一種激光筆交互方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于人機(jī)交互及計(jì)算機(jī)視覺(jué)領(lǐng)域，更具體的涉及激光筆交互系統(tǒng)中的激光 點(diǎn)檢測(cè)方法，坐標(biāo)映射方法和交互方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 如今，激光筆已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在會(huì)議、演講、教學(xué)等多媒體演示系統(tǒng)中，借助激光 筆演講者可以離開(kāi)計(jì)算機(jī)周?chē)倏匮葜v稿，從而可以更加普適的與聽(tīng)眾互動(dòng)完成信息傳遞 的任務(wù)。然而現(xiàn)有的激光筆交互系統(tǒng)仍然存在很多缺陷，例如：中國(guó)專(zhuān)利03270412公開(kāi) 了一種帶有上下翻頁(yè)按鈕和無(wú)線(xiàn)收發(fā)裝置的激光筆，可以使用激光筆完成計(jì)算機(jī)幻燈片上 下翻頁(yè)的功能，但是功能相對(duì)而言比較單一，無(wú)法滿(mǎn)足演講者的需求；中國(guó)專(zhuān)利102073395 公開(kāi)了一種基于FPGA的無(wú)線(xiàn)激光筆互動(dòng)系統(tǒng)，可以完成功能豐富的交互系統(tǒng)，然而該系 統(tǒng)需要額外的嵌入式設(shè)備，安裝部署不方便；論文KirsteinC,MullerH.Interaction withaprojectionscreenusingacamera-trackedlaserpointer[C]//Multimedia Modeling, 1998.MMM' 98.Proceedings. 1998.IEEE, 1998:191-192 描述了一個(gè)利用激光點(diǎn)和 攝像頭實(shí)現(xiàn)的交互系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括激光點(diǎn)檢測(cè)、坐標(biāo)映射、交互方法三部分組成。搭建該 系統(tǒng)僅需傳統(tǒng)的投影系統(tǒng)外加額外的一個(gè)攝像頭，部署方便，但該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)依然面臨著挑 戰(zhàn)。
[0003] 中國(guó)專(zhuān)利102262733公開(kāi)了一種激光點(diǎn)檢測(cè)方法及裝置，利用攝像頭采集激光點(diǎn) 狀態(tài)進(jìn)行平滑繪圖等交互功能，然而在激光筆交互系統(tǒng)中由于幻燈片換頁(yè)等功能使得背景 不斷變化，該系統(tǒng)并不能魯棒的檢測(cè)出激光點(diǎn)；中國(guó)專(zhuān)利103116889公開(kāi)了一種定位方法 及電子設(shè)備，利用線(xiàn)性變換完成坐標(biāo)映射模塊，然而由于攝像頭位置擺放以及圖像采集、投 影可能會(huì)產(chǎn)生圖像畸變，線(xiàn)性變化并不能達(dá)到系統(tǒng)要求精度；美國(guó)專(zhuān)利20040239653公開(kāi) 了一種交互指示設(shè)備，通過(guò)識(shí)別激光點(diǎn)狀態(tài)進(jìn)行交互，然而該系統(tǒng)利用激光點(diǎn)閃爍容易發(fā) 生交互命令誤判，并且在交互方法上繪圖標(biāo)注的實(shí)現(xiàn)容易誤判?，F(xiàn)有的激光筆交互專(zhuān)利技 術(shù)仍然沒(méi)有解決背景變化的激光點(diǎn)檢測(cè)問(wèn)題、坐標(biāo)映射的非線(xiàn)性畸變問(wèn)題以及交互方法易 發(fā)生交互命令誤判問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 鑒于現(xiàn)有專(zhuān)利技術(shù)的上述不足，本發(fā)明提出了一種激光筆交互方法，由自適應(yīng)背 景切換的激光點(diǎn)檢測(cè)方法、非線(xiàn)性坐標(biāo)映射方法和分區(qū)域的交互方法組成。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案：該激光筆交互系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)、投影儀系統(tǒng)、攝像頭和激光 筆，計(jì)算機(jī)與投影儀通過(guò)VGA連接將計(jì)算機(jī)內(nèi)容投影到投影屏幕，攝像頭捕捉投影儀圖像 通過(guò)USB傳回給計(jì)算機(jī)。
[0006] 該激光筆交互方法包括自適應(yīng)背景切換的激光點(diǎn)檢測(cè)方法、非線(xiàn)性坐標(biāo)映射方法 和分區(qū)域的激光點(diǎn)行為分析方法完成激光筆交互功能。
[0007] 所述的自適應(yīng)背景切換的激光點(diǎn)檢測(cè)技術(shù)，通過(guò)一種在線(xiàn)背景字典創(chuàng)建與更新技 術(shù)，以及一種稀疏重構(gòu)方法實(shí)時(shí)魯棒的檢測(cè)出運(yùn)動(dòng)激光點(diǎn)，過(guò)程如下：
[0008] 令攝像頭采集的圖像為Y，將其每一列連接在一起組成列向量y，將不包含激光點(diǎn) 的圖像稱(chēng)為背景圖像，將僅包含激光點(diǎn)的圖像稱(chēng)為前景圖像，y由背景圖像和前景圖像線(xiàn)性 表不：
[0009] y=yB+yF (1)
[0010] 其中yeRnX1，yBeRnX4PyFeRnX1分別為采集圖像列向量，背景圖像列向量，和 前景圖像列向量，n是圖像的像素點(diǎn)數(shù)，RnX1表示n維的實(shí)數(shù)列向量。
[0011] 首先通過(guò)訓(xùn)練和更新得到背景圖像yB，然后利用攝像頭采集圖像y，最后用公式 (1)得到前景圖像yF，即得激光點(diǎn)位置。然而在激光筆交互過(guò)程中幻燈片換頁(yè)或幻燈片動(dòng) 畫(huà)會(huì)使得背景突變，為了應(yīng)對(duì)這種背景的突變，將不斷變化的背景組成背景字典DeRnXK， 其中D的每一列表示一種背景，K是調(diào)節(jié)字典包含背景數(shù)量的參數(shù)，某時(shí)刻的背景圖像通過(guò) 背景字典D稀疏表示：
[0012] yB=Dx(2)
[0013] 其中x = [0, . . .，0, Xi，0, . . . 0] G RKX1為稀疏向量，在理想情況下僅有一項(xiàng)非零 值。為了增加背景字典D對(duì)噪聲的魯棒性，利用累積平均方法對(duì)背景字典D按列創(chuàng)建：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種激光筆交互方法，其特征在于，激光筆交互方法所用的激光筆交互系統(tǒng)包括計(jì) 算機(jī)、投影儀系統(tǒng)、攝像頭和激光筆，計(jì)算機(jī)通過(guò)VGA與投影儀連接將計(jì)算機(jī)內(nèi)容投影到投 影屏幕，攝像頭通過(guò)USB將捕捉投影儀圖像傳給計(jì)算機(jī)； 該激光筆交互方法包括自適應(yīng)背景切換的激光點(diǎn)檢測(cè)方法、非線(xiàn)性坐標(biāo)映射方法和分 區(qū)域的激光點(diǎn)行為分析方法完成激光筆交互功能； 所述的自適應(yīng)背景切換的激光點(diǎn)檢測(cè)方法，通過(guò)在線(xiàn)背景字典創(chuàng)建與更新方法以及稀 疏重構(gòu)方法實(shí)時(shí)魯棒的檢測(cè)出運(yùn)動(dòng)激光點(diǎn)，步驟如下： 令攝像頭采集的圖像為Y，將其每一列連接在一起組成列向量y;其中，不包含激光點(diǎn) 的圖像稱(chēng)為背景圖像，僅包含激光點(diǎn)的圖像稱(chēng)為前景圖像，y由背景圖像和前景圖像線(xiàn)性表 示： y = yB+yF ⑴ 其中y e RnX1、yBe RnX4PyFe RnX1分別為采集圖像列向量、背景圖像列向量和前景 圖像列向量，n是圖像的像素點(diǎn)數(shù)，RnX1表示n維的實(shí)數(shù)列向量； 通過(guò)訓(xùn)練和更新得到背景圖像^，利用攝像頭采集圖像y，通過(guò)式（1)得到前景圖像yF， 即得激光點(diǎn)位置；在激光筆交互過(guò)程中幻燈片換頁(yè)或幻燈片動(dòng)畫(huà)使得背景突變，應(yīng)對(duì)背景 突變，將不斷變化的背景組成背景字典D e RnXK，其中D的每一列表示一種背景，K是調(diào)節(jié) 字典包含背景數(shù)量的參數(shù)，某時(shí)刻的背景圖像通過(guò)背景字典D稀疏表示： y B= Dx (2) 其中x = [0,...，0, Xi，0,... 0]gRKX1為稀疏向量，在理想情況下僅有一項(xiàng)非零值；為 了增加背景字典D對(duì)噪聲的魯棒性，利用累積平均方法對(duì)背景字典D按列創(chuàng)建：
其中Di為字典D的每一列，K為字典的列數(shù)，即背景的個(gè)數(shù)，a為背景更新速率； 在檢測(cè)激光點(diǎn)前景圖像時(shí)，首先求解x以決定當(dāng)前的背景圖像，然后通過(guò)式（2)解出 yB，最后通過(guò)式（1)求出激光點(diǎn)前景yF;前景激光點(diǎn)相對(duì)于背景圖像是非常稀疏的向量，僅 在激光點(diǎn)位置處非零，y F是稀疏向量，背景的稀疏向量x也是稀疏的，根據(jù)壓縮感知中稀疏 重構(gòu)方法得出x :