CN1746831A - 互动投影系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种互动投影系统，包括投影仪、屏幕、信息终端、激光指示笔、视频捕获设备，所述互动投影系统还包括图像信息处理模块，根据激光信号亮灭的频率来识别所述激光指示笔功能状态和产生执行对应操作的驱动信号；同时也公开了一种应用于上述互动投影系统的图像处理方法。本发明通过识别激光指示笔的特定功能状态，在信息终端上执行对应的操作，实现对信息终端的操作控制。
Description
【技术领域】
本发明涉及一种采用投影仪、屏幕、信息终端和激光指示笔组成的投影系统，确切地说，涉及一种通过激光指示笔控制投影图像的互动投影系统。
【背景技术】
与本发明相关的现有技术，请参阅于2001年3月28日公开的中国专利第00128801.6号所示。该专利揭示了一种交互显示系统，采用显示计算机、计算机控制的图像投影仪、激光指示器、以及投影屏幕，包括数字摄像机以及图像信息处理模块。该显示计算机产生投射到投影屏幕上作为显示图像的电子图像。在操作过程中，讲解员利用激光指示器来把预定的手势空间图案画在显示图像上。数字摄像机获得这些显示图像，在图像信息处理模块中的处理部分从这些图像分析和识别手势空间图案。所识别的手势空间图案被与一组预定图案相比较，以找出匹配，并且选择相关的显示命令。该显示命令可以在图像信息处理模块执行或者被发送到显示计算机，通过例如前进到下一幅图像、加亮文字段落、或者放大图像这样的某种动作来改变显示图像。
然而，上述技术方案是通过激光指示器在显示图像上画出预定的手势空间来实现对图像信息处理模块或者显示计算机的操控。在技术方案中虽然采用了图像信息处理模块中的处理部分来分析和识别手势空间图案，但是，由于所述手势空间图案是讲解员用激光指示器徒手画出的，与预定的图案相比可能存在一定的误差，从而影响了识别的精确度；同时，讲解员在讲解时需要记忆各种操作命令相对应的手势空间图案，如果记错了手势空间图案就会导致误操作，给使用者带来了不便；此外，通过手势空间图案能执行的操作是有限的，上述技术方案无法用激光指示器完成对计算机的全面操作控制，不能实现真正意义上的交互。
【发明内容】
本发明的目的在于克服上述缺陷，提供了一种互动投影系统，通过激光指示笔的光标指示点亮灭信号频率的变化来执行计算机系统中鼠标的多个键功能，实现投影屏幕上图像与计算机系统中图像的交互。
本发明的另一个目的在于提供一种应用于上述互动投影系统的图像处理方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种互动投影系统，包括投影仪、屏幕、信息终端、激光指示笔和视频捕获设备，所述信息终端将图像信号送至所述投影仪，所述投影仪将影像显示在所述屏幕上，所述激光指示笔产生连续的激光束并汇聚成点投射在所述影像上，所述视频捕获设备用于捕获投影在所述屏幕上的图像信息，其特征在于：所述激光指示笔还具有功能状态，用于产生按照特定频率亮灭的激光信号，所述互动投影系统还包括图像信息处理模块，用于根据激光信号亮灭的频率来识别所述激光指示笔功能状态和产生执行对应操作的驱动信号。
所述功能状态包括第一功能状态和第二功能状态，在第一功能状态下，激光指示笔能在图像上产生一个频率为f1的激光亮灭信号光标指示点，在第二功能状态下，激光指示笔能在图像上产生一个频率为f2的激光亮灭信号光标指示点。所述视频捕获设备的采样频率f应满足f＞2f1和f＞2f2。
所述图像信息处理模块包括用于从视频图像信息中提取出屏幕上的投影图像边界框位置信息的投影影框识别装置；用于从视频图像信息中提取出屏幕上的光标指示点位置信息的光标指示点位置识别装置；用于计算光标指示点坐标位置对应在信息终端所显示的图像坐标位置的光标指示点相对位置识别装置；用于识别光标指示点亮灭频率并产生对应操作驱动信号的激光指示笔操作识别装置。
所述投影影框识别装置包括：将视频捕获设备获得的视频图像转换成位图文件的装置；将位图文件中的彩色图像转化为灰度图像的装置；将灰度图像二值化处理的装置；将二值化后的图像滤波除去噪声干扰的装置；提取图像中的矩形坐标值的装置。
所述提取图像中的矩形坐标值的装置提取投影影框左上角的坐标值和右下角的坐标值。
所述光标指示点位置识别装置包括：将投影影框识别部分得到的灰度图像进行二值化处理的装置；判断光标指示点位置信息的装置；提取光标指示点的位置信息的装置。
所述判断光标指示点位置信息的装置将本次二值化图像中所剩的亮点坐标与前一帧图像中的光标指示点坐标比较，取出其中与前一帧图像光标指示点坐标最接近的坐标作为本帧图像中光标指示点的坐标值。
所述光标指示点相对位置识别装置包括：将光标指示点坐标和投影影框坐标重叠的装置，用于得到光标指示点相对位置；确定光标指示点相对位置在信息终端中对应光标位置的装置。
所述激光指示笔操作识别装置包括：识别采样图像序列中有无激光点存在的装置；对生成的二进制序列分别经过中心频率为f1的数字滤波器A和f2的数字滤波器B进行数字滤波的装置；识别出所述激光指示笔的两个功能状态相对应的两种功能控制脉冲序列的装置；将两种功能控制脉冲序列作为鼠标输入驱动控制信号的装置，用于控制鼠标设备的操作。
一种图像处理方法，应用在上述互动投影系统中，包括如下步骤：(1)识别投影影框位置信息；(2)识别光标指示点位置信息；(3)识别光标指示点相对位置信息；(4)根据激光信号亮灭的频率来识别所述激光指示笔功能状态，产生执行对应操作的驱动信号。
所述步骤(1)识别投影影框位置信息包括如下步骤：将视频捕获设备获得的视频图像转换成位图文件；将位图文件中的彩色图像转化为灰度图像；将灰度图像二值化处理；将二值化后的图像滤波除去噪声干扰；提取图像中的矩形坐标值。
所述提取图像中的矩形坐标值的的步骤包括：提取投影影框左上角的坐标值；提取投影影框右下角的坐标值。
所述步骤(2)识别光标指示点位置信息包括如下步骤：将投影影框识别部分得到的灰度图像进行二值化处理；判断光标指示点位置信息；提取光标指示点的位置信息。
所述判断光标指示点位置信息的步骤包括如下步骤：将本次二值化图像中所剩的亮点坐标与前一帧图像中的光标指示点坐标比较；取出其中与前一帧图像光标指示点坐标最接近的坐标作为本帧图像中光标指示点的坐标值。
所述步骤(3)识别光标指示点相对位置信息包括如下步骤：将光标指示点坐标和投影影框坐标重叠，用于得到光标指示点相对位置；确定光标指示点相对位置在信息终端中对应光标位置。
所述步骤(4)识别激光指示笔操控指令包括如下步骤：识别采样图像序列中有无激光点存在；对生成的二进制序列分别经过中心频率为f1的数字滤波器A和f2的数字滤波器B进行数字滤波；识别出所述激光指示笔的两个功能状态相对应的两种功能控制脉冲序列；将两种功能控制脉冲序列作为鼠标输入驱动控制信号，用于控制鼠标设备的操作。
相较于现有技术，本发明一种互动投影系统通过操控激光指示笔来模拟计算机系统中鼠标的多个键功能，实现投影屏幕上图像与计算机系统中图像的交互。在互动投影系统中，将激光指示笔的光标指示点亮灭信号频率的变化作为识别信号，避免了原有技术中讲解员手工画图可能造成的图案误差，提高了系统识别的精度；同时，讲解员可以省去繁琐的记忆工作，不必再记住各种操作命令相对应的手势空间图案，只需记忆激光指示笔的两个功能状态即可，从而简化了讲解员的操作，提高了讲解员操作的准确性；此外，由于激光指示笔的两种功能状态分别对应于计算机系统中的鼠标左键和右键，因此本技术方案能实现对计算机的所有操作控制，使系统做到真正的交互。
【附图说明】
图1为根据本发明的一种互动投影系统的示意图。
图2为根据本发明的一种互动投影系统图像信息处理模块的电路方框图。
图3为根据本发明的激光指示笔的电路方框图。
图4为根据本发明的投影影框识别装置识别边界框位置信息的流程图。
图5为根据本发明的光标指示点位置识别装置识别光标指示点位置信息的流程图。
图6为根据本发明的激光指示笔操作识别装置的电路方框图。
图7为根据本发明的激光指示笔操作识别装置识别操控指令的流程图。
【具体实施方式】
请参阅图1所示，本发明一种互动投影系统10包括投影仪14、屏幕12、信息终端13、视频捕获设备15和激光指示笔11。其中，信息终端13与投影仪14相连，信息终端13中产生的图像通过投影仪14投射在屏幕12上，在屏幕12上呈现一矩形投影图像122，投影图像122的四周是投影影框121。所述信息终端13可以是电子计算机、笔记本计算机、笔触式移动电话等诸多可输出图像信息的装置。讲解员在使用互动投影系统10时，可以通过操作激光指示笔11把激光束投射到投影图像122上，激光束在投影图像122上汇聚成一个光点，作为光标指示点。激光指示笔11不仅可以连续地发射激光束，并且还包括两个功能状态，在第一功能状态下，激光指示笔11能在投影图像122上产生一个频率为f1的激光亮灭信号，作为第一功能状态光标指示点；在第二功能状态下，激光指示笔11能在投影图像122上产生一个频率为f2的激光亮灭信号，作为第二功能状态光标指示点。视频捕获设备15指向屏幕12，用于连续地采集投影在屏幕12上的图像信息。这些图像信息包括投影图像122和激光指示笔11在投影图像122上的光标指示点图像。在本发明实施例中，视频捕获设备15是摄像机，但是也可采用能拍摄动态图像的摄像头、数码照相机等电子设备。视频捕获设备15可以和图像信息处理模块相连，也可以直接与信息终端13相连。在本发明实施例中，视频捕获设备15将采集的视频图像传送至信息终端13。为了确保图像识别的准确性，在本系统中采用的摄像机采样频率f至少应满足f＞2f1和f＞2f2。例如，如果激光指示笔11的激光亮灭信号频率f1为10帧/秒，f2为20帧/秒，则摄像机采样频率f可取60帧/秒。
请参阅图2所示，视频捕获设备15将屏幕12上的图像信息传送至信息终端13后，被采集的视频图像依次经过图像信息处理模块，最后识别出相应的指令来操控信息终端13，操控结果又通过投影仪14投射在屏幕12上，实现屏幕12上的显示信息和信息终端13的交互。所述图像信息处理模块包括投影影框识别装置21、光标指示点位置识别装置22、光标指示点相对位置识别装置23和激光指示笔操作识别装置24。投影影框识别装置21用于从视频图像信息中提取出屏幕12上的投影图像122的边界框位置信息，光标指示点位置识别装置22用于从视频图像信息中提取出屏幕12上的光标指示点的位置信息，光标指示点相对位置识别装置23用于根据投影影框识别装置21和光标指示点位置识别装置22的识别信息，计算出光标指示点坐标位置对应在信息终端13所显示的图像的坐标位置，即光标在信息终端所显示的图像中应处的位置。激光指示笔操作识别装置24用于从视频图像信息中提取出屏幕12上光标指示点的亮灭信号变化，根据亮灭的频率产生相应的操作驱动指令信号，实现对信息终端的操作。
请参阅图3所示，激光指示笔11可发出连续的激光束，同时所述激光指示笔11还包括第一功能状态键和第二功能状态键，分别对应第一功能状态和第二功能状态。所述两个功能状态键与频率选择器输入端相连。频率选择器的输入端还分别与频率源1和频率源2相连，频率选择器的输出端与激光发射器相连。当讲解员按下第一功能状态键后，频率选择器把频率源1作为激光发射器的发射频率，激光指示笔11发出一段频率为f1的激光亮灭信号序列；当讲解员按下第二功能状态键后，频率选择器把频率源2作为激光发射器的发射频率，激光指示笔11发出一段频率为f2的激光亮灭信号序列。按键引起的亮灭信号序列保持一段时间，本例中保持0.5秒。
请参阅图4所示，本发明的投影影框识别装置21首先执行步骤41，将摄像机15捕获视频图像转换为一系列的位图文件；接着执行步骤42，将位图文件中的彩色图像转化为灰度图像；接着执行步骤43，将灰度图像进行二值化处理，把图像中亮度小于一定阈值T0的像素值置为0，而大于该阈值的像素置于1；接着执行步骤44，将二值化后的图像经过滤波除去噪声干扰；最后执行步骤45，提取图像中的矩形坐标值，即投影影框121的坐标值。以图像的左上角为坐标原点，水平方向为X轴，垂直方向为Y轴，在图像中提取两个坐标点(X0，Y0)和(X1，Y1)，其中(X0，Y0)对应于投影影框121左上角的坐标值，(X1，Y1)对应于投影影框121右下角的坐标值。本发明实施例中采用如下算法：f(X，Y)表示图像象素点在坐标上的坐标值，取f(X0，Y0)＝1且X0＝Min(X)，Y0＝Min(Y)得到投影影框121左上角的坐标值(X0，Y0)；取f(X1，Y1)＝1且X1＝Max(x)，Y1＝Max(y)得到投影影框121右下角的坐标值(X1，Y1)，确定两个坐标点后，就可从图像中提取整个投影影框121的坐标值。
请参阅图5所示，本发明的光标指示点位置识别装置22首先执行步骤51，再次对投影影框识别部分得到的灰度图像进行二值化处理，把图像中亮度小于阈值T1(T1＞T0)的像素值置为0，而大于该阈值的像素置于1；接着执行步骤52，将本次二值化图像中所剩的亮点坐标与前一帧图像中的激光点坐标比较，设前一帧激光点坐标为(Xn，Yn)，本次图像所剩亮点坐标为{(X，Y)}，使(Xn+1，Yn+1)满足(Xn-Xn+1)2+(Yn-Yn+1)2＝Min((Xn-X)2+(Yn-Y)2)，取出其中与前一帧图像激光点坐标最接近的坐标作为本帧图像中光标指示点的坐标值；最后执行步骤53，提取上述光标指示点坐标值，用于光标指示点相对位置识别部分的操作。
在光标指示点相对位置识别装置23中，首先将光标指示点坐标相对投影框坐标归一化，即将投影影框坐标位置和光标指示点位置重叠，得到光标相对位置；然后根据当前信息终端13的分辨率设置，按照坐标对应比例来确定光标在信息终端13中所显示的图像上的位置。
请参阅图6所示，本发明的激光指示笔操作识别装置24的电路包括了图像激光点计数器、数字滤波器A、数字滤波器B和脉冲信号转换器。所述图像激光点计数器根据采样图像序列中有无激光点存在记录了一组二进制序列，数字滤波器A和数字滤波器B的中心频率分别为f1和f2，用于滤出激光指示笔11的第一功能状态信号和第二功能状态信号，滤出的脉冲信号送入所述脉冲信号转换器，转换成鼠标输入驱动控制信号，实现控制鼠标设备的操作，在本实发明施例中，将滤出的激光指示笔11的第一功能状态信号对应于鼠标的左键，将滤出的激光指示笔11的第二功能状态信号对应于鼠标的右键。
请参阅图7所示，本发明的激光指示笔操作识别装置24首先执行步骤71，在摄像机15获取的图像序列图像中搜索有无激光点存在，若该帧图像有激光点记为1，如果该帧图像中无激光点记为0，并通过所述图像激光点计数器把生成的二进制序列一一记录下来；接着执行步骤72，通过数字滤波器得到键命令控制脉冲信号，将记录的二进制序列分别经过中心频率为f1的数字滤波器A和f2的数字滤波器B进行数字滤波，滤出激光指示笔11的第一功能状态信号和第二功能状态信号；最后执行步骤73，将两种键命令控制脉冲序列作为鼠标输入驱动控制信号控制鼠标设备的操作。
请参阅图1所示，信息终端13输出的图像信息，通过投影仪14将图像投射在屏幕12上，讲解员在讲解过程中若需要对图像信息操作，只需通过控制激光指示笔11，将激光指示笔11投射在屏幕12上的光标指示点移至用户所需的位置。例如，讲解员正在讲解一篇PowerPoint文档，当他想打开一个已存在的PowerPoint文档时，他只需要将激光指示笔11投射在屏幕12上的光标指示点移至投影图像122中位于左上角的“文件”菜单处，然后按下激光指示笔11的第一状态功能键。此时，激光指示笔11处于第一功能状态，激光指示笔11能在“文件”菜单处产生一个频率为f1的激光亮灭信号光标指示点。视频捕获设备15将捕获的视频图像送至信息终端13，这些视频图像依次经过图像图像信息处理模块中的投影影框识别装置21、光标指示点位置识别装置22、光标指示点相对位置识别装置23和激光指示笔操作识别装置24，最后识别出讲解员按下的第一状态功能键信号，此信号相对应于鼠标的左键信号。因此，讲解员上述操控动作相当于将在信息终端13上操控鼠标，将光标的位置移至“文件”菜单处按下左键。此时，PowerPoint文档会出现一下拉菜单，信息终端13通过投影仪14将此时的图像投影在屏幕12上，讲解员可以继续移动光标指示点，在投影图像的下拉菜单中“打开”相应位置按下激光指示笔11的第一状态功能键，随后根据投影图像的变化执行相应的操作，最终完成打开另一个PowerPoint文档的操作。从上述实施例中可以看出，本发明可以通过控制激光指示笔来实现对投影系统中信息终端的全部操作，真正地做到了全面的交互。
本发明一种互动投影系统通过操控激光指示笔来模拟计算机系统中鼠标的多个键功能，实现投影屏幕上图像与计算机系统中图像的交互。在互动投影系统中，将激光指示笔的光标指示点亮灭信号频率的变化作为识别信号，避免了原有技术中讲解员手工画图可能造成的图案误差，提高了系统识别的精度；同时，讲解员可以省去繁琐的记忆工作，不必再记住各种操作命令相对应的手势空间图案，只需记忆激光指示笔的两个功能状态即可，从而简化了讲解员的操作，提高了讲解员操作的准确性；此外，由于激光指示笔的两种功能状态分别对应于计算机系统中的鼠标左键和右键，因此本技术方案能实现对计算机的所有操作控制，使系统做到真正的交互。
Claims (17)
1.一种互动投影系统，包括投影仪、屏幕、信息终端、激光指示笔和视频捕获设备，所述信息终端将图像信号送至所述投影仪，所述投影仪将影像显示在所述屏幕上，所述激光指示笔产生连续的激光束并汇聚成点投射在所述影像上，所述视频捕获设备用于捕获投影在所述屏幕上的图像信息，其特征在于：所述激光指示笔还具有功能状态，用于产生按照特定频率亮灭的激光信号，所述互动投影系统还包括图像信息处理模块，用于根据激光信号亮灭的频率来识别所述激光指示笔功能状态和产生执行对应操作的驱动信号。
2.如权利要求1所述的互动投影系统，其特征在于：所述功能状态包括第一功能状态和第二功能状态，在第一功能状态下，激光指示笔能在图像上产生一个频率为f1的激光亮灭信号光标指示点，在第二功能状态下，激光指示笔能在图像上产生一个频率为f2的激光亮灭信号光标指示点。
3.如权利要求1或2所述的互动投影系统，其特征在于：所述视频捕获设备的采样频率f应满足f＞2f1和f＞2f2。
4.如权利要求1或2所述的互动投影系统，其特征在于：所述图像信息处理模块包括用于从视频图像信息中提取出屏幕上的投影图像边界框位置信息的投影影框识别装置；用于从视频图像信息中提取出屏幕上的光标指示点位置信息的光标指示点位置识别装置；用于计算光标指示点坐标位置对应在信息终端所显示的图像坐标位置的光标指示点相对位置识别装置；用于识别光标指示点亮灭频率并产生对应操作驱动信号的激光指示笔操作识别装置。
5.如权利要求4所述的互动投影系统，其特征在于：所述投影影框识别装置包括：将视频捕获设备获得的视频图像转换成位图文件的装置；将位图文件中的彩色图像转化为灰度图像的装置；将灰度图像二值化处理的装置；将二值化后的图像滤波除去噪声干扰的装置；提取图像中的矩形坐标值的装置。
6.如权利要求5所述的互动投影系统，其特征在于：所述提取图像中的矩形坐标值的装置提取投影影框左上角的坐标值和右下角的坐标值。
7.如权利要求4所述的互动投影系统，其特征在于：所述光标指示点位置识别装置包括：将投影影框识别部分得到的灰度图像进行二值化处理的装置；判断光标指示点位置信息的装置；提取光标指示点的位置信息的装置。
8.如权利要求7所述的互动投影系统，其特征在于：所述判断光标指示点位置信息的装置将本次二值化图像中所剩的亮点坐标与前一帧图像中的光标指示点坐标比较，取出其中与前一帧图像光标指示点坐标最接近的坐标作为本帧图像中光标指示点的坐标值。
9.如权利要求4所述的互动投影系统，其特征在于：所述光标指示点相对位置识别装置包括：将光标指示点坐标和投影影框坐标重叠的装置，用于得到光标指示点相对位置；确定光标指示点相对位置在信息终端中对应光标位置的装置。
10.如权利要求4所述的互动投影系统，其特征在于：所述激光指示笔操作识别装置包括：识别采样图像序列中有无激光点存在的装置；对生成的二进制序列分别经过中心频率为f1的数字滤波器A和f2的数字滤波器B进行数字滤波的装置；识别出所述激光指示笔的两个功能状态相对应的两种功能控制脉冲序列的装置；将两种功能控制脉冲序列作为鼠标输入驱动控制信号的装置，用于控制鼠标设备的操作。
11.一种图像处理方法，应用在如权利要求1所述的互动投影系统中，包括如下步骤：(1)识别投影影框位置信息；(2)识别光标指示点位置信息；(3)识别光标指示点相对位置信息；(4)根据激光信号亮灭的频率来识别所述激光指示笔功能状态，产生执行对应操作的驱动信号。
12.如权利要求11所述的图像处理方法，其特征在于：所述步骤(1)识别投影影框位置信息包括如下步骤：将视频捕获设备获得的视频图像转换成位图文件；将位图文件中的彩色图像转化为灰度图像；将灰度图像二值化处理；将二值化后的图像滤波除去噪声干扰；提取图像中的矩形坐标值。
13.如权利要求12所述的图像处理方法，其特征在于：所述提取图像中的矩形坐标值的的步骤包括：提取投影影框左上角的坐标值；提取投影影框右下角的坐标值。
14.如权利要求11所述的图像处理方法，其特征在于：所述步骤(2)识别光标指示点位置信息包括如下步骤：将投影影框识别部分得到的灰度图像进行二值化处理；判断光标指示点位置信息；提取光标指示点的位置信息。
15.如权利要求14所述的图像处理方法，其特征在于：所述判断光标指示点位置信息的步骤包括如下步骤：将本次二值化图像中所剩的亮点坐标与前一帧图像中的光标指示点坐标比较；取出其中与前一帧图像光标指示点坐标最接近的坐标作为本帧图像中光标指示点的坐标值。
16.如权利要求11所述的图像处理方法，其特征在于：所述步骤(3)识别光标指示点相对位置信息包括如下步骤：将光标指示点坐标和投影影框坐标重叠，用于得到光标指示点相对位置；确定光标指示点相对位置在信息终端中对应光标位置。
17.如权利要求11所述的图像处理方法，其特征在于：所述步骤(4)识别激光指示笔操控指令包括如下步骤：识别采样图像序列中有无激光点存在；对生成的二进制序列分别经过中心频率为f1的数字滤波器A和f2的数字滤波器B进行数字滤波；识别出所述激光指示笔的两个功能状态相对应的两种功能控制脉冲序列；将两种功能控制脉冲序列作为鼠标输入驱动控制信号，用于控制鼠标设备的操作。
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