CN102221933A - 电子白板中失真投影面内触摸点屏幕坐标的精确计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电子白板中失真投影面内触摸点屏幕坐标的精确计算方法，属于电子白板领域。确定校准点、触摸点和触摸点屏幕坐标的约束关系；通过电子白板定位装置获取校准点的坐标并保存；利用约束关系，计算出触摸点屏幕坐标Xdisp和Ydisp。优点在于：无论投影界面出现倾斜、垂直梯形、水平梯形等失真，仅利用校准点便能够准确计算出触摸点的屏幕坐标，保证触摸点的位置与投影界面上的鼠标重合，降低了计算量，提高了系统的实时性。

Description

电子白板中失真投影面内触摸点屏幕坐标的精确计算方法

技术领域

本发明属于电子白板领域，具体涉及到采用投影仪的交互式电子白板，当投影面失真时，可以实现失真投影面内操作点：电子笔、触摸笔的电脑屏幕坐标的精确计算，提高失真投影面中的交互操作的准确性。

背景技术

交互式电子白板可以与电脑进行信息通讯，将电子白板连接到计算机，并利用投影机将计算机上的内容投影到电子白板屏幕上，在专门的应用程序的支持下，可以构造一个大屏幕、交互式的协作会议或教学环境。利用特定的书写笔或定位笔代替鼠标在白板上进行操作，可以运行任何电脑应用程序，并可进行文件进行编辑、注释、保存等在计算机上利用键盘及鼠标可以实现的任何操作。

根据定位原理不同，交互式电子白板可分为电磁感应式、超声波感应式、红外线感应式、压力感应式、图像传感式等。

交互式电子白板目前广泛应用于教育、办公等场合，是数字化教室的必备工具。

目前，交互式电子白板系统组成存在两种主要方案：

方案一：系统由计算机，电子白板，书写笔，投影机组成，电子白板作为显示界面，由投影机将电脑屏幕投射到电子白板上。

方案二：系统由计算机，电子白板，书写笔，平板显示器或电视组成，平板显示器或电视作为显示界面，电子白板安装在平板显示器上。

方案二系统结构简单，电脑视频输出直接接平板显示器视频输入端，避免对投影面的遮挡，显示界面无失真。由于平板显示器或电视的尺寸相对较小，60英寸以上的平板显示器价格较高，要满足80英寸的通用要求，对成本和技术要求较高，因此，方案二普及起来困难较大。

相对方案二，方案一中投影面积可调，成本低，得到广泛应用，成为市场主流。

但是，方案一中采用投影机将电脑屏幕投射到电子白板上，存在两个主要问题，问题一：遮挡影像。使用者进行操作时存在对投射影像遮挡的问题，这一问题随着短焦距投影机的出现，得到很好的解决。问题二：因投影机安装或白板位置不当，造成投影面出现倾斜、水平梯形、垂直梯形等失真，造成电脑鼠标光标尖与书写笔笔键不重合，且距离较大，降低电子白板系统的“精确度”。

一般用“精确度”的概念来描述电子白板经过校准后，鼠标光标尖与手写笔笔尖的重合程度。

引起问题二的主要因素有两个，因素一：投影仪或电子白板安装或使用过程中，造成位置或姿态发生改变，造成投影面失真。因素二：电子白板厂家提供的白板软件仅能解决梯形简单的投影面失真问题，无法适应实际使用中出现的各种失真问题。电子白板的安装有挂墙、支架两种方式，投影机的安装有吊顶式，便携式。由电子白板和投影机的安装方式可见，要保证投影面不失真难度较大，因此，必须从白板软件算法上降低投影面失真对定位精确度的影响。

投影面失真是由投影机和电子白板安装位置不但造成的，失真为线性失真，本发明采用等比例失真的思想，提供一种精确计算触摸点屏幕坐标的算法，解决因投影面失真造成电子白板系统精确度降低问题，提高交互电子白板系统的精确度和灵活性，降低对投影机和电子白板安装与调试的要求。

发明内容

本发明提供一种电子白板中失真投影面内触摸点屏幕坐标的精确计算方法，以解决电子白板系统投影面失真时精确度下降的问题，该方法可适用于各种定位原理的交互式电子白板系统。

本发明采取的技术方案是：

1)确定校准点、触摸点和触摸点屏幕坐标的约束关系；

2)通过电子白板定位装置获取校准点的坐标并保存；

3)利用约束关系，计算出触摸点屏幕坐标Xdisp和Ydisp。

本发明一种实施方式是采用4或9个校准点的进行触摸点屏幕坐标的计算。

本发明一种实施方式是采用4个校准点的进行触摸点屏幕坐标的计算。

本发明所述的投影面失真包括倾斜、垂直梯形、水平梯形线性失真的投影界面。

本发明所述的A、B、C、D四个校准点的投影面内的坐标由电子白板定位或扫描装置获得，电子白板包括红外扫描式、电磁感应式、压力感应式、虚拟影像式、超声波无线定位方式等类型的电子白板。

本发明所述的A、B、C、D四个校准点的屏幕坐标采用电脑屏幕的四个顶点，或是任意构成长方形的4个顶点、且长方形各边与电脑屏幕各边平行。

本发明所述的在无失真投影界面内触摸点屏幕坐标的约束关系，在投影界面失真状态下仍然成立。

投影界面中的校准点(A、B、C、D)由电子白板获得并保存，对任意一触摸点P，其在电子白板上的坐标由电子白板获得，其对应的屏幕坐标需要通过ABCD校准点计算出来，已达到屏幕坐标与触摸点坐标重合。

在无失真投影界面内，投影界面为长方形，触摸点对应的屏幕坐标为P_O(Xdisp，Ydisp)，存在一条经过触摸点P的直线EF，平行于AD和BC，与AB和CD的交点分别为E、F，同样存在一条平行于AB和CD的直线，与AD和BC的交点分别为G、H。A、B、C、D、E、F、G、H、P存在以下关系：

AE/AB＝DF/DC

AG/AD＝BH/BC

$\mathrm{Xdisp}=\frac{X_f-X_d}{X_c-X_d}\·65535$

$\mathrm{Ydisp}=\frac{Y_g-Y_a}{Y_d-Y_a}\·65535$

存在线性失真时，AB、BC、CD、AD、EF、GH均出现线性失真，EF可能不平行于AD和BC，GH不平行于AB和CD，由于是线性失真，AE与AB在一条直线上，失真比例相同，同理，DF与DC失真比例相同，AG与AD失真比例相同，BH与BC失真比例相同，因此上述关系仍然存在。根据上述关系，采用电子白板获得的A、B、C、D、P各点的坐标值，计算出触摸点P的屏幕坐标P_O(Xdisp，Ydisp)。

本发明的优点在于：无论投影界面出现倾斜、垂直梯形、水平梯形等失真，仅利用4个或9个校准点便能够准确计算出触摸点的屏幕坐标，保证触摸点的位置与投影界面上的鼠标重合，降低了计算量，提高了系统的实时性。

附图说明

图1是投影界面无失真时触摸点的位置示意图；

图2是投影界面失真时触摸点的位置示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种失真投影面内触摸点屏幕坐标的精确计算方法，其主要步骤包括：

1)确定校准点、触摸点和触摸点屏幕坐标的约束关系；

2)通过电子白板定位装置获取校准点的坐标并保存；

3)利用约束关系，计算出触摸点屏幕坐标Xdisp和Ydisp。

本发明一种实施方式是采用4或9个校准点的进行触摸点屏幕坐标的计算。

本发明一种实施方式是采用4个校准点的进行触摸点屏幕坐标的计算。

本发明所述的投影面失真包括倾斜、垂直梯形、水平梯形线性失真的投影界面。

本发明所述的A、B、C、D四个校准点的投影面内的坐标由电子白板定位或扫描装置获得，电子白板包括红外扫描式、电磁感应式、压力感应式、虚拟影像式、超声波无线定位方式等类型的电子白板。

本发明所述的A、B、C、D四个校准点的屏幕坐标采用电脑屏幕的四个顶点，或是任意构成长方形的4个顶点、且长方形各边与电脑屏幕各边平行。

本发明所述的在无失真投影界面内触摸点屏幕坐标的约束关系，在投影界面失真状态下仍然成立。

结合附图1、附图2详细描述本发明的实施方式。

(1)确定校准点、触摸点和触摸点屏幕坐标的约束关系

在无失真投影界面内，投影界面为标准的长方形，如图1所示，图中A、B、C、D为校准点，P为触摸点，其对应的屏幕坐标为(Xdisp，Ydisp)，存在一条经过触摸点P的直线EF，平行于AD和BC，与AB和CD的交点分别为E、F，同样存在一条平行于AB和CD的直线，与AD和BC的交点分别为G、H。A、B、C、D、E、F、G、H、P存在以下关系：

AE/AB＝DF/DC                       (1)

AG/AD＝BH/BC                       (2)

屏幕坐标的范围为0≤Xdisp≤65535，0≤Ydisp≤65535，触摸点对应的屏幕坐标可表示为

$\mathrm{Xdisp}=\frac{X_f-X_d}{X_c-X_d}\·65535---\left(3\right)$

$\mathrm{Ydisp}=\frac{Y_g-Y_a}{Y_d-Y_a}\·65535---\left(4\right)$

存在线性失真时，AB、BC、CD、AD、EF、GH均出现线性失真，EF可能不平行于AD和BC，GH可能不平行于AB和CD，由于是线性失真，AE与AB在一条直线上，失真比例相同，同理，DF与DC失真比例相同，AG与AD失真比例相同，BH与BC失真比例相同，公式(1)～(4)的关系仍然存在。因此，根据上述关系，无论投影界面是否失真，采用电子白板获得的A、B、C、D、P各点的坐标值，能够准确计算出触摸点P的屏幕坐标P_O(Xdisp，Ydisp)。

(2)获得校准点的坐标并保存

投影机配合电子白板使用时，校准是第一步操作也是必须的操作，其目的是获得已知屏幕坐标的基准点，电子白板系统利用这些基准点获得触摸点的屏幕坐标。

为降低校准过程的复杂度，本发明提出的算法仅需要4个校准点，为便于描述发明算法，选取屏幕界面的4个顶点(即A、B、C、D)作为校准点，4个校准点的屏幕坐标分别为A(0，0)，B(65535，0)，C(65535，65535)，D(0，65535)。

利用电子白板，获得4个校准点的坐标并保存，每个校准点需要8～20次采集求平均，4个校准点的坐标分别记为A(Xa，Ya)，B(Xb，Yb)，C(Xc，Yc)，D(Xd，Yd)。

(3)利用约束关系，计算出触摸点屏幕坐标P_O(Xdisp，Ydisp)

当书写笔或手指触摸到电子白板上的P点时，触摸点P的坐标由电子白板获得，记为P(Xp，Yp)。

参考图2，设直线AB的方程为

y＝K_AB(x-X_a)+Y_a                         (5)

其中，直线斜率 $K_{\mathrm{AB}}=\frac{Y_b-Y_a}{X_b-X_a}.$

设直线CD的方程为

y＝K_CD(x-X_d)+Y_d

(6)

其中， $K_{\mathrm{CD}}=\frac{Y_c-Y_d}{X_c-X_d}$

设经过P点的任意一条直线EF，与直线AB交点为E(Xe，Ye)，与直线CD的交点为F(Xf，Yf)，直线的斜率为K_EF，其直线方程为

y＝K_EF(x-X_p)+Y_p                         (7)

根据A、B、C、D、E、F各点坐标值，可得

$\frac{\mathrm{AE}}{\mathrm{AB}}=\frac{\sqrt{{(X_e-X_a)}^2+{(Y_e-Y_a)}^2}}{\sqrt{{(X_b-X_a)}^2{+(Y_b-Y_a)}^2}}---\left(8\right)$

$\frac{\mathrm{DF}}{\mathrm{DC}}=\frac{\sqrt{{(X_f-X_d)}^2+{(Y_f-Y_d)}^2}}{\sqrt{{(X_c-X_d)}^2{+(Y_c-Y_d)}^2}}---\left(9\right)$

考虑到E点在直线AB上，所以其坐标满足AB的直线方程，将E(X_e，Y_e)代入到公式(5)中得

Y_e-Y_a＝K_AB(X_e-X_a)                              (10)

同理，F点在直线CD上，所以其坐标满足AB的直线方程，将F(X_f，Y_f)代入到公式(6)中得

Y_f-Y_d＝K_CD(X_f-X_d)                              (11)

由公式(10)和公式(8)得

$\frac{\mathrm{AE}}{\mathrm{AB}}=\frac{\sqrt{\left({1+K}_{\mathrm{AB}}^2\right)}(X_e-X_a)}{\sqrt{\left({1+K}_{\mathrm{AB}}^2\right)}(X_b-X_a)}=\frac{X_e-X_a}{X_b-X_a},(X_e>X_a,X_b>X_a)---\left(12\right)$

由公式(11)和公式(9)得

$\frac{\mathrm{DF}}{\mathrm{DC}}=\frac{\sqrt{\left({1+K}_{\mathrm{CD}}^2\right)}(X_f-X_d)}{\sqrt{\left({1+K}_{\mathrm{CD}}^2\right)}(X_c-X_d)}=\frac{X_f-X_d}{X_c-X_d},(X_f>X_d,X_f>X_d)---\left(13\right)$

由(1)，(12)(13)

$\frac{X_e-X_a}{X_b-X_a}=\frac{X_f-X_d}{X_c-X_d}---\left(14\right)$

由(5)，(7)计算出直线AB与直线EF的交点E

$X_e=\frac{K_{\mathrm{EF}}\·X_p-K_{\mathrm{AB}}\·X_a+Y_a-Y_p}{K_{\mathrm{EF}}-K_{\mathrm{AB}}}---\left(15\right)$

同理，由(6)，(7)计算出直线CD与直线EF的交点F

$X_f=\frac{K_{\mathrm{EF}}\·X_p-K_{\mathrm{CD}}\·X_d+Y_d-Y_p}{K_{\mathrm{EF}}-K_{\mathrm{CD}}}---\left(16\right)$

由(15)得

$K_{\mathrm{EF}}=\frac{K_{\mathrm{AB}}(X_e-X_a)+Y_a-Y_p}{X_e-X_p}---\left(17\right)$

由(16)得

$K_{\mathrm{EF}}=\frac{K_{\mathrm{CD}}(X_f-X_d)+Y_d-Y_p}{X_f-X_p}---\left(18\right)$

令

X_e-X_a＝U

X_f-X_d＝V

$\frac{X_b-X_a}{X_c-X_d}=R$

(14)可以写为

U＝R·V                               (19)

(17)可以写为

$K_{\mathrm{EF}}=\frac{K_{\mathrm{AB}}{\·U+Y}_a{-Y}_p}{U+X_a-X_p}---\left(20\right)$

(18)可以写为

$K_{\mathrm{EF}}=\frac{K_{\mathrm{CD}}{\·V+Y}_d{-Y}_p}{V+X_d-X_p}---\left(21\right)$

令

Y_a-Y_p＝α，X_a-X_p＝β

由(19)，(20)，(21)得

令

va＝R(K_AB-K_CD)

va·V²+vb·V+vc＝0

对上式求解得

$V=\frac{-\mathrm{vb}\±\sqrt{{\mathrm{vb}}^2-4\·\mathrm{va}\·\mathrm{vc}}}{2\mathrm{va}}$

利用(3)可计算出触摸点屏幕坐标为

$\mathrm{Xdisp}=\frac{V}{X_c-X_d}\·65535$

触摸点P屏幕坐标的Ydisp计算方法与Xdisp计算方法类似，实际操作时，

只要将B点坐标与D点坐标互换，按照计算Xdisp的方法重新计算一遍，即可得到Ydisp。

Claims (7)

1.电子白板中失真投影面内触摸点屏幕坐标的精确计算方法，其特征在于包括下步骤：

确定校准点、触摸点和触摸点屏幕坐标的约束关系；

通过电子白板定位装置获取校准点的坐标并保存；

利用约束关系，计算出触摸点屏幕坐标Xdisp和Ydisp。

2.如权利要求1所述的电子白板中失真投影面内触摸点屏幕坐标的精确计算方法，其特征在于：采用4或9个校准点的进行触摸点屏幕坐标的计算。

3.如权利要求2所述的电子白板中失真投影面内触摸点屏幕坐标的精确计算方法，其特征在于：采用4个校准点的进行触摸点屏幕坐标的计算。

4.如权利要求1所述的电子白板中失真投影面内触摸点屏幕坐标的精确计算方法，其特征在于：投影面失真包括倾斜、垂直梯形、水平梯形线性失真的投影界面。

5.如权利要求3所述的电子白板中失真投影面内触摸点屏幕坐标的精确计算方法，其特征在于：A、B、C、D四个校准点的投影面内的坐标由电子白板定位或扫描装置获得，电子白板包括红外扫描式、电磁感应式、压力感应式、虚拟影像式、超声波无线定位方式等类型的电子白板。

6.如权利要求3所述的电子白板中失真投影面内触摸点屏幕坐标的精确计算方法，其特征在于：A、B、C、D四个校准点的屏幕坐标采用电脑屏幕的四个顶点，或是任意构成长方形的4个顶点、且长方形各边与电脑屏幕各边平行。

7.如权利要求1所述的电子白板中失真投影面内触摸点屏幕坐标的精确计算方法，其特征在于：在无失真投影界面内触摸点屏幕坐标的约束关系，在投影界面失真状态下仍然成立。

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