CN102117154B

CN102117154B - 一种交互式红外白板的信号处理方法

Info

Publication number: CN102117154B
Application number: CN 201010590858
Authority: CN
Inventors: 鲍健; 许运; 康杨
Original assignee: Hefei Tian'e Electronic Science & Technology Co Ltd
Current assignee: Hefei Tian'e Electronic Science & Technology Co Ltd
Priority date: 2010-12-16
Filing date: 2010-12-16
Publication date: 2013-03-06
Anticipated expiration: 2030-12-16
Also published as: CN102117154A

Abstract

本发明涉及一种交互式红外白板的信号处理方法，该方法包括下列顺序的步骤：（1）主控制器MCU上电初始化，定义一个红外发射二极管和与其相对应的红外接收二极管为一个数据通道，根据增益调整电路求出每个数据通道的最佳增益值；（2）当物体进入红外线矩阵时，读取数据通道号，增益调整电路采用该数据通道号对应的最佳增益值进行放大增益，计算暗度值；（3）将计算得出的暗度值代入重心公式，计算出重心，该重心即为被物体遮挡的坐标。本发明利用增益调整电路来调整信号的大小，无需使用特殊书写笔或擦除装置及特殊书写平面作为捕获手段，成本较低、表面耐久性好、可以降低电子白板电子线路复杂程度、程序简单、便于实现、提高了分辨率。

Description

一种交互式红外白板的信号处理方法

技术领域

本发明涉及一种信号处理方法，尤其是一种交互式红外白板的信号处理方法。

背景技术

交互式电子白板是基于PC机的一种具有人机交互功能的输入设备，它包括红外感应白板和相应的应用软件。交互式电子白板配合一台数字投影机将计算机的显示输出直接投影到白板上，使白板变成一个超大的计算机交互触摸屏，用户可以用手或笔在白板上直接点击，对计算机系统进行操作，同时也可以在白板上书写绘画及修改。这样，就构成了一个完整的交互演示系统。

交互式电子白板的信号处理方法可分为很多种：

第一种是利用电磁转换技术，其金属笔通电时产生磁场，当它在白板上移动时，通过磁电转换原理算出笔迹移动的位置，同时转换成坐标记录下来，它能提供非常精确的坐标，但是材料成本较高且要配合特制的电子笔，使用不方便；

第二种是利用上下两层带有电阻网络的塑料薄膜，在没有压力的情况下，塑料薄膜通过隔离装置保证不发生短路，当在板面上书写是，上下电阻网络在压力下短路产生电压，不同位置电阻受压会产生不同的电压，从而可以通过电压变化确定笔移动的位置，它不用特殊的笔，但是需要特殊的塑料薄膜用于捕捉移动目标，塑料薄膜在长期使用后表面容易被刮伤，产生大花脸现象，而且容易受外界影响，如温度、湿度变化会使系统变得不稳定；

第三种是采用超声波技术，即在书写笔上加一个特殊的超声波发射装置，接受装置位于白板的左右上角，通过超声波发射和接受的时间差计算出目标和接收器之间的距离，再利用几何原理求出书写笔的轨迹，这种装置在每次使用前都需要将系统重新定位及调教一次，而且书写时下笔必须垂直于书写平面，否则就会产生误差，特殊的电子笔既增加成本，使用也不方便。

发明内容

本发明的目的在于提供一种程序简单、便于实现、分辨率高的交互式红外白板的信号处理方法。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种交互式红外白板的信号处理方法，该方法包括下列顺序的步骤：

（1）主控制器MCU上电初始化，定义一个红外发射二极管和与其相对应的红外接收二极管为一个数据通道，计算每个数据通道的背景信号值和亮度信号值，根据增益调整电路求出每个数据通道的最佳增益值，具体为：

所述的主控制器MCU上电初始化后，设定数据通道号N=0，增益预置G=1，关闭所有红外发射二极管，从红外接收管读取背景信号值存Bg，开第N号红外发射二极管，从红外发射二极管读取亮度信号存Lg，求亮度信号与背景信号的差值Lg-Bg存Dg，计算增益值G=G+1，判断增益值G是否大于等于16，若判断结果为否，返回到关闭所有红外发射二极管；否则，对所获的16个增益值D1～D16用“冒泡法”找最大值及对应的最佳增益值档号存J，取最佳增益GJ存增益通道变量G(N)，取最佳增益GJ对应的亮度信号值存L(N)，取最佳增益GJ对应的背景信号值存B(N)，通道号N=N+1，判断通道号N是否大于等于终点，若判断结果为否，则返回增益预置G=1；否则，通道号N大于终点，N=0，初始化完成，一次循环结束；

其中，B为程序中定义的变量，用来存放背景信号值；

D为程序中定义的变量，用来存放亮度信号与背景信号差值；

L为程序中定义的变量，用来存放亮度信号值；

g为1～16正整数；

（2）当物体进入红外线矩阵时，读取数据通道号，增益调整电路采用该数据通道号对应的最佳增益值进行放大增益，计算暗度值，具体为：

当物体进入红外线矩阵时，保护现场，取数据通道号N，用最佳增益GJ(N)置增益调整电路增益后，开第N号红外发射二极管，接收光信号C，扣除背景信号C-B(N)，计算强度值=[C-B(N)]×16÷L(N)，判断强度值是否小于15，若判断结果为是，则计算暗度值=[16-强度值]存ky，y=1,之后，令y=y+1,数据通道号N=N+1，判断通道号是否大于最大通道号，若判断结果为是，则令通道号N=0，恢复现场一次中断结束，等待下次中断；否则令i=y、y=0,数据通道号N=N+1，判断通道号是否大于最大通道号，若判断结果为是，则令通道号N=0，恢复现场一次中断结束，等待下次中断。

其中，B(N)代表第N个点在最佳增益级数条件下的背景信号值；

L(N)代表第N个点在最佳增益级数条件下的亮度信号值；

i代表有效数据个数；

y代表暗度值变量的下标变量；

（3）将计算得出的暗度值代入重心公式，计算出重心，该重心即为被物体遮挡的坐标；

开始后，按如下公式计算“重心”，即细化后的坐标值：

对于偶数个点,“重心”公式为：

d = \frac{{qk}_{1} + (q - 1) k_{2} . . . + k_{n} - k_{n + 2} - 2 k_{n + 3} . . . - (q - 1) k_{2 n}}{k_{1} + k_{2} . . . + k_{2 n}}

对于奇数个点,“重心”公式为：

d = \frac{{qk}_{1} + (q - 1) k_{2} . . . + k_{n} - k_{n + 2} - 2 k_{n + 3} . . . - q k_{2 n + 1}}{k_{1} + k_{2} . . . + k_{2 n}}

其中所述的n是有效数据个数的一半向下取整，q为暗度值变量系数，k₁,k₂...k_2n+1是各个点的“暗值”，d是“重心”到“中心”的距离。

由上述技术方案可知，本发明利用增益调整电路来调整信号的大小，无需使用特殊书写笔或擦除装置及特殊书写平面作为捕获手段，成本较低、表面耐久性好、可以降低电子白板电子线路复杂程度、程序简单、便于实现、提高了分辨率。

附图说明

图1是本发明上电初始化的工作流程图；

图2是本发明测量定位中断的工作流程图；

图3是本发明计算重心的算法流程图；

图4是本发明中重心算法的图表示意图。

具体实施方式

一种交互式红外白板的信号处理方法，该方法包括下列顺序的步骤：（1）主控制器MCU上电初始化，定义一个红外发射二极管和与其相对应的红外接收二极管为一个数据通道，计算每个数据通道的背景信号值和亮度信号值，根据增益调整电路求出每个数据通道的最佳增益值；（2）当物体进入红外线矩阵时，读取数据通道号，增益调整电路采用该数据通道号对应的最佳增益值进行放大增益，计算暗度值；（3）将计算得出的暗度值代入重心公式，计算出重心，该重心即为被物体遮挡的坐标，如图1、2、3所示。

所述的主控制器MCU的A/D转换信号输入端与增益调整电路的输出端相连，增益调整电路的控制端与主控制器MCU的信号输出端相连，增益调整电路的输入端与红外接收阵列相连，红外发射阵列和红外接收阵列对称布置在白板的四周，所述的红外发射阵列由多个红外发射二极管组成，所述的红外接收阵列由多个红外接收二极管组成，红外发射阵列、红外接收阵列分别通过地址总线与主控制器MCU的信号输入端相连，红外接收阵列通过数据总线与增益调整电路相连。

如图1所示，所述的主控制器MCU上电初始化后，设定数据通道号N=0，增益预置G=1，关闭所有红外发射二极管，从红外接收管读取背景信号值存Bg，开第N号红外发射二极管，从红外发射二极管读取亮度信号存Lg，求亮度信号与背景信号的差值Lg-Bg存Dg，计算增益值G=G+1，判断增益值G是否大于等于16，若判断结果为否，返回到关闭所有红外发射二极管；否则，对所获的16个增益值D1～D16用“冒泡法”找最大值及对应的最佳增益值档号存J，取最佳增益GJ存增益通道变量G(N)，取最佳增益GJ对应的亮度信号值存L(N)，取最佳增益GJ对应的背景信号值存B(N)，通道号N=N+1，判断通道号N是否大于等于终点，若判断结果为否，则返回增益预置G=1；否则，通道号N大于终点，N=0，初始化完成，一次循环结束。所述的N为数据通道号、G为增益档号、B为背景信号、L为亮度信号、D为增益值、GJ为最佳增益值，g=(1～16)的正整数。

其中，B为程序中定义的变量，用来存放背景信号值；

D为程序中定义的变量，用来存放亮度信号与背景信号差值；

L为程序中定义的变量，用来存放亮度信号值；

g代表最佳增益级数条件下（每个点初始化时都有对应16级的B值L值D值，Bg、Dg、Lg就是最佳增益级数条件下的背景信号值、亮度信号值和它们之间的差值）。

如图2所示，当物体进入红外线矩阵时，保护现场，取数据通道号N，用最佳增益J(N)置增益调整电路增益后，开第N号红外发射二极管，接收光信号C，扣除背景信号C-B(N)，计算强度值[C-B(N)]×16÷L(N)，判断强度值是否小于15，若判断结果为是，则计算暗度值[16-强度值]存ky，y=1；否则令i=y、y=0,数据通道号N=N+1，判断通道号是否大于最大通道号，若判断结果为是，则令通道号N=0，恢复现场一次中断结束，等待下次中断。

L(N)代表第N个点在最佳增益级数条件下的亮度信号值；

i代表有效数据个数（即被遮到的红外管数）；

y代表暗度值变量的下标变量。

在计算暗度值[16-强度值]存ky之后，令y=y+1,y代表暗度值变量的下标变量。数据通道号N=N+1，判断通道号是否大于最大通道号，若判断结果为是，则令通道号N=0，恢复现场一次中断结束，等待下次中断。所述的N为通道号，i为有效数据个数、C为光信号、k为暗度值变量、y为暗度值变量下标变量。

如图3所示，开始后，n=i÷2取整，分子、分母累加单元Fz=Fm=0，此时k=1,q=n；分子累加Fz=Fz+q×ky，分母累加Fm=Fm+ky，令k=k+1，q=q-1，判断k=n是否成立，若判断结果为否，则返回分子、分母累加单元Fz=Fm=0；否则，令指针k=1，x=n+1，分子累加Fz=Fz-q×k(x+1)，分母累加Fm=Fm+kx，令指针k=k+1,q=q+1,判断指针q=i是否成立，若判断结果为否，则返回分子累加Fz=Fz-q×k(x+1)；否则判断i是否为偶数，若i是偶数，则计算重心Fz÷Fm,计算结束，否则，分子累加Fz=Fz-q×kx，分母累加Fm=Fm+kx，计算重心Fz÷Fm,计算结束。所述的i为有效数据个数、n为自然数、q为暗度值变量系数、k为暗度值变量、x为暗度值下标中间变量。

n为有效数据个数的一半取整；

i为有效数据个数（即被遮到的红外管数）；

k为暗度值变量；

q为暗度值变量系数；

y为中间变量（程序循环中使用）；

x为中间变量。

本发明使用8位A/D转换器来将红外接收二极管接收到的电压变化转换成数字量，8位A/D转换器可输出共256个电压数值，最高是255，最低是0，在理想状态下，当没有物体进入红外矩阵时，红外接收二极管接受到的电压值就是255，当有物体进入红外矩阵，红外接收二极管接收到的信号就是0，当有一半的红外线被遮住，那么接受到的信号就是128；但是在实际情况下，由于红外发射二极管和红外接收二极管的自身性能之间存在较大的差异，所以这种理想的电压变化是难以实现的。

为了补偿各个红外发射二极管和红外接收二极管各自之间的性能差异，增益调整电路采用了一个16级可变增益的放大器，由电脑根据各个红外发射二极管和红外接收二极管的性能差异选取合适的放大倍数，可大大改善各路信号差异太大情况，但即便如此各路信号的差异还是比较大的，仍不能满足定位精度的要求。为此，我们又采用“相对强度”处理方法，即每路信号并非以它的绝对强度来衡量，而是以它相对强度变化来衡量。

例如，某路信号将它在无遮挡情况下的信号强度定义为最大值（比如15），当有遮挡时信号减弱，将“该路”有遮挡的信号值与“该路”无遮挡信号值相除并“归一化”即得到相对强度值（15-0）。采用“归一化”处理将强度变化量化为16级“强度”是考虑到便于简化计算，避免多字节除法，而且16级“强度”所获得的“细化”效果也已足够。显然这样得到的相对强度值是描述“亮度”的值，红外光越强时强度值越大，为计算方便，我们用最大值减去强度值得到“暗度”值（0-15），值越大表示越“暗”。

实际工作情况如下，当物体进入红外线矩阵时，红外发射二极管发射的红外线被遮挡住，依此即可得到被遮挡位置的（细化前）坐标。由于空间和成本的限制，红外发射二极管和红外接收二极管数量有限，为提高空间分辨率，将当前被遮挡位置测得的强度值与之前存储的该位置未遮挡信号值相除，得到被遮挡位置信号的相对强度值，再用最大值减去强度值得到该位置的“暗度”值，按此方法依次获得若干个相邻的“暗度”值（如图），然后将这些坐标（细化前）和“暗度”值代入“重心”公式，算出的“重心”就是细化后的坐标值，这样即可大大提高空间分辨率。

计算“重心”方法：

对于偶数个点（2n个点）“重心”公式为：

d = \frac{{qk}_{1} + (q - 1) k_{2} . . . + k_{n} - k_{n + 2} - 2 k_{n + 3} . . . - (q - 1) k_{2 n}}{k_{1} + k_{2} . . . + k_{2 n}}

其中k₁,k₂...k_2n是各个点的“暗值”，d是“重心”到“中心”的距离。

对于奇数个点（2n+1个点）“重心”公式为：

d = \frac{{qk}_{1} + (q - 1) k_{2} . . . + k_{n} - k_{n + 2} - 2 k_{n + 3} . . . - q k_{2 n + 1}}{k_{1} + k_{2} . . . + k_{2 n}}

其中k₁,k₂...k_2n+1是各个点的“暗值”，d是“重心”到“中心”的距离。

如图4所示，1-10是细化前的坐标值，强度小于2的点忽略，有5个有效点,带入奇数个点“重心”公式，这里2n+1=5，n=2，k₁=4，k₂=10，k₃=15，k₄=9，k₅=2。

d = \frac{{2 k}_{1} + k_{2} - k_{4} - 2 k_{5}}{k_{1} + k_{2} + k_{3} + k_{4} + k_{5}} = \frac{2 \times 4 + 10 - 9 - 2 \times 2}{4 + 10 + 15 + 9 + 2} = \frac{5}{40} = 0.125

从图中可得出，细化后的坐标=6-d=5.875。

Claims

1.一种交互式红外白板的信号处理方法，该方法包括下列顺序的步骤：

其中，B 为程序中定义的变量，用来存放背景信号值；

D为程序中定义的变量，用来存放亮度信号与背景信号差值；

L 为程序中定义的变量，用来存放亮度信号值；

g 为1～16正整数；

当物体进入红外线矩阵时，保护现场，取数据通道号N，用最佳增益GJ(N)置增益调整电路增益后，开第N号红外发射二极管，接收光信号C，扣除背景信号C-B(N)，计算强度值=[C-B(N)]×16÷L(N)，判断强度值是否小于15，若判断结果为是，则计算暗度值=[16-强度值]存ky，y=1,之后，令y=y+1, 数据通道号N=N+1，判断通道号是否大于最大通道号，若判断结果为是，则令通道号N=0，恢复现场一次中断结束，等待下次中断；否则令i=y、y=0,数据通道号N=N+1，判断通道号是否大于最大通道号，若判断结果为是，则令通道号N=0，恢复现场一次中断结束，等待下次中断；

其中，B(N) 代表第N个点在最佳增益级数条件下的背景信号值；

L(N) 代表第N个点在最佳增益级数条件下的亮度信号值；

i 代表有效数据个数；

y 代表暗度值变量的下标变量；

开始后，按如下公式计算“重心”，即细化后的坐标值：

对于偶数个点, “重心”公式为：

对于奇数个点, “重心”公式为：

其中所述的n 是有效数据个数的一半向下取整，q 为暗度值变量系数，k₁,k₂...k_2n+1是各个点的“暗值”，d是“重心”到“中心”的距离。