电子文档智能转换笔 一、 需求发现 1.1需求的提出 现阶段内书写体文字转换电子文档的主要方式还是通过扫描仪扫描输入再 经过电脑软件后期识别处理。扫描仪通过捕获图像并将之转换成计算机可以显示、 编辑、存储和输出的数字化图像。此外还可以直接用手机或相机进行拍摄。 但是这些方法存在种种缺点，例如利用扫描方式输入图片时，必须要扫描仪 的辅助，这对于便携性有很大的影响。另外这种方法还需要文档写完之后才能进 行扫描。而事实上扫描仪对书写文档的输入实际上是一种图片格式，对于印刷体 文档可以较好地识别，但是对于书写体文档识别能力较差，其效果不如直接输入。 另外手机和相机拍摄的手写文字的照片基本无法转换成文档格式。人们迫切 需要一种在纸质材料上书写文档的同时能将内容传输到电子设备的方法。 ALWATS HAVE A DREAM Porgat oudy,But don't forget your hour been defaatad,B s you ve ga十about the 图1电子文档智能转换笔 1.2市面上的类似产品及其缺陷 对于我们提出的电子文智能转换笔的概念，我们搜索发现了若干目的相同的 设计。首先我们发现了名为汉王手写板的一款手写输入产品，该产品的使用目的 同样是以手写的方式将文字输入电脑，但是该产品的缺点是仅能输入电子文档， 无法同时完成在纸质上书写的工作
电子文档智能转换笔 一、 需求发现 1.1 需求的提出 现阶段内书写体文字转换电子文档的主要方式还是通过扫描仪扫描输入再 经过电脑软件后期识别处理。扫描仪通过捕获图像并将之转换成计算机可以显示、 编辑、存储和输出的数字化图像。此外还可以直接用手机或相机进行拍摄。 但是这些方法存在种种缺点，例如利用扫描方式输入图片时，必须要扫描仪 的辅助，这对于便携性有很大的影响。另外这种方法还需要文档写完之后才能进 行扫描。而事实上扫描仪对书写文档的输入实际上是一种图片格式，对于印刷体 文档可以较好地识别，但是对于书写体文档识别能力较差，其效果不如直接输入。 另外手机和相机拍摄的手写文字的照片基本无法转换成文档格式。人们迫切 需要一种在纸质材料上书写文档的同时能将内容传输到电子设备的方法。 图 1 电子文档智能转换笔 1.2 市面上的类似产品及其缺陷 对于我们提出的电子文智能转换笔的概念，我们搜索发现了若干目的相同的 设计。首先我们发现了名为汉王手写板的一款手写输入产品，该产品的使用目的 同样是以手写的方式将文字输入电脑，但是该产品的缺点是仅能输入电子文档， 无法同时完成在纸质上书写的工作
@ 汉王 Hanvon L飞一专 0达当 图2汉王手写板 除了汉王手写板，市面上还存在少量的电子扫描笔，该类产品通过笔尖的扫 描设备对文字进行识别与处理。这类电子扫描笔也仅适用于对少量文字的扫描与 查询工作，对大量文字的处理效率尚不及扫描仪，此外也无法进行书写工作。 ,显示屏 重置键。 开关键。 返回健 扫描头 导航键 图3电子扫描笔
图 2 汉王手写板 除了汉王手写板，市面上还存在少量的电子扫描笔，该类产品通过笔尖的扫 描设备对文字进行识别与处理。这类电子扫描笔也仅适用于对少量文字的扫描与 查询工作，对大量文字的处理效率尚不及扫描仪，此外也无法进行书写工作。 图 3 电子扫描笔
二、设计方案 通过小组讨论我们将电子文档智能转换笔的设计方案划分为软件部分与硬 件部分两个大的模块，利用课程中学习到的系统化的设计方法，我们将分工逐步 细化，得到了电子文档智能转换笔的设计功能结构图。 书写的文 字 机械信号 电子陀螺仪 单片机 文字轨迹的采集 电信号 数字化的轨迹 电信号 数字化信号的传输 无线发射模块 电磁波信号 电磁波信号 数字化轨迹 PC端 书写处理软件 采集到轨迹的识别 电子文档 电脑中 的文档 图4电子文档智能转换笔的功能结构图 鉴于组内组员专业各不相同，我们决定将分工进行模块化分解。工作主要分
二、 设计方案 通过小组讨论我们将电子文档智能转换笔的设计方案划分为软件部分与硬 件部分两个大的模块，利用课程中学习到的系统化的设计方法，我们将分工逐步 细化，得到了电子文档智能转换笔的设计功能结构图。 图 4 电子文档智能转换笔的功能结构图 鉴于组内组员专业各不相同，我们决定将分工进行模块化分解。工作主要分
为理论论证及研究部分、软件设计、硬件实现以及智能转换笔的外形设计等几个 大的模块。 智能转换笔的设计 理论论证及研究 软件设计 硬件设计 外形设计 电子陀螺仪的 PC端数据接口 使用 根据原件尺寸 设计外形 无线收发模块 手写识别软件 的使用 图5项目的模块化设计 三、项目实现 3.1外观设计 在项目中需要对笔的外形进行设计。设计主要考虑需要让使用者在使用时， 能准确地将书写方向与陀螺仪的测试轴方向重合。因此将笔的外形设计为三角形， 既方便书写者抓握，同时也限制了使用者握笔的角度，使得陀螺仪的几何方位得 以确定。笔外壳材质为塑料，抓握处包裹防滑橡胶，提升手感。橡胶圈下暗置笔 的开关。笔尾部开有透明灯带，以红/绿发光二极管显示工作状态
为理论论证及研究部分、软件设计、硬件实现以及智能转换笔的外形设计等几个 大的模块。 图 5 项目的模块化设计 三、 项目实现 3.1 外观设计 在项目中需要对笔的外形进行设计。设计主要考虑需要让使用者在使用时， 能准确地将书写方向与陀螺仪的测试轴方向重合。因此将笔的外形设计为三角形， 既方便书写者抓握，同时也限制了使用者握笔的角度，使得陀螺仪的几何方位得 以确定。笔外壳材质为塑料，抓握处包裹防滑橡胶，提升手感。橡胶圈下暗置笔 的开关。笔尾部开有透明灯带，以红/绿发光二极管显示工作状态
图6智能笔的渲染效果图 3.2硬件实现 硬件电路所用的芯片及材料如下表所示。 表格1硬件电路芯片 功能模块 所用芯片 无线收发模块 NRF24L01 六轴陀螺仪传感器 MPU6050 数据转化及处理单片机 TI MSP430 LaunchPad 连接线 杜邦线若干 要实现电子文档智能转换笔的最大困难就在于硬件部分。我们期望通过对笔 尖的位置进行精确的定位，我们主要有两种定位方法可供选择。 (1)类似鼠标的广光电感应方法 (2)智能手机中常用的陀螺仪感应 相比于鼠标的光电式感应位置，陀螺仪可以记录智能笔离开纸之后的悬空位
图 6 智能笔的渲染效果图 3.2 硬件实现 硬件电路所用的芯片及材料如下表所示。 表格 1 硬件电路芯片 功能模块 所用芯片 无线收发模块 NRF24L01 六轴陀螺仪传感器 MPU6050 数据转化及处理单片机 TI MSP430 LaunchPad 连接线 杜邦线若干 要实现电子文档智能转换笔的最大困难就在于硬件部分。我们期望通过对笔 尖的位置进行精确的定位，我们主要有两种定位方法可供选择。 （1） 类似鼠标的广光电感应方法 （2） 智能手机中常用的陀螺仪感应 相比于鼠标的光电式感应位置，陀螺仪可以记录智能笔离开纸之后的悬空位
置，这对于含有复杂笔画的字来说非常重要。例如对于数字13以及字母B,我 们必须知道笔尖离开纸后的运动轨迹才能加以区别。陀螺仪传感器是一个简单易 用的基于自由空间移动的定位和控制系统。现在已经被广泛运用于手机这类移 动便携设备上。 13 B 图7需要对输入文档进行精确识别 我们选择MPU6050作为笔尖传感器，由于该模块和无线通信模块NRF24L01 有着不同的通信协议，所以我们还需要一块单片机做数据处理功能 压力传感器 陀螺仪传感器 MPU6050 C通信协议 单片机 MSP 430 RF发送模块 RF无线通信协议 变 RF接收模块 个人电脑 图8硬件连接流程图
置，这对于含有复杂笔画的字来说非常重要。例如对于数字 13 以及字母 B，我 们必须知道笔尖离开纸后的运动轨迹才能加以区别。陀螺仪传感器是一个简单易 用的基于自由空间移动的定位和控制系统。 现在已经被广泛运用于手机这类移 动便携设备上。 图 7 需要对输入文档进行精确识别 我们选择 MPU6050 作为笔尖传感器，由于该模块和无线通信模块 NRF24L01 有着不同的通信协议，所以我们还需要一块单片机做数据处理功能. 图 8 硬件连接流程图
当压力传感器返回高电平时，意味着笔尖与纸张有接触，此时陀螺仪记录下 来的轨迹便是文字的轨迹。陀螺仪记录的三轴加速度通过1C通信协议发送给单 片机MSP430,单片机将数据处理成为无线模块可以识别的数据发送给PC端。 轨迹的描绘以及文字的识别工作交由文字识别软件处理。 图9MPU6050与硬币的对比 图10硬件电路的实现 值得注意的是，在最终的工作电路中，虽然陀螺仪体积很小，但是单片机的 体积过大，肯定无法装入正常大小的笔中，而且我们仅需要单片机的小部分功能。 所以若要真正实现商业化，必须针对智能笔单独设计处理芯片，以实现产品的小 型化
当压力传感器返回高电平时，意味着笔尖与纸张有接触，此时陀螺仪记录下 来的轨迹便是文字的轨迹。陀螺仪记录的三轴加速度通过 IIC 通信协议发送给单 片机 MSP430，单片机将数据处理成为无线模块可以识别的数据发送给 PC 端。 轨迹的描绘以及文字的识别工作交由文字识别软件处理。 图 9MPU6050 与硬币的对比 图 10 硬件电路的实现 值得注意的是，在最终的工作电路中，虽然陀螺仪体积很小，但是单片机的 体积过大，肯定无法装入正常大小的笔中，而且我们仅需要单片机的小部分功能。 所以若要真正实现商业化，必须针对智能笔单独设计处理芯片，以实现产品的小 型化
3.3软件实现 软件部分设计的核心问题就是对于轨迹的识别问题。当今市面上有着很多手 写识别软件，在智能手机和平板电脑高速发展的时代，手写输入法是必不可少的 输入方式。但是事实上很少有人愿意采用这些手写输入方式，根据我们小组讨论 认为有以下几种原因。 1、 手写输入的识别度相对较低 2、 手写输入速率无法和键盘输入相比 3、 用手或触控笔在玻璃平面上的书写手感较差 由于电子文档智能转换笔的设计初衷是在纸上进行书写，所以书写手感的问 题得以解决。设计的核心问题是输入识别率不高的问题，另外我们期望有一种能 够适应书写着书写风格的识别算法出现。针对这些问题，组内负责软件编写的王 宇琛同学提出了新的算法。 首先从bmp文件中获取数据，获取的数据是一个灰度位图的形式，每个像 素点以三个字节存储该像素的RGB值。由于文件像素个数达到了几万甚至几百 万的级别，我们需要把像素里包含的信息压缩起来再来利用这些特征值来判断这 个图是什么。在这里我使用了floodfi的压缩方式，将附近区域的一片像素压缩 到一起，最后形成10*10一共100个特征值。 第二部分就是训练的部分，计算机就像人类一样，需要大量的练习才能明白 一个问题，所以我们需要大量的数据作为支持。这里我利用了神经网络的模型， 采用bp(后向学习)算法，通过数万个数据的模拟和计算最后得到一个模型， 该模型如图所示： 100 捕 入同 征 藏层70 输出层 个 10个神经元 神 分别表示0到9 经 图11算法示意图
3.3 软件实现 软件部分设计的核心问题就是对于轨迹的识别问题。当今市面上有着很多手 写识别软件，在智能手机和平板电脑高速发展的时代，手写输入法是必不可少的 输入方式。但是事实上很少有人愿意采用这些手写输入方式，根据我们小组讨论 认为有以下几种原因。 1、 手写输入的识别度相对较低 2、 手写输入速率无法和键盘输入相比 3、 用手或触控笔在玻璃平面上的书写手感较差 由于电子文档智能转换笔的设计初衷是在纸上进行书写，所以书写手感的问 题得以解决。设计的核心问题是输入识别率不高的问题，另外我们期望有一种能 够适应书写着书写风格的识别算法出现。针对这些问题，组内负责软件编写的王 宇琛同学提出了新的算法。 首先从 bmp 文件中获取数据，获取的数据是一个灰度位图的形式，每个像 素点以三个字节存储该像素的 RGB 值。由于文件像素个数达到了几万甚至几百 万的级别，我们需要把像素里包含的信息压缩起来再来利用这些特征值来判断这 个图是什么。在这里我使用了 floodfill 的压缩方式，将附近区域的一片像素压缩 到一起，最后形成 10*10 一共 100 个特征值。 第二部分就是训练的部分，计算机就像人类一样，需要大量的练习才能明白 一个问题，所以我们需要大量的数据作为支持。这里我利用了神经网络的模型， 采用 bp（后向学习）算法，通过数万个数据的模拟和计算最后得到一个模型， 该模型如图所示： 图 11 算法示意图
该模型的意义在于从100个特征值中做线性的组合，并利用1ogt函数 1/(1+eˆ(-10x))得到新的70个隐藏特征值，然后利用70个隐藏的特征值算出 这张图片分别是0,19的概率。当测试一张图片时，我们选取概率最大的那个 数字作为我们的预测值。 四、 人员分工 姓名 学院 任务 苗志磊 电院 硬件电路的设计与编程、团队报告撰写 魏若愚 电院 硬件电路的设计与编程 王宇琛 电院 软件的编写与数据处理 贾林睿 船建学院 智能笔的外形设计 杜牧言 物理系 理论可行性设计及资料收集 本组成员大多来自电院，这对于我们的工作有一定帮助，电院的同学主要负 责硬件的电路设计以及芯片代码的编写，除此之外还负责软件层面的数据处理以 及实现工作。船建贾林睿同学负责电子文档智能转换笔的外形设计，物理系的杜 牧言同学负责对设计进行可行性分析以及资料收集，包括陀螺仪资料等等。 五、心得总结 通过本学期的创新设计课程，我了解并应用了头脑风暴法等创新方法。在小 组讨论中，我们每个人都充分表达了自己对于电子文档智能转换笔这一项目的实 现方法的建议，初次体验了项目的提出、讨论以及具体实现的各个环节。作为组 长的我，还需要负责组织组员进行小组讨论以及组员的分工安排，在这一课程中 也可以说投入了不小的精力。 在项目的实现过程中，我们遇到了非常大的困难。首先我们的选题决定了实 现的难度较大，相比于网站的设计，智能电子设备的设计需要许多专业技术人员 以及大量的时间与精力。对于大二大三的我们而言既缺乏精力又缺少经验。在单 片机以及陀螺仪的软件设计中，我们可以参考的资料较少所以最终没能完成硬件 电路的实现不得不说是一个遗憾。 虽然我们没能实现硬件电路的设计，但是创新课程所提供的创新方法以及需 求决定产品的理念对于我们理工科的学生而言，是极为关键的。我们在小组讨论 中充分利用了学到的方法研究设计的实现过程，这对于将来的产品研发而言是十 分有利的
该模型的意义在于从 100 个特征值中做线性的组合，并利用 logit 函数 1/(1+e^(-10x) )得到新的 70 个隐藏特征值，然后利用 70 个隐藏的特征值算出 这张图片分别是 0,1…9 的概率。当测试一张图片时，我们选取概率最大的那个 数字作为我们的预测值。 四、 人员分工 姓名 学院 任务 苗志磊 电院 硬件电路的设计与编程、团队报告撰写 魏若愚 电院 硬件电路的设计与编程 王宇琛 电院 软件的编写与数据处理 贾林睿 船建学院 智能笔的外形设计 杜牧言 物理系 理论可行性设计及资料收集 本组成员大多来自电院，这对于我们的工作有一定帮助，电院的同学主要负 责硬件的电路设计以及芯片代码的编写，除此之外还负责软件层面的数据处理以 及实现工作。船建贾林睿同学负责电子文档智能转换笔的外形设计，物理系的杜 牧言同学负责对设计进行可行性分析以及资料收集，包括陀螺仪资料等等。 五、 心得总结 通过本学期的创新设计课程，我了解并应用了头脑风暴法等创新方法。在小 组讨论中，我们每个人都充分表达了自己对于电子文档智能转换笔这一项目的实 现方法的建议，初次体验了项目的提出、讨论以及具体实现的各个环节。作为组 长的我，还需要负责组织组员进行小组讨论以及组员的分工安排，在这一课程中 也可以说投入了不小的精力。 在项目的实现过程中，我们遇到了非常大的困难。首先我们的选题决定了实 现的难度较大，相比于网站的设计，智能电子设备的设计需要许多专业技术人员 以及大量的时间与精力。对于大二大三的我们而言既缺乏精力又缺少经验。在单 片机以及陀螺仪的软件设计中，我们可以参考的资料较少所以最终没能完成硬件 电路的实现不得不说是一个遗憾。 虽然我们没能实现硬件电路的设计，但是创新课程所提供的创新方法以及需 求决定产品的理念对于我们理工科的学生而言，是极为关键的。我们在小组讨论 中充分利用了学到的方法研究设计的实现过程，这对于将来的产品研发而言是十 分有利的