【正文】 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(hào)通路就被切斷，系統(tǒng)就無(wú)法產(chǎn)生 定位信 息。 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(shí)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(lái)，就是缺少了用戶識(shí)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(shí)定位兩個(gè)物體，也能夠識(shí)別兩個(gè)用戶， 是真正的多用戶同時(shí)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。為了防止兩支交互筆同時(shí)書寫時(shí)同頻無(wú)線電信號(hào)的相互干擾，交互筆僅僅 在接觸板面的一瞬間通過(guò)硬件電路發(fā)送顏色信息，接下的書寫過(guò)程中不再發(fā)送 信息。 圖 32 為 MAX1674EUA 的電路連接圖，圖中 JP1 為堿性電池，通過(guò)供電電 路轉(zhuǎn)換以后，輸出即為系統(tǒng)的 5V 供電。而發(fā)送速度也需要匹配才可能正確收發(fā)無(wú)線電信號(hào)， 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(jìn)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(shí)間越長(zhǎng)。交互筆的顏色信息就是通過(guò) 接不同的跳線來(lái)設(shè)置 ， 四支交互筆只需要四個(gè)不同的數(shù)據(jù) ， 通過(guò) JP3 設(shè)置可以滿 足設(shè)計(jì)要求。使用編解碼器時(shí)，需要匹配發(fā)送地址和發(fā)送速度。 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。 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(dòng)過(guò)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(diǎn)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(shí)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(shí)得到交互 第 21 頁(yè) 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\(yùn)動(dòng)坐標(biāo)進(jìn)行分類，達(dá)到 軌跡區(qū)分的目的。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。另外用戶也不能接觸電氣設(shè)備，如電腦、投影儀。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(shí)別的問(wèn)題，定位產(chǎn)生的坐標(biāo) 可以和用戶綁定起來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)多用戶軌跡 的區(qū)分。 DiamondTouch 的基本原理 DiamondTouch 的工作原理是傳輸不同的電子信號(hào)到交互板面的不同部分， 當(dāng)用戶接觸板面的時(shí)候，信號(hào)通過(guò)觸點(diǎn)的耦合電容，經(jīng)過(guò)人體到達(dá)與用戶相接 接收器，接收器就能夠定位觸點(diǎn)。實(shí)際的應(yīng) 用中非常需 要多用戶的同時(shí)交互，因此多用戶交互的識(shí)別問(wèn)題受到了廣泛的關(guān) 注。 DViT 技術(shù)如果再 技術(shù)上繼續(xù)改進(jìn)，可以實(shí)現(xiàn)支持三支或三支以上的交互筆同時(shí)書寫，到那時(shí)， 人機(jī)交互將變得更加自然直觀。傳統(tǒng)的觸摸屏 大多數(shù)需要使用特殊的交互板面，長(zhǎng)時(shí)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 。 第 15 頁(yè) 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(gè)額外的功能。 DViT 技術(shù) SMART Board 實(shí)現(xiàn)交互筆定位功能使用了 DViT 技術(shù)。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(fù)責(zé)檢測(cè)當(dāng)前正在使用的交互筆的顏色。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 。使用超聲波系統(tǒng)時(shí)，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。 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。 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(xiàng)目 ， 如繪圖板 。 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(lái)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(gè)框架 。 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(qiáng)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。 被動(dòng)的觸摸系統(tǒng)不需要 特殊的觸點(diǎn)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。 第 7 頁(yè) 清華大學(xué)綜合論文訓(xùn)練 觸摸屏是絕對(duì)坐標(biāo)系統(tǒng)，觸摸的位置與實(shí)際的定位應(yīng)該相同，與鼠標(biāo)這 類相對(duì)定位系統(tǒng)有本質(zhì)的區(qū)別 ， 一次到位的絕對(duì)坐標(biāo)系統(tǒng)更加簡(jiǎn)便直觀 。 工作時(shí) ， 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(lái)定位選擇信息輸入。 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(shí)現(xiàn)原理 ， 從供電模塊 、 無(wú)線 傳輸模塊、發(fā)送控制模塊、單片機(jī)固件編程 、 USB 信號(hào)接收模塊等五個(gè)部分詳 細(xì)介紹了硬件電路設(shè)計(jì)，最后介紹軟件設(shè)計(jì)。 當(dāng)然由于交互筆沒(méi)有在圖像上提供可以識(shí)別的標(biāo)志 ， 要做到不出任何錯(cuò)誤同 時(shí)定位兩支筆坐標(biāo)是不可能實(shí)現(xiàn)的，無(wú)論采用什么算法都無(wú)法避免出錯(cuò)。 (4)雙筆同時(shí)書寫時(shí)，落筆不能完全同時(shí)，先后要大于一定 的 時(shí)間間隔。 另外雙攝像頭定位技術(shù)本身就是一項(xiàng)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(chǎng)合，如室內(nèi)物體定位等。因此只能在每次書寫時(shí)發(fā)送一次接觸信號(hào)。 交互筆接觸板面的信號(hào)檢測(cè)到以后 ， 就需要通過(guò)一定的方式傳送到計(jì)算機(jī) 上，系統(tǒng)才能真正收到交互筆接觸的信息。我們所要做的 工作是在交互筆書寫時(shí)給系統(tǒng)發(fā)一個(gè)信息，通過(guò)系統(tǒng)把這個(gè)交互筆信息和得到 的坐標(biāo)關(guān)聯(lián)起來(lái)，就可以實(shí)現(xiàn)軌跡的區(qū)分。 為了滿足這種需求 ， 多用戶的觸摸設(shè)備越來(lái)越受到重視 ， 很多新出現(xiàn)的產(chǎn)品 都逐漸向這種應(yīng)用需求靠近， SMART Board 就是其中一種產(chǎn)品。多媒體投影 雖然解決了教室會(huì)議室 粉塵污染、書寫板書費(fèi)時(shí)費(fèi)力等缺點(diǎn)，但仍然存在無(wú)法 克服的局限和弊端。實(shí)驗(yàn)證明改進(jìn)后，系統(tǒng)能夠很好地識(shí)別兩個(gè)用戶并區(qū)分軌 跡，可以滿足多用戶同時(shí)交互的需求。 清 華 大 學(xué) 綜 合 論 文 訓(xùn) 練 題目： 多用戶筆輸入系統(tǒng)中 筆的軌跡區(qū)分 系 別：自動(dòng)化系 專 業(yè)：自動(dòng)化 姓 名：陳孝杰 指導(dǎo)教師：史元春 教授 輔導(dǎo)教師：曹麗 副教授 2020 年 6 月 21 日 清華大學(xué)綜合論文訓(xùn)練 摘要 在教學(xué)和會(huì)議中 ， 為了更好地表達(dá)自己的思想和與其他人進(jìn)行溝通 ， 人們常 常需要能夠書寫并顯示的交互設(shè)備，傳統(tǒng)的媒介包括黑板、紙張等。 基本原理是首先 設(shè)計(jì)合適的硬件電路，使用來(lái)交互的筆能夠在書寫時(shí)給系統(tǒng)發(fā)送自身的顏色信 息，然后通過(guò)軟件把得到的顏色信息和軌跡起始點(diǎn)進(jìn)行綁定，用最近距離算法 對(duì)后繼點(diǎn)進(jìn)行分類。隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)支持的多媒體投影方式越來(lái)越多地 取代了傳統(tǒng)的黑板書寫，并逐漸成為高校教學(xué)、高級(jí)會(huì)議的主流。 人們需要支持兩個(gè)或兩個(gè)以上用戶同時(shí)使用的觸摸設(shè)備， 以達(dá)到類似傳統(tǒng)黑板交互的效果。 SMART Board 基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)雙筆軌跡區(qū)分 在雙筆同時(shí)交互時(shí)， SMART Board 已經(jīng)能夠?qū)崟r(shí)提供兩支筆的坐標(biāo)，只是 無(wú)法把各個(gè)坐標(biāo)和交互筆關(guān)聯(lián)起來(lái)，因而無(wú)法實(shí)現(xiàn)軌跡的區(qū)分。上述的傳感器和開關(guān)方案各有 利弊，權(quán)衡之后，決定使用開關(guān)方案，尋找足夠靈敏的開關(guān)，盡量減少用戶使 用時(shí)的生硬感。 即使能夠?qū)崿F(xiàn)這么高頻率的信號(hào)發(fā)送，要保證交互筆的每個(gè)坐標(biāo)信號(hào)和接觸信 號(hào)同步也是一件非常困難的事情。如果 要改進(jìn) SMART Board 以支持更多的交互筆同時(shí)書寫，就需要從底層原理著手， 在圖像處理等方面進(jìn)行改進(jìn)，為此首先要能夠模擬實(shí)現(xiàn) SMART Board 的功能。 (3)一支筆到兩支筆的轉(zhuǎn)變的瞬間，兩支筆和任意一個(gè)攝像頭都 不能在一條直線上。為每條軌跡建立一個(gè)卡爾曼濾波器，每次軌跡添加 當(dāng)前坐標(biāo)點(diǎn)后，濾波器就預(yù)測(cè)下一點(diǎn)在圖像中可能出現(xiàn)的區(qū)域，當(dāng)新的圖像到 第 4 頁(yè) 清華大學(xué)綜合論文訓(xùn)練 達(dá)時(shí)就在這個(gè)區(qū)域內(nèi)查找物體，如果找到物體，就可以得到新的坐標(biāo)點(diǎn)，如果 沒(méi)有找到物體就認(rèn)為這支交互筆完成一次書寫過(guò)程離開了書 寫板面。 第三章和后面的第四章包括了本文主要實(shí)現(xiàn)的工作 。 觸摸屏的基本原理 為了操作上的方便 ， 人們用觸摸屏來(lái)代替鼠標(biāo)或鍵盤 。 2．絕對(duì)坐標(biāo)系統(tǒng)。 常見的觸摸屏技術(shù) 常見的觸摸技術(shù)可 以分成兩大類 ： 被動(dòng)型和主動(dòng)型 。 2． 表面聲波式觸摸屏（ Surface Acoustic Wave SAW） 表面聲波是一種沿介質(zhì)表面?zhèn)鞑サ某暡?。 由于電容隨溫度 、 濕度 或接地情況的不同而變化 ， 所以穩(wěn)定性較差 ， 往往會(huì)產(chǎn)生漂移現(xiàn)象 ， 而且要 求觸摸的設(shè)備必須是導(dǎo)體。 如果交互筆的筆頭是一個(gè)可變的電感 ， 電感大小隨著 壓力變化而變化 ， 那么電磁式觸摸屏還能夠得到交互筆書寫的力量大小 ， 這 是其他觸摸屏無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。 主動(dòng)式 的紅外線發(fā)射器是在交互筆上 ， 觸摸板面上只有接收裝置 ， 交互筆發(fā)送紅外 線板面接收 ， 通過(guò)檢測(cè)信號(hào)的方位和強(qiáng)度可以確定接觸點(diǎn)坐標(biāo) ； 被動(dòng)式的紅 外線發(fā)射器和接收器都安裝在板面上 ， 物體接觸板面時(shí) ， 紅外線被阻斷 ， 通 過(guò)檢測(cè)紅外線阻斷的位 置確定接觸點(diǎn)坐標(biāo)。 主動(dòng)式觸摸屏中的超聲波和激光系統(tǒng)對(duì)交互筆的靈敏性要求更高 ， 用戶可能 在不經(jīng)意間阻擋了超聲波和激光的傳輸途徑。 SMART Board 可以在許多流行的 PDP 上使用，并且與所有常用的操作系統(tǒng) 兼容。 圖 21 SMART Board 結(jié) 構(gòu) 圖 SMART Board 交互筆區(qū)分原理 SMART board 的交互筆本身是純塑料棒 ， 只有顏色的區(qū)別 ， 而 SMART Board 定位所用的攝像頭是黑白攝像頭，對(duì)于黑白的攝像頭來(lái)說(shuō)交互筆本身不具備任 何顏色識(shí)別信息。 所有的消息都包含交互筆當(dāng)前的坐標(biāo)信息和序號(hào) 信息 (iPointerID)，可以從序號(hào)信息得到交互筆的顏色、寬度等信息。交 互點(diǎn)的坐標(biāo)通過(guò)鼠標(biāo)消息或是數(shù)字墨水方式傳送給用戶計(jì)算機(jī)，這樣用戶就可 以控制計(jì)算機(jī)上的應(yīng)用程序或是在板面上書寫。 DViT 技術(shù)還有利于提高觸摸屏的耐用性和保證圖像的質(zhì)量。其次， 如果數(shù)字?jǐn)z像頭的工藝有所發(fā)展， DViT 技術(shù)也會(huì)隨之發(fā)展。 圖 23 DViT 技術(shù)與傳統(tǒng)觸摸技術(shù)的比較 第 17 頁(yè) 清華大學(xué)綜合論文訓(xùn)練 多用戶觸摸技術(shù) DiamondTouch 傳統(tǒng)的觸摸技術(shù)不能支持多用戶同時(shí)使用 ； SMART Board 使用 DViT 技術(shù)雖 然能夠同時(shí)定位兩支交互筆，但是由于雙筆書寫時(shí)無(wú)法接收到每支交互筆的信 息，因而無(wú)法把軌跡和交互筆關(guān)聯(lián)起來(lái)，不能算是真正支持多用戶。 5．無(wú)障礙性：不需要特殊的交互設(shè)備，如特制的交互筆或發(fā) 射器。經(jīng)過(guò)適當(dāng)設(shè)計(jì)，在人體和交互板面之間生成的耦合電容是相當(dāng)可靠的， 完全可以保證定位的精度。一旦用戶在交互過(guò)程中，不小心碰到其他用戶（或是他們的椅子 ） ，雙方 的交互過(guò)程都會(huì)受到影響。 4．只允許投影儀正投使用。 目標(biāo)是在 SMART Board 基礎(chǔ)上 ， 通過(guò)對(duì)交互筆硬件 的重新設(shè)計(jì) 和應(yīng)用軟件的開發(fā) ， 克服 SMART Board 無(wú)法區(qū)分雙筆軌跡的缺陷 ， 使系統(tǒng)能夠 在雙筆同時(shí)交互時(shí)得到交互筆顏色信息進(jìn)而區(qū)分雙筆的軌跡。 第 2