CN101566899A

CN101566899A - 一种基于线阵激光的多点触发方法及其系统

Info

Publication number: CN101566899A
Application number: CNA2009100857095A
Authority: CN
Inventors: 史元春; 姜皓; 秦永强; 时岳
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2009-05-27
Filing date: 2009-05-27
Publication date: 2009-10-28

Abstract

一种基于线阵激光的多点触控信号触发方法及其系统，属于人机交互多点触控技术领域，其特征在于，在显示屏幕上方产生一层平行并紧贴屏幕表面的激光光幕，可使多只手指和触控笔接触屏幕时在触点处产生高亮光点，转化为计算机可理解的多点触控输入消息；基于该触发方式的多点触控系统，由计算机、投影仪、红外摄像头、投影屏幕、红外线阵激光构成，可同时识别并响应多个触点的触控动作。

Description

一种基于线阵激光的多点触发方法及其系统

技术领域

本发明属于人机交互的多点触控技术领域。

背景技术

近年来，随着信息技术的迅猛发展，计算机的运算能力已经可以满足大多数应用场景的需求，创建人机之间自然、和谐的交互通道由此成为了提升计算机整体可用性的新途径。连接计算主机的投影仪、CRT/LCD屏幕等一类显示设备为运行在主机上的应用程序和数据提供了基于视觉模态的显示输出，是计算机用户获取信息的重要通道。触控技术是应用在显示表面上的直接操纵技术，允许用户使用手指或触控笔在屏幕上对显示内容进行点击、拖拽等动作对应用程序施加命令，具有交互动作便捷、直观等优点。

多点触控技术在原始的单点触控技术上进行扩展，允许用户同时使用多个手指或触控笔操控屏幕表面，并可施加基于多个手指的手势命令，如双手缩放、旋转等；同时，多点触控技术可支持多用户同时使用，使应用程序具有极强的多人互动性和良好的用户体验。该项技术可用于构建具有多用户共享交互功能的显示表面，如交互桌面、交互墙面等产品，具有广泛的市场前景。

在多点触控技术领域，现有的实现方法包括基于电容的透明介质触摸面板(如专利申请号200580011740.4，公开号CN1942853)、基于双目立体视觉的多点触摸方法(如专利申请号200810201934.6，公开号CN101393497)、基于声波定位的多点触摸屏装置(如专利申请号200810007915.X，公开号CN101251785)，以及基于计算机视觉识别的多点触控屏幕技术几大类。本发明提出的技术隶属于最后一类。

基于计算机视觉识别的多点触控技术主要原理为：接触显示屏幕表面的手指或触控笔尖端会干预预先布设的光源发出的光路，并体现在在触点处产生光亮变化；该变化可被摄像机或其它感光设备捕获，并能够经过视觉识别技术计算出多个触点的位置。在这一大类技术中，根据光源及感光设备的放置位置不同，已有专利及实现包括沿屏幕侧边给光，屏幕后方放置摄像机的受抑全反射技术(专利申请号200810065714.5，公开号CN101231450)、沿矩形屏幕的一条长边和一条短边发射红外信号，沿另外两边安装红外接收装置的技术(专利申请号200710031082.6，公开号CN101149656)、沿矩形屏幕的四周安装红外发光带，在屏幕四角安装线阵图像传感器的技术(专利申请号200810024770.4，公开号CN101271372)，以及在屏幕后侧同时安置红外光源和摄像机的技术(专利申请号200820127898.9，公开号CN201234731)。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于线阵激光的多点触发方法及其系统。

本发明中所述多点触发方法的特征在于，依次含有以下步骤：

步骤1.在投影屏幕面对人眼方向的前侧且紧靠所述投影屏幕的四角处，安放发射波长为不可见光波段的四个线阵激光器，其线阵辐射角为90度，所述各线阵激光器的纵轴与所述投影屏幕上各边的夹角均为45度，使所述各线阵激光器发射的扇形光面均能覆盖所述整个投影屏幕；

步骤2.调整所述各线阵激光器的扇形光面，使得均与所述投影屏幕表面平行；

步骤3.调整所述各线阵激光器的位置，使得所发射的各扇形光面共面；

步骤4.在所述扇形光面的范围内，用多只手指或触控笔触摸所述投影屏幕，所述扇形光面被所述多只手指穿越，导致光路受阻，并沿着所述扇形光面的横截面的边缘散射产生散射光点以指示多个手指或触控笔在所述投影屏幕上的触控位置。

本发明中所述多点触发系统的特征在于，含有：计算机、投影仪、投影屏幕、摄像机及四个线阵激光器，其中：

四个线阵激光器，位于所述投影屏幕面对人眼方向的前侧且靠近该投影屏幕的四角处，所述各线阵激光器的线阵辐射角为90度，所述各线阵激光器的纵轴与所述投影屏幕各边的夹角均为45度，每一个所述线阵激光器发出的扇形光面均平行且紧贴于所述投影屏幕前侧表面，所有四个素数线阵激光器发出的扇形光面共面，而所述个线阵激光器的发射波长都在不可见光段；

计算机，位于所述投影屏幕后侧，机箱连接一个投影仪，所述摄像机位于所述计算机和投影屏幕间，靠近所述投影屏幕，在该摄像机镜头上加装一个对应于所述线阵激光器波长的滤光片。

本发明提出一种基于线阵激光的多点触控信号触发方式，通过在屏幕边缘前侧(人眼与屏幕间)布设线阵激光并使其射出的光面平行并紧贴于屏幕表面，多只手指及触控笔在触摸屏幕时将穿越光面并沿阻挡光路的指尖及触控笔尖边缘将光散射产生高亮光点，该光点可被放置于屏幕后侧的摄像机获取并经视觉算法识别成多点触控的触点信号。本发明提出的方法优点在于多点触控信号亮度强，由此带来视觉识别精度的大幅提高；同时，依该方法制造的多点触控系统成本小、施工复杂度低，并可支持部署对角线长度大于200英寸的超大幅面多点触控屏幕。

附图说明

图1是本发明所述的基于线阵激光的多点触发方法的原理插图；

图2是本发明所述的基于线阵激光的多点触发方法的一个实现装置；

图3是本发明所述的基于线阵激光的多点触发系统示意图；

图4是本发明所述的多点触发系统数据流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提出的基于线阵激光的多点触控信号触发方法及系统的原理及具体实施方式作进一步的说明。

附图1指示了本发明所述的基于线阵激光的多点触控信号触发方法的原理。所述方法由线阵激光发射器实现，具体步骤为：将线阵激光器置于投影屏幕边缘并使发光端指向屏幕，通过微调线阵激光器的位置使其发射的扇形光面平行并紧贴于屏幕表面。当没有手指或触控笔接触屏幕时，激光器发射的光面在屏幕正上方区域可不受阻挡通过；当手指(图中标号2)及触控笔接触屏幕时，激光面将被手指及触控笔穿越，由此导致受阻挡光路沿指尖及触控笔尖边缘散射，产生高亮光点(图中标号1)。该高亮光点可准确指示各个触点的位置，并可被置于屏幕后端、指向屏幕的摄像机拍摄到；含有触点位置信号的摄像头图像进而可经过计算机视觉算法识别得到含有总触点数量及各触点位置和大小的多点触控消息发送给计算主机上的操作系统。

本发明所述的多点触发方法中应注意的问题有：1)遮挡问题：当触摸屏幕的两只手指的触点与激光器发光口三点共线时，距激光器较远的手指可能被距激光器较近的手指遮挡导致前者无法触发触控信号。对此，在实际系统中可同时将多只线阵激光发射器放置在屏幕边缘的不同位置，使每只线阵激光发射器射出的扇形光面都平行并紧贴于显示屏幕表面，同时经过调校使各发射器射出的的激光面共面；这样，接触屏幕的每只手指和触摸笔均可被一个或多个激光发射器直接照射并触发触控信号。2)光污染问题：触点处散射生成的高亮光点可能会影响屏幕的正常使用及视觉效果。对此，在实际系统中可选用发射波长为不可见光波段的线阵激光器(如波长为850纳米的红外线阵激光器)，并在摄像机镜头前加装对应波长的滤光片；这样，手指及触控笔产生的多点触控信号对人眼透明，不影响投影屏幕的正常使用，并可被摄像头清晰拍摄。

附图2描述了本发明所述的基于线阵激光的多点触发方法的一个实现装置。该装置使用四只波长为850纳米的红外线阵激光器并配有保护电路，每只红外线阵激光器的输入电压为5伏，发光功率为200毫瓦，激光扇面幅角为90度；四只激光器分别置于大小为90厘米x70厘米的屏幕四角，激光器纵轴与屏幕各边的夹角为45度，从而保证每只激光器发射的光面均可覆盖整个屏幕；各激光器的发光扇面经调校与屏幕表面平行，并高于屏幕表面2毫米；整个装置由220伏50赫兹的市电供电，经交流直流转换后的5伏稳压电源连接四只激光器。

附图3为本发明所述的基于线阵激光的多点触发系统示意图。本发明提出的多点触发系统由计算主机及软件程序(图中标号3)、投影屏幕(图中标号6)、投影仪(图中标号4)、光学摄像机(图中标号5)和线阵激光发射器(图中标号1)等主要部件组成，具体硬件安装及连接方法为：按本发明提出的多点触控信号触发方法沿投影屏幕边缘布设线阵激光发射器(图中标号2)；在屏幕后方(与人眼异侧)放置投影仪及光学摄像机，使投影仪的投射内容成像在投影屏幕上，并使投影屏幕处于光学摄像机的可视范围内；将将投影仪及光学摄像机与计算主机相连。在系统工作时，计算主机上同时运行触点检测程序和多点触控应用程序：前者接收光学摄像机以固定频率发送的拍摄图像，并对其进行多点触控信号检测，检测结果以该时刻触点数量、各触点的大小和位置形式发送到主机上多点触控程序；多点触控应用程序接收触点检测程序的多点输入消息，并按用户需求定制实现多点触控的功能。

一个基于本发明所述系统制作的多点触控交互桌面系统实现如下：桌面箱体长100厘米、宽75厘米、高80厘米；箱体内置PC主机一台，CPU型号IntelDuo Core E7400、内存4G、硬盘500G、显卡为GeForce 8500GT，主机内运行Windows XP Profession操作系统；箱体内置3M SCP720型号投影仪，通过VGA接口与计算主机相连，投影分辨率为1024x768；箱体内置Point Grey Dragonfly II型号摄像头并加装广角镜头和850纳米滤光片，通过1394接口与主机相连，并以30赫兹频率向主机发送分辨率为648x488的8位灰度视频图像；镶嵌在桌体上部的投影屏幕为钢化玻璃材质，长90厘米、宽70厘米、厚5毫米，外侧喷涂散射屏幕材料；投影屏幕四角分别安装850纳米红外线阵激光器(配有保护电路)，每只红外线阵激光器的输入电压5伏、发光功率200毫瓦、线阵幅射角为90度，激光器纵轴与屏幕各边的夹角均为45度，从而保证每只激光器发射的光面均可覆盖整个屏幕，各激光器的发光扇面经调校与屏幕表面平行，并高于屏幕表面2毫米。

附图4为发明所述多点触发系统中的数据流程图。在本发明所述的多点触发系统中，计算主机上运行的触点检测程序接收摄像头以30赫兹频率发送的8位灰度、648x488分辨率视频图像，经动态阈值化处理后转化为同分辨率下的1位黑白二值图像；该二值图像经过连通域检测算法得到的各个连通域即为当前用户手指及触控笔的触点，触点检测程序以<时间戳，当前触点个数，第一触点中心位置，第一触点面积，第二触点中心位置，第二触点面积，...>数据格式向同在计算主机上运行的多点触控应用程序发送用户输入消息；多点触控应用程序以分辨率为1024x768的24位彩色图像格式向投影仪输出频率为60赫兹的显示信号。

Claims

1.一种基于线阵激光的多点触发方法，其特征在于，依次含有以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于线阵激光的多点触发方法，其特征在于，在步骤4中产生的散射光点被位于所述投影屏幕后侧的摄像机镜头接收，在所述摄像机镜头前加装一个对应于所述线阵激光波长的滤光片。

3.根据权利要求2所述的一种基于线阵激光的多点触发方法，其特征在于，所述摄像机镜头所摄取的所有散射光点经过光电传感器及算法后输入到一个计算机中。

4.一种基于线阵激光的多点触发方法而提出的系统，其特征在于，含有：计算机、投影仪、投影屏幕、摄像机及四个线阵激光器，其中：

四个线阵激光器，位于所述投影屏幕面对人眼方向的前侧且靠近该投影屏幕的四角处，所述各线阵激光器的线阵辐射角为90度，所述各线阵激光器的纵轴与所述投影屏幕各边的夹角均为45度，每一个所述线阵激光器发出的扇形光面均平行且紧贴于所述投影屏幕前侧表面，所有四个素数线阵激光器发出的扇形光面共面，而所述个线阵激光器的发射波长都在不可见光段；计算机，位于所述投影屏幕后侧，机箱连接一个投影仪，所述摄像机位于所述计算机和投影屏幕间，靠近所述投影屏幕，在该摄像机镜头上加装一个对应于所述线阵激光器波长的滤光片。