CN101498980B - 基于红外线摄像的触摸显示屏边框、系统及计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了基于红外线摄像的触摸显示屏边框、系统及计算方法，其系统包括计算机、触摸显示屏，以及装在所述触摸显示屏边框上的红外线摄像装置、控制电路板，其中所述红外线摄像装置包括分别装在所述触摸显示屏一条边框同侧两角的两个高分辨率红外线摄像头，放置在所述红外线摄像头顶部或侧边的红外发射管，以及设置于所述触摸显示屏另外三条边框内侧的红外反光条；所述四条触摸显示屏边框采用活动连接，并可从所述触摸显示屏上拆卸或折叠；所述触摸显示屏边框可单独灵活配置，所述触摸系统可提高系统分辨率和触摸识别点坐标的计算精确度。

Description

基于红外线摄像的触摸显示屏边框、系统及计算方法 

技术领域

本发明涉及计算机输入领域，具体涉及一种基于红外线摄像的触摸显示屏边框、系统及提高计算触摸识别点精度的方法。 

背景技术

目前，触摸屏系统可分为五个基本种类：矢量压力传感技术触摸屏、电阻技术触摸屏、电容技术触摸屏、红外线技术触摸屏、表面声波技术触摸屏。传统的红外线技术触摸屏由装在屏幕外框的红外线发射接收机与红外反光条构成，系统通过发射红外光，经特殊材料反射后，把红外反射材料上的实时图像，通过摄像机成像于CMOS传感器上，当有任何触摸物体可阻挡该点上的红外线反射，红外线摄像头记录红外光的明暗变化波形，通过计算机进行波形数据分析，计算出触摸点的坐标位置，并控制对应显示的光标进行触摸操作。 

现有基于红外线摄像的触摸系统红外线摄像头体积大、像素不高，容易受到可见光和灰尘的干扰；而且设置有红外线发射接收机或红外反光条的边框和显示器触摸屏固定注塑在一起，不能分开，同显示器整体生产和出售，其外框结构复杂，不便安装和调整，也不能单独拆装更换维修其中一条坏的边框。另外现有基于红外线摄像的触摸系统数据处理和采样速度慢，触摸点坐标计算不精确，比如针对一个手指触摸感应，系统只能计算出指头大小的触点大概坐标，而不能精确计算到0.5-2毫米的触摸识别点坐标，影响触摸操作的准确性，这和提高触摸识别点精确度算法有很大关系。 

发明内容

本发明实施例提供了一种基于红外线摄像的触摸显示屏边框、系统及计算方法，其系统具有活动连接，可拆卸或折叠的带红外线摄像装置的触摸显示屏边框，采用提高计算触摸识别点位置精确度的插值方法。 

本发明实施例提供的一种基于红外线摄像的触摸显示屏边框，包括装在所述触摸显示屏边框上的红外线摄像装置、控制电路板，其中所述红外线摄像装 置包括分别装在所述触摸显示屏一条边框同侧两角的两个高分辨率红外线摄像头，放置在所述红外线摄像头顶部或侧边的红外发射管，以及设置于所述触摸显示屏另外三条边框内侧的红外反光条；所述四条触摸显示屏边框采用活动连接，并可从所述触摸显示屏上拆卸或折叠。所述四条触摸显示屏边框为伸缩框结构，可根据所述触摸显示屏大小调节边框长短。 

本发明实施例还提供一种基于红外线摄像的触摸系统，包括计算机、触摸显示屏，以及装在所述触摸显示屏边框上的红外线摄像装置、控制电路板，其中所述红外线摄像装置包括分别装在所述触摸显示屏一条边框同侧两角的两个高分辨率红外线摄像头，放置在所述红外线摄像头顶部或侧边的红外发射管，以及设置于所述触摸显示屏另外三条边框内侧的红外反光条；所述四条触摸显示屏边框采用活动连接，并可从所述触摸显示屏上拆卸或折叠； 

所述控制电路板将所述红外线摄像头采集到的红外反光图像变化数据传送给计算机，进行交互比较分析，确定触摸识别点坐标，控制所述触摸显示屏上与所述触摸识别点对应的光标操作。 

进一步，所述控制电路板由光电信号转换模块、图像数据处理芯片、图像数据存储器、数据与控制输出接口，比如USB接口依次连接组成，所述控制电路板一端与所述红外线摄像装置连接，另一端与触摸显示屏和计算机连接。所述控制电路板采用高速低功耗逻辑单元芯片与计算机之间通过高速USB数据线或高帧率传感器传输数据。 

本发明实施例还提供的一种应用于上述触摸系统的插值方法，其包括步骤： 

(1)通过所述触摸系统的触摸显示屏边框上的红外线摄像装置拍摄记录一帧未触摸时的红外光标准图像； 

(2)拍摄记录有触摸时的红外光亮度变化图像； 

(3)将所述红外光亮度变化图像与所述红外光标准图像进行比较，得到一段不同亮度曲线变化的反光波形，判断产生亮度曲线变化的该段反光波形的位置； 

(4)将该段反光波形的波谷点作为基点B，已知基点B亮度值为b，X轴上坐标是H，对所述基点B和前相邻像素点A之间进行N等分，从点A侧算起 依次得到n-1个等分点A1、A2、...A(n-1)，其所述点A、A1、A2、...A(n-1)上的亮度值分别为a、a1、a2、...a(n-1)；对所述基点B和后相邻像素点C之间进行N等分，从点C侧算起依次得到n-1个等分点C1、C2、...C(n-1)，所述点C、C1、C2、...C(n-1)上的亮度值分别为c、c1、c2、...c(n-1)； 

(5)设定一个门限阀值Y，判断如果|a-c|＜Y，则触摸识别点的X轴坐标为H；否则分析如下 

当|a-c|＞Y且a＞c时， 

判断如果|b-a1|＜Y，则触摸识别点的X轴坐标为H-(n-1)； 

否则判断如果|b-a2|＜Y，则触摸识别点的X轴坐标为H-(n-2)； 

否则直至判断如果|b-a(n-1)|＜Y，则触摸识别点的X轴坐标为H-1； 

当|a-c|＞YY且a＜c时， 

判断如果|b-c1|＜Y，则触摸识别点的位置为H+(n-1)； 

否则判断如果|b-c2|＜Y，则触摸识别点的X轴坐标为H+(n-2)； 

否则直至判断如果|b-c(n-1)|＜Y，则触摸识别点的X轴坐标为H+1； 

通过上述过程最后求得提高了N-1倍精度后的所述触摸识别点的X轴坐标。 

实施本发明实施例提供的一种基于红外线摄像的触摸显示屏边框，由于采用体积轻巧、活动连接，并可拆卸或折叠的带红外线摄像装置、控制电路板的边框设计，不仅方便运输安装和单独更换维修其中一条坏的边框，而且还可单独生产、出售设置有红外线摄像装置、控制电路板的边框，安装在普通的显示屏上，加载相关控制程序，使其成为触摸显示屏。作为一种改进方式，所述四条触摸显示屏边框为伸缩框结构，可根据所述触摸显示屏大小调节边框长短，匹配不同尺寸的触摸显示屏。 

本发明实施例提供的触摸系统还具有体积小、高像素的摄像头，以及采用提高计算触摸识别点位置精确度的插值方法，对于面积较大的触点，进行抽象比较分析，从而得到精度更高的触摸识别点屏幕位置，控制相应光标的移动，让触摸控制更加精准。同时采用高速低功耗逻辑单元芯片与计算机之间通过高速USB数据线和高帧率传感器传输数据，提高了数据处理和采样速度。 

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种基于红外线摄像的触摸系统结构示意图； 

图2是本发明实施例提供的红外线摄像装置结构示意图； 

图3是本发明实施例提供的控制电路板结构示意图； 

图4是本发明实施例提供的触摸点三角算法示意图； 

图5为无触摸时本发明系统拍摄的触摸屏红外光亮度变化的图像； 

图6为有触摸时本发明系统拍摄的触摸屏红外光亮度变化的图像； 

图7是用手指触摸触摸屏时模拟红外线摄像示意图； 

图8是本发明实施例提供的插值算法示意图。 

具体实施方式

为使本发明更加容易理解，下面结合附图对本发明作进一步阐述，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制。 

如图1所示，本发明实施例提供的一种基于红外线摄像的触摸系统，包括计算机10、触摸显示屏20，装在所述触摸显示屏边框上的红外线摄像装置30、控制电路板40。所述控制电路板40一端与所述红外线摄像装置30连接，另一端与触摸显示屏20和计算机10连接。 

如图2所示，所述红外线摄像装置包括分别装在触摸显示屏一条边框50同侧两角的两个高分辨率红外线摄像头301、放置在红外线摄像头顶部或侧边的红外发射管302、以及设置于所述触摸显示屏另外三条边框50内侧的红外反光条303。所述四条触摸显示屏边框采用活动连接，比如可以采用螺丝旋转连接，或卡口连接，或接榫连接，或磁性连接。所述四条边框和触摸显示屏之间采用可拆卸的连接方式，比如螺丝固定连接、粘性连接、磁性连接等等，使所述四条触摸显示屏边框50可从所述触摸显示屏20上拆卸或折叠。 

作为一种改进的实施方式，所述四条触摸显示屏边框为伸缩框结构，可根据所述触摸显示屏大小调节边框长短。所述红外线摄像头采用高像素点和高精度的摄像头，并在镜头上设置有防尘滤光片。为防止其它可见光和灰尘影响红外线反射精度，所述红外反光条表面上还设置有防尘滤光条。 

如图3所示，所述控制电路板包括依次连接的光电信号转换模块401、图 像数据处理芯片402、图像数据存储器403、数据与控制输出接口404。所述控制电路板采用高速低功耗逻辑单元芯片与计算机之间通过高速USB数据形式和高帧率传感器传输数据。该控制电路板设置在任意一条所述触摸显示屏边框的背面或空腔中，也可设置在计算机主机中，通过一个数据与控制接口与计算机连线，比如USB接口。 

本发明实施例提供的触摸系统，由于采用体积轻巧、活动连接，并可拆卸或折叠的触摸显示屏边框设计，不仅方便运输安装和单独更换维修其中一条坏的边框，而且还可单独生产、出售设置带有红外线摄像装置、控制电路板的边框，安装在普通的显示屏上，加载相关控制程序，使其成为触摸显示屏。作为一种改进方式，所述四条触摸显示屏边框为伸缩框结构，可根据所述触摸显示屏大小调节边框长短，匹配不同尺寸的触摸显示屏。 

上述触摸系统还具有体积小、高像素的摄像头，以及采用提高计算触摸识别点精确度的插值算法，让触摸控制更加精准。同时采用高速低功耗逻辑单元芯片与计算机之间通过高速USB和高帧率传感器传输数据，提高了数据处理和采样速度。 

上述触摸系统实现原理是根据红外光的逆反射特性，利用红外反光边框，使红外线发射管发出的光近似按原路返回，并由红外摄像头拍摄返回的红外线光强图。如发生触摸，会减弱触摸遮挡点返回的红外光的强度，所述控制电路板将红外线摄像头采集到的红外光亮度明暗变化的数据进行信号转换、存储等处理后传送给计算机分析，对比无触摸和有触摸的红外亮度波形图像，运用三角算法程序和/或结合插值算法程序确定触摸遮挡点的坐标。理论上边框一侧角上的一个红外摄像头可以确定一根经过触摸点的射线，两个摄像头就可以根据同时经过触摸遮挡点的两根射线相交点确定触摸遮挡点在屏幕上的位置，计算出坐标，进而控制所述触摸显示屏上对应光标的操作。 

理想情况下，当触摸点很小，上述触摸系统通过计算机里的三角算法程序可计算出触摸点的坐标位置，所述三角算法原理如图4所示，图中W表示触摸屏宽度，相当于横坐标轴，H表示触摸屏宽度，相当于纵坐标轴，触摸遮挡点的坐标为(x，y)，当分别由左、右红外发射管发射的射线(图中虚线所示)相交与屏幕上触摸遮挡点时，同时被左、右摄像头摄像，由几何关系得 

$\tan a=\frac{y}{x}=\frac{H}{L}$

$\tan b=\frac{y}{W-x}=\frac{H}{R}$

由以上两式组成二元一次方程组解得 

$x=\frac{\mathrm{LW}}{R+L}$

$y=\frac{\mathrm{HW}}{R+L}$

其中，两条射线的角度a，b可由系统测量得到，根据已知的W和H值，可计算得到L和R的值，进而计算出触摸点x和y的值；或者两条射线在边框上的投影距离L和R的值可由系统测量得到，根据已知的W和H值，可计算得到触摸点x和y的值。这是其中一个触摸点的坐标计算，同理可以计算出更多触摸点的坐标，应用于多点触摸。 

如图5所示，为无触摸时，一个红外镜头摄取的红外反光亮度变化的截图，其横坐标是边框反光点的位置，即显示屏X轴的坐标，纵坐标为相应亮度值。 

如图6所示，为有触摸时，一个红外镜头摄取的红外反光亮度变化的截图，其横坐标是边框反光点的位置，即显示屏X轴的坐标，纵坐标为相应亮度值。与图5相比，图6中可见有一段反光波形亮度幅度有明显变化，即A点到C点之间的波形幅度有明显变化。 

如图7所示，当触摸点较大时，比如一个手指的触点面积有1平方厘米，相对左、右边的红外摄像头也许是遮挡住了反光边框上20个直径0.5毫米的反光点的长度，即边框上Lmax反光点到Lmin反光点之间的长度，或Rmax反光点到Rmin反光点之间的长度。由于所述红外摄像头的像素点受硬件工艺技术的限制，每个像素点摄取的可能是由反光边框上5个反光点构成的一小段波形曲线。这给系统触摸识别点坐标的更大像素的精确计算带来了一定难度，为进一步提高触摸识别点精确度的计算，将每个像素点拍摄显示的图像作更细的等分定位处理，本发明实施例还提供了一种应用于上述触摸系统的插值算法，其包括步骤： 

(1)摄像记录一帧未触摸时的红外光标准图像，参见图5； 

(2)摄像记录有触摸时的红外光亮度变化图像，参见图6； 

(3)将所述红外光亮度变化图像与所述红外光标准图像比较，得到一段 不同亮度曲线变化的反光波形，判断产生亮度曲线变化的该段反光波形的位置。 

(4)如图8所示，为截取的一段产生亮度曲线变化的反光波形，将该段反光波形的波谷点作为基点B，已知基点B亮度值为b，X轴上坐标的是H，对所述基点B和前相邻像素点A之间进行N等分，从点A侧算起依次得到n-1个等分点A1、A2、...A(n-1)，其所述点A、A1、A2、...A(n-1)上的亮度值分别为a、a1、a2、...a(n-1)；对所述基点B和后相邻像素点C之间进行N等分，从点C侧算起依次得到n-1个等分点C1、C2、...C(n-1)，所述点C、C1、C2、...C(n-1)上的亮度值分别为c、c1、c2、...c(n-1)。 

(5)设定一个门限阀值Y，Y可根据计算的精确度需求而设定。在图8中，比如对所述基点B和前相邻像素点A之间进行4等分，对所述基点B和后相邻像素点C之间也进行4等分，判断如果|a-c|＜Y，则触摸识别点的X轴坐标为H；否则分析如下 

当|a-c|＞Y且a＞c时， 

判断如果|b-a1|＜Y，则触摸识别点的X轴坐标为H-3； 

否则判断如果|b-a2|＜Y，则触摸识别点的X轴坐标为H-2； 

否则判断如果|b-a3|＜Y，则触摸识别点的X轴坐标为H-1； 

当|a-c|＞Y且a＜c时， 

判断如果|b-c1|＜Y，则触摸识别点的X轴坐标为H+3； 

否则判断如果|b-c2|＜Y，则触摸识别点的X轴坐标为H+2； 

否则判断如果|b-c3|＜Y，则触摸识别点的X轴坐标为H+1； 

结合2个摄像头摄取的图像比较分析，系统通过上述过程最后求得提高了3倍精度后的所述触摸识别点的X轴坐标，即对应反光边框上反光点的位置，再结合上述三角算法可求得更精确的所述触摸识别点的屏幕Y轴坐标。经计算提高了3倍精度后的所述触摸识别点位置比起最初采样的一个手指大小的触摸点位置更精确。 

需要说明的是，可根据计算的精确度需求，选择进行N次等分计算求得所述触摸识别点位置，等分越多，求得的得所述触摸识别点在屏幕上所占面积越小，位置更精确。上述提高计算触摸识别点位置精确度的插值算法还可应用到矢量压力传感技术触摸屏、电阻技术触摸屏、电容技术触摸屏、红外线技术触 摸屏、表面声波技术触摸屏中，不受触摸屏具体硬件的限制。 

以上所述是本发明的实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。 

Claims (7)

1.一种基于红外线摄像的触摸显示屏边框，其特征在于，包括装在所述触摸显示屏边框上的红外线摄像装置、控制电路板，其中所述红外线摄像装置包括分别装在所述触摸显示屏一条边框同侧两角的两个高分辨率红外线摄像头，放置在所述红外线摄像头顶部或侧边的红外发射管，以及设置于所述触摸显示屏另外三条边框内侧的红外反光条；所述四条触摸显示屏边框采用活动连接，并可从所述触摸显示屏上拆卸或折叠；所述四条触摸显示屏边框为伸缩框结构，可根据所述触摸显示屏大小调节边框长短。

2.根据权利要求1所述的触摸显示屏边框，其特征在于，所述控制电路板设置在任意一条所述触摸显示屏边框的背面或空腔中。

3.根据权利要求1所述的触摸显示屏边框，其特征在于，所述红外反光条表面上还设置有防尘滤光条；所述红外线摄像头采用高像素的摄像头，并在镜头上设置有防尘滤光片。

4.一种基于红外线摄像的触摸系统，其特征在于，包括计算机、触摸显示屏，以及装在所述触摸显示屏边框上的红外线摄像装置、控制电路板，其中所述红外线摄像装置包括分别装在所述触摸显示屏一条边框同侧两角的两个高分辨率红外线摄像头，放置在所述红外线摄像头顶部或侧边的红外发射管，以及设置于所述触摸显示屏另外三条边框内侧的红外反光条；所述四条触摸显示屏边框采用活动连接，并可从所述触摸显示屏上拆卸或折叠；所述四条触摸显示屏边框为伸缩框结构，可根据所述触摸显示屏大小调节边框长短；

所述控制电路板将所述红外线摄像头采集到的红外反光图像变化数据传送给计算机，进行交互比较分析，确定触摸识别点坐标，控制所述触摸显示屏上与所述触摸识别点对应的光标操作。

5.根据权利要求4所述的触摸系统，其特征在于，所述控制电路板由光电信号转换模块、图像数据处理芯片、图像数据存储器、数据与控制输出接口依次连接组成，所述控制电路板设置在任意一条所述触摸显示屏边框的背面或空腔中，所述控制电路板一端与所述红外线摄像装置连接，另一端与所述触摸显示屏和计算机连接。

6.根据权利要求4或5所述的触摸系统，其特征在于，所述控制电路板采用高速低功耗逻辑单元芯片与计算机之间通过高速USB数据线或高帧率传感器传输数据。

7.一种应用于权利要求4所述触摸系统的插值方法，其特征在于，包括步骤：

(1)通过所述触摸系统的触摸显示屏边框上的红外线摄像装置拍摄记录一帧未触摸时的红外光标准图像；

(2)拍摄记录有触摸时的红外光亮度变化图像；

(3)将所述红外光亮度变化图像与所述红外光标准图像进行比较，得到一段不同亮度曲线变化的反光波形，判断产生亮度曲线变化的该段反光波形的位置；

(4)将该段反光波形的波谷点作为基点B，已知基点B亮度值为b，X轴上坐标是H，对所述基点B和前相邻像素点A之间进行N等分，从点A侧算起依次得到n-1个等分点A1、A2、...A(n-1)，其所述点A、A1、A2、...A(n-1)上的亮度值分别为a、a1、a2、...a(n-1)；对所述基点B和后相邻像素点C之间进行N等分，从点C侧算起依次得到n-1个等分点C1、C2、...C(n-1)，所述点C、C1、C2、...C(n-1)上的亮度值分别为c、c1、c2、...c(n-1)；

(5)设定一个门限阀值Y，判断如果|a-c|＜Y，则触摸识别点的X轴坐标为H；否则分析如下

当|a-c|＞Y且a＞c时，

判断如果|b-a1|＜Y，则触摸识别点的X轴坐标为H-(n-1)；

否则判断如果|b-a2|＜Y，则触摸识别点的X轴坐标为H-(n-2)；

否则直至判断如果|b-a(n-1)|＜Y，则触摸识别点的X轴坐标为H-1；

当|a-c|＞Y且a＜c时，

判断如果|b-c1|＜Y，则触摸识别点的位置为H+(n-1)；

否则判断如果|b-c2|＜Y，则触摸识别点的X轴坐标为H+(n-2)；

否则直至判断如果|b-c(n-1)|＜Y，则触摸识别点的X轴坐标为H+1；

通过上述过程最后求得提高了N-1倍精度后的所述触摸识别点的X轴坐标。

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