CN101866242B - 电子平面显示触摸定位系统的坐标校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了电子平面显示触摸定位系统中的坐标校准方法，其特点是获取物理显示区中的任意一点的物理坐标，由电子平面显示触摸定位系统的计算机程序使用逻辑坐标计算方法，计算出逻辑显示区中对应于物理显示区该任意一点所对应点的逻辑坐标进行电子平面显示触摸定位系统中的坐标校准。本发明的方法定位准确，定位过程需要校准点数量少，校准即时性强，并在显示图象严重变形时也能进行校准，可适各种电子平面显示触摸定位系统。

Description

电子平面显示触摸定位系统的坐标校准方法

技术领域

本发明属于电子平面显示触摸定位技术领域，具体地说是电子平面显示触摸定位系统中的坐标校准方法。

背景技术

随着电子、计算机、网络技术的飞速发展，尤其是计算机视窗操作系统的出现，各类用途的电子平面显示触摸定位系统应运而生。所谓“电子平面显示触摸定位系统”(以下在不引起混淆的情况下，有时称系统或触摸定位系统)是指以电子平面显示为显示方式，并且在电子平面显示范围内具有触摸定位功能的计算机系统。比如各种触摸屏系统、交互式电子白板系统、具有触摸、书写功能的手机等等。使用过这些系统的人都知道：(1)电子平面显示触摸定位系统的功能就是通过点取显示屏上图像“位置”，实现选择图像所表示的功能或点取某一位置实现系统赋予该位置的特殊操作；(2)为实现这些功能，系统都需要“校准”。

在电子平面显示触摸定位系统中，计算机“系统软件”认为的输出显示区是一个一定比例的标准矩形，它有自己的坐标系统，它以“数据”的方式存在于计算机“系统软件”的生命期中，它是不能看到的，我们称作它为逻辑显示区或逻辑矩形，称它的坐标系统为逻辑坐标系统。逻辑显示区的内容最终要通过各种原理各种尺寸的电子平面显示“装置”显示出来，我们称平面显示“装置”中看到的显示区域为物理显示区或物理矩形，物理显示区或也有坐标系统我们称为物理坐标系统。对于逻辑显示区的任何一点、任何一个图像在物理显示区都有一对应的点及图像。在电子平面显示触摸定位系统中，物理显示区中点的物理坐标是在人们触摸它时，通过系统配备的专用电路获取的。

在电子平面显示触摸定位系统中，因为平面显示“装置”的显示原理及制造精度限制，再加上物理坐标接受专用电路精度误差的原因，被“系统软件”感知的物理显示区已经不是标准矩形，它相对逻辑显示区同时发生了线性的和非线性的变形，这种变形对不同的系统是不一样的。例如：手机的显示屏、计算机的触摸屏变形小一点，而投影机的显示变形很大(见图1、2，图1是系统的逻辑显示区、图2是显示方式为投影机时的可能的变形图像)。从系统的功能可以看出，这种系统必须做到：将物理显示区某一显示点的物理坐标转换为这一点的逻辑坐标。

所谓触摸定位系统坐标校准的含义是：为“将物理显示区某一显示点的物理坐标转换为这一点的逻辑坐标”的目的，提供一组有限数量的确定的逻辑点的显示图像，通过点取这些逻辑点在物理显示区的对应点，获得一组逻辑坐标与物理坐标的对应关系。根据这一组点的对应关系用一种方法推导出所有点的物理坐标与逻辑坐标的对应关系。

触摸定位系统的坐标校准方法的含义是：通过“人机交互”方式提供“怎样”一组有限数量的确定的逻辑点的显示图像，通过点取这些逻辑点在物理显示区的对应点，获得一组逻辑坐标与物理坐标的对应关系，根据这一组点的对应关系，用“什么方法”将任意点的物理坐标转换为它的逻辑坐标。

目前，电子平面显示与触摸定位系统的坐标校准方法有很多种，但总的来看是两类：

一类比如：两点、三点、五点、九点的校准方法。其主要思路是：提供一组有限数量的确定的逻辑点，这些逻辑点可以把逻辑矩形分为一个或若干个相等的小矩形，显示、点取这些逻辑点在物理显示区的对应点，获得一组逻辑坐标与物理坐标的对应关系，然后把每一块逻辑矩形与对应的物理矩形认为是线性对应。再用矩形与矩形线性对应的简单规则来实现物理坐标向逻辑坐标的转换，这类方法存在的问题是：

1.矩形对应矩形不能精确反映逻辑显示区变为物理显示区的变形规律。

2.变形情况越严重所分的块数就会越多。

3.因物理显示区相对逻辑显示区的变形是很复杂的线性与非线性变形的叠加，这类方法转换精度很低。

但是，这种方法在精确要求不太高，并且物理显示区变形不太严重的场合，就一定的应用而言还是可行的。

另外，还有一类基于BP神经网络的电子平面显示触摸定位系统的坐标校准方法，该方法的校准过程采用了BP神经网络，即基于误差反向传播的人工神经网络。该方法是首先假设基于BP神经网络的数学转化模型(或函数)为坐标转化模型，然后通过对电子平面显示触摸定位系统上选取N个点进行物理坐标测试(N为有限个逻辑点)，对其转化为逻辑坐标的准确率进行误差分析、反馈，在对不满足误差要求的数据进行反复反馈迭代，最终使得每个测试点都满足误差要求。该过程其实是一种循环迭代计算方法，是寻找一组“指定的非线性函数”的线性变换逼近逻辑显示区变为物理显示区的非线性现象。基于BP神经网络的电子平面显示触摸定位系统的坐标校准方法是一种宽泛化的一般方法，这种方法能用于任何的图形变换，它回避了电子平面显示触摸定位系统图像变形的特殊规律，这种方法也仅优于上述的两点、三点校准方法。它所存在的缺点和不足是：

1、由于回避了逻辑显示区变为物理显示区的特殊变换规律，校准误差很大。

2、应用过程较为繁杂，为了获取高精度，该方法牺牲了快速性能。对每次校准需要选取大量的测试点，并且对每个测试点需要进行大量的循环计算(循环迭代计算时间相对较长)，影响了电子平面显示触摸定位系统的即时性。

随着电子平面显示分辨率的提高与触摸屏手写识别技术的发展，尤其是交互式电子白板系统的出现，人们需要精确书写与操作，对电子平面显示触摸定位系统中物理坐标与逻辑坐标的转换精确要求越来越高。为此，上述的两类方法，在交互式电子白板系统应用中已不得不发展为20点、40点甚至80点的校正算法。

通过对现行电子平面显示与触摸定位系统的校准方法的研究与分析：上述现有的两种方法，在要求精确书写，并且物理显示区的线性与非线性变形及物理坐标的采集系统的线性与非线性变形严重的场合，都存在着以下的共同的缺点和不足：

1、定位不准确不能满足精确书写的需要。

2、定位过程需要校准点数量太多。

3、在显示图象严重变形时系统基本不能使用。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有电子平面显示触摸定位系统的校准方法的缺点和不足，提供一种定位准确，定位过程需要校准点数量少，校准即时性强，并在显示图象严重变形时也能使用的电子平面显示触摸定位系统的校准方法。

本发明的电子平面显示触摸定位系统的校准方法是：

电子平面显示触摸定位系统中的坐标校准方法，该方法是获取物理显示区中的任意一点的物理坐标后，由电子平面显示触摸定位系统的计算机程序使用逻辑坐标计算方法，计算出逻辑显示区中对应于物理显示区该任意一点所对应点的逻辑坐标进行电子平面显示触摸定位系统中的坐标校准；其特征是：

所述的物理显示区为任意四边形B，它的四个顶点为B1、B2、B3、B4，物理显示区中的任意一点WL的物理坐标WLx，WLy；所述的逻辑显示区为矩形A，它的四顶点为A1、A2、A3、A4，物理显示区任意四边形(B)中对应的显示点为B1、B2、B3、B4；逻辑显示区矩形(A)的四边中点分别表示为c1、c2、c3、c4，物理显示区任意四边形(B)中对应的显示点为d1、d2、d3、d4，将逻辑显示区矩形A的四顶点与四边中点，通过电子平面显示装置显示在所述的物理显示区，并通过人机交互的方式，得到逻辑显示区矩形A的四顶点与四边中点的八点逻辑坐标与物理坐标的对应关系；在逻辑显示区中对应于物理显示区的任意四边形中的任意一点WL的对应点LJ，对应点LJ的逻辑坐标LJx，LJy；所述的逻辑坐标计算方法是：

(1)、对应点LJ的逻辑坐标LJx，LJy中逻辑横坐标LJx的解法，包括以下步骤：

在物理坐标系内：

第一步：求得B1B4、B2B3直线的交点I；

第二步：求IWL直线分别与B1B2、B4B3直线相交点P和相交点Q；

第三步：求得d4d2直线与IWL直线的相交点S；

第四步：设PQ线段是由逻辑显示区矩形(A)某一均分为N份的LK水平线段变换而来，L、K分别为逻辑显示区矩形(A)的A1A2、A4A3边上的点，LK线段的中点为T，那么LK水平线段的中点T在PQ线段上的对应显示点是S；在PQ线段上有N个线段与LK水平线段的N份小线段对应；设PQ线段上N个线段中第一个线段长度为a1，N份线段长度的公比为q；

第五步：算出PS线段与PQ线段的长度；

第六步：通过PS线段、PQ线段长度及PQ线段份数N，PQ线段份数N是任一指定的数，用等比数列公式列出方程组，求出首项a1及公比q；

第七步：利用已经求得的首项a1及公比q，用等比数列公式计算PWL线段在PQ线段上所占的份数n，份数n是小数；

在逻辑坐标区：

第八步：根据LK线段份数N、PWL线段在PQ线段上所占的份数n及逻辑显示区矩形的四个顶点逻辑坐标，计算对应点LJ的逻辑横坐标LJx；

(2)、对应点LJ的逻辑坐标LJx，LJy中逻辑纵坐标LJy的解法，与上述逻辑横坐标LJx的解法类同，即使用上述类似的八个步骤求解逻辑纵坐标LJy。

其中：所述的PQ线段份数N是取50-500之间的一个定数。

所述的物理显示区为任意四边形可以是整个显示区，也可以是逻辑显示区分块后在物理显示区中所对应的小块任意四边形。

本发明的电子平面显示与触摸定位系统的校准方法与现有技术相比较，其实质性的特点和显著的有益效果是：定位准确，定位过程需要校准点数量少，校准即时性强，并在显示图象严重变形时也能进行校准。本发明可适应于计算机的显示系统、计算机大屏幕投影显示系统以及手机视屏显示系统等各种带有计算机的电子平面显示触摸定位系统。

附图说明

图1为本发明中逻辑显示区、逻辑坐标区示意图。

图2为物理显示区、物理坐标区示意图。

图3为逻辑显示区(逻辑矩形A)向物理显示区(任意四边形B)变形规律示意图。

图4为计算逻辑横坐标的原理示意图。

图5为交互式电子白板定位系统校准时逻辑显示区四顶点和四中点在物理显示区的显示情况图。

图6为交互式电子白板定位系统坐标校准过程的主程序、计算逻辑横坐标子程序的流程图。

图7为交互式电子白板定位系统坐标校准通用流程图，它是考虑到变形的各种严重情况。

具体实施方式

以下结合附图详细说明本发明的实施方式

本发明的电子平面显示触摸定位系统是指计算机的显示系统、计算机大屏幕投影显示系统、手机视屏显示系统等触摸定位系统、及交互式电子白板定位系统，而交互式电子白板定位系统是一个典型的电子平面显示触摸定位系统。

本发明的实施方式是交互式电子白板定位系统的校准为实施例的。

交互式电子白板定位系统的计算机系统软件认为的输出显示区是一个4∶3或16∶9比例的标准矩形，它有自己的坐标系统，它以“数据”的方式存在于计算机系统软件的生命期中，它是不能看到的，我们称作它为逻辑显示区或逻辑矩形，称它的坐标系统为逻辑坐标系统，如图一所示。在交互式电子白板定位系统中逻辑显示区的内容最终要通过投影机显示在装有物理坐标接受系统的电子白板板面上，我们称看到的显示区域为物理显示区或物理矩形，物理显示区或也有坐标系统我们称为物理坐标系统，如图2所示。对于逻辑显示区的任何一点、任何一个图像在物理显示区都有一对应的点及图像，而在交互式电子白板定位系统中平面显示“装置”是投影机，由于投影机的显示原理、吊装位置，再加上物理坐标接受系统精度误差等原因，被系统软件感知的物理显示区已经不是标准矩形，它相对逻辑显示区同时发生了线性的和非线性的变形，并且这种变形非常严重。如图1和图2所示，逻辑显示区、物理显示区。

在交互式电子白板定位系统是以触摸实现计算机系统的功能、精确书写为目标的，它需要将物理坐标精确地转换为逻辑坐标。为了实现这种精确转换克服现有两类校准方法的不足，通过几年时间对大量变形图像的研究，如图3所示，我们发现了逻辑显示区变型为物理显示区的变型规律，我们称作为“非线性均匀性”即：逻辑显示区与物理显示区在整块上或在均分后所对应的局部小块上总能满足下述六条：

(1)逻辑显示区为矩形A变为任意四边形B，并且对于矩形A中的直线线段经过变形后在任意四边形B中还是一条直线线段，矩形A的四个顶点为A1、A2、A3、A4。

(2)物理显示区B为任意四边形，任意四边形B的四个顶点为B1、B2、B3、B4，任意四边形的水平两边B1B4、B2B3的延长线相交于一点，任意四边形B的垂直两边B1B2、B4B3延长线相交于一点。

(3)矩形A中的任意一条水平线段在任意四边形B中的变换线段所在直线都通过B1B4、B2B3的延长线交点，矩形A中的任意一条垂直线段在任意四边形B中的变换线段所在直线都通过B1B2、B4B3的延长线交点。

(4)将矩形A中水平、垂直方向的每一条线段，平均分成N段，在经过显示系统变形后，在任意四边形B中得到所得到该N个段，其长度成一定规律变化的。

(5)对任意四边形的两对边来讲，得到该N个段的变形图像，它的长度变化方向是一致的。矩形A中水平、垂直方向的每一条线段在任意四边形B中得到该N个段的变形图像的长度变化方向与其对应对边的变化方向一致。

(6)通过反复试验，最后确定该N条线段变形后的长度呈数列变化规律，并且等比数列最逼近。

本发明的电子平面显示触摸定位系统中的坐标校准方法

该方法是获取物理显示区中的任意一点的物理坐标后，由交互式电子白板定位系统的计算机程序使用逻辑坐标计算方法，计算出逻辑显示区中对应于物理显示区该任意一点所对应点的逻辑坐标进行交互式电子白板定位系统中的坐标校准。

以上所述的物理显示区为任意四边形B，逻辑显示区为矩形A；对于交互式电子白板定位系统的投影区域即为物理显示区，在交互式电子白板定位系统的计算机程序中认为的输出区域为逻辑显示区。

如图4所示，逻辑显示区的四边中点分别表示为c1、c2、c3、c4，物理显示区任意四边形中对应的显示点为d1、d2、d3、d4。

对于逻辑显示区的逻辑矩形，通过投影装置显示在所述的物理显示区，并通过人机交互的方式，得到逻辑显示区矩形A的四顶点与四边中点的八点逻辑坐标与物理坐标的对应关系，如图5所示。在逻辑显示区中对应于物理显示区的任意四边形中的任意一点WL的对应点LJ，对应点LJ的逻辑坐标LJx，LJy；所述的逻辑坐标计算方法是：

(1)、对应点LJ的逻辑坐标LJx、LJy中逻辑横坐标LJx的解法，如图4所示，包括以下步骤：

在物理坐标系内：

第一步：求得B1B4、B2B3直线的交点I；

第二步：求IWL直线分别与B1B2、B4B3直线相交点P和相交点Q；

第三步：求得d4d2直线与IWL直线的相交点S；

第四步：设PQ线段是由逻辑显示区矩形某一均分为N份的LK水平线段变换而来，L、K分别为逻辑显示区矩形(A)的A1A2、A4A3边上的点，LK线段的中点为T，那么LK水平线段的中点T在PQ线段上的对应显示点是S，即与d4d2直线与IWL直线的相交点(S)为同一点，如图4所示；在PQ线段上有N个线段与LK水平线段的N份小线段对应；设PQ线段上N个线段中第一个线段长度为a1，N份线段长度的公比为q；

第五步：算出PS线段与PQ线段的长度；

第六步：通过PS线段、PQ线段长度及PQ线段份数N，PQ线段份数N是任一指定的数，用等比数列公式列出方程组，求出首项a1及公比q；其中PQ线段份数N一般取100-1000之间的一个定数；

第七步：利用已经求得的首项a1及公比q，用等比数列公式计算PWL线段在PQ线段上所占的份数n，份数n是小数；

在逻辑坐标区：

第八步：根据PQ线段份数N、PQ线段上所占的份数n及逻辑显示区矩形的四个顶点逻辑坐标，计算对应点LJ的逻辑横坐标LJx；

(2)、对应点LJ的逻辑坐标LJx，LJy中逻辑纵坐标LJy的解法，逻辑纵坐标LJy的解法与上述逻辑横坐标LJx的解法类同，即使用上述八个步骤求解逻辑纵坐标LJy。

以上所述的物理显示区为任意四边形可以是整个显示区，也可以是逻辑显示区分块后在物理显示区中所对应的小块任意四边形。

这里需要说明一点，对于交互式电子白板定位系统一般来讲：它逻辑显示区与物理显示区在整块上就已满足“非线性均匀性”。在变形非常严重的场合，最多需将逻辑显示区分为四块。无论是分块与否，校准算法的核心都是任意四边形中点的坐标向矩形中点的坐标的转换。所以这里的校准算法是以整块上满足“非线性均匀性”叙述的。在后面的交互式电子白板定位系统坐标校准通用流程图中给出了以下逻辑显示区逻辑显示区分为四块的情况。

如图6所示，为交互式电子白板定位系统坐标校准过程的主程序、计算逻辑横坐标子程序的流程图。

对于交互式电子白板定位系统坐标校准在计算机的程序中还有实现人机交互，得到选定的逻辑点的逻辑坐标与物理坐标的对应关系的程序。如图7所示，为交互式电子白板定位系统坐标校准通用流程图。这是是考虑到变形的各种严重情况。交互式电子白板定位系统应用中校准流程为：

第一步：首先根据电子平面显示显示区域即物理显示区的形状进行判断是否需要分块，判断的标准是物理显示区是否是任意四边形，是则不需要分块，按提示输入8点(逻辑显示区即逻辑矩形的4个顶点、4个中点)的物理坐标；否需要分块，在逻辑显示区用直线连接对边中点的方法分为四块，，按提示输入四块图形的顶点及中点共21点的物理坐标，

这一步看上去好像校准点也挺多，但实践中很严重的形变至多需要分四块，校准点一般是8点，至多逻辑显示区分四块需输入21点。

第二步：对每一个读取的物理坐标点进行判断，对在有效的区内点用任意四边形与矩形的变换算法求得该点的逻辑坐标即调用交互式电子白板定位系统坐标转换过程的主程序，得到点的物理坐标后，用它去设定鼠标位置。

Claims (4)

1.一种电子平面显示触摸定位系统中的坐标校准方法，该方法是获取物理显示区中的任意一点的物理坐标后，由电子平面显示触摸定位系统的计算机程序使用逻辑坐标计算方法，计算出逻辑显示区中对应于物理显示区该任意一点所对应点的逻辑坐标进行电子平面显示触摸定位系统中的坐标校准；其特征是： 

所述的物理显示区为任意四边形(B)，它的四个顶点为B1、B2、B3、B4，物理显示区中的任意一点(WL)的物理坐标(WLx，WLy)；所述的逻辑显示区为矩形(A)，它的四顶点为A1、A2、A3、A4，物理显示区任意四边形(B)中对应的显示点为B1、B2、B3、B4；逻辑显示区矩形(A)的四边中点分别表示为c1、c2、c3、c4，物理显示区任意四边形(B)中对应的显示点为d1、d2、d3、d4，将逻辑显示区矩形(A)的四顶点与四边中点，通过电子平面显示装置显示在所述的物理显示区，并通过人机交互的方式，得到逻辑显示区矩形(A)的四顶点与四边中点的八点逻辑坐标与物理坐标的对应关系；在逻辑显示区中对应于物理显示区的任意四边形中的任意一点WL的对应点(LJ)，对应点(LJ)的逻辑坐标(LJx，LJy)；所述的逻辑坐标计算方法是： 

(1)、对应点(LJ)的逻辑坐标(LJx，LJy)中逻辑横坐标(LJx)的解法，包括以下步骤： 

在物理坐标系内： 

第一步：求得B1B4、B2B3直线的交点(I)； 

第二步：求IWL直线分别与B1B2、B4B3直线相交点(P)和相交点(Q)； 

第三步：求得d4d2直线与IWL直线的相交点(S)； 

第四步：设PQ线段是由逻辑显示区矩形(A)某一均分为N份的LK水平线段变换而来，L、K分别为逻辑显示区矩形(A)的A1A2、A4A3边上的点，LK线段的中点为T，那么LK水平线段的中点(T)在PQ线段上的对应显示点是(S)；在PQ线段上有N个线段与LK水平线段的N份小线段对应；设PQ线段上N个线段中第一个线段长度为a1，N份线段长度的公比为q； 

第五步：算出PS线段与PQ线段的长度； 

第六步：通过PS线段、PQ线段长度及PQ线段份数N，PQ线段份数N是任一指定的数， 用等比数列公式列出方程组，求出首项a1及公比q； 

第七步：利用已经求得的首项a1及公比q，用等比数列公式计算PWL线段在PQ线段上所占的份数n，份数n是小数； 

在逻辑坐标区： 

第八步：根据LK线段份数N、PWL线段在PQ线段上所占的份数n及逻辑显示区矩形的四个顶点逻辑坐标，计算对应点(LJ)的逻辑横坐标(LJx)； 

(2)、对应点(LJ)的逻辑坐标(LJx，LJy)中逻辑纵坐标(LJy)的解法与上述逻辑横坐标(LJx)的解法类同，即使用类似上述八个步骤求解逻辑纵坐标(LJy)。 

2.根据权利要求1所述的电子平面显示触摸定位系统中的坐标校准方法，其特征是：所述的LK线段份数N是取50-500之间的一个定数。 

3.根据权利要求1所述的电子平面显示触摸定位系统中的坐标校准方法，其特征是：所述的物理显示区任意四边形是整个物理显示区。

4.根据权利要求1所述的电子平面显示触摸定位系统中的坐标校准方法，其特征是：所述的物理显示区任意四边形是逻辑显示区分块后在物理显示区中所对应的小块任意四边形。 

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