专利名称：载荷识别交互式电子白板及实现方法
技术领域：
本发明的基于载荷识别技术的交互式电子白板属于电子信息领域，涉及力学、传 感器技术以及模式识别技术在电子白板与触摸屏上的应用。
背景技术：
交互式电子白板可以与电脑进行信息通讯，将电子白板连接到PC机，并利用投影 机将PC上的内容投影到电子白板屏幕上，在专门的应用程序的支持下，可以构造一个大屏 幕、交互式的协作会议或教学环境。利用特定的定位笔代替鼠标在白板上进行操作，可以运 行任何应用程序，可以对文件进行编辑、注释、保存等在计算机上利用键盘及鼠标可以实现 的任何操作。交互式电子白板根据感应技术不同主要包括以下几种电阻膜、电磁感应、红外、 超声波、CCD、光信息处理技术等。(1)电阻膜电阻膜电子白板基本结构是由多层膜组成，包括水平线电阻膜、绝缘网格、导电 膜、绝缘网格、垂直电阻膜等，组合膜与使用区域大小相同。工作原理是在电阻膜上加一个 固定的电压，在没有外力作用下，导电膜不接触电阻膜，没有电压被测得，不会有定位的信 息反应。当用硬物压在电阻膜的某一点时，电流通过导电膜被测试电路读取，就像从一个电 位器中点测试到一个变动的电压，这个电压与触摸点的位置有关，根据从水平和垂直方向 读取的电压，可以换算为触摸点的X，Y方向位置。优点定位相对准确，无需专用笔。缺点耐用性差，怕划伤，反应速度较慢，无法做超大面积，白板笔不支持鼠标右键 等功能，对计算机操作较困难。(2)激光技术使用激光跟踪原理的电子白板两侧各有一激光发射器。电子白板启动后，激光发 射器发出激光扫射电子白板表面，特质笔具有感应激光的功能，这样使用感光笔在电子白 板上操作时，激光发射器会扫描到感光笔的位置。优点定位准确。缺点成本较高，必须使用专用笔，无压感反应。(3)电磁波技术电磁波是可以通过空气和绝缘物体进行传播，电磁感应式是采用一支可以发射电 磁波的笔，水平垂直两个方向排列的接收线圈膜组成，膜的大小与显示区域相同。定位原理 是，发射电磁波的笔按间歇方式发射电磁波，当笔靠近接收线圈的膜时，线圈上会感应到笔 发射的电磁波。离笔最近的线圈组感应到的电动势越高，根据水平方向和垂直方向感应到 的电动势，通过计算可以获得笔所在的X、Y坐标位置。优点定位准确、精度高，可靠性高、寿命长，响应速度较快，书写过程中有压感，即 根据书写的轻重不同，笔触的粗细会不同。
缺点必须使用专用笔，不能做触摸操作。反应速度不够快；难以实现超大面积的 版面制作。(4)红外线技术由密布在显示区四周的红外线接收和发射管构成水平和垂直方向的扫描网格，形 成一个扫描平面网，当有物体阻挡住网格中的某对水平和垂直扫描线时，就可以通过被阻 挡的水平和垂直方向的红外线位置确定X、Y坐标。优点定位准确、精度较高，无需专用笔，使用寿命较长，响应速度较快。缺点无压感反应、受强光和灰尘的影响。(5)超声波技术在屏幕的两边放置两个按固定距离分布的超声波接收装置，用于定位的笔是一个 超声波发射器，当笔移动在屏幕的表面时，所发射的超声波沿屏幕表面被接收器检测到，由 接收到超声波的时间可以换算笔与两个接收器的距离。优势定位相对准确；适应性强；可在不同面积的设备上使用劣势定位精度不均勻；受温度影响较大；需用专用笔书写。(6) CCD光扫描技术CXD光扫描原理是在显示区域的一边设置两个固定距离的CXD线阵探测器和红 外发射器，对准显示区域。在显示区域的另外三边设置可以反射光线的反射膜，在没有物体 阻挡时，线阵CCD检测到的是一条完整的光带。当有物体在显示区域中挡住光线传播路径 时，在线阵CCD检测到的光带中会出现无反光区域，分布在两个角的CCD分别检测到的遮挡 区域反应在线阵CCD的对应区域，根据对应的区域计算出物体在显示区域的位置，是一种 交叉点测试定位方式。此技术为较新的技术，未完全成熟，其最大的优点是可做多点同时触摸，除少数厂 家在尝试性使用外，还未完全普及。目前常用的电子白板的感应技术中，有的白板制作复杂，器件和维护成本高，难以 实现超大面积的版面制作。如电阻膜技术、红外技术、电磁波技术、CCD光扫描技术等。超 声波定位技术对白板无特殊要求，容易实现大版面制作，但是对元器件的要求高，一对超声 波检测器的元器件性能要求必须一致，在实际应用中难以实现；器件容易受到温度变化的 影响，定位稳定性较差；需要专用的笔，笔上通常还需要激光器用于指示目标，同时照在白 板上的漫反射光还用于通知超声波接收器开始计时，技术复杂调试与维护难度大。
发明内容
发明目的本发明目的在于提供一种采用力学原理，使用力学传感器技术(如，应变、位移、 转角、压力传感器等)，利用模式识别技术，根据白板受力形变，识别加载在白板上载荷的位 置及大小，从而实现对笔的定位与笔触大小的识别。一种载荷识别交互式电子白板，其特征在于包括白板、安装于白板上的若干力学 传感器，其中每个力传感器与一个变送器、一个放大器组成一条载荷采样电路；若干载荷采 样电路并联后依次与多路开关、A/D采样、数据处理模块、通信模块、PC机、投影仪相联。上述载荷识别交互式电子白板的实现方式，其特征在于使用力学传感器作为交互式电子白板的感应元件，通过测试白板多点形变，将传感器数据归一化处理后，使用模式 识别方法，实现对触点的定位以及笔划粗细的表现，其具体过程包括步骤1 交互式白板的定位(1-1)、投影仪将PC机屏幕上的内容投影在白板上，白板上的投影区域与PC机的
屏幕--对应；(1-2)、驱动程序在PC机屏幕依次显示多个定位点，利用投影仪将这些定位点投 影在白板上；用户在白板投影区内，依照白板上显示的定位点出现的顺序，在白板上依次点 击定位点，同时系统将记录粘贴在白板背面的力传感器数据，记录白板形变；(1-3)、系统将每个定位点的传感器形变数据进行归一化处理，定位点对应的PC 机屏幕坐标一起，形成定位样本集，定位样本定义为Si= (x y e)T其中，S = O1... e, ... 作为神经网络输入信息，定位点屏幕坐标(Χ y)为神经网络的输出信息；(1-4)、根据上述定位样本集，训练神经网络，并使用神经网络建立起白板形变与 PC机屏幕坐标的对应关系；存储样本数据以及神经网络参数，只要投影仪不调整，则下一 次使用白板时，就无需再次采集样本；步骤2 定位之后白板就进入工作状态(2-1)、当用户接触白板时，白板发生形变，系统循环检测力传感器形变数据，将力 传感器形变数据进行归一化处理，使用神经网络，计算出触点的PC机屏幕坐标，同时通过 投影仪将该点鼠标位置或笔迹投影在白板对应的显示位置，从而实现白板显示区上触点与 投影点的同步；上述步骤1和步骤2中涉及的归一化算法1、当单击白板上某点时，白板发生形变，所记录的多个传感器数据组成一个向量 EE = {SX S2 ... Si ... 其中，Si为单个传感器数据，i为传感器标号，η
为布置在白板上的传感器数量；所谓的归一化处理，就是将传感器数据向量除以该向量的模，得到传感器数据向 量的单位向量g，a为向量的模；^ = = = (^i ^2…ei…eni，其中为传感器标号，η为布
α‘ a
置在白板上的传感器数量；对于线弹性材料，根据虎克定律有F = KE = ale茇为刚度矩阵，在弹性形变范围内，无为常矩阵，a与载荷大小成正比，单位向量g 与载荷大小无关，对于四周固支结构，运只与定位点在白板位置有关。上述载荷识别交互式电子白板的实现方式，其特征在于还包括将白板笔施加压力 大小转换为笔触粗细的过程；
在白板不同的不同位置刚度不同，相同的载荷施加在白板的不同位置上，应变向 量的模大小不一样。虽然，应变向量的模的大小可以反映施加载荷的大小。但是，无法直接 从应变向量的模，获得载荷大小。因此，可以在一个位置上施加已知大小的载荷，称为参考 载荷。该载荷所产生的应变向量模，称为参考模。当在该位置施加未知大小的载荷时，该未 知载荷称为待识别载荷。待识别载荷的模，称为实测模。比较实测模与参考模的大小，就可 以获得未知载荷的大小；系统在交互定位阶段，只要在采集定位点样本时，对白板上每个点位点施加大小 相等的压力作为参考载荷，求的各定位点的应变向量的模，为各个样本点的参考模，它反映 了在白板上某个点的刚度，在白板不同点的刚度不同，则参考模a的大小也不同；所述步骤1中，建立定位样本集这一过程中，若要在白板上呈现出笔触变化，则样 本除了有屏幕坐标以及传感器数据外，还应加上传感器数据向量的模作为参考模，即定位 样本定义为Kx y a e)T其中j = e2 ... e,. ... 作为神经网络输入信息，定位点屏幕坐标(χ y)以及传感器数据向量的模a，为神经网络的输出信息；所述步骤2，当系统转入工作状态时，系统检测力传感器形变数据，进行归一化处 理后，得到实测数据单位向量巨以及实测应变向量的模，使用神经网络，计算出触点的PC机 屏幕坐标以及该点的参考模。笔在白板的触点位置由PC机屏幕坐标决定，笔触大小由实测 模与参考模的比值决定。2、有益效果该方法采用力学原理，使用力学传感器技术(如，应变、位移、转角、压力传感器 等)，利用模式识别技术，根据白板受力形变，识别加载在白板上载荷的位置及大小，从而实 现对笔的定位与笔触大小的识别。由于采用模式识别技术以及成熟的力学传感器技术，在 制作过程中对传感器安装精度要求不高，少量传感器就可以实现定位要求，不需要专用笔， 成本低。传感器的数量以及载荷定位算法与版面大小无关，该方法适应性好，可以适应不同 版面大小。本发明采用了成熟的力学传感器及其相关设备作为感应装置，并且对传感器安装 位置精度无严格要求，设备可靠，白板安装调试以及维护简单。由于采用模式识别技术，传 感器数量与版面大小无关，适应性好，容易制作大版面白板。由于采用归一化数据作为样 本，每个定位点只要采集一次数据，因此操作不会比现有的白板复杂，并且可以通过向量模 的大小推测笔触粗细。
四
图1是载荷识别交互式电子白板系统组成示意图。图2是定位点分布示意图。图3是4只电阻应变片传感器布局示意图。图4使用数据采集卡的交互式电子白板系统组成示意图。图中标记名称1、白板，2、力学传感器，3、变送器，4、放大器，5、多路开关，6、A/D
7采样，7、数据处理模块，8、通信模块，9、PC机，10、投影仪。 五具体实施例方式1)交互式白板的工作流程交互式白板不但作为投影仪的显示区域，还代替鼠标作为用户与PC机的交互设 备。白板笔在白板上的操作等同于与鼠标在PC机屏幕上的操作。因此，使用交互式白板首 先应建立投影显示区域与PC机屏幕的对应关系，这个过程称为定位。白板只有经过定位后 才能将白板上的位置与PC机屏幕坐标一一对应，才能将白板上的操作正确地映射到PC机 屏幕，从而使得投影在白板上的鼠标能够跟踪白板笔的位置。让用户感觉在白板上使用笔 的操作就像是用鼠标对屏幕操作。交互式白板在定位时，通常在屏幕上依次显示多个定位点，并将这些定位点投影 在白板上。用户在白板上点击某个定位点时，系统将记录该定位点的屏幕坐标和传感器数 据，这一组数据称为定位样本。定位的过程实际就是记录定位样本训练神经网络的过程。所 有定位样本称为定位样本集。定位之后，白板就进入工作状态。在工作状态下，系统循环检测感应信号，将感应 信号与定位样本集中所有定位样本进行比较，计算出当前白板笔的位置信息，同时计算笔 触粗细，时时传送到PC机上，显示在PC机的屏幕上，并通过投影仪投影在白板上，实现笔触 位置与投影位置同步，以及笔触大小的显示。2)载荷识别交互式电子白板的工作原理本方法使用力传感器技术和模式识别技术的制作交互式电子白板，如图1所示， 系统包括白板(1)、力学传感器(2)、变送器(3)、放大器(4)、多路开关(5)、A/D(6)、数据 处理模块(7)、通信模块(8)、PC机(9)、投影仪(10)，如图1所示。白板用于投影仪的显示 区域，是触摸(施加力)对象。白板可以为四周固支结构，所采用的材料需要是线弹性材料， 即加载在白板上的力与形变成正比。力学传感器可以采用应变传感器、位移传感器、转角传 感器等。多个传感器以一定的布局布置在白板上，用于检测白板多个位置的形变。当手指 或白板笔以一定大小力量接触白板时，传感器检测白板的形变，并通过变送器将变形梁转 化为电压信号。多个传感器数据通过A/D转换后。送入数据处理模块。数据处理模块将各 个通道的白板形变数据通过神经网络，推测笔的位置(载荷位置)以及笔触粗细(载荷大 小)。通信模块将识别结果传送到PC机，PC机将做相应的操作，投影机将PC上的内容投影 到电子白板屏幕上。3)载荷识别交互式电子白板的定位载荷识别交互式电子白板同样也需要定位过程。运行PC机上的白板系统软件，该 软件首先进入定位状态，进行样本采集。在该状态下，采集各个定位点信号，即按一定顺序， 轮流在屏幕上显示如图2所示的定位点(2)，这些点同时通过投影仪投影在白板(1)上；用 户按照定位点出现的顺序，点击白板上出现的定位点，数据处理系统同时记录该点接触时 的形变数据。形变数据经过归一化处理后，与该定位点的像素坐标一起作为定位样本。所 有定位点的样本集合，称为样本集。使用样本集对神经网络进行训练。4)形变数据归一化处理方法载荷识别交互式电子白板的形变数据归一化处理方法如下
权利要求
一种载荷识别交互式电子白板，其特征在于包括白板(1)、安装于白板(1)上的若干力学传感器(2)，其中每个力传感器(2)与一个变送器(3)、一个放大器(4)组成一条载荷采样电路；若干载荷采样电路并联后依次与多路开关(5)、A/D采样(6)、数据处理模块(7)、通信模块(8)、PC机(9)、投影仪(10)相联。
2.根据权利要求1所述的载荷识别交互式电子白板的实现方法，其特征在于使用力 学传感器作为交互式电子白板的感应元件，通过测试白板多点形变，将传感器数据归一化 处理后，使用模式识别方法，实现对触点的定位以及笔划粗细的表现，其具体过程包括步骤1 交互式白板的定位(1-1)、投影仪将PC机屏幕上的内容投影在白板上，白板上的投影区域与PC机的屏幕 --对应；(1-2)、驱动程序在PC机屏幕依次显示多个定位点，利用投影仪将这些定位点投影在 白板上；用户在白板投影区内，依照白板上显示的定位点出现的顺序，在白板上依次点击定 位点，同时系统将记录粘贴在白板背面的力传感器数据，记录白板形变；(1-3)、系统将每个定位点的传感器形变数据进行归一化处理，定位点对应的PC机屏 幕坐标一起，形成定位样本集，定位样本定义为
3.根据权利要求2所述的载荷识别交互式电子白板的实现方法，其特征在于还包括将 白板笔施加压力大小转换为笔触粗细的过程；在白板不同的不同位置刚度不同，相同的载荷施加在白板的不同位置上，应变向量的 模大小不一样。虽然，应变向量的模的大小可以反映施加载荷的大小；但是，无法直接从应 变向量的模，获得载荷大小；因此，可以在一个位置上施加已知大小的载荷，称为参考载荷。 该载荷所产生的应变向量模，称为参考模。当在该位置施加未知大小的载荷时，该未知载荷 称为待识别载荷；待识别载荷的模，称为实测模。比较实测模与参考模的大小，就可以获得 未知载荷的大小；系统在交互定位阶段，只要在采集定位点样本时，对白板上每个点位点施加大小相等 的压力作为参考载荷，求的各定位点的应变向量的模，为各个样本点的参考模，它反映了在 白板上某个点的刚度，在白板不同点的刚度不同，则参考模a的大小也不同；所述步骤1中，建立定位样本集这一过程中，若要在白板上呈现出笔触变化，则样本除 了有屏幕坐标以及传感器数据外，还应加上传感器数据向量的模作为参考模，即定位样本 定义为Si = (x y a ef其中，^ = O1 e2 ... A ... e )『作为神经网络输入信息，定位点屏幕坐标(χ y) 以及传感器数据向量的模a，为神经网络的输出信息；所述步骤2，当系统转入工作状态时，系统检测力传感器形变数据，进行归一化处理后， 得到实测数据单位向量^以及实测应变向量的模，使用神经网络，计算出触点的PC机屏幕 坐标以及该点的参考模；笔在白板的触点位置由PC机屏幕坐标决定，笔触大小由实测模与 参考模的比值决定。
全文摘要
本发明公开了一种载荷识别交互式电子白板的实现方法。该发明属于电子信息领域。载荷识别交互式电子白板系统包括白板(1)、力学传感器(2)、变送器(3)、放大器(4)、多路开关(5)、A/D采样(6)、数据处理模块(7)、通信模块(8)、PC机(9)、投影仪(10)。使用本方法使用力学传感器作为交互式电子白板的感应元件，通过测试白板多点形变，将传感器数据归一化处理后，使用模式识别技术，实现对触点的定位以及笔划粗细的表现。该方法制作的交互式电子白板具有结构简单、可靠性高、安装维护要求低，成本低，适应性好，容易实现大版面制作，不需要专用笔等优点。该方法也可以用于触摸屏制作。
文档编号G06F3/041GK101957682SQ201010286898
公开日2011年1月26日 申请日期2010年9月16日 优先权日2010年9月16日
发明者刘宏月, 张少华, 徐海伟, 曾捷, 潘晓文 申请人:南京航空航天大学