CN102591532B - 双反射镜交叉定位电子白板装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双反射镜交叉定位电子白板装置，主要包括两个摄像头、图像处理电路、外壳，摄像头连到处理电路，所述两个摄像头的视场角（FOV）远小于90度，且安装在外壳的靠近中部的两个对称位置，取景方向对称地朝向两个方向；在每个摄像头的正前方一定距离处设置有一个凸面镜或凹面镜，其反射面处于摄像头的视场中，凸面镜或凹面镜的成像视场角接近或大于90度，两摄像头通过各自对应的凸面镜或凹面镜可以观察到一个共同区域的图像。应用中使白板表面处于上述共同区域，当物体或笔出现在此区域时，根据其在两个摄像头中的坐标信息，利用几何关系进行交叉计算，可以得到二维或三维坐标，从而实现位置跟踪。

Description

双反射镜交叉定位电子白板装置

技术领域

本发明涉及一种使用实时图像检测进行笔定位的电子白板装置，特别是一种采用双反射镜，使用交叉计算的方法实现二维或三维坐标定位的电子白板。

背景技术

在当前的电子白板技术中，使用图像检测实现笔迹定位跟踪是主流技术之一，主要原因是此类白板安装使用灵活、响应快、成本低、体积小等，且随着传感器和数字处理技术的发展，此类产品的发展空间很大。有关使用实时图像检测进行笔定位的电子白板的技术方案在大量专利文件中都有涉及，如专利号ZL011080477、发明专利公开号 CN1305143A、名称为“用于计算机坐标与控制信息输入的系统及方法”的中国发明专利，以及发明专利公开号 CN1928799A、名称为“触摸屏定位装置及其定位方法”的中国发明专利申请中有详细描述。其基本工作原理是：用主动发光的光笔或被动反射光的光笔（包括手指等）产生的光点来标示目标点的位置，引入摄像装置实时采集图像，用信号处理电路实时分析图像信号并提取光点的位置信息，通过接口电路和相应软件输入到计算机，用坐标矫正算法进行坐标校准使光标的位置跟踪光笔的物理位置，从而实现交互电子白板功能。

近年来，又发展出一类使用两个摄像头进行交叉计算而实现定位的技术，例如发明专利公开号 CN101464751A、名称为“一种基于图像检测的电子白板系统及检测方法”的中国发明专利申请。此类技术的基本原理是，在白板上安装具有特定颜色或条纹，或者贴有反光条的边框，将两个摄像头分别安装在白板的两个相邻角，使其能够沿白板表面拍摄到对面边框。由于边框的特定颜色，或者特定条纹，或者高亮度，使其具有显著图像特征。当有物体接近白板表面时，将造成边框图像的缺失或变化，根据这种变化就可以得到物体在摄像头视野中的位置数据。同时获取两个摄像头中的位置数据，根据几何关系就可以计算出物体在白板上的二维或三维坐标。这种技术的优点是：1、摄像头是紧贴白板框的，没有光线阻挡问题。2、摄像头和电路可以置于边框内，外观简洁。3、可以实现触摸效果。

但目前的技术也有重大的缺点，主要是：一、摄像头之间距离远，对于70寸屏幕，每个摄像头到处理电路的距离近1米，随着白板增大，此距离更大。而数字摄像头的时钟频率为数十兆赫兹，其产生的电磁辐射问题难以处理。

二、由于长排线和辐射屏蔽问题，且排线易于遮挡光路，造成安装复杂。

三、由于需要两个数字摄像头，引线数量大，电路复杂，成本高。

四、两摄像头之间同步问题需要解决，这有一定难度，需要付出一定代价。

五、长距离高频同步视频数据传输易于发生数据错误。

六、摄像头需要90度视角，镜头成本较高，易于出现边缘衰减、畸变问题。

七、由于视角较大，带通滤光效率较低。

八、光学上，由于摄像头沿白板表面采集边框图像，对侧干扰光源，如窗口日光，经过白板表面反射、散射形成的干扰光线可能非常强烈，易于造成干扰。

九、由于采用光角镜头，图像中边框的宽度很小，呈细线状，因此对于普通面阵图像传感器，像素利用率极低。且由于边框图像呈细线状，基本无法进行边框图像的细节处理。

上述发明专利公开号 CN101464751A的方案中，为了解决长距离并行视频数据传输问题，为每个摄像头配备了一个图像处理单元，这样虽然降低了数据流量，一定程度上减少了辐射等弊端，但系统整体更加复杂了。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种可以将摄像头直接连到处理电路，且使用了小视场角摄像头的双反射镜交叉定位电子白板装置，解决了现有技术中的主要问题。

为了实现本发明的目的，本发明的一种双反射镜交叉定位电子白板装置，主要包括两个摄像头、图像处理电路、外壳，摄像头连到处理电路，所述两个摄像头的视场角（FOV）远小于90度，且安装在外壳的靠近中部的两个对称位置，取景方向对称地朝向两个方向；在每个摄像头的正前方一定距离处设置有一个凸面镜或凹面镜，其反射面处于摄像头的视场中，凸面镜或凹面镜的成像视场角接近或大于90度，两摄像头通过各自对应的凸面镜或凹面镜可以观察到一个共同区域的图像。应用中使白板表面处于上述共同区域，当物体或笔出现在此区域时，根据其在两个摄像头中的坐标信息，利用几何关系进行交叉计算，可以得到二维或三维坐标，从而实现位置跟踪。

以上所述凸面镜或凹面镜可以是球面反射镜、椭球面反射镜、柱面反射镜等。

所述摄像头由普通镜头和图像传感器构成，可以加入带通滤光片以提高信噪比。

摄像头可以用导线连接到图像处理电路，也可以直接将图像传感器焊接在图像处理器电路板上，通过引入小反射镜等措施实现白板区域的成像，这样电路更简洁。

进一步，由于摄像头的视场角较小，因此镜头的焦距较长，其距离图像传感器的距离可以较长，所以通过一定辅助措施可以仅用一个图像传感器实现两个摄像头的效果。

附图说明

图1是本发明的双反射镜交叉定位电子白板装置的实施例1的俯视结构示意图。

图2是本发明的第一个实施例中，引入小反射镜后的结构前视图。

图3是本发明的第一个实施例中，引入小反射镜，并且仅使用一个图像传感器的结构前视图。

图4是本发明的第一个实施例的一种凸面镜的三维示意图。

图5是本发明的双反射镜交叉定位电子白板装置的第二个实施例安装在白板一边中部的前视图。

图6是本发明的双反射镜交叉定位电子白板装置的第二个实施例安装在白板一边中部的侧视图。

图7是本发明的双反射镜交叉定位电子白板装置的实施例1中将采用凹面镜取代凸面镜的对比示意图。

附图标记说明：摄像头1，图像处理电路2，凸面镜3，外壳4，镜头5，图像传感器6，小反射镜7，边框8，白板9，凹面镜10。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1。

图1中，本发明的第一个实施例，它是一个用于安装在白板边框外侧，主要用于实现触摸电子白板的装置。有两个独立的摄像头1，它们用1/6英寸的CMOS图像传感器芯片与焦距16mm的普通镜头共同构成，其视场角约为8度，有很好的图像线性和均匀性。外壳4为铝合金材料，有较好的刚性，长度约1.2米。图像处理电路2的电路板安装在外壳4的中部，两个摄像头1也固定在外壳4上，并通过短排线连接到图像处理电路2。两个摄像头1分别对准两个凸面镜3。凸面镜3是圆柱面反射镜，其高度为20mm，弧面半径约80mm。

使用时，将本装置的外壳4底部平贴在白板一边的外侧，使两个凸面镜处于白板两角处，这里说的白板包括平面显示器。在白板的另外三边安装厚度20mm的黑色边框8。摄像头1和凸面镜3经过精密调整，使每个对角相邻的两个边的边框成像于相应的摄像头1。当有物体移入时，由于物体的亮度与边框不同，从而引起边框图像的变化。由于凸面镜3是柱面镜，根据几何光学的原理可知，将有这样的特别成像效果：从柱面反射镜观察到的边框，其宽度是得到相对拉伸而加宽的，拉伸的比例与弧面的半径有关。这种效果会带来如下优势：1、图像传感器的像素利用率得到大大提高，这必然可以提高系统分辨率。2、由于边框图像宽度增加，周边空间如白板表面的成像面积减少或移除，从而外侧光线干扰降低。3、由于边框宽度大大增加，当有物体接近白板表面时，将有可能对边框缺陷的细节进行观察分析，从而得到诸如距离板面高度等信息，这在应用中是有价值的。 

本实施例中，如果考虑到环境光有时很弱，可以增加红外发光二极管用于补光，同时在摄像头的光路中增加对应于信号光线波长的带通滤光片。这里的补光光源也可以是一个小角度的一字形半导体激光器，将其固定在摄像头1旁，向凸面镜3照射，并通过凸面镜3的扩展作用经过反射呈90度展开并照射到对面的边框上。当有物体接近屏幕时，将被激光照射，从而发生亮度变化，同样实现位置检测的效果，而且由于激光的方向性和单色性，滤光效率高，光斑亮度大，检测算法可以大大简化。

另外，凸面镜3也可以在垂直方向略向内凹陷，图4是这种凸面镜的立体示意图。适当设计凹陷的曲率参数，这种反射镜将在垂直方向，即白板边框宽度的方向产生放大作用，从而进一步对边框宽度进行放大和抑制周边环境干扰。但不利的方面是，对光路的校准需要非常精密。

为了平衡放大效果和光路精度要求，也可以使凸面镜3在垂直方向略外凸，即是一个椭球面反射镜。

本实施例中边框采用了黑色，但也可以是白色或其它颜色或图案的边框，只要能显著区别于手指等触摸白板的物体即可。

在上述实施例中，摄像头1采用两个独立的摄像头，需要用排线连接到图像处理电路2，电路上和结构上仍然不够简化，同时，如果传感器芯片较大，则其垂直方向高度较高。为了进一步简化结构和降低高度，可以将图像传感器6的芯片直接焊接在图像处理电路2的PCB上，镜头5水平放置，然后引入小反射镜7作镜像反射，从而将凸面镜中的虚像成像于图像传感器6。图2是采用这种方案后的前视图。其中小反射镜7是镀反射膜的0.5mm厚玻璃片。这种结构的优点是，电路简洁，没有PCB间的连线，整机高度仅受镜头直径和小反射镜的限制，当采用小直径的镜头时，整机高度可以很小。

图3显示了进一步的优化。图中，两个小反射镜7各自呈45度对称地在同一个图像传感器6上方放置，而两个镜头5在两侧水平放置，这样通过两个凸面镜3反射的图像在图像传感器6的左右两侧同时成像，处理电路仅需处理一个图像传感器信号即可完成坐标计算。这种方案还有一个显著优点：两路图像信号是自然同步的。

实施例2。

本发明的第二个实施例是一种便携式的电子白板装置，图5显示了它安装在白板上边框中部的前视图，图6是这种使用方式的侧视示意图。本实施例用一个图像传感器6与两个镜头5构成两个摄像头，两个镜头指向夹角约呈90度，在其前方有凸面镜3。两个镜头同时将其前方的凸面镜的虚像在同一个图像传感器6的两侧直接成像。在图6中，本装置安装在白板9的上边框的中部，凸面镜3高出白板表面，从而图像传感器的成像是从一定角度俯视白板表面的图像。这样优点是可以避免远处亮光的干扰。凸面镜3可以柱面镜，也可以是椭球面镜，适当设置凸面镜3的方位，可以使白板9表面的任意点都能在凸面镜3上成虚像，从而经过镜头5在图像传感器上成像，进而根据几何关系进行交叉点计算，得到点的坐标数据。本实施例也可以用于安装在白板一角的外侧，工作原理相同。

以上实施例都采用了凸面镜，但实际上两个实施例都可以用凹面镜实现相似的效果。图7显示了实施例1采用凹面镜后与图1的对比关系。图中，10 是一对凹面镜，从图中可以看出，从白板区域各点发出的光线经过凹面镜的反射同样都可以到达摄像头1。采用凹面镜后，也有不同的效果，就是来自白板区域上边远方的光线是经过凹面镜的下方部分反射到达摄像头1的，因此不易被电路2和摄像头1遮挡。这一点可以通过将图1和图7对比明显看出。

由以上分析可见，采用了本发明的技术方案后，本发明的双反射镜交叉定位电子白板装置具有如下有益效果：一、摄像头与处理电路之间靠近，甚至成为一体，因此不存在长距离传输造成的电磁辐射问题，系统可靠性也得到提高。

二、由于不需要长导线和辐射屏蔽处理，安装简单。

三、可以用单图像传感器芯片即可实现交叉定位，电路进一步简化，成本、功耗等降低。

四、两摄像头之间同步问题易于解决，如果采用单传感器方案，则实现自然同步。

五、不需要大视场角的摄像头，采用普通镜头和小面积图像芯片，从而成本降低。

六、由于摄像头视场角小，易于实现高效率带通滤光。

七、通过恰当选择凸面镜形状，可以大大提高图像传感器像素利用率，同时降低环境光干扰，实现边框图像细节检测，提高位置检测精度。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例和附图并不是用来限定本发明，任何熟悉此技艺者，在不脱离本发明之精神和范围内，自当可作各种变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的为准。

Claims (7)

1.一种双反射镜交叉定位电子白板装置，包括两个摄像头、图像处理电路、外壳，每个摄像头均由图像传感器和镜头构成，所述图像传感器连到所述图像处理电路，其特征在于：所述两个摄像头的视场角FOV远小于90度，且安装在外壳的靠近中部的两个对称位置，取景方向对称地朝向两个方向，在每个摄像头的正前方一定距离处设置有一个凸面镜或凹面镜，所述凸面镜或凹面镜的反射面处于摄像头的视场中，所述凸面镜或凹面镜的成像视场角接近或大于90度，所述两个摄像头通过各自对应的凸面镜或凹面镜可以观察到一个共同区域的图像；

所述图像传感器仅有一个，所述图像传感器上设置有两个与图像传感器呈45度角的小反射镜，所述两个镜头水平地置于两侧，所述两个镜头的光轴与所述图像传感器表面平行；所述两个镜头呈约90度夹角，并且同时将其前方的凸面镜或凹面镜的虚像在同一个图像传感器的两侧直接成像。

2.根据权利要求1所述的双反射镜交叉定位电子白板装置，其特征在于：所述两个摄像头内的图像传感器是焊接在所述图像处理电路的电路板上。

3.根据权利要求1所述的双反射镜交叉定位电子白板装置，其特征在于：所述凸面镜或凹面镜是柱面反射镜。

4.根据权利要求1所述的双反射镜交叉定位电子白板装置，其特征在于：所述凸面镜或凹面镜是椭球面反射镜。

5.根据权利要求1至4任一所述的双反射镜交叉定位电子白板装置，其特征在于：在所述两个镜头的光路上设置一窄带带通滤光片。

6.根据权利要求5所述的双反射镜交叉定位电子白板装置，其特征在于：在所述外壳内还设有红外发光二极管。

7.根据权利要求5所述的双反射镜交叉定位电子白板装置，其特征在于：在所述外壳内还设有两个一字形半导体激光器，安装在所述两个镜头旁，照射到所述凸面镜或凹面镜并被水平扩展为90度。