CN101102513A

CN101102513A - 采用线阵ccd摄像机的交互式电子白板

Info

Publication number: CN101102513A
Application number: CNA2007100701228A
Authority: CN
Inventors: 李海峰; 刘旭; 黄文标; 刘向东
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2007-07-20
Filing date: 2007-07-20
Publication date: 2008-01-09
Anticipated expiration: 2027-07-20
Also published as: CN100556152C

Abstract

本发明公开了一种采用线阵CCD摄像机的交互式电子白板。在普通白板四周的边缘中心各安放至少一组线阵CCD摄像机，每组线阵CCD摄像机至少有一台线阵CCD摄像机。整个白板被平分成至少四个测量区域，其中第一组线阵CCD摄像机负责测量屏幕上C、D区域的横向位置，第二组线阵CCD摄像机负责测量A、B区域的横向位置。第三组线阵CCD摄像机负责测量A、C区域的综向位置，第四组线阵CCD摄像机负责测量B、D区域的纵向位置。书写工具可采用向四周发光的发光笔。本发明可以增加每组线阵CCD摄像机的个数来增大白板的探测物理分辨率。同时由于被探测的区域远离CCD摄像机，使得每个被测量区域CCD摄像机均有较好的成像质量。提高了白板的书写测量定位精度。

Description

采用线阵CCD摄像机的交互式电子白板

技术领域

本发明涉及一种采用线阵CCD摄像机的交互式电子白板，可以实现输入光笔或手指等遮挡物在白板上坐标的高精度探测定位。

背景技术

交互式电子白板系统目前广泛应用于教育、办公等场合。交互式电子白板可以和投影机联合使用，其优点在于它可以借助投影机或显示器，把人们在白板上书写的内容通过投影机或显示器显示出来，从而抛弃传统的黑板和粉笔。

交互式电子白板的关键技术在于书写笔的位置探测，目前现有的交互式电子白板的探测技术包括红外线、超声波以及CCD探测器。红外线探测技术是把红外发光二极管一个接一个的安置于白板的一侧，与其相对的另一侧放置一排光电探测器。当笔或其他物体遮挡住红外光时，光电探测器上会产生阴影，根据阴影的位置可计算出遮挡物的位置。但由于发光二级管和光电探测器的体积较大，在白板四周排列时发光管和探测器的个数有限，因此分辨率不是很高。此外由于发光二级管发出的光平行性较差，因此笔在探测器阵列上的阴影大小和遮挡物离探测器的远近有关系。这也影响了测量的精度。

采用CCD探测器的技术有几种，一是采用CCD面阵，在白板的法线方向上安装CCD摄像机对白板进行拍摄，当发光笔在白板上书写时，在CCD上可以拍摄到一个光点，通过计算光点在CCD面阵中的位置可以测定光笔的位置。其缺点是CCD摄像机安装在远离白板的地方，不能和白板合成一体。另一种方法是采用CCD线阵，在白板上方左右角上各安置一个CCD摄像机，这样光笔和二个摄像机构成一个三角形。通过二台CCD摄像机可以测得光笔对二台CCD的夹角，通过求三角形的交点可以得到光笔的位置。在这种方法中，当笔离二台摄像机的连线较近时，由于三角形趋向于一条直线，会造成探测精度降低。此外由于只采用了二个CCD探测器，每个CCD必须探测整个白板平面，而CCD镜头有一定的景深，当笔接近CCD相机时，CCD上的光点成像就会变得很模糊，这同样降低了探测位置的精度。而且由于CCD分辨率自身的限制，使得测量精度不可能高于单个CCD的自身物理分辨率。

当前由于投影机的分辨率在不断提高以及无缝拼接显示技术的发展，交互式电子白板也提出了不断提高探测分辨率及定位精度的要求。本发明通过多个CCD摄像机，分区域测量，解决了CCD摄像机的景深造成的测量误差，同时通过测量坐标的拼接，突破了单个CCD的分辨率限制，提高了测量精度。

发明内容

本发明的目的是提供一种采用线阵CCD摄像机的交互式电子白板。可以大大提高分辨率和定位精度。

一种采用线阵CCD摄像机的交互式电子白板包括第一组线阵CCD摄像机、第二组线阵CCD摄像机、第三组线阵CCD摄像机、第四组线阵CCD摄像机、CCD信号转换电路、发光笔、白板，其中白板的四周每组线阵CCD摄像机至少有一个线阵CCD摄像机，整个白板被平分成至少四个测量区域，其中第一组线阵CCD摄像机测量屏幕上C、D区域的横向位置，第二组线阵CCD摄像机测量A、B区域的横向位置，第三组线阵CCD摄像机测量A、C区域的纵向位置，第四组线阵CCD摄像机测量B、D区域的纵向位置。

所述的在白板上书写的发光笔笔端向平行于白板面的四周发射光线，光点位置至少被每组线阵CCD摄像机探测到。光笔包括干电池、光源、导光棒、散射段和笔壳，笔壳设有相连接的电池、光源，光源前方设有导光棒，导光棒前端设有散射段。

CCD信号转换电路：单片机分别与第一CCD信号采集电路、第二CCD信号采集电路、第三CCD信号采集电路、第器CCD信号采集电路、USB转换芯片相连。

第一CCD信号采集电路、第二CCD信号采集电路、第三CCD信号采集电路、第器CCD信号采集电路相同，其中第一CCD信号采集电路：第一组线阵CCD摄像机与域值触发器、单片机相连接，第一组线阵CCD摄像机与单片机相连接，脉冲信号发生器与单片机的第一路计数器、第二路计数器相连接。

另一种采用线阵CCD摄像机的交互式电子白板包括第一组线阵CCD摄像机、第二组线阵CCD摄像机、第三组线阵CCD摄像机、第四组线阵CCD摄像机、CCD信号转换电路、白板、LED发光管、散射板，其中白板的四周每组线阵CCD摄像机至少有一个线阵CCD摄像机，电子白板四周排布LED发光管，在发光管前侧加散射板，每组线阵CCD摄像机置于LED层上端，整个白板被平分成至少四个测量区域，其中第一组线阵CCD摄像机测量屏幕上C、D区域的横向位置，第二组线阵CCD摄像机测量A、B区域的横向位置，第三组线阵CCD摄像机测量A、C区域的纵向位置，第四组线阵CCD摄像机测量B、D区域的纵向位置。

所述的CCD信号转换电路：单片机分别与第一CCD信号采集电路、第二CCD信号采集电路、第三CCD信号采集电路、第四CCD信号采集电路、USB转换芯片相连。

本发明由于采用了分区域探测的方法，提高了探测精度。如果需要进一步扩大探测的分辨率，或者探测如宽荧幕等较大的屏幕，可增加横向或纵向的CCD个数，通过几个CCD之间探测位置的拼接实现高分辨率的探测。此外由于本发明中每个CCD的测量区域都是远离CCD的镜头，因此只要CCD摄像机镜头保持一定的景深，测量区域内每个位置在CCD上均有较清晰的成像，所得到的光点脉冲较尖锐，因此可以获得比其他测量更高的测量精度。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中CCD信号转换电路的结构原理图；

图3是本发明中CCD信号采集电路的结构原理图；

图4是本发明中光笔的结构原理图；

图5是本发明中采用LED照明的电子白板结构示意图；

图6是本发明中采用LED照明的电子白板结构侧示图。

具体实施方式

如图1所示，在普通白板的四周边缘中心位置分别放置第一组线阵CCD摄像机组1、第二组线阵CCD摄像机2、第三组线阵CCD摄像机3、第四组线阵CCD摄像机4。上述每组线阵CCD摄像机由一台或一台以上线阵CCD摄像机构成。当一台以上摄像机时，放置位置可均匀分布在每边上。线阵CCD摄像机是由镜头和线阵CCD器件构成，镜头可采用普通面阵CCD摄像机的镜头，也可采用专门设计的镜头。线阵CCD可采用2048像元或其它分辨率的线阵CCD芯片，置于镜头的后焦面，中心对准光轴中心。在白板7上书写的发光笔6的笔端向周围发射光线，光点位置被每边上至少一台线阵CCD摄像机探测到。整个白板7被平分成至少四个测量区域，其中第一组线阵CCD摄像机1测量屏幕上C、D区域的横向位置，第二组线阵CCD摄像机2测量A、B区域的横向位置，第三组线阵CCD摄像机3测量A、C区域的纵向位置，第四组线阵CCD摄像机4测量B、D区域的纵向位置。

四组线阵CCD摄像机的信号连接到CCD信号转换电路5，CCD测得的光笔发光点的信号通过信号转换电路5转换成光笔的坐标值，并转换为标准的USB格式数据输出。

CCD信号转换电路5原理框图见图2。其中单片机55分别与第一CCD信号采集电路51、第二CCD信号采集电路52、第三CCD信号采集电路53、第四CCD信号采集电路54、USB转换芯片56相连。其中第一CCD信号采集电路51、第二CCD信号采集电路52、第三CCD信号采集电路53、第器CCD信号采集电路54相同，它们的作用是把CCD信号转换为位置信号，并计算出光笔相对于CCD摄像机的角度值。第一CCD信号采集电路51、第二CCD信号采集电路52、第三CCD信号采集电路53、第四CCD信号采集电路54把CCD测得的角度数据输出到单片机55。单片机55根据四组CCD摄像机探测到的角度和方向计算出光笔所处的区域。然后根据所处的区域，在第一组CCD摄像机1和第二组CCD摄像机2中选择一组作为测得的横向角度数据，在第三组CCD摄像机3和第四组CCD摄像机4中选择一组作为测得的纵向角度数据。单片机55根据这二组摄像机测量的角度数据计算出坐标值，并把计算结果输出到USB芯片56，转换成符合USB格式标准的USB信号。

下面我们以每组采用一台线阵CCD摄像机为例，给出具体计算流程如下：设四组CCD摄像机测到的光笔对它们的张角分别为α1、α2、α3、α4，并规定第一组CCD摄像机1和第二组摄像机2左侧的角度为正，右侧为负，第三组CCD摄像机3和第四组CCD摄像机4上方为正，下方为负(见图1)。设白板的半高为H，半宽为L，则：

1)如α1或α2＞0，而α3或α4＞0，则测量值取α2、α3，光笔坐标为

x = \frac{L - H \tan α 2}{1 - \tan α 2 \tan α 3},

y = \frac{H (1 - 2 \tan α 2 \tan α 3) - L \tan α 3}{1 - \tan α 2 \tan α 3}

2)如α1或α2＜0，而α3或α4＞0，则测量值取α2、α4，光笔坐标为

x = \frac{L - H \tan α 2}{1 + \tan α 2 \tan α 4},

y = \frac{H (1 + 2 \tan α 2 \tan α 4) - L \tan α 4}{1 + \tan α 2 \tan α 4}

3)如α1或α2＞0，而α3或α4＜0，则测量值取α1、α3，光笔坐标为

x = \frac{L (1 + 2 \tan α 1 \tan α 3) - H \tan α 1}{1 + \tan α 1 \tan α 3},

y = \frac{H - L \tan α 3}{1 + \tan α 1 \tan α 3}

4)如α1或α2＜0，而α3或α4＜0，则测量值取α1、α4，光笔坐标为

x = \frac{L - H \tan α 1}{1 - \tan α 1 \tan α 4},

y = \frac{H - L \tan α 4}{1 - \tan α 1 \tan α 4},

CCD信号采集电路的原理如图3所示。由于上述的第一CCD信号采集电路、第二CCD信号采集电路、第三CCD信号采集电路和第四CCD信号采集电路相同，这里只给出第一CCD信号采集电路的电路原理。其中第一组线阵CCD摄像机1与域值触发器511、单片机515相连接，第一组线阵CCD摄像机1与单片机515相连接，脉冲信号发生器512与单片机515的第一路计数器513、第二路计数器514相连接。当线阵CCD摄像机1拍摄到一个光点时，通过CCD的扫描，其图像信号为一个表示光点亮度的脉冲信号。同时CCD输出一个同步脉冲信号，即扫描的起始信号。这二个脉冲之间的时间差即为光点在线阵CCD上的位置。通过光点在CCD上的位置就可以计算出光点偏离光轴中心的距离。此距离除以镜头焦距，就可以计算出光笔对CCD摄像机的张角。

测量成像在CCD上的光点位置是这样实现的：脉冲信号发生器512产生一个频率稳定的方波信号，并接到单片机515的第一路计数器513和第二路计数器514上。第一组线阵CCD摄像机1的图像信号接到脉冲发生器512，第一组线阵CCD摄像机1的同步信号接到单片机515。由于图像脉冲信号有一个上升沿和下降沿，预先设定一个阈值电压，其值大致在图像脉冲峰值电压的一半左右。通过脉冲发生器512后，会在图像脉冲信号的上升、下降沿的阈值位置产生二个脉冲信号，此脉冲作为单片机515的中断脉冲。测量中，当同步信号的脉冲发送到单片机515时，单片机515通知第一路计数器513和第二路计数器514同时开始对方波脉冲进行计数。当CCD图像信号从低电平上升到预先设定的域值电压时，域值触发器512输出一个中断脉冲到单片机515，单片机515结束第一路计数器513对方波信号的计数。当CCD图像信号下降到预先设定的域值电压时，域值触发器512输出一个中断脉冲到单片机515，单片机515结束第二路计数器514对方波信号的计数。单片机515对二路计数器的计数值取平均值，即为CCD摄像机1从线阵CCD的起始位置扫描到光点峰值位置的时间，此时间作为CCD探测器测得的光点位置。

上述电路中脉冲信号发生器可采用常用的石英晶体振荡电路实现稳定的脉冲输出。域值触发器511可以采用电子线路书籍中经常介绍的触发电路。

系统中所采用的光笔6的结构如图4所示，它由笔壳61、干电池62、光源63、导光棒64、散射段65构成。其中笔壳61内装有干电池62和光源63，并把光源63和干电池62相连，使光源63发光。导光棒64置于光源63的前方，导光棒64前端设置散射段65。导光棒64把光源63发出的光传导到散射段65，散射段65把光往侧面的四周散射。导光棒64采用透明光学材料如塑料或玻璃，做成圆形棒。光源63可采用红外或可见光的发光二极管或半导体激光器。散射段65可以采用在导光棒端头四周涂敷散射薄膜的方法，使其产生散射，或在导光棒的下端粘接一小段圆形乳白色塑料或玻璃棒。

为了摆脱书写对光笔的依赖，下面给出一种不采用光笔的高精度电子白板系统。其结构原理图如图5、图6所示。首先在电子白板7四周先均匀排布LED发光管8，或其它的发光光源，其波长可以选择红外波段或可见光，在发光管前侧加散射板9，使通过散射板9后的光线分布均匀。在白板四周分别放置第一组线阵CCD摄像机1、第二组线阵CCD摄像机2、第三组线阵CCD摄像机3、第四组线阵CCD摄像机4。每组线阵CCD摄像机均置于LED发光管8的上方；或置于LED发光管的后方，但保证CCD摄像机镜头中心高于LED发光层。这样CCD摄像机将探测到一条均匀的亮线。当手指或其他物体遮挡住光线时，在CCD探测器上会产生一个黑点，其信号输出变成一个反向的负脉冲。

白板7被平分成至少四个测量区域，其中第一组线阵CCD摄像机1测量屏幕上C、D区域的横向位置，第二组线阵CCD摄像机2测量A、B区域的横向位置，第三组线阵CCD摄像机3测量A、C区域的综向位置，第四组线阵CCD摄像机4测量B、D区域的纵向位置。

和前面所叙述的电路系统相同，第一组线阵CCD摄像机1、第二组线阵CCD摄像机2、第三组线阵CCD摄像机3、第四组线阵CCD摄像机4分别和CCD信号转换电路5相连，CCD信号转换电路5把测得的CCD信号转换成手指等障碍物的坐标值，并转换为标准的USB格式数据输出。

Claims

1.一种采用线阵CCD摄像机的交互式电子白板，其特性在于它包括第一组线阵CCD摄像机1、第二组线阵CCD摄像机2、第三组线阵CCD摄像机3、第四组线阵CCD摄像机4、CCD信号转换电路5、发光笔6、白板7，其中白板7的四周每组线阵CCD摄像机至少有一台线阵CCD摄像机，整个白板被平分成至少四个测量区域，其中第一组线阵CCD摄像机1测量屏幕上C、D区域的横向位置，第二组线阵CCD摄像机2测量A、B区域的横向位置，第三组线阵CCD摄像机3测量A、C区域的纵向位置，第四组线阵CCD摄像机4测量B、D区域的纵向位置。

2.根据权利要求1所述的一种采用线阵CCD摄像机的交互式电子白板，其特征在于所述的在白板上书写的发光笔6笔端向平行于白板面的四周发射光线，光点位置至少被每组线阵CCD摄像机中的一台摄像机探测到。

3.根据权利要求1所叙述的一种采用线阵CCD摄像机的交互式电子白板，其特征在于光笔6包括笔壳61、干电池62、光源63、导光棒64和散射段65，笔壳61设有相连接的电池62、光源63，光源63前方设有导光棒64，导光棒64前端设有散射段65。

4.根据权利要求1所述的一种采用线阵CCD摄像机的交互式电子白板，其特征在于所述的CCD信号转换电路5：单片机55分别与第一CCD信号采集电路51、第二CCD信号采集电路52、第三CCD信号采集电路53、第四CCD信号采集电路54、USB转换芯片56相连。

5.根据权利要求4所述的一种采用线阵CCD摄像机的交互式电子白板，其特征在于所述的第一CCD信号采集电路51、第二CCD信号采集电路52、第三CCD信号采集电路53、第四CCD信号采集电路54相同，其中第一CCD信号采集电路51：第一组线阵CCD摄像机1与域值触发器511、单片机515相连接，第一组线阵CCD摄像机1与单片机515相连接，脉冲信号发生器512与单片机515的第一路计数器513、第二路计数器514相连接。

6.一种采用线阵CCD摄像机的交互式电子白板，其特性在于它包括第一组线阵CCD摄像机1、第二组线阵CCD摄像机2、第三组线阵CCD摄像机3、第四组线阵CCD摄像机4、CCD信号转换电路5、白板7、LED发光管8、散射板9，其中白板7的四周每组线阵CCD摄像机至少有一个线阵CCD摄像机，电子白板7四周排布LED发光管8，在发光管前侧加散射板9，每组线阵CCD摄像机置于LED层8上端，整个白板被平分成至少四个测量区域，其中第一组线阵CCD摄像机1测量屏幕上C、D区域的横向位置，第二组线阵CCD摄像机2测量A、B区域的横向位置，第三组线阵CCD摄像机3测量A、C区域的纵向位置，第四组线阵CCD摄像机4测量B、D区域的纵向位置。

7.根据权利要求6所述的一种采用线阵CCD摄像机的交互式电子白板，其特征在于所述的CCD信号转换电路5：单片机55分别与第一CCD信号采集电路51、第二CCD信号采集电路52、第三CCD信号采集电路53、第器CCD信号采集电路54、USB转换芯片56相连。

8.根据权利要求6所述的一种采用线阵CCD摄像机的交互式电子白板，其特征在于所述的第一CCD信号采集电路51、第二CCD信号采集电路52、第三CCD信号采集电路53、第器CCD信号采集电路54相同，其中第一CCD信号采集电路51：第一组线阵CCD摄像机1与域值触发器511、单片机515相连接，第一组线阵CCD摄像机1与单片机515相连接，脉冲信号发生器512与单片机515的第一路计数器513、第二路计数器514相连接。