专利名称：室内无线音视频全息交互式背投一体机及实现方法
技术领域：
本发明涉及一种室内无线音视频全息交互式背投一体机及实现方法。
背景技术：
现有的红外触控投影技术中，系统施工需要多样产品组合方案搭配安装，方法复 杂，需要专业技术人员安装调试，搬运不便，成本昂贵，不利于产品产业化发展。现有技术算 法复杂，计算量较大，所有计算均由中央处理器完成，机器能耗较大。现有技术无法同时解 决投影画面拼接和采集处理拼接，并准确对位的问题。现有技术无法保证室内红外线灯光 干扰下的使用问题。专利申请号为201010300910. 3的发明专利文件第5-6页中，红外触控操作需要通 过“摄像头校正模块”和“图像透视变换模块”完成图像畸变和透视校正的操作，导致硬件 成本增加，软件计算量增大。为了能达到精确操作，软件算法使用频繁采集静帧并与之前叠 加对比的方法，使数据量和计算量骤增，增加了设备能耗。同时，软件应用接口仅使用“TUI0 方式的flash互动单元”实现，应用面相对较窄，无法实现采用WFP Win7多点应用程序接口 的应用程序。专利申请号为02815206. 9的发明专利文件第7页显示，红外触控操作使用了检测 采集图案的亮度与梯度，这种“泛光照射”形成的交互信息必然不能做到精确到坐标值的交 互控制。专利号为200720066227. 1的实用新型专利文件中，仅体现了红外触控领域的最 基本组成形式，第5-6页软件算法中，计算方法复杂冗长，无法有效避免背景干扰带来的计 算量增加，运动信息需要将当前帧与前一帧进行对比得出，容易导致计算误差约来越大。专利申请号为2009101068 . 5发明专利文件第5页中，必备组件“光路分离调整 单元/模块”需要单独生产，会导致成本增加，而且效果有待证明。专利申请号为200810183426. X发明专利文件第11页中，软件计算方法同 201010300910. 3的专利文件，需要“比较当前图像和原始图像”，使软件计算量增大。文件 第12页中，“触控面板元件为高透明、导光性极高的绝缘材料，并贴附一种可阻挡除特殊波 段红外线以外的保护膜”，这便导致显示元件复杂，成本增加，缩小了实际架设应用范围。
发明内容
本发明的目的就是为解决上述问题，提供一种结构简单，使用方便的室内无线音 视频全息交互式背投一体机及实现方法。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案一种室内无线音视频全息交互式背投一体机，它包括至少一个服务端一体机和一 个前端附件；所述服务端一体机包括安装在壳体内的控制电路和投影电路，控制电路设有 视频输入和输出接口以及无线音频发送模块；投影电路的摄像头前方设有红外滤光片；所 述前端附件包括一个位于投影幕上部或下部或侧部的与投影幕边长尺寸相应的座体，在座体两端设有至少两个红外光源，其中至少有两红外光源各以45度角倾斜方向投射，形成一 个无限接近成投影幕的红外线平面并与投影幕平面平行。所述服务端一体机通过视频输入和输出接口与至少一个从设备连接，从设备也与 一个相应的前端附件配合；所述从设备为安装在壳体内的投影电路，在投影电路上还设有 与服务端一体机相配合的视频输入和输出接口以及即插型通用模块与接口。所述控制电路还包括主板，主板上电连接CPU和GPU以及即插型通用模块与接口， 视频输入和输出接口以及无线音频发送模块与主板电连接。所述投影电路还包括液晶驱动板和与之连接的光源，液晶驱动板前方设有光学成 像凸透镜，它与光源在同一轴线上，摄像头无限接近该轴线并设有红外滤光片。所述座体上设有无线音频接收模块，它与扬声器连接。所述投影幕为半透明或透明介质。一种室内无线音视频全息交互式背投一体机的实现方法，1)利用前端附件的两红外光源，在投影幕前形成一个红外线平面；同时在投影幕 上显示各种画面，在画面上设有供点击区域；2)当有人用手或其他物体接触到与点击区域相应的该红外平面时，将红外光反 射向服务端一体机，该设备利用带有红外滤光片的摄像头，将感知的红外画面送入主控电 路；3)主控电路对所获得图像进行处理，将其转换为纯黑色图案中的白色点状图案信 息；4)假定红外线平面与投影画面完全重合，由于两个画面的分辨率不一样，下面的 公式即可将红外画面中的白色点状图案坐标转化为投影画面的鼠标坐标其中，X，Y为投影画面中的鼠标坐标值，ffx，Wy分别代表白色光斑的中心点在红外 画面中的位置坐标信息；Bx，By分别代表黑色红外画面的宽高值；Ws，Hs分别代表投影画面 的宽高值，即屏幕分辨率；由于要使得投影画面的边缘区域可操作，红外画面势必要略大于投影画面；校正 时分别触击投影画面的四个角所得到的四个白色光斑产生的范围被称为标定范围；即上述 Bx, By实际是红外画面中标定范围的宽高值，ffx, Wy也是标定范围内的相对坐标值；5)运动识别检测由于摄像头是以25fps或30fps的帧速率进行采集，所以根据 上述公式所得到的点击坐标数据也是以相同的速率发送给主控电路的；将该白斑图案中心位置作为鼠标光标的运动及点击数据，并将回应的画面投射到 前端附件的投影幕上；同时如有音频信号输出时，则通过无线音视频发送模块发送音频信 号到前端附件的无线音频接收模块，无线音频接收模块驱动扬声器播放音频信息；6)当采用主、从设备工作时，采集画面拼接使用以下技术实现将多台从设备服 务端通过即插型总线连接到主设备服务端；从设备将采集到的红外线画面信息传递给主设 备，主设备进行采集画面的拼接，并统一进行坐标值分析，并将投射界面自动分割并将最终 画面返回给每个从设备，以实现投影和采集的拼接。
所述步骤幻中，对图像采用常规的去色、模糊、高反差边缘化处理、增加对比度和 锐化处理。本发明的有益效果是1.本发明由于在服务端使用了采集摄像头与投射镜头无限接近的布局特征，保证 了采集范围与投射范围接近重合，可以有效避免室内的红外线灯光干扰，增大了实用环境 范围。2.本发明通过使用特定的硬件组合与软件算法，实现了高速、高精度的触控投影 功能。3.本发明的软件算法使用OPENCL技术，利用GPU的通用计算特性，计算速度快，且 能耗较低。4.本发明的服务端硬件组成方式与特殊布局，可以大大减少软件计算的工作量， 使得从画面处理到计算出坐标值的过程变得更加快捷方便。5.在主频为1. 8MHz的CPU和GMA4500的GPU配合下，操作画面单帧处理速度最快 可达2-5毫秒，完全不存在操作延时问题。6.本发明将使得红外线触控设备微缩化，安装使用简洁化，同时保证了触控功能 高精度的特性和大屏幕信息传播的特性。7.与其他专利不同的是，本发明比较的是前一帧的坐标数据，而不是图像。如果坐 标值数据没有变化或无数据(即没有点击操作)，则不发送给系统，这便大大减少了系统的
计算量。8.本发明专利里，“摄像头与投射光源轴距无限接近”的布局方式已经可以解决采 集画面与投射画面位置误差导致的畸变校正问题。且由于采集模块与投射模块物理分离， 可以大大减少维护成本，使得产品寿命延长。
图1为本服务端一体机结构示意图；图2为前端附件结构示意图；图3为使用状态图；图4为从设备结构示意图；图5为多台设备拼接使用状态图。其中，1.主板，2.即插型通用模块与接口，3. CPU，4. GPU，5.存储介质，6.液晶驱动 板，7.光源，8.摄像头，9.红外滤光片，10.无线音频发射模块，11.红外光源，12.无线音频 接收模块，13.扬声器，14.投影幕，15.凸透镜，16.视频输入和输出接口。
具体实施例方式下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。图1、图3中，本发明主要由服务端一体机和前端附件组成。服务端一体机内部的 主要构件有主板1、即插型总线模块与接口 2、CPU3、GPU4、存储介质5、无线音频发射模块 10，液晶驱动板6前方设有光学成像凸透镜15，凸透镜15、液晶驱动板6和光源在同一轴线 上，摄像头8则无限接近该轴线，并设有红外滤光片9 ；图2中，前端附件包括一个位于投影
6幕上部或下部或侧部的与投影幕边长尺寸相应的座体，在座体两端设有至少两个红外光源 11 (可以是红外点光源)，至少两个红外光源11各以45度角倾斜方向投射(第三个或第三 个以上的则可随意放置没有角度的限制)，形成一个无限接近投影幕的红外线平面并与投 影幕平面平行。座体内设有无线音频接收模块12，它与扬声器13连接。投影幕14为半透 明或透明介质。座体位于投影幕14上部或下部或侧部的与投影幕边长尺寸相应。摄像头 8与轴线无限接近，保证投射范围与采集范围无限接近重合，避免外界干扰，扩大使用范围。图5为多台一体机触控投影设备并联的使用时，以一个服务端一体机作为主设 备，然后与各从设备并联即可。图4中，所述从设备为安装在壳体内的投影电路，在投影电 路上还设有与服务端一体机相配合的视频输入和输出接口 16及即插型通用模块与接口 2。上述结构克服了现有技术无法解决的硬件架设复杂，软件调试困难的特点，使大 多数复杂工作在一体机生产过程中提前完成，同时增强了触控投影的使用范围和触控精 度。由于一体机的特殊布局，保证了投射画面与摄像头采集画面相对固定，所以画面标定与 畸变校正只需在产品出厂前一次性调试完成，为用户使用提供了便利条件。本发明的工作方法为用户成像端的两个红外光源11以45度角倾斜方向投射，形成一个无限接近成像 平面的红外线平面并与成像平面平行，用户使用时只需将手指或类手指物体在接触到该平 面，便可将红外光线反射到服务端，形成了简单的红外触控画面信息。服务端的摄像头通过 红外线滤波设备即可感知该红外画面。同时将画面传递给CPU和GPU进行分析处理。通过 软件分析，使用五个步骤将该画面处理成纯黑色画面中的白色点状图案信息，并转化为坐 标值信息，同时将坐标值信息解析成系统可识别的多点鼠标光标的坐标信息。具体过程为1)利用前端附件的两红外光源，在投影幕前形成一个红外线平面；同时在投影幕 上显示各种画面，在画面上设有供点击区域；2)当有人用手或其他物体接触到与点击区域相应的该红外平面时，将红外光反 射向服务端一体机，该设备利用带有红外滤光片的摄像头，将感知的红外画面送入主控电 路；3)主控电路对所获得图像进行处理，将其转换为纯黑色图案中的白色点状图案信 息；对图像采用常规的去色、模糊、高反差边缘化处理、增加对比度和锐化处理。4)假定红外线平面与投影画面完全重合，由于两个画面的分辨率不一样，下面的 公式即可将红外画面中的白色点状图案坐标转化为投影画面的鼠标坐标其中，X，Y为投影画面中的鼠标坐标值，ffx，Wy分别代表白色光斑的中心点在红外 画面中的位置坐标信息；Bx，By分别代表黑色红外画面的宽高值；Ws，Hs分别代表投影画面 的宽高值，即屏幕分辨率；由于要使得投影画面的边缘区域可操作，红外画面势必要略大于投影画面；校正 时分别触击投影画面的四个角所得到的四个白色光斑产生的范围被称为标定范围；即上述 Bx, By实际是红外画面中标定范围的宽高值，ffx, Wy也是标定范围内的相对坐标值；
5)将根据上一步计算出的该白斑图案中心位置作为鼠标的运动及点击数据，并将 回应的画面投射到前端附件的投影幕上，同时如有音频信号输出时，则通过无线音视频发 送模块发送音频信号到前端附件的无线音频接收模块，无线音频接收模块驱动扬声器播放 音频信息，实现声音画面的无线传输，并保证声画完全同步。6)当采用主、从设备工作时，采集画面拼接使用以下技术实现将多台从设备服 务端通过即插型总线连接到主设备服务端；从设备将采集到的红外线画面信息传递给主设 备，主设备进行采集画面的拼接，并统一进行坐标值分析，并将投射界面自动分割并将最终 画面返回给每个从设备，以实现投影和采集的拼接。所述步骤幻中，对图像采用常规的去色、模糊、高反差边缘化处理、增加对比度和 锐化处理。图2是单一设备的安装使用方式，其特点是将多种产品整合，使用户成像端既具 有红外线发射功能，又具有无线音频接收与放音功能，同时设备的既定组合保证了红外发 射端以最佳角度投射，增强便携与实用性。本发明在出厂前进行调校，使得设备的安装使用非常简单，一体机背投设备即可 落地安装，也可吊挂安装，即使是非专业人员也可轻松安装使用。将服务端架设于半透明成 像介质之后，通过调整距离和焦距，可得到相应大小的画面；将前端附件架设于成像介质的 前端底部，并分别接电即可。并联时，将一台主设备和多台从设备用即插型总线相连，采集 画面在主设备一体机内部处理并用软件实现拼接计算。
权利要求
1 一种室内无线音视频全息交互式背投一体机，其特征是，它包括至少一个服务端一 体机和一个前端附件；所述服务端一体机包括安装在壳体内的控制电路和投影电路，控制 电路设有视频输入和输出接口以及无线音频发送模块；投影电路的摄像头前方设有红外滤 光片；所述前端附件包括一个位于投影幕上部或下部或侧部的与投影幕边长尺寸相应的座 体，在座体两端设有至少两个红外光源，至少有两红外光源各以45度角倾斜方向投射，形 成一个无限接近成投影幕的红外线平面并与投影幕平面平行。
2.如权利要求1所述的室内无线音视频全息交互式背投一体机，其特征是，所述服务 端一体机通过视频输入和输出接口与至少一个从设备连接，从设备也与一个相应的前端附 件配合；所述从设备为安装在壳体内的投影电路，在投影电路上还设有与服务端一体机相 配合的视频输入和输出接口以及即插型通用模块与接口
3.如权利要求1所述的室内无线音视频全息交互式背投一体机，其特征是，所述控制 电路还包括主板，主板上电连接CPU和GPU以及即插型通用模块与接口，视频输入和输出接 口以及无线音频发送模块与主板电连接。
4.如权利要求1或2所述的室内无线音视频全息交互式背投一体机，其特征是，所述投 影电路包括液晶驱动板和与之连接的光源，所述液晶驱动板前方设有光学成像凸透镜，它 与光源在同一轴线线上，摄像头无限接近该轴线并设有红外滤光片。
5.如权利要求1所述的室内无线音视频全息交互式背投一体机，其特征是，所述座体 上设有无线音频接收模块，它与扬声器连接。
6.如权利要求1所述的室内无线音视频全息交互式背投一体机，其特征是，所述投影 幕为半透明或透明介质。
7.—种权利要求1所述的室内无线音视频全息交互式背投一体机的实现方法，其特征是，1)利用前端附件的两红外光源，在投影幕前形成一个红外线平面；同时在投影幕上显 示各种画面，在画面上设有供点击区域；2)当有人用手或其他物体接触到与点击区域相应的该红外平面时，将红外光反射向服 务端一体机，该设备利用带有红外滤光片的摄像头，将感知的红外画面送入主控电路；3)主控电路对所获得图像进行处理，将其转换为纯黑色图案中的白色点状图案信息；4)假定红外线平面与投影画面完全重合，由于两个画面的分辨率不一样，下面的公式 即可将红外画面中的白色点状图案坐标转化为投影画面的鼠标坐标其中，X，Y为投影画面中的鼠标坐标值，Wx，Wy分别代表白色光斑的中心点在红外画面 中的位置坐标信息；Bx，By分别代表黑色红外画面的宽高值；Ws，Hs分别代表投影画面的宽 高值，即屏幕分辨率；由于要使得投影画面的边缘区域可操作，红外画面势必要略大于投影画面；校正时分 别触击投影画面的四个角所得到的四个白色光斑产生的范围被称为标定范围；即上述Bx， By实际是红外画面中标定范围的宽高值，Wx, Wy也是标定范围内的相对坐标值；5)运动识别检测由于摄像头是以25fps或30fps的帧速率进行采集，所以根据上述公式所得到的点击坐标数据也是以相同的速率发送给主控电路的；将该白斑图案中心位置作为鼠标光标的运动及点击数据，并将回应的画面投射到前端 附件的投影幕上；同时如有音频信号输出时，则通过无线音视频发送模块发送音频信号到 前端附件的无线音频接收模块，无线音频接收模块驱动扬声器播放音频信息；6)当采用主、从设备工作时，采集画面拼接使用以下技术实现将多台从设备服务端 通过即插型总线连接到主设备服务端；从设备将采集到的红外线画面信息传递给主设备， 主设备进行采集画面的拼接，并统一进行坐标值分析，并将投射界面自动分割并将最终画 面返回给每个从设备，以实现投影和采集的拼接。
8.如权利要求7所述的室内无线音视频全息交互式背投一体机的实现方法，其特征 是，所述步骤3)中，对图像采用常规的去色、模糊、高反差边缘化处理、增加对比度和锐化 处理。
全文摘要
本发明涉及一种结构简单，使用方便的室内无线音视频全息交互式背投一体机及实现方法。它包括至少一个服务端一体机和一个前端附件；所述服务端一体机包括安装在壳体内的控制电路和投影电路，控制电路设有视频输入和输出接口以及无线音频发送模块；投影电路的摄像头前方设有红外滤光片；所述前端附件包括一个位于投影幕上部或下部或侧部的与投影幕边长尺寸相应的座体，在座体两端设有至少两个红外光源，其中至少有两红外光源各以45度角倾斜方向投射，形成一个无限接近成投影幕的红外线平面并与投影幕平面平行。
文档编号G06F3/042GK102096527SQ201010594878
公开日2011年6月15日 申请日期2010年12月18日 优先权日2010年12月18日
发明者何晓, 刘鹏飞 申请人:何晓, 刘鹏飞