一種基于視頻技術(shù)的無(wú)線懸空鼠標(biāo)設(shè)計(jì)

廣東創(chuàng)新科技職業(yè)學(xué)院 李杏清 曾召江 張勁波 張仁忠

一種基于視頻技術(shù)的無(wú)線懸空鼠標(biāo)設(shè)計(jì)

廣東創(chuàng)新科技職業(yè)學(xué)院 李杏清 曾召江 張勁波 張仁忠

本文針對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)翻頁(yè)筆只能翻頁(yè),不能像鼠標(biāo)一樣選擇、拖拉,而一般的鼠標(biāo)又需要平面支撐等問(wèn)題,提出了一種無(wú)需滑動(dòng)平臺(tái)就可以實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)功能的無(wú)線懸空鼠的設(shè)計(jì)方法。該設(shè)計(jì)采用視頻技術(shù)進(jìn)行移動(dòng)目標(biāo)定位,以DSP芯片為信號(hào)處理器,通過(guò)RF射頻收發(fā)模塊完成無(wú)線通信。該鼠標(biāo)可作為多媒體教學(xué)的無(wú)線電子教鞭,有廣泛的應(yīng)用前景。

無(wú)線懸空鼠標(biāo);移動(dòng)目標(biāo)定位;視頻技術(shù);DSP芯片

1.引言

多媒體教學(xué)是目前課堂教學(xué)的主要形式之一,但固定的PPT課件內(nèi)容、教師(講演者)坐在電腦桌前靜態(tài)的操作,降低了教與學(xué)之間的互動(dòng),影響了教學(xué)質(zhì)量(演講效果)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,無(wú)線電子教鞭的出現(xiàn),使教師不必一直守在電腦前講課,為教師自由發(fā)揮講課藝術(shù)創(chuàng)造有利條件。但目前的電子教鞭主要以無(wú)線激光翻頁(yè)筆為主,功能比較單一,只能翻頁(yè)和定位目標(biāo),在改善教學(xué)效果方面作用有限。無(wú)線鼠標(biāo)也可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離操作電腦,但鼠標(biāo)始終離不開(kāi)滑動(dòng)的平面,使其在課堂教學(xué)中應(yīng)用不大。

懸空鼠標(biāo)是一種能脫離平臺(tái)操作的新型鼠標(biāo),它集合了普通鼠標(biāo)和激光筆翻頁(yè)筆的功能。用其作為電子教鞭,可讓教師徹底從電腦桌旁解放出來(lái),充分地融入到學(xué)生中間去,從而極大的提高教學(xué)質(zhì)量。本文從研究視頻圖像處理出發(fā),采用新的移動(dòng)目標(biāo)定位方法,在普通激光筆和無(wú)線鼠標(biāo)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一種新型無(wú)線懸空鼠標(biāo)。

2.基于視頻技術(shù)的移動(dòng)目標(biāo)定位方法

近年來(lái),隨著圖像處理技術(shù)的發(fā)展,視頻技術(shù)在多媒體技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)、交通監(jiān)控等方面有廣泛的應(yīng)用,本文用視頻信號(hào)進(jìn)行目標(biāo)定位,該定位系統(tǒng)主要由微型攝像頭和圖像處理芯片組成。

圖1 目標(biāo)定位原理圖

(1)移動(dòng)目標(biāo)定位原理

移動(dòng)目標(biāo)定位原理如圖1所示。用于采集視頻信號(hào)的微型攝像機(jī)位于目標(biāo)點(diǎn)前方,目標(biāo)點(diǎn)是攝像機(jī)視口的中心點(diǎn)。圖1中S是垂直平面,ABCD是平面上一投影屏幕,屏幕窗口中的直角坐標(biāo)系原點(diǎn)設(shè)在A點(diǎn),水平方向?yàn)閄軸,向右為正;垂直方向?yàn)閅軸,向下為正。P點(diǎn)是攝像機(jī)的位置,EFGH是攝像機(jī)視口。NP是屏幕的法線方向,距離為d,MP是視口EFGH的法線方向,距離為dˊ,NP與MP 之間的夾角為α。顯然,視口平面與屏幕平面之間的夾角也為α。

當(dāng)攝像機(jī)視口的面積S攝像機(jī)設(shè)定為大于屏幕窗口的面積S屏幕窗口,但小于屏幕窗口的面積S屏幕窗口4倍時(shí),即:

S屏幕窗口

則有如下定理:當(dāng)激光點(diǎn)M落入屏幕窗口中,由EFGH構(gòu)成的攝像機(jī)視口EF、FG、GH、HE、EG、HF六條線段中,至少有三條線段將與由ABCD構(gòu)成的屏幕窗口AB、BC、CD、DA四條線段中的至少兩條線段相交。

1.1 標(biāo)定

由于工作中P點(diǎn)是可移動(dòng)的,所以d是一個(gè)變量。假設(shè)工作中2m

1.2 工作

當(dāng)目標(biāo)點(diǎn)落入屏幕窗口,啟動(dòng)微型攝像機(jī)采集圖像。圖像處理器根據(jù)以上定理及標(biāo)定值可計(jì)算出此時(shí)激光點(diǎn)在屏幕窗口坐標(biāo)下的坐標(biāo)值,將此坐標(biāo)值發(fā)送給計(jì)算機(jī),計(jì)算機(jī)在該點(diǎn)繪出光標(biāo)圖形。將目標(biāo)點(diǎn)移動(dòng)到目標(biāo)點(diǎn)Q(x,y)的過(guò)程,攝像機(jī)將按照工作頻率采集多幅圖像重復(fù)上述計(jì)算與繪制過(guò)程,最終得到目標(biāo)點(diǎn)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)情況。

(2)誤差

理論上根據(jù)采集圖像計(jì)算得出的目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)值,應(yīng)與實(shí)際目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)值一致,從而光標(biāo)圖形將與激光點(diǎn)重疊。但在實(shí)際操作中由于各種誤差的存在,鼠標(biāo)的光標(biāo)圖形與目標(biāo)點(diǎn)并不能完全重疊。其中主要的誤差為:1)實(shí)際操作時(shí)的距離d與標(biāo)定時(shí)選用的距離不同產(chǎn)生的計(jì)算誤差。2)由于α角的存在,攝像機(jī)視口投影到S平面后產(chǎn)生的位置誤差。3)由于手持?jǐn)z像機(jī)造成攝像機(jī)視口難于保持水平,即線段AB與EF之間存在夾角β而產(chǎn)生的誤差。

(3)誤差修正

由于工作過(guò)程是一個(gè)有人參與的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng),人的眼睛是檢測(cè)傳感器,人的大腦是調(diào)節(jié)控制器,人的手是執(zhí)行機(jī)構(gòu)。經(jīng)過(guò)多次調(diào)節(jié),雖然鼠標(biāo)的光標(biāo)圖形與激光點(diǎn)可能沒(méi)有完全重疊,但只要使得鼠標(biāo)的光標(biāo)圖形進(jìn)入目標(biāo)區(qū)域即可完成鼠標(biāo)的操作。

3.無(wú)線懸空鼠標(biāo)的設(shè)計(jì)

無(wú)線懸空鼠標(biāo)是無(wú)需操作平臺(tái)的鼠標(biāo),目前市面上的懸空鼠標(biāo)多采用陀螺儀實(shí)現(xiàn)懸空操作,本文介紹的鼠標(biāo)則是通過(guò)視頻技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。 該鼠標(biāo)主要由無(wú)線收發(fā)射模塊、視頻信號(hào)采集模塊、DSP芯片等。發(fā)射部分系統(tǒng)框圖如圖2所示,接收部分系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖2 發(fā)射部分系統(tǒng)框圖

圖3 接收部分系統(tǒng)框圖

(1)DSP芯片

DSP芯片結(jié)構(gòu)特殊,具有獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線和程序總線、硬件乘法器、多級(jí)流水線等,可靈活的實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理的算法,在實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理方面有強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)。本文采用TMS320F28335型數(shù)字信號(hào)處理器對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行處理,該芯片的精度高,成本低, 功耗小,性能高,外設(shè)集成度高,數(shù)據(jù)以及程序存儲(chǔ)量大,A/D轉(zhuǎn)換精確快速。TMS320F28335具有150MHz的高速處理能力,具備32位浮點(diǎn)處理單元,6個(gè)DMA通道支持ADC、McBSP和 EMIF,有多達(dá)18路的PWM輸出,其中有6路為TI特有的更高精度的PWM輸出,12位16通道ADC。這得益于其浮點(diǎn)運(yùn)算單元,用戶可快速編寫控制算法而無(wú)需在處理小數(shù)操作上耗費(fèi)過(guò)多的時(shí)間和精力,并與定點(diǎn)C28x控制器軟件兼容。

(2)鼠標(biāo)懸空操作的實(shí)現(xiàn)

快速定位激光信號(hào),并對(duì)其坐標(biāo)進(jìn)行解算,從而分析光標(biāo)相對(duì)運(yùn)動(dòng)是實(shí)現(xiàn)無(wú)線鼠標(biāo)懸空操作的關(guān)鍵,也是本文的核心。激光點(diǎn)位置信號(hào)采集由微型攝像頭完成,激光點(diǎn)的坐標(biāo)和相對(duì)運(yùn)動(dòng)的解算由DSP芯片完成。

信號(hào)的采集和處理原理如圖4所示:

圖4 視頻信號(hào)的采集和處理原理圖

鼠標(biāo)工作時(shí),利用激光筆模塊產(chǎn)生的激光信號(hào),當(dāng)激光點(diǎn)落入屏幕窗口時(shí)啟動(dòng)裝在鼠標(biāo)上的微型攝像系統(tǒng)采集圖像,并把信號(hào)傳遞給DSP芯片。DSP芯片根據(jù)上述視頻圖像定位方法及標(biāo)定值可計(jì)算出此時(shí)激光點(diǎn)在屏幕窗口坐標(biāo)下的坐標(biāo)值,將此坐標(biāo)值發(fā)送給計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)在該點(diǎn)繪出鼠標(biāo)的光標(biāo)圖形。當(dāng)使用者沿想要通過(guò)鼠標(biāo)拖選某一內(nèi)容時(shí),只需沿拖動(dòng)的方向晃動(dòng)鼠標(biāo),將激光點(diǎn)移動(dòng)到目標(biāo)點(diǎn)Q(x,y),攝像機(jī)將按照工作頻率采集多幅圖像,DSP系統(tǒng)將重復(fù)上述計(jì)算與繪制過(guò)程,最終在目標(biāo)內(nèi)容上繪出鼠標(biāo)的光標(biāo)圖形。此時(shí)按下相應(yīng)的鍵,即可完成鼠標(biāo)的操作。從而實(shí)現(xiàn)了無(wú)滑動(dòng)平面的鼠標(biāo)操作功能。

(3)無(wú)線信號(hào)的收發(fā)

無(wú)線信號(hào)收發(fā)目前主要有紅外技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)和RF射頻技術(shù)。紅外接收技術(shù)成熟、復(fù)雜性低,但有一定的方向性和距離限制,在發(fā)射器和接收器之間,不能有任何物體阻擋,使用時(shí)表現(xiàn)為接收器和發(fā)射器要在一定的角度內(nèi)對(duì)準(zhǔn),方可實(shí)現(xiàn)遙控;藍(lán)牙技術(shù)同樣受傳輸距離和物體阻擋的影響;RF射頻技術(shù)信號(hào)收發(fā)時(shí)無(wú)需將發(fā)射器對(duì)準(zhǔn)接收器,相比較紅外技術(shù)和藍(lán)牙技術(shù)來(lái)說(shuō),更適合在教室等場(chǎng)所使用。

本設(shè)計(jì)可采用體積最小、外圍元件少、功耗小、成本低的nRF2401 射頻系統(tǒng)級(jí)芯片構(gòu)成的射頻模塊進(jìn)行無(wú)線收發(fā),通過(guò)USB協(xié)議實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)的通信。鼠標(biāo)的單擊和雙擊的功能通過(guò)發(fā)射電路板的兩個(gè)左右按鍵實(shí)現(xiàn)。

4.結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)教學(xué)翻頁(yè)筆只能翻頁(yè),不能像鼠標(biāo)一樣選擇,拖拉,而一般的鼠標(biāo)又需要平面支撐等問(wèn)題,重點(diǎn)研究視頻技術(shù)在移動(dòng)目標(biāo)定位中的應(yīng)用,提出了一種新的無(wú)線鼠標(biāo)的設(shè)計(jì)方法。該方法通過(guò)微型攝像系統(tǒng)感知鼠標(biāo)的移動(dòng)動(dòng)作,以DSP芯片為處理器,采用RF射頻收發(fā)模塊完成無(wú)線通信,從而達(dá)到鼠標(biāo)的懸空操作,真正將用戶從計(jì)算機(jī)旁解放出來(lái)。

[1]曹青,歐陽(yáng)紅林,胡彪?；诮撬俾释勇輧x的無(wú)線鼠標(biāo)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]。微機(jī)電技術(shù)應(yīng)用,2008,24(12):230-232.

[2]田亮亮,王國(guó)發(fā),臧家偉。3D無(wú)線射頻鼠標(biāo)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]。機(jī)電產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新,2011,24(3):50-51.

廣東創(chuàng)新科技職業(yè)學(xué)院科研基金資助,項(xiàng)目編號(hào):2015kyxm002.