WO2012062983A1 - Procede de detection d'objet d'interet dans un environnement perturbe, et dispositif d'interface gestuel mettant en oeuvre ce procede - Google Patents

Procede de detection d'objet d'interet dans un environnement perturbe, et dispositif d'interface gestuel mettant en oeuvre ce procede Download PDF

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WO2012062983A1
WO2012062983A1 PCT/FR2011/052533 FR2011052533W WO2012062983A1 WO 2012062983 A1 WO2012062983 A1 WO 2012062983A1 FR 2011052533 W FR2011052533 W FR 2011052533W WO 2012062983 A1 WO2012062983 A1 WO 2012062983A1
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Bruno Luong
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Nanotec Solution
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    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/03—Arrangements for converting the position or the displacement of a member into a coded form
    • G06F3/041—Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means
    • G06F3/0416—Control or interface arrangements specially adapted for digitisers
    • G06F3/0418—Control or interface arrangements specially adapted for digitisers for error correction or compensation, e.g. based on parallax, calibration or alignment
    • G06F3/04182—Filtering of noise external to the device and not generated by digitiser components
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
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    • G06F3/041—Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means
    • G06F3/044—Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means by capacitive means

Definitions

  • the present invention relates to a method for detecting objects of interest in a disturbed environment, applicable to gestural interfaces. It also relates to a gestural interface device implementing the method.
  • the field of the invention is more particularly but in a non-limiting manner that of the tactile and capacitive 3D surfaces used for the human-machine interface controls.
  • a touch control interface such as a pad or screen.
  • Examples include mobile phones, smartphones, touch screen computers, pads, PCs, mice, touch screens, giant screens
  • the touch surface is equipped with conductive electrodes connected to electronic means which make it possible to measure the variation of the capacitances appearing between electrodes and the object to be detected in order to carry out a command.
  • Capacitive techniques currently implemented in touch interfaces most often use two layers of conductive electrodes in the form of lines and columns. Electronics measure the coupling capabilities that exist between these lines and columns. When a finger is very close to the active surface, the coupling capabilities near the finger are modified and the electronics can thus locate the position in 2D (XY), in the plane of the active surface.
  • Rozière's FR 2844 349 discloses a capacitive proximity sensor comprising a plurality of independent electrodes, which makes it possible to measure the capacitance and the distance between the electrodes and an object in the vicinity.
  • any displacement of a parasitic object at this distance can also be interpreted as the presence of the object to be detected, and trigger an unwanted unwanted order.
  • the change in the environment is even more important for all portable devices such as mobile phones, notebooks, laptops ....
  • Another example is the touchscreen and capacitive touchscreen of laptops. Adjusting the tilt of the screen moves the sensitive surface closer to or away from the keyboard screen. This variation of approximation or remoteness can be interpreted as the approach or the distance of the hand to be detected.
  • the surface of the keyboard being very important, the sensitivity of the capacitive electrodes of the screen can change according to the distance separating them from the keyboard. Indeed, the sensitivity of the capacitive electrodes depends on their surface but also the edge effects that can deflect or disturb the electrostatic field lines of the electrodes concerned.
  • the presence of an inert object such as an object on the desktop near the capacitive slab of a gesture interface can also significantly change the response of the slab.
  • the inert object can also be the support of the capacitive slab such as an office. This support may for example comprise more or less thick wood, or any other dielectric material or conductor of electricity. These materials can alter the leakage capabilities due to edge effects.
  • the change of position on a desk can also change the leakage capacity due for example to the presence of feet under the desk, consisting of a dielectric surface ...
  • Another example is the use of a gesture control in a vehicle where the change in the environment can be the movement of the gearshift lever, the parking brake, the presence of a passenger, the adjustment of the seat
  • the object of the present invention is to provide a gesture interface control method and device for correcting the disturbing effects of the environment and improving the detection of commands.
  • This objective is achieved with a method of detecting object (s) of interest moving in an environment, implementing at least one measuring electrode in capacitive coupling with the said object (s) d interest and with one or more other objects - said perturbation - present in this environment, characterized in that it comprises, for at least one of said measuring electrodes, steps of:
  • the method according to the invention may further comprise a step of updating the measurement history, such that said measurement history comprises total capacities measured during a period corresponding to a sliding time window with respect to the instant of measurement. measure, of predetermined duration.
  • the duration of the sliding time window can be determined to be greater than an average duration of presence of the objects of interest close to the measurement electrode;
  • the duration of the sliding time window can be between one and ten seconds.
  • any other duration value of the sliding time window can also be used depending on the type of environment. This duration can be less than one second for very dynamic, or on the contrary of the order of several tens of seconds to several minutes for a very static environment.
  • the method according to the invention may further comprise a step of adjusting the duration of the sliding time window as a function of the dynamics of variation of the measurements.
  • the method according to the invention may further comprise steps of:
  • the determination of a minimum value in the measurement history may comprise the use of an optimal minimum / maximum filtering algorithm, with a substantially constant calculation time;
  • the calculation of the interest capacity may comprise the calculation of a combination of the leakage capacity and the total capacity measured. This combination can be a linear combination.
  • the method according to the invention may furthermore comprise:
  • a preliminary calibration step comprising, for at least one measuring electrode, the determination of an initial leakage capacitance by measuring the total capacitance of the measuring electrode in the absence of an object of interest,
  • this initial leakage capacity to the leakage capacities determined subsequently, this combination possibly being a linear combination.
  • the method according to the invention can be implemented for a plurality of measuring electrodes differently according to said electrodes.
  • a gestural interface device implementing the method of detecting objects of interest in a disturbed environment according to any one of the preceding claims, said gestural interface being made from objects of interest driven by gesture in said environment further comprising disturbance objects, said device comprising at least one measuring electrode capable of detecting objects by capacitive coupling between said measuring electrode and said objects, characterized in that it further comprises, for at least one measurement electrode:
  • means for calculating a leakage capacity due to the perturbation objects comprising means for determining a minimum value in a history of total capacity measurements previously stored,
  • the device may further comprise a substantially flat surface comprising a plurality of measuring electrodes
  • the measurement electrodes may comprise a material that is substantially transparent to light.
  • a system of one of the following categories is proposed: telephone, computer, computer peripheral, display screen, dashboard, control panel, implementing a capacitive detection method according to the invention. 'invention.
  • a system of one of the following categories telephone, computer, computer peripheral, display screen, dashboard, control panel, comprising a gesture interface device according to the 'invention.
  • FIG. 1 illustrates the influence of the environment on a gesture control device of the touch screen type
  • FIG. 2 illustrates the capacity measurement with the method according to the invention
  • - Figure 3 shows an enlarged view of Figure 2 for displaying the calculated leakage capacity with the method according to the invention.
  • FIG. 1 shows an embodiment of a gesture control interface device according to the invention integrated in a touch screen, computer or telephone (smartphone).
  • the interface device 1 comprises a plurality of capacitive electrodes 2 arranged so as to substantially line its surface. For the sake of clarity, only a capacitive electrode 2 is shown in FIG. 1.
  • the capacitive electrodes 2 and their control electronics are produced according to an embodiment described in FR 2 844 349.
  • the control electronics comprise means for exciting the electrodes 2 at an alternating voltage and very high sensitivity capacitance measuring means based on a floating bridge electronics.
  • the electrodes 2 are interrogated sequentially via a scanner.
  • the electronics are designed in such a way as to almost perfectly eliminate the capacitive couplings between the electrodes 2, or between the electrodes 2 and the parts of the interface device 1 subjected to another electrical potential.
  • the capacitance measured by each electrode 2 is close to zero, with edge effects and imperfection near the sensitive surface and the electronic.
  • These low residual capacities are called Coo.
  • These residual capacitors can also be low-value capacitors which correspond to the effect of the object of interest 3 when its distance is considered to be out of range of the measurement electrodes 2 or beyond a maximum detection distance. .
  • the residual capacities Coo can also be due to the presence of objects 4 in the vicinity of the interface device 1.
  • the leakage capacitors 6 are set up, of which the order of magnitude can be comparable to that of the capacity 5 due to the object of interest 3, and which can therefore cause significant measurement errors.
  • An object of the present invention is precisely a method making it possible to discriminate the variations of the environment 4 from the presence of the object to be detected 3 in such a way as to improve its detection and thus avoid false commands.
  • the correction is based on the exploitation of certain specific aspects of the environment, which comprises, for example, static objects 4 placed side by side in the vicinity of the capacitive interface device 1:
  • the capacity of the electrode 2 of FIG. 1 increases with the presence of an object of interest 3 or of environment 4.
  • the capacitance measured by the electrode 2 is:
  • a typical object of interest such as a finger or a hand has relatively fast movements relative to the objects considered to belong to the environment.
  • the solution consists in estimating in real time - or at least in a manner that is evolutionary in time - a Coo leakage capacity map in order to correct the estimation of the position of the control object 3.
  • Coo leakage capacity for a given electrode 2, taking into account environment objects 4 can be expressed as follows:
  • This estimate is updated continuously to take into account the changes in the environment, for example in case of displacement of the interface device 1 or the appearance of new objects 4 nearby.
  • a method will be described for estimating the Coo map dynamically during the use of the interface device 1.
  • the curve 10 shows a total capacitance measurement Ctot for an electrode 2 of the interface device 1.
  • the peaks 12 correspond to the instants at which an object of interest 3 approaches the electrode 2.
  • the curve 10 is representative of the situation according to which for example a finger 3 approaches and comes periodically near or in contact with the surface of the interface device 1, to "click" or operate virtual keys.
  • the electrode 2 measures a total capacitance C whose contribution due to the object Cobj corresponds to the height 14 of the peaks 12.
  • a time window 13 is chosen whose width or temporal duration Tm is substantially greater than the duration during which the object of interest 3 can remain motionless, but smaller than the period over which the environment can change.
  • the temporal duration Tm must notably be greater than the typical duration of a gesture (movement of the object of interest 3) so as to be able to discriminate the variations of capacity due to a change of the object of interest. and that due to other objects 4 considered as belonging to the environment.
  • the time window 13 is represented in FIGS. 2 and 3 with respect to a measurement instant (or present moment) 15.
  • the value of the leakage capacity Coo at the present moment is determined as being the smallest capacitance value C stored during this time window 13.
  • the window 13 is slippery in time, in the sense that the stored values are updated periodically (at each acquisition for example) to keep only a measurement history of duration Tm.
  • the capacitance C (t) of each electrode 2 is measured periodically with a temporal sampling At allowing the detection of gestures.
  • the last N capacity measurements measured are stored in a zone digital storage device, and used to estimate Coo leakage capability.
  • the oldest of the N stored measurements is erased while the last measurement is stored.
  • min ⁇ is the search operator of the minimum, and s belongs to the time interval [t-Tm, t].
  • the leakage capacity of the environment can be written as:
  • This minimum filtering has an adaptive behavior that is not symmetrical with respect to changes in the environment:
  • the filter waits" for this increase to last at least throughout the duration Tm of the sliding window 13 before raising the value of the leakage capacity Coo according to equations 3 or 4.
  • Curve 11 shows the evolution of leakage capacity Coo, as calculated by equation 4.
  • the choice of the width of the time window Tm depends on the type of device to be controlled and its mode of use.
  • the controls are relatively dynamic.
  • the slowest commands are for example the selection of an icon on the screen to move or delete it.
  • the action consists in fixing the finger for at least 1 second to make the selection of the icon.
  • a time window of 2 to 10 seconds, or even 1 to 10 seconds, is appropriate for this type of device to retain the ability to select an icon while integrating environmental correction.
  • This corrected capacity of environmental effects can then be used in a conventional manner to detect the position or gesture of the object of interest 3.
  • the calculation of the minimum in the last sub-window, during filling can be carried out either by re-traversing at each iteration (corresponding to a capacitance measurement acquisition C) the values of the sub-window already stored, either in keeping the smallest value in each iteration.
  • the storage area requires a dimension M (and no longer N).
  • the temporal width Tm of the window 13 can be adapted according to the type of environment autonomously by using a specific algorithm taking into account the evolution of this environment from the measurements. It can also be adapted manually;
  • the calculation of the Cobj capacity of interest may comprise a linear combination of the total capacities C and Coo leakage, or any other function of C and Cco.
  • the estimation of the Coo capacitance with the minimum filtering as described in equation (4) can be combined with another previously determined and memorized leak capacitance calibration card Coo ', resulting for example from a factory calibration.
  • This combination can be a linear combination, with a gain and offset factor, or any other combination. This makes it possible to avoid abrupt variations in the sensitivity of the capacitive detection;
  • the method can be implemented in a similar or different manner for the different electrodes 2 of the interface device 1.
  • it can be implemented in a different manner for the electrodes located at the periphery of the sensitive surface of the device 1, which are naturally more sensitive to changes in the environment.
  • a faster correction, with a window 13 of shorter time width Tm, can be applied to these electrodes;
  • the invention can be implemented with any type of capacitive measurement electronics making it possible to limit capacitive leakage.

Abstract

La présente invention concerne un procédé de détection d'objet(s) d'intérêt se mouvant dans un environnement, mettant en œuvre au moins une électrode de mesure en couplage capacitif avec le(s)dit(s) objet(s) d'intérêt et avec un ou plusieurs autres objets –dits de perturbation - présents dans cet environnement, comprenant, pour au moins une desdites électrodes de mesure, des étapes de: (i) mesure de capacité totale entre ladite électrode de mesure et ledit environnement, (ii) mémorisation de ladite capacité totale, (iii) calcul d'une capacité de fuite due auxdits objets de perturbation, à partir d'une détermination de valeur minimum dans un historique de mesures de capacités totales préalablement mémorisées, (iv) calcul d'une capacité d'intérêt due au(x)dit(s) objet(s) d'intérêt, en retranchant ladite capacité de fuite à la capacité totale mesurée, et (v) traitement de ladite capacité d'intérêt ainsi calculée pour produire une information de détection du ou desdits objet(s) d'intérêt. L'invention concerne aussi un dispositif mettant en œuvre le procédé.

Description

« Procédé de détection d'objet d'intérêt dans un environnement perturbé, et dispositif d'interface gestuel mettant en œuvre ce procédé »
Domaine technique
La présente invention concerne un procédé de détection d'objets d'intérêt dans un environnement perturbé, applicable aux interfaces gestuelles. Elle concerne aussi un dispositif d'interface gestuel mettant en œuvre le procédé.
Le domaine de l'invention est plus particulièrement mais de manière non limitative celui des surfaces tactiles et 3D capacitives utilisées pour les commandes d'interface homme machine.
Etat de la technique antérieure
De plus en plus d'appareils de communication et de travail utilisent une interface de commande tactile comme un pad ou un écran. On peut citer par exemple les téléphones mobiles, smartphones, ordinateurs à écran tactile, pads, PC, souris, dalles tactiles, écrans géants
Un grand nombre de ces interfaces utilisent les technologies capacitives. La surface tactile est équipée d'électrodes conductrices reliées à des moyens électroniques qui permettent de mesurer la variation des capacités apparaissant entre des électrodes et l'objet à détecter pour effectuer une commande.
Les techniques capacitives actuellement mises en œuvre dans des interfaces tactiles utilisent le plus souvent deux couches d'électrodes conductrices en forme de ligne et de colonnes. L'électronique mesure les capacités de couplage qui existent entre ces lignes et colonnes. Lorsqu'un doigt est très proche de la surface active, les capacités de couplage à proximité du doigt sont modifiées et l'électronique peut ainsi localiser la position en 2D (XY), dans le plan de la surface active.
Ces technologies permettent de détecter la présence et la position du doigt au travers d'un diélectrique. Elles ont l'avantage de permettre une très bonne résolution dans la localisation dans le plan (XY) de la surface sensible d'un ou de plusieurs doigts.
Ces techniques ont toutefois l'inconvénient de générer par principe des capacités de fuite importantes au niveau des électrodes et de l'électronique. Ces capacités de fuite peuvent de plus dériver dans le temps du fait du vieillissement, de la déformation des matériaux, ou de l'effet de la variation de la température environnante. Ces variations peuvent dégrader la sensibilité des électrodes, voire déclencher intempestivement des commandes. Une solution consiste à corriger ces dérives. On connaît le document US2010/0013800 de Elias et al. qui propose une méthode de correction de ces capacités parasites par stimulation des électrodes et mesure des capacités parasites. Cette méthode est toutefois applicable essentiellement durant des phases de calibration en usine.
On connaît également des techniques permettant de mesurer la capacité absolue qui apparaît entre des électrodes et un objet à détecter. On connaît par exemple le document FR 2844 349 de Rozière qui divulgue un détecteur capacitif de proximité comprenant une pluralité d'électrodes indépendantes, qui permet de mesurer la capacité et la distance entre les électrodes et un objet à proximité.
Ces techniques permettent d'obtenir des mesures de capacité entre les électrodes et les objets avec une résolution et une sensibilité élevées, permettant de détecter par exemple un doigt à plusieurs centimètres voire à dix centimètres de distance. La détection peut se faire dans l'espace en trois dimensions (XYZ) mais également sur une surface, dans un plan (XY). Ces techniques ouvrent la possibilité de développer des interfaces gestuelles réellement sans contact, et permettent également d'améliorer les performances des interfaces tactiles.
Toutefois un nouveau problème apparaît par rapport aux techniques de mesure à contact basées sur des surfaces tactiles, qui est l'effet de l'environnement. En effet la portée d'une dalle tactile traditionnelle est très faible (de l'ordre de quelques millimètres au maximum dans l'air) et le changement de l'environnement comme par exemple l'approche d'une main, de doigts ou d'un quelconque objet n'a que peu d'effet sur la performance et la robustesse de la détection tactile.
Par contre, dans les techniques utilisant des mesures de capacité absolue telle par exemple décrite dans FR 2844 349, et pouvant détecter l'approche d'un objet à plus de 10 cm, tout déplacement d'un objet parasite à cette distance peut également être interprété comme la présence de l'objet à détecter, et déclencher un ordre parasite non désiré. Le changement de l'environnement est d'autant plus important pour tous les appareils portables comme par exemple les téléphones mobiles, les notebooks, PC portables....
Le fait de tenir par exemple un téléphone portable avec la main gauche et d'effectuer une commande gestuelle (sans contact) avec la main droite peut s'avérer délicat du point de vue de la mesure car les doigts de la main gauche peuvent avoir une action gestuelle parasite comparable avec celle de la main droite. Il est en effet difficile voire impossible de discriminer l'approche des doigts sur le bord de la surface sensible de l'approche d'un doigt de commande de la main droite à quelques centimètres de distance.
Un autre exemple concerne les écrans tactiles et gestuels capacitifs des PC portables. Le réglage de l'inclinaison de l'écran rapproche ou éloigne la surface sensible de l'écran du clavier. Cette variation de rapprochement ou d'éloignement peut être interprétée comme l'approche ou l'éloignement de la main à détecter. De plus la surface du clavier étant très importante, la sensibilité des électrodes capacitives de l'écran peut évoluer suivant la distance les séparant du clavier. En effet, la sensibilité des électrodes capacitives dépend de leur surface mais aussi des effets de bord qui peuvent dévier ou perturber les lignes de champ électrostatiques des électrodes concernées.
La présence d'un objet inerte comme par exemple un objet sur le bureau à proximité de la dalle capacitive d'une interface gestuelle peut aussi modifier significativement la réponse de la dalle. L'objet inerte peut également être le support de la dalle capacitive comme par exemple un bureau. Ce support peut par exemple comprendre du bois plus ou moins épais, ou tout autre matériau diélectrique ou conducteur d'électricité. Ces matériaux peuvent modifier les capacités de fuite dues aux effets de bord . Le changement de place sur un bureau peut également modifier les capacités de fuite dues par exemple à la présence de pieds sous le bureau, constitué d'une surface diélectrique...
Un autre exemple est l'utilisation d'une commande gestuelle dans un véhicule où le changement de l'environnement peut être le déplacement du levier de vitesse, du frein à main, de la présence d'un passager, du réglage du siège Le but de la présente invention est de proposer un procédé et un dispositif de contrôle d'interface gestuelle, permettant de corriger les effets perturbateurs de l'environnement et d'améliorer la détection des commandes.
Exposé de l'invention
Cet objectif est atteint avec un procédé de détection d'objet(s) d'intérêt se mouvant dans un environnement, mettant en œuvre au moins une électrode de mesure en couplage capacitif avec le(s)dit(s) objet(s) d'intérêt et avec un ou plusieurs autres objets - dits de perturbation - présents dans cet environnement, caractérisé en ce qu'il comprend, pour au moins une desdites électrodes de mesure, des étapes de :
- mesure de capacité totale entre ladite électrode de mesure et ledit environnement,
- mémorisation de ladite capacité totale,
- calcul d'une capacité de fuite due auxdits objets de perturbation, à partir d'une détermination de valeur minimum dans un historique de mesures de capacités totales préalablement mémorisées,
- calcul d'une capacité d'intérêt due au(x)dit(s) objet(s) d'intérêt, en retranchant ladite capacité de fuite à la capacité totale mesurée, et
- traitement de ladite capacité d'intérêt ainsi calculée pour produire une information de détection du ou desdits objet(s) d'intérêt.
Le procédé selon l'invention peut en outre comprendre une étape d'actualisation de l'historique de mesures, de telle sorte que ledit historique de mesure comprend des capacités totales mesurées durant période correspondant à une fenêtre temporelle glissante par rapport à l'instant de mesure, de durée prédéterminée.
Suivant des modes de réalisation,
- La durée de la fenêtre temporelle glissante peut être déterminée comme étant supérieure à une durée moyenne de présence des objets d'intérêt à proximité de l'électrode de mesure ;
- la durée de la fenêtre temporelle glissante peut être comprise entre une et dix secondes.
De manière non limitative, toute autre valeur de durée de la fenêtre temporelle glissante peut aussi être utilisée suivant le type d'environnement. Cette durée peut être inférieure à une seconde pour des applications très dynamiques, ou au contraire de l'ordre de plusieurs dizaines de secondes à plusieurs minutes pour un environnement très statique.
Le procédé selon l'invention peut en outre comprendre une étape d'ajustement de la durée de la fenêtre temporelle glissante en fonction de la dynamique de variation des mesures.
Le procédé selon l'invention peut en outre comprendre des étapes de :
- groupement des mesures mémorisées les plus récentes sous la forme d'une sous-fenêtre temporelle de durée inférieure à la fenêtre temporelle glissante,
- détermination de la valeur minimum dans cette sous-fenêtre, et
- remplacement par ladite valeur minimum dans l'historique de mesure des mesures correspondant à ladite sous-fenêtre.
Suivant des modes de réalisation :
- la détermination d'une valeur minimum dans l'historique de mesure peut comprendre l'utilisation d'un algorithme de filtrage de minimum/maximum optimal, avec un temps de calcul sensiblement constant ;
- le calcul de la capacité d'intérêt peut comprendre le calcul d'une combinaison de la capacité de fuite et de la capacité totale mesurée. Cette combinaison peut être une combinaison linéaire.
Le procédé selon l'invention peut comprendre en outre :
- une étape préalable de calibration comprenant, pour au moins une électrode de mesure, la détermination d'une capacité de fuite initiale en mesurant la capacité totale de l'électrode de mesure en l'absence d'objet d'intérêt,
- une étape d'ajout, sous la forme d'une combinaison, de cette capacité de fuite initiale aux capacités de fuite déterminées ultérieurement, cette combinaison pouvant être une combinaison linéaire.
Le procédé selon l'invention peut être mis en œuvre pour une pluralité d'électrodes de mesure de manière différente en fonction desdites électrodes.
Suivant un autre aspect, il est proposé un dispositif d'interface gestuelle mettant en œuvre le procédé de détection d'objets d'intérêt dans un environnement perturbé selon l'une quelconque des revendications précédentes, ladite interface gestuelle étant réalisée à partir d'objets d'intérêt mus par geste dans ledit environnement comprenant par ailleurs des objets de perturbation, ledit dispositif comprenant au moins une électrode de mesure apte à détecter des objets par couplage capacitif entre ladite électrode de mesure et lesdits objets, caractérisé en ce qu'il comprend en outre, pour au moins une électrode de mesure:
- des moyens électroniques de mesure de capacité totale entre ladite électrode de mesure et ledit environnement,
- des moyens de mémorisation de ladite capacité totale,
- des moyens de calcul d'une capacité de fuite due aux objets de perturbation, comprenant des moyens de détermination d'une valeur minimum dans un historique de mesures de capacités totales préalablement mémorisées,
- des moyens de calcul d'une capacité d'intérêt due aux objets d'intérêt, en retranchant ladite capacité de fuite à la capacité totale mesurée, et
- des moyens pour traiter ladite capacité d'intérêt ainsi calculée, agencés pour délivrer une information de détection du ou desdits objet(s) d'intérêt.
Suivant des modes de réalisation :
- le dispositif peut en outre comprendre une surface sensiblement plane comprenant une pluralité d'électrodes de mesure ;
- les électrodes de mesure peuvent comprendre un matériau sensiblement transparent à la lumière.
Suivant un autre aspect, il est proposé un système de l'une des catégories suivantes : téléphone, ordinateur, périphérique d'ordinateur, écran d'affichage, tableau de bord, tableau de contrôle, mettant en œuvre un procédé de détection capacitive selon l'invention.
Suivant encore un autre aspect, il est proposé un système de l'une des catégories suivantes : téléphone, ordinateur, périphérique d'ordinateur, écran d'affichage, tableau de bord, tableau de contrôle, comprenant un dispositif d'interface gestuelle selon l'invention.
Description des figures et modes de réalisation
D'autres avantages et particularités de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée de mises en œuvre et de modes de réalisation nullement limitatifs, et des dessins annexés suivants :
- la figure 1 illustre l'influence de l'environnement sur un dispositif de commande gestuelle de type écran tactile,
- la figure 2 illustre la mesure des capacités avec le procédé selon l'invention, - la figure 3 présente une vue agrandie de la figure 2 permettant de visualiser la capacité de fuite calculée avec le procédé selon l'invention .
La figure 1 présente un exemple de réalisation d'un dispositif d'interface de commande gestuelle selon l'invention intégré dans un écran tactile, d'ordinateur ou de téléphone (smartphone) . Le dispositif d'interface 1 comprend une pluralité d'électrodes capacitives 2 disposées de telle sorte à tapisser sensiblement sa surface. Pour des raisons de clarté, seule une électrode capacitive 2 est représentée à la figure 1. Les électrodes capacitives 2 et leur électronique de contrôle sont réalisées selon un mode de mise en œuvre décrit dans FR 2 844 349. L'électronique de contrôle comprend des moyen d'excitation des électrodes 2 à une tension alternative et des moyens de mesure de capacité de très haute sensibilité basés sur une électronique à pont flottant. Les électrodes 2 sont interrogées séquentiellement par l'intermédiaire d'un scrutateur. L'électronique est conçue de telle sorte à éliminer de manière quasiment parfaite les couplages capacitifs entre les électrodes 2, ou entre les électrodes 2 et les parties du dispositif d'interface 1 soumises à un autre potentiel électrique.
Lorsqu'un objet d'intérêt tel qu'un doigt 3 approche d'une électrode 2, il s'établit entre eux un couplage capacitif. La capacité 5 correspondante est mesurée par l'électronique de contrôle. Connaissant la surface de l'électrode 2, la mesure de cette capacité 5 permet de mesurer la distance entre l'électrode 2 et l'objet 3.
En l'absence d'objets à proximité de la surface sensible du dispositif de commande 1, la capacité mesurée par chaque électrode 2 est proche de zéro, aux effets de bord près et à l'imperfection près de la surface sensible et de l'électronique. Ces faible capacités résiduelles sont appelées Coo . Ces capacités résiduelles peuvent aussi être des capacités de faible valeur qui correspondent à l'effet de l'objet d'intérêt 3 lorsque sa distance est considérée comme hors de portée des électrodes de mesure 2 ou au-delà d'une distance maximale de détection .
De manière beaucoup plus gênante pour les applications considérées, les capacités résiduelles Coo peuvent également être dues à la présence d'objets 4 dans le voisinage du dispositif d'interface 1. Dans cas il s'établit les capacités de fuite 6, dont l'ordre de grandeur peut être comparable à celui de la capacité 5 due à l'objet d'intérêt 3, et qui peuvent donc causer des erreurs de mesure non négligeables.
Un objet de la présente invention est précisément une méthode permettant de discriminer les variations de l'environnement 4 de la présence de l'objet à détecter 3 de telle sorte à améliorer sa détection et éviter ainsi des fausses commandes.
Cette discrimination exploite le fait que le ou les objet(s) d'intérêt (ou encore appelés dans la suite objets de commande) 3 est (sont) en mouvement, même lentement, ou n'est (ne sont) statique(s) que pendant des courts intervalles de temps, alors que l'environnement 4 évolue plus lentement, ou sur des intervalles de temps plus long, ou même demeure inerte.
Plus précisément, la correction repose sur l'exploitation de certains aspects spécifiques de l'environnement, lequel comprend par exemple des objets statiques 4 posés à côtés à proximité du dispositif d'interface capacitif 1 :
- la capacité de l'électrode 2 de la figure 1 augmente avec la présence d'un objet d'intérêt 3 ou d'environnement 4. En appelant CEI, CE2 et CE3 les capacités de fuite 6 des objets d'environnement 4 et Cobj la capacité 5 de l'objet d'intérêt 3, la capacité mesurée par l'électrode 2 est :
C = CEI + CE2 + CE3 + Cobj ; (Eq. 1)
- pour une application du type détection de gestes, un objet d'intérêt 3 typique tel qu'un doigt ou une main a des mouvements relativement rapides par rapport aux objets 4 considérés comme appartenant à l'environnement.
La solution consiste à estimer en temps réel - ou du moins de manière évolutive dans le temps - une carte de capacités de fuite Coo afin de corriger l'estimation de la position de l'objet de commande 3.
La capacité de fuite Coo pour une électrode 2 donnée, en prenant en compte k objets d'environnement 4, peut s'exprimer comme suit :
Coo = CEI + CE2 + ... + CEk. (Eq. 2)
Cette estimation est mise à jour de manière continue pour prendre en compte les changements de l'environnement, par exemple en cas de déplacement du dispositif d'interface 1 ou de l'apparition de nouveaux objets 4 à proximité. En référence aux figures 2 et 3, on va décrire une méthode permettant d'estimer la carte Coo de manière dynamique, au cours de l'utilisation du dispositif d'interface 1.
La courbe 10 montre une mesure de capacité totale Ctot pour une électrode 2 du dispositif d'interface 1. Les pics 12 correspondent aux instants où un objet d'intérêt 3 approche de l'électrode 2. La courbe 10 est représentative de la situation selon laquelle par exemple un doigt 3 approche et vient périodiquement à proximité ou en contact avec la surface du dispositif d'interface 1, pour « cliquer » ou actionner des touches virtuelles.
L'électrode 2 mesure une capacité totale C, dont la contribution due à l'objet Cobj correspond à la hauteur 14 des pics 12.
On choisit une fenêtre temporelle 13 dont la largeur ou la durée temporelle Tm est sensiblement plus grande que la durée pendant laquelle l'objet d'intérêt 3 peut rester immobile, mais plus petite que la période sur laquelle l'environnement peut changer. La durée temporelle Tm doit être notamment plus grande que la durée typique d'un geste (mouvement de l'objet d'intérêt 3) de telle sorte à pouvoir discriminer les variations de capacité dues à un changement de l'objet d'intérêt 3 et celle dues aux autres objets 4 considérés comme appartenant à l'environnement. La fenêtre temporelle 13 est représentée dans les figures 2 et 3 par rapport à un instant de mesure (ou instant présent) 15.
Les capacités C échantillonnées dans le passé dans cette fenêtre temporelle 13, jusqu'à l'instant présent 15, sont mémorisées.
La valeur de la capacité de fuite Coo à l'instant présent 15 est déterminée comme étant la plus petite valeur de capacité C mémorisée durant cette fenêtre temporelle 13.
La fenêtre 13 est glissante en temps, dans le sens où les valeurs mémorisées sont remises à jour périodiquement (à chaque acquisition par exemple) pour ne conserver qu'un historique de mesures de durée Tm.
En pratique, dans le dispositif d'interface 1, la capacité C(t) de chaque électrode 2 est mesurée périodiquement avec un échantillonnage temporelle At permettant la détection des gestes.
Pour chaque électrode pour lequel le procédé selon l'invention est appliqué, les N dernières mesures de capacité mesurées, correspondant à la durée Tm de la fenêtre temporelle glissante, sont conservées dans une zone de stockage numérique du dispositif, et utilisées pour estimer la capacité de fuite Coo. A chaque nouvelle mesure, la plus ancienne des N mesures stockées est effacée tandis que la dernière mesure est mémorisée.
Puisque Coo < C, la capacité de fuite Coo à l'instant de mesure t est calculée en fonction des capacités mémorisées C(s) :
Cco(t) = min{ C(s) }, (Eq . 3)
Où min{} est l'opérateur de recherche du minimum, et s appartient à l'intervalle temporel [t-Tm, t] .
En prenant en compte l'échantillonnage temporel, la capacité de fuite de l'environnement peut s'écrire :
Cco(t) = min{ C(t-(n-l)-At), C(t-(n-2)-At), ... ,
... ,C(t-2)-At), C(t-At), C(t) }. (Eq . 4)
La détermination de cette capacité de fuite Coo implique donc une opération de filtrage par un opérateur minimum, ou filtrage minimum.
Ce filtrage minimum a un comportement adaptatif non symétrique par rapport aux changements de l'environnement :
- si un nouvel objet 4 de l'environnement apparaît et/ou si un objet d'intérêt 3 s'approche de la surface de détection, la capacité instantanée C augmente. Dans ce cas le filtre « attend » que cette augmentation dure au moins pendant toute la durée Tm de la fenêtre glissante 13 avant d'élever la valeur de la capacité de fuite Coo conformément aux équations 3 ou 4. En choisissant judicieusement cette durée Tm, on évite ainsi que des objets d'intérêts 3 soient pris en compte dans le calcul de la capacité de fuite Coo ;
- au contraire, dans le cas où un objet 4 de l'environnement disparait et/ou un objet d'intérêt 3 s'éloigne de la surface de détection, la capacité C instantanée diminue, et la capacité Coo diminue presque instantanément par l'action du filtre minimum. Ainsi, la sensibilité de la détection s'ajuste de façon instantanée. C'est l'un des avantages de la méthode proposée.
Cette distinction est obtenue grâce à la prise en compte de la différence entre les constantes de temps de variation de Cobj et de Coo et au choix judicieux de la largeur Tm de la fenêtre 13.
La courbe 11 montre l'évolution de capacité de fuite Coo, tel que calculée par l'équation 4.
Le choix de la largeur de la fenêtre temporelle Tm dépend du type d'appareil à commander et de son mode d'utilisation. Dans le cas où le dispositif d'interface 1 équipe un téléphone portable à écran tactile et gestuel capacitif, les commandes sont relativement dynamiques. Les commandes les plus lentes sont par exemple la sélection d'un icône sur l'écran pour le déplacer ou le supprimer. L'action consiste alors à fixer le doigt pendant au moins 1 seconde pour effectuer la sélection de l'icône.
Une fenêtre temporelle d'une durée de 2 à 10 secondes, voire de 1 à 10 secondes, convient pour ce type d'appareil afin de conserver la possibilité de sélectionner un icône tout en intégrant la correction d'environnement.
Une fois que la capacité de fuite C∞ est estimée, la capacité due à la présence de l'objet d'intérêt 3 est calculée comme ceci :
Cobj(t) = C(t) - Cco(t). (Eq . 5)
Cette capacité 14 corrigée des effets d'environnement peut ensuite être utilisée de manière classique pour détecter la position ou le geste de l'objet d'intérêt 3.
Suivant des variantes de mode de réalisation, afin de calculer rapidement la capacité de fuite Coo(t) en optimisant l'utilisation des ressources de calcul, des algorithmes de filtrage minimum/maximum avec complexité de temps de calcul optimal peuvent être utilisés. On trouve plusieurs algorithmes de ce type dans la littérature, qui ont en commun le fait que le nombre de comparaison reste sensiblement constant indépendamment de la largeur de la fenêtre temporelle choisie. Les algorithmes suivants en particulier utilisables dans le cadre de l'invention :
- M . Van Herk, « A fast algorithm for local minimum and maximum filters on rectangular and octagonal kernels », Pattern Recogn Lett 13(7), pages
517-521, 1992 ;
- J. Gil, R. Kimmel, "Efficient Dilation, Erosion, Opening, and Closing Algorithms" IEEE Trans Pattern Anal Mach Intell 24(12), pages 1606-1617, 2002 ;
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Ces algorithmes permettent de minimiser le temps de calcul, mais nécessitent de stocker en mémoire les capacités mesurées sur toute la durée Tm de la fenêtre glissante 13. Suivant des variantes de mode de réalisation, un compromis peut être fait sur le temps de calcul et la place de stockage. Dans ce cas, la fenêtre glissante 13 comprenant N mesures est subdivisée en M sous-fenêtres sans chevauchement, de longueurs respectives ni, n2, nM, avec N = nl + n2+ ... + nM, et M < < IM.
Le calcul du minimum dans la dernière sous-fenêtre, en cours de remplissage, peut être effectué soit en re-parcourant à chaque itération (correspondant à une acquisition de mesure de capacité C) les valeurs de la sous-fenêtre déjà mémorisées, soit en gardant en mémoire la plus petite valeur à chaque itération.
Pour chaque sous-fenêtre complète incluse dans la fenêtre temporelle 13, on ne conserve en mémoire que la valeur minimale, qu'on efface lorsque l'intervalle temporel que la sous-fenêtre couvre devient plus ancien, par rapport à l'instant d'acquisition, que Tm.
Les minimums sur toutes les sous-fenêtres peuvent être comparés en utilisant les algorithmes optimaux précités. Dans ce cas, la zone de stockage nécessite une dimension M (et non plus N).
Suivant des variantes de mode de réalisation :
- la largeur temporelle Tm de la fenêtre 13 peut être adaptée en fonction du type d'environnement de manière autonome en utilisant un algorithme spécifique prenant en compte l'évolution de cet environnement à partir des mesures. Elle peut également être adaptée manuellement ;
- Le calcul de la capacité d'intérêt Cobj peut comprendre une combinaison linéaire des capacités totales C et de fuite Coo, ou tout autre fonction de C et de Cco.
- l'estimation de la capacité Coo avec le filtrage minimum tel que décrit dans l'équation (4) peut être combinée avec une autre carte de calibration de capacité de fuite Coo', déterminée au préalable et mémorisée, issue par exemple d'une calibration en usine. Cette combinaison peut être une combinaison linéaire, avec un facteur de gain et d'offset, ou toute autre combinaison. Cela permet d'éviter des variations trop brusques de la sensibilité de la détection capacitive ;
- le procédé peut être mis en œuvre de manière similaire ou différente pour les différentes électrodes 2 du dispositif d'interface 1. En particulier, il peut être mis en œuvre de manière différente pour les électrodes localisées à la périphérie de la surface sensible du dispositif 1, qui sont naturellement plus sensibles aux changements de l'environnement. Une correction plus rapide, avec une fenêtre 13 de largeur temporelle Tm plus courte, peut être appliquée à ces électrodes ;
- l'invention peut être mis en œuvre avec tout type d'électronique de mesure capacitive permettant de limiter les fuites capacitives.
Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de détection d'objet(s) d'intérêt (3) se mouvant dans un environnement, mettant en œuvre au moins une électrode de mesure (2) en couplage capacitif avec le(s)dit(s) objet(s) d'intérêt (3) et avec un ou plusieurs autres objets (4) - dits de perturbation - présents dans cet environnement, caractérisé en ce qu'il comprend, pour au moins une desdites électrodes de mesure (2), des étapes de :
- mesure de capacité totale (5, 6) entre ladite électrode de mesure (2) et ledit environnement,
- mémorisation de ladite capacité totale (5, 6),
- calcul d'une capacité de fuite (6) due auxdits objets de perturbation (4), à partir d'une détermination de valeur minimum dans un historique de mesures de capacités totales (5, 6) préalablement mémorisées,
- calcul d'une capacité d'intérêt (5) due au(x)dit(s) objet(s) d'intérêt (3), en retranchant ladite capacité de fuite (6) à la capacité totale mesurée (5, 6), et
- traitement de ladite capacité d'intérêt (5) ainsi calculée pour produire une information de détection du ou desdits objet(s) d'intérêt.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une étape d'actualisation de l'historique de mesures, de telle sorte que ledit historique de mesure comprend des capacités totales mesurées durant une période correspondant à une fenêtre temporelle glissante (13) par rapport à l'instant de mesure (15), de durée prédéterminée.
3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la durée de la fenêtre temporelle glissante (13) est déterminée comme étant supérieure à une durée moyenne de présence des objets d'intérêt (3) à proximité de l'électrode de mesure (2).
4. Procédé selon les revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que la durée de la fenêtre temporelle glissante (13) est comprise entre une et dix secondes.
5. Procédé selon les revendications 2 ou 3, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une étape d'ajustement de la durée de la fenêtre temporelle glissante ( 13) en fonction de la dynamique de variation des mesures (5, 6) .
6. Procédé selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des étapes de :
- groupement des mesures mémorisées les plus récentes sous la forme d'une sous-fenêtre temporelle de durée inférieure à la fenêtre temporelle glissante ( 13),
- détermination de la valeur minimum dans cette sous-fenêtre, et
- remplacement par ladite valeur minimum dans l'historique de mesure des mesures correspondant à ladite sous-fenêtre.
7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la détermination d'une valeur minimum dans l'historique de mesure comprend l'utilisation d'un algorithme de filtrage de minimum/maximum optimal, avec un temps de calcul sensiblement constant.
8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le calcul de la capacité d'intérêt (5) comprend le calcul d'une combinaison de la capacité de fuite (6) et de la capacité totale mesurée (5, 6) .
9. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre :
- une étape préalable de calibration comprenant, pour au moins une électrode de mesure (2), la détermination d'une capacité de fuite initiale en mesurant la capacité totale de l'électrode de mesure (2) en l'absence d'objet d'intérêt,
- une étape d'ajout, sous la forme d'une combinaison, de cette capacité de fuite initiale aux capacités de fuite déterminées ultérieurement.
10. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est mis en œuvre pour une pluralité d'électrodes de mesure (2) de manière différente en fonction desdites électrodes (2) .
11. Dispositif d'interface gestuelle mettant en œuvre le procédé de détection d'objets d'intérêt (3) dans un environnement perturbé selon l'une quelconque des revendications précédentes, ladite interface gestuelle étant réalisée à partir d'objets d'intérêt mus par geste dans ledit environnement comprenant par ailleurs des objets de perturbation (4), ledit dispositif comprenant au moins une électrode de mesure (2) apte à détecter des objets (3, 4) par couplage capacitif entre ladite électrode de mesure (2) et lesdits objets (3, 4), caractérisé en ce qu'il comprend en outre, pour au moins une électrode de mesure (2) :
- des moyens électroniques de mesure de capacité totale (5, 6) entre ladite électrode de mesure (2) et ledit environnement,
- des moyens de mémorisation de ladite capacité totale (5, 6),
- des moyens de calcul d'une capacité de fuite (6) due aux objets de perturbation (4), comprenant des moyens de détermination d'une valeur minimum dans un historique de mesures de capacités totales préalablement mémorisées,
- des moyens de calcul d'une capacité d'intérêt (5) due aux objets d'intérêt (3), en retranchant ladite capacité de fuite (6) à la capacité totale mesurée (5, 6), et
- des moyens pour traiter ladite capacité d'intérêt (5) ainsi calculée, agencés pour délivrer une information de détection du ou desdits objet(s) d'intérêt.
12. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une surface sensiblement plane ( 1) comprenant une pluralité d'électrodes de mesure (2) .
13. Dispositif selon l'une des revendications 11 ou 12, caractérisé en ce que les électrodes de mesure (2) comprennent un matériau sensiblement transparent à la lumière.
14. Système de l'une des catégories suivantes : téléphone, ordinateur, périphérique d'ordinateur, écran d'affichage, tableau de bord, tableau de contrôle, caractérisé en ce qu'il met en œuvre un procédé de détection capacitive selon l'une des revendications 1 à 10.
15. Système de l'une des catégories suivantes : téléphone, ordinateur, périphérique d'ordinateur, écran d'affichage, tableau de bord, tableau de contrôle, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif d'interface gestuelle selon l'une des revendications 11 à 13.
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