CN105786224A - 普适性激光指点仪及操作电脑的方法 - Google Patents

普适性激光指点仪及操作电脑的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种普适性激光指点仪，与投影仪、电脑、投影屏幕配合使用，包括：手持端、图像采集和分析端、USB接收端，本发明还提供一种利用所述指点仪操作电脑的方法，本发明可直接控制投影演示设备，操作者可以通过投影配合手持端简单快捷地直接实现鼠标的功能，成本低廉，无需专用显示屏幕，无需专用的教鞭，硬件上只增加图像采集与分析端、手持端、USB接收端即可，与现有演示设备接口兼容，无须重新布线，直接连上现有的投影设备即可使用，环境适应能力强，通过自动校正、通过图像分析算法来消除显示环境可能对该系统的不良干扰。

Description

普适性激光指点仪及操作电脑的方法
技术领域
本发明涉及智能化人机接口及控制领域，具体涉及一种普适性激光指点仪及利用该指点仪操作电脑的方法。
背景技术
随着电脑投影的快速发展普及，投影仪已成为教学、会议等场合的重要演示设备，其直观的方式大大提高了教学、演讲的效率。但美中不足的是，投影仪只能单向接受PC屏幕显示数据，而不能直接控制PC，要在屏幕上进行标注或书写必须通过鼠标、键盘等输入设备在PC上完成，打断了演讲者/教师的演讲连续性，对演讲效果造成了一定不良影响。
目前在市场上，对投影演示控制设备主要分为直接触控型、压力/磁传感型、红外图像分析型共三类。
①直接触控型
此类设备的实现方法是最简单的，但同时也是成本最高、可维护性最低的一种。直观上理解，这一类设备相当于在现有的大型显示屏上安装了对应大小的触控屏(如电容屏)，对应的系统、软件支持均已非常成熟。但由于其高昂的价格和使用成本，且难以适应人数较多的场合，故此类设备一直难以普及。
②压力/磁传感型
这一类设备通过遍布整个投影面的压力/磁传感器来判断对应的位置，故使用时需要专用的幕布，磁传感还需要专用的教鞭/笔，相对环境要求高，而且受制约(幕布一旦确定无法更改等)，成本也没有到达可大规模普及的水平。
③红外图像分析型
此类产品由两个模块组成，即检测端和手持端。使用时手持端的顶端将发出肉眼不可见的红外光，通过摄像头采集经过滤光片滤除可见光后的图像数据，直接分析出红外光标的位置，进而实现对演示设备的控制。受益其工作方式，这种方案具有最好的兼容性，对投影面的要求几乎为零，具备最易于接收的操控方式，但其在使用前需要手动进行校准，且目前手持端均为教鞭的形式，遇到大屏幕投影时有可能产生操作盲区，仍然不能实现完整的全屏控制，且当投影尺寸大于操作者肢体活动范围一定程度时(比如阶梯教室采用的大而高的幕布)，需要操作者进行较大幅度的肢体活动，操作极为不便。
综上所述，目前已有的演示控制设备均存在一定程度上的不足，成本高、操作不便。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种使演讲者不用回到PC前就可以操作电脑的普适性激光指点仪及利用该指点仪操作电脑的方法。
为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：
一种普适性激光指点仪，与投影仪、电脑、投影屏幕配合使用，所述投影仪用于将电脑显示的信息投影在投影屏幕上，包括：
手持端：用于向投影屏幕发射激光，并在投影屏幕上形成激光点，手持端上集成有按键；
图像采集和分析端：用于捕获投影屏幕的图像，通过图像分析算法找出激光点在投影屏幕上的相对位置；
USB接收端：与图像采集和分析端及手持端无线连接，并插接于电脑上，用于接收来自于图像采集和分析端发送的激光点在投影屏幕上的相对位置信息，并根据相对位置信息将电脑上的光标移动到电脑屏幕的对应位置，同时接收手持端发出的按键操作信息。
作为优选方式，所述图像采集和分析端进一步包括：
图像采集模块：用于捕获投影屏幕上的内容；
图像处理模块：由数字芯片组成，用于对图像采集部分采集回来的图像进行分析，并计算出激光点在投影屏幕上的相对位置；
无线通信模块：用于把处理得出的激光点在投影屏幕上的相对位置信息发到USB接收端。
作为优选方式，对图像采集部分采集回来的图像进行分析的方法包括如下步骤：
(1)设备上电启动，发送信号给USB接收端；
(2)USB接收端收到启动信号后，驱动USB接收端插接的电脑在投影屏幕上显示校准图案进行自动校准；
(3)图像处理模块通过所显示的校准图案进行校准；
(4)图像处理模块校准完成，计算得出当前投影屏幕上的实际显示内容范围，发送校准完成信号到USB接收端；
(5)USB接收端收到命令，驱动停止校准进程，进入正常工作模式；
(6)图像采集模块采集投影屏幕的实时影像，并实时传输到图像处理模块；
(7)图像处理模块：首先将图像采集模块的数据放到读写异步存储器中；然后从读写异步存储器中取出图像数据，并进行相应的图像分析算法，算出激光点的绝对位置后，根据校准得到的投影屏幕上的实际显示内容范围算出激光点在屏幕上的相对位置；
(8)得出相对位置后，图像采集与分析端将相对位置信息发到USB接收端。
作为优选方式，所述的图像分析算法分为三个模块：
亮度分析模块：用于根据所采集的图像的亮度判断激光点的位置；
色彩分析模块：用于激光点特有的外围颜色特征比对判断位置；
运动检测与分析部模块：用于在亮度与色彩基础上根据图像的运动变化情况判断激光点的位置。
作为优选方式，所述的图像分析算法的三个模块进一步为：
亮度分析模块：照射在投影屏幕上的激光点中心亮度会因亮度较高而导致色彩饱和，即导致所有色彩通道均为最大值，故采集的图像中符合圆形分布的色彩饱和区域即为激光点所在区域；
色彩分析模块：照射在投影屏幕上的激光点中心附近色彩不饱和区域有与所使用激光色彩组成一致的色彩组成，故在图像中符合与所使用的激光颜色色彩比例一致而且分布符合圆环形分布的区域即为激光点所在区域；
运动分析模块：在亮度分析、色彩分析的历史数据基础上提取其变化部分，即为激光点所在区域。
作为优选方式，所述步骤(2)中的校准图案是黑白相间的4*4网格图案。这样的图案特征明显，可以在最短时间内根据比例算出对应的实际显示的角度和实际显示的范围。
作为优选方式，手持端上设有两个按键和一个滚轮。
作为优选方式，所述图像采集模块为摄像头。
为实现上述发明目的，本发明还提供一种利用所述的普适性激光指点仪操作电脑的方法，包括如下步骤：
(1)将图像采集与分析端固定于便于采集投影屏幕图像的位置；
(2)将USB接收端连接至为投影仪提供信号的电脑上；
(3)打开手持端开关，指点仪开始自动校准；
(4)自动校准完毕，进入正常工作模式；
(5)手持端所发射激光在投影屏幕上形成的激光点被设为控制电脑上鼠标的位置，此时手持端的按键完全等效于鼠标上的按键，通过手持端的按键直接对电脑进行操作。
本发明通过在投影屏幕上手持端的按键及其发出的激光，配合图像采集和分析端即可完全取代PC鼠标的装置，解决演示过程中的直接操作PC不方便的问题。操作者利用手持端发射激光，在投影屏幕上进行标识，图像采集和分析端通过图像采集模块对投影屏幕区域进行图像采集分析，定位光标位置，并接收手持端发来的按键操作信号，最终组合成为统一的控制信号，采用USB接收端实现与主控PC的连接，将演讲者发出的操作信号传回PC，实现与鼠标完全等效的PC控制。
本发明的有益效果如下：
1，本发明可直接控制投影演示设备，操作者可以通过投影配合手持端(如功能加强、增加与鼠标等效的按键的激光笔)简单快捷地直接实现鼠标的功能(如在屏幕的任意位置单击、双击、拖动等所有鼠标控制PC的基本操作)，而不用回到PC前用鼠标来进行操作，完全模拟鼠标，便于演讲者优雅的进行操作。
2、成本低廉，无需专用显示屏幕，无需专用的教鞭，硬件上只增加一只专用的图像采集与分析模块以及一只手持无线端(例如功能加强、增加与鼠标等效的按键的激光笔)即可。
3、环境适应能力强。通过自动校正、通过图像分析算法来消除显示环境可能对该系统的不良干扰。同时，该系统采用标准接口，无需对现有演示设备进行任何机械改动，就可将本系统有机的集成到现有演示系统中，实现对现有演示系统的升级换代。
附图说明
图1是本发明的系统结构示意图；
其中，1为图像采集和分析端，2为投影仪，3为USB接收端，4为电脑PC，5为手持端，6为投影屏幕。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
一种普适性激光指点仪，与投影仪2、电脑4、投影屏幕6配合使用，所述投影仪2用于将电脑显示的信息投影在投影屏幕上，包括：
手持端5：用于向投影屏幕发射激光，并在投影屏幕上形成激光点，手持端上集成有按键；
图像采集和分析端1：用于捕获投影屏幕的图像，通过图像分析算法找出激光点在投影屏幕上的相对位置；
USB接收端3：与图像采集和分析端及手持端无线连接，并插接于电脑上，用于接收来自于图像采集和分析端发送的激光点在投影屏幕上的相对位置信息，并根据相对位置信息将电脑上的光标移动到电脑屏幕的对应位置，同时接收手持端发出的按键操作信息。
本实施例中手持端5上设有两个按键和一个滚轮，这样便于以和鼠标相同的方式进行操作，在其他实施例中还可以增加一些多媒体控制按键。
具体的，所述图像采集和分析端1进一步包括：
图像采集模块：用于捕获投影屏幕上的内容；本实施例中所述图像采集模块为摄像头。
图像处理模块：由数字芯片组成，用于对图像采集部分采集回来的图像进行分析，并计算出激光点在投影屏幕上的相对位置；本实施例中所述芯片为FPGA可编程逻辑门阵列。
无线通信模块：用于把处理得出的激光点在投影屏幕上的相对位置信息发到USB接收端。
具体的，对图像采集部分采集回来的图像进行分析的方法包括如下步骤：
(1)设备上电启动，发送信号给USB接收端；
(2)USB接收端收到启动信号后，驱动USB接收端插接的电脑在投影屏幕上显示校准图案进行自动校准；本实施例中的校准图案是黑白相间的4*4网格图案。这样的图案特征明显，可以在最短时间内根据比例算出对应的实际显示的角度和实际显示的范围。
(3)图像处理模块通过所显示的校准图案进行校准；
(4)图像处理模块校准完成，计算得出当前投影屏幕上的实际显示内容范围，发送校准完成信号到USB接收端；
(5)USB接收端收到命令，驱动停止校准进程，进入正常工作模式；
(6)图像采集模块采集投影屏幕的实时影像，并实时传输到图像处理模块；
(7)图像处理模块：首先将图像采集模块的数据放到读写异步存储器中；然后从读写异步存储器中取出图像数据，并进行相应的图像分析算法，算出激光点的绝对位置后，根据校准得到的投影屏幕上的实际显示内容范围算出激光点在屏幕上的相对位置；
(8)得出相对位置后，图像采集与分析端将相对位置信息发到USB接收端。
所述的图像分析算法分为三个模块：
亮度分析模块：用于根据所采集的图像的亮度判断激光点的位置；照射在投影屏幕上的激光点中心亮度会因亮度较高而导致色彩饱和，即导致所有色彩通道均为最大值，故采集的图像中符合圆形分布的色彩饱和区域即为激光点所在区域；
色彩分析模块：用于激光点特有的外围颜色特征比对判断位置；照射在投影屏幕上的激光点中心附近色彩不饱和区域有与所使用激光色彩组成一致的色彩组成，故在图像中符合与所使用的激光颜色色彩比例一致而且分布符合圆环形分布的区域即为激光点所在区域；
运动检测与分析模块：用于在亮度与色彩基础上根据图像的运动变化情况判断激光点的位置。在亮度分析、色彩分析的历史数据基础上提取其变化部分，即为激光点所在区域。
本实施例还提供一种利用所述的普适性激光指点仪操作电脑的方法，包括如下步骤：
(1)将图像采集与分析端固定于便于采集投影屏幕图像的位置；
(2)将USB接收端连接至为投影仪提供信号的电脑上；
(3)打开手持端开关，指点仪开始自动校准；
(4)自动校准完毕，进入正常工作模式；
(5)手持端所发射激光在投影屏幕上形成的激光点被设为控制电脑上鼠标的位置，此时手持端的按键完全等效于鼠标上的按键，通过手持端的按键直接对电脑进行操作。
本实施例通过在投影屏幕上手持端的按键及其发出的激光，配合图像采集和分析端即可完全取代PC鼠标的装置，解决演示过程中的直接操作PC不方便的问题。操作者利用手持端发射激光，在投影屏幕上进行标识，图像采集和分析端通过图像采集模块对投影屏幕区域进行图像采集分析，定位光标位置，并接收手持端发来的按键操作信号，最终组合成为统一的控制信号，采用USB接口实现与主控PC的连接，将演讲者发出的操作信号传回PC，实现与鼠标完全等效的PC控制。
本指点仪能够实现一键式自动校准，无需经过人工手动辅助校准。可在现有的演示设备上通过加装少量设备直接实现，无需对现有的设备进行任何修改。使用者可以在远处通过激光进行控制，无需外加特殊光源。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种普适性激光指点仪，与投影仪、电脑、投影屏幕配合使用，所述投影仪用于将电脑显示的信息投影在投影屏幕上，其特征在于，包括：
手持端：用于向投影屏幕发射激光，并在投影屏幕上形成激光点，手持端上集成有按键；
图像采集和分析端：用于捕获投影屏幕的图像，通过图像分析算法找出激光点在投影屏幕上的相对位置；
USB接收端：与图像采集和分析端及手持端无线连接，并插接于电脑上，用于接收来自于图像采集和分析端发送的激光点在投影屏幕上的相对位置信息，并根据相对位置信息将电脑上的光标移动到电脑屏幕的对应位置，同时接收手持端发出的按键操作信息。
2.根据权利要求1所述的普适性激光指点仪，其特征在于，所述图像采集和分析端进一步包括：
图像采集模块：用于捕获投影屏幕上的内容；
图像处理模块：由数字芯片组成，用于对图像采集部分采集回来的图像进行分析，并计算出激光点在投影屏幕上的相对位置；
无线通信模块：用于把处理得出的激光点在投影屏幕上的相对位置信息发到USB接收端。
3.根据权利要求2所述的普适性激光指点仪，其特征在于：对图像采集部分采集回来的图像进行分析的方法包括如下步骤：
(1)设备上电启动，发送信号给USB接收端；
(2)USB接收端收到启动信号后，驱动USB接收端插接的电脑在投影屏幕上显示校准图案进行自动校准；
(3)图像处理模块通过所显示的校准图案进行校准；
(4)图像处理模块校准完成，计算得出当前投影屏幕上的实际显示内容范围，发送校准完成信号到USB接收端；
(5)USB接收端收到命令，驱动停止校准进程，进入正常工作模式；
(6)图像采集模块采集投影屏幕的实时影像，并实时传输到图像处理模块；
(7)图像处理模块：首先将图像采集模块的数据放到读写异步存储器中；然后从读写异步存储器中取出图像数据，并进行相应的图像分析算法，算出激光点的绝对位置后，根据校准得到的投影屏幕上的实际显示内容范围算出激光点在屏幕上的相对位置；
(8)得出相对位置后，图像采集与分析端将相对位置信息发到USB接收端。
4.根据权利要求1所述的普适性激光指点仪，其特征在于：所述的图像分析算法分为三个模块：
亮度分析模块：用于根据所采集的图像的亮度判断激光点的位置；
色彩分析模块：用于激光点特有的外围颜色特征比对判断位置；
运动检测与分析部模块：用于在亮度与色彩基础上根据图像的运动变化情况判断激光点的位置。
5.根据权利要求1所述的普适性激光指点仪，其特征在于：所述的图像分析算法的三个模块进一步为：
亮度分析模块：照射在投影屏幕上的激光点中心亮度会因亮度较高而导致色彩饱和，即导致所有色彩通道均为最大值，故采集的图像中符合圆形分布的色彩饱和区域即为激光点所在区域；
色彩分析模块：照射在投影屏幕上的激光点中心附近色彩不饱和区域有与所使用激光色彩组成一致的色彩组成，故在图像中符合与所使用的激光颜色色彩比例一致而且分布符合圆环形分布的区域即为激光点所在区域；
运动分析模块：在亮度分析、色彩分析的历史数据基础上提取其变化部分，即为激光点所在区域。
6.根据权利要求3所述的普适性激光指点仪，其特征在于：所述步骤(2)中的校准图案是黑白相间的4*4网格图案。
7.根据权利要求1所述的普适性激光指点仪，其特征在于：手持端上设有两个按键和一个滚轮。
8.根据权利要求1所述的普适性激光指点仪，其特征在于：所述图像采集模块为摄像头。
9.利用权利要求1至8任意一项所述的普适性激光指点仪操作电脑的方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)将图像采集与分析端固定于便于采集投影屏幕图像的位置；
(2)将USB接收端连接至为投影仪提供信号的电脑上；
(3)打开手持端开关，指点仪开始自动校准；
(4)自动校准完毕，进入正常工作模式；
(5)手持端所发射激光在投影屏幕上形成的激光点被设为控制电脑上鼠标的位置，此时手持端的按键完全等效于鼠标上的按键，通过手持端的按键直接对电脑进行操作。
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