CN102609152B - 大视场角图像检测电子白板图像采集方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大视场角图像检测电子白板图像采集方法，其包括如下步骤：a、用长焦距的镜头与图像传感器构成小视场角的摄像头；b、用凸面镜或凹面镜置于所述摄像头的镜头前方一定距离，并使其处于所述摄像头的取景范围内；c、选取适当的凸面镜或凹面镜形状参数并调整摄像头和凸面镜或凹面镜的方位和角度，使被摄白板空间通过凸面镜或凹面镜反射成像于摄像头的图像传感器。本发明采用小视场角摄像头实现了大视场角图像采集，避免了边缘亮度衰减；适当设计凸面镜或凹面镜的表面形状，可以实现低畸变，消除梯形失真等问题，还可以对图像进行适当拉伸，从而提高摄像头的像素利用率，最终提高系统的分辨率。

Description

大视场角图像检测电子白板图像采集方法及装置

技术领域

本发明涉及一种采用实时图像检测方法进行笔定位的电子白板系统中的图像采集方法及其装置，特别是在大视场角情况下的图像采集方法和相应的电子白板装置。

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屏幕范围的图像，用信号处理电路实时分析图像信号并提取亮点的位置信息，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。

在此类产品中，目前的图像采集方法是将摄像头直接对准屏幕并覆盖整个屏幕，但随着短焦投影的日益普及，特别是考虑到避免遮挡的需要，摄像头需要尽量接近屏幕。这带来了一个问题，就是摄像头的视场角需要非常大，例如当摄像头处于前上方40cm处采集80寸屏幕图像时，要求镜头视场角大于120度。

目前此类产品已经在应用中，但存在以下问题：一、图像边缘衰减严重，造成边缘灵敏度下降，而提高整体灵敏度又导致抗干扰能力下降。

二、图像边缘畸变大，造成边缘的分辨率迅速下降，造成白板整体分辨率下降。

三、一般此类镜头需要多片透镜构成，成本高，体积大，典型的情况是鱼眼镜头。

四、根据物理光学原理，多层干涉滤光片的滤光特性随光线入射角不同而改变，为了确保不同角度光线的透过，必须增加滤光片透光窗口宽度，这造成系统抗干扰能力下降。因为这个原因，在现有技术中，理论上无法实现高性能的带通滤光。

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避免使用广角镜头而实现大视场角图像检测的电子白板图像采集方法，从而避免现有技术中存在的上述问题，同时还提供采用这种方法实现的电子白板装置。

为了实现本发明的目的，本发明采用的技术方案为：一种大视场角图像检测电子白板图像采集方法，其包括如下步骤：

a、用长焦距的镜头与图像传感器构成小视场角的摄像头；

b、用凸面镜或凹面镜置于所述摄像头的镜头前方一定距离，并使其处于所述摄像头的取景范围内；

c、选取适当的凸面镜或凹面镜形状参数并调整摄像头和凸面镜或凹面镜的方位和角度，使被摄白板空间通过凸面镜或凹面镜反射成像于摄像头的图像传感器。

上述的图像采集方法，其进一步特征在于：采用两个长焦距镜头，使其光轴呈一定角度，每个镜头前方一定距离处有一个凸面镜或凹面镜，使被摄白板空间通过两组凸面镜或凹面镜和镜头同时在同一个图像传感器上成像。

上述的图像采集方法，其进一步特征在于：引入一个或两个小反射镜，设置在紧贴图像传感器表面位置，使透过相应的所述长焦距镜头的光线通过小反射镜反射到所述图像传感器。

上述的图像采集方法，其进一步特征在于：在所述长焦距镜头的前面或后面与光轴垂直设有窄带滤光片。

上述的图像采集方法，其进一步特征在于：通过凸面镜或凹面镜形状的设计实现梯形校正和图像拉伸。

本发明的有益效果：一、采用小视场角摄像头实现了大视场角图像采集，避免了边缘亮度衰减。

二、适当设计凸面镜或凹面镜的表面形状，可以实现低畸变，消除梯形失真等问题，还可以对图像进行适当拉伸，从而提高摄像头的像素利用率，最终提高系统的分辨率。

三、由于入射镜头的光线角度离散小，极大提高了带通滤光效果。

四、相比于采用广角镜头，成本降低。

五、可以实现单图像传感器的多方位交叉图像采集，大大简化电路，减少连线，降低辐射，降低成本，简化安装。

附图说明

图1是本发明实施例1的原理示意框图（侧视图）。

图2是本发明实施例1的原理示意框图（俯视图）。

图3是本发明实施例2的原理示意图。

图4是本发明实施例3的原理示意图。

图5是本发明实施例6的原理示意图。

图6是本发明实施例7的原理示意图。

图7是本发明实施例8的原理示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细阐述。

实施例1。

本实施例的一种大视场角图像检测电子白板图像采集方法，其包括如下步骤：

a、用长焦距的镜头与图像传感器构成小视场角的摄像头；

b、用凸面镜置于所述摄像头的镜头前方一定距离，并使其处于所述摄像头的取景范围内；

c、选取适当的凸面镜形状参数并调整摄像头和凸面镜的方位和角度，使被摄白板空间通过凸面镜反射成像于摄像头的图像传感器。如图1、图2所示。图1、图2说明了方法的基本应用，图1是侧视图，图2是俯视图。其中：图像传感器1，镜头2，凸面镜3，白板4，镜头２是长焦距的镜头，它与图像传感器共同构成了小视场角的摄像头５。白板指普通白板，或平板显示器，或投影屏幕。凸面镜是类似于汽车后视镜的球面镜，或椭球面镜，或其它表面形状的凸面镜，其表面是镜面反光的。图像传感器一般是CMOS 或CCD 图像传感器。从图中看出，如果用普通方法，将摄像头放在凸面镜处直接采集屏幕图像，则需要很大的视场角才能覆盖白板4，特别是横向视场角。而采用了本发明的方法后，则摄像头仅仅需较小的视场角覆盖凸面镜即可，通过对凸面镜拍摄即可采集白板4的图像。

实施例2。

如图3所示，本实施例的原理示意图。大视场角图像检测电子白板图像采集方法，采用两个长焦距镜头，使其光轴呈一定角度，每个镜头前方一定距离处有一个凸面镜，使被摄白板空间通过两组凸面镜和镜头同时在同一个图像传感器上成像。

虽然目前大部分相关产品采用单个摄像头进行图像采集而实现电子白板，但也有的技术方案中需要两个摄像头从不同方向进行图像采集，用交叉计算的方式得到坐标信息。通常采用两个摄像头，分开一定距离，并对同一白板空间进行图像采集，但这种方式存在以下问题：１、两个数字摄像头的接入增加了大量的数据和控制引线，导致电路复杂；２、摄像头之间有距离，高频信号长距离连接到电路板，导致电磁辐射的问题；３、两摄像头间需要进行同步。而在采用了本发明的方法后，由于镜头的焦距较长，所以根据几何光学的一般原理，镜头底部距离传感器的距离也较大，在此条件下，可以将两个镜头同时在一个图像传感器上进行成像，如上图。举例来说，如果镜头２的焦距为１６ｍｍ，则底部一般距离靶面约１２ｍｍ以上，如果镜头直径为１２ｍｍ，这样可以实现如图所示的位置关系而实现两个镜头的成像在图像传感器的两侧。其优点是明显的，完全解决了上述两个摄像头存在的问题。图中，从白板上部俯视，由于两个镜头光轴之间的夹角约为６０度。这样，当凸面镜距离镜头有一定距离时，两个凸面镜之间有一定的距离。适当调整两凸面镜的角度，可以将白板４同时经过两个凸面镜反射在图像传感器１上分别成像，其效果相当于两个摄像头在两个凸面镜３处进行拍摄。

实施例3。

如图4所示，本实施例的原理示意图。本实施例的大视场角图像检测电子白板图像采集方法，引入一个或两个小反射镜，设置在紧贴图像传感器表面位置，使相应的所述长焦距镜头的光线通过小反射镜反射到所述图像传感器。在上一实施例的图3所示的情况中，为了实现两个凸面镜之间的较大距离，需要两个镜头光轴夹角较大，但如果两个镜头光轴夹角过大，则两者的光线都会较大倾斜地照射到传感器１的表面，这是不利的。为了解决这一个问题，可以如图4一样，使图像传感器与其中一个镜头的光轴基本垂直，而通过反射镜６将另一路光线进行镜像反射，从而得到两路光线都接近垂直入射的效果。

进一步，如果采用两个小反射镜呈90度分别朝向两侧，则可以实现两镜头2分别指向两侧，即夹角为180度，在某些应用中是有意义的。

上述实施例中都采用了凸面镜，但如果采用凹面镜，也可以实现类似效果。

实施例4。

本实施例的大视场角图像检测电子白板图像采集方法，在所述长焦距镜头的前面或后面与光轴垂直设有窄带滤光片。由于采用了本发明的上述方法，通过凸面镜或凹面镜反射而入射镜头的光线角度偏差很小，因此基本没有上面所述的干涉滤光片透光窗口偏移问题，这样就可以采用与光源特性相匹配的窄带滤光片进行高效率的滤光，从而实现高的信噪比。

实施例5。

本实施例的大视场角图像检测电子白板图像采集方法，通过凸面镜或凹面镜形状的设计实现梯形校正和图像拉伸。在目前大角度近距离的电子白板应用中，摄像头一般处于屏幕的上方近处，因此从摄像头观察到的屏幕图像是一个压缩的梯形，其上边很长而底边很短，且纵向被严重压缩。因此在现有技术中，图像传感器的像素利用率很低，必然降低了系统的分辨率。而采用了本发明的方案后，可以通过设计所述凸面镜或凹面镜的形状，如采用椭球面或锥状面，实现纵向的拉伸或一定程度的梯形校正，这对提高系统分辨率是非常有利的。

实施例6。

应用上述方法，可以实现具有交互白板功能的短焦投影机，如图5所示。图5是这种投影机在应用中侧视图，图中6是一个短焦投影机的机身，它的投影范围处于白板4以内，5 是一个长焦距小视场角的摄像头，3是一个凸面镜，摄像头5连到图像处理电路７，其上有接口可以连接计算机。其中凸面镜的反射面对着投影方向，同时处于摄像头5的取景范围内。摄像头5通过凸面镜3的反射可以捕捉整个投影区域的图像。这样当光笔出现在白板4上，摄像头5可以采集到其图像，并通过处理电路7计算出笔的坐标。其中凸面镜3可以是一个球面镜，但为了进行适当的梯形校正等图像变换，其表面也可以是椭球面或锥面，或者其他形状的表面。

实施例7。

本实施例与实施例6相似，所不同的是采用了凹面镜11替代凸面镜3，如图6所示。从图中可以看出，其同样可以达到用小视场角的摄像头采集大范围图像的目的，但有其优点，就是投影机外壳上需要的透明窗口大大减小。这对实际产品设计是有益的。

实施例8。

应用上述方法，可以实现一种交互白板接收器，如图7所示。这是一种采用图像检测进行笔迹跟踪的交互白板接收器。与现有技术相同，有一个摄像头5和图像处理电路7，安装在外壳9内。所不同的是，引入了一个凸面反射镜3，摄像头5是一个长焦距小视场角的摄像头，它对着凸面镜3，并通过3对白板空间进行图像采集。为了调整接收仰角，凸面镜3可以围绕转轴10进行旋转。另外，可以引入激光器8，它是可见光半导体激光器，靠近摄像头5安装，其光束经过凸面镜3反射而照射到屏幕的特定位置，比如屏幕中心或上下边缘中心位置，用于指示摄像头采集图像的范围。所述的激光器8 也可以有两个，分别照射到屏幕的两个特定位置，比如两角，这样可以更明确地指示图像采集范围。另外，为了实现非发光笔位置跟踪，还可以引入照明用的红外LED，其光线经过凸面镜3反射或直接照射到屏幕。摄像头5采用了较长焦距的镜头，其视场角小于４５度。在其前面或后面安装有带通滤光片，用于提高光信噪比。

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 (4)

1.一种大视场角图像检测电子白板图像采集方法，其特征在于，其包括如下步骤：

a、用长焦距的镜头与图像传感器构成小视场角的摄像头；

b、用凸面镜或凹面镜置于所述摄像头的镜头前方一定距离，并使其处于所述摄像头的取景范围内；

c、设计适当的凸面镜或凹面镜形状并调整摄像头和凸面镜或凹面镜的方位和角度，使被摄白板空间通过所述凸面镜或凹面镜反射成像于摄像头的图像传感器，并实现梯形校正和图像拉伸；

采用两个长焦距镜头，使其光轴呈一定角度，每个镜头前方一定距离处有一个凸面镜或凹面镜，使被摄白板空间通过两组凸面镜或凹面镜和镜头同时在同一个图像传感器的不同区域成像；引入一个或两个小反射镜，设置在紧贴图像传感器表面位置，使相应的所述长焦距镜头的光线通过小反射镜反射到所述图像传感器；

在所述长焦距镜头的前面或后面与光轴垂直设有窄带滤光片。

2.一种大视场角图像检测电子白板装置，包括摄像头、图像处理电路，它们安装在一个外壳内，所述摄像头连到图像处理电路，其特征在于：所述摄像头的视场角小于45度，在所述摄像头前还有椭球面镜或锥面镜，它位于由所述摄像头的取景范围内；所述的椭球面镜或锥面镜绕一个转轴旋转；有一个或两个半导体可见光激光器装在所述摄像头附近，并且其光束照射到所述椭球面镜或锥面镜。

3.一种具有电子白板功能的投影机，包括外壳、光机、摄像头、图像处理电路，摄像头连到图像处理电路，图像处理电路含有计算机接口，其特征在于：在所述摄像头的前方设置有一个凹面镜，其镜面朝向所述投影机的投影方向，并处于所述摄像头的取景范围内，摄像头通过所述凹面镜的反射采集到投影机的全部投射范围。

4.一种具有电子白板功能的投影机，包括外壳、光机、摄像头、图像处理电路，摄像头连到图像处理电路，图像处理电路含有计算机接口，其特征在于：在所述摄像头的前方设置有一个椭球面镜或锥面镜，其镜面朝向所述投影机的投影方向，并处于所述摄像头的取景范围内，摄像头通过所述椭球面镜或锥面镜的反射采集到投影机的全部投射范围。