CN102799317A - 智能互动投影系统 - Google Patents

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CN102799317A CN201210237810XA CN201210237810A CN102799317A CN 102799317 A CN102799317 A CN 102799317A CN 201210237810X A CN201210237810X A CN 201210237810XA CN 201210237810 A CN201210237810 A CN 201210237810A CN 102799317 A CN102799317 A CN 102799317A
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Abstract

本发明公开了一种智能互动投影系统，包括：一红外摄像机单元，一虚拟互动区域，一投影仪单元，一红外激光发射器单元，一存储单元，一处理单元，有线通信单元及无线通信单元；当虚拟互动区域的任意位置被手指或其他触摸设备“点击”时，红外摄像机单元检测到光场被阻断，通过处理单元识别“点击”事件的位置信息，通过存储单元将红外摄像机单元坐标系下的位置信息映射到虚拟互动区域坐标系下的位置信息，并将“点击”事件转换成对应的触摸事件，通过数据传输单元，传输到移动终端或者电脑中。本发明替代了键盘、鼠标、触摸板等传统的输入设备，增强了系统的便携性，并且实现了单点和多点触摸屏的全部功能。

Description

智能互动投影系统
技术领域
本发明特别涉及一种智能互动投影系统。
背景技术
多点触控互动技术是采用人机交互技术与硬件设备共同实现的技术，能在没有传统输入设备（如：鼠标、键盘等）下进行计算机的人机交互操作。多点触摸互动技术，能构成一个触摸屏（屏幕，桌面，墙壁等）或触控板，都能够同时接受来自屏幕上多个点进行计算机的人机交互操作。
该技术始于1982年由多伦多大学发明的感应食指指压的多点触控屏幕。同年贝尔实验室发表了首份探讨触控技术的学术文献。
1984年，贝尔实验室研制出一种能够以多于一只手控制改变画面的触屏。同时上述于多伦多大学的一组开发人员终止了相关硬件技术的研发，把研发方向转移至软件及界面上。同年，微软开始研究该领域。
1991年Pierre Wellner对多点触控 “数码服务台”，即支持多手指的提案，研制  多点触控出一种名为数码桌面的触屏技术，容许使用者同时以多个指头触控及拉动触屏内的影像。1999年，“约翰埃利亚斯”和“鲁尼韦斯特曼”生产了的多点触控产品包括iGesture板和多点触控键盘。
2006年，纽约大学的Jefferson Y Han教授领导研发的新型触摸屏可由双手同时操作,并且支持多人同时操作。利用该技术，Jefferson Y Han在36英寸×27英寸大小的屏幕上，同时利用多只手指，在屏幕上画出了好几根线条。与普通的触摸屏技术所不同的是，它同时可以有多个触摸热点得到响应，而且响应时间非常短。
现有的多点触控互动产品的解决方案大多采用摄像头图像识别方案和红外光束检测方案。
红外光束检测方案至少存在以下几项缺点：
1、必须在互动触控区域的四周安装合金材质的红外线发射和接收单元的支撑边框60，该边框高度在8mm~12mm左右，因此，只能在特定场合部署，在对互动表面有要求的情况下，无法部署该设备。由于该边框采用合金材质加工，对年纪较小的使用者，会有潜在的危害。
2、由于该装置需要红外发射装置和红外接收装置一一对应，增大了安装调试过程的复杂程度；当互动区域面积较大的时候，需要的红外发射管和红外接收管数量需求过大，长时间使用必定会造成相当程度的电力损耗，若将此设备应用于便携电子设备中且采用蓄电池供电，会对使用者造成相当程度的不便。
摄像头图像识别方案存在以下几个缺点：
1、该方案虽然可以实现实时的触控互动效果，但是设计原理使得该方案需要一个很大的支撑框体260，无法小型化，只能在足够的空间内部署，不便移动。
2、系统对光线要求很严格，不能在较明亮的环境下操作，部署的环境光线不能存在波动，需要在恒定的环境下工作。
发明内容
发明目的：为解决现有的多点触控互动投影系统存在的环境要求高、耗电量大、不便于携带等问题，提供一种智能互动投影系统。
采用的技术方案：提供了一种智能互动投影系统，包括：一红外摄像机单元2，一虚拟互动区域2，一投影仪单元3，一红外激光发射器单元8，一存储单元，一处理单元，有线通信单元及无线通信单元；
定义任意平整物体表面所形成平面1上某个区域为虚拟互动区域2；红外激光发射器单元8部署在平面1上，且贴近平面1，并在平面1的表面形成完全覆盖虚拟互动区域2的红外激光光场；投影仪单元3将影像投射到平面1上，与平面1的垂直距离不高于60cm，且投影仪单元3的投影区域与虚拟互动区域2完全重合，并向虚拟互动区域2投影由移动终端或者电脑输出的画面；红外摄像机单元4安装在投影仪单元3的上方或者下方，且红外摄像机单元4的视场能够覆盖的范围大于虚拟互动区域2，并且有适当余量；
处理单元通过图像处理获得用户“点击”目标的位置，过程如下：
步骤A、背景建模：
定义                                               为红外摄像机单元4采集的第
Figure 201210237810X100002DEST_PATH_IMAGE004
帧图像，累计30帧图像作为背景建模的基础，对上述30帧图像求算数和，即
Figure 201210237810X100002DEST_PATH_IMAGE006
，并求均值
Figure 201210237810X100002DEST_PATH_IMAGE008
，将
Figure 201210237810X100002DEST_PATH_IMAGE010
作为背景模型；
步骤B、前景获取：
将红外摄像机单元4接收到的图像
Figure 201210237810X100002DEST_PATH_IMAGE012
与背景模型
Figure 745609DEST_PATH_IMAGE010
差分运算，获得前景目标
Figure DEST_PATH_IMAGE014
；
步骤C、提取目标质心坐标：
在
Figure DEST_PATH_IMAGE016
图像中，定义第
Figure DEST_PATH_IMAGE018
行第
Figure DEST_PATH_IMAGE020
列的像素值表达式为
Figure DEST_PATH_IMAGE022
，对图像沿
Figure DEST_PATH_IMAGE024
方向和
Figure DEST_PATH_IMAGE026
方向分别求一阶差分，表达式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE030
用上述两个表达式遍历整帧图像之后，即获得图像的边缘，定义边缘上每点在
Figure 543724DEST_PATH_IMAGE024
方向的像素坐标为
Figure DEST_PATH_IMAGE032
，
Figure 420413DEST_PATH_IMAGE026
方向的像素坐标为
Figure DEST_PATH_IMAGE034
，则目标质心的
Figure 118242DEST_PATH_IMAGE024
方向和
Figure 385275DEST_PATH_IMAGE026
方向的坐标表示为：
Figure DEST_PATH_IMAGE036
Figure DEST_PATH_IMAGE038
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE040
表示每个目标轮廓上像素点的个数；
步骤D、目标跟踪：
每个目标对应一个特定的图像帧，因此，定义目标质心坐标的一般形式为
Figure DEST_PATH_IMAGE042
，其中，
Figure 771126DEST_PATH_IMAGE004
为该目标对应的图像帧的序号；将目标质心算法应用于多个图像帧时，获得一系列的
Figure 440005DEST_PATH_IMAGE042
，该
Figure 495686DEST_PATH_IMAGE042
序列即为目标运动轨迹，将一定时间内所有图像帧获得的
Figure 561600DEST_PATH_IMAGE042
按照图像帧的先后顺序存储在队列中，即为目标的运动轨迹，从而实现了对目标的跟踪；
步骤E、用户用手指或者触控笔“单击”虚拟互动区域2产生目标，红外摄像机单元4便采集到图像并通过上述算法进行目标的识别与跟踪，即产生
Figure 564191DEST_PATH_IMAGE042
序列；存储单元用于存储红外摄像机单元图像坐标系6到虚拟互动区域坐标系13的映射关系数据，用户首先在红外摄像机单元4拍摄到的图像中选择虚拟互动区域2的四个边缘点：“左上角点”、“左下角点”、“右上角点”和“右下角点”，分别定义为
Figure DEST_PATH_IMAGE044
、
Figure DEST_PATH_IMAGE046
、
Figure DEST_PATH_IMAGE048
和，定义投影仪单元3与虚拟互动区域2的四个边缘点对应的四个点为
Figure DEST_PATH_IMAGE052
、
Figure DEST_PATH_IMAGE054
、
Figure DEST_PATH_IMAGE056
和
Figure DEST_PATH_IMAGE058
；
定义坐标系变换的变换矩阵为
Figure DEST_PATH_IMAGE060
，结合上述图像中的两组8个边缘点，求解
Figure DEST_PATH_IMAGE062
中的变量：
Figure DEST_PATH_IMAGE064
Figure DEST_PATH_IMAGE066
Figure DEST_PATH_IMAGE068
定义
Figure 274527DEST_PATH_IMAGE002
为红外摄像机单元4采集的第
Figure 438792DEST_PATH_IMAGE004
帧图像，则
Figure DEST_PATH_IMAGE072
即为变换完的图像；将通过矩阵变换的控制信息按照计算机鼠标协议的规范，转换成鼠标协议，传输给计算机实现控制。
其中，所述虚拟互动区域2的平面存在于任一平台上的一个平面，该平台为纸张、硬质平板或软质平板，且该平面作为投影屏幕，通过投影仪单元3投射出移动终端或者电脑输出的图像。
其中，所述虚拟互动区域2的表面最大凹凸不超过2mm。
其中，所述红外激光发射器单元8由两部分组成：850nm的红外激光设备9和“一字线”红外激光透镜10，红外激光设备9的功率根据虚拟互动区域2面积的尺寸在10mW~200mW之间，红外激光设备9和“一字线”红外激光透镜10进行组合，形成“一字线”激光光束。
其中，所述处理单元的图像处理过程主要采用图像二值化、背景移除、空域滤波、图像形态学处理、目标提取操作；红外摄像机单元4实时采集虚拟互动区域2的图像，在没有用户“单击”事件的情况下，不进行处理和发送控制信息，当有用户“单击”事件发生的情况下，红外摄像机单元4拍摄该图像帧，进行以下操作： 
步骤A、背景建模：
定义
Figure 992002DEST_PATH_IMAGE002
为红外摄像机单元4采集的第
Figure 595021DEST_PATH_IMAGE004
帧图像，累计30帧图像作为背景建模的基础，对上述30帧图像求算数和，即
Figure 785962DEST_PATH_IMAGE006
，并求均值
Figure 386708DEST_PATH_IMAGE008
，将
Figure 912367DEST_PATH_IMAGE010
作为背景模型；
步骤B、前景获取：
将红外摄像机单元4接收到的图像
Figure 568345DEST_PATH_IMAGE012
与背景模型
Figure 800744DEST_PATH_IMAGE010
差分运算，获得前景目标
Figure 634707DEST_PATH_IMAGE014
；
步骤C、提取目标质心坐标：
在
Figure 585346DEST_PATH_IMAGE016
图像中，定义第
Figure 280900DEST_PATH_IMAGE018
行第
Figure 633384DEST_PATH_IMAGE020
列的像素值表达式为
Figure 638250DEST_PATH_IMAGE022
，对图像
Figure 76184DEST_PATH_IMAGE016
沿
Figure 762380DEST_PATH_IMAGE024
方向和
Figure 304393DEST_PATH_IMAGE026
方向分别求一阶差分，表达式为：
Figure 417842DEST_PATH_IMAGE028
用上述两个表达式遍历整帧图像之后，即获得图像的边缘，定义边缘上每点在
Figure 629698DEST_PATH_IMAGE024
方向的像素坐标为，方向的像素坐标为
Figure 263439DEST_PATH_IMAGE034
，则目标质心的
Figure 291437DEST_PATH_IMAGE024
方向和
Figure 784604DEST_PATH_IMAGE026
方向的坐标表示为：
Figure 239857DEST_PATH_IMAGE036
其中，
Figure 502528DEST_PATH_IMAGE040
表示每个目标轮廓上像素点的个数；
步骤D、目标跟踪：
每个目标对应一个特定的图像帧，因此，定义目标质心坐标的一般形式为
Figure 804196DEST_PATH_IMAGE042
，其中，
Figure 243399DEST_PATH_IMAGE004
为该目标对应的图像帧的序号；将目标质心算法应用于多个图像帧时，获得一系列的，该
Figure 797057DEST_PATH_IMAGE042
序列即为目标运动轨迹，从而实现了对目标的跟踪；
步骤E、用户用手指或者触控笔“单击”虚拟互动区域2产生目标，红外摄像机单元4便采集到图像并通过上述算法进行目标的识别与跟踪，即产生序列；存储单元用于存储红外摄像机单元图像坐标系6到虚拟互动区域坐标系13的映射关系数据，用户首先在红外摄像机拍摄到的图像中选择虚拟互动区域2的四个边缘点：“左上角点”、“左下角点”、“右上角点”和“右下角点”，分别定义为、
Figure 670707DEST_PATH_IMAGE046
、
Figure 453986DEST_PATH_IMAGE048
和
Figure 464667DEST_PATH_IMAGE050
，定义投影仪单元3与虚拟互动区域2的四个边缘点对应的四个点为
Figure 494940DEST_PATH_IMAGE052
、
Figure 591072DEST_PATH_IMAGE054
、
Figure 614261DEST_PATH_IMAGE056
和
Figure 479449DEST_PATH_IMAGE058
；
定义坐标系变换的变换矩阵为
Figure 680623DEST_PATH_IMAGE060
，结合上述图像中的两组8个边缘点，求解
Figure 264051DEST_PATH_IMAGE062
中的变量：
Figure 621848DEST_PATH_IMAGE068
Figure 754889DEST_PATH_IMAGE070
定义
Figure 808296DEST_PATH_IMAGE002
为摄像机采集的第
Figure 21977DEST_PATH_IMAGE004
帧图像，则
Figure 502637DEST_PATH_IMAGE072
即为变换完的图像；将通过矩阵变换的控制信息按照计算机鼠标协议的规范，转换成鼠标协议，传输给计算机实现控制。
其中，所述存储单元将用户“单击”事件的坐标转换为虚拟互动区域2控制事件的坐标。
其中，所述目标识别操作包括图像中目标坐标确定、目标序号确定、当前帧图像中识别的目标与上一帧图像中目标坐标的对应关系，具体的操作方法为：首先记录上一图像帧中检测到目标的坐标信息，将其按照一定的方式进行存储，进一步记录当前时间状态下，摄像头采集的图像帧中目标的坐标信息，按照上述方式进行存储，在此基础上，通过当前帧和上一帧目标坐标信息的比较，确定其对应关系，即当前帧的某个目标是由上一帧中的某个目标通过运动变化得到的。
其中，红外摄像机单元图像坐标系6下的目标坐标到虚拟互动区域2的控制坐标的转换关系，包括红外摄像机图像坐标系6，虚拟互动区域坐标系13，目标坐标映射；通过上述操作，得到了红外摄像机图像坐标系6下的目标的位置坐标，通过手动设置的方式获得虚拟互动区域2四个角点7在红外摄像机图像坐标系6下的坐标，通过四个角点7建立红外摄像机图像坐标系6和虚拟互动区域坐标系13的映射关系，进一步将目标坐标带入上述关系中，获得虚拟互动区域坐标系13下控制目标的坐标。
有益效果：本发明完全替代了键盘、鼠标、触摸板等传统的输入设备，增强了系统的便携性，并且实现了单点和多点触摸屏的全部功能；本发明可应用于普通手机、智能手机、触摸屏手机、平板电脑、笔记本电脑及台式电脑中，且适用于Windows、MAC、iPhone、iPad、Android、Symbian、Unix和Linux操作系统；用户可以将任意平整表面变成一个输入输出的虚拟互动终端，并通过手指和特定的触摸设备来实现移动终端或电脑操作系统、应用程序及游戏的操作。
附图说明
图1为本发明智能互动投影系统的总体结构图。
图2为本发明智能互动投影系统红外激光设备的结构图。
图3为本发明智能互动投影系统红外激光透镜的结构图。
图4为本发明智能互动投影系统CMOS/CCD图像传感器结构图。
图5为本发明智能互动投影系统红外滤光片的结构图。
图6为本发明智能互动投影系统红外摄像机镜头的结构图。
图7为本发明智能互动投影系统红外摄像机单元、投影仪单元与和虚拟互动区域的位置关系图。
图8为本发明智能互动投影系统互动操作示意图。
图9为本发明智能互动投影系统图像处理与目标检测流程图。
图10为本发明智能互动投影系统目标轨迹跟踪原理图。
图11为本发明智能互动投影系统红外摄像机图像坐标系到虚拟互动坐标系映射图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
附图标识：1-平面，2-虚拟互动区域，3-投影仪单元，4-红外摄像机单元，5-镜头，6-红外摄像机单元图像坐标系，7-角点，8-红外激光发射器单元，9-红外激光设备，10-红外激光透镜，11-CMOS/CCD图像传感器，12-红外滤光片，13-虚拟互动区域坐标系。
本发明的智能互动投影系统，包括：一红外摄像机单元2，一虚拟互动区域2，一投影仪单元3，一红外激光发射器单元8，一存储单元，一处理单元，有线通信单元及无线通信单元；
定义任意平整物体表面所形成平面1上某个区域为虚拟互动区域2；红外激光发射器单元8部署在平面1上，且贴近平面1，并在平面1的表面形成完全覆盖虚拟互动区域2的红外激光光场；投影仪单元3将影像投射到平面1上，与平面1的垂直距离不高于60cm，且投影仪单元3的投影区域与虚拟互动区域2完全重合，并向虚拟互动区域2投影由移动终端或者电脑输出的画面；红外摄像机单元4安装在投影仪单元3的上方或者下方，且红外摄像机单元4的视场能够覆盖的范围大于虚拟互动区域2，并且有适当余量；
处理单元通过图像处理获得用户“点击”目标的位置，过程如下：
步骤A、背景建模：
定义
Figure 873707DEST_PATH_IMAGE002
为红外摄像机单元4采集的第
Figure 527542DEST_PATH_IMAGE004
帧图像，累计30帧图像作为背景建模的基础，对上述30帧图像求算数和，即，并求均值
Figure 450554DEST_PATH_IMAGE008
，将
Figure 292608DEST_PATH_IMAGE010
作为背景模型；
步骤B、前景获取：
将红外摄像机单元4接收到的图像
Figure 687817DEST_PATH_IMAGE012
与背景模型
Figure 315238DEST_PATH_IMAGE010
差分运算，获得前景目标
Figure 137701DEST_PATH_IMAGE014
；
步骤C、提取目标质心坐标：
在
Figure 404734DEST_PATH_IMAGE016
图像中，定义第
Figure 665951DEST_PATH_IMAGE018
行第
Figure 334830DEST_PATH_IMAGE020
列的像素值表达式为，对图像沿方向和
Figure 716822DEST_PATH_IMAGE026
方向分别求一阶差分，表达式为：
Figure 22032DEST_PATH_IMAGE028
Figure 263658DEST_PATH_IMAGE030
用上述两个表达式遍历整帧图像之后，即获得图像的边缘，定义边缘上每点在
Figure 850366DEST_PATH_IMAGE024
方向的像素坐标为，
Figure 829003DEST_PATH_IMAGE026
方向的像素坐标为
Figure 620241DEST_PATH_IMAGE034
，则目标质心的方向和
Figure 10083DEST_PATH_IMAGE026
方向的坐标表示为：
Figure 781730DEST_PATH_IMAGE036
Figure 794685DEST_PATH_IMAGE038
其中，
Figure 677190DEST_PATH_IMAGE040
表示每个目标轮廓上像素点的个数；
步骤D、目标跟踪：
每个目标对应一个特定的图像帧，因此，定义目标质心坐标的一般形式为
Figure 341259DEST_PATH_IMAGE042
，其中，
Figure 346124DEST_PATH_IMAGE004
为该目标对应的图像帧的序号；将目标质心算法应用于多个图像帧时，获得一系列的
Figure 597108DEST_PATH_IMAGE042
，该
Figure 17725DEST_PATH_IMAGE042
序列即为目标运动轨迹，将一定时间内所有图像帧获得的
Figure 552611DEST_PATH_IMAGE042
按照图像帧的先后顺序存储在队列中，即为目标的运动轨迹，从而实现了对目标的跟踪；
步骤E、用户用手指或者触控笔“单击”虚拟互动区域2产生目标，红外摄像机单元4便采集到图像并通过上述算法进行目标的识别与跟踪，即产生
Figure 666061DEST_PATH_IMAGE042
序列；存储单元用于存储红外摄像机单元图像坐标系6到虚拟互动区域坐标系13的映射关系数据，用户首先在红外摄像机单元4拍摄到的图像中选择虚拟互动区域2的四个边缘点：“左上角点”、“左下角点”、“右上角点”和“右下角点”，分别定义为
Figure 902876DEST_PATH_IMAGE044
、
Figure 189501DEST_PATH_IMAGE046
、
Figure 250998DEST_PATH_IMAGE048
和
Figure 348398DEST_PATH_IMAGE050
，定义投影仪单元3与虚拟互动区域2的四个边缘点对应的四个点为
Figure 760925DEST_PATH_IMAGE052
、
Figure 851240DEST_PATH_IMAGE054
、
Figure 32823DEST_PATH_IMAGE056
和
Figure 534080DEST_PATH_IMAGE058
；
定义坐标系变换的变换矩阵为
Figure 433903DEST_PATH_IMAGE060
，结合上述图像中的两组8个边缘点，求解中的变量：
Figure 363999DEST_PATH_IMAGE064
Figure 724573DEST_PATH_IMAGE066
Figure 924742DEST_PATH_IMAGE068
Figure 356860DEST_PATH_IMAGE070
定义
Figure 247456DEST_PATH_IMAGE002
为红外摄像机单元4采集的第帧图像，则即为变换完的图像；将通过矩阵变换的控制信息按照计算机鼠标协议的规范，转换成鼠标协议，传输给计算机实现控制。
所述虚拟互动区域2的平面存在于任一平台上的一个平面，该平台为纸张、硬质平板或软质平板，且该平面作为投影屏幕，通过投影仪单元3投射出移动终端或者电脑输出的图像。
所述虚拟互动区域2的表面最大凹凸不超过2mm。
所述红外激光发射器单元8由两部分组成：850nm的红外激光设备9和“一字线”红外激光透镜10，红外激光设备9的功率根据虚拟互动区域2面积的尺寸在10mW~200mW之间，红外激光设备9和“一字线”红外激光透镜10进行组合，形成“一字线”激光光束。
所述处理单元的图像处理过程主要采用图像二值化、背景移除、空域滤波、图像形态学处理、目标提取操作；红外摄像机单元4实时采集虚拟互动区域2的图像，在没有用户“单击”事件的情况下，不进行处理和发送控制信息，当有用户“单击”事件发生的情况下，红外摄像机单元4拍摄该图像帧，进行以下操作： 
步骤A、背景建模：
定义
Figure 138423DEST_PATH_IMAGE002
为红外摄像机单元4采集的第
Figure 211421DEST_PATH_IMAGE004
帧图像，累计30帧图像作为背景建模的基础，对上述30帧图像求算数和，即
Figure 179377DEST_PATH_IMAGE006
，并求均值
Figure 88558DEST_PATH_IMAGE008
，将
Figure 800163DEST_PATH_IMAGE010
作为背景模型；
步骤B、前景获取：
将红外摄像机单元4接收到的图像
Figure 727667DEST_PATH_IMAGE012
与背景模型
Figure 866525DEST_PATH_IMAGE010
差分运算，获得前景目标；
步骤C、提取目标质心坐标：
在图像中，定义第
Figure 996526DEST_PATH_IMAGE018
行第列的像素值表达式为
Figure 439326DEST_PATH_IMAGE022
，对图像沿方向和
Figure 688539DEST_PATH_IMAGE026
方向分别求一阶差分，表达式为：
Figure 980980DEST_PATH_IMAGE028
Figure 149662DEST_PATH_IMAGE030
用上述两个表达式遍历整帧图像之后，即获得图像的边缘，定义边缘上每点在
Figure 843949DEST_PATH_IMAGE024
方向的像素坐标为
Figure 557827DEST_PATH_IMAGE032
，
Figure 603143DEST_PATH_IMAGE026
方向的像素坐标为
Figure 998352DEST_PATH_IMAGE034
，则目标质心的
Figure 360195DEST_PATH_IMAGE024
方向和
Figure 448236DEST_PATH_IMAGE026
方向的坐标表示为：
Figure 777587DEST_PATH_IMAGE036
Figure 976487DEST_PATH_IMAGE038
其中，
Figure 691371DEST_PATH_IMAGE040
表示每个目标轮廓上像素点的个数；
步骤D、目标跟踪：
每个目标对应一个特定的图像帧，因此，定义目标质心坐标的一般形式为
Figure 950314DEST_PATH_IMAGE042
，其中，
Figure 766960DEST_PATH_IMAGE004
为该目标对应的图像帧的序号；将目标质心算法应用于多个图像帧时，获得一系列的
Figure 503972DEST_PATH_IMAGE042
，该
Figure 840406DEST_PATH_IMAGE042
序列即为目标运动轨迹，从而实现了对目标的跟踪；
步骤E、用户用手指或者触控笔“单击”虚拟互动区域2产生目标，红外摄像机单元4便采集到图像并通过上述算法进行目标的识别与跟踪，即产生
Figure 270251DEST_PATH_IMAGE042
序列；存储单元用于存储红外摄像机单元图像坐标系6到虚拟互动区域坐标系13的映射关系数据，用户首先在红外摄像机拍摄到的图像中选择虚拟互动区域2的四个边缘点：“左上角点”、“左下角点”、“右上角点”和“右下角点”，分别定义为
Figure 246297DEST_PATH_IMAGE044
、、和
Figure 139538DEST_PATH_IMAGE050
，定义投影仪单元3与虚拟互动区域2的四个边缘点对应的四个点为
Figure 868460DEST_PATH_IMAGE052
、
Figure 9591DEST_PATH_IMAGE054
、
Figure 507569DEST_PATH_IMAGE056
和
Figure 889003DEST_PATH_IMAGE058
；
定义坐标系变换的变换矩阵为
，结合上述图像中的两组8个边缘点，求解
Figure 987726DEST_PATH_IMAGE062
中的变量：
Figure 675232DEST_PATH_IMAGE064
Figure 617780DEST_PATH_IMAGE066
Figure 118031DEST_PATH_IMAGE068
Figure 538648DEST_PATH_IMAGE070
定义为摄像机采集的第
Figure 672138DEST_PATH_IMAGE004
帧图像，则
Figure 659685DEST_PATH_IMAGE072
即为变换完的图像；将通过矩阵变换的控制信息按照计算机鼠标协议的规范，转换成鼠标协议，传输给计算机实现控制。
所述存储单元将用户“单击”事件的坐标转换为虚拟互动区域2控制事件的坐标。
所述目标识别操作包括图像中目标坐标确定、目标序号确定、当前帧图像中识别的目标与上一帧图像中目标坐标的对应关系，具体的操作方法为：首先记录上一图像帧中检测到目标的坐标信息，将其按照一定的方式进行存储，进一步记录当前时间状态下，摄像头采集的图像帧中目标的坐标信息，按照上述方式进行存储，在此基础上，通过当前帧和上一帧目标坐标信息的比较，确定其对应关系，即当前帧的某个目标是由上一帧中的某个目标通过运动变化得到的。
红外摄像机单元图像坐标系6下的目标坐标到虚拟互动区域2的控制坐标的转换关系，包括红外摄像机图像坐标系6，虚拟互动区域坐标系13，目标坐标映射；通过上述操作，得到了红外摄像机图像坐标系6下的目标的位置坐标，通过手动设置的方式获得虚拟互动区域2四个角点7在红外摄像机图像坐标系6下的坐标，通过四个角点7建立红外摄像机图像坐标系6和虚拟互动区域坐标系13的映射关系，进一步将目标坐标带入上述关系中，获得虚拟互动区域坐标系13下控制目标的坐标。
当用户手指 “触控”到虚拟互动区域2的时候，用户手指的碰触到虚拟互动区域2的部分，会阻断红外激光发射器单元8发射的“一字线”红外激光光束，并形成反射，在位置形成镜面反射产生的“高亮区域”，通过红外摄像机单元4拍摄这样的图像，经过软件处理，完成互动触控操作。

Claims (8)

1.智能互动投影系统，其特征在于，所述的智能互动投影系统包括：一红外摄像机单元（2），一虚拟互动区域（2），一投影仪单元（3），一红外激光发射器单元（8），一存储单元，一处理单元，有线通信单元及无线通信单元；
定义任意平整物体表面所形成平面（1）上某个区域为虚拟互动区域（2）；红外激光发射器单元（8）部署在平面（1）上，且贴近平面（1），并在平面（1）的表面形成完全覆盖虚拟互动区域（2）的红外激光光场；投影仪单元（3）将影像投射到平面（1）上，与平面（1）的垂直距离不高于60cm，且投影仪单元（3）的投影区域与虚拟互动区域（2）完全重合，并向虚拟互动区域（2）投影由移动终端或者电脑输出的画面；红外摄像机单元（4）安装在投影仪单元（3）的上方或者下方，且红外摄像机单元（4）的视场能够覆盖的范围大于虚拟互动区域（2），并且有适当余量；
处理单元通过图像处理获得用户“点击”目标的位置，过程如下：
步骤A、背景建模：
定义                                                
Figure 79828DEST_PATH_IMAGE001
为红外摄像机单元（4）采集的第帧图像，累计30帧图像作为背景建模的基础，对上述30帧图像求算数和，即
Figure 839023DEST_PATH_IMAGE003
，并求均值
Figure 414492DEST_PATH_IMAGE004
，将
Figure 596075DEST_PATH_IMAGE005
作为背景模型；
步骤B、前景获取：
将红外摄像机单元（4）接收到的图像
Figure 113644DEST_PATH_IMAGE006
与背景模型
Figure 13466DEST_PATH_IMAGE005
差分运算，获得前景目标
Figure 891161DEST_PATH_IMAGE007
；
步骤C、提取目标质心坐标：
在
Figure 927251DEST_PATH_IMAGE008
图像中，定义第
Figure 615721DEST_PATH_IMAGE009
行第
Figure 2840DEST_PATH_IMAGE010
列的像素值表达式为，对图像
Figure 76286DEST_PATH_IMAGE008
沿
Figure 935658DEST_PATH_IMAGE012
方向和
Figure 544494DEST_PATH_IMAGE013
方向分别求一阶差分，表达式为：
Figure 29571DEST_PATH_IMAGE014
Figure 40252DEST_PATH_IMAGE015
用上述两个表达式遍历整帧图像之后，即获得图像的边缘，定义边缘上每点在
Figure 70525DEST_PATH_IMAGE012
方向的像素坐标为
Figure 166657DEST_PATH_IMAGE016
，
Figure 425731DEST_PATH_IMAGE013
方向的像素坐标为
Figure 556498DEST_PATH_IMAGE017
，则目标质心的方向和
Figure 341100DEST_PATH_IMAGE013
方向的坐标表示为：
Figure 902400DEST_PATH_IMAGE018
Figure 887674DEST_PATH_IMAGE019
其中，
Figure 259750DEST_PATH_IMAGE020
表示每个目标轮廓上像素点的个数；
步骤D、目标跟踪：
每个目标对应一个特定的图像帧，因此，定义目标质心坐标的一般形式为
Figure 330474DEST_PATH_IMAGE021
，其中，
Figure 196930DEST_PATH_IMAGE002
为该目标对应的图像帧的序号；将目标质心算法应用于多个图像帧时，获得一系列的
Figure 36710DEST_PATH_IMAGE021
，该
Figure 579687DEST_PATH_IMAGE021
序列即为目标运动轨迹，将一定时间内所有图像帧获得的按照图像帧的先后顺序存储在队列中，即为目标的运动轨迹，从而实现了对目标的跟踪；
步骤E、用户用手指或者触控笔“单击”虚拟互动区域（2）产生目标，红外摄像机单元（4）便采集到图像并通过上述算法进行目标的识别与跟踪，即产生序列；存储单元用于存储红外摄像机单元图像坐标系（6）到虚拟互动区域坐标系（13）的映射关系数据，用户首先在红外摄像机单元（4）拍摄到的图像中选择虚拟互动区域（2）的四个边缘点：“左上角点”、“左下角点”、“右上角点”和“右下角点”，分别定义为
Figure 735096DEST_PATH_IMAGE022
、
Figure 448974DEST_PATH_IMAGE023
、
Figure 494291DEST_PATH_IMAGE024
和
Figure 702549DEST_PATH_IMAGE025
，定义投影仪单元（3）与虚拟互动区域（2）的四个边缘点对应的四个点为
Figure 251342DEST_PATH_IMAGE026
、、和
Figure 975956DEST_PATH_IMAGE029
；
定义坐标系变换的变换矩阵为
Figure 644835DEST_PATH_IMAGE030
，结合上述图像中的两组8个边缘点，求解
Figure 716828DEST_PATH_IMAGE031
中的变量：
Figure 205578DEST_PATH_IMAGE032
Figure 270486DEST_PATH_IMAGE033
Figure 793871DEST_PATH_IMAGE034
Figure 269720DEST_PATH_IMAGE035
定义
Figure 511346DEST_PATH_IMAGE001
为红外摄像机单元（4）采集的第
Figure 114366DEST_PATH_IMAGE002
帧图像，则
Figure 305307DEST_PATH_IMAGE036
即为变换完的图像；将通过矩阵变换的控制信息按照计算机鼠标协议的规范，转换成鼠标协议，传输给计算机实现控制。
2.根据权利要求1所述的智能互动投影系统，其特征在于，所述虚拟互动区域（2）的平面存在于任一平台上的一个平面，该平台为纸张、硬质平板或软质平板，且该平面作为投影屏幕，通过投影仪单元（3）投射出移动终端或者电脑输出的图像。
3.根据权利要求1所述的智能互动投影系统，其特征在于，所述虚拟互动区域（2）的表面最大凹凸不超过2mm。
4.根据权利要求1所述的智能互动投影系统，其特征在于，所述红外激光发射器单元（8）由两部分组成：850nm的红外激光设备（9）和“一字线”红外激光透镜（10），红外激光设备（9）的功率根据虚拟互动区域（2）面积的尺寸在10mW~200mW之间，红外激光设备（9）和“一字线”红外激光透镜（10）进行组合，形成“一字线”激光光束。
5.根据权利要求1所述的智能互动投影系统，其特征在于，所述处理单元的图像处理过程主要采用图像二值化、背景移除、空域滤波、图像形态学处理、目标提取操作；红外摄像机单元（4）实时采集虚拟互动区域（2）的图像，在没有用户“单击”事件的情况下，不进行处理和发送控制信息，当有用户“单击”事件发生的情况下，红外摄像机单元（4）拍摄该图像帧，进行以下操作： 
步骤A、背景建模：
定义
Figure 906052DEST_PATH_IMAGE001
为红外摄像机单元（4）采集的第帧图像，累计30帧图像作为背景建模的基础，对上述30帧图像求算数和，即，并求均值
Figure 274083DEST_PATH_IMAGE004
，将作为背景模型；
步骤B、前景获取：
将红外摄像机单元（4）接收到的图像
Figure 307952DEST_PATH_IMAGE006
与背景模型差分运算，获得前景目标；
步骤C、提取目标质心坐标：
在
Figure 95277DEST_PATH_IMAGE008
图像中，定义第行第
Figure 219408DEST_PATH_IMAGE010
列的像素值表达式为
Figure 488715DEST_PATH_IMAGE011
，对图像
Figure 602165DEST_PATH_IMAGE008
沿
Figure 838980DEST_PATH_IMAGE012
方向和
Figure 63288DEST_PATH_IMAGE013
方向分别求一阶差分，表达式为：
Figure 452681DEST_PATH_IMAGE014
Figure 737032DEST_PATH_IMAGE015
用上述两个表达式遍历整帧图像之后，即获得图像的边缘，定义边缘上每点在
Figure 697028DEST_PATH_IMAGE012
方向的像素坐标为，
Figure 906610DEST_PATH_IMAGE013
方向的像素坐标为
Figure 424179DEST_PATH_IMAGE017
，则目标质心的
Figure 324002DEST_PATH_IMAGE012
方向和
Figure 201697DEST_PATH_IMAGE013
方向的坐标表示为：
Figure 237786DEST_PATH_IMAGE018
Figure 926256DEST_PATH_IMAGE019
其中，
Figure 47796DEST_PATH_IMAGE020
表示每个目标轮廓上像素点的个数；
步骤D、目标跟踪：
每个目标对应一个特定的图像帧，因此，定义目标质心坐标的一般形式为，其中，
Figure 386822DEST_PATH_IMAGE002
为该目标对应的图像帧的序号；将目标质心算法应用于多个图像帧时，获得一系列的，该
Figure 855029DEST_PATH_IMAGE021
序列即为目标运动轨迹，从而实现了对目标的跟踪；
步骤E、用户用手指或者触控笔“单击”虚拟互动区域（2）产生目标，红外摄像机单元（4）便采集到图像并通过上述算法进行目标的识别与跟踪，即产生序列；存储单元用于存储红外摄像机单元图像坐标系（6）到虚拟互动区域坐标系（13）的映射关系数据，用户首先在红外摄像机拍摄到的图像中选择虚拟互动区域（2）的四个边缘点：“左上角点”、“左下角点”、“右上角点”和“右下角点”，分别定义为
Figure 85208DEST_PATH_IMAGE022
、
Figure 53164DEST_PATH_IMAGE023
、
Figure 211613DEST_PATH_IMAGE024
和，定义投影仪单元（3）与虚拟互动区域（2）的四个边缘点对应的四个点为
Figure 867033DEST_PATH_IMAGE026
、
Figure 5891DEST_PATH_IMAGE027
、
Figure 386056DEST_PATH_IMAGE028
和
Figure 901351DEST_PATH_IMAGE029
；
定义坐标系变换的变换矩阵为
Figure 886625DEST_PATH_IMAGE030
，结合上述图像中的两组8个边缘点，求解
Figure 507968DEST_PATH_IMAGE031
中的变量：
Figure 375430DEST_PATH_IMAGE032
Figure 428837DEST_PATH_IMAGE033
Figure 81666DEST_PATH_IMAGE034
Figure 562326DEST_PATH_IMAGE035
定义
Figure 120346DEST_PATH_IMAGE001
为摄像机采集的第
Figure 774181DEST_PATH_IMAGE002
帧图像，则
Figure 734047DEST_PATH_IMAGE036
即为变换完的图像；将通过矩阵变换的控制信息按照计算机鼠标协议的规范，转换成鼠标协议，传输给计算机实现控制。
6.根据权利要求1所述的智能互动投影系统，其特征在于，所述存储单元将用户“单击”事件的坐标转换为虚拟互动区域（2）控制事件的坐标。
7.根据权利要求1所述的智能互动投影系统，其特征在于，所述目标识别操作包括图像中目标坐标确定、目标序号确定、当前帧图像中识别的目标与上一帧图像中目标坐标的对应关系，具体的操作方法为：首先记录上一图像帧中检测到目标的坐标信息，将其按照一定的方式进行存储，进一步记录当前时间状态下，摄像头采集的图像帧中目标的坐标信息，按照上述方式进行存储，在此基础上，通过当前帧和上一帧目标坐标信息的比较，确定其对应关系，即当前帧的某个目标是由上一帧中的某个目标通过运动变化得到的。
8.根据权利要求7所述的智能互动投影系统，其特征在于，红外摄像机单元图像坐标系（6）下的目标坐标到虚拟互动区域（2）的控制坐标的转换关系，包括红外摄像机图像坐标系（6），虚拟互动区域坐标系（13），目标坐标映射；通过上述操作，得到了红外摄像机图像坐标系（6）下的目标的位置坐标，通过手动设置的方式获得虚拟互动区域（2）四个角点（7）在红外摄像机图像坐标系（6）下的坐标，通过四个角点（7）建立红外摄像机图像坐标系（6）和虚拟互动区域坐标系（13）的映射关系，进一步将目标坐标带入上述关系中，获得虚拟互动区域坐标系（13）下控制目标的坐标。
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