專利名稱：一種基于圖形處理的交互式計算機輸入設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種基于圖形處理的交互式計算機輸入設備，更具體的是涉及這樣一種輸入設備，其中使用者在投影屏幕等顯示屏位置處通過筆形發射裝置發射近紅外和藍牙鼠標信號，該信號被收裝置接收后通過相應的計算機軟件處理成筆形裝置相對于屏幕的坐標信息和鼠標左右鍵信號，根據對應的操作發出計算機控制信號，實現操作計算機的目的。
背景技術：
傳統的計算機輸入設備為鍵盤和鼠標。近年來，隨著觸摸屏技術的發展，許多計算機采用觸摸屏作為一種輸入設備，尤其是對于平板電腦而言。同鼠標相比，直接點擊或者觸摸顯示裝置上對應的圖案提高了計算機使用的便捷性與人機交互性。然而，觸摸屏由于制作工藝復雜和制作成本較高，其應用受到一定的限制。例如，將觸摸屏應用于面積較大的投 影屏幕在技術上仍有一定難度并且不具有經濟性。而無線鼠標通過測定其滾動球或者具有類似功能的裝置移動量在X軸和Y軸方向的分量的數據，通過編碼器編碼，從發射天線發射信號。該信號由接收裝置獲得并且通過處理電路與計算機連接，將鼠標的移動量傳遞給計算機。無線鼠標的使用特點為操作者需要在一個平面上移動鼠標，使得屏幕上的鼠標指針移動到所需要的位置。該移動鼠標的過程需要花費一定的時間。尤其是在利用鼠標進行常規書寫或者繪圖的時候，這種傳遞移動量的方式使得書寫或者繪圖過程很難精確地進行。由此可見，雖然目前有多種交互式計算機輸入設備，但是如果需要在大屏幕上快捷并且經濟地與計算機之間實現交互控制，現有設備依然難以實現。
發明內容
本發明的目的在于，提供一種利用近紅外接收裝置和藍牙鼠標信號接收器獲得使用者在屏幕上移動的筆形發射裝置的空間相對位置、運動軌跡和鼠標左右鍵信號，通過相應軟件分析，實現具有交互控制的計算機輸入設備。本發明主要由筆形發射裝置、接收裝置以及相應的計算機處理分析模塊組成。筆形發射裝置包含外殼、按鈕、近紅外光發射裝置、微處理電路和電源。接收裝置包括能夠對近紅外光成像的攝像頭、無線鼠標信號接收裝置及其處理電路、攝像頭與處理電路同計算機的接口。筆形發射裝置用于使用者手持，其外形如同記號筆，手持處在中部，頭部是近紅外光發生裝置，可采用近紅外發光二極管或近紅外激光源作為近紅外光發生裝置，內部為無線鼠標信號發生模塊，采用普通無線鼠標的信號發生裝置即可，信號通過藍牙傳輸。外殼前端有兩枚控制按鈕，其作用相當于鼠標的左右鍵，在上述按鈕按下的同時近紅外光發生裝置發射近紅外光，無線鼠標信號發生模塊發射鼠標信號。為了減小上述用于手持的筆形發射裝置的體積和重量，電源采用電池供電。接收裝置分為圖像捕捉模塊和鼠標信號接收模塊兩部分。圖像捕捉模塊用于捕捉近紅外光發生器發射出的近紅外光。在周圍沒有其他明顯近紅外光源的條件下，通過圖像捕捉裝置內安裝的帶通近紅外濾光片的過濾，拍攝到的圖像為暗背景下的亮光斑，該光斑即為近紅外光發生器發射的近紅外光形成的光斑。鼠標信號接收模塊采用普通無線鼠標的藍牙接收裝置。圖像捕捉模塊和鼠標信號接收模塊采用USB接口與計算機相連。如計算機具有藍牙功能，則省去鼠標信號接收器直接用計算機自帶的藍牙模塊。計算機處理分析模塊包括近紅外圖像處理、攝像機位置標定和發送鼠標信號三部分組成。圖像處理的目的是提取光斑圖像的重心位置作為筆形裝置在圖像中的坐標，將圖像濾波后得到低噪聲的光斑圖像，由自動全局閾值將光斑圖像二值化后僅保留面積最大的聯通區域，求其重心作為筆形裝置的坐標。攝像機標定的目的是修正攝像機成像坐標系與投影屏坐標系的對應關系，使得到的筆形裝置在光斑圖像上的坐標轉化為其相對于計算機屏幕的坐標。在得到坐標信息和鼠標左右鍵信息后，可調用相應的系統函數例如Windows鼠標消息函數向計算機發送鼠標點擊的命令，從而實現鼠標功能。本發明的整體實現方式如下·將接收裝置固定在合適的位置，要求拍攝區域至少包括操作者用于輸入的屏幕范圍，并且上述屏幕占拍攝區域的主要面積，屏幕可以是投影屏幕或者其他不發射近紅外光的平面。使用前需要先運行標定軟件，具體為首先由電腦產生四個邊角的定位點并投影至屏幕，由使用者通過發射裝置依次點擊投影屏幕上出現的四個定位點，計算定位點與實際電腦屏幕的關系，實現標定。完成標定后即可使用，但接收裝置的位置需要固定，直至使用結束。操作時，當使用者將近紅外發射裝置在屏幕上移動并點擊時，發射裝置發出近紅外光和鼠標信號，接收裝置接收到近紅外圖像后，由USB接口將圖像傳送至計算機，計算機通過相應的圖像分析，可以得到圖像中亮斑的重心位置，即發射裝置相對于攝像平面的坐標；鼠標信號通過藍牙傳送至計算機，配合得到的坐標信息，向計算機發送鼠標消息，從而實現對計算機的操作。本發明的優點在于可以在大屏幕尤其是投影屏幕等顯示屏上實現對計算機的遠程操作。傳統無線鼠標通過測定其滾動球或者具有類似功能的裝置移動量在X軸和Y軸方向的分量的數據，通過編碼器編碼，從發射天線發射信號。該信號由接收裝置獲得并且通過處理電路與計算機連接，將鼠標的移動量傳遞給計算機。使用時操作者需要在一個平面上移動鼠標，使屏幕上的鼠標指針移動到所需要的位置，同時移動鼠標的過程需要花費一定的時間。尤其是在大屏幕(例如投影屏幕等)利用鼠標進行常規書寫或者繪圖的時候，這種傳遞移動量的方式使得書寫或者繪圖過程很難精確地進行。本發明中操作者直接用筆形發射裝置發射的紅外光指向屏幕上需要鼠標指針到達的位置，按下近紅外光發生器的開關，可以實現直接將鼠標指針移動到上述需要鼠標指針到達的位置，同無線鼠標相比操作更加直接與便利，適用于演講或報告會等場合。
下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。圖I是本發明基于圖形處理的交互式計算機輸入設備的原理示意圖；圖2是本發明基于圖形處理的交互式計算機輸入設備的筆形發射裝置示意圖；圖3是本發明基于圖形處理的交互式計算機輸入設備的圖像接收裝置結構圖4是本發明基于圖形處理的交互式計算機輸入設備的筆形發射裝置原理框圖；圖5是本發明基于圖形處理的交互式計算機輸入設備的圖形處理與分析算法流程圖。圖6是本發明基于圖形處理的交互式計算機輸入設備的使用前標定方法示意圖。其中101為屏幕，102為筆形發射裝置，103為接收裝置，104為計算機，105為投影儀，201是筆形發射裝置外形結構，202和203為筆形發射裝置的兩個按鈕，204為筆形發射裝置中近紅外光發射裝置，301為近紅外濾光片，302為光學透鏡，601、602、603、604為標定屏幕上產生的4個點。
具體實施方式
本實施例具有在投影屏幕上實現鼠標操作的功能。201是筆形發射裝置外形結構，202和203為筆形發射裝置的兩個按鈕，分別具有鼠標左右鍵功能。204為筆形發射裝置中近紅外光發射裝置，本例中采用近紅外光發光二極管。按鈕202和按鈕203中有一個被按下時近紅外光發生裝置204發射近紅外光；按鈕202和按鈕203都被按下或者都不被按下時近紅外光發生裝置204不發射近紅外光。接收裝置103的位置固定，用于捕捉近紅外光發生器204發射出的近紅外光。通常情況下，在周圍沒有其他明顯近紅外光源的條件下，攝像頭拍攝的圖像為暗背景下的亮光斑，該光斑即為近紅外光發生器204發射的近紅外光形成的光斑。通過計算機104軟件分析得到光斑中心在每幀圖像中的坐標，對該坐標進行坐標變換，計算出拍攝時筆形發射裝置102在屏幕101上的坐標。相應軟件將鼠標指針移動到上述坐標位置即完成了鼠標定位的功能。操作者通過按下按鈕202和203，筆形發射裝置中無線鼠標信號發射天線分別發射無線鼠標左、右鍵信號，該信號被接接收裝置103接收后傳遞給計算機，實現鼠標左右鍵的功能。本發明在使用前需要進行標定，該標定的方法為選定屏幕101并且接收裝置103位置固定后，通過相應軟件在屏幕上投射顯示四個點401、402、403、404，該四個點的位置關系為構成一個矩形的四個頂點。接收裝置中的近紅外圖像捕捉裝置301開始拍攝。操作者用筆形發射裝置102的前端依次接觸上述四個點401、402、403、404，并且在接觸時按下按鈕202，此時近紅外光發射裝置204的開關打開。接收裝置103拍攝的圖像傳遞到計算機104中，通過圖像分析筆形發射裝置102和屏幕101的相對位置進行標定。標定后，屏幕101中四個點所在的矩形及其內部區域為有效輸入區域。此實施例通過一系列的措施實現了基于圖形處理的交互式計算機輸入設備的輸入功能，且實現的操作過程相比于鼠標更為便利和快捷，可在大屏幕上進行操作。以上結合附圖對本發明的具體實施方式
作了說明，但這些說明不能被理解為限制了本發明的范圍，本發明的保護范圍由隨附的權利要求書限定，任何在本發明權利要求基礎上的改動都是本發明的保護范圍。
權利要求
1.一種基于圖形處理的交互式計算機輸入設備，由筆形發射裝置、接收裝置和相應的圖像分析模塊組成，其特征在于所述接收裝置通過接收所述筆形發射裝置發射的近紅外光信號和藍牙無線鼠標信號，由圖像分析模塊進行處理實現計算機輸入功能。
2.—種權利要求I所述的基于圖形處理的交互式計算機輸入設備，其特征在于所述筆形發射外形如同記號筆，使所述筆形發射裝置適用于單手操作。
3.—種權利要求I所述的基于圖形處理的交互式計算機輸入設備，其特征在于所述筆形發射裝置包含近紅外光發射裝置、按鈕、微處理電路、無線鼠標發射模塊和電源，其中上述近紅外光發射裝置位于所述筆形發射裝置前端，上述按鈕位于所述筆形發射裝置中前端。
4.一種權利要求I所述的基于圖形處理的交互式計算機輸入設備，其特征在于所述的筆形發射裝置的按鈕實現上述近紅外光發生裝置開關的功能，且分別對應連接無線鼠標模塊左右鍵。
5.一種權利要求I或4所述的基于圖形處理的交互式計算機輸入設備，其特征在于所述的筆形發射裝置的按鈕被按下時，上述近紅外光發生裝置發射近紅外光。
6.一種權利要求I或4所述的基于圖形處理的交互式計算機輸入設備，其特征在于所述的筆形發射裝置的按鈕被按下時，上述近紅外光發生裝置發射鼠標左、右鍵信號。
7.—種權利要求I所述的計算機輸入設備，其特征在于上述接收裝置包括可以對近紅外光成像的攝像機和無線鼠標信號接收模塊。
8.—種權利要求I所述的計算機輸入設備，其特征在于上述接收裝置的紅外圖像接收模塊由近紅外濾光片、光學透鏡、圖像傳感器及USB連接器組成。
9.一種權利要求I所述的計算機輸入設備，其特征在于上述圖像分析模塊具有攝像機相對位置標定、圖像濾波、選取圖像閾值以及提取紅外光斑重心位置功能。
10.一種權利要求I所述的基于圖形處理的交互式計算機輸入設備，其特征在于上述接收裝置位置固定，上述筆形發射裝置接觸屏幕上位置不同的點且按鈕被按下時完成將鼠標指針移動到對應位置并執行鼠標點擊操作功能。
全文摘要
本發明公開了一種利用圖像處理的方法在投影屏幕等顯示屏位置實現對計算機無線操作功能的設備。本發明由筆形發射裝置、接收裝置和相應的圖像分析模塊組成，使用者通過筆形發射裝置在投影屏幕等顯示屏相應位置按壓相應按鈕發出近紅外光和鼠標按鍵信號，由接收裝置接收，經過相應的圖像分析與信號處理，得到發射裝置相對于屏幕的坐標以及按鍵信息，向計算機發出控制指令，實現無線操作計算機的功能。
文檔編號G06F3/0354GK102968219SQ20121000485
公開日2013年3月13日 申請日期2012年1月4日 優先權日2012年1月4日
發明者何玉青, 張祺深, 許晨, 李嘉琦 申請人:北京理工大學