CN102023759A - 一种有源笔书写定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种有源笔书写定位方法,包括如下步骤:(1)当有源笔触摸屏幕时,图像采集单元将拍摄并采集有源笔触摸屏幕的图像;(2)图像二值化处理单元对步骤(1)所得的图像进行二值化处理,并提取其相关坐标;(3)图像边缘处理单元对步骤(2)处理后的图像提取其图像边缘轮廓;(4)曲率处理模块计算步骤(3)所得图像边缘轮廓各点的曲率;(5)曲率处理模块根据步骤(4)所得的曲率,计算出有源笔起笔位置的坐标;(6)所述步骤(5)所得的坐标通过控制电脑的显示装置进行显示。本发明通过判断各点间的曲率差值大小来选择不同的求重心方法,不论使用者握笔与书写平面垂直与否,都可自动校正显示的位置为落笔的位置。
Description
技术领域
本发明涉及电子书写技术,特别涉及一种有源笔书写定位方法。
背景技术
大尺寸屏幕交互式触摸产品越来越受到众多用户地喜爱,在教学多媒体等领域有着广泛地应用前景。目前大尺寸屏幕触摸产品多以光学摄像头定位技术为主,有摄像头表面定位和摄像头后定位两种方式。这两种方式,有的是通过辅助红外激光源,采用手指或无源笔书写;另一种没有辅助红外激光源,直接采用有源笔书写,有源笔在接触屏幕时受挤压,发射红光,红光被摄像头传感器捕捉到,传送到图像采集卡处理,通过图像处理识别技术,确定书写笔的起笔位置。有源笔属于多媒体教学及多功能投影设备配套产品,是老师们的新式粉笔,是讲解者的电子教鞭。
由于产品实际应用中的实时性要求,因此确定有源笔的起笔算法要简单而有效。目前确定有源笔起笔位置的方法,是通过采集有源笔的图像,计算图像的重心坐标,把图像的重心作为起笔的位置。这种方法虽简单实用,但常常判断不准确。如图1所示,当手握笔与触摸表面垂直时,有源笔发光四周比较均匀,采集的图像边缘比较圆滑,二值化图像近似一个圆,起笔的位置与图像重心1重合。如图2所示,当手握笔与触摸表面不垂直而倾斜时,有源笔的发光有些被遮挡,采集的图像边缘弯曲度变化范围较大,二值化图像类似扇形,这样求出的图像的重心3就不是起笔的位置2,起笔位置在图形边缘比较尖的部位,这样就出现落笔位置和书写显示位置不一样,书写效果显得很不自然,尤其在用直尺画线时,握笔一般是倾斜于触摸表面,显示效果就更不方便。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点与不足,提供一种可精确获取落笔的位置的有源笔书写定位方法。
为达上述目的,本发明采用如下的技术方案:一种有源笔书写定位方法,包括如下步骤:
(1)当有源笔触摸屏幕时,图像采集单元将拍摄并采集有源笔触摸屏幕的图像;
(2)图像二值化处理单元对步骤(1)所得的图像进行二值化处理,并提取其相关坐标;
(3)图像边缘处理单元对步骤(2)处理后的图像提取其图像边缘轮廓;
(4)曲率处理模块计算步骤(3)所得图像边缘轮廓各点的曲率;
(5)曲率处理模块根据步骤(4)所得的曲率,计算出有源笔起笔位置的坐标;
(6)所述步骤(5)所得的坐标通过控制电脑的显示装置进行显示。
所述步骤(3)中,还需对图像边缘轮廓进一步作高斯平滑处理。
所述步骤(2)中,图像二值化处理单元是根据步骤(1)所得图像的颜色饱和度或RGB色彩亮度来对图像进行二值化处理的。
所述步骤(4)中,通过曲率处理模块中的曲率计算模块计算图像边缘轮廓点p(i)的曲率,具体步骤如下:
(4-1)曲率计算模块确定以轮廓点p(i)为中心、半径为R的区域S(i),所述区域S(i)满足:
S(i)={p(i)=(x(j),y(j))|j=i-R,i-R+1,...,i,...,i+R-1,i+R},其中x(j)为轮廓点p(j)的x轴坐标值,y(j)为轮廓点p(j)的y轴坐标值,R为所述区域S(i)的半径值;
(4-2)所述轮廓点p(i)将所述区域S(i)分成前后两个区域,曲率计算模块计算前后两个区域各点的几何中心点分别为a(i)、b(i),a(i)、b(i)分别满足:
b(i)=(x(b),其中,x(b)为点b(i)的x轴坐标值,y(b)为点b(i)的y轴坐标值,R为步骤(4-1)中区域S(i)的半径值;
(4-3)在步骤(4-2)中计算所得的几何中心点a(i)与轮廓点p(i)的向量方向角θa(i)满足:
θa(i)=arctan[(y(i)-y(a))/(x(i)-x(a))],其中x(i)为轮廓点p(i)的x轴坐标值,y(i)为轮廓点p(i)的y轴坐标值,x(a)为点a(i)的x轴坐标值,y(a)为点a(i)的y轴坐标值;
在步骤(4-2)中计算所得的几何中心点b(i)与轮廓点p(i)的向量方向角θb(i)满足:
θb(i)=arctan[y(b)-y(i))/(x(b)-x(i))],其中x(i)为轮廓点p(i)的x轴坐标值,y(i)为轮廓点p(i)的y轴坐标值,x(b)为点b(i)的x轴坐标值,y(b)为点b(i)的y轴坐标值;
(4-4)轮廓点p(i)的曲率θ(i)满足:θ(i)=θb(i)-θa(i),其中,θa(i)为步骤(4-3)中求得的几何中心点a(i)与轮廓点p(i)的向量方向角,θb(i)为步骤(4-3)中求得的几何中心点b(i)与轮廓点p(i)的向量方向角。
所述步骤(5)中计算有源笔起笔位置的坐标的具体步骤如下:
(5-1)曲率处理模块中的曲率比较模块比较步骤(4)所得的图像边缘轮廓各点的曲率大小,若图像边缘轮廓上任意两点的曲率差值大小小于设定阀值,则进行步骤(5-2),否则进行步骤(5-3);
(5-2)有源笔起笔位置的坐标为所有边缘轮廓点的重心坐标,且重心坐标通过曲率处理模块中的重心计算模块进行计算,重心坐标满足:其中,S表示所有边缘轮廓点的集合,#S表示边缘点像素个数,xo为重心po的x轴坐标值,yo为重心po的y轴坐标值,x(i)为边缘轮廓点i的x轴坐标值,y(i)为边缘轮廓点i的y轴坐标值;
(5-3)以最大曲率的边缘轮廓点为中心,取其附近的左右若干个边缘轮廓点,通过曲率处理模块中的重心计算模块计算这些点的重心坐标,求得的重心坐标就是有源笔起笔位置的坐标。
所述步骤(5-3)中的重心坐标满足:
所述图像采集单元为CMOS摄像头或CCD摄像头,所述CMOS摄像头或CCD摄像头安装在触摸屏幕的后面或触摸屏幕的表面。
所述图像二值化处理单元为由依次连接的DDR存储器、数字视频接口芯片、FPGA芯片构成的芯片。
所述图像边缘处理单元为由Flash内存、RAM内存、电源芯片、ARM芯片以及USB接口构成的单元,所述Flash内存、RAM内存、电源芯片、USB接口均与ARM芯片连接,ARM芯片与所述图像二值化处理单元、曲率处理模块连接,USB接口外接控制电脑。
所述曲率处理模块包括依次连接的曲率计算模块、曲率比较模块和重心计算模块,所述曲率计算模块与图像边缘处理单元连接,所述重心计算模块与控制电脑的显示装置连接。
与现有技术相比,本发明具有如下优点和有益效果:
1、本发明在求取有源笔的起笔位置时,通过判断各点间的曲率差值大小来选择不同的求重心方法,可获得精确的起笔的位置,不论使用者握笔与书写平面垂直与否,都可自动校正显示的位置为落笔的位置,具有定位精度高等优点。
2、本发明方法简单,能满足工程中实时性的要求,具有实时性高等优点。
附图说明
图1是现有技术中有源笔垂直屏幕表面图像二值化后的图像示意图;
图2是现有技术中有源笔不垂直屏幕表面图像二值化后的图像示意图;
图3是本发明方法的流程图;
图4是图3所示方法中步骤(4)曲率计算的示意图;
图5是图3所示方法中步骤(5)计算有源笔起笔位置坐标的流程示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述,但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图3所示,本有源笔书写定位方法包括如下步骤:
(1)当有源笔触摸屏幕时,图像采集单元将拍摄并采集有源笔触摸屏幕的图像;
(2)图像二值化处理单元对步骤(1)所得的图像进行二值化处理,并提取其相关坐标;
(3)图像边缘处理单元对步骤(2)处理后的图像提取其图像边缘轮廓;
(4)曲率处理模块计算步骤(3)所得图像边缘轮廓各点的曲率;
(5)曲率处理模块根据步骤(4)所得的曲率,计算出有源笔起笔位置的坐标;
(6)所述步骤(5)所得的坐标通过控制电脑的显示装置进行显示。
所述步骤(3)中,还需对图像边缘轮廓进一步作高斯平滑处理。
所述步骤(2)中,图像二值化处理单元是根据步骤(1)所得图像的颜色饱和度或RGB色彩亮度来对图像进行二值化处理的。
所述步骤(4)中,如图4所示,将轮廓点p(i)近似看作是两直线的交点,夹角θ(i)近似为轮廓点p(i)的曲率,曲率的计算利用相邻的一组轮廓点p(i-R)、p(i-R-1)...p(i-1)、p(i+1)...p(i+R)来计算轮廓点p(i)的曲率。通过曲率处理模块中的曲率计算模块计算图像边缘轮廓点p(i)的曲率,具体步骤如下:
(4-1)曲率计算模块确定以轮廓点p(i)为中心、半径为R的区域S(i),所述区域S(i)满足:
S(i)={p(i)=(x(j),y(j))|j=i-R,i-R+1,...,i,...,i+R-1,i+R},其中x(j)为轮廓点p(j)的x轴坐标值,y(j)为轮廓点p(j)的y轴坐标值,R为所述区域S(i)的半径值;
(4-2)如图4所示,所述轮廓点p(i)将所述区域S(i)分成前后两个区域,曲率计算模块计算前后两个区域各点的几何中心点分别为a(i)、b(i),a(i)、b(i)分别满足:
(4-3)在步骤(4-2)中计算所得的几何中心点a(i)与轮廓点p(i)的向量方向角θa(i)满足:
θa(i)=arctan[(y(i)-y(a))/(x(i)-x(a))],其中x(i)为轮廓点p(i)的x轴坐标值,y(i)为轮廓点p(i)的y轴坐标值,x(a)为点a(i)的x轴坐标值,y(a)为点a(i)的y轴坐标值;
在步骤(4-2)中计算所得的几何中心点b(i)与轮廓点p(i)的向量方向角θb(i)满足:
θb(i)=arctan[y(b)-y(i))/(x(b)-x(i))],其中x(i)为轮廓点p(i)的x轴坐标值,y(i)为轮廓点p(i)的y轴坐标值,x(b)为点b(i)的x轴坐标值,y(b)为点b(i)的y轴坐标值;
(4-4)轮廓点p(i)的曲率θ(i)满足:θ(i)=θb(i)-θa(i),其中,θa(i)为步骤(4-3)中求得的几何中心点a(i)与轮廓点p(i)的向量方向角,θb(i)为步骤(4-3)中求得的几何中心点b(i)与轮廓点p(i)的向量方向角。
如图4所示,角θ(i)的大小与轮廓点p(i)的曲率成正比,即当θ(i)越大,轮廓点p(i)曲率也越大,曲线也弯曲,反之亦然。
如图5所示,所述步骤(5)中计算有源笔起笔位置的坐标的具体步骤如下:
(5-1)曲率处理模块中的曲率比较模块比较步骤(4)所得的图像边缘轮廓各点的曲率大小,若图像边缘轮廓上任意两点的曲率差值大小小于设定阀值0.6,则进行步骤(5-2),否则进行步骤(5-3);
(5-2)有源笔起笔位置的坐标为所有边缘轮廓点的重心坐标,且重心坐标通过曲率处理模块中的重心计算模块进行计算,重心坐标满足:其中,#S表示边缘点像素个数,xo为重心po的x轴坐标值,yo为重心po的y轴坐标值,x(i)为边缘轮廓点i的x轴坐标值,y(i)为边缘轮廓点i的y轴坐标值;
(5-3)以最大曲率的边缘轮廓点为中心,取其附近的左右7个边缘轮廓点,通过曲率处理模块中的重心计算模块计算这些点的重心坐标,求得的重心坐标就是有源笔起笔位置的坐标。
所述步骤(5-3)中的重心坐标满足:
所述图像采集单元为CMOS摄像头或CCD摄像头,所述CMOS摄像头或CCD摄像头安装在触摸屏幕的后面或触摸屏幕的表面。
所述图像二值化处理单元为由依次连接的DDR存储器、数字视频接口芯片、FPGA芯片构成的芯片。
所述图像边缘处理单元为由Flash内存、RAM内存、电源芯片、ARM芯片以及USB接口构成的单元,所述Flash内存、RAM内存、电源芯片、USB接口均与ARM芯片连接,ARM芯片与所述图像二值化处理单元、曲率处理模块连接,USB接口外接控制电脑,将结果传输到控制电脑,ARM芯片分担图像二值化处理单元中的FPGA计算量。
所述曲率处理模块包括依次连接的曲率计算模块、曲率比较模块和重心计算模块,所述曲率计算模块与图像边缘处理单元连接,所述重心计算模块与控制电脑的显示装置连接。曲率处理模块通过ARM芯片实现,主要负责计算曲率,使得能够实时处理。
上述实施例为本发明较佳的实施方式,但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制,其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化,均应为等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种有源笔书写定位方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)当有源笔触摸屏幕时,图像采集单元将拍摄并采集有源笔触摸屏幕的图像;
(2)图像二值化处理单元对步骤(1)所得的图像进行二值化处理,并提取其相关坐标;
(3)图像边缘处理单元对步骤(2)处理后的图像提取其图像边缘轮廓;
(4)曲率处理模块计算步骤(3)所得图像边缘轮廓各点的曲率;
(5)曲率处理模块根据步骤(4)所得的曲率,计算出有源笔起笔位置的坐标;
(6)所述步骤(5)所得的坐标通过控制电脑的显示装置进行显示。
2.根据权利要求1所述的有源笔书写定位方法,其特征在于:所述步骤(3)中,还需对图像边缘轮廓进一步作高斯平滑处理。
3.根据权利要求1所述的有源笔书写定位方法,其特征在于:所述步骤(2)中,图像二值化处理单元是根据步骤(1)所得图像的颜色饱和度或RGB色彩亮度来对图像进行二值化处理的。
4.根据权利要求1所述的有源笔书写定位方法,其特征在于:所述步骤(4)中,通过曲率处理模块中的曲率计算模块计算图像边缘轮廓点p(i)的曲率,具体步骤如下:
(4-1)曲率计算模块确定以轮廓点p(i)为中心、半径为R的区域S(i),所述区域S(i)满足:
S(i)={p(i)=(x(j),y(j))|j=i-R,i-R+1,...,i,...,i+R-1,i+R},其中x(j)为轮廓点p(j)的x轴坐标值,y(j)为轮廓点p(j)的y轴坐标值,R为所述区域S(i)的半径值;
(4-2)所述轮廓点p(i)将所述区域S(i)分成前后两个区域,曲率计算模块计算前后两个区域各点的几何中心点分别为a(i)、b(i),a(i)、b(i)分别满足:
(4-3)在步骤(4-2)中计算所得的几何中心点a(i)与轮廓点p(i)的向量方向角θa(i)满足:
θa(i)=arctan[(y(i)-y(a))/(x(i)-x(a))],其中x(i)为轮廓点p(i)的x轴坐标值,y(i)为轮廓点p(i)的y轴坐标值,x(a)为点a(i)的x轴坐标值,y(a)为点a(i)的y轴坐标值;
在步骤(4-2)中计算所得的几何中心点b(i)与轮廓点p(i)的向量方向角θb(i)满足:
θb(i)=arctan[y(b)-y(i))/(x(b)-x(i))],其中x(i)为轮廓点p(i)的x轴坐标值,y(i)为轮廓点p(i)的y轴坐标值,x(b)为点b(i)的x轴坐标值,y(b)为点b(i)的y轴坐标值;
(4-4)轮廓点p(i)的曲率θ(i)满足:θ(i)=θb(i)-θa(i),其中,θa(i)为步骤(4-3)中求得的几何中心点a(i)与轮廓点p(i)的向量方向角,θb(i)为步骤(4-3)中求得的几何中心点b(i)与轮廓点p(i)的向量方向角。
5.根据权利要求1所述的有源笔书写定位方法,其特征在于:所述步骤(5)中计算有源笔起笔位置的坐标的具体步骤如下:
(5-1)曲率处理模块中的曲率比较模块比较步骤(4)所得的图像边缘轮廓各点的曲率大小,若图像边缘轮廓上任意两点的曲率差值大小小于设定阀值,则进行步骤(5-2),否则进行步骤(5-3);
(5-2)有源笔起笔位置的坐标为所有边缘轮廓点的重心坐标,且重心坐标通过曲率处理模块中的重心计算模块进行计算,重心坐标满足:其中,#S表示边缘点像素个数,xo为重心po的x轴坐标值,yo为重心po的y轴坐标值,x(i)为边缘轮廓点i的x轴坐标值,y(i)为边缘轮廓点i的y轴坐标值;
(5-3)以最大曲率的边缘轮廓点为中心,取其附近的左右若干个边缘轮廓点,通过曲率处理模块中的重心计算模块计算这些点的重心坐标,求得的重心坐标就是有源笔起笔位置的坐标。
7.根据权利要求1所述的有源笔书写定位方法,其特征在于:所述图像采集单元为CMOS摄像头或CCD摄像头,所述CMOS摄像头或CCD摄像头安装在触摸屏幕的后面或触摸屏幕的表面。
8.根据权利要求1所述的有源笔书写定位方法,其特征在于:所述图像二值化处理单元为由依次连接的DDR存储器、数字视频接口芯片、FPGA芯片构成的芯片。
9.根据权利要求1所述的有源笔书写定位方法,其特征在于:所述图像边缘处理单元为由Flash内存、RAM内存、电源芯片、ARM芯片以及USB接口构成的单元,所述Flash内存、RAM内存、电源芯片、USB接口均与ARM芯片连接,ARM芯片与所述图像二值化处理单元、曲率处理模块连接,USB接口外接控制电脑。
10.根据权利要求1所述的有源笔书写定位方法,其特征在于:所述曲率处理模块包括依次连接的曲率计算模块、曲率比较模块和重心计算模块,所述曲率计算模块与图像边缘处理单元连接,所述重心计算模块与控制电脑的显示装置连接。
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