CN104575120B - 一种用于辅助教学的展示系统 - Google Patents

一种用于辅助教学的展示系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于辅助教学的展示系统，涉及展示技术设备领域。本发明系统包括数据处理器和图像采集装置。数据处理器装载有软件控制模块、图像处理模块、切换模块、整合模块、保存显示模块；图像采集装置包括摄像头。本发明不仅可展示演示文档，还可展示手写资料及实物等，同时，还可脱离传统的黑/白板对演示文档进行注解和标注，即可以实现“电子白板”功能，通过图像处理模块对展示内容进行图像放大、增强、裁剪等处理后传输到投影仪等显示设备上显示，解决了在白/黑板上书写时遮挡听众视线，或因书写字体/印刷体字体/实物太小时，听众看不到或看不清楚的问题。此外，摄像头拍摄的内容可叠加保存到当前演示文档中，方便以后重复使用。

Description

一种用于辅助教学的展示系统
技术领域
本发明涉及一种多媒体展示系统，具体是一种用于辅助教学的展示系统，该系统可以配合其它演示软件使用，特别是办公自动化软件，是一种辅助演示者进行演示的工具。
背景技术
办公自动化软件是信息加工的工具，是人们产生更高价值信息的一个重要手段。其包括了文字、数据、语言、图像等信息的一体化处理功能。常用的办公软件包括有微软公司开发的Microsoft Office，还包括Lotus公司的Smartsuite以及我国珠海金山软件股份有限公司开发的WPS等。其中，在世界范围内，特别是在中国范围内使用最广泛的是微软公司开发的Microsoft Office，其集成了Word、Excel、Power-point、Access、Outlook、FrontPage功能，可以方便地制作出集文字、图形、图像、声音以及视频剪辑等多媒体元素于一体的具有极强的表现力和感染力的宣传文稿、演讲文稿、幻灯片和投影胶片等；可以制作出动画影片并通过投影机直接投影到荧幕上以产生卡通影片的效果；还可以制作出图形圆滑流畅、文字优美的流程图或规划图。在演讲、报告、教学以及广告演示等场合有很广泛的应用。此外，这些软件易学易用，开发时间少、效率高，适宜开发演示型文稿或课件，尤其受专家学者的欢迎。
但是，现有的办公自动化软件在展示的过程中存在一些不足之处，如只能演示幻灯片的内容，不能展示手写资料以及实物等，除此之外，在使用Power-point等办公自动化软件演讲的过程中，演讲者可能需要用白板笔/粉笔在白/黑板上书写公式、画图等，以对其Power-point中的相关内容进行解释/注解。通常，演讲者需要离开座位才能在白/黑板上进行书写，这样 可能引起听众注意力分散；同时，在白/黑板上进行书写的过程中，可能出现演讲者遮挡书写内容或者由于书写的字体太小时，听众看不到或者看不清楚书写内容的问题。
针对上述问题有人提出了“数字/视频展台”、“电子白板”以及“手稿王”数码笔记本的概念，并设计出了相应的产品。但是，虽然上述产品都有各自的优点，如：“数字/视频展台”综合了展示视频、实物以及展示手写资料的功能，电子白板以及“手稿王”数码笔记本能脱离白/黑板对演示文档进行注解和标注等，一定程度上可以弥补上述不足，但上述产品仍存在一些不足之处，两者各自的不足之处表现如下：
(1)“数字/视频展台”只是简单地综合了展示视频、实物以及展示手写资料的功能，它没有进一步地对所展示的内容进行相关处理，如对展示内容进行校正、按需裁剪、去除背景、保存等。同时，数字/视频展台不能将摄像头所拍摄的内容插入到现有的演示文档中并进行保存，从而不能对演示文档进行注解和标注等，无法实现“电子白板”的功能。此外，现阶段所提出的数字/视频展台系统都较昂贵，对已有了电脑和投影仪等设备的用户来说，再额外购买一台这样的数字/视频展台成本太高。同时，对已熟悉的如Power-point之类的办公自动化软件，若能在现有的电脑和投影机的基础上部分地弥补其不足或实现所需的功能，就会有事半功倍的效果，而不必用另一软件/设备(数字/视频展台)，因为一个人要学习或习惯使用另一软件/设备，需要一个过程和许多的精力。
(2)“电子白板”以及“手稿王”数码笔记本都不能展示书写在纸上的手写体资料，也不能展示印刷体资料以及实物等；在输入文字、公式或者图形时需使用专门的书写工具——电子白板需使用汉王笔或者激光笔等，“手稿王”数码笔记本则需使用专用数码圆珠笔，而所使用的这些专门的书写工具一般都较昂贵；此外，电子白板对其书写内容须进行事先设置(如文字颜色)，一旦书写完成后就不能对其进行修改，同时，若书写内容发生倾斜(不是水平的)或者我们只对部分内容感兴趣，电子白板无法将其校正到水平，也无法对其进行裁减以得到感兴趣区域内容，此外，电子白板 无法将书写的内容或者插入的图像内容透明叠加到背景上进行显示，造成了书写内容或者插入的图像遮挡背景内容的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于辅助教学的展示系统，该系统可以展示手写资料以及实物等，还可以脱离传统的黑/白板对演示文档进行注解和标注，能帮助演讲者更方便有效地展示其演讲内容。
本发明提供的用于辅助教学的展示系统，包括数据处理器和图像采集装置；
图像采集装置用于提取摄像头摄取的数据并生成相应的图像，并将图像数据传输给数据处理器；
数据处理器包括软件控制模块、图像处理模块、切换模块、整合模块和保存显示模块；其中，软件控制模块用于接收用户指令，根据用户指令运用办公自动化软件操作演示文档，并将操作结果传输给整合模块和保存显示模块；该模块还用于向切换模块发送指令和接收切换模块传送来的处理结果；图像处理模块用于接收图像采集装置传送来的图像，同时接收用户指令，按照用户指令对接收的图像进行处理，并将处理后的结果传输给整合模块和保存显示模块；该模块还用于向切换模块发送指令和接收切换模块传送来的处理结果；切换模块用于接收并执行软件控制模块或图像处理模块传送来的指令，并将执行结果分别传送给图像处理模块或软件控制模块；整合模块接收软件控制模块处理后的演示文档和图像处理模块处理后的图像，对二者进行整合，并将整合结果传送给保存显示模块；保存显示模块用于接收软件控制模块、图像处理模块、整合模块的处理结果，将其进行保存，同时提交给用户。
本发明系统只需要在现有的电脑以及投影仪等设备的基础上，以较低的成本增加一个摄像头以及相应的图像处理软件，就可方便地实现现有的 “数字/视频展台”、“电子白板”以及“手稿王”数码笔记本所具有的功能，即不仅可以展示办公自动化软件的各种演示文档，也可以展示摄像头拍摄的手写内容或者印刷体资料或者实物，同时还可以低成本、方便地实现电脑画面和摄像头拍摄画面之间的全屏切换，此时，屏幕充当白/黑板的功能，使得演讲者可以直接在纸上用笔书写公式以及画图等，并将书写内容通过摄像头传输到投影仪等显示设备上显示，既符合人的书写习惯，也不需要演讲者离开座位，不会引起听众注意力分散，更不会出现在白/黑板上书写时的遮挡听众视线的问题；同时，利用图像处理模块对摄像头拍摄的书写内容或者印刷体资料或者实物进行图像放大、增强、裁剪等处理，并将处理后的结果通过摄像头传输到投影仪等显示设备上，解决了上述在白/黑板上进行书写的过程中，可能出现的演讲者遮挡书写内容或者由于书写的字体太小/印刷体字体太小/实物太小时，听众看不到或者看不清楚书写内容/印刷体资料/实物的问题。此外，利用整合模块可以将摄像头拍摄的内容以图像的形式叠加和保存到演示文档中，听众在报告结束后，可以将叠加有摄像头拍摄内容的演示文档直接拷贝，而避免了因在听的过程中记录笔记而造成的注意力分散等问题，而演讲者在下次需要展示相同的手写内容或者印刷体资料或者实物时，可以直接通过保存过的演示文档进行展示，无需再书写一次，也无需再随身携带印刷体资料等待展示的内容，特别当展示内容是重的且不易携带的实物时，尤其方便有效。
附图说明
图1为本发明用于辅助教学的展示系统的结构示意图；
图2为本发明图像采集装置和图像处理模块的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明提供的用于辅助教学的展示系统包括数据处理器1和图像采集装置2。数据处理器1装载有软件控制模块11、图像处理模块12、切换模块13、整合模块14、保存显示模块15，该数据处理器可以是计 算机或其它带显示屏的能够运行上述各模块的数据处理设备。图像采集装置2包括摄像头，摄像头通过数据线与图像处理模块12相连。
图像采集装置2用于提取摄像头摄取的数据并生成相应的图像，并将图像数据传输给图像处理模块12。
数据处理器1中，软件控制模块11用于接收用户指令，根据用户指令运用办公自动化软件操作演示文档，并将操作结果传输给整合模块14和保存显示模块15。此外，该模块还可以向切换模块13发送指令和接收切换模块13传送来的处理结果。
图像处理模块12用于接收图像采集装置2传送来的图像，同时接收用户指令，按照用户指令对接收的图像进行拼接、校正、背景去除、放大、增强、平滑、裁剪、透明化、颜色设置、文字分割和/或存储等一系列操作处理，并将处理后的结果传输给整合模块14和保存显示模块15，此外，该模块还可以向切换模块13发送指令和接收切换模块13传送来的处理结果。
切换模块13用于接收并执行软件控制模块11或图像处理模块12传送来的指令，并将执行结果分别传送给图像处理模块12或软件控制模块11，指令包括从当前画面(如：演示文档画面)到其他画面(如：摄像头拍摄画面)的跳转等。
整合模块14接收软件控制模块11处理后的演示文档和图像处理模块12处理后的图像，对二者进行整合，并将整合结果传送给保存显示模块15。整合模块14可以优选如下方式对图像进行整合：移动图像处理模块12处理后的图像，将其插入叠加到软件控制模块11处理后的演示文档的任意位置，并将插入叠加后的结果保存为一个新的文档。
保存显示模块15用于接收软件控制模块11、图像处理模块12、整合模块14的处理结果，将其进行保存，同时提交给用户。
下面再分别举例对图像采集装置2以及图像处理模块12的具体构成作更详细的描述。
如2所示，图像采集装置2包括支架21、摄像头22、光源23以及载 物台24。图像处理模块12包括图像拼接模块121、图像校正模块122、图像背景去除模块123、图像放大模块124、图像增强模块125、图像平滑模块126、图像裁剪模块127、图像透明处理模块128、图像颜色设置模块129、图像中的文字分割模块130以及图像存储模块131。
支架21用于固定摄像头22，防止拍摄过程中摄像头晃动；摄像头22固定安装在支架21上端的端部，通过数据线与图像处理模块12相连，用于摄取图像并将图像数据传输到图像处理模块12中；外部光源23安装在支架21端部，用于调节摄像头拍摄画面的亮度，以保证拍摄图像的清晰度，根据具体情况也可以不使用外部光源；载物台24设置在支架21底部，位于摄像头22的正下方，用于放置待拍摄手写资料以及实物等，根据具体情况也可以不使用载物台。
图像处理模块12中，图像拼接模块121用于接收图像采集装置2传送来的图像数据并判断接收到的是单幅图像的数据还是多幅图像的数据，针对这两种不同情况做相应处理。若接收的只是单幅图像的数据，则直接将接收到的图像数据传输给图像校正模块122，若接收的是多幅图像的数据，则将这多幅图像合成一张大的宽视角的图像，并将合成后的图像传输给图像校正模块122，图像拼接一般包括拼接预处理、图像配准、图像缝合三个步骤。图像校正模块122用于接收图像拼接模块121传输来的图像，并对该图像进行处理，以消除/减少摄像头拍摄的图像发生的畸变(失真和变形等)，其过程一般包括标定、透视变换和水平调整等，同时，该模块根据用户要求将校正后的图像数据传输给图像背景去除模块123、图像放大模块124、图像增强模块125、图像平滑模块126、图像裁剪模块127、图像透明处理模块128、图像颜色设置模块129、图像中的文字分割模块130和/或图像存储模块131，或者，直接将校正后的图像传输给整合模块14和保存显示模块15。图像背景去除模块123用于分割背景和目标，所用到的方法为阈值分割的方法，其中，阈值分割的方法有很多，主要包括：直接固定阈值法、直方图分割法、最佳阈值(最小误差)方法以及自适应阈值法等。图像放大模块124用于放大图像，所用到的方法有最邻近插值法、双线性 内插值法以及三次卷积法等。图像增强模块125用于调节图像的对比度和增强图像亮度，所用到的方法包括灰度拉伸、直方图均衡化等图像增强方法。图像平滑模块126用于消除噪声，所用到的方法有均值滤波、中值滤波以及高斯滤波等。图像裁剪模块127用于选取感兴趣区域图像，通常可用的方法有：通过几个点选定一个封闭区域，区域内的图像保存显示，而区域外的图像去掉，也可以通过矩形框来选取一个封闭的矩形区域作为感兴趣区域，还可以根据用户需要任意选择感兴趣区域图像。图像透明处理模块128用于将图像的一部分真实地显示在屏幕上，而其余部分则被屏幕的背景所取代，所用到的方法可以是基于透明掩码的方法也可以是基于特殊硬件支持的方法。图像颜色设置模块129用于更改图像颜色，即用新的颜色替换原来的颜色。图像中的文字分割模块130用于将图像中的文字分割开来，其方法为将每个文字作为一个个单独的小图片分割开来，从而可完成对文字的编辑，还可以用到的方法有模式识别中的文字识别等。图像存储模块131用于保存图像到数据库中。
实施例：
下面以Power-point软件为例对本发明的实施作进一步具体的说明，本发明同样适用于word、excel等办公自动化软件。该实施例用户要求在展示Power-point演示文档的过程中，能够从当前正在演示的Power-point演示文档界面(电脑画面)切换到摄像头拍摄画面，通过摄像头拍摄多张图像，图像内容为用户写在纸上的全部或者部分内容，也可以为印刷体资料或者实物，这里以用户手写的内容为例。同时，通过一系列的图像处理方法将摄像头拍摄的多幅图像进行拼接、校正、背景去除、放大、增强、平滑、裁剪、透明处理、颜色设置、分割以及存储等处理，处理后的结果可以单独作为一个Power-point页面，插入保存到当前Power-point文档中，也可以叠加保存到现有的一个Power-point页面上，同时，通过投影仪将其展示给听众。这里，以将处理结果叠加保存到现有的一个Power-point页面上为例进行说明。在此之后，用户可以再切换回之前正在演示的Power-point页面， 继续展示Power-point的内容。上述过程可以重复，功能可以按用户需要选择全部或者部分实现。
如图2所示，利用铝或金属加工支架21，摄像头22和外部光源23固定在支架21的端部，可调焦镜头从支架21的圆孔露出朝向外，外部光源23可根据需要放置在合适的位置。摄像头22连有数据线，数据线的另一端连有USB插头，该USB插头与图像处理模块12相连接，支架21上的载物台24(摄像头镜头的正下方区域)用于放置待展示的手写资料、印刷体资料或者实物。
该系统的工作过程如下：
(1)用户通过软件控制模块打开一个Power-point软件，利用该软件打开一个准备展示的幻灯片，并全屏显示给听众进行演讲；
(2)用户在需要解释幻灯片中的某些内容时，从幻灯片画面(电脑画面)切换到摄像头拍摄画面；
(3)切换到摄像头拍摄画面后，用户通过摄像头对其在纸上写的内容进行图像采集；
(4)对步骤(3)采集到的一系列图像进行处理，如图2所示，该系统中图像处理模块12对图像进行处理的步骤如下：
(4.1)图像拼接模块121根据步骤(3)传输来的多幅图像的图像数据采用如下方法对摄像头拍摄的多幅图像进行拼接，并将结果传送给图像校正模块122，也可以直接将拼接生成的图像传送给整合模块14和保存显示模块15，提交给用户。下面以两幅图的拼接为例来说明拼接流程如下：
(4.1.1)预处理：即原始图像的预先对齐，获得图像的粗略的匹配位置。一般包括如下几个步骤：图像平滑与边缘锐化处理；相位相关算法；灰度图投影算法等；
(4.1.2)图像配准：寻找一个变换，使图像间相互重叠的部分对准，并“缝合”成为一个新的大画面的视图。图像配准可以采用基于特征匹配的算法，也可以采用相位相关和KLT特征跟踪的算法，还可以采用基于光流的运动估计算法等，下面以基于特征匹配的方法来讨论图像配准过程：
(4.1.2.1)采用Harris方法求出图像的特征点，还可以采用SUSAN方法等；
(4.1.2.2)用最小二乘法进行参数估计，从而计算出特征点对；
(4.1.3)图像缝合：采用基于小波域的混合方法进行图像缝合，使得图像与图像的重叠区域能够连续，并且没有可见的缝合线，还可以采用的方法有RANSAC等；
(4.2)图像校正模块122采用如下方法对图像进行校正，并将校正结果图传送给图像背景去除模块123、图像放大模块124、图像增强模块125、图像平滑模块126、图像裁剪模块127、图像透明处理模块128、图像颜色设置模块129、图像中的文字分割模块130和/或图像存储模块131，也可以直接将校正后的图像传输给整合模块14和保存显示模块15。校正的具体步骤如下：
(4.2.1)标定：自动或者手动检测角点来进行标定，自动角点检测可以采用harris角点检测、模板匹配、阈值等多种方法，也可以结合使用其中的几种方法；
(4.2.2)透视变换：根据(4.2.1)的标定结果计算透视变换矩阵，实现透视变换；
(4.2.3)水平调整：对图像进行旋转，使得外极线位于水平方向，同时还可以对图像进行平移变换，改善水平调整后的效果；
(4.3)背景去除模块123使用自适应阈值法分割背景和目标，达到去除背景的目的，并将结果图传送给整合模块14和保存显示模块15，提供给用户；
(4.4)图像放大模块124采用双线性内插值算法对图像进行放大，并将结果图传送给整合模块14和保存显示模块15，提供给用户；
(4 5)图像增强模块125采用线性灰度拉伸方法对亮度/对比度增强，实现图像增强，并将增强后的图像传送给整合模块14和保存显示模块15，提供给用户；
(4.6)图像平滑模块126采用高斯滤波的方法去除噪声，实现图像平 滑并将结果图传送给整合模块14和保存显示模块15，提供给用户；
(4.7)图像裁剪模块127通过矩形框来选取一个封闭的矩形区域作为感兴趣区域，区域内的图像保留显示，区域外的图像去除，并将结果图传送给整合模块14和保存显示模块15，提供给用户；
(4.8)图像透明模块128采用基于透明掩码的方法将图像背景设为透明，并将结果图传送给整合模块14和保存显示模块15，提供给用户；
(4.9)图像颜色设置模块129用新的颜色(如红色)替换原来的颜色(如黑色)，并将结果图传送给整合模块14和保存显示模块15，提供给用户；
(4.10)图像中的文字分割模块130根据每行文字之间存在缝隙、每列文字之间也存在缝隙的特点，采用如下方法将图像中的每个文字作为单独的小图片分割开来，并将结果图传送给整合模块14和保存显示模块15，提供给用户：
(4.10.1)在去除图像背景和图像校正的基础上，将图像二值化，也可以灰度化；
(4.10.2)将图像向水平方向投影，即将笔迹投影到纵轴，根据投影，找出每行文字的起始和终了位置。统计每一个纵坐标位置的灰度值的总和，采用自适应阈值的方法找到每行文字之间的缝隙，达到分割行的目的；
(4.10.3)将图像向竖直方向投影，即将笔迹投影到横轴，根据投影，找出每列文字的起始和终了位置。统计每一个横坐标位置的灰度值的总和，采用自适应阈值的方法找到每列文字之间的缝隙，达到分割列的目的，从而达到分割文字的目的；
(4.11)图像存储模块131将处理后的图像保存到数据库中；
(5)从摄像头拍摄画面切换回之前的Power-point页面(电脑画面)；
(6)整合模块14将步骤(4)处理后的图像插入叠加到步骤(5)中的Power-point的合适位置，并将叠加结果传送给保存显示模块15；
(7)用户切换回Power-point画面继续展示后面的待演示的Power-point内容，重复上述步骤(1)-(6)。

Claims (4)

1.一种用于辅助教学的展示系统，该系统包括数据处理器(1)和图像采集装置(2)，其特征在于：
图像采集装置(2)用于提取摄像头摄取的数据并生成相应的图像，并将图像数据传输给数据处理器(1)；其中，
数据处理器(1)包括软件控制模块(11)、图像处理模块(12)、切换模块(13)、整合模块(14)和保存显示模块(15)；
软件控制模块(11)用于接收用户指令，根据用户指令运用办公自动化软件操作演示文档，并将操作结果传输给整合模块(14)和保存显示模块(15)；该模块还用于向切换模块(13)发送指令和接收切换模块(13)传送来的处理结果；
图像处理模块(12)用于接收图像采集装置(2)传送来的图像，同时接收用户指令，按照用户指令对接收的图像进行处理，并将处理后的结果传输给整合模块(14)和保存显示模块(15)；该模块还用于向切换模块(13)发送指令和接收切换模块(13)传送来的处理结果；
切换模块(13)用于接收并执行软件控制模块(11)或图像处理模块(12)传送来的指令，并将执行结果分别传送给图像处理模块(12)或软件控制模块(11)；
整合模块(14)接收软件控制模块(11)处理后的演示文档和图像处理模块(12)处理后的图像，对二者进行整合，并将整合结果传送给保存显示模块(15)；
保存显示模块(15)用于接收软件控制模块(11)、图像处理模块(12)、整合模块(14)的处理结果，将其进行保存，同时提交给用户。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：整合模块(14)按照下述方式对图像进行整合：移动图像处理模块(12)处理后的图像，将其插入叠加到软件控制模块(11)处理后的演示文档的任意位置，并将插入叠加后的结果保存为一个新的文档。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：图像采集装置(2)包括支架(21)、摄像头(22)、光源(23)以及载物台(24)；摄像头(22)固定安装在支架(21)上部，通过数据线与图像处理模块(12)相连，载物台(24)设置在支架(21)底部，位于摄像头(22)的正下方，光源(23)安装在支架(21)端部。
4.根据权利要求1、2或3所述的系统，其特征在于：图像处理模块(12)包括图像拼接模块(121)、图像校正模块(122)、图像背景去除模块(123)、图像放大模块(124)、图像增强模块(125)、图像平滑模块(126)、图像裁剪模块(127)、图像透明处理模块(128)、图像颜色设置模块(129)、图像中的文字分割模块(130)和图像存储模块(131)中的部分或全部模块；
图像拼接模块(121)用于接收图像采集装置(2)传送来的图像数据并判断接收到的是单幅图像的数据还是多幅图像的数据，针对这两种不同情况做相应处理；若接收的只是单幅图像的数据，则直接将接收到的图像数据传输给图像校正模块(122)，若接收的是多幅图像的数据，则将这多幅图像合成一张大的宽视角的图像，并将合成后的图像传输给图像校正模块(122)；
图像校正模块(122)用于接收图像拼接模块(121)传输来的图像，并对该图像进行处理，以消除/减少摄像头拍摄的图像发生的畸变，该模块根据用户要求将校正后的图像数据传输给图像背景去除模块(123)、图像放大模块(124)、图像增强模块(125)、图像平滑模块(126)、图像裁剪模块(127)、图像透明处理模块(128)、图像颜色设置模块(129)、图像中的文字分割模块(130)和/或图像存储模块(131)，或者，直接将校正后的图像传输给整合模块(14)和保存显示模块(15)；
图像背景去除模块(123)用于分割背景和目标；
图像放大模块(124)用于放大图像；
图像增强模块(125)用于调节图像的对比度和增强图像亮度；
图像平滑模块(126)用于消除噪声；
图像裁剪模块(127)用于选取感兴趣区域图像；
图像透明处理模块(128)用于将图像的一部分真实地显示在屏幕上，而其余部分则被屏幕的背景所取代；
图像颜色设置模块(129)用于更改图像颜色；
图像中的文字分割模块(130)用于将图像中的文字分割开来；
图像存储模块(131)用于保存图像到数据库中。
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