6-1- مشخصات هندسی صفحه لمسی طراحی شده63
6-2- محاسبه مقدار ولتاژ خروجی به صورت نمونه63
6-3- برگه های مشخصات سنسور ها66
7- فهرست منابع77
تعاریف
در این پایان نامه از تعاریف جدیدی صحبت به میان آورده شده است که به دلیل وسعت کاربرد ابتدا لازم است تا این تعاریف را در چند خط معرفی نموده تا خواننده بتواند به بهترین نحو از مطالب استفاده نماید:
صفحه لمسی: به تمامی اجسام مسطحی که با لمس آنها بتوان مکان لمس شده در آنها را تشخیص دادصفحه لمسی گفته می شوذ. صفحات لمسی در ابعاد مختلف و انواع مختلف در نظر گرفته می شود.
بستر: به سیستمی سخت افزاری اعم از نوع و نحوه استفاده از سنسور ، جنس مواد بکار رفته در صفحه یا صفحات، نحوه قرارگیری صفحه یا صفحات ، تمامی مدارات جانبی . غیره ارائه شده توسط فرد یا افراد می باشد که در نهایت منجر به تولید یک صفحه لمسی می گردد.(سه بستر مختلف در این پایان نامه ارائه و بررسی می گردد)
روش در بستر : به روش های نرم افزاری که به کمک آن بتوان مکان لمس شده در صفحه لمسی را تشخیص داد اتلاق میگردد.(سه روش در این پایان نامه ارائه و بررسی می گردد)

فصل اول
مقدمه
1- مقدمه
1-1- مقدمه
امروزه استفاده از صفحه نمایش های لمسی، بسیار گسترده شده و با توجه به این روند در حال پیشرفت تقاضای استفاده از آن نیز رو به افزایش است(شکل 1-2 نشانگر افزایش روز افزون استفاده از این تکنولوژی را نشان می دهد). به گونه ای که نظر بسیاری از کمپانی ها و موسسات بین المللی را به خود جلب کرده است، تا جایی که بسیاری از موسسات در حیطه های مختلف کاری از جمله IT, Medicine ,Computer, ATM و غیره سعی در بکارگیری و پشتیبانی از این تکنولوژی نه چندان جدید در محصولات خود را داشته اند(شکل 1- 1).[1-3]
شکل 1-1- موارد کاربرد صفحه نمایش های لمسی در حیطه های مختلف و سهم فروش آن در بازار کالا [1]
همچنین استفاده از این تکنولوژی به گونه ای شایع شده که اغلب کشورهای صنعتی جهان تمایل خاصی به استفاده از آن در محصولات مختلف خود نموده اند، به عنوان مثال طی بررسی های انجام شده توسط موسسه DisplaySearch آمریکا در سال 2010 بیشترین میزان استفاده از صفحه نمایش لمسی در محصولات ژاپنی وسپس در آمریکایی بوده است.(شکل 1-2 بیانگر این موضوع می باشد.)[2].
شکل 1-2- میزان استفاده از صفحات لمسی در تولیدات صنعتی، توسط کشور های مختلف [2]
شکل 1-3- میزان رشد درآمد های حاصل از بکارگیری تکنولوژی صفحه نمایش های لمسی از سال 2006 تا 2014 (تخمین)[3]؛ تصویر سمت راست: میزان در آمد حاصله از فروش – تصویر سمت چپ: میزان استفاده از صفحه نمایش های لمس
علاوه بر این، در بررسی های انجام شده توسط همین موسسه در سال 2011 ، پیش بینی شده است که میزان خرید این محصول تا سال 2014 رشدی حدود 105 درصدی خواهد داشت. (بیش از دو برابر نسبت به سال 2011) که این خود نشان دهنده اهمیت این تکنولوژی می باشد. (شکل 1-3) [3].
1-2- دسته بندی صفحات لمسی
از زمان پیدایش این تکنولوژی انواع مختلفی از صفحه نمایش های لمسی تولید و ارائه شده است و با گذشت چیزی نزدیک به سه دهه از ساخت و ارائه اولین مدل از این تکنولوژی همچنان موضوعات مطرح در این حیطه جذاب و مورد توجه محققین در علوم مختلف می باشد. بدلیل طیف گسترده تولید کنندگان و تنوع تحقیقات در این زمینه، دسته بندی های مختلفی تاکنون برای انواع مختلف صفحات لمسی ارائه شده است که مشهور ترین آن ها عبارتند از:
الف) دسته بندی Wigdor
این نوع از دسته بندی بر اساس داده های دریافتی و نحوه پردازش صفحه لمسی مورد نظر می باشد که در شکل1-5 نشان داده شده است [47].
ب) دسته بندی Walker
این دسته بندی بر اساس نوع پلتفرم ، میزان شفافیت صفحه و غیره تقسیسم بندی شده است شکل 1- 4 نشان دهنده این نوع دسته بندی می باشد [40].
ج) دسته بندی موسسه آمریکایی Display Search 5
در این نوع دسته بندی معیار نوع سنسور ها و تکنولوژی ساخت هر یک از صفحات لمسی می باشد که در شکل1-6 به صورت نموداری رسم شده است[46].
شکل1- 4 – نمودار دسته بندی صفحات لمسی به روش Walker [40].
شکل1- 5 – نمودار دسته بندی صفحات لمسی به روش [47] Wigdor.
شکل1- 6 – نمودار دسته بندی انواع صفحه های لمسی به روش display search [46].
د) ارائه دسته بندی جدید
همان طور که اشاره شد هر یک از این دسته بندی ها به منظور خاصی و توسط شخص یا موسسه خاصی ارائه شده است. از آنجا که موضوع مورد مطالعه در این رساله پیرامون مسئله موقعیت یابی – تشخیص مکان انگشت یا انگشتان قرار داده شده بر سطح صفحه لمسی – در صفحات لمسی است لذا این موضوع به طور کامل در هیچ یک از دسته بندی های فوق بدان اشاره نشده است و نمی توان آن را در این دسته بندی ها گنجاند، بنابراین در اینجا دسته بندی جدیدی ارائه می گردد که ترکیبی از دسته بندی های فوق بوده و مسائل مطرح در این رساله را نیز پوشش دهد،که به صورت زیر ارائه می گردد:
در این جا معیار نحوه عملکرد صفحه نمایش است ، همانطور که اشاره شد شرکت ها و موسات زیادی در زمینه صفحات لمسی فعالیت داشته اند وهر یک سیاست خاص خود جهت حل مسئله موقعیت یابی اتخاذ کرده اند که می توان آنها را در دو دسته گنجانید که عبارتند از:
Exact base: در برخی تحقیق ها از روش های سخت افزاری جهت بالاتر بردن دقت و سرعت موقعیت یابی استفاده کرده اند.روش هایی مانند: افزایش تعداد سنسور ها، محل و نحوه قرارگیری سنسور ها ،تغییر سایز و کوچک سازی سنسور ها و …
Approximation base: در این دسته به جای روش های سخت افزاری از مدل سازی،تحلیل سیگنال و پردازش داده ای به جای روش های سخت افزاری استفاده شده است.
همچنین میتوان باز صفحات لمسی را از نظر جنس بدنه6 صفحه لمسی نیز به دو دسته متفاوت تقسیم کرد،در مجموع دسته بندی به صورت نشان داده شده در شکل1- 7مفروض میباشد:
شکل1- 7 – نمودار دسته بندی انواع مختلف صفحات لمسی بر اساس نحوه عملکرد آنها
در این پایان نامه هدف به وجود آوردن دسته ای جدید از صفحات لمسی است که از ترکیب روش های ارائه شده درصفحات نوع Acoustic waveاز دسته صفحات لمسی Approxsimation base ها و صفحات نوع Infrared از دسته Exact base میباشد به این صورت که بستر طراحی شده از نوع Infrared انتخاب شده و روش های تحلیل سیگنال ارائه شده در نوع Aciustic بر روی داده های گرفته شده از این بستر اعمال می شود . هدف اصلی این روش ارائه راه حلی جهت کاهش هزینه ها و کاهش وابستگی سخت افزاری صفحات لمسی مادون قرمز می باشد. در این صورت در روش دسته بندی ارائه شده زیر گروهی جدید به نام Infrared wave معرفی میگردد.
1-3- تاریخچه اجمالی از روند توسعه و ابداع انواع تکنولوژی های لمسی موجود:

در این سایت فقط تکه هایی از این مطلب با شماره بندی انتهای صفحه درج می شود که ممکن است هنگام انتقال از فایل ورد به داخل سایت کلمات به هم بریزد یا شکل ها درج نشود

شما می توانید تکه های دیگری از این مطلب را با جستجو در همین سایت بخوانید

ولی برای دانلود فایل اصلی با فرمت ورد حاوی تمامی قسمت ها با منابع کامل

اینجا کلیک کنید

Johnson برای اولین بار، سال 1965 در مورد ساختار ساده ای سخن به میان آورد که اساس کار صفحه نمایش های لمسی خازنی بود [8] ، پس از آن مقاله ی مفصل وی در سال 1967 که نظریه ای بود پیرامون تکنولوژی جدیدی با عنوان نمایشگرهای لمسی [9] منتشر شد. سپس برای اولین بار در سال 1968 مقاله ای منتشر گردید که از این تکنولوژی در کنترل ترافیک هوایی استفاده کرده بود [10,11]پس از آن برای اولین بار توسط Benck در موسسه WERN در اوایل دهه 1970 اولین صفحه نمایش های لمسی خازنی ساخته و در سال 1973 به کار گرفته شد[12]. پس از آن Hurst زمانی که به عنوان استاد در موسسه تحقیقات دانشگاه کنتاکی مشغول به فعالیت بود، اولین سنسور مقاومتی لمسی با نام Elograph را اختراع کرد که به او اجازه می‌داد مطالب را سریعتر وارد کند. در کنار این اختراع شرکت اِلوگرافیکس متولد شد ، این دستگاه شباهتی به سنسورهای امروزی نداشت؛ اما این دستاورد قدم بزرگی به سمت صفحه‌های لمسی جدید بود. سه سال بعد، در ۱۹۷۴، Hurst اولین صفحه لمسی شفاف را طراحی کرد و در سال ۱۹۷۷ Elograph را اختراع و روش فنی 5-Wire مقاومتی را به نام خود ثبت کرد که در حال حاضر نیز پرکاربردترین روش می‌باشد. این تکنولوژی در سال 1982 به طور صنعتی تولید و بکار گرفته شد[13]. پس از آن از سال 1986 به بعد تلاشهایی در جهت گسترش استفاده از آن در دستگاه های مختلف صورت پذیرفت ، در این سالها اولین صفحه نمایش گرافیکی لمسی ارائه گردید، در اوایل دهه 1990 اولین تحقیقات دانشگاهی توسط Sears انجام پذیرفت [14] و در اواخر سال 1990 و اوایل 2000 استفاده از این نوع صفحه های لمسی در بازی های رایانه ای بسیار رونق گرفت و تا سال 2004 این امر بیشترین بازار مصرف را به خود اختصاص می داد، اما پس از ارائه صفحه نمایش های لمسی توسط Nitendo و استقبال از آن، استفاده از صفحه نمایش های لمسی بسیار وسیع شده و به رایانه های شخصی کشیده شده است[15].از اوایل سال 2000 تاکنون انواع مختلف و پیچیده تری از صفحه های لمسی ارائه شده است که در ادامه به بررسی دقیق برخی از آنها می پردازیم.
1-4- انواع مختلف صفحات لمسی تا به امروز
انواع فناوری هایی را که تا کنون ارائه شده است که در کل میتوان از حیث نوع سنسورهای بکار رفته در آن به چندین دسته از قبیل مقاومتی، آکوستیکی ،خازنی، فروسرخ، تصویری، سیگنالی وصوتی تقسیم کرد. از آنجا که از اواسط دهه 1960 تاکنون تغییرات بسیاری در این زمینه رخ داده است و شرح مفصل هریک از آن ها در این رساله مقدور نیست لذا تنها به برسی اجمالی عملکرد هر یک آن ها تنها در چند خط بسنده می کینیم که عبارت است از :
مقاومتی: در این فناوری، صفحه لمسی از چندین سنسور مقاومتی تشکیل شده‌است، پس از برخورد انگشتان با آن از میزان مقاومت سنسور ها کاسته می شود و مکان برخورد انگشت با صفحه مشخص می گردد [16].
موج آکوستیک سطح: این فناوری از امواج فراصوتی که از تخته لمسی عبور می‌کنند استفاده می‌کند. وقتی صفحه لمس می‌شود، مقداری از این امواج جذب می‌شوند. این تغییر در امواج فراصوتی مکان لمس را مشخص می‌کند [17].
خازنی : صفحه لمسی خازنی (یا الکترواستاتیک)،از سنسور های خازنی متعددی ساخته شده است، وقتی میدان خازنی نرمال حسگر (در حالت پایه) توسط میدان خازنی دیگری (مثلاً انگشت انسان) تغییر کند، مدارات الکترونیکی که در گوشه‌های صفحه قرار دارند، برآیند تغییرات موج سینوسی میدان مرجع را اندازه‌گیری می‌کند و این اطلاعات را برای محاسبات ریاضی به کنترلر می‌فرستند[18].
فروسرخ : در این صفحات آرایه‌ای از حسگرهای7 فروسرخ عمودی و افقی مورد استفاده قرار می‌گیرد که تغییرات در پرتوهای تنظیم‌شده نور فروسرخ نزدیک سطح صفحه را تشخیص می‌دهند. این صفحات مقاوم‌ترین سطح را دارند و در کاربردهای نظامی که نیاز به صفحه نمایش لمسی دارند مورد استفاده قرار می‌گیرند[19].
تصویرسازی نوری (پردازش تصویر) : در این روش، تعداد دو عدد یا بیشتر حسگر تصویر در دور صفحه قرار می‌گیرد و نورهای زمینه فروسرخ (مادون قرمز) در طرف دیگر صفحه در زاویه دید دوربین قرار می‌گیرند. یک تماس به صورت سایه بر روی هر جفت از دوربین‌ها می‌افتد که می‌تواند با مثلثی کردن برای یافتن مکان تماس مورد استفاده قرار گیرد، این روش روز به روز در حال پیشرفت بوده واز سال 2006 تا کنون انواع مختلفی برای آن ارائه شده است[20].
فناوری پخش‌کنندگی سیگنال : این فناوری اولین بار توسط شرکت Minnesota Mining and Manufacturing(3M) در سال 2002 بطور رسمی ساخته و ارائه گردید، این فناوری از بیش از دو مبدل پیزوالکتریک استفاده می‌کند که در مکان‌های مختلف صفحه قرار گرفته‌اند تا انرژی لرزش (تماس) را به سیگنال الکتریکی تبدیل کنند و سپس به کمک الگوریتم های پیچیده و ریاضی وار ارائه شده ، موقعیت مکان نما را مشخص می کند[21].
تشخیص پالس صوتی : این فناوری همانند فناوری قبل بوده وبا تغییر در سنسور های فرستنده و گیرنده آن عمل تشخیص مکان لمس شده را انجام می دهند، اولین بار توسط موسسهElo TouchSystems در سال 2006 به کمک سنورهای صوتی (میکروفن های حساس به صوت) ارائه و گسترش یافت ،روش کار در این صفحات لمسی به این صورت است که با حرکت انگشت بر روی صفحه سیگنالی یکه از میکرون های نصب شده در مکان هایی خاص دریافت می شود سپس این سیگنال به یک پرونده صوتی تبدیل شده و با پروفایل‌های صوتی از پیش تهیه شده برای هر نقطه از صفحه مقایسه می‌شود (جدول داده ای) 8، بوسیله این مقایسه که از فرمول های فیزیکی و خواص صوت در اجسام استفاده می کند، مختصات مکان انگشت مشخص می شود [22].
1-5- نتیجه گیری و شرح روند کلی رساله
همانطور که بیان گردید در سالهای گذشته تحقیقات وسیعی در زمینه گسترش و بکارگیری انواع مختلف صفحات لمسی صورت پذیرفته است. بطوری که حتی در برخی منابع مطالعاتی در مورد نحوه طراحی رابط گرافیکی نرم افزار های در ارتباط با صفحات لمسی و یا بهترین حالت تعریف پروتکل های کاربری در انواع مختلف صفحات لمسی و یا بکارگیری آنها در وسائل نقلیه متحرک صورت پذیرفته است[25-26]. اما در این میان، در دهه گذشته تلاش های بسیاری در خصوص انواع صفحات لمسی دسته Approxsimation base جهت کاهش وابستگی سخت افزاری با استفاده از سیگنال های فرا صوتی صورت پذیرفته است[28-30]. تحقیقات انجام شده توسط Liu و همکارانش در سالهای 2010 و 2009 یکی از جدیدترین تحقیقات در این رابطه می باشد که به صورت کامل و با جزئیات در فصل دوم شرح داده می شود. از طرف دیگر و به موازات این تحقیقات، تلاشهایی نیز درخصوص ارائه صفحات لمسی با استفاده از سنسورهای مادون قرمز با هدف از بین بردن وابستگی صفحه به جنس مواد بکار رفته در ساخت بدنه صورت پذیرفته است که ازجمله جدیدترین آنها بستر لمسی ارائه شده توسط Moeller و همکارانش در آزمایشگاه Interface Ecology دانشگاه texas منتشر شده در سالهای 2011 و 2012 می باشد. این صفحه لمسی در دسته Exact base می باشد.در این رساله سعی شده است با بکارگیری روش Liu در بستر لمسی Moeller ( و با اعمال تغییراتی در آن) میزان کارایی این روش را مورد بررسی قرار داده و در نهایت روشی جدید که نسبت به روش Liu دارای کارایی و دقت بالاتری باشد را ارائه می دهیم.
فصل دوم
تحقیقات اخیر در زمینه ساخت صفحات لمسی

2- تحقیقات اخیر در زمینه ساخت صفحات لمسی
2-1- مقدمه
همانگونه که بیان گردید در سال های اخیر تحقیقات زیادی در زمینه ساخت انواع صفحات لمسی انجام شده است. امادر این بخش تحقیقات انجام شده توسط Liu و همکاران[34-35] در زمینه بازیابی ارائه بستری بر مبنای سنسور های آکوستیکی –که یکی از جدیدترین این روشها می باشد- به صورت کامل و با جزئیات شرح داده می شود. تحقیقات وی در سال های 2009 و 2010 انجام و چاپ شده است و از جدیدترین و موفقترین تحقیقات انجام شده در این زمینه بوده است.وی در آزمایشگاه موسسات تحقیقاتیCEA LIST, تحقیقات خود را انجام داده است و نتایج آن را در رساله دکتری خود آورده است. به همین دلیل این تحقیق با جزئیات بررسی می شود و نتایج روش های ارائه شده در این پایان نامه نیز با روش های ارائه شده توسط این محقق مقایسه می شود و نتایج گزارش می گردد. وی در تحقیقات خود از سنسورهای فرستنده و گیرنده آلتراسوند استفاده کرده است.از طرفی این روش دارای ایراداتی می باشد که عموما به دلیل استفاده از این نوع سنسورها است، در این فصل پس از بیان اولیه روش Liu به بیان مشکلات و نواقص آن می پردازیم و در ادامه بستری را ارائه می کنیم که بر مبنای بستر ارائه شده توسط Moeller و همکارانش و در مقاله ای با نام بدون لمس9 معرفی گردید،این بستر با استفاده از سنسور های مادون قرمز طراحی و در آزمایشگاه “رابط های زیستی” 10 زیر نظر دانشگاه A&M تگزاس آمریکا و در سال 2011 تولید و در سال 2012 آن را تکمیل نمود[36-38].
2-1- 1- مروری بر روش Liu:
به طور کلی دراین روش، Liu از صفحه ای از جنس مس جهت ساخت صفحه لمسی استفاده کرد، وی ابتدا صفحه را به صورت ماتریسی 36*36 نقطه ای تفکیک کرده وسپس به کمک یک انگشت مصنوعی و بازوی ربات مانندی شروع به جمع آوری داده از تک تک نقاط مورد نظر نمود. از آنجایی که این داده ها به صورت سیگنال های گسسته می باشند لذا Liu پس از جمع آوری داده ها ، تبدیل فوریه هر یک را بدست آورده و آنها را به عنوان بانک داده مرجع ذخیره سازی نمود ، در نهایت و در مرحله تست با قرار گیری انگشتان هر فرد بر روی صفحه لمسی وتبدیل فوریه داده های دریافتی از آن با تک تک داده های مرجع مقایسه کرده و نزدیکترین آنها را به عنوان نقطه قرارگیری انگشتان دست در نظر می گیرد[34-35]. (این روش در ادامه با جزییات شرح داده می شود.)
مشکلات اصلی روش Liu:
وابستگی شدید بستر پیاده سازی شده به جنس صفحه لمسی ساخته شده: بستر مورد استفاده در روش Liu از جنس مس بوده و به دلیل استفاده از سنسور های آلتراسوند و نیاز به محاسبه تبدیل فوریه جنس صفحه لمسی تاثیر شدیدی بر فرکانس امواج دریافتی دارد.
این روش در ابعاد کوچک مانند پد لپتاپ بسیار مناسب می باشد اما در ابعاد بزرگ تقریبا کارامدی بالایی ندارد و یا نیاز به تعداد بسیار بیشتری سنسور آلتراساوند می باشد.
جهت رفع این مشکل در این پایان نامه از سنسور مادون قرمز استفاده شده است، استفاده از این سنسور به صورت گسترده در بستر ارائه شده توسط Moeller در سال 2011 پیشنهاد گردید.
2-1- 2- مروری بر بستر Moeller:
به طور کلی در این بستر از سنسور های مادون قرمز به جای انواع دیگر سنسورهااستفاده شده است،در نمونه اولیه ارائه شده در سال 2011 بستر مورد نظر از دو ردیف موازی از سنسورهای مادون قرمز تشکیل شده بود و بطوری که اضلاع یک مستطیل را تشکیل می دادند، در این بستر یک ردیف به عنوان فرستنده و ردیف روبرو به عنوان گیرنده در نظر گرفته می شود، با قرارگیری هر جسم مابین فرستنده و گیرنده پرتوهای ساطع شده به گیرنده ها نرسیده و در نهایت موجب تغییر در ولتاژ خروجی گیرنده می گردد،به این ترتیب Moeller نتیجه میگیرد که میتوان تصویری به صورت صفرو یک11 تشکیل داد و به کمک تکنیک های پردازش تصویر اشیاء را در آن تشخیص داد، رزولوشن تصویر خروجی بسته به تعداد سنسور های بکار رفته در بستر ساخته شده متفاوت است، Moeller بعدها (در سال 2012) این بستر را ارتقاع داده و تعداد سنسور های گیرنده را در بستری جدید به 8/1 کاهش داد ،گفتنی است این امر تاثیری بر تعداد سنسور های فرستنده نداشته و همچنین موجب کاهش رزولوشن تصویر تولید شده خروجی گردید(در ادامه به شرح کامل و دقیقتر این بستر می پردازیم)[36-38].
ایرادات اصلی بستر Moeller:
بستر Moeller با وجود مزیت های آن دارای ایرادات بسیاری می باشد از جمله:
تعداد بالای سنسور های مورد استفاده در آن : بگونه ای که برای صفحه ای معادل 7*10 اینچ در بستر اولیه این تعداد حدود 180 سنسور بوده و در بستر ثانویه بیش از 100 سنسور بکار رفته است
به دلیل تعداد زیاد سنسورها،آیسی ها و مدارها و پیچیدگی مدار بکار رفته در آن هزینه بسیار زیادی جهت تولید این نوع صفحه نمایش نیاز است.
به دلیل روش تشخیصی در این نوع بستر(تشکیل تصویر باینری) این نوع صفحه نمایش اغلب در قطع کوچک مانند پد لپتاپ ها قابل استفاده نیست.
همانگونه که ملاحظه شد با قیاس بستر های Liu و Moeller این دو بستر مکمل یکدیگر می باشند به این معنی که هر روش مشکلات روش دیگر را می پوشاند.امااز آنجا که در این پایان نامه هدف ارائه بستری مستقل از جنس صفحه لمسی می باشد لذا باید روشی پیشنهاد گردد که تنها از سنسورهای مادون قرمز در آن استفاده شده باشد و بدلیل ناکارآمدی روش Moeller در صفحات کوچک و هزینه بالای آن،از روشی مشابه روش بکار رفته در بستر Liu استفاده گردید تا میزان دقت را به حد اکثر ممکن خود رساند.
در فصل بعد ابتدا بستر جدیدی با الهام گرفتن از بستر Moeller ارائه شده،سپس روش به کار رفته دربستر Liu را بر روی این بستر پیشنهادی پیاده سازی میکنیم.نتایج، ناکارآمدی روش Liu در بستر جدید را نشان خواهند داد، لذا بابهبود روش Liu روشی جدید ارائه خواهد شد که کارامدی بسیار بالایی در این بستر جدید داشته باشد.
در ادامه به شرح کامل همراه با جزییات هر یک از روش های Liu و Moeller می پردازیم.
2-2- شرح کامل روش Liu
این روش بر پایه ی امواج Lamb می باشد، این نوع از انتشار موج تنها در سطوح جامد منتشر می شوند. در سال 1917 در اواخر جنگ جهانی اول ریاضیدانی با نام Lamb دسته ای از امواج را معرفی ساخت که دارای خواص الاستیکی خاصی بوده و در امتداد سطح اجسام قابلیت انتشار دارند. به دلیل پیچیدگی بسیار بالای محاسباتی در ابتدا این مسئله تنها به صورت تئوری باقی ماند و پیشرفت کمی داشت اما بعد تا دهه 1990 به لطف بالا رفتن قدرت محاسباتی، پیشرفت های چشمگیری را به خود دید.
تا کنون روش های بسیاری جهت موقعیت یابی اجسام(انگشت یا هر شی دیگر) بر روی صفحات لمسی از طریق امواج Lamb با استفاده از سنسورهای Ultrasonic ارائه شده است. از جمله این روش ها می توان به روش های مبتنی بر تشخیص از روی تاخیر زمان ارسال و دریافت و یا تشخیص از طریق محاسبه همبستگی مابین داده های دریافتی و داده از پیش ذخیره شده[31-33] اشاره نمود.روش Liu نیز به عنوان یکی از جدیدترین این روش ها در سال 2010 توسطLiu و همکارانش ارائه گردید و بیشتر جهت تغییر رویکرد موقعیت یابی از طریق روش محاسبه همبستگی (Cross correlation) می باشد،دراین روش از چهار سنسور (2 سنسور فرستنده و 2 سنسور گیرنده )از سری سنسورهای Pz27 ساخت شرکت Ferroperm محصول کشور دانمارک استفاده شده است. ضخامت این سنسور در حد 0.5 میلی متر دارای چسب رسانا و برد کنترلر 2400CW می باشد همچنین Liu از صفحه مسی با ابعاد 100_75_0.45 mm3 استفاده کرد.شکل 1-2 نشادهنده نمونه ای از صفحه لمسی ساخته شده توسط Liu می باشد.
شکل 1-2 – نمونه ای از بستر طراحی شده و بکار گرفته شده توسط Liu و همکارانش [35]
در این بستر که بعدها Liu آن را از لحاظ مکان قرارگیری سنسور ها بهینه سازی کرد از چهار سنسور در اطراف صفحه و به صورت موازی استفاده شده است ، هر جفت از سنسور ها رو بروی یکدیگر قرار داده شده اند از یک طرف صفحه امواج lamb تولید شده و به سمت دیگر صفحه فرستاده می شود این امواج در امتداد صفحه لمسی منتشر شده و توسط گیرنده ها دریافت می شوند ،تصویر 2-2 نشان دهنده مکان قرارگیری سنسور ها در صفحه میباشند.:
شکل2-2- نحوه و مکان قرارگیری سنسور ها در صفحه لمسی[34]
Liu در روش موقعیت یابی که ارائه کرده بود صفحه لمسی فوق را به 36*32 نقطه تقسیم کرده است و سپس به کمک یک انگشت مصنوعی از جنس سلیکون با سطح تماس 25 mm2 و قرار دادن آن بر روی تک تک این نقاط در نظر گرفته شده،داده های دریافتی از سنسور ها را دریافت و آن را به عنوان داده مرجع ذخیره می کند، عملکرد این سیستم به گونه ای است که با قرار گیری انگشت بر روی صفحه، با توجه به خواص امواج Lomb در مس و نحوه انتشار آن در صفحه اختلالی در امواج دریافتی به وجود می آید که منحصر به فرد است. شکل 2-3 نشان دهنده روش Liu در این حالت است:

از آنجایی که در اینجا هدف تولید امواج لامب می باشد باید بازه فرکانسی و حداقل زمان نمونه برداری مشخص گردد. لذا ابتدا به بررسی خواص امواج lomb می پردازیم.
خواص امواج lomb :
برخی از خواص امواج lomb تاکنون مشخص شده اند از جمله آن سرعت گروهی12 و سرعت فازی13 می باشند که فرمول های آن عبارتند از:
V_φ = w/k= V_p/√3 hk (1-2)
V_G = ∂w/∂k= 〖2V〗_p/√3 hk (2-2)
معادله (2-1) نشان دهنده سرعت فازی است و معادله (2-2) نشان دهنده سرعت گروهی، همچنین مقادیر V_p ، h و k به ترتیب عبارتند از: سرعت موج درصفحه، نمایی از ضخامت صفحه و شماره زاویه موج که مقادیر آن ها با توجه به جنس صفحه و نوع فرکانس تولیدی بدست می آید، لذادر صفحه ای از جنس مس این مقادیر برابرند با:
V_p=4273m/s (3-2)
h×k≪0.5 (4-2)
شکل نشان دهنده نمودار سرعت فازی و سرعت گروهی در صفحه ای با ضخامت 0.35 از جنس مس می باشد.
همچنین طول موج در امواج lomb از رابطه (2-5)محاسبه و نسبت بین حرکت موج در راستای عمود (مولفه Sx)و افقی (مولفه Sz) با رابطه (2-6) بدست می آید :
λ= Vφ/f= √(2π/√3 V_p h/f) (5-2)
|S_z/S_x |(h)=1/(1-〖(V_φ/V_T)〗^2 )×1/kh (6-2)
که در فرمول (2-6) مقدار V_T=2270m/s می باشد
با توجه به فرمول های فوق و با قرار دادن انگشت بر روی صفحه مولفه افقی تضعیف شده و انرژی خود را از دست می دهد و باعث تشخیص مکان از این طریق انجام می گردد. لذادر اینجا این مسئله پیش می آید که فرکانس تولید اعمال شده به سنسور های ورودی و همچنین میزان داده گیری باید چه قدر باشد؟
با توجه به فرمول 2-4 و جنس و ضخامت صفحه و نیز ابعاد انگشتان انسان، Liu در این جا فرکانس را از 20kHz تا 100kHzدر نظر گرفته و با توجه به خواص امواج lomb و نمودار فوق سرعت در فرکانس 100 کیلوهرتز معادل 1000متر بر ثانیه بوده،این بدان معنی است که در این سرعت حداکثر می توان در 1 میلی ثانیه 10 نمونه از سنسور ها دریافت نمود لذا حداکثر سرعت نمونه برداری باید معادل 1 میلی ثانیه باشد.
همچنین نمونه برداری ها از فرکانس های مختلف در بازه گفته شده به این دلیل انجام می گردد که در صورت قرارگیری چند جسم بر روی صفحه فرکانس های متفاوت تغییر داشته و به این روش میتوان چندین مکان Liu صفحه را تشخیص داد.
2-2- 1- الگوریتم ارائه شده توسط Liu برای تشخیص انگشت در بستر Liu
الف ) انگشتی از جنس سلیکون طراحی و ساخته شده.

ب ) صفحه لمسی را به 36*32 تقسیم می کنیم(همان گونه که بیان گردید)
ج ) انگشت را در تک تک این نقاط قرار می دهیم.
د ) پالسی سینوسی را بر روی سنسور های ورودی به مدت 1 میلی ثانیه و در بازه فرکانسی 20 تا 100 کیلوهرتز اعمال می کنیم.(مطابق شکل 2-5 )
ه ) داده های سنسورهای گیرنده را در این بازه زمانی دریافت می کنیم. این داده ها را r(t) می نامیم.
و ) تبدیل فوریه داده های دریافتی را حساب می کنیم آنها را با عنوان داده مرجع ذخیره می کنیم[43-44]:
F(ω)= ∫_(-∞)^(+∞)▒〖f(t)e^(-jwt) □(24&dt)〗 (7-2)
f(t)= ∫_(-∞)^(+∞)▒〖F(ω)e^(-jwt) □(24&dω (8-2))〗
ز ) اعمال د تا و را برای تک تک نقاط از پیش تعیین شده انجام می دهیم و در نهایت تمامی تبدیلات بدست آمده را به عنوان بانک داده مرجع ذخیره می کنیم.
R_(i,j) (r)=F(P_(i,j),r) (9-2)
که در این فرمول R بانک مرجع تبدیلات و r داده گرفته شده از نقطه P می باشد.
حال با قرار دادن انگشتی دیگر (در مرحله تست) در مکان نامعلومی مانند P_(x,y) مراحل زیر را به ترتیب انجام می دهیم:
الف ) پالسی سینوسی را بر روی سنسور های ورودی به مدت 1 میلی ثانیه و در بازه فرکانسی 20 تا 100 کیلو هرتز اعمال می کنیم.(مطابق شکل 2-5)
ب ) داده های سنسور های گیرنده را در این بازه زمانی دریافت می کنیم. [r(t_(x,y) ) ]
ج ) تبدیل فوریه داده دریافتی را حساب می کنیم آنها را با عنوان داده مرجع ذخیره سازی می کنیم.
د ) فاصله منهتن داده های این تبدیل را با تک تک تبدیل های موجود در بانک اطلاعاتی محاسبه می کنیم:
D_(i,j)= ∑_r▒〖|R^’ (r)-R_(i,j) (r)| (10-2)〗
که در آن R^’ (r) تبدیل فوریه سیگنال دریافتی از سنسور ها در مرحله تست(زمان قرارگیری انگشت طبیعی بر روی صفحه) و R_(i,j) (r) تبدیل فوریه سیگنال دریافتی از سنسور در مرحله آموزش (زمان قرارگیری انگشت مصنوعی سیسلیکونی بر روی صفحه) برای نقطه (i,j) می باشد.
ه ) در نهایت Liu برای تصمیم گیری و بدست آوردن موقیت x,y انگشت قرارگرفته شده بر روی صفحه، دو روش را به شرح زیر پیشنهاد می کند:
استفاده از الگوریتم نزدیکترین همسایه
در این روش Liu پس از بدست آوردن کل فاصله ها در مرحله د، (i,j) متناظر با کمترین مقدار فاصله را به عنوان مختصات انگشت (x,y) در نظر می گیریم.
تشکیل تصویر فاصله ها و اعمال روش های تشخیص شیء در تصویر
در این روش Liu تمامی فاصله های بدست آمده در مرحله د را نرمال کرده و در فاصله 0و 1 قرار می دهد سپس این فاصله ها را به عنوان مقادیر پیکسلی برای هر نقطه (i,j) در نظر می گیرد و تصویری را از این مقادیر تشکیل می دهد. (شکل 2-6 نشان دهنده تصویر بدست آمده از این روش می باشد.)
در نهایت جهت تشخیص موقعیت انگشت تیره ترین نقطه را به کمک آستانه گذاری انتخاب کرده و با استفاده از روش های تشخیص شیء موقعیت انگشت یا انگشتان را بدست می آورد. در این روش Liu و همکارانش دو فیلتر نیز جهت حذف نویز و تشخیص بهتر اشیاء استفاده کرده بودند که عبارتند از معادله های (2-11) و (2-12) به ترتیب زیر:
d_(i,j) (r)= ∑_(m=i-1)^(i+1)▒∑_(n=j-1)^(j+1)▒|R_(m,n) (r)-R_(i,j) (r) |/[8×R_(i,j) (r) ] (11-2)
C(r)=∑_(i=2)^(row-1)▒∑_(j=2)^(col-1)▒(d_(i,j) (r))/((row-1)(col-1)) (12-2)
2-2- 2- روش تست در بستر Liu جهت محاسبه میزان دقت:
در روش شرح داده شده جهت محاسبه میزان دقت تشخیص در بستر طراحی شده توسط Liu و همکارانش ، به این صورت عمل شده است که فردی به صورت تصافی رو بروی صفحه لمسی قرار داده شده و انگشت اشاره وی بر روی صفحه قرار می گیرد با توجه به مشخص بودن این مکان از قبل می توان صحت تشخیص دستگاه را تعیین نمود شکل 2-7 نشان دهنده عملکرد این روش می باشد.
Liu پس از آزمایش این روش را برای 10000 بار تکرار نمود، نتایج نشان می داد در صورت استفاده از تک سنسور، میزان دقت روش بسته به مکان قرارگیری سنسور در صفحه از 89 تا 95 درصد می باشد و در صورت به کارگیری هر دو سنسور در صفحه 99.73 درصد می باشد ، بدیهی است که این میزان دقت مربوط به روش اول می باشد و همچنین در روش پردازش تصویر دقتی مشابه به دست می آید.
2-2-3- نگاهی به سیستم طراحی شده به وسیله Liu:
Liu جهت سهولت در پیاده سازی این روش بستری را مطابق شکل 2-8 طراحی و پیاده سازی نمود ، در این بستر از یک تولید کننده سیگنال مدل Tectronix 3012 و یک مبدل آنالوگ به دیجیتال مدل Pic ADC 212/50 استفاده کرده است ، در این سیستم سیگنال سنسورهای ورودی به کمک تولید کننده سیگنال به سنسورهای ورودی اعمال شده و پس از دریافت از طریق سنسورهای گیرنده از طریق مبدل به کامپیوتر انتقال داده شده تا پردازش شود و نتیجه نمایش داده شود.
2-3- شرح کامل روش Moeller
پس از Liu، Moeller برای از بین بردن وابستگی به جنس صفحه لمسی بستری را ارائه نمود که نه تنها وابستگی به جنس صفحه لمسی در ان از بین می رفت بلکه اصلا نیازی به لمس چیزی نبود و این تکنولوژی را اصطلاحا با عنوان هوای آزاد(free-air) ارائه نمود. در این روش از سنسور های مادون قرمز به جای سنسور های صوتی استفاده شده است ، در مقاله منتشر شده از Moeller در سال 2010 و پیرو آن در سال 2011 علاوه بر شرح و بهبود بستر ، Liu پس از آزمایش این روش را برای 10000 بار تکرار نمود، نتایج نشان می داد در صورت استفاده از تک سنسور میزان دقت روش بسته به جای قرارگیری سنسور های فرستنده و گیرنده در صفحه از 89% تا 95 درصد می باشد و در صورت بکارگیری هر دو سنسور در صفحه 99.73 در صد می باشد ، بدیهی است که این میزان دقت مربوط به روش اول می باشد و همچنین در روش پردازش تصویر دقتی مشابه بدست می آید.
روش های خود را نیز در این زمینه ارائه داده است:
در روش ارائه شده توسط Moeller ابتدا از روش FTIR جهت پیاده سازی بستر استفاده شد، در این روش سنسور هایی در اطراف صفحه به صورت دو خط موازی قرار داده میشوند سپس از یک سو پرتوها ساطع شده و به سمت دیگر بر خورد داده می شوند در صورت قرار گیری جسمی در این میان میزان پرتو ساطع شده تغییر کرده و در خروجی بر روی ولتاژ سنسور اثر می گذارد نهایتا بااسکن هر سنسور می توان میزان تغییر پذیری را تشخیص داد شکل 2-9 نشان دهنده این موضوع می باشد.

دسته بندی : پایان نامه ارشد

پاسخ دهید