【摘要】在多媒體投影屏幕上方兩角安裝紅外接收處理器，并給教師配備一支書寫時(shí)可發(fā)射紅外光的書寫教鞭，將多媒體投影教學(xué)設(shè)備變成大屏幕的觸摸屏，便于教師開展教學(xué)活動(dòng)，與學(xué)生互動(dòng)交流，直接在投影屏幕上操作計(jì)算機(jī)，并進(jìn)行各種注釋書寫操作。

【關(guān)鍵詞】多媒體投影;觸摸屏;紅外;大屏幕;定位

【中圖分類號(hào)】G40-057 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【論文編號(hào)】1009—8097(2010)04—0153—04

引言

近年來隨著教育信息化的發(fā)展，多媒體教室已經(jīng)進(jìn)入絕大多數(shù)學(xué)校，力圖用投影屏幕代替?zhèn)鹘y(tǒng)黑板，克服傳統(tǒng)課堂教學(xué)的弊端。然而事實(shí)表明現(xiàn)有的多媒體投影屏幕只是被用作單向的顯示媒體，教師利用多媒體制作工具制作課件，在課堂上進(jìn)行播放，有條件的教師可以用激光筆對(duì)演示文稿進(jìn)行遠(yuǎn)距離的上翻下翻操作，但如果要打開某應(yīng)用程序或某軟件進(jìn)行演示，教師必須回到計(jì)算機(jī)控制臺(tái)前。忙碌于控制臺(tái)和投影屏幕之間的教師沒有更多的精力與學(xué)生互動(dòng)交流，影響了教學(xué)的效率和質(zhì)量。本文提出一種創(chuàng)新方案，對(duì)多媒體投影教學(xué)設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，使其成為大屏幕觸摸屏。教師在教學(xué)過程中，可以一邊講解，一邊利用特制的書寫教鞭在投影屏幕上進(jìn)行點(diǎn)、圈、拖放、添加注解、任意書寫教學(xué)信息等操作，也可以隨時(shí)在投影屏幕上直接操作計(jì)算機(jī)，從而使教師授課輕松自如，充分發(fā)揮自己的肢體語言，實(shí)現(xiàn)師生之間情感交流。

一 現(xiàn)有技術(shù)

要將多媒體投影屏幕變成大屏幕觸摸屏，而又不完全舍棄投影屏幕，可以采用的方法有增設(shè)超聲波和紅外信號(hào)聯(lián)合定位的傳感器[1]、激光定位傳感器[2]或圖像識(shí)別定位傳感器，并配備特制的書寫筆或教鞭。

超聲波和紅外信號(hào)聯(lián)合定位的傳感器以紅外信號(hào)作為系統(tǒng)時(shí)間基準(zhǔn)，由超聲波在屏幕區(qū)域內(nèi)的傳播時(shí)間確定書寫筆與傳感器的距離，最終得到書寫筆在屏幕上的坐標(biāo)。該技術(shù)由于使用超聲波計(jì)算時(shí)延，定位精度受溫度影響。

激光定位傳感器以恒定的轉(zhuǎn)速掃描書寫筆，由于書寫筆上安裝有用激光自反射材料制成的套環(huán)，所以掃描到書寫筆后掃描激光將原路返回，激光定位傳感器從激光反射信息中提取書寫筆的定位信息，確定書寫筆的運(yùn)動(dòng)軌跡。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度較大，因此造價(jià)很高，美國(guó)的SOFTBOARD就是采用此技術(shù)實(shí)現(xiàn)的產(chǎn)品。

圖像識(shí)別定位傳感器，一般由光學(xué)鏡頭、圖像傳感器組成，有的還配有濾光片。根據(jù)圖像傳感器的位置可分為圖像傳感器前置型、圖像傳感器后置型、表面圖像傳感器型。根據(jù)圖像傳感器類型又可分為面陣圖像傳感器型(包括圖像傳感器前置型、圖像傳感器后置型)和線型圖像傳感器型(對(duì)應(yīng)表面圖像傳感器型)。SmartBoard公司提供前置、后置型產(chǎn)品，產(chǎn)品集成度很高，包括屏幕、攝像機(jī)和投影儀等，且價(jià)格昂貴，最貴的高達(dá)30萬元。

圖像傳感器前置型[3-11]是指圖像傳感器置于屏幕的正前方，通過光學(xué)鏡頭采集包含書寫筆在內(nèi)的屏幕圖像，對(duì)書寫筆進(jìn)行識(shí)別，再進(jìn)行圖像畸變校正和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換將圖像中坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為屏幕坐標(biāo)，從而定位書寫筆。缺點(diǎn):教師在使用書寫筆或教鞭觸摸時(shí)遮擋屏幕，可能造成無法觸摸或不方便觸摸或觸摸定位困難;改進(jìn)策略:使用紅色激光筆代替觸摸物，遠(yuǎn)距離指示，避免教師的遮擋，同時(shí)在圖像傳感器前配有紅色濾波片便于識(shí)別圖像中的由紅色激光筆產(chǎn)生的激光點(diǎn)[12]，但是屏幕本身顯示的內(nèi)容中也會(huì)有紅色亮點(diǎn)，造成干擾，以致無法正確定位;改進(jìn)策略:使用紅外光筆代替紅色激光筆，同時(shí)圖像傳感器前配紅外濾光片識(shí)別圖像中由紅外光筆產(chǎn)生的光點(diǎn)[13]。

圖像傳感器前置型的定位分手動(dòng)式[7][8]和自動(dòng)式[14]兩種。手動(dòng)式首先需要進(jìn)行一次人工的坐標(biāo)采樣工作:逐點(diǎn)在屏幕上顯示一組均勻分布的M行N列特征點(diǎn)，等待教師在每一個(gè)特征點(diǎn)上按下書寫筆，由圖像傳感器通過光學(xué)鏡頭采集這組點(diǎn)在圖像中的位置，計(jì)算機(jī)記錄下圖像坐標(biāo)與屏幕坐標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，用數(shù)值方法來求得屏幕上任意一點(diǎn)的圖像坐標(biāo)到屏幕坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換。自動(dòng)式分為坐標(biāo)初校準(zhǔn)和正常工作兩個(gè)過程。在坐標(biāo)初校準(zhǔn)時(shí)，由圖像傳感器通過光學(xué)鏡頭采集屏幕圖像確定圖像坐標(biāo)與屏幕坐標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系;而在正常工作時(shí)，由配置了濾光片的圖像傳感器提取光點(diǎn)位置，并依據(jù)已經(jīng)獲得的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。光筆的發(fā)光為與所述濾光片相對(duì)應(yīng)的紅外或紫外光。

圖像傳感器后置型[15-19]指的是圖像傳感器置于屏幕的背面，先通過光學(xué)鏡頭采集屏幕無書寫筆或教鞭觸摸時(shí)的初始圖像，當(dāng)教師觸摸時(shí)，接觸部分把屏幕上方照射下來的光線擋住，產(chǎn)生暗點(diǎn)。計(jì)算機(jī)控制器把當(dāng)前觸摸圖像與初始圖像進(jìn)行相減剔除背景，得到產(chǎn)生暗點(diǎn)的幾個(gè)區(qū)域，然后對(duì)這些區(qū)域進(jìn)行去噪點(diǎn)，增加對(duì)比度，腐蝕膨脹等處理，最后根據(jù)特定的閾值得到多個(gè)形狀規(guī)則的區(qū)域，這多個(gè)區(qū)域就是觸摸點(diǎn)在整幅圖像中的位置。缺點(diǎn):容易受到外界環(huán)境光的干擾。改進(jìn)策略:使用紅外光筆，利用圖像處理的方法從配置透紅外濾可見光的濾光片的圖像傳感器采集的圖像中計(jì)算出書寫筆的位置，并跟蹤書寫筆的位置移動(dòng)。缺點(diǎn):屏幕必須可透過成像光波。

表面圖像傳感器型指的是圖像傳感器置于屏幕的表面，即光學(xué)鏡頭垂直于屏幕平面。在屏幕的同側(cè)兩個(gè)角上安裝圖像傳感器，其平行于屏幕方向上的視角為90度，覆蓋整個(gè)屏幕，垂直于屏幕方向上的視角保證書寫筆或教鞭在圖像傳感器的視角內(nèi)。系統(tǒng)工作時(shí)，屏幕發(fā)出的光通過光學(xué)鏡頭在圖像傳感器上成像，成的像是一條連續(xù)的直線段，當(dāng)書寫筆觸摸屏幕時(shí)，連續(xù)的直線段中間會(huì)有中斷的陰影，根據(jù)陰影在連續(xù)直線段上的相對(duì)位置與圖像傳感器的物理位置和角度以及光學(xué)鏡頭和圖像傳感器之間的相對(duì)距離可以計(jì)算出書寫筆到兩個(gè)圖像傳感器的入射角度，遵循平面上兩條直線相交有且只有一個(gè)交點(diǎn)的數(shù)學(xué)原理，利用線性方法計(jì)算得到觸摸物的位置、大小[20-22]。缺點(diǎn):當(dāng)書寫筆離兩個(gè)圖像傳感器的連線較近時(shí)，由于三角形趨向于一條直線，會(huì)造成定位精度降低;圖像傳感器的圖像感應(yīng)區(qū)域?yàn)殄F形結(jié)構(gòu)，當(dāng)書寫筆離圖像傳感器越近，其在圖像感應(yīng)區(qū)域中的比例會(huì)越大，以致于書寫筆的輕微移動(dòng)都會(huì)引起定位的巨大偏差;且書寫筆離圖像傳感器太近，圖像傳感器聚焦困難，也會(huì)影響書寫筆位置的判定。改進(jìn)策略:至少在屏幕的三個(gè)角上安裝圖像傳感器，系統(tǒng)選定初定位圖像傳感器，將屏幕分區(qū)并設(shè)定坐標(biāo)，根據(jù)初定位提供的信息確定大概中心位置，再選定精確定位圖像傳感器，進(jìn)行精確定位，確保任意位置都是由兩個(gè)不同位置圖像傳感器的遠(yuǎn)場(chǎng)圖像信息來確定[23-26]。缺點(diǎn):書寫筆由于表面的反光程度和圖像傳感器的距離等不確定性致使在圖像傳感器上不易直接識(shí)別。改進(jìn)策略:使用發(fā)光帶參照物對(duì)書寫筆進(jìn)行定位[27]。圖像傳感器除了安裝在屏幕的角上，還可以安裝在屏幕的邊上，由于圖像傳感器視角有一定的范圍，因此為覆蓋整個(gè)屏幕，采用安裝在屏幕的邊上的策略時(shí)，需要增加圖像采集裝置，必須在屏幕的每邊上都安裝圖像傳感器[28][29]。

二 設(shè)計(jì)方案

在投影屏幕的上方兩角安裝紅外接收處理器，通過USB接口連接主控臺(tái)計(jì)算機(jī)，給教師配上一支書寫時(shí)可發(fā)射紅外光的書寫教鞭，這樣多媒體投影屏幕可以成為大屏幕觸摸屏，如圖1所示。教師使用書寫教鞭在多媒體投影屏幕上控制計(jì)算機(jī)，并進(jìn)行點(diǎn)、圈、拖放、添加注解、任意書寫教學(xué)信息等操作。

紅外接收處理器由固定設(shè)置的光敏元件、勻速旋轉(zhuǎn)的紅外反光鏡面和基準(zhǔn)時(shí)刻紅外發(fā)射器組成?；鶞?zhǔn)時(shí)刻紅外發(fā)射器采用LED紅外發(fā)光二極管，持續(xù)發(fā)射紅外光，用來作為系統(tǒng)時(shí)間基準(zhǔn)。紅外反光鏡面是設(shè)置在勻速旋轉(zhuǎn)的電機(jī)轉(zhuǎn)軸軸套上的一個(gè)或多個(gè)紅外反光切面，用于反射教鞭書寫時(shí)發(fā)射的書寫紅外光和對(duì)稱設(shè)置的另一個(gè)紅外接收處理器中的基準(zhǔn)時(shí)刻紅外發(fā)射器持續(xù)發(fā)射的基準(zhǔn)紅外光;光敏元件在其所處的固定位置上接收勻速旋轉(zhuǎn)的紅外反光鏡面反射的紅外光，輸出電壓脈沖信號(hào)序列?；鶞?zhǔn)時(shí)刻紅外發(fā)射器持續(xù)發(fā)射的基準(zhǔn)紅外光經(jīng)勻速旋轉(zhuǎn)的紅外反光鏡面反射至光敏元件后輸出以時(shí)間周期為 的基準(zhǔn)電壓脈沖信號(hào)，以所述基準(zhǔn)電壓脈沖信號(hào)出現(xiàn)的時(shí)刻為基準(zhǔn)時(shí)刻;書寫筆書寫時(shí)發(fā)射的書寫紅外光經(jīng)勻速旋轉(zhuǎn)的紅外反光鏡面反射至光敏元件后輸出書寫筆電壓脈沖信號(hào)，根據(jù)所述書寫筆電壓脈沖信號(hào)出現(xiàn)的時(shí)刻與最接近的基準(zhǔn)時(shí)刻的時(shí)間差，獲得書寫筆與兩個(gè)紅外反光鏡面的中心連線偏離對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)時(shí)刻紅外發(fā)射器與紅外反光鏡面的中心連線的角度，由這兩個(gè)角度確定書寫教鞭在投影屏幕中的位置，實(shí)現(xiàn)書寫教鞭在投影屏幕上的書寫和控制功能。

三 實(shí)現(xiàn)原理

設(shè)定光敏元件輸出的電壓脈沖信號(hào)序列為:

(1)

式(1)中， 是由基準(zhǔn)時(shí)刻紅外發(fā)射器持續(xù)發(fā)射的基準(zhǔn)紅外光經(jīng)勻速旋轉(zhuǎn)的紅外反光鏡面反射至光敏元件，在光敏元件中輸出的以 為周期的基準(zhǔn)電壓脈沖信號(hào)，m為紅外反光鏡面的個(gè)數(shù)，n為勻速旋轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速;以 出現(xiàn)的時(shí)刻為基準(zhǔn)時(shí)刻; 是書寫教鞭在書寫時(shí)發(fā)出的書寫紅外光經(jīng)勻速旋轉(zhuǎn)的紅外反光鏡面反射至光敏元件，在光敏元件中輸出的書寫教鞭電壓脈沖信號(hào)。由書寫教鞭與左紅外反光鏡面中心連線偏離右基準(zhǔn)時(shí)刻紅外發(fā)射器與左紅外反光鏡面中心連線的角度α和書寫教鞭與右紅外反光鏡面中心連線偏離左基準(zhǔn)時(shí)刻紅外發(fā)射器與右紅外反光鏡面中心連線的角度β，確定書寫教鞭在投影屏幕中的位置，方法如下:

以投影屏幕左上角所在位置為坐標(biāo)原點(diǎn)，以投影屏幕上邊沿所在直線為x軸，取向右方向?yàn)檎较?，以垂直于x軸方向?yàn)閥軸，取向下方向?yàn)檎较?，建立平面直角坐?biāo)系。以左紅外接收處理器為例，如圖2所示，定義左紅外反光鏡面中心為A點(diǎn) ，投影屏幕左下角為B點(diǎn) ，投影屏幕右上角為C點(diǎn) ，投影屏幕右下角為D點(diǎn) ，右基準(zhǔn)時(shí)刻紅外發(fā)射器為E點(diǎn)。初始定位時(shí)，由書寫教鞭在投影屏幕的B、C、D處點(diǎn)一下，由左光敏元件輸出電壓脈沖信號(hào)中相鄰兩個(gè)脈沖信號(hào)的時(shí)間差 通過公式:

(2)

分別計(jì)算 、 和 ，再由 和 通過余弦定理得到A點(diǎn)的一條軌跡方程:

(3)

該軌跡方程是y關(guān)于x的隱函數(shù) ，同理由 和 根據(jù)余弦定理得到A點(diǎn)的另一條軌跡方程:

(4)

該軌跡方程是y關(guān)于x的隱函數(shù) ，兩軌跡相交的交點(diǎn)處于投影屏幕左上角范圍內(nèi)的即為A點(diǎn)位置;再由計(jì)算得到的A點(diǎn)坐標(biāo) 、C點(diǎn)坐標(biāo) 得到左紅外反光鏡面中心與投影屏幕右上角連線的直線方程:

(5)

按照同樣方法計(jì)算右紅外反光鏡面中心點(diǎn)位置及其右紅外反光鏡面中心與投影屏幕左上角連線的直線方程 。

初始定位完成后，當(dāng)書寫教鞭進(jìn)行書寫時(shí)，由左光敏元件輸出電壓脈沖信號(hào)中相鄰的兩個(gè)脈沖信號(hào)的時(shí)間差為 ，通過公式(2)計(jì)算書寫教鞭與左紅外反光鏡面中心連線偏離右基準(zhǔn)時(shí)刻紅外發(fā)射器與左紅外反光鏡面中心連線的角度α，由 和直線方程 確定書寫教鞭在投影屏幕平面內(nèi)的一條直線軌跡方程:

(6)

同理由右光敏元件輸出電壓脈沖信號(hào)中相鄰兩個(gè)脈沖信號(hào)的時(shí)間差為 ，通過公式(2)計(jì)算書寫教鞭與右紅外反光鏡面中心連線偏離左基準(zhǔn)時(shí)刻紅外發(fā)射器與右紅外反光鏡面中心連線的角度β，由于紅外接收處理器對(duì)稱安裝，因此由 和直線方程 確定書寫教鞭在投影屏幕平面內(nèi)的另一條直線軌跡方程 ，兩條直線方程 和 相交，得到書寫教鞭在投影屏幕內(nèi)的坐標(biāo)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)投影屏幕的觸摸和書寫功能。

四 總結(jié)

利用勻速旋轉(zhuǎn)的紅外反光鏡面反射書寫教鞭書寫時(shí)發(fā)射的紅外光至光敏元件，由光敏元件輸出的電壓脈沖之間的時(shí)間差計(jì)算書寫教鞭在投影屏幕上的具體位置，準(zhǔn)確定位，將多媒體投影教學(xué)設(shè)備改進(jìn)為大屏幕觸摸屏，便于教師在投影屏幕上使用書寫教鞭直接操作計(jì)算機(jī)，并進(jìn)行各種注釋操作，可提高多媒體課堂教學(xué)質(zhì)量。比起市場(chǎng)上現(xiàn)有的電子白板，其優(yōu)點(diǎn)在于不必重新購(gòu)置價(jià)格昂貴且集成度很高的產(chǎn)品，可有效減少校方的財(cái)政支出。

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