【摘要】在多媒体投影屏幕上方两角安装红外接收处理器,并给教师配备一支书写时可发射红外光的书写教鞭,将多媒体投影教学设备变成大屏幕的触摸屏,便于教师开展教学活动,与学生互动交流,直接在投影屏幕上操作计算机,并进行各种注释书写操作。
【关键词】多媒体投影;触摸屏;红外;大屏幕;定位
【中图分类号】G40-057 【文献标识码】A 【论文编号】1009―8097(2010)04―0153―04
引言
近年来随着教育信息化的发展,多媒体教室已经进入绝大多数学校,力图用投影屏幕代替传统黑板,克服传统课堂教学的弊端。然而事实表明现有的多媒体投影屏幕只是被用作单向的显示媒体,教师利用多媒体制作工具制作课件,在课堂上进行播放,有条件的教师可以用激光笔对演示文稿进行远距离的上翻下翻操作,但如果要打开某应用程序或某软件进行演示,教师必须回到计算机控制台前。忙碌于控制台和投影屏幕之间的教师没有更多的精力与学生互动交流,影响了教学的效率和质量。本文提出一种创新方案,对多媒体投影教学设备进行改进,使其成为大屏幕触摸屏。教师在教学过程中,可以一边讲解,一边利用特制的书写教鞭在投影屏幕上进行点、圈、拖放、添加注解、任意书写教学信息等操作,也可以随时在投影屏幕上直接操作计算机,从而使教师授课轻松自如,充分发挥自己的肢体语言,实现师生之间情感交流。
一 现有技术
要将多媒体投影屏幕变成大屏幕触摸屏,而又不完全舍弃投影屏幕,可以采用的方法有增设超声波和红外信号联合定位的传感器[1]、激光定位传感器[2]或图像识别定位传感器,并配备特制的书写笔或教鞭。
超声波和红外信号联合定位的传感器以红外信号作为系统时间基准,由超声波在屏幕区域内的传播时间确定书写笔与传感器的距离,最终得到书写笔在屏幕上的坐标。该技术由于使用超声波计算时延,定位精度受温度影响。
激光定位传感器以恒定的转速扫描书写笔,由于书写笔上安装有用激光自反射材料制成的套环,所以扫描到书写笔后扫描激光将原路返回,激光定位传感器从激光反射信息中提取书写笔的定位信息,确定书写笔的运动轨迹。该技术实现难度较大,因此造价很高,美国的SOFTBOARD就是采用此技术实现的产品。
图像识别定位传感器,一般由光学镜头、图像传感器组成,有的还配有滤光片。根据图像传感器的位置可分为图像传感器前置型、图像传感器后置型、表面图像传感器型。根据图像传感器类型又可分为面阵图像传感器型(包括图像传感器前置型、图像传感器后置型)和线型图像传感器型(对应表面图像传感器型)。SmartBoard公司提供前置、后置型产品,产品集成度很高,包括屏幕、摄像机和投影仪等,且价格昂贵,最贵的高达30万元。
图像传感器前置型[3-11]是指图像传感器置于屏幕的正前方,通过光学镜头采集包含书写笔在内的屏幕图像,对书写笔进行识别,再进行图像畸变校正和坐标转换将图像中坐标转换为屏幕坐标,从而定位书写笔。缺点:教师在使用书写笔或教鞭触摸时遮挡屏幕,可能造成无法触摸或不方便触摸或触摸定位困难;改进策略:使用红色激光笔代替触摸物,远距离指示,避免教师的遮挡,同时在图像传感器前配有红色滤波片便于识别图像中的由红色激光笔产生的激光点[12],但是屏幕本身显示的内容中也会有红色亮点,造成干扰,以致无法正确定位;改进策略:使用红外光笔代替红色激光笔,同时图像传感器前配红外滤光片识别图像中由红外光笔产生的光点[13]。
图像传感器前置型的定位分手动式[7][8]和自动式[14]两种。手动式首先需要进行一次人工的坐标采样工作:逐点在屏幕上显示一组均匀分布的M行N列特征点,等待教师在每一个特征点上按下书写笔,由图像传感器通过光学镜头采集这组点在图像中的位置,计算机记录下图像坐标与屏幕坐标的对应关系,用数值方法来求得屏幕上任意一点的图像坐标到屏幕坐标的转换。自动式分为坐标初校准和正常工作两个过程。在坐标初校准时,由图像传感器通过光学镜头采集屏幕图像确定图像坐标与屏幕坐标的对应关系;而在正常工作时,由配置了滤光片的图像传感器提取光点位置,并依据已经获得的对应关系进行坐标转换。光笔的发光为与所述滤光片相对应的红外或紫外光。
图像传感器后置型[15-19]指的是图像传感器置于屏幕的背面,先通过光学镜头采集屏幕无书写笔或教鞭触摸时的初始图像,当教师触摸时,接触部分把屏幕上方照射下来的光线挡住,产生暗点。计算机控制器把当前触摸图像与初始图像进行相减剔除背景,得到产生暗点的几个区域,然后对这些区域进行去噪点,增加对比度,腐蚀膨胀等处理,最后根据特定的阈值得到多个形状规则的区域,这多个区域就是触摸点在整幅图像中的位置。缺点:容易受到外界环境光的干扰。改进策略:使用红外光笔,利用图像处理的方法从配置透红外滤可见光的滤光片的图像传感器采集的图像中计算出书写笔的位置,并跟踪书写笔的位置移动。缺点:屏幕必须可透过成像光波。
表面图像传感器型指的是图像传感器置于屏幕的表面,即光学镜头垂直于屏幕平面。在屏幕的同侧两个角上安装图像传感器,其平行于屏幕方向上的视角为90度,覆盖整个屏幕,垂直于屏幕方向上的视角保证书写笔或教鞭在图像传感器的视角内。系统工作时,屏幕发出的光通过光学镜头在图像传感器上成像,成的像是一条连续的直线段,当书写笔触摸屏幕时,连续的直线段中间会有中断的阴影,根据阴影在连续直线段上的相对位置与图像传感器的物理位置和角度以及光学镜头和图像传感器之间的相对距离可以计算出书写笔到两个图像传感器的入射角度,遵循平面上两条直线相交有且只有一个交点的数学原理,利用线性方法计算得到触摸物的位置、大小[20-22]。缺点:当书写笔离两个图像传感器的连线较近时,由于三角形趋向于一条直线,会造成定位精度降低;图像传感器的图像感应区域为锥形结构,当书写笔离图像传感器越近,其在图像感应区域中的比例会越大,以致于书写笔的轻微移动都会引起定位的巨大偏差;且书写笔离图像传感器太近,图像传感器聚焦困难,也会影响书写笔位置的判定。改进策略:至少在屏幕的三个角上安装图像传感器,系统选定初定位图像传感器,将屏幕分区并设定坐标,根据初定位提供的信息确定大概中心位置,再选定精确定位图像传感器,进行精确定位,确保任意位置都是由两个不同位置图像传感器的远场图像信息来确定[23-26]。缺点:书写笔由于表面的反光程度和图像传感器的距离等不确定性致使在图像传感器上不易直接识别。改进策略:使用发光带参照物对书写笔进行定位[27]。图像传感器除了安装在屏幕的角上,还可以安装在屏幕的边上,由于图像传感器视角有一定的范围,因此为覆盖整个屏幕,采用安装在屏幕的边上的策略时,需要增加图像采集装置,必须在屏幕的每边上都安装图像传感器[28][29]。
二 设计方案
在投影屏幕的上方两角安装红外接收处理器,通过USB接口连接主控台计算机,给教师配上一支书写时可发射红外光的书写教鞭,这样多媒体投影屏幕可以成为大屏幕触摸屏,如图1所示。教师使用书写教鞭在多媒体投影屏幕上控制计算机,并进行点、圈、拖放、添加注解、任意书写教学信息等操作。
红外接收处理器由固定设置的光敏元件、匀速旋转的红外反光镜面和基准时刻红外发射器组成。基准时刻红外发射器采用LED红外发光二极管,持续发射红外光,用来作为系统时间基准。红外反光镜面是设置在匀速旋转的电机转轴轴套上的一个或多个红外反光切面,用于反射教鞭书写时发射的书写红外光和对称设置的另一个红外接收处理器中的基准时刻红外发射器持续发射的基准红外光;光敏元件在其所处的固定位置上接收匀速旋转的红外反光镜面反射的红外光,输出电压脉冲信号序列。基准时刻红外发射器持续发射的基准红外光经匀速旋转的红外反光镜面反射至光敏元件后输出以时间周期为 的基准电压脉冲信号,以所述基准电压脉冲信号出现的时刻为基准时刻;书写笔书写时发射的书写红外光经匀速旋转的红外反光镜面反射至光敏元件后输出书写笔电压脉冲信号,根据所述书写笔电压脉冲信号出现的时刻与最接近的基准时刻的时间差,获得书写笔与两个红外反光镜面的中心连线偏离对应的基准时刻红外发射器与红外反光镜面的中心连线的角度,由这两个角度确定书写教鞭在投影屏幕中的位置,实现书写教鞭在投影屏幕上的书写和控制功能。
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三 实现原理
设定光敏元件输出的电压脉冲信号序列为:
(1)
式(1)中, 是由基准时刻红外发射器持续发射的基准红外光经匀速旋转的红外反光镜面反射至光敏元件,在光敏元件中输出的以 为周期的基准电压脉冲信号,m为红外反光镜面的个数,n为匀速旋转电机的转速;以 出现的时刻为基准时刻; 是书写教鞭在书写时发出的书写红外光经匀速旋转的红外反光镜面反射至光敏元件,在光敏元件中输出的书写教鞭电压脉冲信号。由书写教鞭与左红外反光镜面中心连线偏离右基准时刻红外发射器与左红外反光镜面中心连线的角度α和书写教鞭与右红外反光镜面中心连线偏离左基准时刻红外发射器与右红外反光镜面中心连线的角度β,确定书写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为坐标原点,以投影屏幕上边沿所在直线为x轴,取向右方向为正方向,以垂直于x轴方向为y轴,取向下方向为正方向,建立平面直角坐标系。以左红外接收处理器为例,如图2所示,定义左红外反光镜面中心为A点 ,投影屏幕左下角为B点 ,投影屏幕右上角为C点 ,投影屏幕右下角为D点 ,右基准时刻红外发射器为E点。初始定位时,由书写教鞭在投影屏幕的B、C、D处点一下,由左光敏元件输出电压脉冲信号中相邻两个脉冲信号的时间差 通过公式:
(2)
分别计算 、 和 ,再由 和 通过余弦定理得到A点的一条轨迹方程:
(3)
该轨迹方程是y关于x的隐函数 ,同理由 和 根据余弦定理得到A点的另一条轨迹方程:
(4)
该轨迹方程是y关于x的隐函数 ,两轨迹相交的交点处于投影屏幕左上角范围内的即为A点位置;再由计算得到的A点坐标 、C点坐标 得到左红外反光镜面中心与投影屏幕右上角连线的直线方程:
(5)
按照同样方法计算右红外反光镜面中心点位置及其右红外反光镜面中心与投影屏幕左上角连线的直线方程 。
初始定位完成后,当书写教鞭进行书写时,由左光敏元件输出电压脉冲信号中相邻的两个脉冲信号的时间差为 ,通过公式(2)计算书写教鞭与左红外反光镜面中心连线偏离右基准时刻红外发射器与左红外反光镜面中心连线的角度α,由 和直线方程 确定书写教鞭在投影屏幕平面内的一条直线轨迹方程:
(6)
同理由右光敏元件输出电压脉冲信号中相邻两个脉冲信号的时间差为 ,通过公式(2)计算书写教鞭与右红外反光镜面中心连线偏离左基准时刻红外发射器与右红外反光镜面中心连线的角度β,由于红外接收处理器对称安装,因此由 和直线方程 确定书写教鞭在投影屏幕平面内的另一条直线轨迹方程 ,两条直线方程 和 相交,得到书写教鞭在投影屏幕内的坐标,进而实现投影屏幕的触摸和书写功能。
四 总结
利用匀速旋转的红外反光镜面反射书写教鞭书写时发射的红外光至光敏元件,由光敏元件输出的电压脉冲之间的时间差计算书写教鞭在投影屏幕上的具体位置,准确定位,将多媒体投影教学设备改进为大屏幕触摸屏,便于教师在投影屏幕上使用书写教鞭直接操作计算机,并进行各种注释操作,可提高多媒体课堂教学质量。比起市场上现有的电子白板,其优点在于不必重新购置价格昂贵且集成度很高的产品,可有效减少校方的财政支出。
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