【文章內容簡介】 先要能夠模擬實現(xiàn) SMART Board 的功能。 另外雙攝像頭定位技術本身就是一項非常值得研究的課題，如果能夠實現(xiàn)，就 可以應用于更加廣泛的場合，如室內物體定位等。要摸擬實現(xiàn) SMART Board 雙筆定位的基礎服務，首先要實現(xiàn)一支筆的定位。 一支筆定位過程中要解決圖像處理、觸摸屏物理坐標和顯示器邏輯坐標的轉換、 攝像機標定等問題。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能夠實現(xiàn)定位的基礎上，通過一定的算法改進 實現(xiàn)雙筆定位。由于兩支筆同時書寫時，從攝像頭的圖像中看起來兩支筆是完 全一樣的，如果沒有任何先驗知識就無法區(qū)分，要實現(xiàn)兩支筆的同時定位就需 要如下的前提條件：(1)最多允許兩支筆同時書寫。(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變的瞬間，兩支筆和任意一個攝像頭都 不能在一條直線上。(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。這個時間間隔由攝像頭的刷新頻率確定，就是攝像頭取兩幀圖像 的時間間隔。本文實驗中采用的攝像頭的刷新頻率為 30Hz，也就是書寫時兩支 筆不能在 1/30 秒內先后落筆，如果攝像頭的刷新頻率提高，時間間隔就會變短， 用戶就不會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 驗知識。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。一支筆書寫時，系統(tǒng)可以給出定位坐標，當由一支筆變成兩支 筆同時書寫時，系統(tǒng)可以根據(jù)前面的軌跡先判斷出前一支筆的坐標，然后圖像 中剩下的就是新加入的交互筆的坐標，這樣就可以同時得到兩支筆的坐標，接 著就可以根據(jù)兩支筆的前一次坐標判斷下一次坐標位置，并從圖像中檢測出來。從前一次坐標判斷下一次坐標位置，需要使用一定的預測方法，本文采用的 是卡爾曼濾波的預測算法。為每條軌跡建立一個卡爾曼濾波器，每次軌跡添加 當前坐標點后，濾波器就預測下一點在圖像中可能出現(xiàn)的區(qū)域，當新的圖像到第 4 頁清華大學綜合論文訓練達時就在這個區(qū)域內查找物體，如果找到物體，就可以得到新的坐標點，如果沒有找到物體就認為這支交互筆完成一次書寫過程離開了書寫板面。當然由于交互筆沒有在圖像上提供可以識別的標志，要做到不出任何錯誤同 時定位兩支筆坐標是不可能實現(xiàn)的，無論采用什么算法都無法避免出錯。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。另外兩支筆同時書寫時，遮擋問題也會影響定位的 準確性，兩支筆和攝像頭三者呈一條線的時候，定位也會出問題。因而我們要 做的是尋找好的算法盡量減少錯誤的產生。 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、SMART Board 設 備和 DViT 技術；接著介紹在 SMART Board 基礎上實現(xiàn)雙筆軌跡的區(qū)分及模擬 實現(xiàn) SMART Board 的雙筆定位基礎服務；最后進行總結得出結論。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的原理和存在的缺陷，接著介紹本文實驗 的平臺——SMART Board，并詳細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 技術的基本原理，最后介紹一種目前已經實 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計，最后介紹軟件設計。第四章主要介紹如何使用兩個攝像頭模擬實現(xiàn) SMART Board 的雙筆定位功 能，首先詳細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際使用的模型，最后介紹用這個模型實現(xiàn)雙筆定第 5 頁清華大學綜合論文訓練位的過程。第五章是對本文的總結和展望，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方案或是改進方向。第 6 頁清華大學綜合論文訓練第二章 相關研究 普通觸摸屏技術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備，它是目前最簡單、方便、自然而且實用的輸 入設備，觸摸屏具有堅固耐用、反應速度快、節(jié)省空間、易于交流等許多優(yōu)點。 利用這種技術，用戶只要用手指輕輕地指碰計算機顯示屏上的圖符或文字就能 實現(xiàn)對主機操作，從而使人機交互更為直截了當，極大方便了那些不懂電腦操 作的用戶。這種人機交互方式，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或鍵盤。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 的圖標或菜單位置來定位選擇信息輸入。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檢測裝置上接收觸 摸信息，并將它轉換成觸點坐標，再送給 CPU，它同時能接收 CPU 發(fā)來的命令 并加以執(zhí)行。觸摸屏有三個基本特征：1．透明。 它直接影響到觸摸屏的視覺效果。透明至少應該包括四個特性：透明度、色彩失真度、反光性和清晰度。觸摸屏通常安裝在計算機的顯示表面上，或 是直接作為投影設備，這樣會降低顯示圖像的質量。觸摸屏的透明性能的提 高是觸摸技術發(fā)展的一大挑戰(zhàn)。2．絕對坐標系統(tǒng)。第 7 頁清華大學綜合論文訓練觸摸屏是絕對坐標系統(tǒng)，觸摸的位置與實際的定位應該相同，與鼠標這類相對定位系統(tǒng)有本質的區(qū)別，一次到位的絕對坐標系統(tǒng)更加簡便直觀。絕 對坐標系統(tǒng)的特點是每一次定位坐標與上一次定位坐標沒有關系，觸摸屏在 物理上是一套獨立的坐標定位系統(tǒng)，每次觸摸的數(shù)據(jù)通過校準轉為屏幕上的 坐標，這樣就要求觸摸屏這套坐標不管在什么情況下，同一點的輸出數(shù)據(jù)應 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定位。大多數(shù) 的觸摸技術都不能保證同一點觸摸每一次采樣數(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努力的方向。3．檢測觸摸并定位。 各種觸摸技術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 多點觸摸的問題，而多點觸摸在日常應用中非常常見。 常見的觸摸屏技術常見的觸摸技術可以分成兩大類：被動型和主動型。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。 而主動的觸摸系統(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。 被動型觸摸系統(tǒng)由于被動式系統(tǒng)不需要特殊的觸點裝置，因此這類系統(tǒng)的定位完全依靠板面 上的傳感器實現(xiàn)功能。常見的被動系統(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合薄膜，由一層玻璃或有機玻璃作為基層，表面涂有一層透明的導電層，上面再蓋有一第 8 頁清華大學綜合論文訓練層外表面硬化處理、光滑防刮的塑料層，它的內表面也涂有一層透明導電層，在兩層導電層之間有許多細小 (小于千分之一英寸)的透明隔離點把它們隔 開絕緣。當手指觸摸屏幕時，平常相互絕緣的兩層導電層就在觸摸點位置有了一 個接觸，觸點位置不同可以產生不同的電壓分布，通過檢測電壓分布的情況 就可以得到觸點的坐標。電阻式觸摸屏的關鍵在于材料技術，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)控制領域及辦公 室內有限人的使用。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。當手指觸摸屏幕時， 觸點上的聲波吸收或阻斷，超聲波接收器通過檢測聲波的強度和位置，確定 坐標位置。表面聲波式觸摸屏對原顯示器的清晰度影響比較小，分辨率很高，而且 經久耐用。但是其對環(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） 電容式觸摸屏的構造主要是在玻璃屏幕上鍍一層透明的薄膜體層，再在導體層外加上一塊保護玻璃，雙玻璃設計能徹底保護導體層及感應器。電容式觸摸屏在觸摸屏四個角上安裝電極，在導電體內形成一個低電壓交流電 場。當手指觸摸在金屬層上時，由于人體電場，用戶和觸控屏表面形成以一 個耦合電容，觸點的電容就會發(fā)生變化，使得與之相連的振蕩器頻率發(fā)生變第 9 頁清華大學綜合論文訓練化，通過測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，往往會產生漂移現(xiàn)象，而且要 求觸摸的設備必須是導體。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?？蚣苌厦娴膬蓚€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由紅外線組成的柵格。當有任何物體進入這個柵格的時 候，就會阻擋一些光線，在紅外線探測器上就會收到變化的信號，這樣就可 以檢測到觸摸的位置坐標。紅外觸摸屏的好處是完全透光，不影響顯示器的清晰度，但是分辨率受 外線發(fā)射和接收器的物理大小限制，而且容易損壞。 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備。常見的主動式觸摸系統(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，進行觸摸。通過檢測屏幕線圈內的磁力線變化就可 以確定接觸點的坐標。如果交互筆的筆頭是一個可變的電感，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 是其他觸摸屏無法實現(xiàn)的。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。此外，電磁式感應技術能夠在一定距離內檢測到交互筆的 動作，當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 頁清華大學綜合論文訓練定其坐標，而是否接觸板面又可以作為另一個信號區(qū)分不同的操作，因此電磁式系統(tǒng)能夠模擬鼠標拖動（鼠標左鍵按下）和鼠標懸移（鼠標左鍵不按下） 兩種動作。電磁式觸摸系統(tǒng)的交互過程只在交互筆和交互板面之間進行，與 其他物體是否接觸板面無關，用戶完全可以把手放在交互板面上而不干擾交 互的進行。然而，電磁式觸摸屏需要在交互板面上鋪設電線網(wǎng)絡，從而限制了板面 的尺寸，很難應用于大型的等離子顯示器和背投顯示屏。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。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)信號的方位和強度確定接觸點的坐標。這里的主動式紅外線觸摸屏與前面的被動式紅外線觸摸屏并不相同，兩者在原理上有一定差異。主動式 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，通過檢測信號的方位和強度可以確定接觸點坐標；被動式的紅 外線發(fā)射器和接收器都安裝在板面上，物體接觸板面時，紅外線被阻斷，通 過檢測紅外線阻斷的位置確定接觸點坐標。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。當帶有條碼的交互進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。 各種觸摸技術的優(yōu)點和缺陷被動式觸摸系統(tǒng)共同的優(yōu)勢是經久耐用，不需要特制的交互設備，因此使用 方便快捷，非常適合于在公共場所中的使用。但是由于工藝和技術的限制，被 動式觸摸系統(tǒng)在尺寸上不能做的很大。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，圖像質量提高比較困難。第 11 頁清華大學綜合論文訓練主動式觸摸屏對特制交互筆的依賴一定程度上限制了它的應用，因為交互筆可能丟失。另外交互筆一般需要電池供電，定期更換電池將會是一件很麻煩的 事情，而不更換電池又會影響到定位的準確性。主動式觸摸屏中的超聲波和激光系統(tǒng)對交互筆的靈敏性要求更高，用戶可能 在不經意間阻擋了超聲波和激光的傳輸途徑。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。激光 技術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