機頂盒遙控器的鼠標模式設計

王帥卿，楊　帆，華　中

(1.河北工業大學 電子信息工程學院，天津 300401；2.天津鉑創國茂電子科技有限公司，天津 300384)

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機頂盒遙控器的鼠標模式設計

王帥卿1，楊帆1，華中2

(1.河北工業大學 電子信息工程學院，天津 300401；2.天津鉑創國茂電子科技有限公司，天津 300384)

摘要:多數機頂盒上只提供上下左右的滑動方式在不同選項之間選擇，而設計優化了一種新的方式，該方式可以讓機頂盒的用戶做到定點選擇。該方式是利用一種多功能觸屏遙控器實現的。遙控器內部由單片機做主控芯片，采集觸摸屏的數據并判斷用戶操作的當前狀態，如果是滑動操作再由量化算法計算出移動距離的量化結果。最后，自定義一種紅外協議，將數據通過這種紅外協議發送給機頂盒，以達到控制機頂盒的目的。實驗結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接近，易操作性良好。

關鍵詞:觸摸屏遙控器；鼠標模式；機頂盒控制；紅外協議

智能機頂盒或者網絡機頂盒等智能設備已經進入了大眾生活[1]。為了能夠更加方便地使用機頂盒遙控器控制機頂盒，在遙控器上添加了鼠標模式。目前，電腦上的鼠標已經近乎完美，而將這一工具用在遙控器上控制機頂盒才剛剛開始。目前，國內外市場上應用較多的是按鍵鼠標，按鍵鼠標是在原來的遙控器上附加的一種功能，靠按鍵被按下的時間長短區分鼠標指針的移動速度。這樣的鼠標模式和傳統遙控器合并，按鍵較多，使用不方便。而在鼠標遙控器開發設計中，比較熱門的要數空中飛鼠，空中鼠標是利用陀螺儀感應人手的動作，得出鼠標指針的移動方向和距離的一種工具[2-3]。而且這類鼠標多采用2.4 GHz無線技術，輻射高，且在第一次使用時必須要經過碼率配對過程；電池供電，使用成本高[4]。

本文所設計的鼠標模式是基于一種多功能觸屏遙控器設計的，用戶可以在遙控器上選擇鼠標模式，并通過對觸屏遙控器的點擊、滑動和長按等操作，將操作數據通過紅外協議傳輸到機頂盒，實現對機頂盒的控制。

1鼠標模式硬件平臺

現在市場上流行的遙控器鼠標模式是基于傳統按鍵式遙控器開發的，鼠標模式的人機交互很不方便，也很少被用到；而人們又不太習慣使用空中鼠標。本文設計的觸摸屏遙控器是全觸屏控制鼠標，就像便攜式計算機的觸摸板，控制方便。觸摸屏是一種流行的大眾人機接口[5]。觸摸屏上分區域畫出了操作區域和功能觸摸鍵。使用時，用戶在規定區域完成操作就可以控制對應機頂盒。這樣的觸摸屏遙控器具有諸多優點：

1)由單片機開發，成本更低廉；

2)手掌大小的面積，產品更輕便；

3)鼠標模式只有4個功能觸摸鍵和兩個操作區，更易學易用；

4)功能由軟件編程實現，可重開發；

5)觸摸屏可印刷，可定制；

6)充電式電池供電，環保省電，使用成本低[5]。

圖1是觸屏遙控器的硬件平臺，本平臺采用導電油墨觸摸屏，由觸控處理模塊將屏幕采到的數據信息經過一系列算法處理后傳輸給單片機CPU，CPU經過對信息的篩選處理，決定是否發送紅外數據和發送什么數據。

圖1　硬件平臺

控制器采用HAV1007型號單片機，此款單片機集成C*Core和觸控芯片于一身，可以直接連接觸摸屏，是一款專門為觸屏設備設計的功能強大的單片機。

2鼠標模式軟件設計

整個鼠標的實現可以分為3個步驟：采點處理，狀態機，紅外發送。3個模塊分3個函數模塊，其中以狀態機為主體函數，完成操作判斷和作出回應。由于機頂盒多是采用NEC紅外協議，所以紅外發送模塊也采用NEC紅外協議，以便和機頂盒對接。

2.1采點處理

采點處理的緩沖器是專門為了配合觸屏遙控器而設計的。采用定長數組循環存放信息，這樣可以節約單片機內存。采點處理過程把一個定長的數組作為緩沖器，記錄坐標信息有效點個數和總點的個數并標記當前點是否有效。這里的無效點是指第一次操作之后，等待是否有第二次操作時的(0，0)點。為了便于統一管理，不存放無效點坐標信息，而將無效點的個數存放在x坐標的位置，無效點后接有效點標志存放在y坐標的位置。這樣也節省了存儲空間。此外，標記信息也能起到計數的作用。每一個坐標的標記信息都是16位長的數，用32 768(215，是16位二進制數可表示范圍的一半)以上的數字表示有效點標志，以下的數字表示無效點標志。采集到新點時從0或32 768開始加1記錄標志信息。經過對點的標識、分類等預處理后放入緩沖器。連續的采點將循環的存儲在緩沖器當中，以這樣邊采點邊由其他模塊讀取點信息的方式，完成采點處理的操作。圖2是緩沖器流程圖。

圖2　緩沖器流程圖

2.2狀態機

壯態轉換是整個鼠標模式的關鍵，也是軟件部分的主體。用軟件狀態機實現，其下分為：空閑態(G_IDLE)、觸摸態(G_T)、滑動態(G_DM)、長按態(G_LP)、單擊提起態(G_SC_UP)和雙擊觸摸態(G_DS_T)等狀態。不同操作對應不同狀態，用戶完成想要的操作，遙控器就可以發生紅外數據。

如圖3的狀態跳轉圖。沒有動作時狀態機處于空閑態。當開始有新的觸摸點輸入時，狀態機就從空閑態跳入觸摸態，再根據接下來的點信息判斷是滑動態、長按態還是單擊提起態。如果以后的點符合滑動判斷，則進入滑動態，發送紅外信息；如果采集到的坐標點在一個閾值范圍內且時間夠長，則進入長按態，然后發生長按對應的鍵值；如果采集到無效點，則進入單擊提起態。在單擊提起態會等待一段時間，一段時間之內有新坐標點則進入雙擊觸摸態，否則發出單擊動作的紅外鍵值并返回空閑態。雙擊觸摸態時，如果有滑動或長按發生，則進入滑動態或長按態。如果又采集到無效點，則完成雙擊操作。雙擊操作需要判斷兩次觸摸屏幕的坐標點符合不符合閾值范圍內，符合則發出雙擊動作對應的紅外鍵值，否則按第二次觸摸的點發出單擊動作的紅外鍵值并返回空閑態。圖4清楚地列出了各個狀態的流程圖。下面以是否發生滑動的判斷方法為例分析狀態機的狀態跳轉過程。

圖3　狀態轉換圖

圖4　各狀態流程圖

狀態機決定鼠標做出什么動作，然而鼠標能移動到準確的位置，能擁有良好的用戶體驗的因素是滑動的判斷和量化。而且滑動的判斷和量化是相互影響的。主要體現在：

1)當滑動判斷閾值較大時，每次判斷成一次滑動采集到的點就多；反之，點少。而慢滑時的量化又是根據點的多少得出結果的。所以滑動判斷影響量化結果。

2)量化結果較小時，紅外發送的數據較小，鼠標指針移動較小；反之，較大。滑動結果就不理想。所以量化影響滑動的效果。

2.2.1滑動判斷方法

滑動判斷的方法較簡單。滑動判斷模塊的判斷方法是根據連續有效觸摸點的距離差是否大于滑動判斷閾值，大于該閾值則有滑動發生，否則沒有滑動發生。滑動判斷閾值是通過輸入變量傳給滑動判斷函數的，所以怎樣才算是滑動不是滑動判斷模塊決定，而是在狀態機調用滑動判斷函數時，由狀態機的當前狀態決定的。主要有觸摸態(G_T)和滑動態(G_DM)等調用。如果是觸摸態調用，滑動判斷閾值的設定是為了區分下一個狀態是滑動態還是長按態；如果是滑動態，滑動判斷閾值的設定是為了良好的用戶體驗。閾值具體的大小要通過多人多次實驗得出。這樣的滑動判斷函數不僅滿足了狀態機不同狀態的需求，而且符合大多數人的使用習慣，具有普適性。

2.2.2鼠標量化算法

鼠標量化就是將用戶手指在遙控器上滑動的速度和距離用合適的數據表示出來；即屏幕鼠標指針移動的方向和距離是由遙控器觸摸屏采集點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，用戶在控制鼠標慢滑的時候，滑動判斷模塊判斷出的每一次滑動的坐標變化量和觸摸屏上的移動速度和距離并沒有明顯的關系，利用距離不能有效區分鼠標指針應有的移動距離。但是，采集到點的數目卻和移動速度和距離有關系。因此，鼠標量化可分作兩部分理解：慢滑時根據滑動判斷模塊判斷出一次滑動時的總坐標點數量化出鼠標指針的移動距離；快滑時再根據滑動距離量化出屏幕鼠標指針移動距離。雖然鼠標量化分為快滑和慢滑，卻可以用一個公式表示單方向的移動量。

鼠標量化得出的數據結果是由兩個變化量計算出的。一個是一次滑動的點數，一個是一次滑動的距離，也就是說量化結果和點數和距離有關系。量化函數將橫縱軸分開量化，先處理縱軸采集的數據，然后再量化橫軸[6]。設橫向變化量為dx，縱向變化量為dy，每次判斷成滑動時的總點數為p。將量化結果存儲在結構體s中，則在x軸和y軸的量化結果分別為

(1)

(2)

公式中的系數4和條件中的系數4是根據理論計算和經驗修正得出。這樣的處理方式是將每次滑動的距離用每次滑動的點數轉換壓縮，以達到良好用戶體驗的效果。在單位距離內，最終的量化結果和滑動時的手指速度是成正比的。以x軸為例，慢滑時dx為50左右，函數圖像類似圖5a；快滑時p等于2或3，函數圖像是線性的，如圖5b。

圖5　量化結果函數圖

2.3紅外協議

紅外發送模塊發送的數據包括兩個16位二進制數。如果是確定、返回或者開關機或者翻頁的鍵值，則發送的兩個16位二進制數一個是固定的系統碼，一個是鍵值。機頂盒收到對應鍵值就給出回應。如果是滑動的量化結果，則一個表示橫軸移動量，一個表示縱軸移動量。兩軸移動量配合得出屏幕鼠標指針的平面移動方向和距離[7]。

圖6中，以單軸量化結果為例分析了滑動時屏幕鼠標指針的移動距離的二進制量化結果鍵值的權重和符號位。當相應數據位為1，表示屏幕鼠標指針要移動對應權重的距離。+/-位是符號位，“1”表示結果為負。標“0”的位是固定標志位，表示當前數據代表鼠標偏移量。

圖6　量化結果

將鍵值或滑動的量化結果通過紅外模塊發送給機頂盒，則機頂盒就根據接收的數據作出回應。這樣就形成了遙控器鼠標模式的一組紅外協議。

3實驗結果

通過不斷地對觸摸屏和軟件改進調優，最終實驗得出了理想的效果。圖7和圖8分別是一次向下翻頁和一次右上到左下的快速滑動效果，慢速滑動也可以達到毫米級的滑動。可見翻頁和傳統按鍵遙控器效果相同，滑動比傳統按鍵遙控器更方便，更符合使用習慣。表1是測試得出的統計表，平均正確判斷率在95%左右。

圖7　翻頁效果(照片)

圖8　快滑效果(照片)

對于用戶來說，評價一款鼠標的優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量受滑動速度和滑動距離兩個因素影響。理論上，紅外數據的量化結果可以到達1個像素點。實際應用中也可以到達毫米級的移動，完全滿足用戶需求。由于遙控器是無線傳輸數據，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　測試統計表

4結論

無線紅外協議的數據傳輸速率較慢[9]，但在機頂盒遙控器上實現的鼠標模式用紅外傳輸數據還是取得了較好的結果。以后，智能機頂盒和網絡機頂盒的普及率會越來越高，遙控器也會越來越多，利用遙控器實現鼠標模式也會與時俱進，更加增大人們生活的便捷性。另外，遙控器的用戶體驗和操作的成功率和觸摸屏的靈敏度有直接關系，也和操作區域和觸摸功能的大小有一定關系。

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責任編輯：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

中圖分類號：TN835

文獻標志碼：A

DOI：10.16280/j.videoe.2016.05.002

作者簡介：

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、模式識別及電路與系統等方面的研究工作，為本文通訊作者。

收稿日期：2015-11-01

文獻引用格式：王帥卿，楊帆，華中. 機頂盒遙控器的鼠標模式設計[J].電視技術，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.