【正文】 用特殊的交互設(shè)備。 當(dāng)有任何物體進(jìn)入這個(gè)柵格的時(shí) 候 ， 就會(huì)阻擋一些光線(xiàn) ， 在紅外線(xiàn)探測(cè)器上就會(huì)收到變化的信號(hào) ， 這樣就可 以檢測(cè)到觸摸的位置坐標(biāo)。 4． 紅外線(xiàn)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 。 當(dāng)手指觸摸在金屬層上時(shí)，由于人體電場(chǎng)，用戶(hù)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(yè) 清華大學(xué)綜合論文訓(xùn)練 化 ， 通過(guò)測(cè)量頻率變化可以確定觸摸位置獲得信息 。 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 。 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。 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。 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(lái)觸摸 ,可以用來(lái)書(shū)寫(xiě)繪畫(huà)，比較適合工業(yè)控制領(lǐng)域及辦公 室內(nèi)有限人的使用。 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(guò)檢測(cè)電壓分布的情況 就可以得到觸點(diǎn)的坐標(biāo) 。 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(lèi)系統(tǒng)的定位完全依靠板面 上的傳感器實(shí)現(xiàn)功能。 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(hù)完全可以用手指或其他物體完成交互工作。 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(wèn)題，而多點(diǎn)觸摸在日常應(yīng)用中非常常見(jiàn)。 各種觸摸技術(shù)都是依靠各自的傳感器來(lái)工作的 ， 甚至有的觸摸屏本身就 是一套傳感器 。 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。 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(lèi)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 。 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)。 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 。 觸摸屏有三個(gè)基本特征： 1．透明。 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。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。 第 6 頁(yè) 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(xún)的與日俱增 ， 人們?cè)絹?lái)越多地 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(jiǎn)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)。 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(yè) 清華大學(xué)綜合論文訓(xùn)練 位的過(guò)程。 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(xiàn) 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)。 具體的章節(jié) 安排如下： 第二章首先介紹了常見(jiàn)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。 論文的組織 在本文的引言中介紹了論文的研究背景 ， 并簡(jiǎn)要介紹了論文的研究?jī)?nèi)容和研 究方法。另外兩支筆同時(shí)書(shū)寫(xiě)時(shí)，遮擋問(wèn)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(xiàn)的時(shí)候，定位也會(huì)出問(wèn)題。 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)。 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。每次雙筆交互的過(guò)程都是從一支筆書(shū)寫(xiě)到兩支筆書(shū)寫(xiě)的過(guò)程，這就是 一個(gè)先驗(yàn)知識(shí)。本文實(shí)驗(yàn)中采用的攝像頭的刷新頻率為 30Hz，也就是書(shū)寫(xiě)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(hù)就不會(huì)感到書(shū)寫(xiě)使用有所限制。 (4)雙筆同時(shí)書(shū)寫(xiě)時(shí)，落筆不能完全同時(shí)，先后要大于一定 的 時(shí)間間隔。 (2)書(shū)寫(xiě)中兩支交互筆不能夠 距離不能太近。 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(guò)一定的算法改進(jìn) 實(shí)現(xiàn)雙筆定位。 一支筆定位過(guò)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(wèn)題。 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。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(lái)支持更多的筆是不可能實(shí)現(xiàn)的。至此就可以完成在 SMART Board 基礎(chǔ)上的軌跡區(qū)分。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(lái)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(lèi)，就可以實(shí)現(xiàn)軌跡的區(qū)分。因此只能在每次書(shū)寫(xiě)時(shí)發(fā)送一次接觸信號(hào)。 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)。無(wú)線(xiàn)電波波長(zhǎng)比紅外線(xiàn)要長(zhǎng)一些，對(duì)障礙物的衍射能力比 較強(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。無(wú)線(xiàn)的傳送 方式可以采用紅外線(xiàn)、無(wú)線(xiàn)電波等。 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。常規(guī)的壓力、位移傳感器都比較復(fù)雜，體積比較大，而且要求的電源 比較嚴(yán)格，往往需要高頻的交流電供電，對(duì)電壓電流的要求也很高，這就給電 路設(shè)計(jì)帶來(lái)很大麻煩；常規(guī)的開(kāi)關(guān)體積比較小，原理很簡(jiǎn)單，電路設(shè)計(jì)起來(lái)也 第 2 頁(yè) 清華大學(xué)綜合論文訓(xùn)練 簡(jiǎn)單得多，但是也有一些缺陷，一般開(kāi)關(guān)需要很大的力量才能閉合，作為交互 筆筆尖，用戶(hù)使用起來(lái)不是很順手，比較生硬。但是并不是所有的檢測(cè)方式都適用在 這里。 由于 SMART Board 的物體 識(shí)別定位部分都已經(jīng)制作成硬件，我們不可能修改，要使系統(tǒng)能夠適時(shí)發(fā)送信 息，只能在交互筆上進(jìn)行改動(dòng)，需要在交互筆筆頭上安裝一定的裝置檢測(cè)接 觸 信息。我們所要做的 工作是在交互筆書(shū)寫(xiě)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。 研究?jī)?nèi)容主要分為兩個(gè)方面 ， 首先是在 SMART Board 的基礎(chǔ)上 ， 改進(jìn)系統(tǒng) ， 實(shí) 現(xiàn)在雙筆書(shū)寫(xiě)時(shí)區(qū)分雙筆軌跡 ； 另一個(gè)方面就是從底層上研究 SMART Board 的 技術(shù)，模擬實(shí)現(xiàn) SMART Board 的雙筆定位基礎(chǔ)服務(wù)。如果能夠在 SMART Board 基礎(chǔ)上， 進(jìn)行一定的改進(jìn)，使系統(tǒng)能夠在交互筆書(shū)寫(xiě)時(shí)實(shí)時(shí)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(lái)，從而實(shí)現(xiàn)軌跡的區(qū)分，這就是本文要做 的工作。但 是它 提供的只是雙筆定位的基礎(chǔ)服務(wù) ， 而不能夠把筆的軌跡和交互筆本身關(guān)聯(lián)起來(lái)， 當(dāng)雙筆同時(shí)書(shū)寫(xiě)時(shí)，系統(tǒng)無(wú)法根據(jù)不同的交互筆顯示不同顏色的軌跡，只能使 用同一種顏色來(lái)表示兩條軌跡。 為了滿(mǎn)足這種需求 ， 多用戶(hù)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。 然而現(xiàn)有的觸摸技術(shù)也存在一定的 缺 陷，常見(jiàn)的觸摸屏往往只支持單個(gè)用 戶(hù)，而不允許多個(gè)用戶(hù)同時(shí)書(shū)寫(xiě)使用，不能很好地滿(mǎn)足會(huì)議、討論等需要多人 同時(shí)參與的應(yīng)用需求 。 觸摸屏的技術(shù) 多種多樣，可以電容式的，也可以是電感式的，但是它們的目的是一樣的，就 是允許用戶(hù)不通過(guò)鼠標(biāo)鍵盤(pán)直接在顯示界面上進(jìn)行書(shū)寫(xiě)和操作。當(dāng)然這樣可以進(jìn)行交互式的展 示和討論，但是卻沒(méi)有像傳統(tǒng)的黑板那么直接，不能直接在顯示界面上進(jìn)行書(shū) 寫(xiě)和操作成了多媒體投影的一大弱點(diǎn)。多媒體投影 雖然解決了教室會(huì)議室 粉塵污染、書(shū)寫(xiě)板書(shū)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。 then we design the software to get the color information, and associate it with the stroke. The experiment results have shown that our system can distinguish the strokes well when two users write simultaneously. SMART Board acplishes the locating of two styluses through hardware, so if we want to improve the system in order to support more styluses in parallel, we have to implement the function of multistylus locating by ourselves. Another contribution of this paper is to acplish the locating of two styluses using two digital cameras. The fundamental arithmetic is as follows: firstly use Kalman Filter to predict the state II 清華大學(xué)綜合論文訓(xùn)練 of each stylus, and then find the center point of the stylus in each camera image, finally get the location through coordinate transformation. The arithmetic, which is quite simple and useful, allows the system to locate two styluses simultaneously and accurately. Keyword: SMART Board, multiuser, stylus input system, stroke distinguishing III 清華大學(xué)綜合論文訓(xùn)練 目錄 摘要 ............................................................................................................................... I Abstract......................................................................................................................... II 目錄 ............................................................................................................................ IV