專利名稱：一種基于圖像檢測的電子白板系統(tǒng)及檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電子白板領(lǐng)域，尤其是一種基于圖像檢測的電子白板系統(tǒng)及檢測方法。
背景技術(shù)：
在教學(xué)、會(huì)議和發(fā)布領(lǐng)域，人們通常需要書寫并講解自己的內(nèi)容，傳統(tǒng)的媒體介質(zhì)是黑 板和紙張，但隨著信息技術(shù)的發(fā)展，人們逐歩依賴計(jì)算機(jī)通過大屏幕顯示內(nèi)容，目前的交互 基本上借助于鼠標(biāo)和鍵盤，但這種講解式的交互還無法像黑板一樣通過指劃、書寫來得直觀。
針對(duì)上述的不足，使用觸摸技術(shù)的電子白板逐歩得到推廣，它通過輔助電子裝置來獲得投影 區(qū)域內(nèi)物體的移動(dòng)軌跡和觸摸信息，并連接計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。
電子白板按觸摸技術(shù)可分為二類主動(dòng)觸摸式和被動(dòng)觸摸式，主動(dòng)的觸摸系統(tǒng)需要特殊 的裝置去接觸觸摸表面，最常用的交互裝置是特制的電源供電的交互筆；而被動(dòng)的觸摸系統(tǒng) 則不需要特殊的觸點(diǎn)去激活觸摸表面，用戶完全可以用手指或其他物體完成交互工作。
從整個(gè)電子白板的發(fā)展趨勢看，被動(dòng)觸摸式電子白板已趨于主流，采用攝像掃描式的探 測技術(shù)有以下幾種
第一種，使用安裝在白板外的攝像機(jī)對(duì)整個(gè)白板進(jìn)行攝入，當(dāng)發(fā)光筆在白板上進(jìn)行書寫， 攝像頭感知光點(diǎn)的移動(dòng)來獲得光筆的位置，其缺點(diǎn)是攝像頭需要安裝在白板外面，當(dāng)人在前 面書寫時(shí)，發(fā)光筆的光點(diǎn)會(huì)被阻擋。
第二種，采用安裝在白板上的多個(gè)線陣CCD對(duì)發(fā)光筆進(jìn)行探測，通過判斷光點(diǎn)在每個(gè)線 程CCD的位置進(jìn)行計(jì)算定位，其缺點(diǎn)是需要發(fā)光筆。
第三種，采用安裝在白板上的多個(gè)攝像機(jī)對(duì)探測物體進(jìn)行掃描，通過判斷物體在每個(gè)攝 像機(jī)中的特征量進(jìn)行坐標(biāo)定位，這種方式還是比較先進(jìn)的，但處理較為復(fù)雜，此外對(duì)攝像機(jī) 的安裝具有很高的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種基于圖像檢測的電子白板系統(tǒng)及檢測方 法，它通過檢測輔助的白板框圖像，間接獲得觸摸信息，它允許手指或物體直接在白板上進(jìn)
4行觸摸，無需使用信號(hào)筆。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題采用的技術(shù)方案這種基于圖像檢測的電子白板系統(tǒng)，主要包括 白板，在白板上的左右邊角位置分別放置有第一圖像攝入裝置和第二圖像攝入裝置，其中第 一圖像攝入裝置用于第二對(duì)邊框條和第三邊框條進(jìn)行圖像采集，第二圖像攝入裝置用于第二 對(duì)邊框條和第一邊框條進(jìn)行圖像采集，第一邊框條、第二邊框條和第三邊框條在白板的內(nèi)側(cè) 面設(shè)有黑白交替邊界；第一圖像攝入裝置和第二圖像攝入裝置的中心光軸分別同其兩側(cè)邊框 成一定角度，中心光軸的高度JH對(duì)于黑白交替邊界；第一圖像攝入裝置和第二圖像攝入裝置 分別與主處理器相連接。
所述的第一圖像攝入裝置和第二圖像攝入裝置均由攝像頭和圖像處理單元構(gòu)成，二個(gè)攝 像頭的中心光軸分別同其兩側(cè)邊框成45度。
所述的攝像頭由水平視場角大于90度的球面鏡頭和高清晰的CMOS彩色圖像傳感器組成。
所述的主處理器通過USB裝置與計(jì)算機(jī)相連接。 本發(fā)明所述這種基于圖像檢測的電子白板的檢測方法，歩驟如下-
1、 在白板上的左右邊角位置分別放置第一圖像攝入裝置和第二圖像攝入裝置，第一邊 框條、第二邊框條和第三邊框條在白板的內(nèi)側(cè)面設(shè)有黑白交替邊界，第一圖像攝入裝置 和第二圖像攝入裝置的中心光軸分別同其兩側(cè)邊框成一定角度，調(diào)整中心光軸的高度， 使其正對(duì)于黑白交替邊界；
2、 第一圖像攝入裝置對(duì)第二對(duì)邊框條和第三邊框條進(jìn)行圖像采集，第二圖像攝入裝置 對(duì)第二對(duì)邊框條和第一邊框條進(jìn)行圖像采集；
3、 通過黑白交替邊界為灰階獲得參考的觸摸平面，當(dāng)物體進(jìn)入觸摸區(qū)域時(shí)，邊框條中 的灰階邊緣將引起破壞，由破壞點(diǎn)得出物體在兩個(gè)攝像裝置間的相交角度，并通過 三角計(jì)算法獲得物體在白板區(qū)域的位置；圖像處理單元對(duì)內(nèi)側(cè)邊框的灰階圖像進(jìn)行 邊緣提取，在沒有物體觸摸時(shí)，該提取的灰階邊緣輪廓是連續(xù)并且準(zhǔn)直的；當(dāng)有物 體觸摸白板時(shí)，邊框圖像受到物體的阻擋，其邊緣輪廓會(huì)產(chǎn)生扭曲或斷裂，通過獲 知物體在兩個(gè)或以上的攝像裝置產(chǎn)生的變形點(diǎn)就可以計(jì)算出物體在白板的位置。第 一圖像攝入裝置和第二圖像攝入裝置對(duì)白板邊框內(nèi)的圖像做邊緣檢測，采用判別邊 框裝飾邊緣的好處，還在于其邊框灰階邊緣圍成的區(qū)域平面同白板平面之間形成一 個(gè)觸摸區(qū)，當(dāng)邊緣被破壞時(shí)，也意味著物體進(jìn)入了觸摸狀態(tài)。在使用了上述邊緣輪廓檢測的情況下，本發(fā)明還輔助采用了移動(dòng)檢測判別，第-圖像攝 入裝置和第二圖像攝入裝置對(duì)白板邊框內(nèi)的圖像做移動(dòng)檢測，其目的是提高檢測的準(zhǔn)確性， 圖像處理單元通過分析邊框圖像的前后兩幀差異，判斷物體是否在觸摸區(qū)附近移動(dòng)。
在該發(fā)明系統(tǒng)中，第一圖像攝入裝置和第二圖像攝入裝置對(duì)移入白板內(nèi)的物體做顏色識(shí) 別，通過分析物體在彩色圖像傳感器的顏色成分，得出物體的顏色，把信息通知PC進(jìn)行書寫 著色。其好處在于用戶使用何種顏色的物體，就可以以何種顏色進(jìn)行書寫。
本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明采用了白板固有的邊框進(jìn)行圖像檢測，在不增加額外電子 裝置情況下，實(shí)現(xiàn)了電子G板的交互信息。它由引入的白板框作為圖像檢測目標(biāo)，通過判斷 該參考目標(biāo)的特征量變化，間接獲得物體在電子白板的觸摸信息，本系統(tǒng)的發(fā)明使白板裝置 變得簡單，具有極高的實(shí)用價(jià)值。此外系統(tǒng)還進(jìn)一歩引入移動(dòng)檢測和顏色識(shí)別，前者提卨檢 測檢測的準(zhǔn)確性，后者提供電子智能顏色筆功能。


圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)組成示意圖
圖2為本發(fā)明系統(tǒng)邊框條裝飾示意圖3為本發(fā)明的圖像攝入裝置的組成示意圖
圖4為本發(fā)明的圖像處理單元的原理示意圖5為本發(fā)明的主處理器單元的原理示意圖-，
圖6為本發(fā)明坐標(biāo)計(jì)算示意圖7為本發(fā)明輔助光源安裝示意附圖標(biāo)記說明第一圖像攝入裝置l，第二圖像攝入裝置2，第一邊框條3，第二邊框條4， 第三邊框條5，白板6，主處理器7，黑白交替邊界ll，球面鏡頭20, CMOS彩色圖像傳感 器21，可編程邏輯器件22，數(shù)字信號(hào)處理器23，攝像頭26，圖像處理單元27，圖像數(shù)據(jù)緩 沖裝置51，圖像噪聲濾波模塊52，邊緣提取模塊53，移動(dòng)檢測模塊54，顏色均值模塊55， 數(shù)字信號(hào)模塊56，亮度數(shù)據(jù)60，色度數(shù)據(jù)61，曲線分析單元62，差異分析單元63，顏色分 析單元64，單片機(jī)70， EPROM 71， USB模塊80，被測物體100，紅外LED 101， PCB板 110。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一歩說明
如圖1所示，這種基于圖像檢測的電子白板系統(tǒng)，主要包括白板6，在白板6上的左右 邊角位置分別放置第一圖像攝入裝置1和第二圖像攝入裝置2 (也可以二個(gè)以上)。第一圖像 攝入裝置1和第二圖像攝入裝置2由攝像頭26和圖像處理單元27構(gòu)成(見圖3),攝像頭 26由水平視場角大于90度的球面鏡頭20和高清晰的CMOS彩色圖像傳感器21組成，安裝 后的攝像頭的中心光軸同其兩側(cè)邊框成45度，第一圖像攝入裝置1對(duì)第二邊框條4和第三 邊框條5進(jìn)行圖像采集，第二圖像攝入裝置2對(duì)第二邊框條4和第一邊框條3進(jìn)行圖像采集， 第一邊框條3、第二邊框條4和第三邊框條5在白板6的內(nèi)側(cè)面裝飾成黑白交替邊界11見圖 2 (邊框內(nèi)側(cè)被裝飾成灰階分隔)，調(diào)整攝像頭同白板6平面之間的安裝高度，使其中心光軸 也正對(duì)邊框條的黑白交替邊界，如果書寫板是淺色的，邊框是深色的，我們也可直接使用兩 者組裝出的邊界進(jìn)行圖像檢測。
本發(fā)明所述的這種基于圖像檢測的電子白板的檢測方法，步驟如下
1、 在白板6上的左右邊角位置分別放置第一圖像攝入裝置1和第二圖像攝入裝置2，第 一邊框條3、第二邊框條4和第三邊框條5在白板6的內(nèi)側(cè)面設(shè)有黑白交替邊界11，第 一圖像攝入裝置1和第二圖像攝入裝置2的中心光軸分別同其兩側(cè)邊框成一定角度，調(diào) 整中心光軸的高度，使其正對(duì)于黑白交替邊界ll;
2、 第一圖像攝入裝賈1對(duì)第二對(duì)邊框條4和第三邊框條5進(jìn)行圖像采集，第二圖像攝 入裝置2對(duì)第二對(duì)邊框條4和第一邊框條3進(jìn)行圖像釆集，即通過安裝在普通白板邊角 上的二個(gè)圖像傳感器對(duì)相對(duì)的邊框條進(jìn)行圖像掃描；
3、 通過黑白交替邊界ll為灰階獲得參考的觸摸平面，當(dāng)物體進(jìn)入觸摸區(qū)域時(shí)，邊框條 中的灰階邊緣將引起破壞，由破壞點(diǎn)得出物體在兩個(gè)攝像裝置間的相交角度，并通 過三角計(jì)算法獲得物體在白板區(qū)域的位置。(物體或手指進(jìn)入觸摸區(qū)時(shí)造成邊框采集 圖像破壞，通過破壞間接獲得觸摸信息)
4、 第一圖像攝入裝賈1和第二圖像攝入裝置2對(duì)白板邊框內(nèi)的圖像做移動(dòng)檢測，第一 圖像攝入裝置1和第二圖像攝入裝置2對(duì)移入白板內(nèi)的物體做顏色識(shí)別。
圖像處理巾.元27由FPGA可編程邏輯器件22和DSP數(shù)字信號(hào)處理器23構(gòu)成，F(xiàn)PGA負(fù)責(zé)圖像數(shù)據(jù)的前處理，DSP負(fù)責(zé)圖像數(shù)據(jù)的后處理。
主處理器7負(fù)責(zé)接受來自第一圖像攝入裝置1和第二圖像攝入裝置2的數(shù)據(jù)，處理后的位置信息和顏色信息通過USB裝置傳送給計(jì)算機(jī)。其原理圖見圖5所示，由內(nèi)置USB模塊80的單片機(jī)70和EPROM71組成，EPROM 71儲(chǔ)存出廠定位信息和設(shè)備信息。
圖像處理單元的實(shí)施方法
通過裁剪圖像傳感器21的攝入?yún)^(qū)間，使其只掃描內(nèi)側(cè)邊框的裝飾帶，其輸出的圖像數(shù)據(jù)被送入圖像處理單元27原理圖如圖4所示進(jìn)行處理，圖像處理單元27中的圖像數(shù)據(jù)緩沖裝置51把來自圖像傳感器21的圖像數(shù)據(jù)分離成亮度數(shù)據(jù)60和色度數(shù)據(jù)61，其中亮度數(shù)據(jù)60被送至圖像噪聲濾波模塊52進(jìn)行噪聲濾波，經(jīng)噪聲處理的亮度數(shù)據(jù)被同時(shí)送至邊緣提取模塊53和移動(dòng)檢測模塊54做圖像預(yù)處理，色度數(shù)據(jù)緩沖61則被送入顏色均值模塊55做顏色均值處理。
以下具體來分析上述圖像處理模塊的實(shí)現(xiàn)機(jī)理，首先設(shè)圖像帶的長度方向?yàn)閤，寬度方向?yàn)閥 :
1) 噪聲濾波模塊52
在實(shí)現(xiàn)上，我們采用2D中值濾波，即
g(x,力^^ffiD(p(x —， (/,_/) eS (1)其中，M五DG為集合中的元素取中間值，p(x,力為像素灰度值，g(x,力是處理后的像素灰度值，S為模板窗口，選3X3。
2) 邊緣提取模塊53
在實(shí)現(xiàn)上，我們采用水平邊緣提取，即x
二 1，
0(2)
1
其中，g(x,力為像素灰度值，d(x,力是邊緣提取后的灰度值。
我們再對(duì)上述的d(x,w做二值化處理并細(xì)化，得到邊緣曲線} = /(力,
3)移動(dòng)檢測模塊54在實(shí)現(xiàn)上，我們采用了當(dāng)前幀與上電初始的參考幀相減的方法，即w(x，>0= Ig,(x,力一g。(x,力l (3)其中，g,(x，力為當(dāng)前幀的灰度數(shù)據(jù)，g。(x，力為初始參考幀的灰度數(shù)據(jù)，w(x,;;)為輸出
的比較幀。
我們再對(duì)上述的比較幀m(x,力做二值化處理，得到二值化圖像幀"(x,力。4)顏色均值模塊55
在實(shí)現(xiàn)上，我們采用對(duì)初始提取的邊緣曲線附近做色度數(shù)據(jù)平均，即
<formula>formula see original document page 9</formula> (4)
其中，yooo為初始邊緣提取的曲線函數(shù)，Cf(x，力為圖像中Cr色差分量的像素值，g(x，力
為圖像中Q色差分量的像素值，K為色度取樣窗口，取2， 5(x)， ^(x)為對(duì)應(yīng)色差分量的平均值。
噪聲處理后的圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過邊緣提取模塊53后，被送至數(shù)字信號(hào)模塊56中的曲線分析單元62中進(jìn)行曲線擬合，擬合通過對(duì)上電初始的邊緣提取曲線同當(dāng)前的邊緣提取曲線進(jìn)行比對(duì)，當(dāng)擬合判別條件符合時(shí)記錄坐標(biāo)值x。其擬合判別條件定義如下l乂(x)-據(jù)|>夂 (5)
其中，/。(x)為初始提取的邊緣曲線函數(shù)，/(x)為當(dāng)前提取的邊緣曲線，尺為擬合閾值，取2。
噪聲處理后的圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過移動(dòng)檢測模塊54后，被送至數(shù)字信號(hào)模塊56中的差異分析單元63中進(jìn)行差異判別，其判別的模板窗口沿初始提取的邊緣曲線滑動(dòng)，當(dāng)差異判別條件符合時(shí)記錄坐標(biāo)值x。設(shè)圖像差異發(fā)生時(shí)的w(x,力為1，無圖像差異發(fā)生時(shí)的"(x,力為O，其
差異判別條件定義如下<formula>formula see original document page 9</formula>
其中，4DZ)U為集合中元素相加，w(x,少)為公式3得出的二值圖像數(shù)據(jù)，N為模板窗口內(nèi)的像素個(gè)數(shù)，S為模板窗口，選5X5，(x。，少。)為模板中心點(diǎn)坐標(biāo)，/。(x)為初始邊緣提取的曲線函數(shù)。
數(shù)字信號(hào)處理模塊56再對(duì)上述兩者的記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合的分析，假設(shè)由曲線分析單元62記錄的坐標(biāo)集為I。，由差異分析單元63記錄的坐標(biāo)集為XA ，那么實(shí)際得出的坐標(biāo)集I為X = (7)
對(duì)坐標(biāo)集義邊界求中心點(diǎn)，即可得到物體的在圖像傳感器21中的實(shí)際位置，數(shù)字信號(hào)處理模塊56獲的物體位置后，在該位置處提取來自顏色均值模塊55的顏色均值，由顏色分析單元64按預(yù)先定義的色差分量區(qū)間轉(zhuǎn)換成顏色值輸出。
到此，我們巳經(jīng)獲得了物體在單個(gè)圖像攝入裝置的位置信息和顏色信息。我們再把兩個(gè)圖像攝入裝置的信息通過串行接口同主處理器7進(jìn)行連接，物體的最終顏色值取兩者顏色值的平均量，其在平面上坐標(biāo)則通過三角計(jì)算，計(jì)算示意圖見圖6，具體計(jì)算示意如下-
設(shè)第一圖像攝入裝置1被測物體100張角為a，第二圖像攝入裝置2測到的物體張角為(3，白板的寬度為L，并規(guī)定白板的左上角為原點(diǎn)，向下為y，向右為x，則物體坐標(biāo)為
<formula>formula see original document page 10</formula>
為了適應(yīng)任何環(huán)境下能對(duì)內(nèi)側(cè)邊框的圖像檢測，我們還在攝像裝置上安裝了輔助照明裝置，具體見示意圖7，通過安置在PCB板110上的紅外LED 101對(duì)被檢測的內(nèi)側(cè)邊框進(jìn)行輔助照明。
除上述實(shí)施例外，本發(fā)明還可以有其他實(shí)施方式。凡采用等同替換或等效變換形成的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明要求的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1、一種基于圖像檢測的電子白板系統(tǒng)，主要包括白板(6)，其特征在于在白板(6)上的左右邊角位置分別放置有第一圖像攝入裝置(1)和第二圖像攝入裝置(2)，其中第一圖像攝入裝置(1)用于第二對(duì)邊框條(4)和第三邊框條(5)進(jìn)行圖像采集，第二圖像攝入裝置(2)用于第二對(duì)邊框條(4)和第一邊框條(3)進(jìn)行圖像采集，第一邊框條(3)、第二邊框條(4)和第三邊框條(5)在白板(6)的內(nèi)側(cè)面設(shè)有黑白交替邊界(11)；第一圖像攝入裝置(1)和第二圖像攝入裝置(2)的中心光軸分別同其兩側(cè)邊框成一定角度，中心光軸的高度正對(duì)于黑白交替邊界(11)；第一圖像攝入裝置(1)和第二圖像攝入裝置(2)分別與主處理器(7)相連接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的基于圖像檢測的電子白板系統(tǒng)，其特征在于所述的第一 圖像攝入裝置(1)和第二圖像攝入裝置(2)均由攝像頭(26)和圖像處理單元(27)構(gòu)成，二個(gè)攝像頭(26)的中心光軸分別同其兩側(cè)邊框成45度。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于圖像檢測的電子白板系統(tǒng)，其特征在于所述的攝像 頭(26)由水平視場角大于90度的球面鏡頭(20)和高清晰的CMOS彩色圖像傳 感器(21)組成。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于圖像檢測的電子白板系統(tǒng)，其特征在于所述的主處 理器(7)通過USB裝置與計(jì)算機(jī)相連接。
5、 一種基于圖像檢測的電子白板的檢測方法，其特征在于步驟如下(1) 、在白板(6)上的左右邊角位置分別放置第一圖像攝入裝置(1)和第二圖像攝 入裝置(2)，第一邊框條(3)、第二邊框條(4)和第三邊框條(5)在白板(6)的 內(nèi)側(cè)面設(shè)有黑白交替邊界(11)，第一圖像攝入裝置(1)和第二圖像攝入裝置(2)的 中心光軸分別同其兩側(cè)邊框成一定角度，調(diào)整中心光軸的高度，使其正對(duì)于黑白交替 邊界(11);(2) 、第一圖像攝入裝置(1)對(duì)第二對(duì)邊框條(4)和第三邊框條(5)進(jìn)行圖像采 集，第二圖像攝入裝置(2)對(duì)第二對(duì)邊框條(4)和第一邊框條(3)進(jìn)行圖像采集；(3) 、通過黑白交替邊界(11)為灰階獲得參考的觸摸平面，當(dāng)物體進(jìn)入觸摸區(qū)域時(shí)，邊框條中的灰階邊緣將引起破壞，由破壞點(diǎn)得出物體在兩個(gè)攝像裝置間的相交角度， 并通過三角計(jì)算法獲得物體在白板區(qū)域的位置。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于圖像檢測的電子白板的檢測方法，其特征在于第一 圖像攝入裝置(1)和第二圖像攝入裝置(2)對(duì)白板邊框內(nèi)的圖像做移動(dòng)檢測。
7、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于圖像檢測的電子白板的檢測方法，其特征在于第一 圖像攝入裝置(1)和第二圖像攝入裝置(2)對(duì)移入白板內(nèi)的物體做顏色識(shí)別。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于圖像檢測的電子白板系統(tǒng)及檢測方法，它由圖像掃描裝置、邊框條、普通書寫白板組成，通過安裝在普通白板邊角上的二個(gè)或以上的圖像傳感器對(duì)相對(duì)的邊框條進(jìn)行圖像掃描，通過裝飾內(nèi)側(cè)邊框?yàn)榛译A獲得參考的觸摸平面，當(dāng)物體進(jìn)入觸摸區(qū)域時(shí)，邊框條中的灰階邊緣將引起破壞，由破壞點(diǎn)可以得出物體在兩個(gè)攝像裝置間的相交角度，并通過三角計(jì)算法獲得物體在白板區(qū)域的位置。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明采用了白板固有的邊框進(jìn)行圖像檢測，在不增加額外電子裝置情況下，實(shí)現(xiàn)了電子白板的交互信息。此外系統(tǒng)還進(jìn)一步引入移動(dòng)檢測和顏色識(shí)別，前者提高檢測檢測的準(zhǔn)確性，后者提供電子智能顏色筆功能。
文檔編號(hào)G06F3/041GK101464751SQ20091009531
公開日2009年6月24日 申請(qǐng)日期2009年1月6日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月6日
發(fā)明者徐榮輝 申請(qǐng)人:杭州華銀視訊科技有限公司