基于光學原理的書法筆跡呈現(xiàn)方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于光學原理的書法筆跡呈現(xiàn)方法。該方法包括：光電圖像傳感器實時采集用戶使用毛筆在手寫板上的筆觸圖像；該手寫板為透光板，基于手寫板產生影像的方式在手寫板對應位置設置有光源，以使毛筆與手寫板接觸面形成影像；光電圖像傳感器將采集的筆觸圖像發(fā)送給圖像處理裝置；圖像處理裝置實時收集筆觸圖像，并對收集到的筆觸圖像進行處理，提取出筆觸形狀輪廓數(shù)據(jù)，將筆觸形狀輪廓數(shù)據(jù)繪制在畫布上，并在繪制的筆觸形狀輪廓內填充顏色，連續(xù)繪制并填充顏色的筆觸形狀輪廓形成書法筆跡，以及將畫布呈現(xiàn)在顯示裝置上。通過本發(fā)明，用戶依然可以使用傳統(tǒng)的毛筆，畫布上圖像與用戶真實書寫的圖像仿真效果比較接近，硬件要求較低。
【專利說明】基于光學原理的書法筆跡呈現(xiàn)方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及數(shù)字影像處理領域，具體而言，涉及基于光學原理的書法筆跡呈現(xiàn)方法。

【背景技術】
[0002]隨著現(xiàn)代科技的進步，計算機的普及和相關技術的飛速發(fā)展，人們擁有了新的書法創(chuàng)作方式。傳統(tǒng)的筆、墨、紙、硯，也已不再是書寫文字的必要工具。在多數(shù)情況下，人們是借助鍵盤和鼠標進行文字輸入工作。因此，在汲取傳統(tǒng)書法藝術的基礎上，為了繼承、弘揚和發(fā)展書法藝術，對其進行科學的仿真就成為當前藝術及科技領域最具挑戰(zhàn)的課題之一。同時，書法初學者要對很多優(yōu)秀的書法作品進行大量的臨摹訓練以學習書法的用筆、結構、章法和意境等知識和技巧。對書法臨摹與創(chuàng)作過程進行計算機模擬有利于人們更快速、簡便、干凈的練習書法，而且減少了筆墨紙硯的浪費，也激發(fā)了人們學習書法的熱情。
[0003]現(xiàn)有技術中對毛筆的模擬多種多樣，例如:根據(jù)筆下壓的力度和運筆的速度產生筆跡的粗細變化、筆跡形狀的變化等的軟件算法，給人一種使用毛筆書寫的感受；還有一種通過建立筆頭的三維模型，動態(tài)計算筆頭的形態(tài)而產生筆跡的算法。這些軟件方法的優(yōu)點是可以利用現(xiàn)有的計算機輸入設備，比如鼠標、手寫筆等，易于推廣，研發(fā)和應用成本較低。但是一般軟件模擬算法，需要消耗的計算機資源較大，尤其是使用三維、動態(tài)變形等技術模擬毛筆的軟件算法需要大量迭代浮點運算，這就要求計算機有非常高的配置，且仿真效果不理想。
[0004]發(fā)明人在研究中發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有技術中的軟件模擬書法的方式存在對硬件(如計算機)配置要求較高且仿真效果不理想的問題。


【發(fā)明內容】

[0005]有鑒于此，本發(fā)明實施例的目的在于提供基于光學原理的書法筆跡呈現(xiàn)方法，以降低書法筆跡呈現(xiàn)時硬件的配置要求并提升仿真效果。
[0006]本發(fā)明實施例提供了一種基于光學原理的書法筆跡呈現(xiàn)方法，包括:光電圖像傳感器實時采集用戶使用毛筆在手寫板上的筆觸圖像；其中，該手寫板為透光板，基于手寫板產生影像的方式在手寫板對應位置設置有光源，以使毛筆與手寫板接觸面形成影像；光電圖像傳感器將采集的筆觸圖像發(fā)送給圖像處理裝置；圖像處理裝置實時收集筆觸圖像，并對收集到的筆觸圖像進行處理，提取出筆觸形狀輪廓數(shù)據(jù)，將筆觸形狀輪廓數(shù)據(jù)繪制在畫布上，并在繪制的筆觸形狀輪廓內填充顏色，連續(xù)繪制并填充顏色的筆觸形狀輪廓形成書法筆跡；圖像處理裝置將畫布呈現(xiàn)在顯示裝置上。
[0007]本發(fā)明實施例提供了第一種可能的實施方式，其中，上述光電圖像傳感器實時采集用戶使用毛筆在手寫板上的筆觸圖像包括:光電圖像傳感器對用戶通過蘸有透明液體的毛筆在手寫板上書寫的毛筆字進行實時圖像采集，得到毛筆與手寫板接觸面的筆觸圖像。
[0008]上述方法還可以包括:預先根據(jù)光電圖像傳感器的分辨率和顯示裝置的分辨率對手寫板與顯示裝置進行校準，建立手寫區(qū)域與顯示區(qū)域之間的映射關系。
[0009]上述預先根據(jù)光電圖像傳感器的分辨率和顯示裝置的分辨率對手寫板與顯示裝置進行校準可以包括:預先根據(jù)光電圖像傳感器的分辨率和顯示裝置的分辨率，采用網格型校準方式對手寫板與顯示裝置進行校準。
[0010]上述圖像處理裝置實時收集筆觸圖像，并對收集到的筆觸圖像進行處理可以包括:當圖像處理裝置接收到來自多個光電圖像傳感器發(fā)送的筆觸圖像時，圖像處理裝置根據(jù)各個光電圖像傳感器的位置關系，對接收到的筆觸圖像進行拼接處理，得到完整的筆觸圖像。
[0011]上述對收集到的筆觸圖像進行處理，提取出筆觸形狀輪廓數(shù)據(jù)可以包括:圖像處理裝置根據(jù)光電圖像傳感器的安裝方向和液晶顯示面板的顯示方向確定是否對筆觸圖像進行鏡像處理，如果是，對筆觸圖像進行鏡像處理；依次對筆觸圖像進行背景減除處理、模糊處理、高通濾波處理、放大處理和二值化處理，提取出筆觸形狀輪廓數(shù)據(jù)。
[0012]上述圖像處理裝置將筆觸形狀輪廓數(shù)據(jù)繪制在畫布上可以包括:圖像處理裝置通過計算筆觸形狀輪廓數(shù)據(jù)對應不同幀的筆觸形狀之間的時間和位置關系進行狀態(tài)跟蹤，得到筆觸的抬起、按下狀態(tài)數(shù)據(jù)，從而判讀出一個筆畫的開始和結束；圖像處理裝置根據(jù)判讀的結果，對同一筆畫的相鄰兩個筆觸形狀輪廓數(shù)據(jù)依據(jù)疏密度進行基于形狀變形的輪廓插值操作，增加筆觸形狀；圖像處理裝置將插值后的筆觸形狀輪廓數(shù)據(jù)繪制到畫布上。
[0013]上述光電圖像傳感器可以為能夠獲取平面光學影像的傳感器。
[0014]上述手寫板產生影像的方式包括以下之一:投影方式、全內反射方式和激光平面方式。
[0015]上述顯示裝置為設置于手寫板底部的液晶顯示面板，或者為液晶顯示器，或者為投影儀。
[0016]本發(fā)明實施例提供的方法通過光電圖像傳感器采集手寫板上的筆觸圖像，并將該圖像傳輸給圖像處理裝置，經圖像處理裝置處理后得到筆觸輪廓數(shù)據(jù)，將該筆觸形狀輪廓數(shù)據(jù)繪制在畫布上，并在繪制的筆觸形狀輪廓內填充顏色，連續(xù)繪制并填充顏色的筆觸形狀輪廓形成書法筆跡，將該畫布呈現(xiàn)在顯示裝置上，即可以得到與用戶手寫一致的書法筆跡，實現(xiàn)過程中，用戶依然可以使用傳統(tǒng)的毛筆，不需要進行電子筆的學習過程，并且這種基于光學原理采集的圖像與用戶真實書寫的圖像仿真效果比較接近，硬件要求較低，適于推廣應用。
[0017]為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，并配合所附附圖，作詳細說明如下。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]為了更清楚地說明本發(fā)明實施例的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，應當理解，以下附圖僅示出了本發(fā)明的某些實施例，因此不應被看作是對范圍的限定，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他相關的附圖。
[0019]圖1示出了本發(fā)明實施例所提供的基于光學原理的書法筆跡呈現(xiàn)系統(tǒng)的結構框圖；
[0020]圖2示出了本發(fā)明實施例所提供的基于光學原理的書法筆跡呈現(xiàn)方法流程圖；
[0021]圖3示出了本發(fā)明實施例所提供的基于全內反射方式的書法筆跡呈現(xiàn)系統(tǒng)的結構框圖；
[0022]圖4示出了本發(fā)明實施例所提供的基于激光平面方式的書法筆跡呈現(xiàn)系統(tǒng)的結構框圖；
[0023]圖5示出了本發(fā)明實施例所提供的基于投影方式的書法筆跡呈現(xiàn)系統(tǒng)的結構框圖。

【具體實施方式】
[0024]下面將結合本發(fā)明實施例中附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。通常在此處附圖中描述和示出的本發(fā)明實施例的組件可以以各種不同的配置來布置和設計。因此，以下對在附圖中提供的本發(fā)明的實施例的詳細描述并非旨在限制要求保護的本發(fā)明的范圍，而是僅僅表示本發(fā)明的選定實施例?；诒景l(fā)明的實施例，本領域技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0025]本發(fā)明實施例提供的基于光學原理的書法筆跡呈現(xiàn)方法，可以采用圖1所示的基于光學原理的書法筆跡呈現(xiàn)系統(tǒng)的結構框圖實現(xiàn)，該系統(tǒng)中包括:手寫板12，手寫板12為透光板；
[0026]基于手寫板產生影像的方式設置的光源11 ；
[0027]顯示裝置13，該顯示裝置13可以是設置于手寫板12的底部的液晶顯示面板，也可以是計算機的顯示器；
[0028]用于采集手寫板12上的筆觸圖像的光電圖像傳感器14 ；
[0029]與光電圖像傳感器14和顯示裝置13均連接的圖像處理裝置15，圖像處理裝置15用于實時收集光電圖像傳感器14采集的筆觸圖像，并對連續(xù)收集到的筆觸圖像進行處理，提取出筆觸輪廓數(shù)據(jù)，將筆觸形狀輪廓數(shù)據(jù)繪制在畫布上，并在繪制的筆觸形狀輪廓內填充顏色，連續(xù)繪制并填充顏色的筆觸形狀輪廓形成書法筆跡，以及將畫布傳輸給顯示裝置13 ；
[0030]顯示裝置13用于呈現(xiàn)上述畫布；
[0031]上述系統(tǒng)還包括:為光源11、顯示裝置13、圖像處理裝置15和光電圖像傳感器14供電的電源(圖中未示意出，該電源可以是多個，每個電源與其被供電的部件匹配)，以及支撐手寫板12、光源11、顯示裝置13和上述光電圖像傳感器14的支架16。
[0032]上述光電圖像傳感器14包括任何能夠獲取平面光學影像的傳感器，比如:攝像頭、透明紅外圖形傳感器面板、柔性圖像傳感器、光電圖像傳感器陣列等。
[0033]本發(fā)明實施例中各個部件間的連接可以是直接連接，也可以是間接連接，具體連接方式可以是有線連接，也可以是無線連接。
[0034]參見圖2所示的基于光學原理的書法筆跡呈現(xiàn)方法流程圖，該方法包括以下步驟:
[0035]步驟S202，光電圖像傳感器實時采集用戶使用毛筆在手寫板上的筆觸圖像；其中，該手寫板為透光板，基于該手寫板產生影像的方式在手寫板對應位置設置有光源，以使毛筆與手寫板接觸面形成影像，該影像可以是暗影或亮斑；此外，該手寫板也可以當作普通的觸摸屏使用，通過手指操作相應的系統(tǒng)和軟件。
[0036]步驟S204，光電圖像傳感器將采集的筆觸圖像發(fā)送給圖像處理裝置。
[0037]步驟S206，圖像處理裝置實時收集上述筆觸圖像，并對收集到的筆觸圖像進行處理，提取出筆觸形狀輪廓數(shù)據(jù)，將筆觸形狀輪廓數(shù)據(jù)繪制在畫布上，并在繪制的筆觸形狀輪廓內填充顏色，連續(xù)繪制并填充顏色的筆觸形狀輪廓形成書法筆跡；其中，該輪廓內填充的顏色可以是預先規(guī)定的顏色，該顏色可以是單色，也可以是多種顏色隨機填充，還可以是根據(jù)算法模擬的墨在紙上擴散的顏色，連續(xù)繪制的筆觸形狀組成書法筆跡圖像。
[0038]步驟S208，圖像處理裝置將上述畫布呈現(xiàn)在顯示裝置上，該顯示裝置可以為設置于手寫板底部的液晶顯示面板，或者為液晶顯示器，或者為投影儀。
[0039]本實施例的方法通過光電圖像傳感器采集手寫板上的筆觸圖像，并將該圖像傳輸給圖像處理裝置，經圖像處理裝置處理后得到筆觸形狀輪廓數(shù)據(jù)，將筆觸形狀輪廓數(shù)據(jù)繪制在畫布上，并在繪制的筆觸形狀輪廓內填充顏色，連續(xù)繪制并填充顏色的筆觸形狀輪廓形成書法筆跡，將該畫布呈現(xiàn)在顯示裝置上，即可以得到與用戶手寫一致的書法筆跡，實現(xiàn)過程中，用戶依然可以使用傳統(tǒng)的毛筆，不需要進行電子筆的學習過程，并且這種基于光學原理采集的圖像與用戶真實書寫的圖像仿真效果比較接近，硬件要求較低，適于推廣應用。
[0040]考慮到清潔問題，本實施例的手寫板優(yōu)選采用水代替?zhèn)鹘y(tǒng)的墨汁，當然也可以采用其它無色、透明、無味、無毒、易清理的液體。用戶可以使用傳統(tǒng)毛筆在手寫板上書寫，這樣用戶能夠獲得與毛筆在紙上書寫一樣的感受，并且產生的結果也最接近于真實，而且，傳統(tǒng)毛筆價格便宜、品類眾多，用戶可根據(jù)自己的經驗和習慣選擇合適的毛筆，因此，本發(fā)明實施例優(yōu)選傳統(tǒng)毛筆作為手寫工具。基于此，上述光電圖像傳感器實時采集用戶使用毛筆在手寫板上的筆觸圖像可以包括:光電圖像傳感器對用戶通過蘸有透明液體(例如，水)的毛筆在手寫板上書寫的過程進行實時圖像采集，得到該毛筆與手寫板接觸面的筆觸圖像。選擇傳統(tǒng)毛筆和透明液體來書寫的方式，在產品設計時考慮盡量讓液體流出，可以將上述手寫板傾斜設置，且底部邊緣設置有用于將書寫使用的液體導走的導流槽。考慮到書寫過程中，液體在手寫板上可能會形成水珠影響成像質量，對圖像采集產生干擾，因此手寫板為做過表面防霧處理的手寫板，即本發(fā)明實施例中，可以采用具有防霧功能的手寫板，以杜絕或者減少水珠形成。
[0041]本發(fā)明實施例中的光電圖像傳感器可以是攝像頭，實際應用中，可以選取分辨率為640 X 480、幀率為120FPS、接口為USB2.0的攝像頭；如果光源采用紅外照明，還可以在該攝像頭前設置一個紅外過濾鏡。
[0042]本實施例中，手寫板產生影像的方式包括以下之一:投影方式、全內反射方式和激光平面方式。對于不同的圖像影像方式，需要不同的光源組成，投影方式的光源選擇范圍比較廣，可以使用點光源、燈管、LED燈條等各種方式，只要均勻照亮手寫板就可以了，需要注意的是燈光必須從四周向中心均勻照射，以免產生非接觸面物體的陰影，比如筆桿，手等的陰影，所以光源一般布置在手寫板四周，比如，燈管或者LED燈條組成的矩形框。
[0043]全內反射方式，需要在手寫板的邊沿(至少是兩個邊)放置條狀光源，LED光帶或者光條比較適合。
[0044]激光平面方式需要使用一線激光光源，激光產生的光面與手寫板平行并且在其上方不遠的距離，為了防止毛筆或者手指接觸觸摸板時，背向光源的面產生陰影，激光光源至少需要兩個，分別放置在手寫板對角點上。
[0045]針對手寫板產生影像的方式不同，光源的選取和位置也不同，例如:手寫板12產生影像的方式為投影影像方式，光源11可以圍繞手寫板12的四周上方均勻設置。手寫板12產生影像的方式為全內反射方式，光源11為條狀光源，對稱設置在手寫板12的兩邊或四周，手寫板四周要光滑透明。這三種影像方式下的光源11可以為紅外LED燈?；诖?，光電圖像傳感器14設置有紅外過濾鏡。
[0046]上述圖像處理裝置可以為計算機，也可以是定制開發(fā)的圖形處理電路板。
[0047]以全內反射方式為例，參見圖3所示的基于全內反射方式的書法筆跡呈現(xiàn)系統(tǒng)的結構框圖，該系統(tǒng)包括:8mm厚的高透明亞克力板31、850nm的紅外LED燈條32、液晶顯示面板33、液晶背光燈管34、納米導光板35、計算機主板36、攝像頭37、液晶驅動電路板38和液晶電源電路板39。其中，液晶背光燈管34和納米導光板35可以集成在液晶顯示面板33上；計算機主板36、液晶驅動電路板38和液晶電源電路板39可以集成在一個裝置中。
[0048]以激光平面方式為例，參見圖4所示的基于激光平面方式的書法筆跡呈現(xiàn)系統(tǒng)的結構框圖，該系統(tǒng)包括:一字平面激光頭41，其頻率:850nm，功率:5mW。5mm厚的高透明亞克力板42 ;液晶顯不面板43 ;液晶背光燈管44 ;納米導光板45 ;計算機主板46 ;攝像頭47 ；液晶驅動電路板48 ;液晶電源電路板49 ;其中，液晶背光燈管44和納米導光板45和液晶顯示面板43可以集成為一體；計算機主板46、液晶驅動電路板48和液晶電源電路板49可以集成在一個裝置中。
[0049]以投影方式為例，參見圖5所示的基于投影方式的書法筆跡呈現(xiàn)系統(tǒng)的結構框圖，該系統(tǒng)包括:850nm紅外LED光條51 ;勻光遮光罩52 ;半透明投影幕53 ;5mm厚高透明亞克力板54 ;液晶顯示面板55 ;液晶背光燈管56 ;納米導光板57 ;計算機主板58 ;攝像頭59 ；液晶驅動電路板60 ;液晶電源電路板61 ;其中，液晶背光燈管56、納米導光板57和液晶顯示面板55可以集成為一體；計算機主板58、液晶驅動電路板60和液晶電源電路板61可以集成在一個裝置中。
[0050]上述納米導光板也可以是普通的導光板。
[0051]圖3至圖5所示系統(tǒng)未示意出支架，支架的具體結構可以根據(jù)上述各個部件的位置設計，以體積適中為宜，這里不再詳述。
[0052]考慮到一般情況下，光電圖像傳感器的分辨率與顯示裝置的分辨率可能不相同，以及由于光電圖像傳感器的取景范圍不確定以及光電圖像傳感器的圖像畸變等因素影響，如果要求顯示的位置與手寫的位置完全重合，則需要建立手寫區(qū)域與顯示區(qū)域之間的映射關系?；诖?，上述方法還包括:預先根據(jù)光電圖像傳感器的分辨率和顯示裝置的分辨率對手寫板與顯示裝置進行校準，建立手寫區(qū)域與顯示區(qū)域之間的映射關系。
[0053]以顯示裝置為液晶顯示面板為例，這里的校準可以僅校準手寫板與液晶顯示面板的四個角點，也可以采用網格型校準方式，也就是不只有四角的四個點，在液晶顯示面板上等距離劃分M行和N列的網格，網格上的每個交叉點都是校準點，網格的行數(shù)(M)和列數(shù)(N)需要根據(jù)光電圖像傳感器的畸變度確定，網格數(shù)越多，手寫板與液晶顯示面板的對應關系越精確，但操作實現(xiàn)的難度越大。網格劃分時需要考慮通過多個光電圖像傳感器采集圖像的方式，為圖像軟拼接留出過渡區(qū)域的校準點?；诖?，上述預先根據(jù)光電圖像傳感器的分辨率和顯示裝置的分辨率對手寫板與顯示裝置進行校準可以包括:預先根據(jù)光電圖像傳感器的分辨率和顯示裝置的分辨率，采用網格型校準方式對手寫板與顯示裝置進行校準。
[0054]由于光電圖像傳感器(例如:攝像頭)與被拍攝物體需要有一定距離(物距)，因此，對于較大尺寸的手寫面板拍攝的清晰度會比較低，或者雖然手寫面板不大，但是為了盡可能減小物距，從而減小產品的厚度，則可以使用多個光電圖像傳感器同時拍攝，每個光電圖像傳感器負責一部分區(qū)域，通常是按照行、列來布置光電圖像傳感器，每個光電圖像傳感器拍攝相等面積的矩形區(qū)域，在圖像采集時需要將所有光電圖像傳感器拍攝的圖像拼接為一個完整的手寫區(qū)域圖像，拼接的方法有兩種，一種是硬拼接，就是簡單的把每個光電圖像傳感器的圖像拼接起來，這需要將光電圖像傳感器位置、角度等調整的比較準確，否則相鄰光電圖像傳感器之間的圖像可能會有重疊或者縫隙；另外一種拼接方法是軟拼接，就是拼接時，在相鄰光電圖像傳感器的圖像之間劃出一個過渡區(qū)域，從一個光電圖像傳感器的圖像漸變到另一個光電圖像傳感器的圖像，這樣即使光電圖像傳感器位置稍微有些偏差，拼接出的圖像也不會有很明顯的跳變?；诖耍鲜鰣D像處理裝置實時收集筆觸圖像，并對連續(xù)收集到筆觸圖像進行處理可以包括:當圖像處理裝置接收到來自多個光電圖像傳感器發(fā)送的筆觸圖像時，圖像處理裝置根據(jù)各個光電圖像傳感器的位置關系，對接收到的筆觸圖像進行拼接處理，得到完整的筆觸圖像。這種方式能夠減小拍攝的物距，從而減小產品的厚度，且得到的圖像更清晰。
[0055]具體應用中，上述圖像處理裝置實時收集所述筆觸圖像，并對收集到的筆觸圖像進行處理，提取出筆觸形狀輪廓數(shù)據(jù)還可以包括:圖像處理裝置根據(jù)光電圖像傳感器的安裝方向和顯示裝置的顯示方向確定是否對收集到的筆觸圖像進行鏡像處理，如果是，對筆觸圖像進行鏡像處理；然后依次對鏡像處理后的筆觸圖像進行背景減除處理、模糊處理、高通濾波處理、放大處理和二值化處理，提取出筆觸形狀輪廓數(shù)據(jù)。
[0056]因為光電圖像傳感器安裝的方向可能與顯示裝置的顯示方向不一致，為了快速將他們的方向調整為一致，搜索方法中增加了鏡像處理，通過該方法，將獲取的圖像鏡像反轉，以便與顯示圖像匹配。鏡像的種類有左右鏡像和上下鏡像，也可以同時執(zhí)行上下和左右鏡像。
[0057]上述背景減除指從光電圖像傳感器拍攝下的畫面中去掉背景畫面，只保留前景畫面，在這里所說的前景就是筆觸影像。在書寫開始前，可以保存一幅光電圖像傳感器拍攝的畫面作為背景，書寫過程中，通過像素減法將這個背景畫面減去就得到僅有前景的畫面。由于背景畫面也可能變化，可以采用動態(tài)背景去除算法，出于實時性的考慮，采用的算法比較簡單快速，只是將每次的畫面通過加權值累加到背景畫面上，然后減除，如果在一段時間內保持不變的圖像就會認為是背景，就會被剪除掉。
[0058]上述二值化指將圖像轉化為只包括黑色和白色兩種顏色的圖像，這樣才能進行后續(xù)的筆觸輪廓提取以及相關的計算工作，二值化時，首先需要確定一個閾值，高于此閾值的顏色就認為是白色，低于此閾值的就認為是黑色，這樣白色表示前景，也就是筆觸圖像，黑色表示背景。
[0059]由于光電圖像傳感器的分辨率可能比較低，獲取到的圖像在液晶顯示面板上顯示時能夠看到邊緣的鋸齒，基于此，上述方法中增加了模糊處理，用以去掉這些鋸齒，使邊緣光滑，所以也稱為光滑算法，通常采用的光滑算法是最簡單的均勻平滑算法。
[0060]上述高通濾波處理是將畫面根據(jù)顏色值進行過濾，將顏色值低于某個閾值的像素濾除，保留高于此閾值的像素。該方式主要用途是去除部分背景和環(huán)境光的干擾。
[0061]上述放大處理的含義是將顏色值按比例放大，就是將每個像素的顏色值乘以一個系數(shù)，這樣使圖像的對比度加大，便于下一步的二值化處理。
[0062]經過以上圖形算法，可以獲得了比較清晰的筆觸圖像，值得注意的是，上面的算法步驟并不是每一步都是必須的，比如鏡像算法，在光電圖像傳感器獲取的圖像與顯示內容方向一致時就不需要。
[0063]上述圖像處理裝置將筆觸形狀輪廓數(shù)據(jù)繪制在畫布上包括:圖像處理裝置通過計算所述筆觸形狀輪廓數(shù)據(jù)對應不同幀的筆觸形狀之間的時間和位置關系進行狀態(tài)跟蹤，得到筆觸的抬起、按下狀態(tài)數(shù)據(jù)，從而判讀出一個筆畫的開始和結束；圖像處理裝置根據(jù)判讀的結果，對同一筆畫的相鄰兩個筆觸形狀輪廓數(shù)據(jù)依據(jù)疏密度進行基于形狀變形的輪廓插值操作，增加筆觸形狀；圖像處理裝置按照設定的顏色將插值后的筆觸形狀輪廓數(shù)據(jù)繪制到畫布上該方式中，圖像處理裝置根據(jù)同一筆畫的相鄰兩個筆觸點的疏密程度，通過圖形變形方法進行筆觸點插值操作，以使繪畫出的筆畫平滑連續(xù)，沒有間斷。
[0064]上述筆觸狀態(tài)跟蹤的主要目的是對筆的行為狀態(tài)進行跟蹤分析，將連續(xù)的筆觸形狀圖像轉化為觸摸筆事件，比如筆壓下、移動、抬起等事件，由于上述方法是基于筆觸的形狀影像，因此上述方法能夠獲得毛筆在手寫板上形成的影像，不能獲得筆的壓下、抬起等狀態(tài)信息。基于此，本實施例在分析狀態(tài)跟蹤事件信息時，主要是通過計算不同幀的筆觸形狀之間時間和位置關系來判斷，維護一個筆對象列表，當發(fā)現(xiàn)有新的筆觸形狀時，如果位置與列表中的某個接近，則認為是同一個筆在移動，如果列表中的筆對象沒有在新筆觸形狀中發(fā)現(xiàn)，則認為這個筆畫書寫結束，筆抬起，如果新的筆觸形狀不在筆對象列表中，則認為是一個新筆壓下。
[0065]由于上述跟蹤主要依據(jù)不同時間筆觸的相對位置，因此，書寫時移動速度不能太快，否則會出現(xiàn)斷線或者連筆情況發(fā)生，如果想要書寫速度加快，需要提高光電圖像傳感器的幀率和圖像處理裝置的處理速度。
[0066]由于光電圖像傳感器的幀率通常不是非常高，如果僅僅依靠獲得的筆觸形狀繪制筆跡，則會出現(xiàn)筆跡不平滑甚至斷線，為了避免出現(xiàn)這種現(xiàn)象，上述方法中增加了插值操作，就是在兩個筆觸形狀之間，根據(jù)這兩個筆觸形狀距離的遠近插入適當數(shù)量的筆觸圖形。因為上述方法中獲取到的是筆觸的圖形，插值也應該是筆觸的圖形，由于插值起點和終點的圖形的形狀和大小都有可能不同，因此，如何插值是個問題，本實施例考慮可以使用形狀動畫變形算法來實現(xiàn)此插值，以插值起點的形狀作為變形的原圖，插值終點的形狀作為變形的目標圖，插值的數(shù)目則是變形的步數(shù)。因此，可以選擇二維圖形變形算法。
[0067]在獲取到筆觸形狀圖像以及插值圖像以后，只要將這些圖像累加繪制在一起就形成了完整的筆跡圖像。這對于現(xiàn)在的GUI編程來說是一個非常容易的事情，無論使用操作系統(tǒng)提供的API，如微軟的GDI，或者是第三方通用圖形開發(fā)庫，如OpenGL，都可以輕松實現(xiàn)，以GDI+編程為例:首先需要創(chuàng)建一個畫布，然后根據(jù)筆觸的事件觸發(fā)，當筆按下和移動時根據(jù)隨事件傳遞過來的筆觸信息數(shù)據(jù)繪制每一個筆觸形狀，繪制時將筆觸形狀輪廓上的所有點按順序連接成一個路徑，然后調用填充路徑函數(shù)將筆觸形狀繪制到畫布上，填充的顏色可以根據(jù)需要變化，最后將畫布顯示出來就可以看到書寫的筆跡了。
[0068]上述方法可以應用于任何需要軟筆書寫的環(huán)境，比如:小學生練習書法、書法專業(yè)人士練習書法或者創(chuàng)造書法，軟筆繪畫等。
[0069]下面給出上述實施例的方法最優(yōu)實現(xiàn)過程，可以如下所述:
[0070]1.方案選擇
[0071]如前所述，基于光學的書法筆跡呈現(xiàn)技術方案有多種，具體到本發(fā)明應用的場景使用哪種方式最合適，這需要通過分析他們的各自的特點來決定。首先，考慮書寫形式是使用傳統(tǒng)毛筆蘸水書寫，而全內反射方式當有水的軟質物體觸摸平板時有非常高的對比度，圖像非常清晰，該手寫板透明，對于下面的顯示設備展現(xiàn)的內容完全沒有遮擋。其次，本發(fā)明實施例中，希望能夠集成顯示設備，因為，我們使用傳統(tǒng)毛筆蘸水書寫，形式與當前十分流行的水寫布相像，通過增加顯示內容，用戶可以參照顯示的碑帖進行臨摹，并且可以保存書寫的作品?；谶@一點要求，選擇紅外線光源，在顯示設備的選擇上，選擇液晶顯示面板作為顯示設備，這就要求手寫板盡量透明，避免遮擋顯示內容，形成的筆觸影像清晰準確，沒有光線遮擋的全內反射方式恰巧滿足了該需要?；谝陨戏治觯x定全內反射方式進行。
[0072]2.硬件安裝
[0073]方案確定以后，確定硬件材料和組裝，可以使用組合貨架所用的角鐵搭建支架，這種方式的好處是材料容易獲得、成本低廉、組合模式靈活，可以像搭積木一樣構建需要的結構；
[0074]選用亞克力作為手寫板材料，厚度可以為5mm、8mm和1mm的亞克力板，由于計劃使用全內反射方式，需要從亞克力的邊緣輸入光線，因此，亞克力板的邊緣要光滑透明，可以使用激光切割；
[0075]選用850nm貼片紅外LED作為光源，每個芯片電流150ma，將這些芯片焊接到四個鋁基板上，鋁基板的長度與亞克力四邊相同，然后將鋁基板插入鋁槽中，用膠帶將這些鋁槽固定在亞克力的四周，引出的電源線連接到穩(wěn)壓電源輸出端上，這樣就產生了全內反射方式的手寫板；
[0076]顯示設備方面，可以采用液晶顯示面板，其配備有照明燈管和納米導光板，這樣既能照亮液晶面板，又對筆跡影像沒有明顯影響；
[0077]光電圖像傳感器選用了一款120幀/秒的攝像頭，并且在攝像頭鏡頭里增加850nm帶通濾光片，只讓850nm紅外光進入攝像頭，攝像頭與圖像處理裝置通過USB接口連接。
[0078]圖像處理裝置選用計算機。
[0079]3.軟件開發(fā)
[0080]以計算機方式進行圖像采集和處理，這種方式開發(fā)周期最短、編程資源更豐富，能夠更迅速的驗證本文所述電子基于光學原理的書法筆跡呈現(xiàn)方法的可行性和效果。根據(jù)圖像處理裝置的上述處理操作，可以分為服務端和客戶端兩個程序:服務端和客戶端。服務端就如同設備驅動一樣，負責從攝像頭拍攝的圖像中提取出筆觸數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)發(fā)送給客戶端應用，其主要包括的功能有:圖像采集、多攝像頭拼接、校準與映射、圖像處理、數(shù)據(jù)發(fā)送等。服務端程序也可以全部移植到獨立的嵌入設備中；客戶端則獲取服務端發(fā)送來的筆觸數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)轉化為觸摸事件，觸發(fā)應用繪畫出書法作品，客戶端的主要功能是:數(shù)據(jù)接收、狀態(tài)跟蹤、輪廓插值、筆跡繪制等。
[0081]以上實施例的方法通過光電圖像傳感器采集手寫板上的筆觸圖像，并將該圖像傳輸給圖像處理裝置，經圖像處理裝置處理后得到書法筆觸數(shù)據(jù)，再對該數(shù)據(jù)進行處理得到畫布上的筆觸形狀輪廓，然后在該輪廓中填充顏色，將該畫布呈現(xiàn)在顯示裝置上，即可以得到與用戶手寫一致的書法筆跡，實現(xiàn)過程中，用戶依然可以使用傳統(tǒng)的毛筆或其它軟筆，不需要進行電子筆的學習過程，并且這種基于光學原理采集的圖像與用戶真實書寫的圖像仿真效果比較接近，硬件要求較低，適于推廣應用。
[0082]在本申請所提供的幾個實施例中，應該理解到，所揭露的系統(tǒng)和方法，可以通過其它的方式實現(xiàn)。以上所描述的方法實施例僅僅是示意性的，所述圖像處理裝置的功能如果以軟件功能單元的形式實現(xiàn)并作為獨立的產品銷售或使用時，可以存儲在一個計算機可讀取存儲介質中?；谶@樣的理解，本發(fā)明的技術方案本質上或者說對現(xiàn)有技術做出貢獻的部分或者該技術方案的部分可以以軟件產品的形式體現(xiàn)出來，該計算機軟件產品存儲在一個存儲介質中，包括若干指令用以使得一臺計算機設備(可以是個人計算機，服務器，或者網絡設備等)執(zhí)行本發(fā)明各個實施例所述方法的全部或部分步驟。而前述的存儲介質包括:U盤、移動硬盤、只讀存儲器(ROM，Read-Only Memory)、隨機存取存儲器(RAM，RandomAccess Memory)、磁碟或者光盤等各種可以存儲程序代碼的介質。
[0083]以上所述，僅為本發(fā)明的【具體實施方式】，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本【技術領域】的技術人員在本發(fā)明揭露的技術范圍內，可輕易想到變化或替換，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內。因此，本發(fā)明的保護范圍應所述以權利要求的保護范圍為準。
【權利要求】
1.一種基于光學原理的書法筆跡呈現(xiàn)方法，其特征在于，包括: 光電圖像傳感器實時采集用戶使用毛筆在手寫板上的筆觸圖像；其中，所述手寫板為透光板，基于所述手寫板產生影像的方式在手寫板對應位置設置有光源，以使毛筆與手寫板接觸面形成影像； 所述光電圖像傳感器將采集的所述筆觸圖像發(fā)送給圖像處理裝置； 所述圖像處理裝置實時收集所述筆觸圖像，并對收集到的所述筆觸圖像進行處理，提取出筆觸形狀輪廓數(shù)據(jù)，將所述筆觸形狀輪廓數(shù)據(jù)繪制在畫布上，并在繪制的筆觸形狀輪廓內填充顏色，連續(xù)繪制并填充顏色的筆觸形狀輪廓形成書法筆跡； 所述圖像處理裝置將所述畫布呈現(xiàn)在顯示裝置上。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，光電圖像傳感器實時采集用戶使用毛筆在手寫板上的筆觸圖像包括: 光電圖像傳感器對用戶通過蘸有透明液體的毛筆在手寫板上書寫的毛筆字進行實時圖像采集，得到所述毛筆與手寫板接觸面的筆觸圖像。
3.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法還包括: 預先根據(jù)所述光電圖像傳感器的分辨率和所述顯示裝置的分辨率對所述手寫板與顯示裝置進行校準，建立手寫區(qū)域與顯示區(qū)域之間的映射關系。
4.根據(jù)權利要求3所述的方法，其特征在于，預先根據(jù)所述光電圖像傳感器的分辨率和所述顯示裝置的分辨率對所述手寫板與顯示裝置進行校準包括: 預先根據(jù)所述光電圖像傳感器的分辨率和所述顯示裝置的分辨率，采用網格型校準方式對所述手寫板與顯示裝置進行校準。
5.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述圖像處理裝置實時收集所述筆觸圖像，并對收集到的所述筆觸圖像進行處理包括: 當所述圖像處理裝置接收到來自多個所述光電圖像傳感器發(fā)送的筆觸圖像時，所述圖像處理裝置根據(jù)各個光電圖像傳感器的位置關系，對接收到的所述筆觸圖像進行拼接處理，得到完整的筆觸圖像。
6.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，對收集到的所述筆觸圖像進行處理，提取出筆觸形狀輪廓數(shù)據(jù)包括: 所述圖像處理裝置根據(jù)所述光電圖像傳感器的安裝方向和液晶顯示面板的顯示方向確定是否對所述筆觸圖像進行鏡像處理，如果是，對所述筆觸圖像進行鏡像處理； 依次對所述筆觸圖像進行背景減除處理、模糊處理、高通濾波處理、放大處理和二值化處理，提取出筆觸形狀輪廓數(shù)據(jù)。
7.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述圖像處理裝置將將所述筆觸形狀輪廓數(shù)據(jù)繪制在畫布上包括: 所述圖像處理裝置通過計算所述筆觸形狀輪廓數(shù)據(jù)對應不同幀的筆觸形狀之間的時間和位置關系進行狀態(tài)跟蹤，得到筆觸的抬起、按下狀態(tài)數(shù)據(jù)，從而判讀出一個筆畫的開始和結束； 所述圖像處理裝置根據(jù)判讀的結果，對同一筆畫的相鄰兩個筆觸形狀輪廓數(shù)據(jù)依據(jù)疏密度進行基于形狀變形的輪廓插值操作，增加筆觸形狀； 所述圖像處理裝置將插值后的筆觸形狀輪廓數(shù)據(jù)繪制到畫布上。
8.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述光電圖像傳感器為能夠獲取平面光學影像的傳感器。
9.根據(jù)權利要求1至8中任一項所述的方法，其特征在于，所述手寫板產生影像的方式包括以下之一:投影方式、全內反射方式和激光平面方式。
10.根據(jù)權利要求1至8中任一項所述的方法，其特征在于，所述顯示裝置為設置于所述手寫板底部的液晶顯示面板，或者為液晶顯示器，或者為投影儀。
【文檔編號】G06F3/042GK104391651SQ201410763911
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年12月11日 優(yōu)先權日:2014年12月11日
【發(fā)明者】胡艷輝 申請人:北京軒文文化發(fā)展有限公司