专利名称：一种智能电子白板系统及其光斑位置提取方法
技术领域：
本发明涉及一种智能电子白板系统，尤其涉及一种基于红外激光技术的智能电子白板系统及其光斑位置提取方法。
背景技术：
多媒体教学已经在大专院校甚至中小学得到了普及，这一教学手段使课程内容更加丰富生动易于学生吸收、大大提高了课堂效率。传统的多媒体教学设备皆以PC机为主体，教师在课堂上对PC机进行操作时需要用鼠装置，不利于课堂内容表达。现有的白板存在有价格高，笔迹定位精度低，笔记定位延迟高的缺点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的缺陷，提供一种价格低廉的，具有较高的笔迹定位精度，笔迹定位延迟小，书写效果良好的红外激光式电子白板系统。本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案
一种智能电子白板系统，包括红外激光书写笔、投影幕布、冷光投影仪、带有红外滤镜的红外摄像头、视频信号采集系统、PC机；其中，所述红外激光书写笔、冷光投影仪分别位于投影幕布的同一侧，所述红外摄像头位于投影幕布的另一侧，红外摄像头通过所述视频信号采集系统与PC机的输入端相连，所述PC机的输出端与冷光投影仪相连。作为本发明的智能电子白板系统的进一步优化方案，所述视频信号采集系统包括视频分离模块、模拟比较器、光斑位置提取模块、D/A模块、无线接收模块和USB接口控制模块；其中，所述红外摄像头的输出端分别与视频分离模块、模拟比较器的第一输入端相连， 视频分离模块、模拟比较器的输出端分别与光斑位置提取模块的输入端相连，光斑位置提取模块的输出端分别与USB接口控制模块的输入端、D/A模块的输入端相连，USB接口控制模块的输出端与PC机的输入端相连，D/A模块的输出端与模拟比较器的第二输入端相连， 所述无线接收模块与光斑位置提取模块相连。作为本发明的智能电子白板系统的进一步优化方案，所述红外激光书写笔的笔头配置低功率红外激光管，笔身内封装有无线模块，笔身上包括一个自复位按键，以及分别模拟通用鼠标左右键及滚轮功能的按键、滚轮模块。作为本发明的智能电子白板系统的进一步优化方案，所述红外摄像头为PLA制式红外摄像头，所述红外滤镜采用760nm红外光滤镜。作为本发明的智能电子白板系统的进一步优化方案，所述红外摄像头前端还配置一个鱼眼透镜。作为本发明的智能电子白板系统的进一步优化方案，所述红外激光笔笔身内封装的无线模块采用NRF24L01型无线模块。作为本发明的智能电子白板系统的进一步优化方案，所述视频分离模块采用 LM1881视频信号分离芯片，所述模拟比较器采用TL714C高差分比较器，所述光斑位置提取模块采用ATmegaie单片机作为为微控制器，所述USB接口控制模块采用CH372接口芯片。作为本发明的智能电子白板系统的进一步优化方案，所述投影幕布采用PVC材质。一种基于智能电子白板系统的光斑位置提取方法，包括如下步骤
步骤(1 )，采用红外激光书写笔向投影幕布一侧投射红外激光束，采用冷光投影仪向投影幕布同一侧投影，采用红外摄像头从投影幕布的另一侧拍摄投影幕布上的红外光斑，获取红外光斑的视频信号；
步骤(2)，采用视频分离模块对步骤(1)获取的视频信号进行分离，得出视频流的行、 场信号；与此同时，采用模拟比较器对视频信号进行鉴幅整形，当视频流行信号出现红外光斑时，采用模拟比较器将该对应行的模拟信号转变为矩形脉冲信号；
步骤(3)，将步骤(2)分离出的视频流的行、场信号分别输入至基于单片机的光斑位置提取模块的两个中断引脚，同时将步骤(2)得到的矩形脉冲信号输入至光斑位置提取模块的定时器输入捕捉引脚；
步骤(4)，采用光斑位置提取模块进行光斑位置信息提取，当视频流的场信号到达中断引脚发生场中断时，根据奇偶场信号分别进行如下处理
步骤(41)，如果是奇场信号，允许行中断，清除行中断次数计数器，等待行信号的到
来；
当行信号到达中断引脚产生行中断时，将行中断次数计数器加一，并立即开启定时计数器，对矩形脉冲信号进行捕捉，当前行有光斑出现，则捕捉到矩形脉冲信号，并读得鉴幅整形后的上跳变沿时刻Tl、下跳变沿时刻T2两个时刻值；
在读得鉴幅整形后的上跳变沿时刻Tl、下跳变沿时刻T2两个时刻值后，计算出矩形脉冲信号在整个时间段上的偏移，用时间偏移来估计光斑相对于图像边界偏移，定义为光斑位置在投影画面二维平面的横向坐标分量(X)，在某一行捕捉到矩形脉冲信号后，根据行中断次数计数器的值得出光斑相对于图像上下边界的偏移，定义为光斑位置在投影画面二维平面的纵向坐标分量(Y);
步骤(42)，如果是偶场信号，则关闭行中断，放弃后续的各行数据，转而进行前一奇场所采集到数据的处理，根据前一奇场所得的横向坐标分量(X)和纵向坐标分量(Y)进行处理包括采用平滑滤波的方式对噪声信息进行滤除，以及采用查表的方式对所提取的信息进行失真补偿，最后得到光斑在投影画面的横向坐标、纵向坐标，得到光斑位置信息。作为前述光斑位置提取方法的进一步优化方案，在步骤(2)中模拟比较器进行鉴幅整形时还包括步骤采用D/A模块将光斑位置提取模块输出的数字信号转化成模拟电压，传输至模拟比较器，动态设置模拟比较器电压阈值。本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果
(1)书写笔采用红外激光管作为发光源，增强抗干扰能力，笔身设计多个按键，实现更多的操作功能。本发明所采用的红外激光管为低功率红外激光管，所产生激光束对人眼无伤害，激光束在幕布上形成的光斑大小不会光源到幕布的距离变化，便于笔迹精确定位。另夕卜，笔身设计按键和转盘，可以模拟传统鼠标的左右键及滚轮的功能，在产品初次使用或出现偏差时，可以利用按键操作相关的较准过程。笔身设计自复位按扭，控制激光管供电，使用时轻触点亮激光管，闲时自灭，可节约能量提高产品寿命。
(2)红外摄像头安放在幕布后侧的，书写者手臂或者身体不会干扰摄像头对幕布上光斑的监测，这样可以较自然的姿势进行书写操作。在教室内，幕布应尽量靠近讲台，如果按照现有技术安装投影仪的位置，则其幕布面积会受投影光程限制。本发明采用教室中传统的投影仪安放方式，可获得更大投影面积。由于幕布靠近讲台安放，摄像头到幕布距离较近。为了能采集到整个幕布，在摄像头的前端可配置一个鱼眼透镜以增大摄像头视角，或者并列多个摄像头以获得更大监测面积。(3)本发明采用低成本8位单片机作为处理器并结合本发明给出的高效可靠的光斑位置提取算法，大大降低系统成本，提高本发明的实用性。同时，本发明采用CH372 USB 接口芯片，提高了数据上传的自由度，便于扩展且可热插拔。本发明中，下位机ATmegaie实时的提取红外光斑位置信息和接收无线接收模块上传的信息，并控制CH372通过端口以批量上传的方式将相关数据通过USB 口上传到上位PC机的应用软件。
图1是本发明的智能电子白板系统的示意图。图2是智能电子白板系统中的模拟比较器的接线原理图。图3是智能电子白板系统中的光斑位置提取模块的信号接线示意图。图4是本发明的红外书写笔的结构示意图。图中标号说明1-红外激光笔，2-投影幕布，3-冷光投影仪，4-红外摄像头，5-红外滤镜，6-鱼眼透镜，7-视频信号采集系统，8-红外激光开关键，9-转盘，10-左键，11-右键，12-红外激光发射头，13-无线模块。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明
如图1所示，本发明所设计的智能电子白板系统包括红外激光书写笔、投影幕布、冷光投影仪、带有红外滤镜的红外摄像头、PC机；其中，红外激光书写笔、冷光投影仪分别位于投影幕布的同一侧，红外摄像头位于投影幕布的另一侧，还包括视频信号采集系统，红外摄像头通过所述视频信号采集系统与PC机的输入端相连，PC机输出端与冷光投影仪相连。在具体实施例中，摄像头和投影仪分别安放在幕布的两侧，幕布与摄像头的距离约lm，在摄像头视觉张角为120度的情况下，单摄像头的监控范围可以达到两平方米以上。参考图1中所示，视频信号采集电路包括视频分离模块、模拟比较器、光斑位置提取模块、D/A模块、无线接收模块和USB接口控制模块，红外摄像头的输出端分别与视频分离模块和模拟比较器的输入端相连，视频分离模块和模拟比较器的输出端与光斑位置提取模块的输入端相连，光斑位置提取模块的输出端与USB接口控制模块的输入端相连，USB接口控制模块的输出端与PC机的输入端，光斑位置提取模块的输出端与D/A模块的输入端相连，D/A模块的输出端与模拟比较器的输入端相连，无线接收模块的输出端与光斑位置提取模块的输入端相连。光斑位置提取模块采用低成本8位单片机作为处理器，大大降低系统成本，提高本发明的实用性。同时，本发明采用CH372 USB接口芯片，提高了数据上传的自由度，便于扩展且可热插拔。本发明中，ATmegaie实时的提取红外光斑位置信息和无线接收模块上传的信息，并控制CH372控制芯片通过端口以批量上传的方式将相关数据通过USB端口上传到上位PC机的应用软件。
红外激光书写笔配置低功率红外激光管，所述红外激光书写笔笔身上有一个自复位按键，在红外激光书写笔内封装有无线模块，用于传输红外激光书写笔笔身上另外两个按键及转盘的操作信息，所述另外两个按键及转盘是用来分别模拟通用鼠标的左右键及滚轮的功能。
无线模块用于发送无线数据，激光书写笔的笔身按键及滚轮的操作信息通过内置于激光书写笔内的无线模块传送到视频信号采集系统中的无线接收模块，无线接收模块获得这些无线数据后，传给光斑位置提取模块处理；本发明中的视频分离模块采用LM1881视频信号分离芯片，模拟比较器采用TL714C高差分比较器，光斑位置提取模块采用ATmegaie单片机作为为微控制器，USB接口控制模块采用CH372接口芯片。
如图2所示，模拟比较器的接线原理图，对混合视频信号进整形处理，其中阈值电压由ATmegal6的D/A模块给出，实现自适应。
如图3所示，给出了智能电子白板系统中的光斑位置提取模块的信号接线示意图。输送到光斑位置提取模块的共有三个信号，分别是视频行信号、视频场信号、整形后的矩形脉冲信号；其中视频流的行、场信号分别输入至基于单片机中的两个中断引脚，同时矩形脉冲信号输入单片机的定时器输入捕捉引脚。
如图4所示，书写笔采用棒状笔式设计，笔身手握处有三个按扭，一个在上侧靠近拇指位置，用于通断安放在红外激光书写笔内靠前端的激光管电源，是自复位按扭，拇指松开时激光管断电。下侧两个按扭分别由食指和中指控制，用来模拟鼠标左右键功能，其按键信息通过装在笔身内后端的无线模块传送到视频信息采集电路板上。另外笔身还设计有转盘，用来模拟鼠标的滚轮，其转动信息也是能过无线模块传送到采集电路板上的。红外激光书写笔由7号电池供电。激光管发出808nm激光，功率为50mw ；无线模块采用NRFML01。
红外摄像头为PLA制式红外摄像头，在红外摄像头前端配置一个鱼眼透镜增大摄像头视角，或者并列多个摄像头以获得更大监测面积。
红外摄像头安放在投影幕布后侧，书写者手臂或者身体不会干扰红外摄像头对投影幕布上光斑的监测，这样可以较自然的姿势进行书写操作。在教室内，投影幕布应尽量靠近讲台。本发明采用教室中传统的投影仪安放方式，可获得更大投影面积。由于投影幕布靠近讲台安放，红外摄像头到投影幕布距离较近。为了能采集到整个幕布，在红外摄像头的前端可配置一个鱼眼透镜以增大红外摄像头视角，因为所设计的红外激光书写笔发射808nm 红外激光，所以选择760nm典型波长的红外滤镜来过滤环境干扰光。
在实际操作过程中，在PC机端设置有应用软件，该应用软件在VC6. 0环境下开发， 通过动态链接CH372接口芯片的DLL库的方式来调用CH372接口芯片为PC机提供的接口， 通过调用Windows的API接口，来实现对PC机的光标精确移动、左右键操作、滚轮操作，这些过程均属于现有技术，在本实施例中就不详细赘述。
作为本发明的一种优化方式，所述投影幕布采用PVC材质。所述PVC材质投影幕布可以选择软质的悬挂于教室并可以卷曲收起，或者选择硬质的固定在一个框架内，支立在地面上。
针对ATmegaie单片机，本发明设计出新的高效实用型光斑提取方法，降低系统成本，并扩展外围功能，增加开发的自由度。
本发明的智能电子白板系统的光斑提取方法包括如下步骤步骤(1 )，采用红外激光书写笔向投影幕布一侧投射红外激光束，采用冷光投影仪向投影幕布同一侧投影，采用红外摄像头从投影幕布的另一侧拍摄投影幕布上的红外光斑，获取红外光斑的视频信号；步骤(2)，采用视频分离模块对步骤(1)获取的视频信号进行分离，得出行、场信号；与此同时，采用模拟比较器对视频信号进行鉴幅整形，当对应行出现红外光斑时，模拟比较器将该对应行的模拟信号转变为矩形脉冲信号；步骤(3)，将步骤(2)分离出的行、场信号分别输入至基于单片机的光斑位置提取模块的两个中断引脚，同时将所述矩形脉冲信号输入至光斑位置提取模块的定时器输入捕捉引脚；步骤(4)，光斑位置提取模块进行光斑位置信息提取，当场信号到达中断引脚发生场中断时，根据奇偶场分别进行如下处理步骤(41)，如果是奇场，则允许行中断，清除行中断次数计数器，等待行信号的到来； 当行信号到达中断引脚产生行中断时，将行中断次数计数器加一，并立即开启定时计数器，对矩形脉冲信号进行捕捉，当前行有光斑出现，则捕捉到矩形脉冲信号，并读得鉴幅整形后的上跳变沿时刻Tl、下跳变沿时刻T2两个时刻值；在读得鉴幅整形后的上跳变沿时刻Tl、下跳变沿时刻T2两个时刻值后，计算出矩形脉冲信号在整个时间段上的偏移，用时间偏移来估计光斑相对于图像边界偏移，定义为光斑位置在投影画面二维平面的X坐标分量，在某一行捕捉到矩形脉冲信号后，根据行中断次数计数器的值得出光斑相对于图像上下边界的偏移，，定义为光斑位置在投影画面二维平面的Y坐标分量；步骤(42)，如果是偶场，则关闭行中断，放弃后续的各行数据，转而进行前一奇场所采集到数据的处理，根据前一奇场所得的X坐标和Y坐标进行处理，包括采用平滑滤波的方式对噪声信息进行滤除，以及采用查表的方式对所提取的信息进行失真补偿，从而准确地得到光斑在投影画面的X坐标，Y坐标；得到光斑位置信息。
在得到X坐标和Y坐标后，该信息通过CH372上传至PC机。PC机端，在VC6. 0环境下进行软件开发，通过动态链接CH372芯片的DLL库实现上传数据的读取。另外，软件通过调用WINDOWS操作系统的API接口来实现对PC机光标的移动控制，使PC机的光标移动到屏幕上由前述X坐标和Y坐标确定的位置上。，由于投影仪联接关系，投影幕布上的光标同步移动。
从而，当投影幕布上人眼不可见的红外激光斑移动时，投影幕布上的光标准确跟随。
在步骤(2)中模拟比较器进行鉴幅整形时还包括步骤采用D/A模块将光斑位置提取模块输出的数字信号转化成模拟电压，传输至模拟比较器，动态设置模拟比较器电压阈值。
本发明所设计的智能电子白板系统及其光斑位置提取方法，具有价格低廉、笔迹定位精度高、笔迹定位延迟小、书写效果良好的优点。
权利要求
1.一种智能电子白板系统，其特征在于包括红外激光书写笔、投影幕布、冷光投影仪、带有红外滤镜的红外摄像头、视频信号采集系统、PC机；其中，所述红外激光书写笔、冷光投影仪分别位于投影幕布的同一侧，所述红外摄像头位于投影幕布的另一侧，红外摄像头通过所述视频信号采集系统与PC机的输入端相连，所述PC机的输出端与冷光投影仪相连。
2.根据权利要求1所述的智能电子白板系统，其特征在于所述视频信号采集系统包括视频分离模块、模拟比较器、光斑位置提取模块、D/A模块、无线接收模块和USB接口控制模块；其中，所述红外摄像头的输出端分别与视频分离模块、模拟比较器的第一输入端相连，视频分离模块、模拟比较器的输出端分别与光斑位置提取模块的输入端相连，光斑位置提取模块的输出端分别与USB接口控制模块的输入端、D/A模块的输入端相连，USB接口控制模块的输出端与PC机的输入端相连，D/A模块的输出端与模拟比较器的第二输入端相连，所述无线接收模块与光斑位置提取模块相连。
3.根据权利要求1所述的智能电子白板系统，其特征在于所述红外激光书写笔的笔头配置低功率红外激光管，笔身内封装有无线模块，笔身上包括一个自复位按键，以及分别模拟通用鼠标左右键及滚轮功能的按键、滚轮模块。
4.根据权利要求1所述的智能电子白板系统，其特征在于所述红外摄像头为PLA制式红外摄像头，所述红外滤镜采用760nm红外光滤镜。
5.根据权利要求1所述的智能电子白板系统，其特征在于所述红外摄像头前端还配置一个鱼眼透镜。
6.根据权利要求3所述的智能电子白板系统，其特征在于所述红外激光笔笔身内封装的无线模块采用NRF24L01型无线模块。
7.根据权利要求2所述的智能电子白板系统，其特征在于所述视频分离模块采用 LM1881视频信号分离芯片，所述模拟比较器采用TL714C高差分比较器，所述光斑位置提取模块采用ATmegaie单片机作为为微控制器，所述USB接口控制模块采用CH372接口芯片。
8.根据权利要求1所述的智能电子白板系统，其特征在于所述投影幕布采用PVC材质。
9.一种基于权利要求1所述智能电子白板系统的光斑位置提取方法，其特征在于，包括如下步骤步骤(1 )，采用红外激光书写笔向投影幕布一侧投射红外激光束，采用冷光投影仪向投影幕布同一侧投影，采用红外摄像头从投影幕布的另一侧拍摄投影幕布上的红外光斑，获取红外光斑的视频信号；步骤(2)，采用视频分离模块对步骤(1)获取的视频信号进行分离，得出视频流的行、 场信号；与此同时，采用模拟比较器对视频信号进行鉴幅整形，当视频流行信号出现红外光斑时，采用模拟比较器将该对应行的模拟信号转变为矩形脉冲信号；步骤(3)，将步骤(2)分离出的视频流的行、场信号分别输入至基于单片机的光斑位置提取模块的两个中断引脚，同时将步骤(2)得到的矩形脉冲信号输入至光斑位置提取模块的定时器输入捕捉引脚；步骤(4)，采用光斑位置提取模块进行光斑位置信息提取，当视频流的场信号到达中断引脚发生场中断时，根据奇偶场信号分别进行如下处理步骤(41)，如果是奇场信号，允许行中断，清除行中断次数计数器，等待行信号的到来；当行信号到达中断引脚产生行中断时，将行中断次数计数器加一，并立即开启定时计数器，对矩形脉冲信号进行捕捉，当前行有光斑出现，则捕捉到矩形脉冲信号，并读得鉴幅整形后的上跳变沿时刻Tl、下跳变沿时刻T2两个时刻值；在读得鉴幅整形后的上跳变沿时刻Tl、下跳变沿时刻T2两个时刻值后，计算出矩形脉冲信号在整个时间段上的偏移，用时间偏移来估计光斑相对于图像边界偏移，定义为光斑位置在投影画面二维平面的横向坐标分量(X)，在某一行捕捉到矩形脉冲信号后，根据行中断次数计数器的值得出光斑相对于图像上下边界的偏移，定义为光斑位置在投影画面二维平面的纵向坐标分量(Y);步骤(42)，如果是偶场信号，则关闭行中断，放弃后续的各行数据，转而进行前一奇场所采集到数据的处理，根据前一奇场所得的横向坐标分量(X)和纵向坐标分量(Y)进行处理包括采用平滑滤波的方式对噪声信息进行滤除，以及采用查表的方式对所提取的信息进行失真补偿，最后得到光斑在投影画面的横向坐标、纵向坐标，得到光斑位置信息。
10.根据权利要求9所述的基于智能电子白板系统的光斑位置提取方法，其特征在于在步骤(2)中模拟比较器进行鉴幅整形时还包括步骤采用D/A模块将光斑位置提取模块输出的数字信号转化成模拟电压，传输至模拟比较器，动态设置模拟比较器电压阈值。
全文摘要
本发明公开了一种智能电子白板系统，包括红外激光书写笔、投影幕布、冷光投影仪、带有红外滤镜的红外摄像头、视频信号采集系统、PC机；其中，所述红外激光书写笔、冷光投影仪分别位于投影幕布的同一侧，所述红外摄像头位于投影幕布的另一侧，红外摄像头通过所述视频信号采集系统与PC机的输入端相连，所述PC机的输出端与冷光投影仪相连。本发明还公开了一种基于智能电子白板系统的光斑位置提取方法。本发明所设计的智能电子白板系统及其光斑位置提取方法，具有价格低廉、笔迹定位精度高、笔迹定位延迟小、书写效果良好的优点。
文档编号G06F3/042GK102495698SQ20111041470
公开日2012年6月13日 申请日期2011年12月13日 优先权日2011年12月13日
发明者周云城, 徐国政, 邱其文, 高翔 申请人:南京邮电大学