基于手寫辨識(shí)芯片的漢字手寫輸入技術(shù)

摘要 主要介紹在小型嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中，如何借助于手寫體辨識(shí)芯片ePH1200實(shí)現(xiàn)漢字以及其他字符的手寫輸入。根據(jù)芯片ePH1200的辨識(shí)功能和特點(diǎn)，介紹了手寫體漢字的辨識(shí)過程；結(jié)合實(shí)例，介紹采用ePH1200、電阻式觸摸屏和微控制器（MSP430）實(shí)現(xiàn)漢字手寫輸入的硬件接口電路與軟件編程方法。
關(guān)鍵詞 手寫體辨識(shí) 觸摸屏 ePH1200 辨識(shí)芯片

　　許多的掌上裝置與移動(dòng)設(shè)備采用小型嵌入式系統(tǒng)，而這些裝置很多都需要具有輸入漢字的功能。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)漢字輸入的方法有多種，但根據(jù)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)路線區(qū)分，不外乎是編碼輸入（如拼音、五筆字型輸入等）、語音輸入（如語音識(shí)別）、字型辨識(shí)輸入（如掃描輸入、手寫體輸入）等幾種。由于語音輸入技術(shù)尚未成熟，手寫漢字輸入方法頗受人們青睞。然而由于受微控制器本身處理能力及系統(tǒng)內(nèi)存空間的限制，要在其中嵌入手寫體漢字識(shí)別軟內(nèi)核難度非常大，且軟內(nèi)核必須針對(duì)不同的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行移植才能使用。這無疑增加了這類產(chǎn)品開發(fā)的成本與風(fēng)險(xiǎn)。ePH1200是義隆電子公司將手寫體辨識(shí)軟內(nèi)核硬化的一款專用芯片，它通過與電阻式觸摸屏、微控制器相連，有效地實(shí)現(xiàn)漢字的手寫輸入。這為掌上裝置以及各種移動(dòng)設(shè)備等嵌入應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)漢字的手寫輸入功能提供了一個(gè)很好的解決方案。

1 ePH1200的特點(diǎn)與手寫體辨識(shí)過程

　　ePH1200手寫體辨識(shí)芯片內(nèi)嵌蒙恬手寫識(shí)別軟內(nèi)核，能對(duì)國(guó)標(biāo)漢字（共6 763個(gè)）、ASCII碼字符以及其他一些特殊字符的手寫體進(jìn)行辨識(shí)，支持筆劃連寫，識(shí)別正確率高達(dá)99.9%；提供備選字輸出，輸出結(jié)果為 Unicode編碼或者GB2312國(guó)標(biāo)碼，單字辨識(shí)時(shí)間約為0.34 s。ePH1200具有CSP24和LQFP44兩種封裝型式；功耗低，工作電壓為2.8~3.6 V，工作電流約為2 mA，待機(jī)模式時(shí)的靜態(tài)耗電小于20 μA；工作溫度范圍為-20~+80 ℃。ePH1200具有UART接口，方便與各種微控制器配合使用；UART接口的數(shù)據(jù)傳輸速率固定為9 600 bps，一幀數(shù)據(jù)為10位（1個(gè)起始位、8個(gè)數(shù)據(jù)位、1個(gè)停止位），數(shù)據(jù)位由低位到高位依次傳送。ePH1200內(nèi)嵌電阻式觸摸屏控制接口電路，可直接與四線電阻式觸摸屏相連。電阻式觸摸屏控制接口電路包括電子開關(guān)切換電路和A/D轉(zhuǎn)換器（轉(zhuǎn)換精度8位/10位可選）[1]。圖1為ePH1200的原理框圖。

圖1 ePH1200原理框圖

　　ePH1200通過內(nèi)部的觸摸屏控制接口和A/D轉(zhuǎn)換器，獲取在電阻式觸摸屏上筆劃軌跡的坐標(biāo)信息。當(dāng)停筆時(shí)間（也就是書寫筆不接觸摸屏的時(shí)間）大于設(shè)定值時(shí)，表示一個(gè)字符已書寫完成。這時(shí)內(nèi)嵌的辨識(shí)內(nèi)核開始處理，通過采用字符識(shí)別算法對(duì)輸入的字型點(diǎn)陣信息進(jìn)行計(jì)算，便可以辨識(shí)出剛才所書寫的字符，獲得其Unicode/GB2312編碼。字符的編碼和筆劃字型點(diǎn)陣信息均可通過UART端口輸出，送給系統(tǒng)的微控制器；系統(tǒng)的微控制器便將手寫字符的筆劃字型點(diǎn)陣和根據(jù)編碼獲取的標(biāo)準(zhǔn)字型點(diǎn)陣輸出到顯示屏。這樣在顯示屏上就可以映射顯示出手寫字型和被識(shí)別字符的標(biāo)準(zhǔn)字型。

2 ePH1200硬件接口電路的設(shè)計(jì)

　　圖2為實(shí)現(xiàn)手寫輸入的硬件接口電路。ePH1200通過XP、XN、YP、YN四個(gè)引腳端與四線電阻式觸摸屏直接相連，通過串口與系統(tǒng)微控制器 MSP430交換信息。當(dāng)ePH1200處在待機(jī)模式時(shí)，可通過WKI端輸入外部中斷喚醒信號(hào)（如微控制器通過檢測(cè)觸摸屏工作狀態(tài)所產(chǎn)生的輸出信號(hào)），使其恢復(fù)到正常工作模式。

圖2 ePH1200硬件接口電路圖

　　觸摸屏上的筆劃或點(diǎn)擊信息，經(jīng)過ePH1200的采集與處理，由串行接口送給微控制器MSP430；微控制器MSP430在收到這些數(shù)據(jù)后進(jìn)行分析處理，將筆劃點(diǎn)陣信息映射顯示在LCD屏上，并將點(diǎn)觸軟鍵盤功能鍵的信息交由鍵盤處理程序處理。

3 應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

3.1 ePH1200的編程方法

　　由于ePH1200只能通過串行接口與系統(tǒng)的微控制器通信，因此各種數(shù)據(jù)信息的傳送都是通過串行協(xié)議來實(shí)現(xiàn)的。系統(tǒng)的微控制器由串口發(fā)送命令包，可以將ePH1200設(shè)置為不同的工作狀態(tài)。當(dāng)ePH1200工作在辨識(shí)狀態(tài)時(shí)，可以對(duì)觸摸屏上設(shè)定范圍內(nèi)手寫的一級(jí)、二級(jí)漢字以及一些ASCII碼字符進(jìn)行辨識(shí)，并輸出其代碼（如GB2312碼）和手寫筆跡的坐標(biāo)值；當(dāng)工作在圖形狀態(tài)時(shí)，不對(duì)手寫的字符進(jìn)行辨識(shí)，而只是將觸摸屏上設(shè)定范圍內(nèi)手寫筆跡的坐標(biāo)值輸出。ePH1200上電工作后處在默認(rèn)工作模式，系統(tǒng)的微控制器必須根據(jù)應(yīng)用要求通過串口對(duì)其進(jìn)行初始化設(shè)置。串行通信的命令包格式如下：

　　例如，要設(shè)置ePH1200工作在圖形工作狀態(tài)，系統(tǒng)的微控制器應(yīng)通過串行接口向ePH1200發(fā)送以下8字節(jié)的命令包：

　　0x50 0x14 0x04 0x01 0xFF 0xFF 0xFF 0x3A

　　ePH1200工作狀態(tài)被正確設(shè)置后便會(huì)作出應(yīng)答，應(yīng)答包的數(shù)據(jù)如下：

　　0x50 0x14 0x04 0xFD 0xFF 0xFF 0xFF 0xFD

　　ePH1200應(yīng)答輸出包的格式有多種，包括命令確認(rèn)應(yīng)答包、命令錯(cuò)誤應(yīng)答包、單字辨識(shí)結(jié)果數(shù)據(jù)包和筆跡坐標(biāo)數(shù)據(jù)包等。限于篇幅不在此介紹。

3.2 手寫筆跡坐標(biāo)數(shù)據(jù)包的接收

　　在手寫輸入過程中,ePH1200幾乎同步地輸出手寫筆跡坐標(biāo)數(shù)據(jù)包。系統(tǒng)的微控制器須不停地接收這些數(shù)據(jù)包，通過提取坐標(biāo)值，將其在屏幕上顯示出來。但由于系統(tǒng)的微控制器具有多個(gè)任務(wù)，處理速度不一定足夠快，因此為了防止手寫筆跡坐標(biāo)數(shù)據(jù)包發(fā)生丟失，需要建立坐標(biāo)數(shù)據(jù)包接收緩沖區(qū)。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況，緩沖區(qū)定義為環(huán)形，可存放10個(gè)數(shù)據(jù)包。緩沖區(qū)的管理采用雙指針：數(shù)據(jù)包接收存放位置指針與數(shù)據(jù)包提取位置指針。數(shù)據(jù)包被提取后，相應(yīng)的存儲(chǔ)單元即被清除，以免被重復(fù)提取使用；數(shù)據(jù)包提取位置指針也調(diào)整為指向下一個(gè)數(shù)據(jù)包的存放位置，若沒有新的數(shù)據(jù)包可提取則等待。數(shù)據(jù)包的接收存放管理相對(duì)簡(jiǎn)單，每接收存放一個(gè)數(shù)據(jù)包后，將數(shù)據(jù)包接收存放位置指針調(diào)整指向下一個(gè)存放位置即可，無須考慮緩沖區(qū)的溢出問題。

3.3 手寫筆跡的顯示

　　在觸摸屏上進(jìn)行書寫，雖然手寫的筆劃是連續(xù)的，但ePH1200輸出的筆跡坐標(biāo)數(shù)據(jù)包只是筆跡曲線上采樣點(diǎn)的坐標(biāo)值，因而是不連續(xù)的。如果要將手寫的筆跡在顯示屏上映射顯示[2]出來，則必須利用軟件進(jìn)行處理。采用Bresenham畫線算法[3]和利用ePH1200輸出的坐標(biāo)值，可在顯示屏上繪出與手寫筆跡基本一致的連續(xù)曲線。下面是繪線示例程序：

//繪線函數(shù)，起點(diǎn)坐標(biāo)為（x_start，y_start），終點(diǎn)坐標(biāo)為（x_end，y_end），scnum為顯示緩沖區(qū)號(hào)
void lcd_line(unsigned char y_start，unsigned int x_start，unsigned char y_end，unsigned int x_end，unsigned char scnum) {
　　unsigned int add_x,add_y,dx,dy;
　　unsigned int l_long;//線段包含的點(diǎn)數(shù)
　　int sign_x,sign_y;//線段的走向
　　int x,y;
　　int nx,ny;
　　nx=x_start;ny=y_start;
　　if(x_end>=x_start){ dx=x_end-x_start;sign_x=1;}
　　else {dx=x_start-x_end;sign_x=-1;}
　　if(y_end>=y_start) {dy=y_end-y_start;sign_y=1;}
　　else {dy=y_start-y_end;sign_y=-1;}
　　l_long=dx+dy;
　　if(l_long==0) return;
　　add_x=l_long/2;
　　add_y=add_x;
　　while(x !=x_end||y !=y_end) {add_x+=dx;
　　　　add_y+=dy;
　　　　if(x !=x_end)
　　　　　　x=x_start+(add_x/l_long)*sign_x;
　　　　if(y !=y_end)
　　　　　　y=y_start+(add_y/l_long)*sign_y;
　　　　if(nx !=x||ny !=y) {
　　　　　　nx=x;ny=y;
　　　　　　lcd_pt(y,x,1,scnum);//在顯示屏上顯示一個(gè)點(diǎn)
　　　　}
　　}
}

3.4 字符辨識(shí)結(jié)果的處理

　　在觸摸屏上書寫完一個(gè)字符后，ePH1200會(huì)將辨識(shí)結(jié)果以數(shù)據(jù)包的形式輸出，數(shù)據(jù)包的內(nèi)容為若干個(gè)備選字符的Unicode/GB2312編碼。根據(jù)這些編碼，通過索引顯示字模庫，可將各備選字符在顯示屏上依次顯示出來；隨后就可以根據(jù)需要，利用觸摸屏或按鍵選取相應(yīng)的字符。這樣就完成了漢字的手寫輸入。

結(jié)語

　　漢字的手寫輸入解決方案多種多樣，ePH1200作為一款手寫體的辨識(shí)芯片，為小型嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用增加手寫漢字輸入功能帶來了方便。本文介紹的只是針對(duì)特定微控制器MSP430的一種典型硬件接口和軟件設(shè)計(jì)方法，但由于ePH1200接口簡(jiǎn)單，因此采用其他微控制器的應(yīng)用，設(shè)計(jì)方法大同小異。

參考文獻(xiàn)

[1] Elan MicroeLectronics Corp.ePH1200 DATA SHEET，2005.
[2] 崔如春，譚海燕. 電阻式觸摸屏的坐標(biāo)定位與筆畫處理技術(shù)[J].儀表技術(shù)與傳感器,2004(8).
[3] 陳元琰，張曉競(jìng). 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)實(shí)用技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社,2000:5258.

譚海燕(碩士研究生)，主要研究方向?yàn)槎嗝襟w數(shù)據(jù)通信、嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用。