专利名称：一种触摸式投影屏幕系统及其实现方法
技术领域：
本发明涉及一种背投影屏幕，特别地涉及一种触摸式背投影屏幕系统及其实现方法。
背景技术：
随着商务、会展、演示以及电教等活动的日益频繁，大屏幕投影技术已经成为了人们必备的多媒体展示手段，在商务办公、科学研究、教育教学、军队训练、行业应用等各个领域中，大屏幕投影设备已经广泛应用。
新技术的不断出现为大屏幕投影技术的持续发展提供了可能的条件，投影机从早期的低亮度(800流明以下)发展到了到现在的高亮度(5000流明以上)及高分辨率(1024×768以上)，大屏幕材料也从最早的白墙介质(增益0.8)发展到增益0.9的白塑幕、之后是增益为2左右的玻珠幕等，直到近期的增益可达8的金属屏幕，但是无论是投影机的发展还是大屏幕材料的改变都是为了更好地改善投影屏幕系统的影像效果。
但是，现有技术中的屏幕投影系统大都仅仅只是作为单向的显示媒介，不能像触摸屏那么进行信息查询，书写等功能，互动性能不好，尤其是在远程会议中，当不同地点的多个人需要通过联网的计算机在同一个内容上工作时，具有较大的局限性；从另一个方面来说，传统的触摸屏技术包括电阻式，电容式，超声波式，红外式四种实现形式，通常不能做到较大的尺寸且对使用环境要求也很高，目前国内还没有适合超大尺寸背投影屏幕的触摸屏。
发明内容
本发明即是针对上述现有技术的现状而提出的一种触摸式背投影屏幕系统及其实现方法，该系统能够利用视觉传感器感知并识别手指或笔状物在背投影大屏幕上的位置并将其转为计算机指令信息，使得投影屏幕具有触摸屏的功能。
为实现上述目的，本发明提供一种触摸式投影屏幕系统，包括透明支撑体、投影屏幕、投影仪、计算机，该系统还包括视觉传感器，所述的视觉传感器包括数字摄像头、摄像头接口电路、数字信号处理器、计算机接口电路，所述的数字摄像头与摄像头接口电路相连，所述的摄像头接口电路还与数字信号处理器连接，所述的数字信号处理器的输出信号通过计算机接口电路与计算机连接；所述的投影屏幕安装在透明支撑体上；所述的视觉传感器设置在投影屏幕与投影仪之间，投影屏幕同样高度；所述的视觉传感器和投影仪均与计算机连接。
所述的视觉传感器可以设置在投影屏幕的前方同样高度；所述的数字摄像头为一个或者一个以上；所述的投影屏幕为聚苯烯酸材料。
本发明还提供一种基于上述触摸式投影屏幕系统的实现方法，该方法包括如下步骤(1)启动校正；(2)投影屏幕特征点拾取、降维；(3)专家系统初步筛选
(4)判断信息是否符合定义条件；(5)如果有，神经网络算法；(6)判断是否有手指位置；(7)如果有，进行手指位置提取；(8)将提取的手指位置与视觉传感器的传递信息进行比对；(9)计算机处理比对信息，驱动鼠标动作，进行控制。
所述的启动校正采用五点定位法，具体为计算机的光标依次从左上角-右上角-屏幕中间点-左下角-右下角，当计算机的光标在每一个位置时，用户用激光笔对准屏幕上的光标位置，持续若干秒，等光标跳到下一位置，在下一个位置，重复如上操作直至所有五个点都进行。
所述的专家系统判断图像上手指信息以及识别手指位置，包括总数据库、控制策略和产生式规则，所述的总数据库中的数据包括实践中在认为对图像分析的情况下产生的手指所具有的一些经验信息和数据以及在图像处理过程中所能代表图像中手指信息的一些数据信息，所述的控制策略为如何在各种环境下尽量减少错误的识别手指信息的算法，所述的产生式原则联系协调总数据库与控制策略。
所述的神经网络算法中采用均值聚类法作为隐层的学习方法，应用梯度下降法作为输出层的学习方法。
本发明具有如下显著优点1、使超大投影屏幕变为触摸屏成为可能；2、传感器放置位置灵活，可放置于投影仪后1至4米的范围内，传感器放置高度可以从地上到4米左右的高度；2、投影仪屏幕的大小通过五点定位法确定，改变屏幕的大小不会对传感器提额外要求；3、五点定位法方法简单，定位准确。
图1为本发明一种触摸式投影屏幕系统的结构示意图；图2为视觉传感器的原理框图；图3为本发明一种触摸式投影屏幕系统的实现方法的流程图；图4为本发明的五点定位示意图。
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细介绍，但不作为对本发明的限定。
参考图1，一种触摸式投影屏幕系统，包括透明支撑体1、投影屏幕2、视觉传感器3、投影仪4以及计算机5，透明支撑体1可以为玻璃等材料制成，投影屏幕2为聚苯烯酸材料制成，其安装在透明支撑体1上，可作为显示终端和触摸屏界面，视觉传感器3设置安装在投影屏幕2与投影仪4之间，其高度可以和投影屏幕2一致，也可以放置于投影屏幕2的正下方，通过平面镜的若干次镜面反射实现对投影屏幕2范围的感知，(图中未标识出)，投影仪4和视觉传感器5均通过标准的232接口或者USB接口与计算机5连接，实现相互间的通讯功能。
参考图2，视觉传感器3包括数字摄像头31、摄像头接口电路32、数字信号处理电路33、计算机接口电路34，其中数字摄像头31可以设置为一个或者多个，作用为获取投影屏幕2上的物体信息，其与摄像头接口电路32相连，摄像头接口电路32接收数字摄像头31采集的信息后传送给数字信号处理电路33，数字信号处理电路33将采集信号数字化，随后识别屏幕上物体的特征并判断是否用户输入或者干扰信息；对用户输入信息，计算出用户手指或其他物体在屏幕上的物理坐标和控制指令，随后通过计算机接口电路34传给计算机5执行相应的操作。
参考图3，上述的触摸式投影屏幕系统实际使用中的实现方法步骤如下步骤101启动校正；步骤102投影屏幕特征点拾取、降维；步骤103专家系统初步筛选步骤104判断信息是否符合定义条件；步骤105如果有，神经网络算法；步骤106判断是否有手指位置；步骤107如果有，进行手指位置提取；步骤108将提取的手指位置与视觉传感器的传递信息进行比对；步骤109计算机处理比对信息，驱动鼠标动作，进行控制。
参考图4，在步骤101中，初始定位和校正采用五点定位法，其步骤为当启动校正程序时，计算机的光标依次从左上角-＞右上角-＞屏幕中间点-＞左下角-＞右下角。当计算机的光标在每一个位置时，用户用激光笔对准屏幕上的光标位置，持续若干秒，则光标跳到如上所述的下一位置；在下一个位置，重复如上操作直至所有五个点都进行完这样的操作。经过这样校正以后，当手指触摸到屏幕时，光标会跟随手指并位于手指正下方。
在步骤103中，专家系统判断图像上手指信息以及识别手指位置，包括总数据库、控制策略和产生式规则，总数据库中的数据包括(1)实践中在认为对图像分析的情况下产生的手指所具有的一些经验信息和数据，(2)在图像处理过程中所能代表图像中手指信息的一些数据信息；；控制策略为如何在各种环境下尽量减少错误的识别手指信息的算法，产生式原则是一个以“如果满足这个条件，就应当采取某些操作”形式判断，其联系协调总数据库与控制策略。本专家系统实际上就是“如果图像上那一点的数据符合数据库中的一项特征数据，那么它被认为可能是手指信息进入下一层筛选，如果不符合的点则推出筛选。经过层层筛选以后得到最后的结论。”在步骤105中，神经网络算法采用模式识别中的基本算法，大致为利用试验中已知手指的信息来进行对神经网络的训练和学习，通过这些学习来确定网络的参数(如隐层节点数、权值、隐层节点宽度等)从而确定网络的结构；学习则为通过一些已知的输入输出信息，来测算和调整网络的参数。随着学习的深入进行，这些参数将围绕着一个中心值少量变化，这些中心值就可以作为网络的结构参数制定下来；整个学习过程大致可以分为两个阶段隐层的学习过程和输出层的学习过程。其中隐层的训练过程就是隐层节点数和权值的确定过程，而通过输出层的训练可以得到连接的权值。其中隐层的学习方法可采用均值聚类法，输出层的学习方法采用梯度下降法。
软件中的神经网络和专家系统相结合的方式对视觉传感器3传输来的数据进行识别，以确定手指的更加精确的位置。
本发明的实际过程表现为手指或指状物在投影屏幕2上操作时，视觉传感器1将复杂背景下的投影屏幕2上的图像场景拍摄下来，并转换成数字信号，识别屏幕上物体的特征并判断是否用户输入或者干扰信息；对用户输入信息，计算出用户手指或其他物体在屏幕上的物理坐标和控制指令，随后将目标位置和控制信息传送给计算机5进行处理，计算机5中通过相应的驱动软件对鼠标位置和控制信息进行控制；计算机5上要放映的信息仍然以传统方式通过投影仪实现投影屏幕上的放映，从而本发明能够达到互动性控制的目的。
本发明的特定实施例已对本发明的内容作出了详尽的说明，对本领域一般技术人员而言，在不背离本发明精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。
权利要求
1.一种触摸式投影屏幕系统，包括透明支撑体、投影屏幕、投影仪、计算机，其特征在于该系统还包括视觉传感器，所述的视觉传感器包括数字摄像头、摄像头接口电路、数字信号处理器、计算机接口电路，所述的数字摄像头与摄像头接口电路相连，所述的摄像头接口电路还与数字信号处理器连接，所述的数字信号处理器的输出信号通过计算机接口电路与计算机连接；所述的投影屏幕安装在透明支撑体上；所述的视觉传感器设置在投影屏幕与投影仪之间，投影屏幕同样高度；所述的视觉传感器和投影仪均与计算机连接。
2.如权利要求1所述的一种触摸式投影屏幕系统，其特征在于所述的视觉传感器可以设置在投影屏幕的前方同样高度。
3.如权利要求1所述的一种触摸式投影屏幕系统，其特征在于所述的数字摄像头为一个或者一个以上。
4.如权利要求1所述的一种触摸式投影屏幕系统，其特征在于所述的投影屏幕为聚苯烯酸材料。
5.一种基于如权利要求1所述的一种触摸式投影屏幕系统的实现方法，其特征在于该方法包括如下步骤(1)启动校正；(2)投影屏幕特征点拾取、降维；(3)专家系统初步筛选；(4)判断信息是否符合定义条件；(5)如果有，神经网络算法；(6)判断是否有手指位置；(7)如果有，进行手指位置提取；(8)将提取的手指位置与视觉传感器的传递信息进行比对；(9)计算机处理比对信息，驱动鼠标动作，进行控制。
6.如权利要求5所述的一种触摸式投影屏幕系统的实现方法，其特征在于所述的校正方式为五点定位法，其步骤为计算机的光标依次从左上角-右上角-屏幕中间点-左下角-右下角，当计算机的光标在每一个位置时，用户用激光笔对准屏幕上的光标位置，持续若干秒，等光标跳到下一位置，在下一个位置，重复如上操作直至所有五个点都进行。
7.如权利要求5所述的一种触摸式投影屏幕系统的实现方法，其特征在于所述的专家系统判断图像上手指信息和识别手指位置，包括总数据库、控制策略和产生式规则，所述的总数据库中数据包括实践中在认为对图像分析的情况下产生的手指所具有的一些经验信息和数据以及在图像处理过程中所能代表图像中手指信息的一些数据信息，所述的控制策略为如何在各种环境下尽量减少错误的识别手指信息的算法，所述的产生式原则联系协调总数据库与控制策略。
8.如权利要求5所述的一种触摸式投影屏幕系统的实现方法，其特征在于所述的神经网络算法中采用均值聚类法作为隐层的学习方法，应用梯度下降法作为输出层的学习方法。
全文摘要
本发明公开了一种触摸式背投影屏幕系统及其实现方法，该系统包括透明支撑体、投影屏幕、视觉传感器、投影仪和计算机，所述的视觉传感器包括数字摄像头、摄像头接口电路、数字信号处理器、计算机接口电路，所述的数字摄像头与摄像头接口电路相连，所述的摄像头接口电路还与数字信号处理器连接，所述的数字信号处理器的输出信号通过计算机接口电路与计算机连接；所述的投影屏幕安装在透明支撑体上；所述的视觉传感器设置在投影屏幕与投影仪之间，投影屏幕同样高度；所述的视觉传感器和投影仪均与计算机连接；其实现方法采用了专家系统和神经网络技术相结合的算法启动校正采用了五点定位法。该系统能够使超大投影屏幕变为触摸屏。
文档编号G03B21/00GK1896919SQ20051008383
公开日2007年1月17日 申请日期2005年7月14日 优先权日2005年7月14日
发明者李银林 申请人:李银林