CN102591491A - 一种光导鼠标系统 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种光导鼠标系统，是一种实用的计算机控制输入设备。本发明利用激光制导原理，通过激光遥控设备发射激光束和电磁信号，通过摄像设备接收光信号，以实现常规鼠标的光标定位操作；通过电信号接收设备接收激光遥控设备的电磁信号，以实现常规鼠标的按键操作。该系统结合人机交互、机器视觉、计算机控制、遥控技术等领域的技术，实现了新的人机交互方式，有希望取代鼠标，市场前景广阔。

Description

一种光导鼠标系统

技术领域

本发明在技术上属于人机交互计算机控制领域，在应用上属于日常办公应用领域。本发明利用激光制导原理，实现了一种新的人机交互系统。本发明是在目前桌面鼠标的基础上的一项重大升级，是一种改进了的可以实现常规桌面鼠标一切功能的新型指示设备。本发明结合了常规桌面鼠标、激光指示设备、投影设备和无线遥控设备的技术，实现了无线的不局限于桌面的非常便捷和实用的计算机控制功能。本发明在机器视觉上实现了光斑的准确和高效的识别；在无线遥控技术上完成了信息的安排、编码、发射和接收；在计算机控制上完成了鼠标的精确定位和一些相关的扩展操作。本发明是一项综合了多项技术并完成了一系列非常实用的系统。

背景技术

本发明结合了激光指示器、投影设备、摄像设备、遥控设备等硬件设备，并在人机交互领域内实现其功能。

激光器是一种基于光子受激辐射原理，通过光放大过程发射电磁辐射的设备。激光器发射的激光光束与普通光束相比，具有非常强的时间和空间相干性，并且具有很高的能量密度。激光器的发展源于1917年，爱因斯坦建立的激光和微波激射器的理论基础。随着理论的逐渐完善，到1950年，Alfred Kastler预言光泵浦的方法，并在两年后由Brossel，Kastler和Winter在实验中证实，激光器的理论基础已经非常完善。在1958年，Bell实验室为其激光器提出专利申请；在1960年，Theodore H.Maiman完成了第一台可以发射694nm波长红光的实用激光器。

经过数十年的发展，激光器的应用领域已经延伸到医药检测、工业测量、军事、法制监管、科研、商业、日常等各个领域。其中，在军事领域，人们利用激光束标记攻击目标，引导攻击导弹完成精确打击。这是激光制导原理的最初的应用方式。在日常生活领域，激光器的实用已经是无所不在了。比如，激光器1974年开始应用与超市条码扫描器中，在1978年激光器用于光盘播放器，在1982年开始用于激光打印机。

日常最为常用的小型激光器是一种激光笔设备。激光笔是一种小型的便携式的，带有可发射低功率激光光束的激光发射器，常被应用于指示和强调感兴趣的事物。激光笔常常被作为一种可以吸引视线的设备被用于教学和商用的展示和视觉示范等活动中。常用的激光笔有红光激光笔和绿光激光笔。红光激光笔一般仅仅适用于室内或低光照环境下。绿光激光笔可用于户外阳光下，并可以在长距离范围，例如天文观测，内使用。目前在教学多媒体演示或商务多媒体演示等活动中使用的激光笔，主要实现轻便教鞭的功能，有些还可以通过附加按钮实现简单的对计算机上下翻页的操作。操作者无法通过单一的激光笔实现例如鼠标的光标移动、单击、双击以及滚动等操作。这个限制往往给操作者的使用带来极大的不便。操作者对仅仅通过手中的激光笔实现鼠标的定位，按键的点击等操作体验具有一定的需求。

图像投影器是一种将图像或视频投射到某个平面上的光学设备。早在公元4世纪，希腊人就记录过影像通过针孔投射到一个平面的现象。1420年，Johannesde Fontana绘制出了一种将图像投射到一个表面的方法。在17世纪，早期的幻灯机投射设备已经被实现并应用。在目前，投影设备在人们的信息交流中的使用已经变的非常普遍。早期，投影设备常常被用于演示魔鬼或幽灵，来吓唬无知的人们。而现在，投影器已成为当今教学、商务等场合，人际交流活动中，不可或缺的多媒体演示工具。投影设备和激光笔等设备的使用有利于增进人们的信息交流效率，方便人们的工作生活。但是，目前这类设备仍然存在一些不足，在便捷性和实用性上仍然有很多地方有待改进。

人机交互领域的技术随着计算机技术的发展，不断的进步。计算机作为一种智能设备，不同于人类的其他工具，不仅通过接受人对其输入的简单的控制操作，还需要通过理解人的一些复杂活动来实现更为便捷的控制。好的人机交互系统的最基本目标是通过提升人机交互能力，促使计算机变的更加可用和更能适应用户的需求。

人机交互主要包括两方面内容，一方面是人对计算机的工作的识别和理解，另一方面是计算机对人的行为的识别和理解。为了提升前一方面的效果，计算机操作系统已经发展出一套非常完善的窗口界面，供用户浏览。而第二方面，目前的状态还主要是停留在使用鼠标、键盘、扫描仪等常规输入设备。计算机对人的活动的理解能力还是比较低。因此，人机交互中，人对计算机的控制的效率并不是非常高。

计算机视觉是一个包含了对图像信息的接收、处理、分析和理解等多方面的方法和技术的研究领域。计算机视觉的发展直接提高了计算机对外界信息的理解能力。计算机视觉和机器视觉同属于人工智能领域。其主要任务有识别、运动分析、场景重绘、图像复原、三维立体识别等。目前，计算机视觉主要应用于医药、工业、军事、航天等领域。计算机视觉也在自动驾驶的交通工具、无人飞行器中有越来越多的使用。而目前，随着计算机视觉的技术的逐渐成熟，计算机有望在不久普遍用于人机交互的领域中，并且势必带来人机交互革命性的进步。

在计算机视觉中，最为重要的探测器是摄像机。摄像机早期的形式为针孔摄像机，通过小孔成像原理，在底片上记录图像。它还被用于绘画的小型辅助工具，在一开始就有着非常好的使用价值。随着技术的进步，透镜照相机出现，并使用和发展，到今天，各种各样的电子照相机和录像机已经广泛的应用于人们的日常生活中。摄像机目前根据使用范围的不同，具有不同的种类。在摄影应用中，便携式电子照相机是一种最为普遍的形式。在计算机视觉领域，根据不同使用需求，有的是高精度高分辨率的摄像机，而有的仅仅是普通的廉价的摄像头。而通过合理的使用上述设备，它们都能各自在其领域内发挥出巨大的能力。

多媒体，顾名思义，是多种媒体形式的组合概念。目前，多媒体技术主要用于广告、艺术、教学、娱乐、工程、数学、科研、商业中，并且不局限于上述应用。在教学中，多媒体的应用目前的主流形式是投影演示。投影演示可以高效和方便的传达出包括视频、音频在内的各类信息，可以极大的提升教学工作的效率和体验。但是，由于计算机的操作主要还是使用鼠标，而激光笔只能实现一些微不足道的功能，每当操作者需要切换内容时，往往不得不回到放置鼠标器的桌面旁，使用鼠标做一些操作。这个情况还有非常大的改进空间。而本发明提出了一种解决该问题的方案。

通过使用本发明的方案，操作者可以在一定范围内，不通过常规的鼠标完成一切鼠标操作，报包括鼠标光标的定位和移动。并且本方案可以和常规鼠标共存。本发明作为一项演示用指示和控制设备，可以做到便捷、实用。在这个应用领域，具有非常大的实用价值。并且，本发明的设备的适应性强，对硬件设备的要求比较低，不需要特殊的使用技术，有望极大的提升人们的演示活动体验。

发明内容

本发明利用激光制导原理，通过激光遥控设备发射激光束和电磁信号，通过摄像设备接收光信号，以实现常规鼠标的光标定位操作；通过电信号接收设备接收激光遥控设备的电磁信号，以实现常规鼠标的按键操作。该系统结合人机交互、机器视觉、计算机控制、遥控技术等领域的技术，通过配合使用投影器、激光笔、摄像机、遥控器等设备，来实现一种便捷的控制计算机的不局限于任何空间的无线设备，以促进人机交互的发展和提升用户使用计算机的体验。本发明是一种新型的人机交互设备，有希望取代鼠标器，实现各项相关的计算机操作。

本发明主要包括摄像设备、激光遥控设备、电信号接收设备三部分。其中，摄像设备与计算机通过USB接口相连，激光遥控设备为移动无线设备，电信号接收设备为遥控电信号的接收器，用于实现遥控和计算机的信息传递。

首先，遥控和激光指示设备是一个手握设备，由四个功能模块组成。

第一个功能模块是常规的激光束发射模块。该模块包括激光发射器、供电电路、控制电路组成。激光发射器位于遥控和激光指示设备的前端，同常规的激光笔设备中激光器位置相近。激光器可以采用红光、绿光或其他颜色的光。功率控制在1-5mw之间，为了方便配合其他功能键的操作，其通断使用智能芯片控制。该模块的作用范围应该控制在摄像设备可以拍摄的范围内，以保证摄像设备可以完成对光信号接收的功能。

第二个功能模块是按钮键盘输入模块。键盘按钮模块中，本发明采用常规的鼠标键：左键、右键和滚轮，以及功能按键：发光、定标、开关，和另外两个扩展的多功能复用按键共八个键的键盘的设计。操作者可以通过单击或双击上述按键，输入各个按键所配置的功能。

第三个功能模块是信号的编码和数据发射模块。在该模块中，用户的输入通过识别和编码，变为数字电磁信号，并通过无线通信，将数字信号发射到相应的接收设备。

第四个功能模块为整个设备的供电模块。本发明采用小型蓄电池供电，根据不同需求，选择铅蓄电池或者纽扣电池等。

本发明的摄像设备，可以采用常规的摄像头或其他摄像设备。该设备通过USB线与被控计算机相连，相当于该计算机的眼睛。该设备的安装对角度、高度、位置等没有特殊要求，但是需要保证摄像范围完全包括激光遥控设备的激光束光斑作用范围，从而确保本设备能够完成对光信号的接收任务。在使用过程中，摄像机的位置和方向不可以有大的改变。每改变一次摄像机位置，需要重新对设备进行一次定标。本发明就是通过该设备，保证计算机能够精确的理解用户使用激光束指示的位置信息的。本发明通过简单的二值化数据处理来实现计算机对激光光斑的识别和位置判定以及跟踪。并通过一项数据运算，来精确地确定激光光斑的位置信息。计算机通过得到此位置信息，移动计算机界面上的光标到相应的位置。

接收设备属于常规的USB输入设备。其信息来源于遥控和激光发射设备的信息输出。该设备接受计算机的控制，并可以实现数据的解码和暂存。通过计算机对其数据的提取，来保证计算机理解目前用户的操作，并实现计算机的控制。为保证良好的兼容性，本设备数据的格式采用常规的USB鼠标的数据格式。

本系统成本低，精度高，通过廉价的智能芯片和常规的编码技术实现了不同需求，是完全自主研发的计算机控制技术。本系统的兼容强，可以做到与常规的设备的兼容和共存。本发明将多项现代技术应用于计算机交互领域，在需要鼠标定位的位置，例如，投影屏幕、计算机显示器等平面显示媒体上，都可以实现无需多余配置的直接应用。并且，本发明仅仅需要一个遥控设备随人移动，具有很好的便携性和实用性。本发明的各个设备间有较高的独立性，可以方便的实现分割和组合。例如，摄像设备可以单独作为一个系统，完成激光笔定位鼠标的功能。而遥控和激光发射设备可以单独完成常规的激光笔的功能。因此，在一些环境中，本发明还可以和投影设备结合起来，发展为一套更为完整的实用人机交互设备。本发明顾及与目前人们常用的设备在使用上的近似性。使用本设备，用户可以采用可常规设备相同的操作，例如左击、右击、双击等操作同样的方法，完成同样的操作。

本发明的效果和益处是，采用本发明的光导鼠标系统，能够保证用户在更大空间范围内，不依赖于任何特定平面，不依赖有线数据传输，而实现常规的光标定位、左键单击、左键双击、右键单击、滚轮滚动以及一系列扩展操作。在人机交互领域，本发明为一个新型的，相对于传统的方案更为直接和便捷的交互方式。在计算机显示向大尺度发展的趋势中，本发明良好的适应了客观形势。本发明的低成本特点保证本发明具有良好的应用前景，对人们使用计算机，使用多媒体演示，将很可能起到非常大的促进作用。

附图说明

附图1是本光导鼠标器的主控制部件的设计图。

附图2是本系统中实现数据采集和处理的摄像机部分的示意图。

具体实施方式

以下结合附图详细说明本发明的最佳实施例。

本系统硬件分为三部分：遥控和激光发射设备(如图1)、摄像设备(如图2)和信号接收设备。

本发明主要实现普通鼠标的功能：移动和定位鼠标、单击、双击、滚轮滚动、滚轮按下等功能。本发明还可以做到一些扩展的功能，供用户按自己的需求和爱好自行设定。

首先，安装设备。本发明的摄像设备为一个普通的摄像头和USB信号线。将USB信号线接口连接到被控制计算机。并固定摄像机镜头，要求摄像范围必须包含显示平面范围，并且足够稳定，在使用中要求摄像头的镜头位置和方向不发生明显变化。本发明的信号接收设备为USB接口，通过直接插入被控制电脑的USB插槽完成连接。本发明的遥控和激光发射设备需要添加电池作为供电电源，并在安装电源后，开启设备电源开关。

然后，安装和启动驱动服务程序。本设备需要安装驱动程序，驱动程序主要包括摄像设备的驱动程序、信号接收设备的驱动程序。安装完成后，自动开启驱动服务。

启动定标程序。定标程序属于摄像设备驱动程序的一部分。使用遥控激光发射器发射激光，分别指示投影屏幕的四个角点，并分别在指示正确的前提下，单击定标按钮。

开始使用。当定标过程完成后，第五次按下定标按钮，控制计算机并设置了鼠标可控，此时，鼠标的位置由用户的激光束的光斑的位置决定。在计算机图像显示的平面上，用户指向某个位置，则该位置为当前计算机鼠标的位置。

鼠标操作。这里的鼠标操作和常规桌面鼠标的操作完全相同，例如，将光点移动到某个图标按钮上后，按下左键并松开，按钮被单击，按下右键并松开，按钮被右击，滚轮滚动，窗口界面实现相应的滚动，按下按钮并移动光斑，目标被拖动等。

扩展操作。本发明还提供另外两个复用的功能键。通过驱动程序的设置，可以为这两个按键指定更丰富的操作。例如，可以简单的将这两个按键对应键盘向上翻页和向下翻页的按键，实现按键功能。也可以在特殊的软件中，设置这两个按键有其他功能。对于不同前提条件下，这两个按键还可以实现不同的功能，实现功能复用，以最大的发挥本发明的能力。

Claims (2)

1.一种光导鼠标系统，包括遥控和激光指示设备、摄像设备、电信号接收设备三部分；其特征在于，

遥控和激光指示设备由四个功能模块组成，

第一个功能模块是激光束发射模块；激光发射器位于遥控和激光指示设备的前端；该模块的作用范围控制在摄像设备拍摄的范围内，保证摄像设备完成对光信号接收；

第二个功能模块是按钮键盘输入模块；操作者通过单击或双击按键，输入各个按键所配置的功能；

第三个功能模块是信号的编码和数据发射模块；用户的输入通过识别和编码，变为数字电磁信号，并通过无线通信，将数字信号发射到相应的接收设备；

第四个功能模块为整个设备的供电模块；

摄像设备：该设备通过USB线与被控计算机相连，相当于该计算机的眼睛；该设备的安装需要保证摄像范围完全包括激光遥控设备的激光束光斑作用范围，确保设备能够完成对光信号的接收任务；

接收设备：接收设备接收的信息来源于遥控和激光发射设备的信息输出；该设备接受计算机的控制，实现数据的解码和暂存；通过计算机对其数据的提取，来保证计算机理解用户的操作，实现计算机的控制。

2.根据权利要求1所述的一种光导鼠标系统，其特征在于，激光发射器采用红光、绿光，功率控制在1-5mw。

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