【正文】 ART Board 就是其中一種產(chǎn)品。如果能夠在 SMART Board 基礎(chǔ)上， 進行一定的改進，使系統(tǒng)能夠在交互筆書寫時實時得到交互筆的信息，就能夠 把產(chǎn)生的軌 跡和交互筆本身綁定起來，從而實現(xiàn)軌跡的區(qū)分，這就是本文要做 的工作。我們所要做的 工作是在交互筆書寫時給系統(tǒng)發(fā)一個信息，通過系統(tǒng)把這個交互筆信息和得到 的坐標(biāo)關(guān)聯(lián)起來，就可以實現(xiàn)軌跡的區(qū)分。但是并不是所有的檢測方式都適用在 這里。 交互筆接觸板面的信號檢測到以后 ， 就需要通過一定的方式傳送到計算機 上，系統(tǒng)才能真正收到交互筆接觸的信息。無線電波波長比紅外線要長一些，對障礙物的衍射能力比 較強，在各個方向上都能實現(xiàn)良好接收，很適合用在交互筆的信號傳送上。因此只能在每次書寫時發(fā)送一次接觸信號。至此就可以完成在 SMART Board 基礎(chǔ)上的軌跡區(qū)分。 另外雙攝像頭定位技術(shù)本身就是一項非常值得研究的課題，如果能夠?qū)崿F(xiàn)，就 可以應(yīng)用于更加廣泛的場合，如室內(nèi)物體定位等。 本文的工作建立在一支筆已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)定位的基礎(chǔ)上 ， 通過一定的算法改進 實現(xiàn)雙筆定位。 (4)雙筆同時書寫時，落筆不能完全同時，先后要大于一定 的 時間間隔。每次雙筆交互的過程都是從一支筆書寫到兩支筆書寫的過程，這就是 一個先驗知識。 當(dāng)然由于交互筆沒有在圖像上提供可以識別的標(biāo)志 ， 要做到不出任何錯誤同 時定位兩支筆坐標(biāo)是不可能實現(xiàn)的，無論采用什么算法都無法避免出錯。 論文的組織 在本文的引言中介紹了論文的研究背景 ， 并簡要介紹了論文的研究內(nèi)容和研 究方法。 其中第三章主要介紹基 于 SMART Board 的雙筆軌跡區(qū)分 ， 講述了基本的實現(xiàn)原理 ， 從供電模塊 、 無線 傳輸模塊、發(fā)送控制模塊、單片機固件編程 、 USB 信號接收模塊等五個部分詳 細介紹了硬件電路設(shè)計，最后介紹軟件設(shè)計。 第 6 頁 清華大學(xué)綜合論文訓(xùn)練 第二章 相關(guān)研究 普通觸摸屏技術(shù) 隨著多媒體信息查詢的與日俱增 ， 人們越來越多地 接觸到觸摸屏 ， 因為觸摸 屏作為一種最新的電腦輸入設(shè)備，它是目前最簡單、方便、自然而且實用的輸 入設(shè)備，觸摸屏具有堅固耐用、反應(yīng)速度快、節(jié)省空間、易于交流等許多優(yōu)點。 工作時 ， 人們必須首 先用手指或其 它物體觸摸安裝在顯示器前端的觸摸屏，然后系統(tǒng)根據(jù)手指觸摸 的圖標(biāo)或菜單位置來定位選擇信息輸入。 透明至少應(yīng)該包括四個特性 ： 透明度、 色彩失真度 、 反光性和清晰度 。 第 7 頁 清華大學(xué)綜合論文訓(xùn)練 觸摸屏是絕對坐標(biāo)系統(tǒng)，觸摸的位置與實際的定位應(yīng)該相同，與鼠標(biāo)這 類相對定位系統(tǒng)有本質(zhì)的區(qū)別 ， 一次到位的絕對坐標(biāo)系統(tǒng)更加簡便直觀 。 各種觸摸技術(shù)都是依靠各自的傳感器來工作的 ， 甚至有的觸摸屏本身就 是一套傳感器 。 被動的觸摸系統(tǒng)不需要 特殊的觸點去激活觸摸表面，用戶完全可以用手指或其他物體完成交互工作。 當(dāng)手指觸摸屏幕時 ， 平常相互絕緣的兩層導(dǎo)電層就在觸摸點位置有了一 個接觸 ， 觸點位置不同可以產(chǎn)生不同的電壓分布 ， 通過檢測電壓分布的情況 就可以得到觸點的坐標(biāo) 。 表面聲波式觸摸屏由玻璃平 板、超聲波發(fā)射和接收器組成，其中的玻璃平板只是一塊純粹的強化玻璃， 不需要任何貼膜和覆蓋層，因此具有較好的透明性能。 3． 電容式觸摸屏（ Capacitive） 電容式觸摸屏的構(gòu)造主要是在玻璃屏幕上鍍一層透明的薄膜體層 ， 再在 導(dǎo)體層外加上一塊保護玻璃 ， 雙玻璃設(shè)計能徹底保護導(dǎo)體層及感應(yīng)器 。 4． 紅外線式觸摸屏（ Infrared Light－ Emitting Diode） 紅外觸摸屏以光束阻斷技術(shù)為基本原理 ， 不需要在原來的顯示器表面覆 蓋任何材料 ， 而是在顯示屏幕的四周安放一個框架 。 主動型觸摸系統(tǒng) 主動式系統(tǒng)正好與被動式系統(tǒng)相反 ， 主動式系統(tǒng)不一定需要使用特殊的觸摸 板面，但是卻需要使用特殊的交互設(shè)備。 電磁式觸摸系統(tǒng)可以得到很高的分辨率 ， 非常適合用于需要精確定位的 項目 ， 如繪圖板 。 電磁式系統(tǒng)對特制 交互筆的依賴會在交互筆丟失的時候帶了很大 的麻煩。 3． 激光條碼式觸摸屏（ Laser/Bar Code） 這種系統(tǒng)中，采用激光掃描交互平面，傳感器接收反射的激光。另外由于需要使用特殊工藝的觸摸板面 來檢測物體的位置，被動式觸摸系統(tǒng)對顯 示的圖像影響很大，圖像質(zhì)量提高比 較困難。使用超聲波系統(tǒng)時，用戶還需要 采用特殊的握筆方式并且要施加足夠大的壓力才能使交互筆發(fā)送超聲波。 用于等離子顯示屏的 SMART Board 是一個交互式的觸摸屏，它能將等離子 顯示屏（ PDP）和計算機變成一個強有力的演示工 具和群體共享工具。用戶能夠在所有應(yīng)用程序上書寫，并保存，編輯和使用電子郵件發(fā)送批 注 。 利用 DViT 技術(shù)，用戶只需簡單地觸摸屏幕表面就可以控制計算機的應(yīng)用程序，瀏覽網(wǎng)站 第 12 頁 清華大學(xué)綜合論文訓(xùn)練 或者書寫注釋 。產(chǎn)生顏色信息的不是交互筆本身，而是放置交互筆的智能筆 架，智能筆架負責(zé)檢測當(dāng)前正在使用的交互筆的顏色。如果多支筆同時離開筆槽，系統(tǒng)就會以 最后離開的那支筆的顏色為準(zhǔn)，這也就是 SMART board 在多筆交互的時候無法 區(qū)分各筆顏色的原因，此時如果要區(qū)分顏色就需要改進交互筆，在其中增加發(fā) 送顏色信息的裝置。 DViT 技術(shù) SMART Board 實現(xiàn)交互筆定位功能使用了 DViT 技術(shù)。 當(dāng)然僅僅使用一個攝像頭獲取的角度是無法定位出物體的準(zhǔn)確位置 ， 別的攝 像頭也需要各自檢測物體獲取角 度，兩個攝像頭就可以準(zhǔn)確地定位一個物體。 第 15 頁 清華大學(xué)綜合論文訓(xùn)練 圖 22 DViT 定位原理 DViT 技術(shù)除了能準(zhǔn)確定位交互筆外，還有兩個額外的功能。 DViT 技術(shù)與其他觸摸技術(shù)的比較 DViT 技術(shù)的優(yōu)勢在于它非?？煽慷曳浅ｌ`活。傳統(tǒng)的觸摸屏 大多數(shù)需要使用特殊的交互板面，長時間的 使用或破壞交互板面的結(jié)構(gòu)，從而 影響定位的精度 。 DViT 還是一種非常有發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)。 DViT 技術(shù)如果再 技術(shù)上繼續(xù)改進，可以實現(xiàn)支持三支或三支以上的交互筆同時書寫，到那時， 人機交互將變得更加自然直觀。此 外 ， 它還能夠滿足各種尺寸的應(yīng)用要求 ， 也能夠支持懸移操作 。實際的應(yīng) 用中非常需 要多用戶的同時交互，因此多用戶交互的識別問題受到了廣泛的關(guān) 注。 2．識別：能夠識別不同用戶的觸摸位置。 DiamondTouch 的基本原理 DiamondTouch 的工作原理是傳輸不同的電子信號到交互板面的不同部分， 當(dāng)用戶接觸板面的時候，信號通過觸點的耦合電容，經(jīng)過人體到達與用戶相接 接收器，接收器就能夠定位觸點。 每個天線控制板面上的一定面積，系統(tǒng)能夠檢測到用戶點擊了天線，但無法確 定點擊的位置。由于不同用戶使用不同的接收器，系統(tǒng)就可以完成 用戶識別的問題，定位產(chǎn)生的坐標(biāo) 可以和用戶綁定起來，從而實現(xiàn)多用戶軌跡 的區(qū)分。當(dāng)然 DiamondTouch 技術(shù)也有缺陷： 1．用戶電氣隔離要求太高。另外用戶也不能接觸電氣設(shè)備，如電腦、投影儀。 3． 觸摸板面尺寸受到限制 。由于交互 板 面下面有特制天線和處理電路，因 而交互板面很難制作成透明的，不能用于背投或者等離子顯示器 上。而隨著人們對人機交互的要求越 來越高，多用戶同時交互的需求也越來越大。 基本原理描述 SMART board 發(fā) 送 交 互 筆接 軟件 交互筆硬件 接 收 信 息，同 交互筆接觸板面 交互筆移動過程 觸 板 面 的 信息 和 當(dāng) 前 筆 的坐 標(biāo) 發(fā) 送 當(dāng) 前 筆的 坐標(biāo) 步 坐 標(biāo) 信息和 顏 色 信息 坐 標(biāo) 數(shù) 據(jù)分 類 ，將 同 一軌 跡 上 的 點歸為 一類 循環(huán)體 發(fā)送 交 互 筆 的 顏色 信 息 繪 制 當(dāng) 前交 互 筆 的 軌跡 交互筆離開板面 發(fā) 送 交 互 筆離 開 板 面 的 信息 和 當(dāng) 前 筆 的坐 標(biāo) 停 止 繪 制離 開 的 交 互 筆的 軌 跡 圖 31 雙 筆 軌跡區(qū)分方案流程圖 要實現(xiàn)兩支筆軌跡的區(qū)分 ， 最重要的是要在交互筆接觸交互板面時得到交互 第 21 頁 清華大學(xué)綜合論文訓(xùn)練 筆的顏色信息，有了顏色信息以后，就能夠?qū)Φ玫降倪\動坐標(biāo)進行分類，達到 軌跡區(qū)分的目的。 硬件設(shè)計 交互筆硬件電路要完成的工作是檢測交互筆是否接觸交互板面 ， 如果接觸就 用 315MHz 的無線電把自身的顏色信息發(fā)送給信號接收器。 而 常用的邏輯電路一般要求使用 5V 供電 ， 所以需要把電源電壓從 升壓到 5V。 PT2262 采用了 COMS 電路 ， 功耗非常小 ， 工作 電壓范圍較 寬 （ 315V） 。使用編解碼器時，需要匹配發(fā)送地址和發(fā)送速度。 圖 33 中 的 RF2 是高頻發(fā)送器，只要把 PT2262 編碼后的信號接到發(fā)送器的 第 24 頁 清華大學(xué)綜合論文訓(xùn)練 TXD 引腳 ， 然后將 PT2262 的 TE 置成低電平 ， 就可以實現(xiàn)無線電發(fā)送 ， 無線電 的頻率由高頻發(fā)送器決定，這里是 315MHz。交互筆的顏色信息就是通過 接不同的跳線來設(shè)置 ， 四支交互筆只需要四個不同的數(shù)據(jù) ， 通過 JP3 設(shè)置可以滿 足設(shè)計要求。 發(fā)送的數(shù) 據(jù)由圖中的 JP3 決定。而發(fā)送速度也需要匹配才可能正確收發(fā)無線電信號， PT2262 和 PT2272 的發(fā)送速度是由所接的振蕩電阻決定 ， PT2262 的振蕩電阻就是 33 圖中 的 R2，振蕩電阻可以進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，阻值越大振蕩頻率越慢，編碼的寬度越 大，發(fā)碼一幀的時間越長。 我們這里使用的地 址是 A0A7 八位地址，并且都處于懸空狀態(tài)；數(shù)據(jù)位使用的是 D8D11 四位數(shù) 據(jù)，用 0、 1 狀態(tài)表示各位數(shù)據(jù)，一共可以發(fā)送 16 種不同的數(shù)據(jù)。 圖 32 為 MAX1674EUA 的電路連接圖，圖中 JP1 為堿性電池，通過供電電 路轉(zhuǎn)換以后，輸出即為系統(tǒng)的 5V 供電。 信號接收端的功能是接收交互筆發(fā)送的無線電信號 ， 通過一定的轉(zhuǎn)換 ， 發(fā)送 給計算機，供上層的應(yīng)用程序調(diào)用。為了防止兩支交互筆同時書寫時同頻無線電信號的相互干擾，交互筆僅僅 在接觸板面的一瞬間通過硬件電路發(fā)送顏色信息，接下的書寫過程中不再發(fā)送 信息。 第 20 頁 清華大學(xué)綜合論文訓(xùn)練 第三章 基于 SMART Board 雙筆軌跡區(qū)分 基于 SMART Board 雙筆軌跡區(qū)分的應(yīng)用背景是智能空間中基于交互白板的 多人同時交互 。 傳統(tǒng)的觸摸技術(shù)一般都只支持單用戶書寫使用 ； DViT 技術(shù)目 前雖然支持兩支交互筆同時書寫，但是只能提供雙筆的定位坐標(biāo)，不能將交互 筆和相應(yīng)的坐標(biāo)關(guān)聯(lián)起來，就是缺少了用戶識別的功能，不能算是真正多用戶 輸入系統(tǒng)； DiamondTouch 技術(shù)能夠同時定位兩個物體，也能夠識別兩個用戶， 是真正的多用戶同時輸入的系統(tǒng) ， 但是 DiamondTouch 還是有很多比較嚴(yán)重的缺 陷，使用 效果不理想。 另一方面是因為用戶需要坐在特制的坐墊上，用戶不可能觸及很遠的區(qū)域，所 以即使工藝上允許制作大的交互板面也會受到用戶臂長的限制。 信 號傳遞的通路包含了用戶與特制坐 墊之間的耦合電容，如果用戶離開坐墊，信號通路就被切斷，系統(tǒng)就無法產(chǎn)生 定位信 息。如果兩個用戶（或 第 19 頁 清華大學(xué)綜合論文訓(xùn)練 是他們的椅子）相互接觸，或是物理上非常相近的時候，系統(tǒng)的定位就會出現(xiàn) 問題。 DViT 正是因為這個缺陷而不能進行軌 跡區(qū)分。用戶觸摸板面時，一條電容耦合的電路就可 以形成，電流從發(fā)射機流出，經(jīng)過板面上的觸點和用戶到達接收機，最后回到 發(fā)射機。 DiamondTouch 的交互板面由一系列的內(nèi)置天線構(gòu)成，天線由一些相互絕緣 的導(dǎo)電薄片組成，可以制成任意形狀任意