CN106095138B - 一种x形光斑的交点定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种X形光斑的交点定位方法，包括以下步骤：a.获取X形光斑与定位区边界的4个交点的坐标；b.每一个交点坐标采集n帧，对应计算每一个交点坐标的长期变化率△ll和瞬时变化率△ls；c.验证每一个交点坐标的有效性；d.将交点分别作为端点两两相连形成6条线段，计算线段之间夹角得到与X形光斑夹角相符的1个匹配集合；e.对该匹配集合中的2条线段的二维坐标方程式进行亚像素优化得到优化方程式，计算优化方程式的交点坐标，即为X形光斑的中心坐标。本发明的实时性好、精确度高。

Description

一种X形光斑的交点定位方法
技术领域
本发明涉及一种X形光斑的交点定位方法。
背景技术
很多人在将电脑桌面显示到投影荧幕上演示的场合有过以下经历：演示者时而在投影荧幕前通过激光笔指示讲解，时而到电脑前操作鼠标演示。其原因在于激光笔与电脑没有交互，不能实现鼠标的功能。
目前有一种通过摄像头对投影荧幕进行拍摄取得视频流，并进行图像处理识别激光笔光斑，再与电脑交互实现鼠标的功能的系统，其显著限制包括：一、实时性：处理速度的上限无法突破摄像头的拍摄帧率；二、鲁棒性：极端情况不满足图像处理的假定，导致算法失效；三、集成性：传统系统中摄像头必须安装在特定位置，占用空间变大，或者需要额外的标定步骤，操作难度变大。
还有一种用激光直线实现无线鼠标的方法，采用一条水平、一条竖直的激光直线组成一个坐标系，结合一个X 向和Y 方向都装有微型激光感应器的激光接收装置，组成一个可以远距离，精确定位的无线鼠标系统，无需接触屏幕，就可以达到远距离定位的目的。这种方法要求两条激光直线必须在移动中保持水平和竖直状态，现有技术的最佳解决方案就是采用陀螺仪，这会使激光发射装置的结构复杂化；此外，通过陀螺仪调节激光直线状态需要一定的时间，限制了激光接收装置的信号采集速度，进而会影响实时性，而且无法确定激光接收装置所采集信号的有效性，精确度没有保障。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种X形光斑的交点定位方法，可以解决现有用激光直线实现无线鼠标的方法采用一条水平、一条竖直的激光直线组成坐标系，导致激光发射装置结构复杂化，以及实时性差、精确度没有保障的问题。
本发明通过以下技术方案实现：
一种X形光斑的交点定位方法，包括以下步骤：
a. 在定位区边界设置多个光敏传感器，将X形光斑投射在定位区，对多个光敏传感器进行二维坐标标记， X形光斑与定位区边界的4个交点分别触发光敏传感器获得对应的坐标；
b. 每一个交点坐标采集n帧，对应计算每一个交点坐标的长期变化率△ll和瞬时变化率△ls；
c. 根据长期变化率△ll和瞬时变化率△ls验证每一个交点坐标的有效性；
d. 当同一时间的各交点坐标全部验证有效时，将交点分别作为端点，两两相连形成6条线段，将其中端点不重复且覆盖所有端点的2条线段纳入1个集合，形成3个线段集合，分别计算3个线段集合中的2条线段之间夹角，得到与X形光斑夹角相符的1个匹配集合；
e. 对该匹配集合中的2条线段的二维坐标方程式进行亚像素优化得到优化方程式，计算优化方程式的交点坐标，即为X形光斑的中心坐标。
本发明的进一步方案是，还包括步骤f：计算优化方程式与定位区边界的4个优化交点坐标，对4个优化交点坐标记录n帧，对应计算每一个交点坐标的长期变化率△ll和瞬时变化率△ls，再根据长期变化率△ll和瞬时变化率△ls验证每一个交点坐标的有效性，从而判断步骤e得到的X形光斑中心坐标的有效性。
本发明的更进一步方案是，步骤c验证每一个交点的坐标有效性，是先对长期变化率△ll和瞬时变化率△ls进行加权求和，计算瞬时变化率△ls的权重e，再计算最终变化率△l，根据最终变化率△l计算各交点的下一帧预测坐标，将下一帧实际坐标代入以预测坐标为中心、经验参数f为方差的高斯分布计算结果，若结果大于预设值则下一帧实际坐标有效。
本发明与现有技术相比的优点在于：
一、通过线段夹角匹配识别组成X形光斑的两条光线，不受限于光线的水平或竖直状态，简化光线发射装置的结构，而且不会限制传感器的信号采集速度，有效提高实时性；根据长期变化率和瞬时变化率验证坐标的有效性，通过亚像素优化克服传感器分辨率不足以及传感器安装位置的误差，有效提高精确度；
二、将优化方程式与定位区的四个交点坐标采集n帧后计算长期变化率和瞬时变化率验证坐标的有效性，从而验证计算结果的有效性；
三、将实际坐标代入以预测坐标为中心、经验参数f为方差的高斯分布计算结果以判断有效性，可靠度高。
附图说明
图1为本发明的流程图。
图2为获取交点坐标的示意图。
具体实施方式
如图1所示的一种X形光斑的交点定位方法，包括以下步骤：
a. 如图2所示，在矩形的投影荧幕边界设置四组光敏传感器阵列，投影荧幕上方和下方的两组水平的传感器阵列分别包含x个传感器，投影荧幕左方和右方的两组竖直的传感器阵列分别包含y个传感器；将X形光斑投射在投影荧幕上，假设X形光斑与投影荧幕的四条边界分别相交形成4个交点，投影荧幕上方的传感器阵列采集到的一维信号数据为a，投影荧幕左方的传感器阵列采集到的一维信号数据为b，投影荧幕下方的传感器阵列采集到的一维信号数据为c，投影荧幕右方的传感器阵列采集到的一维信号数据为d；设定投影荧幕上方的传感器阵列所采集信号的Y轴方向为0，投影荧幕左方的传感器阵列所采集信号的X轴方向为0，投影荧幕下方的传感器阵列所采集信号的Y轴方向为y，投影荧幕右方的传感器阵列所采集信号的X轴方向为x，则4个交点坐标的二维信号分别为：（a，0）、（0，b）、(c，y)、（x，d）；
b. 每一个交点坐标采集10帧二维信号，记其中的某帧为第i帧，则对应的4个交点坐标的二维信号分别记为：（ai，0）、（0，bi）、(ci，y)、（x，di），其上一帧的二维信号分别记为：（ai-1，0）、(0，bi-1)、(ci-1，y)、(x，di-1)；根据10帧二维信号的平均变化值计算长期变化率△ll=(l10-l1)/9，其中l=a，b，c，d，并计算瞬时变化率△ls=li-li-1，其中l=a，b，c，d；
c. 为了同时刻画X形光斑相应的均匀速度趋势和瞬时速度变化，先对长期变化率△ll和瞬时变化率△ls进行加权求和，根据公式：
，其中l=a，b，c，d；
求得瞬时变化率△ls所占的权重e，瞬时变化率△ls相较于长期变化率差别越大，其所占的权重越高；再计算最终变化率△l=e×△ls+ (1-e)×△ll，其中l=a，b，c，d；
则4个交点的下一帧预测坐标为：
，
，
，
；
4个交点下一帧实际坐标（ai+1，0）、(0，bi+1)、(ci+1，y)、(x，di+1)应该分别满足以预测坐标为中心、经验参数f为方差的高斯分布，其中f取值范围为：3~5；若下一帧实际坐标在该高斯分布中计算得到的结果大于预设值0.5，则确定为有效数据；若确定为无效数据，则重新采集信号；
d. 当同一时间的4个交点坐标全部验证有效时，将（ai+1，0）作为端点A，将(0，bi+1)作为端点B，将(ci+1，y) 作为端点C，将(x，di+1) 作为端点D，两两相连形成6条线段：AB、AC、AD、BC、BD、CD，将其中端点不重复且覆盖所有端点的2条线段纳入1个集合，形成3个线段集合：（AB、CD）、（AC、BD）、（AD、BC），分别计算3个线段集合中的2条线段之间夹角，得到与X形光斑夹角相符的1个匹配集合识别光斑，假设匹配集合为（AB、CD），其中线段AB的二维坐标方程式为：y = Sab * x + Tab，线段CD的二维坐标方程式为：y = Scd * x + Tcd，其中S表示斜率，T表示截距；
e. 对该匹配集合中的2条线段的二维坐标方程式进行亚像素优化得到线段AB的优化方程式：，线段CD的优化方程式：；优化目标函数为：
，
其中斜率S的优化和截距T的优化分开迭代进行，进行斜率S的优化时将截距T固定不变，进行截距T的优化时将斜率S固定不变；进行斜率S的优化时利用奇异值分解保证两条线段的夹角不变；计算优化方程式的交点坐标：，即为X形光斑的中心坐标；
f. 计算优化方程式与定位区边界的4个优化交点坐标，对4个优化交点坐标记录n帧，对应计算每一个交点坐标的长期变化率△ll和瞬时变化率△ls，再根据长期变化率△ll和瞬时变化率△ls验证每一个交点坐标的有效性，从而判断步骤e得到的X形光斑中心坐标的有效性。

Claims (3)

1.一种X形光斑的交点定位方法，其特征在于包括以下步骤：
a.在定位区边界设置多个光敏传感器，将X形光斑投射在定位区，对多个光敏传感器进行二维坐标标记，X形光斑与定位区边界的4个交点分别触发光敏传感器获得对应的坐标；
b.每一个交点坐标采集n帧，对应计算每一个交点坐标的长期变化率△ll和瞬时变化率△ls；
c.根据长期变化率△ll和瞬时变化率△ls验证每一个交点坐标的有效性；
d.当同一时间的各交点坐标全部验证有效时，将交点分别作为端点，两两相连形成6条线段，将其中端点不重复且覆盖所有端点的2条线段纳入1个集合，形成3个线段集合，分别计算3个线段集合中的2条线段之间夹角，得到与X形光斑夹角相符的1个匹配集合；
e.对该匹配集合中的2条线段的二维坐标方程式进行亚像素优化得到优化方程式，计算优化方程式的交点坐标，即为X形光斑的中心坐标。
2.如权利要求1所述的一种X形光斑的交点定位方法，其特征在于，还包括步骤f：计算优化方程式与定位区边界的4个优化交点坐标，对4个优化交点坐标记录n帧，对应计算每一个交点坐标的长期变化率△ll和瞬时变化率△ls，再根据长期变化率△ll和瞬时变化率△ls验证每一个交点坐标的有效性，从而判断步骤e得到的X形光斑中心坐标的有效性。
3.如权利要求1或2所述的一种X形光斑的交点定位方法，其特征在于：步骤c验证每一个交点的坐标有效性，是先计算瞬时变化率△ls的权重e，再对长期变化率△ll和瞬时变化率△ls进行加权求和，求和得到最终变化率△l，根据最终变化率△l计算各交点的下一帧预测坐标，将下一帧实际坐标代入以预测坐标为中心、经验参数f为方差的高斯分布计算结果，若结果大于预设值则下一帧实际坐标有效。
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