【文章內(nèi)容簡介】 強(qiáng)，在各個(gè)方向上都能實(shí)現(xiàn)良好接收，很適合用在交互筆的信號(hào)傳送上。 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 。 但是 SMART Board 的定位速度很快 ， 每秒鐘能夠生成 上百個(gè)交互筆坐標(biāo)，交互筆的接觸信號(hào)不可能也以這么高的頻 率發(fā)送給系統(tǒng)。 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。因此只能在每次書寫時(shí)發(fā)送一次接觸信號(hào)。 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。每條軌跡的第一個(gè)坐標(biāo)點(diǎn) 和接觸信號(hào)綁定后，接下來產(chǎn)生的新的坐標(biāo)點(diǎn)需要根據(jù)與前面坐標(biāo)點(diǎn)的關(guān)系進(jìn) 行分類，就可以實(shí)現(xiàn)軌跡的區(qū)分。新坐標(biāo)點(diǎn)分類的方法可以采用簡單的最鄰近 距離法 ， 從 SMART Board 得到一個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)后比較與當(dāng)前正在編輯的軌跡的距離， 離哪條軌跡近就把該坐標(biāo)點(diǎn)歸類到那條軌跡。至此就可以完成在 SMART Board 基礎(chǔ)上的軌跡區(qū)分。 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)。由 于 SMART board 的圖像處理 、 物體定位功能完全由硬件完成 ， 提供給上層應(yīng)用程 序的只是 定位以后的坐標(biāo)，要從軟件編程上改進(jìn)來支持更多的筆是不可能實(shí)現(xiàn)的。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。 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。 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。 一支筆定位過程中要解決圖像處理 、 觸摸屏物理坐標(biāo)和顯示器邏輯坐標(biāo)的 轉(zhuǎn)換、 攝像機(jī)標(biāo)定等問題。這部分不是本文的工作，而是由另一名合作者完成。 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(jìn) 實(shí)現(xiàn)雙筆定位。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。 (2)書寫中兩支交互筆不能夠 距離不能太近。 (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。 (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。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。本文實(shí)驗(yàn)中采用的攝像頭的刷新頻率為 30Hz，也就是書寫時(shí)兩支 筆不能在 1/30 秒內(nèi)先后落筆 ， 如果攝像頭的刷新頻率提高 ， 時(shí)間間隔就會(huì)變短， 用戶就不會(huì)感到書寫使用有所限制。落筆上的先后順序，就可以獲得一定的先 驗(yàn)知識(shí)。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(gè)先驗(yàn)知識(shí)。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(cè)出來。 從前一次坐標(biāo)判斷下一次坐標(biāo)位置 ， 需要使用一定的預(yù)測(cè)方法 ， 本文采用的 是卡爾曼濾波的預(yù)測(cè)算法。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 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 沒有找到物體就認(rèn)為這支交互筆完成一次書寫過程離開了書 寫板面。 當(dāng)然由于交互筆沒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，無論采用什么算法都無法避免出錯(cuò)。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。另外兩支筆同時(shí)書寫時(shí)，遮擋問題也會(huì)影響定位的 準(zhǔn)確性，兩支筆和攝像頭三者呈一條線的時(shí)候，定位也會(huì)出問題。因而我們要 做的是尋找好的算法盡量減少錯(cuò)誤的產(chǎn)生。 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。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 。 具體的章節(jié) 安排如下： 第二章首先介紹了常見的觸摸技術(shù)的原理和存在的缺陷 ， 接著介紹本文實(shí)驗(yàn) 的平臺(tái) — — SMART Board，并詳細(xì)介紹了它的基本原理和軟件接口，然后具體 介紹 SMART Board 所采用的 DViT 技術(shù)的基本原理，最后介紹一種目前已經(jīng)實(shí) 現(xiàn)雙筆軌跡區(qū)分的觸摸 系統(tǒng) —— DiamondTouch。 第三章和后面的第四章包括了本文主要實(shí)現(xiàn)的工作 。 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)。 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(cè)和 一系列的坐標(biāo)變換 。 接著介紹雙筆定位中需要使用的卡爾曼濾 波器的基本原理， 然后根據(jù)濾波基本原理建立實(shí)際使用的模型，最后介紹用這個(gè)模型實(shí)現(xiàn)雙筆定 第 5 頁 清華大學(xué)綜合論文訓(xùn)練 位的過程。 第五章是對(duì)本文的總結(jié)和展望 ， 其中著重分析了現(xiàn)有工作中的一些問題和缺 陷，提出一些可行的改進(jìn)方案或是改進(jìn)方向。 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?cè)絹碓蕉嗟?接觸到觸摸屏 ， 因?yàn)橛|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(shí)用的輸 入設(shè)備，觸摸屏具有堅(jiān)固耐用、反應(yīng)速度快、節(jié)省空間、易于交流等許多優(yōu)點(diǎn)。 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(duì)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。這種人機(jī)交互方式，賦予了多媒體以嶄新的面貌，是極富吸引力的 全新多媒體交互設(shè)備。 觸摸屏的基本原理 為了操作上的方便 ， 人們用觸摸屏來代替鼠標(biāo)或鍵盤 。 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)或菜單位置來定位選擇信息輸入。觸摸屏由觸摸檢測(cè)部件和觸摸屏控制 器組成；觸摸檢測(cè)部件安裝在顯示器屏幕前面，用于檢測(cè)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(cè)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。 觸摸屏有三個(gè)基本特征： 1．透明。 它直接影響到觸摸屏的視覺效果 。 透明至少應(yīng)該包括四個(gè)特性 ： 透明度、 色彩失真度 、 反光性和清晰度 。 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 。 觸摸屏的透明性能的提 高是觸摸技術(shù)發(fā)展的一大挑戰(zhàn)。 2．絕對(duì)坐標(biāo)系統(tǒng)。 第 7 頁 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)更加簡便直觀 。 絕 對(duì)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(duì)坐標(biāo)定位 。 大多數(shù) 的觸摸技術(shù)都不能保證同一點(diǎn)觸摸每一次采樣數(shù)據(jù)相同 ， 這種漂移是普遍存 在的，不斷減小漂移是觸摸技術(shù)努力的方向。 3．檢測(cè)觸摸并定位。 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 。 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 。 觸摸屏的傳感方式還決定了該觸摸屏能否解決 多點(diǎn)觸摸的問題，而多點(diǎn)觸摸在日常應(yīng)用中非常常見。 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 。 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。 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。 被動(dòng)型觸摸系統(tǒng) 由于被動(dòng)式系統(tǒng)不需要特殊的觸點(diǎn)裝置 ， 因此這類系統(tǒng)的定位完全依靠板面 上的傳感器實(shí)現(xiàn)功能。 常見的被動(dòng)系統(tǒng)有： 1． 模擬電阻式觸摸屏（ Analog Resistive AR） 電阻觸摸屏的屏體部分是一塊與顯示器表面相匹配的多層復(fù)合薄膜 ， 由 一層玻璃或有機(jī)玻璃 作為基層 ， 表面涂有一層透明的導(dǎo)電層 ， 上面再蓋有一 第 8 頁 清華大學(xué)綜合論文訓(xùn)練 層外表面硬化處理 、 光滑防刮的塑料層 ， 它的內(nèi)表面也涂有一層透明導(dǎo)電層， 在兩層導(dǎo)電層之間有許多細(xì) 小 (小于千分之一英寸 )的透明隔離點(diǎn)把它們隔 開絕緣。 當(dāng)手指觸摸屏幕時(shí) ， 平常相互絕緣的兩層導(dǎo)電層就在觸摸點(diǎn)位置有了一 個(gè)接觸 ， 觸點(diǎn)位置不同可以產(chǎn)生不同的電壓分布 ， 通過檢測(cè)電壓分布的情況 就可以得到觸點(diǎn)的坐標(biāo) 。 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。 電阻式觸摸屏是一種對(duì)外界完全隔離的工作環(huán)境，不怕灰塵和水汽，它 可以用任何物體來觸摸 ,可以用來書寫繪畫，比較適合工業(yè)控制領(lǐng)域及辦公 室內(nèi)有限人的使用。 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?。 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。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(cè)聲波的強(qiáng)度和位置 ， 確定 坐標(biāo)位置。 表面聲波式觸摸屏對(duì)原顯示器的清晰度影響比較小，分辨率很高，而且 經(jīng)久耐用。但是其對(duì)環(huán)境的要求也很高，容易受到灰塵、水滴的影響。 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(hù)玻璃 ， 雙玻璃設(shè)計(jì)能徹底保護(hù)導(dǎo)體層及感應(yīng)器 。 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(chǎng)。 當(dāng)手指觸摸在金屬層上時(shí)，由于人體電場(chǎng)，用戶和觸控屏表面形成以一 個(gè)耦合電容 ， 觸點(diǎn)的 電容就會(huì)發(fā)生變化 ， 使得與之相連的振蕩器頻率發(fā)生變 第 9 頁 清華大學(xué)綜合論文訓(xùn)練 化 ， 通過測(cè)量頻率變化可以確定觸摸位置獲得信息 。 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。 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(gè)框架 。 框架上面的兩個(gè)對(duì)邊上， 一邊安裝發(fā)光二極管（ LED） ，另一邊安 裝紅外線探測(cè)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 。 當(dāng)有任何物體進(jìn)入這個(gè)柵格的時(shí)