全觸屏控制鼠標(biāo)，就像便攜式計(jì)算機(jī)的觸摸板，控制方便。觸摸屏是一種流行的大眾人機(jī)接口[5]。觸摸屏上分區(qū)域畫(huà)出了操作區(qū)域和功能觸摸鍵。使用時(shí)，用戶在規(guī)定區(qū)域完成操作就可以控制對(duì)應(yīng)機(jī)頂盒。這樣的觸摸屏遙控器具有諸多優(yōu)點(diǎn)：

1)由單片機(jī)開(kāi)發(fā)，成本更低廉；

2)手掌大小的面積，產(chǎn)品更輕便；

3)鼠標(biāo)模式只有4個(gè)功能觸摸鍵和兩個(gè)操作區(qū)，更易學(xué)易用；

4)功能由軟件編程實(shí)現(xiàn)，可重開(kāi)發(fā)；

5)觸摸屏可印刷，可定制；

6)充電式電池供電，環(huán)保省電，使用成本低[5]。

圖1是觸屏遙控器的硬件平臺(tái)，本平臺(tái)采用導(dǎo)電油墨觸摸屏，由觸控處理模塊將屏幕采到的數(shù)據(jù)信息經(jīng)過(guò)一系列算法處理后傳輸給單片機(jī)CPU，CPU經(jīng)過(guò)對(duì)信息的篩選處理，決定是否發(fā)送紅外數(shù)據(jù)和發(fā)送什么數(shù)據(jù)。

圖1　硬件平臺(tái)

控制器采用HAV1007型號(hào)單片機(jī)，此款單片機(jī)集成C*Core和觸控芯片于一身，可以直接連接觸摸屏，是一款專門(mén)為觸屏設(shè)備設(shè)計(jì)的功能強(qiáng)大的單片機(jī)。

2鼠標(biāo)模式軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)鼠標(biāo)的實(shí)現(xiàn)可以分為3個(gè)步驟：采點(diǎn)處理，狀態(tài)機(jī)，紅外發(fā)送。3個(gè)模塊分3個(gè)函數(shù)模塊，其中以狀態(tài)機(jī)為主體函數(shù)，完成操作判斷和作出回應(yīng)。由于機(jī)頂盒多是采用NEC紅外協(xié)議，所以紅外發(fā)送模塊也采用NEC紅外協(xié)議，以便和機(jī)頂盒對(duì)接。

2.1采點(diǎn)處理

采點(diǎn)處理的緩沖器是專門(mén)為了配合觸屏遙控器而設(shè)計(jì)的。采用定長(zhǎng)數(shù)組循環(huán)存放信息，這樣可以節(jié)約單片機(jī)內(nèi)存。采點(diǎn)處理過(guò)程把一個(gè)定長(zhǎng)的數(shù)組作為緩沖器，記錄坐標(biāo)信息有效點(diǎn)個(gè)數(shù)和總點(diǎn)的個(gè)數(shù)并標(biāo)記當(dāng)前點(diǎn)是否有效。這里的無(wú)效點(diǎn)是指第一次操作之后，等待是否有第二次操作時(shí)的(0，0)點(diǎn)。為了便于統(tǒng)一管理，不存放無(wú)效點(diǎn)坐標(biāo)信息，而將無(wú)效點(diǎn)的個(gè)數(shù)存放在x坐標(biāo)的位置，無(wú)效點(diǎn)后接有效點(diǎn)標(biāo)志存放在y坐標(biāo)的位置。這樣也節(jié)省了存儲(chǔ)空間。此外，標(biāo)記信息也能起到計(jì)數(shù)的作用。每一個(gè)坐標(biāo)的標(biāo)記信息都是16位長(zhǎng)的數(shù)，用32 768(215，是16位二進(jìn)制數(shù)可表示范圍的一半)以上的數(shù)字表示有效點(diǎn)標(biāo)志，以下的數(shù)字表示無(wú)效點(diǎn)標(biāo)志。采集到新點(diǎn)時(shí)從0或32 768開(kāi)始加1記錄標(biāo)志信息。經(jīng)過(guò)對(duì)點(diǎn)的標(biāo)識(shí)、分類(lèi)等預(yù)處理后放入緩沖器。連續(xù)的采點(diǎn)將循環(huán)的存儲(chǔ)在緩沖器當(dāng)中，以這樣邊采點(diǎn)邊由其他模塊讀取點(diǎn)信息的方式，完成采點(diǎn)處理的操作。圖2是緩沖器流程圖。

圖2　緩沖器流程圖

2.2狀態(tài)機(jī)

壯態(tài)轉(zhuǎn)換是整個(gè)鼠標(biāo)模式的關(guān)鍵，也是軟件部分的主體。用軟件狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)，其下分為：空閑態(tài)(G_IDLE)、觸摸態(tài)(G_T)、滑動(dòng)態(tài)(G_DM)、長(zhǎng)按態(tài)(G_LP)、單擊提起態(tài)(G_SC_UP)和雙擊觸摸態(tài)(G_DS_T)等狀態(tài)。不同操作對(duì)應(yīng)不同狀態(tài)，用戶完成想要的操作，遙控器就可以發(fā)生紅外數(shù)據(jù)。

如圖3的狀態(tài)跳轉(zhuǎn)圖。沒(méi)有動(dòng)作時(shí)狀態(tài)機(jī)處于空閑態(tài)。當(dāng)開(kāi)始有新的觸摸點(diǎn)輸入時(shí)，狀態(tài)機(jī)就從空閑態(tài)跳入觸摸態(tài)，再根據(jù)接下來(lái)的點(diǎn)信息判斷是滑動(dòng)態(tài)、長(zhǎng)按態(tài)還是單擊提起態(tài)。如果以后的點(diǎn)符合滑動(dòng)判斷，則進(jìn)入滑動(dòng)態(tài)，發(fā)送紅外信息；如果采集到的坐標(biāo)點(diǎn)在一個(gè)閾值范圍內(nèi)且時(shí)間夠長(zhǎng)，則進(jìn)入長(zhǎng)按態(tài)，然后發(fā)生長(zhǎng)按對(duì)應(yīng)的鍵值；如果采集到無(wú)效點(diǎn)，則進(jìn)入單擊提起態(tài)。在單擊提起態(tài)會(huì)等待一段時(shí)間，一段時(shí)間之內(nèi)有新坐標(biāo)點(diǎn)則進(jìn)入雙擊觸摸態(tài)，否則發(fā)出單擊動(dòng)作的紅外鍵值并返回空閑態(tài)。雙擊觸摸態(tài)時(shí)，如果有滑動(dòng)或長(zhǎng)按發(fā)生，則進(jìn)入滑動(dòng)態(tài)或長(zhǎng)按態(tài)。如果又采集到無(wú)效點(diǎn)，則完成雙擊操作。雙擊操作需要判斷兩次觸摸屏幕的坐標(biāo)點(diǎn)符合不符合閾值范圍內(nèi)，符合則發(fā)出雙擊動(dòng)作對(duì)應(yīng)的紅外鍵值，否則按第二次觸摸的點(diǎn)發(fā)出單擊動(dòng)作的紅外鍵值并返回空閑態(tài)。圖4清楚地列出了各個(gè)狀態(tài)的流程圖。下面以是否發(fā)生滑動(dòng)的判斷方法為例分析狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)跳轉(zhuǎn)過(guò)程。

圖3　狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

圖4　各狀態(tài)流程圖

狀態(tài)機(jī)決定鼠標(biāo)做出什么動(dòng)作，然而鼠標(biāo)能移動(dòng)到準(zhǔn)確的位置，能擁有良好的用戶體驗(yàn)的因素是滑動(dòng)的判斷和量化。而且滑動(dòng)的判斷和量化是相互影響的。主要體現(xiàn)在：

1)當(dāng)滑動(dòng)判斷閾值較大時(shí)，每次判斷成一次滑動(dòng)采集到的點(diǎn)就多；反之，點(diǎn)少。而慢滑時(shí)的量化又是根據(jù)點(diǎn)的多少得出結(jié)果的。所以滑動(dòng)判斷影響量化結(jié)果。

2)量化結(jié)果較小時(shí)，紅外發(fā)送的數(shù)據(jù)較小，鼠標(biāo)指針移動(dòng)較小；反之，較大。滑動(dòng)結(jié)果就不理想。所以量化影響滑動(dòng)的效果。

2.2.1滑動(dòng)判斷方法

滑動(dòng)判斷的方法較簡(jiǎn)單。滑動(dòng)判斷模塊的判斷方法是根據(jù)連續(xù)有效觸摸點(diǎn)的距離差是否大于滑動(dòng)判斷閾值，大于該閾值則有滑動(dòng)發(fā)生，否則沒(méi)有滑動(dòng)發(fā)生。滑動(dòng)判斷閾值是通過(guò)輸入變量傳給滑動(dòng)判斷函數(shù)的，所以怎樣才算是滑動(dòng)不是滑動(dòng)判斷模塊決定，而是在狀態(tài)機(jī)調(diào)用滑動(dòng)判斷函數(shù)時(shí)，由狀態(tài)機(jī)的當(dāng)前狀態(tài)決定的。主要有觸摸態(tài)(G_T)和滑動(dòng)態(tài)(G_DM)等調(diào)用。如果是觸摸態(tài)調(diào)用，滑動(dòng)判斷閾值的設(shè)定是為了區(qū)分下一個(gè)狀態(tài)是滑動(dòng)態(tài)還是長(zhǎng)按態(tài)；如果是滑動(dòng)態(tài)，滑動(dòng)判斷閾值的設(shè)定是為了良好的用戶體驗(yàn)。閾值具體的大小要通過(guò)多人多次實(shí)驗(yàn)得出。這樣的滑動(dòng)判斷函數(shù)不僅滿足了狀態(tài)機(jī)不同狀態(tài)的需求，而且符合大多數(shù)人的使用習(xí)慣，具有普適性。

2.2.2鼠標(biāo)量化算法

鼠標(biāo)量化就是將用戶手指在遙控器上滑動(dòng)的速度和距離用合適的數(shù)據(jù)表示出來(lái)；即屏幕鼠標(biāo)指針移動(dòng)的方向和距離是由遙控器觸摸屏采集點(diǎn)的變化量和變化速度決定的。

適合人手的遙控器的體積較小，因此，用戶在控制鼠標(biāo)慢滑的時(shí)候，滑動(dòng)判斷模塊判斷出的每一次滑動(dòng)的坐標(biāo)變化量和觸摸屏上的移動(dòng)速度和距離并沒(méi)有明顯的關(guān)系，利用距離不能有效區(qū)分鼠標(biāo)指針應(yīng)有的移動(dòng)距離。但是，采集到點(diǎn)的數(shù)目卻和移動(dòng)速度和距離有關(guān)系。因此，鼠標(biāo)量化可分作兩部分理解：慢滑時(shí)根據(jù)滑動(dòng)判斷模塊判斷出一次滑動(dòng)時(shí)的總坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)量化出鼠標(biāo)指針的移動(dòng)距離；快滑時(shí)再根據(jù)滑動(dòng)距離量化出屏幕鼠標(biāo)指針移動(dòng)距離。雖然鼠標(biāo)量化分為快滑和慢滑，卻可以用一個(gè)公式表示單方向的移動(dòng)量。

鼠標(biāo)量化得出的數(shù)據(jù)結(jié)果是由兩個(gè)變化量計(jì)算出的。一個(gè)是一次滑動(dòng)的點(diǎn)數(shù)，一個(gè)是一次滑動(dòng)的距離，也就是說(shuō)量化結(jié)果和點(diǎn)數(shù)和距離有關(guān)系。量化函數(shù)將橫縱軸分開(kāi)量化，先處理縱軸采集的數(shù)據(jù)，然后再量化橫軸[6]。設(shè)橫向變化量為dx，縱向變化量為dy，每次判斷成滑動(dòng)時(shí)的總點(diǎn)數(shù)為p。將量化結(jié)果存儲(chǔ)在結(jié)構(gòu)體s中，則在x軸和y軸的量化結(jié)果分別為

(1)

(2)

公式中的系數(shù)4和條件中的系數(shù)4是根據(jù)理論計(jì)算和經(jīng)驗(yàn)修正得出。這樣的處理方式是將每次滑動(dòng)的距離用每次滑動(dòng)的點(diǎn)數(shù)轉(zhuǎn)換壓縮，以達(dá)到良好用戶體驗(yàn)的效果。在單位距離內(nèi)，最終的量化結(jié)果和滑動(dòng)時(shí)的手指速度是成正比的。以x軸為例，慢滑時(shí)dx為50左右，函數(shù)圖像類(lèi)似圖5a；快滑時(shí)p等于2或3，函數(shù)圖像是線性的，如圖5b。

圖5　量化結(jié)果函數(shù)圖

2.3紅外協(xié)議

紅外發(fā)送模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)包括兩個(gè)16位二進(jìn)制數(shù)。如果是確定、返回或者開(kāi)關(guān)機(jī)或者翻頁(yè)的鍵值，則發(fā)送的兩個(gè)16位二進(jìn)制數(shù)一個(gè)是固定的系統(tǒng)碼，一個(gè)是鍵值。機(jī)頂盒收到對(duì)應(yīng)鍵值就給出回應(yīng)。如果是滑動(dòng)的量化結(jié)果，則一個(gè)表示橫軸移動(dòng)量，一個(gè)表示縱軸移動(dòng)量。兩軸移動(dòng)量配合得出屏幕鼠標(biāo)指針的平面移動(dòng)方向和距離[7]。

圖6中，以單軸量化結(jié)果為例分析了滑動(dòng)時(shí)屏幕鼠標(biāo)指針的移動(dòng)距離的二進(jìn)制量化結(jié)果鍵值的權(quán)重和符號(hào)位。當(dāng)相應(yīng)數(shù)據(jù)位為1，表示屏幕鼠標(biāo)指針要移動(dòng)對(duì)應(yīng)權(quán)重的距離。+/-位是符號(hào)位，“1”表示結(jié)果為負(fù)。標(biāo)“0”的位是固定標(biāo)志位，表示當(dāng)前數(shù)據(jù)代表鼠標(biāo)偏移量。

圖6　量化結(jié)果

將鍵值或滑動(dòng)的量化結(jié)果通過(guò)紅外模塊發(fā)送給機(jī)頂盒，則機(jī)頂盒就根據(jù)接收的數(shù)據(jù)作出回應(yīng)。這樣就形成了遙控器鼠標(biāo)模式的一組紅外協(xié)議。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)不斷地對(duì)觸摸屏和軟件改進(jìn)調(diào)優(yōu)，最終實(shí)驗(yàn)得出了理想的效果。圖7和圖8分別是一次向下翻頁(yè)和一次右上到左下的快速滑動(dòng)效果，慢速滑動(dòng)也可以達(dá)到毫米級(jí)的滑動(dòng)。可見(jiàn)翻頁(yè)和傳統(tǒng)按鍵遙控器效果相同，滑動(dòng)比傳統(tǒng)按鍵遙控器更方便，更符合使用習(xí)慣。表1是測(cè)試得出的統(tǒng)計(jì)表，平均正確判斷率在95%左右。

圖7　翻頁(yè)效果(照片)

圖8　快滑效果(照片)

對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)，評(píng)價(jià)一款鼠標(biāo)的優(yōu)劣需要考慮定位精度、平滑性、易操作性[8]。本文的量化成功地做到移動(dòng)量受滑動(dòng)速度和滑動(dòng)距離兩個(gè)因素影響。理論上，紅外數(shù)據(jù)的量化結(jié)果可以到達(dá)1個(gè)像素點(diǎn)。實(shí)際應(yīng)用中也可以到達(dá)毫米級(jí)的移動(dòng)，完全滿足用戶需求。由于遙控器是無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)，而且是紅外傳輸，所以速度較慢，采樣速度慢，平滑性欠佳。

表1　測(cè)試統(tǒng)計(jì)表

4結(jié)論

無(wú)線紅外協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸速率較慢[9]，但在機(jī)頂盒遙控器上實(shí)現(xiàn)的鼠標(biāo)模式用紅外傳輸數(shù)據(jù)還是取得了較好的結(jié)果。以后，智能機(jī)頂盒和網(wǎng)絡(luò)機(jī)頂盒的普及率會(huì)越來(lái)越高，遙控器也會(huì)越來(lái)越多，利用遙控器實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)模式也會(huì)與時(shí)俱進(jìn)，更加增大人們生活的便捷性。另外，遙控器的用戶體驗(yàn)和操作的成功率和觸摸屏的靈敏度有直接關(guān)系，也和操作區(qū)域和觸摸功能的大小有一定關(guān)系。

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責(zé)任編輯：許盈

Mouse mode of remote controller for set-top box

WANG Shuaiqing1, YANG Fan1, HUA Zhong2

(1.SchoolofElectronicandInformationEngineering,HebeiUniversityofTechnology,Tianjin300401，China;2.TianjinBotroElectronicTechnologyDevelopmentCo. ,Ltd.,Tianjin300384,China)

Abstract:Most remote controllers of set-top box could only make a choice between the four options -- sliding up or down or left or right. In this paper, a new way is designed and optimized. In this way, users can control set-top boxes to do fixed-point selection. This device is based on the multi-functional touch-screen remote controller that is dominated by single-chip microcomputer. Microcontroller unit (MCU) collects information from touch-screen, and then sends a message after receiving the state of user’s operation. If current state is slide state, the message would be calculated by quantization algorithm. Finally, the final data is sent to set-top boxes via an infrared protocol that is defined in advance. So users can control the mouse pointer displayed on screen of the set-top box, and do fixed-point selection by operating the touch-screen remote controller. The experimental results show that the average correct rate of operation of the remote controller is above 95% and the positional accuracy is close to wired mouse.

Key words:touch-screen remote controller; mouse mode; set-top box control; infrared protocol

中圖分類(lèi)號(hào)：TN835

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.16280/j.videoe.2016.05.002

作者簡(jiǎn)介：

王帥卿(1990— )，碩士生，主要從事智能信息處理研究工作；

楊帆(1966— )，教授，主要從事圖像處理、模式識(shí)別及電路與系統(tǒng)等方面的研究工作，為本文通訊作者。

收稿日期：2015-11-01

文獻(xiàn)引用格式：王帥卿，楊帆，華中. 機(jī)頂盒遙控器的鼠標(biāo)模式設(shè)計(jì)[J].電視技術(shù)，2016，40(5)：4-8.

WANG S Q，YANG F，HUA Z. Mouse mode of remote controller for set-top box[J].Video engineering，2016，40(5)：4-8.