CN107024678A - 一种指示光斑二维定位方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种指示光斑二维定位方法及系统，其利用激光器发出光强受调制的激光，并投射于屏幕之上而形成指示光斑；光斑所在区域，因受到调制光照射，将由于光声效应而激发产生声波；所述声波的一部分将以光斑为中心向定位介质四周传播；被分布在定位介质边缘的多个声波传感器接收；利用微处理器根据声波到达各声波传感器所用的时间，并结合各声波传感器在屏幕四周的位置等信息，计算得到指示光斑在该屏幕上的二维位置。本发明所述的定位方法能够准确检测并给出指示光斑在屏幕上二维位置，对于实现人与大型显示设备间的交互具有深远意义。

Description

一种指示光斑二维定位方法及系统
技术领域
本发明涉及激光定位技术领域，具体说是涉及一种指示光斑二维定位方法及系统。
背景技术
实现在交互界面上精确定位某个可以人为控制的特定点是实现人机交互的关键技术，目前应用较为成熟技术应用主要包括鼠标、触摸板、触摸屏等。
鼠标是使用最为广泛的应用，其通过微成像器检测鼠标位移量，并将位移信号转换为电脉冲信号，再通过程序的处理和转换来控制屏幕上的光标移动量。该技术的关键在于检测鼠标的位移量，因此通常需要配合一个平坦的鼠标垫以便于微成像器完成多帧图像之间的对比，对使用环境提出了一定要求。
触摸板多用于便携设备(如笔记本电脑等)之上，其借由电容感应来获知手指移动情况，进而来控制屏幕上的光标移动量。该技术同样是通过检测位移量来控制屏幕上光标的移动量，并非直接获取屏幕上特定点的二维位置，因此在使用中仍然存在一些不便之处。
目前在移动设备中最常见的技术是采用触摸屏，其通过电阻或电容网络直接检测屏幕上被触发点的二维位置，因此操控起来最为直接和方便。不过其需要近距离接触形成触发点才能实现位置检测，因此对于较大尺寸的屏幕(如投影屏幕等)通常只能使用激光笔进行指示，而不能实现人机之间的交互。
指示光斑常被用于指示较大尺寸屏幕上某个特定点，因而直接定位指示光斑在屏幕上的二维位置，是该领域内实现人机交互的关键。目前可用的光斑位置检测方法一般是借助光电位置探测器，主要包括：位置敏感探测器(PSD)，电荷耦合器件(CCD)和四象限探测器(QD)。通常需要借助于透镜组将远处屏幕上的指示光斑成像在光电位置探测器的感光面上，并通过检测光斑在感光面上的位置，结合探测器与屏幕的相对位置等信息，推算光斑在屏幕上的位置。该方法实现起来较为复杂，尤其是在不同场合下获知探测器与屏幕的相对位置难度较大，可移植性不佳。因此该方法常用于实现对光斑的定向跟踪，而不适合确定指示光斑在屏幕上的二维位置。
综上所述，现有光斑定位方法存在方案复杂、可推广性欠佳等弊端，因此亟需通过技术革新，提出一种能够准确检测指示光斑在屏幕上二维位置的便捷方法，以实现人与大型显示设备间直接交互功能。
发明内容
鉴于已有技术存在的不足，本发明的目的是要提供
一种能够准确检测指示光斑在屏幕上二维位置的方法及系统。
为了实现上述目的，本发明技术方案如下：
一种指示光斑二维定位方法，其特征在于，其步骤包括：
S1在指示光待投射区域覆盖定位介质，用以承接指示光斑；
S2在所述定位介质边缘布置若干声波接收装置；
S3利用激光发射装置将调制激光作为指示光投射于定位介质上形成指示光斑，所述指示光斑所在定位介质处因受到调制激光照射，而激发产生声波信号；
S4通过分布在所述定位介质边缘的各声波接收装置接收以指示光斑为中心沿定位介质向四周传播的声波信号；
S5根据声波到达各声波接收装置所用的时间，并结合各声波接收装置相对于所述定位介质的位置信息，计算指示光斑在该定位介质上的二维位置。
进一步地，所述定位介质表面附有能增强对特定波长指示光吸收效果的涂层，使所述定位介质表面在吸收指示光的能量后于指示光斑位置局部升温并产生热弹性膨胀，进而激发与指示光强度变化趋势一致的脉冲式声波信号。
进一步地，所述定位介质为均匀材料且对声波传导表现为各向同性，以确保声波沿所述定位介质各方向传播速度相同。
本发明的另一目的，是要提供一种指示光斑二维定位系统，其特征在于，所述系统包括：
用以发送激光并同时发送标定激光产生时间标签的激光投射单元；
用以承接指示光斑，且其表面施加有能够增强其对特定波长激光吸收效果的涂层的定位介质，所述定位介质表面吸收激光的能量后于指示光斑位置发生局部升温，并产生热弹性膨胀，进而激发与激光强度变化趋势一致的脉冲式声波；
若干设置于定位介质边缘，接收沿定位介质传播的声波信号并将声波信号转换为脉冲式周期性变化的电信号的声波传感器；
用于接收脉冲式电信号和时间标签，并综合各声波传感器在定位介质边缘的位置信息，计算得到指示光斑相对于定位介质的二维位置的微处理单元，所述微处理单元还将得到的位置信息传送至上层设备，以实现人机互动。
进一步地，所述激光投射单元包括光源模块、调制模块、无线通讯模块以及电源模块；
所述光源模块采用小型高效率的半导体激光器发送指示光；
所述调制模块与所述光源模块连接，将指示光调制为强度呈脉冲式周期性变化的调制激光；
所述无线通讯模块向微处理器发送时间标签以标识每个脉冲激光产生的时间。
进一步地，所述定位介质边缘处设置吸声结构，以减小声声波信号到达边缘后产生的反射，进一步提高所述声波接收单元所接收声波信号的信噪比。
进一步地，所述微处理器对脉冲式电信号进行处理，并参考接收到的脉冲激光产生的时间标签，判别脉冲声波到达各声波传感器所用的时间；
所述微处理器还通过增加一定时间内脉冲式电信号的处理次数，提高判别脉冲声波到达各声波传感器所用时间的准确性。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
(1)本发明能够利用指示光在定位介质上形成的投射点进行位置检测，相对于现有触摸屏技术中要求近距离接触以形成触发点的方案相比，其更适合在较大尺寸屏幕(如投影屏幕等)上实现人机交互。
(2)本发明能够直接给出指示光在屏幕上所形成投射光斑的二维位置，相对于鼠标、触摸板技术中对移动量的检测，能够更加直观地输出特定点与定位介质之间的相对关系。
(3)本发明通过光声效应产生的声波来确定指示光斑的二维位置，其相对于借助透镜组将光斑成像于光电位置探测器进行检测的方法实现起来结构更为简单，克服了不同场合下获知探测器与屏幕相对位置困难的弊端。
附图说明
图1为本发明指示光斑二维定位方法流程图；
图2为本发明指示光斑二维定位系统结构图；
图3为本发明声波信号沿定位介质传播示意图；
图4为本发明求解光斑位置的几何关系图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明公开了一种能够快速实现指示光斑二维定位方法，下面结合附图以及具体实施例进一步说明本发明的技术方案：
如图1所示的一种指示光斑二维定位方法，其特征在于，其步骤包括：
S1在指示光待投射区域覆盖定位介质，用以承接指示光斑；所述定位介质表面附有能增强对特定波长指示光吸收效果的涂层，使所述定位介质表面在吸收指示光的能量后于指示光斑位置局部升温并产生热弹性膨胀，进而激发与指示光强度变化趋势一致的脉冲式声波信号。定位介质为均匀材料且对声波传导表现为各向同性，以确保声波沿所述定位介质各方向传播速度相同。
S2在所述定位介质边缘布置若干声波接收装置；
S3利用激光发射装置将调制激光投射于定位介质上形成指示光斑，所述指示光斑所在定位介质处因受到调制激光照射，而激发产生声波信号；
S4通过分布在所述定位介质边缘的各声波接收装置接收以指示光斑为中心沿定位介质向四周传播的声波信号；
S5根据声波到达各声波接收装置所用的时间，并结合各声波接收装置相对于所述定位介质的位置信息，计算指示光斑在该定位介质上的二维位置。
同时，本发明还提供了一种指示光斑二维定位系统，其特征在于，系统包括：
激光投射单元，所述激光投射单元用以发送激光并发送标定激光产生的时间标签。所述激光投射单元包括光源模块、调制模块、无线通讯模块以及电源模块。做为本发明的较佳实施方案，所述光源模块采用小型高效率的半导体激光器发送指示光；所述调制模块与所述光源模块连接，将指示光调制为强度呈脉冲式周期性变化的调制激光；所述无线通讯模块向微处理器发送时间标签以标识每个脉冲激光产生的时间。
定位介质，所述定位介质承接指示光斑，且其表面施加有能够增强其对特定波长激光吸收效果的涂层，所述定位介质表面吸收激光的能量后于指示光斑位置发生局部升温，并产生热弹性膨胀，进而激发与激光强度变化趋势一致的脉冲式声波。做为本发明的较佳实施发方案，所述定位介质边缘处设置吸声结构，以减小声声波信号到达边缘后产生的反射，进一步提高所述声波接收单元所接收声波信号的信噪比。
声波接收单元，所述声波接收单元包括若干设置于定位介质边缘的声波传感器，所述声波传器接收沿定位介质传播的声波信号，并将声波信号转换为脉冲式周期性变化的电信号信号。
微处理单元，所述微处理单元根据接收到的脉冲式电信号和时间标签，综合各声波传感器在定位介质边缘的位置信息，计算得到指示光斑相对于定位介质的二维位置，并将得到的位置信息传送至上层设备，以实现人机互动。所述微处理器对接收到的脉冲式电信号进行处理，并参考接收到的脉冲激光产生的时间标签，判别脉冲声波到达各声波传感器所用的时间；所述微处理器还通过增加一定时间内脉冲式电信号的处理次数，提高判别脉冲声波到达各声波传感器所用时间的准确性。
下面结合具体实施例进一步阐述本发明的技术方案。如图2所示，为本发明指示光斑二维定位系统的优选实施例。
本实施例中激光投射单元采用一个集成有激光器、调制器、无线通讯模块、电源模块等组件的手柄，便于使用者手持并控制指示激光投射方向，使光强受调制的指示光投射于前方屏幕的特定位置形成光斑。作为优选实施方案，采用小型高效率的半导体激光器等作为指示光源发射指示光，并且在激光器前端设置透镜组对其发射的指示光进行准直，以保证指示光在投射至较远处屏幕上时仍然能够形成较小的光斑。采用光调制技术对指示激光进行光强调制，其中较为简单的方法是进行直接调制，即通过调制激光器的供电电流改变其发光强度。也可进行电光调制，即在激光器的腔内或腔外增加电光晶体，通过调制电光晶体上的电压改变激光器的发光强度。经调制后的激光为脉冲形式并呈周期性变化。同时利用无线通讯模块向微处理器发送出时间标签，以标识每个脉冲激光产生的时间。
本实施例中定位介质为声波传导各向同性的均匀材料制成的投影屏幕，在屏幕上施加特殊涂层以增强其表面对特定波长指示激光的吸收效果。屏幕表面吸收了指示光的能量之后在光斑位置发生局部升温，产生热弹性膨胀，进而激发形成与光强度调制变化趋势一致的脉冲式周期性变化的声波。当指示光的调制频率提高时，所激发声波的频率将随之升高，特别是当其升高至超声波段时，将可避免对人的听觉产生影响。而且超生波段的噪声干扰相对较少，也有利于提高信号的信噪比。由于屏幕为薄膜形式，所以声波信号的主要成分将以光斑为中心向屏幕四周传播。作为声波传播的介质，屏幕为均匀材料且对声波传导表现为各向同性，所以声波向四周的传播速度也是近乎相同的。
本实施例中声波接收单元包括在屏幕四周设置的多个性能相同的声波传感器用以接收声波信号，并将其转换为脉冲式周期性变化的电信号，再进一步传送至微处理单元。较为简单的方法是使用压电式声波传感器接收声波，其对超声波段的声波敏感，而且多为体积小巧的膜片形式，便于与屏幕整合。同时，在屏幕边缘处设置的多孔吸声结构，可以减小声波到达边缘后产生的反射，使得屏幕在受到指示激光照射后形成以指示光斑为中心向四周均匀传播的稳定声场，提高声波传感器所接收信号的信噪比。
本实施例中，采用微处理单元对脉冲式周期性变化的电信号进行处理，并参考所接收到的脉冲激光产生的时间标签，判别脉冲声波到达各声波传感器所用的时间。激光投射单元在发出指示光的同时会通过无线通讯模块向微处理器发出时间标签以标识每个脉冲光产生的时间。激光脉冲由发出到其投射到定位介质上的时间极短，可以忽略，定位介质受到激发产生声波信号的时间也非常短，而且对于特定的介质来说产生声波信号的时间是个定值，因此也可以忽略或作为常数消去。声波产生后从光斑位置向外传播，该传播过程是声在介质上的传播，速度较慢。其到达各声波接收装置的时间正比于声波传输的距离。声波传感器接到声音信号后会将其转化为脉冲电信号传送给微处理器，其转化时间对于同型号传感器来说是个定值，因此作为常数消去。微处理器通过比较脉冲电信号与时间标签到达的时间差即可求得声波从光斑位置传播到声波接收器所消耗的时间。
同时，可以利用微处理单元在短时间内对多个周期的脉冲电信号进行处理，特别是当光声波号处于超声频段时，在短时间内可以认为光斑位置是近乎不变的，而此时将有一个声波序列传播至各声波传感器。微处理器可对每个声波传感器传送来的脉冲电信号序列进行带通滤波，以提高信号的信噪比。同时，把一个脉冲电信号序列内获得的多个脉冲声波到达各声波传感器所用的时间取平均，可进一步提高判别脉冲声波到达各声波传感器所用时间的准确性。微处理单元综合脉冲声波到达各声波传感器所用的时间，以及各声波传感器在屏幕四周的位置信息，计算得到指示光斑在该屏幕上的二维位置。由于声波向四周的传播速度是近乎相同的，所以其到达各声波传感器所用的时间正比于指示光斑与各声波传感器间的距离。因此利用微处理器综合脉冲声波到达各声波传感器所用的时间，以及各声波传感器在屏幕四周的位置等信息，即可计算得到指示光斑在该屏幕上的二维位置。
根据几何原理，仅需知道平面上一个点与另外3个已知点的距离关系即可求出该点的绝对位置，所以仅需要在屏幕四周设置3个声波传感器即可实现光斑定位。如果设置3个以上的声波传感器，则可利用每3个声波传感器求出一个光斑位置坐标，进而将得到的多个位置坐标进行平均，能够有效提高光斑定位的准确性。微处理器进一步将计算得到的指示光斑在屏幕上的二维位置信息传送至其他设备。其他设备则通过该过程获得了使用者在屏幕上的关注点，进而传递给软件以实现人机互动。
本发明指示光斑二维定位系统的使用方法，主要包括下述步骤：
步骤1：使用者控制手柄调整方向，使光强受调制的指示激光投射于前方屏幕形成指示光斑。使用者可根据所看到的光斑继续调整手柄方向，使得指示光投射于使用者意图指向的特定位置。同时利用无线通讯模块向微处理器发送出时间标签，以标识每个脉冲激光产生的时间。
步骤2：屏幕表面吸收了指示激光的能量后在光斑位置发生局部升温，并产生热弹性膨胀，进而激发形成与光强度调制变化趋势一致的脉冲式周期性变化的声波。由于屏幕为声波传导各向同性的均匀材料制成的薄膜，所以声波的主要成分将以光斑为中心向屏幕四周近乎等速地传播，其传播方式如图2所示。
步骤3：屏幕四周边缘设置有4个性能相同的声波传感器接收声波，并将接收到的声波信号转换为脉冲式周期性变化的电信号，进而将电信号传送至微处理器。微处理器对脉冲式周期性变化的电信号进行处理，并参考所接收到的脉冲激光产生的时间标签，来判别脉冲声波到达各声波传感器所用的时间。
步骤4：由于声波向四周的传播速度是近乎相同的，所以其到达各声波传感器所用的时间正比于光斑与各传感器间的距离。因此利用微处理器综合脉冲声波到达各声波传感器所用的时间，以及各声波传感器在屏幕四周的位置等信息，即可计算得到指示光斑在该屏幕上的二维位置，具体计算方法如图3所示。
设屏幕四周设置的4个声波传感器的位置坐标分别为P1(x1,y1)、P2(x2,y2)、P3(x3,y3)和P4(x4,y4)，指示光斑的位置坐标为P(x,y)；P点到4个声波传感器的距离分别为s1、s2、s3和s4，P点处所激发光声信号到达声波传感器所用时间分别为t1、t2、t3和t4。则根据几何原理可列出P点到P1、P2、P3三个点的距离表达式：
可得：
由于光声信号到达各声波传感器所用的时间t正比于光斑与各传感器间的距离s，所以可将上式变换为：
可得：
求解此二元二次方程组即可得到指示光斑的位置坐标P(x,y)。
同理，分别利用P点到P2、P3、P4，P3、P4、P1，P4、P1、P2的距离表达式求解，也可以得到3个指示光斑的位置坐标。将上述4个坐标值取平均，作为指示光斑位置坐标的最终计算结果，能够有效提高定位的准确性。
综上所述本发明提供了一种能够准确检测指示光斑在屏幕上二维位置的便捷方法，可以直接给出指示光在屏幕上所形成投射光斑的二维位置，对于实现人与大型显示设备间的交互具有深远意义。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种指示光斑二维定位方法，其特征在于，其步骤包括：
S1在指示光待投射区域覆盖定位介质，用以承接指示光斑；
S2在所述定位介质边缘布置若干声波接收装置；
S3利用激光发射装置将调制激光作为指示光投射于定位介质上形成指示光斑，所述指示光斑所在定位介质处因受到调制激光照射，而激发产生声波信号；
S4通过分布在所述定位介质边缘的各声波接收装置接收以指示光斑为中心沿定位介质向四周传播的声波信号；
S5根据声波到达各声波接收装置所用的时间，并结合各声波接收装置相对于所述定位介质的位置信息，计算指示光斑在该定位介质上的二维位置。
2.根据权利要求1所述的指示光斑二维定位方法，其特征在于：所述定位介质表面附有能增强对特定波长指示光吸收效果的涂层，使所述定位介质表面在吸收指示光的能量后于指示光斑位置局部升温并产生热弹性膨胀，进而激发与指示光强度变化趋势一致的脉冲式声波信号。
3.根据权利要求2所述的指示光斑二维定位方法，其特征在于：所述定位介质为均匀材料且对声波传导表现为各向同性，以确保声波沿所述定位介质各方向传播速度相同。
4.一种指示光斑二维定位系统，其特征在于，所述系统包括：
用以发送激光并同时发送标定激光产生时间标签的激光投射单元；
用以承接指示光斑，且其表面施加有能够增强其对特定波长激光吸收效果的涂层的定位介质，所述定位介质表面吸收激光的能量后于指示光斑位置发生局部升温，并产生热弹性膨胀，进而激发与激光强度变化趋势一致的脉冲式声波；
若干设置于定位介质边缘，接收沿定位介质传播的声波信号，并将声波信号转换为脉冲式周期性变化电信号的声波传感器；
用于接收脉冲式电信号和时间标签，并综合各声波传感器在定位介质边缘的位置信息，计算得到指示光斑相对于定位介质的二维位置的微处理单元，所述微处理单元还将得到的位置信息传送至上层设备，以实现人机互动。
5.根据权利要求4所述的指示光斑二维定位系统，其特征在于：所述激光投射单元包括光源模块、调制模块、无线通讯模块以及电源模块；
所述光源模块采用小型高效率的半导体激光器发送指示光；
所述调制模块与所述光源模块连接，将指示光调制为强度呈脉冲式周期性变化的调制激光；
所述无线通讯模块向微处理器发送时间标签以标识每个脉冲激光产生的时间。
6.根据权利要求4所述的指示光斑的二维定位系统，其特征在于：所述定位介质边缘处设置吸声结构，以减小声声波信号到达边缘后产生的反射，进一步提高所述声波接收单元所接收声波信号的信噪比。
7.根据权利要求4所述的指示光斑二维定位系统，其特征在于：
所述微处理器对脉冲式电信号进行处理，并参考接收到的脉冲激光产生的时间标签，判别脉冲声波到达各声波传感器所用的时间；
所述微处理器还通过增加一定时间内脉冲式电信号的处理次数，提高判别脉冲声波到达各声波传感器所用时间的准确性。
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