一种三维图形的生成方法和电子白板系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种三维图形的生成方法和电子白板系统，该方法通过将定位传感器得到的三维空间坐标和MEMS传感器得到的三维空间偏移量两种数据融合，得到高精度三维坐标，进而得出高精度的三维图形数据；该系统通过定位传感器和MEMS传感器分别独立处理，进而将数据发送至系统控制主机处理，从而结合得出高精度的三维图形数据。本发明方法和系统利用定位传感器和MEMS传感器的结合，将两者得到的不同类型的数据进行有机地结合，从而得出高精度的空间定位信息，并利用有效时间内的空间定位信息分析计算得到高精度的三维图形。本发明作为一种三维图形的生成方法和电子白板系统可广泛应用于三维数据处理及显示领域。
【专利说明】一种三维图形的生成方法和电子白板系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及数据处理领域，尤其是一种三维图形的生成方法和电子白板系统。
【背景技术】
[0002]电子白板作为一种新兴产品，是汇集了尖端电子技术、软件技术等多种高科技手段研发的高新技术产品，它通过与计算机和投影仪配合使用，可以实现无纸化办公及教学。电子白板的应用优势在于人机的互动性，教师和学生可以直接在白板上用专用笔对文档和软件进行操作，甚至不必使用键盘就可以在屏幕上进行书写和绘画标记，非常的方便和直观。
[0003]目前的交互式电子白板的互动白板包括有使用压感技术、红外线技术、超声波技术以及电磁感应技术等，但是这些结构的实现的互动白板存在诸多缺点，最主要的是书写不方便，尤其是红外技术对白板的平整度要求比较高，并且实现的都是电子白板的平面上而非三维立体的书写和绘画，且受限于电子白板的版面大小。
【发明内容】
[0004]为了解决上述技术问题，本发明的目的是:提供一种适用于电子白板系统上的高精度三维图形的生成方法。
[0005]为了解决上述技术问题，本发明的另一目的是:提供一种能实现描绘三维图形的电子白板系统。
[0006]本发明所采用的技术方案是:一种三维图形的生成方法，包括以下步骤:
A、利用放置于检测区域边沿的两个CMOS定位传感器构成的感测器组检测红外光电子笔光点，进而根据检测到的数据计算红外光电子笔的三维空间坐标；
B、利用红外光电子笔内部所带有的加速度传感器、陀螺仪、地磁仪中的一种或多种构成的MEMS传感器单元，检测红外光电子笔的运动，进而根据检测到的数据计算红外光电子笔的三维空间偏移量和姿态；
C、将红外光电子笔所计算得到的三维空间偏移量和CMOS定位传感器计算得到的三维空间坐标两种数据融合，得到高精度三维坐标；
D、将有效时间内的高精度三维坐标转化为空间运动轨迹，再由空间运动轨迹转换为三维图形数据，并显示三维图形；由红外电子笔的姿态及位移控制三维图形的旋转、移动和缩放。
[0007]进一步，所述步骤A中，两个CMOS定位传感器得到两组数据(XI，Yl)，(X2，Y2)，将两组数据中的Yl，Υ2及Χ1，Χ2分别组合成为两组新数据，得到(Υ1，Υ2)，(XI, Χ2),再根据Υ1、Υ2运算得到平行于平面的坐标数据(X，Y)，以及由Χ1、Χ2运算得到垂直于平面的距离数据Ζ，再由(X，Y, Ζ)构成红外光点的三维空间坐标。
[0008]进一步，所述步骤A中使用多组感测器组，用于将多组感测到的数据在运算、融合后得到任意面积内的三维空间坐标。[0009]进一步，所述步骤B中的MEMS传感器单元感测所述电子笔的运动，得到加速度值、旋转角度以及地磁强度值，在通过滤波、旋转、二次积分得及数据融合，得到电子笔的三维空间偏移量和姿态。
[0010]进一步，所述步骤D中由空间运动轨迹转换为三维图形数据包括，以草图形式出现的徒手画图形数据和/或经过系统智能分析后产生的标准图形数据。
[0011]本发明所采用的另一技术方案是:
一种上述三维图形的生成方法的电子白板系统，包括有红外摄像定位装置、红外光电子笔、系统控制主机、显示单元；
所述红外摄像定位装置包括有第一运算单元、第一存储器、第一无线收发模块和两个CMOS定位传感器，所述第一运算单元分别与第一存储器、第一无线收发模块以及所述两个CMOS定位传感器连接；
所述红外光电子笔包括有红外LED、按键开关、第二运算单元、第二存储器、第二无线收发模块和由加速度传感器、陀螺仪和地磁传感器中的一种或多种构成的传感器单元，所述传感器单元、第二存储器、第二无线收发模块、红外LED以及按键开关均与第二运算单元相连接；
所述系统控制主机包括第三无线收发模块、中央处理单元、轨迹重现模块、第三存储器和视频输出单元，所述第三无线收发模块分别与第一无线收发模块和第二无线收发模块连接，所述第三存储器与中央处理单元连接，所述第三无线收发模块与中央处理单元连接，所述中央处理单元的输出端依次通过轨迹重现模块和视频输出单元连接至显示单元的输入端。
[0012]进一步，所述第一无线收发模块、第二无线收发模块和第三无线收发模块之间使用的通信方式为USB、HDM1、wif1、蓝牙、Zigbee或短距非标2.4G无线通讯方式。
[0013]进一步，所述红外摄像定位装置中的两个CMOS定位传感器可以进行多组扩展。
[0014]进一步，所述红外LED为圈状红外LED。
[0015]进一步，所述显示单元为独立或与系统控制主机一体化的显示器、智能电视、投影仪等。
[0016]本发明的有益效果是:本发明方法利用定位传感器和MEMS传感器的结合，将两者得到的不同类型的数据进行有机地结合，从而得出高精度的空间定位信息，并利用有效时间内的空间定位信息分析计算得到高精度的三维图形。
[0017]本发明的另一有益效果是:本发明系统利用定位传感器和MEMS传感器的结合，将两者得到的不同类型的数据进行有机地结合，从而得出高精度的空间定位信息，并利用有效时间内的空间定位信息分析计算得到高精度的三维图形。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1本发明方法的流程图；
图2为本发明电子白板系统的系统结构图。
【具体实施方式】
[0019]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】作进一步说明: 一种三维图形的生成方法，包括以下步骤:
A、利用放置于检测区域边沿的两个CMOS定位传感器构成的感测器组检测红外光电子笔光点，进而根据检测到的数据计算红外光电子笔的三维空间坐标；
B、利用红外光电子笔内部所带有的加速度传感器、陀螺仪、地磁仪中的一种或多种构成的MEMS传感器单元，检测红外光电子笔的运动，进而根据检测到的数据计算红外光电子笔的三维空间偏移量和姿态；
C、将红外光电子笔所计算得到的三维空间偏移量和CMOS定位传感器计算得到的三维空间坐标两种数据融合，得到高精度三维坐标；
D、将有效时间内的高精度三维坐标转化为空间运动轨迹，再由空间运动轨迹转换为三维图形数据，并显示三维图形；由红外电子笔的姿态及位移控制三维图形的旋转、移动和缩放。
[0020]上述步骤D中，得到的高精度三维坐标会存储起来，所以在一段时间(即有效时间)内有多个空间坐标数据，进而能利用这样的多个数据点转化成空间运动轨迹，进而转换成三维图形数据。
[0021]进一步作为优选的实施方式，所述步骤A中，两个CMOS定位传感器得到两组数据(XI，Yl), (X2，Y2)，将两组数据中的Yl，Y2及XI，X2分别组合成为两组新数据，得到(Y1，Y2), (XI, X2),再根据Y1、Y2运算得到平行于平面的坐标数据(X，Y)，以及由X1、X2运算得到垂直于平面的距离数据Z，再由(X，Y, Z)构成红外光点的三维空间坐标。
[0022]由于CMOS传感器的成像采用光学成像原理，可以直接感测到外部光点在CMOS传感器感光基底上的投影所产生的中心偏移值(XI，Yl),由于感光基底到镜头的距离是固定和已知的S，光点距离中心值X (这里就是Xi或Yi)与S利用三角函数可以求得光点与中心点的偏移角，由于安装CMOS定位传感器时，已经测量到各个CMOS定位传感器的安装角度和相对位置，因此利用两个相互搭配的CMOS定位传感器感测到的与书写平面平行的的两个数据，如XI，X2可以计算出红外光点在书写平面上的位置，再通过换算转化为书写平面上参考点，如白板中心点的坐标(X，Y);同理利用CMOS定位传感所感测到的红外光点在垂直于白板面的轴上所产生的值Yl，Y2通过计算得到光点距离白板面的垂直距离Z，最后得到红外光点相对于白板中心点的空间坐标(X，Y，Z)，实现红外电子光笔的三维空间定位；
两个或两个以上CMOS定位传感器放置在电子白板上边沿和侧边沿，用于对电子笔进行定位。本发明具体实施例中使用了两个CMOS定位传感器，由于CMOS定位传感器对红外光敏感，使用具有一圈红外LED的电子笔来作为目标物，目标物在CMOS定位传感器的捕捉范围内时，两个配合的CMOS定位传感器将感测到的数据传送给定位运算中心运算后得到红外光点的三维坐标，这就具有了直接画三维图形的条件了。例如将一个长方体的遥控器贴在白板上，沿遥控器的边沿和垂直边很容易将遥控器的立体图画出来，又或在平面画出一个三角形，再将笔移开白板，此时笔头所在的位置就是这个立体三角体的顶点，在不要求精确的情况下的画示意图这是非常方便的。如果要精确也很简单，只要将笔头拉开白板面，再输入一个数据，就可以了。当电子笔具有内部传感器时，两种数据的融合将得到更高精度的数据。
[0023]进一步作为优选的实施方式，所述步骤A中使用多组感测器组，用于将多组感测到的数据在运算、融合后得到任意面积内的三维空间坐标。[0024]进一步作为优选的实施方式，所述步骤B中的MEMS传感器单元感测所述电子笔的运动，得到加速度值、旋转角度以及地磁强度值，在通过滤波、旋转、二次积分得及数据融合，得到电子笔的三维空间偏移量和姿态。
[0025]红外光电子笔内部所带有的MEMS传感器(三维加速度传感器、陀螺仪感和/或地磁传感器)感测电子笔的运动，得到加速度值，在通过滤波、旋转、二次积分得到为位移，结合陀螺仪感测到的旋转角度和地磁传感器感测的地磁强度，运算后得到电子笔的三维空间偏移量和姿态。
[0026]姿态即利用三维加速度传感器对重力加速度敏感的特性，当三轴加速度传感器水平放置时，我们默认的姿态是Z轴重力加速度值最大为g，其余X/Y轴都为零，改变加速度姿态，其它两轴产生重力加速度偏移量，偏移量随角度的变化而变化，通过三角函数可以容易地计算出倾斜角度，水平方向上利用地磁传感器对北极敏感，面向北极时磁感应强度最大，背向最小，可以判断南北极，陀螺仪用来检测旋转角度，和旋转方向，与地磁传感器配合得到水平旋转，将三种数据进行融合得到姿态。
[0027]进一步作为优选的实施方式，所述步骤D中由空间运动轨迹转换为三维图形数据包括，以草图形式出现的徒手画图形数据和/或经过系统智能分析后产生的标准图形数据。
[0028]参照图1，一种应用三维图形的生成方法的电子白板系统，包括有红外摄像定位装置、红外光电子笔、系统控制主机、显示单元；
所述红外摄像定位装置包括有第一运算单元、第一存储器、第一无线收发模块和两个CMOS定位传感器，所述第一运算单元分别与第一存储器、第一无线收发模块以及所述两个CMOS定位传感器连接；
所述红外光电子笔包括有红外LED、按键开关、第二运算单元、第二存储器、第二无线收发模块和由加速度传感器、陀螺仪和地磁传感器中的一种或多种构成的传感器单元，所述传感器单元、第二存储器、第二无线收发模块、红外LED以及按键开关均与第二运算单元相连接；
所述系统控制主机包括第三无线收发模块、中央处理单元、轨迹重现模块、第三存储器和视频输出单元，所述第三无线收发模块分别与第一无线收发模块和第二无线收发模块连接，所述第三存储器与中央处理单元连接，所述第三无线收发模块与中央处理单元连接，所述中央处理单元的输出端依次通过轨迹重现模块和视频输出单元连接至显示单元的输入端。
[0029]进一步作为优选的实施方式，所述第一无线收发模块、第二无线收发模块和第三无线收发模块之间使用的通信方式为USB、HDM1、wif1、蓝牙、Zigbee或短距非标2.4G无线通讯方式。
[0030]进一步作为优选的实施方式，所述红外摄像定位装置中的两个COMS定位传感器可以进行多组扩展。
[0031]进一步作为优选的实施方式，所述红外LED为圈状红外LED。
[0032]进一步作为优选的实施方式，所述显示单元为独立或与系统控制主机一体化的显示器、智能电视、投影仪等。
[0033]以下结合图1说明本发明的电子白板系统说明其工作过程:红外摄像定位装置中两个COMS定位传感器感测红外电子笔发出的红外LED光，经过第一运算单元运算后得到三维空间坐标，所述三维空间坐标传递给第一无线收发模块发送到系统控制主机；所述红外光电子笔通过按键开关发出命令到第二运算单元控制红外LED亮灭，方便所述红外摄像定位装置检测所述红外光电子笔的位置，再由传感器单元感测红外光电子笔的运动，得到感测数据，再由第二运算单元运算出红外光电子笔的三维空间偏移量和姿态，通过第二无线收发模块发送到所述系统控制主机；所述系统控制主机的第三无线收发模块接收到红外光电子笔和定位装置发来的数据，通过中央处理单元运算得到红外光电子笔的高精度三维空间坐标和姿态，再通过轨迹重现模块根据按键选择自由绘图模式或标准图形模式，生成自由绘图图形数据或标准图形数据，图形数据通过视频输出单元出送到显示单元。
[0034]以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可以作出种种的等同变换或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
【权利要求】
1.一种三维图形的生成方法，其特征在于:包括以下步骤: A、利用放置于检测区域边沿的两个CMOS定位传感器构成的感测器组检测红外光电子笔光点，进而根据检测到的数据计算红外光电子笔的三维空间坐标； B、利用红外光电子笔内部所带有的加速度传感器、陀螺仪、地磁仪中的一种或多种构成的MEMS传感器单元，检测红外光电子笔的运动，进而根据检测到的数据计算红外光电子笔的三维空间偏移量和姿态； C、将红外光电子笔所计算得到的三维空间偏移量和CMOS定位传感器计算得到的三维空间坐标两种数据融合，得到高精度三维坐标； D、将有效时间内的高精度三维坐标转化为空间运动轨迹，再由空间运动轨迹转换为三维图形数据，并显示三维图形；由红外电子笔的姿态及位移控制三维图形的旋转、移动和缩放。
2.根据权利要求1所述的一种三维图形的生成方法，其特征在于:所述步骤A中，两个CMOS定位传感器得到两组数据(XI，Yl)，(X2，Y2)，将两组数据中的Υ1，Υ2及Χ1，Χ2分别组合成为两组新数据，得到(Yl，Υ2), (XI，Χ2),再根据Υ1、Υ2运算得到平行于平面的坐标数据(X，Y)，以及由X1、Χ2运算得到垂直于平面的距离数据Ζ，再由(X，Υ,Ζ)构成红外光点的三维空间坐标。
3.根据权利要求1所述的一种三维图形的生成方法，其特征在于:所述步骤A中使用多组感测器组，用于将多组感测到的数据在运算、融合后得到任意面积内的三维空间坐标。
4.根据权利要求1所述的一种三维图形的生成方法，其特征在于:所述步骤B中的MEMS传感器单元感测所述电子笔的运动，得到加速度值、旋转角度以及地磁强度值，在通过滤波、旋转、二次积分得及数据融合，得到电子笔的三维空间偏移量和姿态。
5.根据权利要求1所述的一种三维图形的生成方法，其特征在于:所述步骤D中由空间运动轨迹转换为三维图形数据包括，以草图形式出现的徒手画图形数据和/或经过系统智能分析后产生的标准图形数据。
6.一种应用权利要求1所述三维图形的生成方法的电子白板系统，其特征在于:包括有红外摄像定位装置、红外光电子笔、系统控制主机、显示单元； 所述红外摄像定位装置包括有第一运算单元、第一存储器、第一无线收发模块和两个CMOS定位传感器，所述第一运算单元分别与第一存储器、第一无线收发模块以及所述两个CMOS定位传感器连接； 所述红外光电子笔包括有红外LED、按键开关、第二运算单元、第二存储器、第二无线收发模块和由加速度传感器、陀螺仪和地磁传感器中的一种或多种构成的传感器单元，所述传感器单元、第二存储器、第二无线收发模块、红外LED以及按键开关均与第二运算单元相连接； 所述系统控制主机包括第三无线收发模块、中央处理单元、轨迹重现模块、第三存储器和视频输出单元，所述第三无线收发模块分别与第一无线收发模块和第二无线收发模块连接，所述第三存储器与中央处理单元连接，所述第三无线收发模块与中央处理单元连接，所述中央处理单元的输出端依次通过轨迹重现模块和视频输出单元连接至显示单元的输入端。
7.根据权利要求6所述的电子白板系统，其特征在于:所述第一无线收发模块、第二无线收发模块和第三无线收发模块之间使用的通信方式为USB、HDM1、wif1、蓝牙、Zigbee或短距非标2.4G无线通讯方式。
8.根据权利要求6所述的电子白板系统，其特征在于:所述红外摄像定位装置中的两个CMOS定位传感器可以进行多组扩展。
9.根据权利要求6所述的电子白板系统，其特征在于:所述红外LED为圈状红外LED。
10.根据权利要求6所述的电子白板系统，其特征在于:所述显示单元为独立或与系统控制主机一体化的 显示器、智能电视、投影仪等。
【文档编号】G06F3/038GK104007846SQ201410219844
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2014年5月22日 优先权日:2014年5月22日
【发明者】罗富强 申请人:深圳市宇恒互动科技开发有限公司