【正文】 g and conference. However, if we want to interact with the displayed data, we have to turn to mouse and keyboard. User’s attention together with the body must move among devices, which is very awkward. Aiming at solving the problem, touch sensitive technology has been developed, which makes it quick and convenient for users to interact with the displayed data directly with fingers or specially designed styluses. But when the system serves multiple users in parallel, it faces challenges. We are now breaking through the challenges.SMART Board is a stylus input touch screen based on digital vision touch technology (DViT). It can locate two styluses simultaneously. However, it can’t associate each stroke with a particular user. One contribution of the paper is to improve SMART Board to distinguish the strokes of two styluses. First we design the hardware to transmit the color information of the stylus to the system when the user writes with it。大多數(shù)時(shí)候，投影顯示屏只能用來顯示信息，如果需要做 筆記、進(jìn)行標(biāo)注，還是只能借助于鍵盤和鼠標(biāo)。這樣就大大提 供了用戶的工作效率，使人機(jī)交互變得更加簡單直接。SMART Board 能夠支持兩個(gè)用戶同時(shí)進(jìn)行書寫操作，并能夠?qū)崟r(shí)測定兩支筆的坐標(biāo)。 研究內(nèi)容和方法本文以 SMART Board 為實(shí)驗(yàn)對象，研究顯示界面上的雙筆軌跡的區(qū)分問題。要在交互筆書寫時(shí)給系統(tǒng)發(fā)信息，首先要檢測交互筆是否接觸書寫板面，只 有在接觸的時(shí)候才發(fā)送信息，其他時(shí)候應(yīng)該不發(fā)送。交互筆首先要制作成筆狀才能方便用戶使用，筆狀的裝置就決定了電路 的體積必須足夠小且結(jié)構(gòu)簡單，同時(shí)要求檢測裝置經(jīng)久耐用以使交互筆能夠長 期書寫。信號(hào)傳送的方式當(dāng)然是必須使用無 線方式，因?yàn)橛芯€方式會(huì)妨礙交互筆的使用，而且看起來不美觀。系統(tǒng)得到交互筆的接觸信號(hào)后，需要把這個(gè)信號(hào)同交互筆的坐標(biāo)信息結(jié)合起 來才能實(shí)現(xiàn)軌跡的區(qū)分。 同時(shí)由于無線電通訊信道獨(dú)享，兩支筆同時(shí)發(fā)送無線電信號(hào)時(shí)會(huì)產(chǎn)生沖突，使 接收端無法收到信號(hào)，所以交互筆的接觸信號(hào)只能在交互筆接觸板面的一瞬間 發(fā)送，其他時(shí)間不發(fā)送，把沖突的可能性降到最低。 模擬實(shí)現(xiàn) SMART Board 的雙筆定位SMART Board 采用攝像頭定位技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)兩支筆的同時(shí)定位，但是當(dāng)三第 3 頁清華大學(xué)綜合論文訓(xùn)練支或三支以上筆同時(shí)書寫時(shí)，系統(tǒng)就不能正確提供各筆的坐標(biāo)。要摸擬實(shí)現(xiàn) SMART Board 雙筆定位的基礎(chǔ)服務(wù)，首先要實(shí)現(xiàn)一支筆的定位。由于兩支筆同時(shí)書寫時(shí)，從攝像頭的圖像中看起來兩支筆是完 全一樣的，如果沒有任何先驗(yàn)知識(shí)就無法區(qū)分，要實(shí)現(xiàn)兩支筆的同時(shí)定位就需 要如下的前提條件：(1)最多允許兩支筆同時(shí)書寫。這個(gè)時(shí)間間隔由攝像頭的刷新頻率確定，就是攝像頭取兩幀圖像 的時(shí)間間隔。一支筆書寫時(shí)，系統(tǒng)可以給出定位坐標(biāo)，當(dāng)由一支筆變成兩支 筆同時(shí)書寫時(shí)，系統(tǒng)可以根據(jù)前面的軌跡先判斷出前一支筆的坐標(biāo)，然后圖像 中剩下的就是新加入的交互筆的坐標(biāo)，這樣就可以同時(shí)得到兩支筆的坐標(biāo)，接 著就可以根據(jù)兩支筆的前一次坐標(biāo)判斷下一次坐標(biāo)位置，并從圖像中檢測出來。如極 限情況，兩支交互筆距離足夠近，在攝像頭上成的像互相之間有交叉的話，系 統(tǒng)就不可能區(qū)分出兩支筆。在以后的各章中，首先介紹一下幾種常見觸摸技術(shù)、SMART Board 設(shè) 備和 DViT 技術(shù)；接著介紹在 SMART Board 基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)雙筆軌跡的區(qū)分及模擬 實(shí)現(xiàn) SMART Board 的雙筆定位基礎(chǔ)服務(wù)；最后進(jìn)行總結(jié)得出結(jié)論。第四章主要介紹如何使用兩個(gè)攝像頭模擬實(shí)現(xiàn) SMART Board 的雙筆定位功 能，首先詳細(xì)介紹雙攝像頭物體定位的原理，其中包括圖像處理、物體檢測和 一系列的坐標(biāo)變換。 利用這種技術(shù)，用戶只要用手指輕輕地指碰計(jì)算機(jī)顯示屏上的圖符或文字就能 實(shí)現(xiàn)對主機(jī)操作，從而使人機(jī)交互更為直截了當(dāng)，極大方便了那些不懂電腦操 作的用戶。觸摸屏由觸摸檢測部件和觸摸屏控制 器組成；觸摸檢測部件安裝在顯示器屏幕前面，用于檢測用戶觸摸位置，接收 后送觸摸屏控制器；而觸摸屏控制器的主要作用是從觸摸點(diǎn)檢測裝置上接收觸 摸信息，并將它轉(zhuǎn)換成觸點(diǎn)坐標(biāo)，再送給 CPU，它同時(shí)能接收 CPU 發(fā)來的命令 并加以執(zhí)行。觸摸屏通常安裝在計(jì)算機(jī)的顯示表面上，或 是直接作為投影設(shè)備，這樣會(huì)降低顯示圖像的質(zhì)量。絕 對坐標(biāo)系統(tǒng)的特點(diǎn)是每一次定位坐標(biāo)與上一次定位坐標(biāo)沒有關(guān)系，觸摸屏在 物理上是一套獨(dú)立的坐標(biāo)定位系統(tǒng)，每次觸摸的數(shù)據(jù)通過校準(zhǔn)轉(zhuǎn)為屏幕上的 坐標(biāo)，這樣就要求觸摸屏這套坐標(biāo)不管在什么情況下，同一點(diǎn)的輸出數(shù)據(jù)應(yīng) 該是穩(wěn)定的，如果不穩(wěn)定，那么這觸摸屏就不能保證絕對坐標(biāo)定位。不同的定位原理和各自所用的傳感器決定了觸摸屏的反應(yīng)速度、可靠性、穩(wěn)定性和壽命。 而主動(dòng)的觸摸系統(tǒng)則需要特殊的裝置去接觸觸摸表面，最常用的交互裝置是特 制的電源供電的交互筆。電阻式觸摸屏的關(guān)鍵在于材料技術(shù)，材料的改變帶 來的最明顯的改變是透明性的改變，但是總體上來說，電阻式觸摸屏由于使 用了多層材料，光線反射損失很大，透明性能差。當(dāng)手指觸摸屏幕時(shí)， 觸點(diǎn)上的聲波吸收或阻斷，超聲波接收器通過檢測聲波的強(qiáng)度和位置，確定 坐標(biāo)位置。電容式觸摸屏在觸摸屏四個(gè)角上安裝電極，在導(dǎo)電體內(nèi)形成一個(gè)低電壓交流電 場?？蚣苌厦娴膬蓚€(gè)對邊上，一邊安裝發(fā)光二極管（LED），另一邊安裝紅外線探測器，這樣就在顯示屏 幕的表面形成了一個(gè)由紅外線組成的柵格。常見的主動(dòng)式觸摸系統(tǒng)有：1． 電磁式觸摸屏（Electromagnetic） 電磁式觸摸屏需要使用一個(gè)布滿線圈的屏幕，用電源供電的交互筆或是嵌入電磁線圈的交互筆，進(jìn)行觸摸。此外，電磁式感應(yīng)技術(shù)能夠在一定距離內(nèi)檢測到交互筆的 動(dòng)作，當(dāng)交互筆接觸板面或懸移在交互板面上方，系統(tǒng)都能夠檢測到，并確第 10 頁清華大學(xué)綜合論文訓(xùn)練定其坐標(biāo)，而是否接觸板面又可以作為另一個(gè)信號(hào)區(qū)分不同的操作，因此電磁式系統(tǒng)能夠模擬鼠標(biāo)拖動(dòng)（鼠標(biāo)左鍵按下）和鼠標(biāo)懸移（鼠標(biāo)左鍵不按下） 兩種動(dòng)作。2． 超聲波或紅外線式觸摸屏（Ultrasonic and Infrared） 用紅外線傳感器或是超聲波傳感器，接收交互筆發(fā)射的紅外線或超聲波，根據(jù)信號(hào)的方位和強(qiáng)度確定接觸點(diǎn)的坐標(biāo)。當(dāng)帶有條碼的交互進(jìn)入激光的掃描范圍后，傳感器就可以收到反射光，以此確定交互筆的坐標(biāo)。第 11 頁清華大學(xué)綜合論文訓(xùn)練主動(dòng)式觸摸屏對特制交互筆的依賴一定程度上限制了它的應(yīng)用，因?yàn)榻换スP可能丟失。激光 技術(shù)則依賴于交互筆上的條碼，如果用戶不小心用手或手指擋住了交互筆上的 條碼部分，系統(tǒng)就無法識(shí)別交互筆。SMART Board 能夠緊密地附著在（PDP）上，用戶只需點(diǎn)擊觸摸屏的表面即可訪問和控 制所有計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序。無論是在會(huì)議，教學(xué)，培訓(xùn)還是演示中，用于等離子顯示屏的 SMART Board 都可以提高交互性并增強(qiáng)相互之間的溝通。DViT 通過數(shù)字?jǐn)z像頭和復(fù)雜的軟件來確定接觸的位置，并將它轉(zhuǎn)成為鼠標(biāo)的動(dòng)作傳遞給計(jì)算機(jī)。筆架上從左到右依次有 黑、藍(lán)、紅、綠四個(gè)筆槽，分別放置對應(yīng)顏色的交互筆，每個(gè)放筆的槽中都裝 有光電傳感器。 SMART Board 的軟件接口SMART board 提供 SDK（Software Development Kit），交互筆的動(dòng)作都以Windows 的消息模式傳遞給計(jì)算機(jī)處理。DViT 技術(shù)克服了傳 統(tǒng)觸摸系統(tǒng)的缺陷，既不需要使用特制的觸摸板面也不需要特制的交互筆，不 但能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的定位，而且不會(huì)對所顯示的圖像造成影響，能保證圖像的 清晰度。 兩個(gè)攝像頭和物體這三者構(gòu)成一個(gè)三角形，攝像頭間的距離是已知的，也就是 三角形的一邊已知，只要得到三角形的兩個(gè)角，就可以確定物體的位置。首先，無論交 互筆接觸板面還是懸移在板面上，DViT 技術(shù)能準(zhǔn)確地檢測到目標(biāo)。如果用 DViT 技術(shù)支持的 觸摸屏控制計(jì)算機(jī)，即使是輕微的觸摸都能非常準(zhǔn)確地控制鼠標(biāo)點(diǎn)擊和書寫操作。而 DViT 用于定位的攝像頭和處理器都安裝在角上，可以避免 日常的接觸，觸摸交互板面結(jié)構(gòu)改變不會(huì)影響定位效果。首先，利用 DViT 技術(shù)可以制作任 何尺寸的觸摸屏，因?yàn)橛糜诙ㄎ坏臄z像頭只安裝在角上，與板面無關(guān)。DViT 技術(shù)繼承了傳統(tǒng)觸摸技術(shù)的優(yōu)勢，同時(shí)克服了它們的缺陷和不足?？梢?DViT 技術(shù) 相對于傳統(tǒng)的觸摸技術(shù)有很大的優(yōu)勢。日本三菱電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室研發(fā)了 DiamondTouch 技術(shù)。3．魯棒性：在交互板面上的外來物體不會(huì)影響正常的觸摸交互。使用過程中用戶需要坐在特制的坐墊上，坐 墊實(shí)際上就是接收器。設(shè)計(jì)一個(gè)信號(hào)發(fā)射機(jī)用不同的信號(hào)驅(qū)動(dòng)不同的天線，系統(tǒng)同過第 18 頁清華大學(xué)綜合論文訓(xùn)練區(qū)分不同的信號(hào)就可以進(jìn)行定位。圖 24 DiamondTouch 技術(shù)結(jié)構(gòu)圖 優(yōu)點(diǎn)和缺陷DiamondTouch 技術(shù)與 DViT 技術(shù)相比最大的優(yōu)勢就是識(shí)別功能，能夠把觸摸 的位置和用戶（或是交互筆）關(guān)聯(lián)起來。由于系統(tǒng)使用了人體產(chǎn)生的耦合電容作為信號(hào) 通路的一部分，因此用戶之間必須有良好的電氣隔離性能。2．用戶必須始終坐在特制的坐墊上。一方面是因?yàn)?DiamondTouch 需要使用特定的材 料制作天線，天線排列形成板面，工藝上就限制交互板面尺寸不可能做得很大。 本章小結(jié)本章主要介紹傳統(tǒng)的觸摸技術(shù)、DViT 技術(shù)和 DiamondTouch 技術(shù)，比較了這 些技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。致力于研發(fā)多用戶觸摸技術(shù)將是一件非常有意義的事情。顏色信息通過 315MHz 的無線電信號(hào)發(fā)送，接收端接收到無 線電信號(hào)后，通過 USB 接口傳遞給應(yīng)用程序，就可以完成軌跡和顏色信息的綁 定。為了減少交互筆之 間的信號(hào)沖突，硬件電路還必須能夠控制無線電發(fā)送的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間越短越 好，只要保證接收端能夠準(zhǔn)確收到信號(hào)即可。MAX1674EUA 是一款升壓型 DCDC 變換器，常態(tài)下工作效率可達(dá) 94%， 輸入電壓范圍較寬（～），輸出電壓則可設(shè)定為 5V，允許的輸出電流達(dá) 到 500mA，比較符合項(xiàng)目應(yīng)用要求。它最多可有 12 位(A0A11)三態(tài)地址端管腳(懸空、接高 電平、接低電平)，任意組合可提供 531441 地址碼，最多可有 6 位(D6D11)數(shù)據(jù) 端管腳，設(shè)定的地址碼和數(shù)據(jù)碼編碼后從 OUT 腳串行輸出。在我們的 設(shè)計(jì)中，PT2262 和 PT2272 的 A0A8 地址為都設(shè)置成懸空狀態(tài)，兩者地址相同 才能正確解碼。 不同的交互筆需要發(fā)送不同的無線電信號(hào)來表示不同的顏色信息。 發(fā)送控制模塊+5V+5VD1LEDR110uF C5C630pFY1U2RST VCC RXD TXD TE10KD3DIODER3C730pF12MHzINT0 INT1 T0 T1 GND AT89C2051S1SWPB圖 34 AT89C2051 組成的發(fā)送控制模塊為了實(shí)現(xiàn)只在交互筆接觸板面的一瞬間發(fā)送無線信號(hào)其余時(shí)間不發(fā)送，就需 要進(jìn)行發(fā)送控制。書寫中需要把開關(guān)稍稍用力按下，才能接通電路發(fā)送顏 色信號(hào)。單片機(jī)的 引腳用于控制 PT2262 發(fā)送無線電信號(hào)，低電平發(fā)送，高電平 不發(fā)送。進(jìn)入中斷函數(shù)后，先延時(shí)一段時(shí)間再讀取開關(guān)狀態(tài)，如果開關(guān)狀態(tài)依然是低 電平即閉合狀態(tài)，認(rèn)為開關(guān)被按下，緊接著就從 發(fā)送一個(gè)低脈沖，控制發(fā) 送無線電信號(hào)，然后退出中斷函數(shù)；如果開關(guān)狀態(tài)不是低電平，認(rèn)為是開關(guān)抖 動(dòng)引起中斷，則不發(fā)送信號(hào)退出中斷函數(shù)。在開關(guān)沒有動(dòng)作的 時(shí)候讓單片機(jī)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)可以降低交互筆的整體功耗。 軟件設(shè)計(jì)軟件部分的主要功能是通過 SMART Board 讀取交互筆的坐標(biāo)位置，同時(shí)讀 取 USB 無線信號(hào)接收端的交互筆顏色信號(hào)，把坐標(biāo)信息和顏色信息綁定起來， 然后通過一定算法確定每次新收到的坐標(biāo)所屬的軌跡實(shí)現(xiàn)軌跡的區(qū)分，同時(shí)把 新的坐標(biāo)加入原有軌跡從而保存所有的交互筆軌跡，最后只需要把軌跡顯示在 界面上即可。 //點(diǎn)坐標(biāo) COLORREF clr。 //交互工具類型（交互筆、板擦或是非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備）} SAMPLE_PT。 STROKE_ARRAY。主程序在接收到 SMART Board 的 XYDown 消息時(shí)，先獲得交互工具類型， 可能是交互筆或是板擦。如果交互