CN102339169A - 一种大尺寸多点触摸系统的标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种大尺寸多点触摸系统的标定方法，属于多点触摸技术领域。本方法为：1)将屏幕分为M×N的网格，得到网格交点的屏幕坐标；2)点击网格交点并采集畸变图像，计算所点击交点在畸变图像中的畸变图像坐标；3)选取若干屏幕坐标及与其对应畸变图像坐标，计算屏幕坐标到畸变校正后的图像点坐标；4)将原始畸变图像的坐标点和校正后的图像坐标点输入畸变模型，计算畸变模型参数；5)利用畸变模型参数，将畸变图像坐标点映射到正常的无畸变图像点；6)选取若干无畸变的图像点及与其对应的屏幕坐标点计算得到收敛的畸变模型参数；7)利用收敛畸变模型参数对多点触摸系统进行标定。本方法的触摸位置定位更加精确，使得触摸屏更加实用。

Description

一种大尺寸多点触摸系统的标定方法

技术领域

本发明属于多点触摸技术领域，具体地涉及一种大尺寸多点触摸系统的标定方法。

背景技术

多点触摸系统最近几年逐步走向实用，衡量多点触摸系统一个比较重要的指标就是触摸点定位的精度，这需要对系统运行的一些关键参数进行比较准确的标定。在大尺寸的桌面系统中，最近使用红外摄像头来跟踪定位用户手的运动逐渐流行起来。红外摄像头采用红外线成像可以使得整个系统对光照不敏感，适合很多场景应用。

多点触摸系统当中，当桌面较大时，往往采用多个红外摄像头来覆盖整个桌面场景，这种方式增加了硬件成本，并且多个摄像头之间的拼接运算量大、处理起来比较复杂。

单个红外摄像头如果是透视模型，视角就比较小、很难覆盖整个桌面。对广角镜头，视觉大，但是所得到的图像畸变较大。

目前在使用一个广角镜头的情况下，并没有消除多点触摸系统由于镜头畸变而产生的定位误差，如何较为方便准确的计算系统的各项参数，从而使得单红外摄像头多点触摸系统具有较高的定位精度，是一个急待解决的问题。

发明内容

为了解决现有技术中镜头畸变的问题，本发明目的是提出一种大尺寸多点触摸系统的标定方法。

为实现上述目的，本发明提供一种大尺寸多点触摸系统的标定方法，包括步骤：

步骤S1：将屏幕划分M*N的网格，得到每个网格十字交点的屏幕坐标；

步骤S2：在每个网格十字交点，用红外线光笔点击，通过红外摄像头得到的畸变图像计算所点击交点在畸变图像的畸变图像坐标。

步骤S3：利用得到的屏幕坐标和畸变图像坐标，选择图像中靠近中心畸变较小的一些点对两个平面之间的单应矩阵进行初步估计。估计的方法是通过点的对应关系建立起关于单应矩阵的方程，然后多个点的对应关系可得到关于单应矩阵的方程组，对方程组进行奇异值分解可求得单应矩阵。

步骤S4：通过单应矩阵的逆变换，计算屏幕坐标到红外摄像头畸变校正后的图像点坐标。

步骤S5：利用原始畸变图像的坐标点和校正后的图像坐标点，根据畸变模型，计算畸变模型的参数。

步骤S6：利用畸变模型参数，将所有畸变图像坐标点映射到正常的无畸变图像点。

步骤S7：利用无畸变的图像点和屏幕坐标点重新计算单应矩阵。

步骤S8：重复S4-S7直至所有参数收敛。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供了对红外多点触摸屏幕的标定方法，只需要得到网格的屏幕坐标点和畸变图像的坐标点，便可确定模型参数。通过迭代计算，精确度高，鲁棒性好。本发明使得基于红外的触摸屏幕的触摸位置定位更加精确，使得触摸屏更加实用。

附图说明

图1为系统布局示意图；

1、桌面，2、红外灯，3、摄像机，4、投影仪，5、主机；

图2为屏幕的网格划分图；

图3为本发明的流程图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明技术方案中所涉及的各个细节问题。应指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

为了实现本发明的方法，实施时采用一台CPU是1.6G，内存是512M，硬盘320G的计算机或其他类型的计算机，多点触摸桌面的长度为1.5米，宽度为1.15米。系统布局示意图和样机如图1所示。在计算机上采用Matlab编制相关程序，本发明方法的流程图请参见图3，本发明方法的具体实施步骤如下：

1).如图2所示，将屏幕划分为17*13的网格，得到每个网格十字交点的坐标数据。

2).按照系统提示，如图2右上角标记点，依次用红外笔点击网格点，记录下每个网格点对应的红外图像点的位置数据，即计算所点击交点在畸变图像的畸变图像坐标。

3).利用得到的屏幕坐标和畸变图像坐标，选择畸变图像中靠近中心且畸变较小的9个点以及与其对应的屏幕坐标，所选的畸变图像中的9个点构成一平面，对应的9个屏幕坐标构成一平面，对两个平面之间大小为3×3单应矩阵M进行初步估计，得到单应矩阵M。对方程的建立采用齐次坐标的形式，用(x_s，y_s，1)表示屏幕坐标，(x_d，y_d，1)表是其对应的畸变图像坐标，那么这两个点之间的对应可以建立方程M(x_d，y_d，1)＝λ(x_s，y_s，1)^T，其中λ为比例因子。9对点可以建立9个这样的方程，对方程组进行奇异值分解，这样解算出M。

4).利用单应矩阵M的逆变换，计算屏幕坐标到红外摄像头畸变校正后的图像点坐标。即(x_ud，y_ud，1)＝λM^-1(x_s，y_s，1)^T(x_u，y_u，1)表示图像校正后的点坐标。

5).采用的畸变模型为：

x_u＝x_d+(x_d-x_c)(k₁r²+k₂r⁴)    (2)

y_u＝y_d+(y_d-y_c)(k₁r²+k₂r⁴)    (3)

式中

k₁，k₂是模型参数，(x_d，y_d)是畸变图像的坐标点，(x_c，y_c)为畸变图像中心点的位置，(x_u，y_u)为校正后的畸变图像点的位置，。根据(x_d，y_d)与(x_u，y_u)的对应建立关于k₁，k₂的方程组，通过奇异值分解法求得k₁，k₂。

目前，已提出的相机畸变模型比较多，本发明也可以采用其他畸变模型，比如比较常见的除式模型、有理模型等(参考文献：“Camera calibration with distortion models and accuracyevaluation”J Weng，P Cohen，M Herniou-IEEE Transactions on Pattern Analysis and MachineIntelligence，1992；或文献“A Rational Function Lens Distortion Model for GeneralCameras，”David Claus，Andrew W.Fitzgibbon，pp.213-219，2005 IEEE Computer SocietyConference on Computer Vision and Pattern Recognition(CVPR′05)-Volume 1，2005)。

6).利用畸变模型参数，将畸变图像坐标点映射到正常的无畸变图像点。

7).利用无畸变的图像点和屏幕坐标点重新计算单应矩阵M。计算方法同步骤3

8).对S4-S7的步骤重复100次得到比较准确的参数。

通过上述过程对系统参数准确标定之后，就可以对用户接触屏幕点的位置进行准备定位。即首先把得到的畸变点位置变换到无畸变点位置坐标，再通过单应矩阵变换即得所在屏幕点的准确位置。

用上述方法对我们的系统进行标定，得到的参数为：

k₁＝1.54906466892895e-06

k₂＝1.38178611351497e-11

$M=\left[\begin{array}{ccc}0.00107758686034155& 0.000248684841743937& -0.00212563826192699\\ 2.49564274888042e-05& -0.00125705390372788& 0.727050565391658\\ -4.19849238908676e-06& 0.000440374590019624& 0.745892514386055\end{array}\right]$

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种大尺寸多点触摸系统的标定方法，其步骤为：

1)将多点触摸系统的屏幕划分为M×N的网格，得到每个网格十字交点的屏幕坐标；其中M、N为自然数；

2)用红外线光笔点击网格十字交点并采集屏幕畸变图像，计算所点击交点在畸变图像中的畸变图像坐标；

3)选取若干屏幕坐标及与其对应的畸变图像坐标，并根据所选坐标间的对应关系建立单应矩阵方程组，求解出单应矩阵；

4)利用单应矩阵的逆变换，计算屏幕坐标到畸变校正后的图像点坐标；

5)将原始畸变图像的坐标点和畸变校正后的图像坐标点输入畸变模型，计算畸变模型的参数；

6)利用畸变模型的参数，将所有畸变图像坐标点映射到正常的无畸变图像点；

7)选取若干无畸变的图像点及与其对应的屏幕坐标点重新计算单应矩阵；

8)重复若干次步骤4)～7)，得到收敛的畸变模型参数，然后利用畸变模型参数对多点触摸系统进行标定。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于选取屏幕中心且畸变最小的若干屏幕坐标及与其对应的畸变图像坐标。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于选取9个屏幕坐标及与其对应的畸变图像坐标，建立一3×3单应矩阵方程组。

4.如权利要求1或2或3所述的方法，其特征在于采用齐次坐标的形式建立所述单应矩阵方程组。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于对所述单应矩阵方程组进行奇异值分解方法，求解出所述单应矩阵。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述畸变模型为：

x_u＝x_d+(x_d-x_c)(k₁r²+k₂r⁴)

y_u＝y_d+(y_d-y_c)(k₁r²+k₂r⁴)

其中：

k₁，k₂是模型参数，(x_d，y_d)是畸变图像的坐标点，(x_c，y_c)为畸变图像中心点坐标，(x_u，y_u)为畸变校正后的图像坐标点。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于多点触摸系统采用红外摄像头采集屏幕畸变图像。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述畸变模型为除式模型。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述畸变模型为有理模型。

Images