專利名稱：基于紅外探測的投影互動系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及投影技術的人機交互電子手寫系統(tǒng)，尤其是涉及一種在計算機投影時使用的基于紅外探測的投影互動系統(tǒng)。
背景技術：
在教室或者會議室等場合，計算機和投影儀被大量使用。人們用計算機通過投影儀的投影，對文字圖片視頻等文件進行演講、展示和交流，已成為目前主流的信息傳播方式。但是人們在演示使用這些設備時，卻不能同時對其進行標記、書寫和擦除等。例如學校的課堂上，教師在講授PPt的內容，要重點說明或者補充解釋時，因為無法書寫，又需要轉回傳統(tǒng)的黑板上書寫講解。而傳統(tǒng)的手寫講授，更容易被聽眾所接受。若在現(xiàn)有的投影系統(tǒng)上，還能夠實現(xiàn)顯示手寫的功能，就能夠大大增強演示的效果，而且可以替代現(xiàn)有的粉筆-黑板或水筆-白板這種傳統(tǒng)方式。但要實現(xiàn)手寫投影功能，如何進行筆的定位、跟蹤，如何投影，以及顯示的效果，都需要綜合的考慮。在現(xiàn)有的投影儀專利中，有少數(shù)可以實現(xiàn)上述手寫等功能，如公開號為CN1605927A的專利及其同族，通過可發(fā)紅外光及超聲波的筆，利用屏幕周圍多個超聲波接受器進行坐標定位。這種定位方式不但計算難度大而且成本昂貴。又如申請?zhí)枮?01010199301. 3的中國專利，通過紅外投影掃描和無線信號發(fā)送來進行坐標定位，結構復雜，可行性差。還有不少專利是通過紅外攝像頭拍攝電子筆的投影位置來進行坐標定位的，但參考點的設計沒有被提及或不易實現(xiàn)。而且這些專利大都只提出通過投影設備進行手寫的方法，卻都沒有涉及到將手寫內容擦除的方案。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種在計算機投影時使用的基于紅外探測的投影互動系統(tǒng)。本發(fā)明設有電子筆、紅外攝像頭、投影儀、投影呈像面、計算機；所述投影儀、紅外攝像頭分別與計算機相連，所述電子筆的兩端分別設有第I壓力傳感器和第2壓力傳感器，第I壓力傳感器和第2壓力傳感器的壓力信號輸出端接單片機的輸入端口，單片機的輸出端接紅外光LED組，紅外光LED組發(fā)出紅外光并照射在電子筆所畫的投影呈像面上并形成矩形投影區(qū)；計算機上安裝有用于采集和處理紅外攝像頭拍攝的實時圖像并根據(jù)坐標點進行畫圖的圖像處理軟件和畫圖軟件。所述電子筆設有筆桿、電源、電源開關、模式切換開關和擦除按鈕；所述電源設在筆桿內，電源開關、模式切換開關和擦除按鈕設在筆桿上。所述紅外光LED組可設有前紅外光LED、中紅外光LED和后紅外光LED，前紅外光LED設在電子筆的前端，中紅外光LED設在電子筆的中部，后紅外光LED設在電子筆的后端。本發(fā)明主要是靠紅外攝像頭識別電子筆的不同模式及相對坐標位置來實現(xiàn)互動和定位的功能。電子筆的兩端有壓力傳感器，兩端和中間都安裝有紅外LED，筆身上還有開關按鈕、模式切換按鈕和擦除按鈕。電子筆有三種工作模式參考點模式、書寫模式和擦除模式。首先，在正常投影時，投影呈像面(投影布或墻等)上會有一個矩形的投影區(qū)域，即投影的有效空間。先通過模式切換按鈕將電子筆設為參考點模式，這時電子筆的一端(假設此端為前端)處于工作模式，電子筆內部的電池對其供電。用電子筆前端在投影形成的矩形區(qū)的一個頂點位置畫一個小點。在畫點時，由于前端的壓力傳感器感應到壓力，啟動前端多個排列緊湊的紅外LED發(fā)出很強的紅外光，。紅外攝像頭一直在實時拍攝并將圖像傳給計算機的后臺軟件進行處理。當拍攝到光斑時，圖像處理軟件通過閾值分割和灰度計算得到該光斑的亮度信息，光斑亮度超過某閾值，認為此時是參考點模式，圖像處理軟件進一步通過濾波、腐蝕、求質心等步驟找出投影區(qū)該頂點準確的位置點，并將該點在圖像上的坐標位置記錄并設為是參考點。同樣的，用電子筆前端在投影區(qū)剩下的三個頂點都畫上記號，軟件將記錄這些位置，四個點就構成了完整的矩形。最后就得到矩形投影區(qū)域在紅外攝像頭的圖像上的準確位置。 將電子筆換一頭(設此端為后端)，通過按鈕切換電子筆使其工作在書寫模式。后端頂部同樣有壓力傳感器，和一個紅外光LED。當使用者開始書寫時，筆尖接觸到投影的呈像面，壓力傳感器感應到壓力，啟動紅外LED發(fā)出紅外光。LED就會照射在所接觸的位置，紅外攝像頭就會拍攝到光斑。由于使用者在書寫時會用不同的力，筆尖頂端的壓力傳感器能感應到壓力的大小并轉變成電壓的大小，通過內置單片機進行模數(shù)轉換后在進行數(shù)模輸出，以對應的電壓驅動紅外LED發(fā)光。即手寫時用力越大，LED發(fā)光就越強，紅外攝像頭拍攝到的圖像上的光斑灰度值就越高。因為是單個LED，光斑的亮度和大小都在一個小范圍內，圖像處理軟件識別到光斑平均灰度小于某閾值后認為其是工作在書寫模式下。經過圖像處理后得到光斑的位置，并與剛才的四個參考點位置對比，最后得出該光斑中心(即筆尖)在屏幕上的坐標位置。把該光斑的坐標位置和平均灰度信息傳給計算機的畫圖軟件，計算機將在屏幕的對應位置畫出相應的點并投影到幕布或墻上，平均灰度越大，則畫的點面積也大。當電子筆連續(xù)書寫時，對應位置上連續(xù)的點就構成了相應的線。就好像使用者直接在投影布或墻上寫一樣，越用力寫則線條越粗。這就與平時用筆手寫時的效果相似，有很好的用戶體驗。要將書寫的筆跡或線條擦除時，則將筆橫著對準要擦除的位置，按住擦除按鈕，此時筆身部分電源接通，除兩端外筆身上所有的紅外LED均發(fā)光。圖像處理軟件將識別到一排的光線?？偟墓饩€區(qū)域面積大于某一閾值面積，軟件認為此時為擦除模式，將該光線區(qū)域與預設的參考點位置進行對比，得到光線區(qū)域在屏幕上的坐標位置和大小。將該信息傳給計算機上的畫圖軟件，畫圖軟件將清除屏幕上對應區(qū)域內所畫的痕跡，恢復為原有的背景。這樣在投影幕或墻上就可以看到筆所在區(qū)域的線條被擦除。使用者就好像使用黑板擦進行痕跡的擦除，使用非常方便。系統(tǒng)結構較簡單，成本低廉?？梢詫崿F(xiàn)較精確的定位，有質感的手寫體驗，以及擦除等功能，可以很好地實現(xiàn)互動。


圖1是本發(fā)明實施例的結構組成示意圖。圖2是本發(fā)明實施例的電子筆的結構示意圖。圖3是本發(fā)明實施例的參考點模式工作示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。參見圖1和2，本發(fā)明實施例設有電子筆3、紅外攝像頭5、投影儀4、投影呈像面1、計算機6 ;所述投影儀4、紅外攝像頭5分別與計算機6相連，所述電子筆3的兩端分別設有第I壓力傳感器8和第2壓力傳感器14，第I壓力傳感器8和第2壓力傳感器14的壓力信號輸出端接單片機10的輸入端口，單片機10的輸出端接紅外光LED組，所述紅外光LED組可設有前紅外光LED15、中紅外光LED16和后紅外光LED7，前紅外光LED15設在電子筆3的前端A，中紅外光LED16設在電子筆3的中部，后紅外光LED7設在電子筆3的后端B。紅外光LED組發(fā)出紅外光并照射在電子筆3所畫的投影呈像面I上并形成矩形投影區(qū)2;計算機6上安裝有用于采集和處理紅外攝像頭拍攝的實時圖像并根據(jù)坐標點進行畫圖的圖像處理軟件和畫圖軟件。所述電子筆3設有筆桿P、電源9、電源開關11、模式切換開關12和擦除按鈕13 ；所述電源9設在筆桿P內，電源開關11、模式切換開關12和擦除按鈕13設在筆桿P上。當打開計算機6、投影儀4和紅外攝像頭5時，投影儀4將計算機屏幕上顯示的內容投影到呈像面I上，呈現(xiàn)出矩形投影區(qū)2。紅外攝像頭5將拍攝到的實時圖像傳給計算機6上的軟件進行圖像處理。調整紅外攝像頭5，使得矩形投影區(qū)2的整個范圍都在紅外攝像頭5的拍攝范圍內。首先進行參考點定位，即確定矩形投影區(qū)2在紅外攝像頭5所拍圖像上的具體坐標位置。打開電子筆3上的電源開關11，將模式切換開關12設置為參考點模式。用電子筆A端對準矩形投影區(qū)2的一個頂點畫一下。由于A端的第2壓力傳感器14接觸到呈像面I而感應到壓力，單片機10接收到壓力傳感器的電信號就驅動紅外LED組發(fā)出紅外光，紅外光就照射在電子筆3所畫的頂點區(qū)。紅外攝像頭5拍攝并傳給計算機的圖像上就有一個高亮度的光斑。計算機上的圖像處理軟件通過濾波和閾值分割得到該光斑的面積和平均亮度。由于A端有多個LED，而B端只有一個LED，因此通過判斷光斑面積和平均亮度的大小就可以確定當前工作在參考點模式。軟件進一步通過腐蝕，濾波和求質心等算法得到光斑中心點的位置，即矩形投影區(qū)頂點在圖像上的準確位置。與上述過程相同，就可以得到矩形投影區(qū)剩下3個頂點在圖像上的準確位置，進而得到整個矩形投影區(qū)域在圖像上的坐標位置。如圖3，為紅外攝像頭拍攝到的不同圖像，得到4個頂點在圖像上的像素坐標位置分別為a(xl, yl), b(x2, y2)，c (x3, y3)，d(x4, y4)。進而就可以獲得矩形投影區(qū)所在位置。設置完4個頂點坐標后,程序經過進一步校正,確定出以這些點的坐標為參考系。使用者就可以進行互動功能了。使用者先將模式切換開關切換至書寫模式，用電子筆的B端進行書寫。書寫時由于頂端的第I壓力傳感器8接觸到呈像面I產生壓電信號，電信號的強弱隨著壓力的變化而變化，單片機10采集到壓電信號，進行模數(shù)轉換，然后根據(jù)數(shù)字量的大小來調控B端紅外LED 7的電流，使其發(fā)光亮度隨壓力的變化而變化。假設使用者在矩形投影區(qū)內書寫時，筆尖正處于某一點M，紅外攝像頭就拍攝到M點處的一個光斑。經過圖像處理軟件計算出該光斑的面積和平均灰度，由于此時只有單個LED發(fā)光，光斑面積和平均灰度都會小于某一值，軟件就判斷出此時為工作在書寫模式下。軟件進一步計算出光斑中心M點在圖像上的像素坐標位置M(x0，y0)。由于之前參考點a，b, c, d的坐標是對應于計算機屏幕的4個頂點，將M點與參考點a，b, c, d的坐標進行比較和計算，就得到M點對應于屏幕的相對坐標。將M點的相對坐標和光斑的平均灰度值傳給畫圖軟件。畫圖軟件將在屏幕對應的坐標點位置畫點，點的大小隨光斑平均灰度值的變化而變化。當電子筆連續(xù)書寫時，光斑也不斷地移動，紅外攝像頭拍攝到的連續(xù)圖像上不同位置的點的軌跡。畫圖軟件繪出連續(xù)的點也就構成了平滑的線，再通過投影儀投影到呈像面上，就可以看到筆畫過的位置出現(xiàn)了相同的線條。電子筆離開呈像面時，壓力傳感器感應不到壓力，紅外LED燈就不亮，就不在有線條出現(xiàn)。就好像使用者直接用筆在呈像面上寫一樣，而且越用力寫則線條越粗。這就與平時用筆手寫時的用戶體驗相似。若使用者想要擦除剛才寫下的痕跡，則按住擦除按鈕13，此時筆身上的紅外LED燈16將被上電接通，就有一排的區(qū)域發(fā)出紅外光。用筆身對準要擦除的位置，紅外攝像頭拍攝到的圖像該位置處就有一片高亮的區(qū)域。圖像處理軟件通過閾值分割區(qū)域聯(lián)通等處理后，得到區(qū)域在屏幕上對應的坐標和面積。由于該光斑的面積大于一定值，軟件認為是工作在擦除模式下，將這些信息傳給畫圖軟件。畫圖軟件就擦除該屏幕區(qū)域內畫過的痕跡，恢復為原有的背景。這樣，只要按住擦除按鈕，并對準特定區(qū)域揮動電子筆，就可以擦除該區(qū)域內書寫的痕跡，就好像使用黑板檫一樣，而且不會留下任何痕跡。松開按鈕，紅外LED燈16將斷電，又可以繼續(xù)使用手寫功能。本發(fā)明結構簡單，完全依靠電子筆和軟件實現(xiàn)了投影的定位，書寫和擦除功能。對現(xiàn)有的投影儀直接進行改造就可以實現(xiàn)該互動功能，價格低廉，具有實用性。
權利要求
1.基于紅外探測的投影互動系統(tǒng)，其特征在于設有電子筆、紅外攝像頭、投影儀、投影呈像面、計算機；所述投影儀、紅外攝像頭分別與計算機相連，所述電子筆的兩端分別設有第I壓力傳感器和第2壓力傳感器，第I壓力傳感器和第2壓力傳感器的壓力信號輸出端接單片機的輸入端口，單片機的輸出端接紅外光LED組，紅外光LED組發(fā)出紅外光并照射在電子筆所畫的投影呈像面上并形成矩形投影區(qū)；計算機上安裝有用于采集和處理紅外攝像頭拍攝的實時圖像并根據(jù)坐標點進行畫圖的圖像處理軟件和畫圖軟件。
2.如權利要求1所述的基于紅外探測的投影互動系統(tǒng)，其特征在于所述電子筆設有筆桿、電源、電源開關、模式切換開關和擦除按鈕；所述電源設在筆桿內，電源開關、模式切換開關和擦除按鈕設在筆桿上。
3.如權利要求1所述的基于紅外探測的投影互動系統(tǒng)，其特征在于所述紅外光LED組設有前紅外光LED、中紅外光LED和后紅外光LED，前紅外光LED設在電子筆的前端，中紅外光LED設在電子筆的中部，后紅外光LED設在電子筆的后端。
全文摘要
基于紅外探測的投影互動系統(tǒng)，涉及投影技術的人機交互電子手寫系統(tǒng)。設有電子筆、紅外攝像頭、投影儀、投影呈像面、計算機；所述投影儀、紅外攝像頭分別與計算機相連，所述電子筆的兩端分別設有第1壓力傳感器和第2壓力傳感器，第1壓力傳感器和第2壓力傳感器的壓力信號輸出端接單片機的輸入端口，單片機的輸出端接紅外光LED組，紅外光LED組發(fā)出紅外光并照射在電子筆所畫的投影呈像面上并形成矩形投影區(qū)；計算機上安裝有用于采集和處理紅外攝像頭拍攝的實時圖像并根據(jù)坐標點進行畫圖的圖像處理軟件和畫圖軟件。系統(tǒng)結構較簡單，成本低廉?？梢詫崿F(xiàn)較精確的定位，有質感的手寫體驗，以及擦除等功能，可以很好地實現(xiàn)互動。
文檔編號G06F3/042GK103019466SQ20121047036
公開日2013年4月3日 申請日期2012年11月16日 優(yōu)先權日2012年11月16日
發(fā)明者江鐵強, 吳丁貴, 胡振邦, 李帆, 范賢光, 姚斌 申請人:廈門大學