專(zhuān)利名稱(chēng)：位置指示與跟蹤裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種位置指示與跟蹤裝置，尤其是一種應(yīng)用于電子白板系 統(tǒng)的位置指示和跟蹤裝置。
背景技術(shù)：
電子白板系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)是筆跡跟蹤，即位置指示與位置跟蹤計(jì)算技術(shù)。 傳統(tǒng)的技術(shù)如壓力感應(yīng)位置跟蹤技術(shù)、電磁感應(yīng)位置跟蹤技術(shù)、超聲波測(cè)距定 位技術(shù)、圖像處理光筆位置跟蹤技術(shù)等。其中圖像處理光筆位置跟蹤技術(shù)在專(zhuān)
利號(hào)ZL011080477、發(fā)明專(zhuān)利公開(kāi)號(hào)CN1305143A、名稱(chēng)為"用于計(jì)算機(jī)坐標(biāo)與 控制信息輸入的系統(tǒng)及方法"的中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利中有詳細(xì)描述。其工作原理是 用發(fā)光筆產(chǎn)生的光點(diǎn)來(lái)標(biāo)示目標(biāo)點(diǎn)的位置，引入攝像裝置實(shí)時(shí)采集圖像，用伯' 號(hào)處理電路實(shí)時(shí)分析圖像信號(hào)來(lái)提取光點(diǎn)的位置信息并通過(guò)接口電路和相應(yīng)軟 件輸入到計(jì)算機(jī)，用坐標(biāo)矯正算法進(jìn)行坐標(biāo)校準(zhǔn)使光標(biāo)的位置跟蹤筆的物理位 置。應(yīng)用圖像處理光筆位置跟蹤技術(shù)實(shí)現(xiàn)的電子白板系統(tǒng)有成本低、靈活性大、 體積小、適用于大屏幕等優(yōu)點(diǎn)，但是也有一些缺點(diǎn)，主要是(l)筆頭需要發(fā)光， 為了加大信噪比，通常需要較大的驅(qū)動(dòng)電流，因此對(duì)筆內(nèi)電池的消耗較大；(2) 為了避免電池過(guò)度消耗，通常在沒(méi)有信號(hào)筆操作動(dòng)作時(shí)關(guān)閉發(fā)光管，此時(shí)筆的 位置無(wú)法得到跟蹤，這樣系統(tǒng)的特性與目前的計(jì)算機(jī)鼠標(biāo)特性有所差別，主要 問(wèn)題是無(wú)法實(shí)現(xiàn)精確位置點(diǎn)擊操作，因?yàn)樵邳c(diǎn)擊之前筆不發(fā)光，而點(diǎn)擊瞬間筆 在白板系統(tǒng)中的位置會(huì)因動(dòng)作和視覺(jué)誤差而有偏差；(3)由于筆頭內(nèi)必須設(shè)置發(fā) 光器，需連線，使筆的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，特別是在長(zhǎng)電子筆(教鞭)中必須使用 兩層結(jié)構(gòu)，制造困難，無(wú)法實(shí)現(xiàn)多節(jié)可伸縮長(zhǎng)電子筆。
實(shí)用新型內(nèi)容
為了解決上述圖像處理光筆位置跟蹤技術(shù)中存在的問(wèn)題，本實(shí)用新型提供 一種不需要筆頭主動(dòng)發(fā)光指示位置的圖像處理位置指示與跟蹤裝置，并且采用 這種裝置的白板系統(tǒng)特性更接近于鼠標(biāo)，筆的耗電低，筆的制造簡(jiǎn)便。
本實(shí)用新型的目的通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn) 一種位置指示與跟蹤裝置，包 括信號(hào)筆和信號(hào)接收處理器，所述信號(hào)接收處理器包含圖像傳感器、信號(hào)處理 電路等，所述圖像傳感器的信號(hào)輸出連到所述信號(hào)處理電路，信號(hào)處理電路中 有可與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信的接口，其特征在于信號(hào)筆的筆頭上有可以將光線沿 原路逆向反射的反光物體，在圖像傳感器的鏡頭旁緊靠有一組照明發(fā)光器件， 其發(fā)光覆蓋圖像傳感器的接收區(qū)域。
圖像傳感器鏡頭旁的照明發(fā)光器件是一組紅外發(fā)射管，所述的圖像傳感器 的光路內(nèi)設(shè)置有對(duì)應(yīng)于所述的照明發(fā)光器件的發(fā)光波長(zhǎng)的帶通濾光片，以提高 系統(tǒng)的信噪比；信號(hào)筆內(nèi)有筆操作信號(hào)發(fā)射裝置，信號(hào)接收處理器內(nèi)有相應(yīng)的
筆操作信號(hào)接收裝置與信號(hào)處理電路相連；信號(hào)筆內(nèi)的筆操作信號(hào)發(fā)射裝置主
要有信號(hào)發(fā)生電路和紅外發(fā)射管構(gòu)成，信號(hào)接收處理器中的筆操作信號(hào)接收裝
置主要由一個(gè)紅外接收模塊和解碼電路構(gòu)成；信號(hào)筆內(nèi)的筆操作信號(hào)發(fā)射裝置 也可以是一個(gè)射頻發(fā)射電路，同時(shí)信號(hào)接收處理器中的筆操作信號(hào)接收裝置主 要由一個(gè)射頻接收模塊和解碼電路構(gòu)成；在所述的信號(hào)筆內(nèi)可以有一個(gè)筆頭觸 發(fā)開(kāi)連接到筆頭上，筆頭觸發(fā)開(kāi)關(guān)信號(hào)線連到筆操作信號(hào)發(fā)射裝置，以根據(jù)書(shū) 寫(xiě)動(dòng)作自動(dòng)觸發(fā)筆操作信號(hào)發(fā)射；在信號(hào)筆內(nèi)可以有一個(gè)以上的輕觸開(kāi)關(guān)和筆 操作信號(hào)發(fā)射裝置相連；信號(hào)筆上的反光物體是一個(gè)表面有反光材料的球狀物 體或柱狀物體。為了進(jìn)行不同方式的位置計(jì)算，在信號(hào)接收處理器中可以設(shè)置 有一個(gè)以上的圖像傳感器，每個(gè)圖像傳感器的鏡頭旁都有一組照明發(fā)光器件，其發(fā)光分別覆蓋各自對(duì)應(yīng)的圖像傳感器的接收區(qū)域，例如可以設(shè)置兩個(gè)圖像傳 感器分別從白板的兩個(gè)相鄰角外側(cè)指向白板區(qū)域，這樣就可以通過(guò)計(jì)算筆在兩 個(gè)圖像傳感器中的側(cè)向角度，利用其交叉關(guān)系計(jì)算出其在白板上的坐標(biāo)。在信 號(hào)處理電路中設(shè)置可與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信的接口，這樣可以與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信， 將坐標(biāo)和筆操作信息傳輸?shù)挠?jì)算機(jī)。
由于采用了上述技術(shù)方案，本實(shí)用新型的位置指示和跟蹤裝置具有這樣的 有益效果由于筆頭上的反光物體高效率地將圖像傳感器鏡頭旁的照明發(fā)光器 件發(fā)出的光線反射進(jìn)入圖像傳感器，使信號(hào)筆筆頭在圖像傳感器成像中的亮度 高于背景物體，因此可以用現(xiàn)有技術(shù)簡(jiǎn)單地提取出信號(hào)筆筆頭的位置數(shù)據(jù)，不 需要信號(hào)筆自身發(fā)光指示位置，這樣就大大降低了信號(hào)筆的電耗；由于信號(hào)接 收處理器可以持續(xù)地跟蹤信號(hào)筆，使白板系統(tǒng)的行為可以與鼠標(biāo)的行為一致， 解決了精確點(diǎn)擊的問(wèn)題；由于信號(hào)筆筆頭內(nèi)不再需要安裝發(fā)光器件，因此信號(hào) 筆的結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化，可以實(shí)現(xiàn)多節(jié)伸縮長(zhǎng)信號(hào)筆。 樹(shù)圖說(shuō)明


圖1是本實(shí)用新型的實(shí)施例中信號(hào)筆的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本實(shí)用新型的實(shí)施例中信號(hào)接收處理器的原理框圖。
圖中l(wèi)一筆頭，2 —反光物體，3 —筆殼，4一紅外發(fā)射管，5—筆頭觸發(fā)開(kāi)
關(guān)，6—信號(hào)發(fā)生電路，7—輕觸開(kāi)關(guān)，8—電池，9一照明發(fā)光器件，IO—圖像
傳感器，ll一信號(hào)處理電路，12 —筆操作信號(hào)接裝置。
具體實(shí)現(xiàn)方式
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。 在圖1中，信號(hào)筆主要由筆頭1、反光物體2、筆殼3、紅外發(fā)射管4、筆 頭觸發(fā)開(kāi)關(guān)5、信號(hào)發(fā)生電路6、輕觸開(kāi)關(guān)7、電池8等構(gòu)成。所述筆頭l是由耐磨的透明材料做成，反光物體2設(shè)置在筆頭內(nèi)，它是一個(gè)表面有反光材料的 球狀或柱狀物體。筆頭觸發(fā)開(kāi)關(guān)5是一個(gè)輕觸開(kāi)關(guān)，和筆頭1的末端接觸，通 過(guò)導(dǎo)線連信號(hào)發(fā)生電路6，當(dāng)進(jìn)行書(shū)寫(xiě)或點(diǎn)擊操作時(shí)，筆頭l受到的壓力傳遞到
筆頭觸發(fā)開(kāi)關(guān)5使之動(dòng)作，信號(hào)發(fā)生電路6根據(jù)此信號(hào)產(chǎn)生相應(yīng)的編碼載波信 號(hào)并驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射管4發(fā)光。筆殼3上有孔或透明窗口，以使紅外發(fā)射管4的 發(fā)光可以射出。同樣輕觸開(kāi)關(guān)7也連到信號(hào)發(fā)生電路6上，當(dāng)其被按下時(shí)，信 號(hào)發(fā)生電路6也產(chǎn)生相應(yīng)的編碼載波信號(hào)并驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射管4發(fā)光。所述的筆 頭觸發(fā)開(kāi)關(guān)可以是通常的輕觸開(kāi)關(guān)，也可以是其它機(jī)制的開(kāi)關(guān)裝置。
圖2中，本實(shí)施例中的信號(hào)接收處理器主要由圖像傳感器10、照明發(fā)光器 件9、信號(hào)處理電路11、筆操作信號(hào)接收裝置12等構(gòu)成。所述圖像傳感器10 是由CMOS圖像傳感芯片及鏡頭、濾光片等構(gòu)成，其中濾光片是通光窗口對(duì)應(yīng)于 所述照明發(fā)光器件9的發(fā)光波長(zhǎng)的帶通濾光片。所述的照明發(fā)光器件9是一組 紅外發(fā)射管，它們的位置盡可能靠近圖像傳感器9的鏡頭，并連接到電源使之 被驅(qū)動(dòng)發(fā)光，其安裝的方向使其發(fā)光盡量均勻地照亮圖像傳感器9的接收區(qū)域。 信號(hào)處理電路11主要由單片機(jī)和FPGA芯片以及外圍器件構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù) 的處理并提取出筆的位置數(shù)據(jù)，通過(guò)接口電路輸出。筆操作信號(hào)接收裝置是由 普通的紅外遙控器中使用的紅外接收模塊和信號(hào)解碼電路構(gòu)成，其信號(hào)輸出到 信號(hào)處理電路11上。信號(hào)處理電路11上有計(jì)算機(jī)接口電路，可以將筆頭的坐
標(biāo)信息和筆操作信息都傳到計(jì)算機(jī)，以實(shí)現(xiàn)白板功能。
信號(hào)筆內(nèi)的紅外發(fā)射管4發(fā)光波長(zhǎng)為970納米，有1一2個(gè)。信號(hào)接收處理 器中的照明發(fā)光器件9是波長(zhǎng)為850納米的紅外發(fā)射管，共有4個(gè)，也可以是l 個(gè)或更多。
工作時(shí)，將信號(hào)接收處理器中的圖像傳感器10對(duì)準(zhǔn)白板，同時(shí)所述的照明發(fā)光器件9發(fā)射紅外光，當(dāng)信號(hào)筆進(jìn)入白板區(qū)域時(shí)，其筆頭1中的反光物體2 將上述照明發(fā)光器件9的光線高效地逆向反射進(jìn)入圖像傳感器10;反光物體2 表面的反光材料為一種通常用于交通標(biāo)志的反光膜，由于其高效反光特性，將 使其在圖像傳感器中的亮度大大高于背景物體，這樣用現(xiàn)有技術(shù)的信號(hào)處理電 路能可靠地檢測(cè)出其位置，而不需要筆頭自身發(fā)光。當(dāng)進(jìn)行書(shū)寫(xiě)或點(diǎn)擊時(shí)，筆
頭1接觸白板表面并受力后觸發(fā)筆頭觸發(fā)幵關(guān)5，進(jìn)而觸發(fā)信號(hào)發(fā)生電路6產(chǎn)生 調(diào)制于40KHz載波的編碼信號(hào)，由紅外發(fā)射管4發(fā)射出去。信號(hào)筆中的輕觸開(kāi) 關(guān)7按下后也同樣觸發(fā)紅外發(fā)射管4的發(fā)光。信號(hào)接收處理器中的紅外接收模 塊是普通紅外遙控器使用的紅外接收模塊，可以對(duì)40KHz的載波信號(hào)進(jìn)行高靈 敏度接收，其輸出信號(hào)連接到一個(gè)解碼電路，經(jīng)解碼的信號(hào)連到信號(hào)處理電路 11，從而可以在信號(hào)處理電路ll中得到筆操作信息并經(jīng)接口傳送到計(jì)算機(jī)。以 上信號(hào)筆中的筆操作信號(hào)發(fā)射裝置也可以采用射頻信號(hào)發(fā)射裝置，而信號(hào)接收 處理器中的筆操作信號(hào)接收裝置相應(yīng)由射頻接收和解碼電路構(gòu)成。
所述的信號(hào)接收處理器可以安裝在獨(dú)立的外殼中，靈活地安裝使用。也可 以安裝在顯示設(shè)備的外殼結(jié)構(gòu)中，與顯示設(shè)備、信號(hào)筆共同構(gòu)成一個(gè)交互電子 白板。特別是可以安裝在一個(gè)投影機(jī)中，構(gòu)成一個(gè)具有電子白板功能的投影機(jī)， 進(jìn)一步，設(shè)置兩個(gè)圖像傳感器10分別安裝在投影機(jī)的左右兩側(cè)，利用筆頭在兩
個(gè)圖像傳感器成像中的位置關(guān)系可以進(jìn)行三維筆位置計(jì)算，構(gòu)成三維交互白板 系統(tǒng)。
這樣配合計(jì)算機(jī)中的軟件，可以實(shí)現(xiàn)這樣的效果當(dāng)信號(hào)筆進(jìn)入白板區(qū)域 時(shí)，系統(tǒng)光標(biāo)立即實(shí)時(shí)跟蹤筆的位置移動(dòng)，而只有當(dāng)筆頭接觸白板或按鍵開(kāi)關(guān) 被按下時(shí)，才產(chǎn)生鼠標(biāo)點(diǎn)擊或畫(huà)線等動(dòng)作。這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)精確定位的鼠標(biāo)點(diǎn) 擊或畫(huà)線操作；由于載波的紅外發(fā)射接收靈敏度很高，所以信號(hào)筆的耗電較低；由于筆頭內(nèi)不需發(fā)光管，使筆的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，可以方便地實(shí)現(xiàn)多節(jié)可伸縮長(zhǎng)信號(hào) 筆，這些有益的效果是現(xiàn)有技術(shù)無(wú)法達(dá)到的。
權(quán)利要求1、一種位置指示與跟蹤裝置，包括信號(hào)筆和信號(hào)接收處理器，所述信號(hào)接收處理器包含圖像傳感器(10)、信號(hào)處理電路(11)等，所述圖像傳感器(10)的信號(hào)輸出連到所述信號(hào)處理電路(11)，其特征在于信號(hào)筆的筆頭(1)上有可以將光線沿原路逆向反射的反光物體(2)，在圖像傳感器(10)的鏡頭旁緊靠有一組照明發(fā)光器件(9)，其發(fā)光覆蓋圖像傳感器的接收區(qū)域。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的位置指示與跟蹤裝置，其特征在于所述的照明發(fā)光器件(9)為紅外發(fā)射管。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的位置指示與跟蹤裝置，其特征在于所述信號(hào)筆內(nèi)有筆操作信號(hào)發(fā)射裝置，所述信號(hào)接收處理器內(nèi)有相應(yīng)的筆操作信號(hào)接收裝置(12)與所述的信號(hào)處理電路(11)相連。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的位置指示與跟蹤裝置，其特征在于所述的信號(hào)筆內(nèi)的筆操作信號(hào)發(fā)射裝置是由信號(hào)發(fā)生電路(6)和紅外發(fā)射管(4)構(gòu)成，所述 的信號(hào)接收處理器中的筆操作信號(hào)接收裝置(12)主要由紅外接收模塊和解碼電 路構(gòu)成。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的位置指示與跟蹤裝置，其特征在于在所述的伯號(hào)筆內(nèi)有一個(gè)筆頭觸發(fā)開(kāi)關(guān)(5)與筆頭(1)的末端相接觸，筆頭觸發(fā)開(kāi)關(guān)(5)連 到筆操作信號(hào)發(fā)生電路(6)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的位置指示與跟蹤裝置，其特征在于在信號(hào)筆內(nèi) 有一個(gè)以上的輕觸開(kāi)關(guān)(7)與筆操作信號(hào)發(fā)射裝置相連。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的位置指示與跟蹤裝置，其特征在于所述倍 號(hào)筆中的反光物體(2)是一個(gè)表面有反光材料的球狀物體。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的位置指示與跟蹤裝置，其特征在于所述信 號(hào)筆中的反光物體(2)是一個(gè)表面有反光材料的柱狀物體。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的位置指示與跟蹤裝置，其特征在于在信號(hào) 接收處理器中有一個(gè)以上的圖像傳感器，每個(gè)圖像傳感器的鏡頭旁都有一組照 明發(fā)光器件，其發(fā)光分別覆蓋各自的圖像傳感器的接收區(qū)域。
10、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的位置指示與跟蹤裝置，其特征在于所述的 信號(hào)接收處理器是安裝在一個(gè)顯示設(shè)備的外殼結(jié)構(gòu)中。
11、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的位置指示與跟蹤裝置，其特征在于所述的信號(hào) 接收處理器是安裝在一個(gè)投影機(jī)的外殼中，并且所述的信號(hào)接收處理器包含兩 個(gè)圖像傳感器(10)，分別設(shè)置在投影機(jī)的兩側(cè)位置。
12、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的位置指示與跟蹤裝置，其特征在于所述的信號(hào) 接收處理器是安裝在一個(gè)顯示設(shè)備的外殼結(jié)構(gòu)中，在信號(hào)接收處理器中有一個(gè) 以上的圖像傳感器，每個(gè)圖像傳感器的鏡頭旁都有一組照明發(fā)光器件，其發(fā)光 分別覆蓋各自的圖像傳感器的接收區(qū)域。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型提供一種用于交互電子白板的，不需要筆頭主動(dòng)發(fā)光指示位置的圖像處理位置指示與跟蹤裝置，采用這種裝置的白板系統(tǒng)特性更接近于鼠標(biāo)、筆的耗電降低、筆的制造更加簡(jiǎn)便。包括信號(hào)筆、信號(hào)接收處理器等，所述信號(hào)接收處理器包含圖像傳感器、信號(hào)處理電路等，所述圖像傳感器的信號(hào)輸出連到所述信號(hào)處理電路，信號(hào)處理電路中有可與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信的接口，其特征在于信號(hào)筆的筆頭上有可以將光線高效地沿原路逆向反射的反光物體，在圖像傳感器的鏡頭旁緊靠有一組照明發(fā)光器件，其發(fā)光指向圖像傳感器的接收區(qū)域。
文檔編號(hào)G06F3/033GK201387592SQ20092003678
公開(kāi)日2010年1月20日 申請(qǐng)日期2009年2月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月25日
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