CN105807928A - 一种任意墙面互动系统及其扫描误差处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种任意墙面互动系统及其扫描误差处理方法，其特征在于：包括控制主机，激光传感器，互动显示面，以及控制软件和显示软件，所述控制主机，用于运行控制软件及显示软件，并控制互动面；所述激光传感器，用于感应互动操作，跟踪定位互动点；所述互动显示面，用于显示画面；所述控制软件，包括数据采集、数据滤波、数据通信三大模块；其方法为：首先对零距离值点滤波，使零距离值点滤波成符合其实际情况的距离值点，然后对其进行动态自适应滤波，消除环境感知中的噪声干扰。本发明可对零距离值点，孤立噪声点等各种噪声使用不同滤波，使得人机互动系统变现稳定良好，互动更加精准流畅，达到了很好的多人实时互动效果。

Description

一种任意墙面互动系统及其扫描误差处理方法

技术领域

本发明涉及一种人机互动技术，尤其涉及一种任意墙面互动系统及其扫描误差处理方法。

背景技术

人机互动技术是实现人与机器间的自然互动的技术。随着计算机技术的发展，人机互动显示了其独特的优越性，大大突破了传统的媒体传播与体验方式，其快速发展让多媒体的传播形式逐渐从艺术化走向了技术化与艺术化相互融合、相互衬托的方式。此技术可广泛应用于展会互动、地铁跟踪式广告互动、商业展示互动等相关领域。

在人机互动系统中，互动物体的跟踪定位是其核心问题。如果跟踪定位不精准，则会导致用户互动体验差，甚至是不能互动的情况。在跟踪定位中，有采用电阻式互动技术，其技术原理简单，工艺要求低，价格低廉，但只支持单点互动，且互动面较小；也有采用电容式互动技术，其耐用性好，可靠性高，广泛应用于黑白和彩色LCD显示屏，但对大尺寸互动面也是无能为力；还有采用基于光学的互动技术，其扩展性高，成本低，易搭建，但互动效果不是很理想，对光线环境要求也比较高。

发明内容

本发明目的是提供一种任意墙面互动系统实现的滤波方法，可以在任意大小的屏幕或者投影面上进行互动，并且能够精准定位，变现稳定良好，达到了很好的多人实时互动效果。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种任意墙面互动系统，包括控制主机，激光传感器，互动显示面，以及控制软件和显示软件，其中：

所述控制主机，用于运行控制软件及显示软件，并控制互动面；

所述激光传感器，用于感应互动操作，跟踪定位互动点，为数据采集模块提供原始数据；

所述互动显示面，用于显示画面；

所述控制软件，包括数据采集、数据滤波、数据通信三大模块，用于对互动点进行有效处理并与系统互动；

所述显示软件，用于编辑需显示的互动内容并在互动面上进行显示。

上述技术方案中，所述激光传感器采用飞行时间法进行距离感触，所述飞行时间法为使用所述激光传感器对被测物体发射脉冲，通过确定测量发射信号与接收信号的飞行时间间隔来实现距离测量。

为达到上述目的，本发明采用的方法技术方案是：一种用于任意墙面互动系统的扫描误差处理方法，首先对零距离值点滤波，使零距离值点滤波成符合其实际情况的距离值点，然后对其进行动态自适应滤波，消除环境感知中的噪声干扰。

上述技术方案中，所述零距离值点滤波为，通过同一帧扫描数据中零值点前后相邻的两个距离值点进行滤波处理，如果零值点前后相邻的两个距离值点都不为零，则前后相邻两距离值点的平均值为该零值点的距离值，其它情况，则该零值点不变，其公式表示为：

$l_i=\left\{\begin{array}{cc}(l_{i-1}+l_{i+1})/2,& l_{i-1}\≠0and{l}_{i+1}\≠0\\ 0,& otherwise\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中l_i,表示零值点的距离值。

上述技术方案中，所述动态自适应滤波为，依据感应测得的极坐标值(l_i,j,λ_i,j)，数据分析窗口可设计为：

$\left[\begin{array}{ccc}{l}_{i-1,j-1}& l_{i-1,j}& l_{i-1,j+1}\\ l_{i,j-1}& l_{i,j}& l_{i,j+1}\\ l_{i+1,j-1}& l_{i+1,j}& l_{i+1,j+1}\end{array}\right]---\left(2\right)$

上式中，i表示激光传感器感应测距数据的采样时刻；j指的是一帧数据中测量点的编号；上述数据分析窗口中的9个测量值在空间和时间上有着相关性，定义Δl_min为l_i,j和相邻测量值的差值，如下所示：

Δl_min＝min{|l_t+i,s+j-l_i,j|,t,s＝-1,0,1&t≠0,s＝0&t＝0,s≠0}(3)

如果Δl_min＞δ(l,υ)，则测量值l_i,j就被当作测量噪声而舍去；在动态环境中，受到动态目标运动速度的影响，则邻近差值阈值可设计定义如下：

$\mathrm{\δ}(l,v)=\mathrm{\σ}\left(l\right)+\frac{1}{25}\left|v_{goal}\right|---\left(4\right)$

式中，σ(l)是激光传感器感应测量的标准差，v_goal为动态环境目标的运动速度。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

1.本发明基于二维激光传感器的综合滤波算法与多点互动技术，设计的人机互动系统突破了互动尺寸的限制，可以在任意大小的屏幕或者投影面上进行互动，并且能够精准定位，良好互动；

2.本发明对激光传感器在扫描时产生的位置误差采用综合滤波算法处理，可对零距离值点、孤立噪声点等各种噪声使用不同滤波，通过实验数据的验证，具有良好的实时性和准确性，使得人机互动系统变现稳定良好，互动更加精准流畅，达到了很好的多人实时互动效果。

附图说明

图1是本发明实施例一的系统框架图；

图2是本发明实施例一中单人单点滤波前的效果图；

图3是本发明实施例一中单人单点滤波后的效果图；

图4是本发明实施例一中单人双点滤波前的效果图；

图5是本发明实施例一中单人双点滤波后的效果图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例一：参见图1～5所示，一种任意墙面互动系统，包括控制主机，激光传感器，互动显示面，以及控制软件和显示软件，其中：

所述控制主机，用于运行控制软件及显示软件，并控制互动面；

所述激光传感器，用于感应互动操作，跟踪定位互动点，为数据采集模块提供原始数据；所述激光传感器采用飞行时间法进行距离感触，所述飞行时间法为使用所述激光传感器对被测物体发射脉冲，通过确定测量发射信号与接收信号的飞行时间间隔来实现距离测量；

所述互动显示面，用于显示画面，可以是投影等各种形式；

所述控制软件，包括数据采集、数据滤波、数据通信三大模块，用于对互动点进行有效处理并与系统互动；

所述显示软件，用于编辑需显示的互动内容并在互动面上进行显示。

针对上述系统产生的误差，本发明采用综合滤波的方法消除误差，首先对零距离值点滤波，使零距离值点滤波成符合其实际情况的距离值点，然后对其进行动态自适应滤波，消除环境感知中的噪声干扰。具体如下：

【1】零距离值点滤波

在激光传感器的每一次扫描中，偶尔会有本来应该感应到反射光的地方没有感应到反射光的情况发生，于是激光传感器在这些地方给出零值点来反映并补齐这一数据。但这些零值噪声并不能真实反映实际感应情况，所以针对这种情况，本发明通过同一帧扫描数据中零值点前后相邻的两个距离值点进行滤波处理，如果零值点前后相邻的两个距离值点都不为零，则前后相邻两距离值点的平均值为该零值点的距离值，其它情况，则该零值点不变，其公式表示为：

$l_i=\left\{\begin{array}{cc}(l_{i-1}+l_{i+1})/2,& l_{i-1}\≠0and{l}_{i+1}\≠0\\ 0,& otherwise\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中l_i,表示零值点的距离值。

【2】动态自适应滤波

动态环境在线滤波对达到人机互动系统的实时性尤其重要。激光传感器雷达系统在每个极坐标测量角度方向上相邻时刻的测量值和相邻扫描角度上的测量值均具有较大的关联性。本专利采用在线的动态自适应滤波法(简称DAF，DynamicAdaptiveFilter)消除外界环境噪声扰动。依据感应测得的极坐标值(l_i,j,λ_i,j)，数据分析窗口可设计为：

$\left[\begin{array}{ccc}{l}_{i-1,j-1}& l_{i-1,j}& l_{i-1,j+1}\\ l_{i,j-1}& l_{i,j}& l_{i,j+1}\\ l_{i+1,j-1}& l_{i+1,j}& l_{i+1,j+1}\end{array}\right]---\left(2\right)$

上式中，i表示激光传感器感应测距数据的采样时刻；j指的是一帧数据中测量点的编号；上述数据分析窗口中的9个测量值在空间和时间上有着相关性，定义Δl_min为l_i,j和相邻测量值的差值，如下所示：

Δl_min＝min{|l_t+i,s+j-l_i,j|,t,s＝-1,0,1&t≠0,s＝0&t＝0,s≠0}(3)

如果Δl_min＞δ(l,υ)，则测量值l_i,j就被当作测量噪声而舍去；在动态环境中，受到动态目标运动速度的影响，则邻近差值阈值可设计定义如下：

$\mathrm{\δ}(l,v)=\mathrm{\σ}\left(l\right)+\frac{1}{25}\left|v_{goal}\right|---\left(4\right)$

式中，σ(l)是激光传感器感应测量的标准差，v_goal为动态环境目标的运动速度。

为了对当前时刻的数据进行判别，必须先将当前时刻的测量值置于缓存器中，等待下一时刻的测量数据被接受，才能实现DAF处理。这就会在数据更新上将出现一个周期的延迟，但是这一延迟对系统的影响不大。

上述滤波方法可以有效滤除噪声，运行速度快，提高了互动效果。具体滤波效果如下：

【1】单人单点滤波前后对比

将激光传感器放置于地面上，用户在激光传感器上方用手进行操作。在本实验中使用一根小棒代替用户的手固定于激光传感器上方。在图2中，实体方块代表激光传感器，虚线矩形框代表有效操作区域，只有在其内的点才能进行有效的互动操作。图2为滤波前单人单点的情况，图3为采用本实施例中综合滤波后单人单点的情况。

实验为同一物体在同一位置进行操作，变化的只是滤波算法的加入。从图2中可以看出，单点滤波前有几个孤立噪声点，并且单点抖动噪声大，精度不高。使用本发明提出的综合滤波后，单点更加精准，抖动噪声变小。说明本综合滤波算法对系统是有效果的。

【2】单人双点滤波前后对比

在单人双点实验中，用户在互动屏幕上进行操作。图4为滤波前单人双点的情况，图5为本发明提出的综合滤波后单人双点的情况。

从图4中可以看出，在滤波前，存在噪声且定位不精确。经过本发明滤波后，单人双点情况可用于放大缩小旋转等互动操作，互动效果良好。

Claims (5)

1.一种任意墙面互动系统，其特征在于：包括控制主机，激光传感器，互动显示面，以及控制软件和显示软件，其中：

所述控制主机，用于运行控制软件及显示软件，并控制互动面；

所述激光传感器，用于感应互动操作，跟踪定位互动点，为数据采集模块提供原始数据；

所述互动显示面，用于显示画面；

所述控制软件，包括数据采集、数据滤波、数据通信三大模块，用于对互动点进行有效处理并与系统互动；

所述显示软件，用于编辑需显示的互动内容并在互动面上进行显示。

2.根据权利要求1所述的任意墙面互动系统，其特征在于：所述激光传感器采用飞行时间法进行距离感触，所述飞行时间法为使用所述激光传感器对被测物体发射脉冲，通过确定测量发射信号与接收信号的飞行时间间隔来实现距离测量。

3.一种用于权利要求1所述的互动系统中的扫描误差处理方法，其特征在于：首先对零距离值点滤波，使零距离值点滤波成符合其实际情况的距离值点，然后对其进行动态自适应滤波，消除环境感知中的噪声干扰。

4.根据权利要求3所述的扫描误差处理方法，其特征在于：所述零距离值点滤波为，通过同一帧扫描数据中零值点前后相邻的两个距离值点进行滤波处理，如果零值点前后相邻的两个距离值点都不为零，则前后相邻两距离值点的平均值为该零值点的距离值，其它情况，则该零值点不变，其公式表示为：

$l_i=\left\{\begin{array}{cc}(l_{i-1}+l_{i+1})/2,& l_{i-1}\≠0and{l}_{i+1}\≠0\\ 0,& otherwise\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中l_i,表示零值点的距离值。

5.根据权利要求3所述的扫描误差处理方法，其特征在于：所述动态自适应滤波为，依据感应测得的极坐标值(l_i,j,λ_i,j)，数据分析窗口可设计为：

$\left[\begin{array}{ccc}{l}_{i-1,j-1}& l_{i-1,j}& l_{i-1,j+1}\\ l_{i,j-1}& l_{i,j}& l_{i,j+1}\\ l_{i+1,j-1}& l_{i+1,j}& l_{i+1,j+1}\end{array}\right]---\left(2\right)$

上式中，i表示激光传感器感应测距数据的采样时刻；j指的是一帧数据中测量点的编号；上述数据分析窗口中的9个测量值在空间和时间上有着相关性，定义△l_min为l_i,j和相邻测量值的差值，如下所示：

△l_min＝min{|l_t+i,s+j-l_i,j|,t,s＝-1,0,1&t≠0,s＝0&t＝0,s≠0}(3)

如果△l_min>δ(l,υ)，则测量值l_i,j就被当作测量噪声而舍去；在动态环境中，受到动态目标运动速度的影响，则邻近差值阈值可设计定义如下：

$\mathrm{\δ}(l,v)=\mathrm{\σ}\left(l\right)+\frac{1}{25}\left|v_{goal}\right|---\left(4\right)$

式中，σ(l)是激光传感器感应测量的标准差，v_goal为动态环境目标的运动速度。