一种投影交互式书法练习系统及其实现方法与流程

本发明涉及投影技术、图像捕捉分析技术、红外线技术、手势控制技术，属于互动投影系统领域，具体的说是一种投影交互式书法练习系统及其实现方法。

背景技术：

现在人们在学习书法时，除了书法老师的面对面讲授，还有就是借助图书、字帖和视频辅助资料等进行学习。但这些书法训练方式有以下的缺点：

1.人们在听书法老师面对面的讲授和临摹字帖时，要先抬头或转头看字帖，记住字型及书写要领后再转回头写字，这样的瞬间记忆会造成写出的字与要临摹的字会有偏差。

2.在与老师或看视频学习时，老师的拿笔姿势只能从单一的拍摄角度去观察和模仿，不能360度全方位地进行观察。这样会造成一种片面模仿。

3.一些在手机、平板电脑移动端上练字的软件可以训练人们在这些终端屏幕上进行书写。但这些只能是练习间架结构，不能有真正用硬笔或毛笔在纸上书写的感觉。

4.在进行书写训练时，笔画的下笔的力度、运笔的节奏等等没有量化的指标，只能靠模仿和自己领悟，这样学习书法效率不高。

5.当人们在书写后，需要老师对写的字进行评判和指导。如果老师不在现场或不能及时评判，那么下一个在写同样的字时，又会犯同样的错误，所以造成事倍而功半。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的上述不足之处，本发明要解决的技术问题是提供一种在可将字帖投影在纸上、有动态书写动画指导、有实时书写节奏提示、可以自动评判断书写结果的、可与移动终端相连并互动的影交互式书法练习系统及其实现方法。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种投影交互式书法练习系统，包括：

摄像头，用于采集系统下方书法练习区域的图像；

双摄像头控制模块，连接摄像头和数据存储模块，用于控制摄像头的采集动作；

LED红外补光灯，用于向书法练习区域进行红外光投射；

数据存储模块，用于存储采集图像坐标系与系统坐标系的坐标对应关系、摄像头采集的图像和练习字的书法数据；

图像数据分析模块，连接数据存储模块、中央处理单元和软件操作模块，用于分析采集图像中的手势，并将分析结果发送给软件操作模块；还用于将数据存储模块中存储的练习字的书法数据和摄像头采集的图像中的字进行对比，按照字迹差距进行评分，并输出给软件操作模块；

中央处理单元，连接图像数据分析模块和软件操作模块，用于控制图像数据分析模块对数据存储模块的数据存取和软件操作模块的软件运行；

软件操作模块，连接数据存储模块、中央处理单元、图像数据分析模块和显示模块，用于提供软件操作菜单，并在接收到用户通过软件操作发出的触发指令下执行相应的软件操作；

显示控制模块，连接数据存储模块、软件操作模块和投影模块，用于在软件操作模块的控制下，将需要输出的操作画面或数据存储模块中存储的练习字的书写动画，通过投影模块投影输出；

投影模块，用于在显示控制模块的控制下，进行相应的投影操作；

电源及电源控制模块，用于向上述模块提供工作电源。

所述摄像头为双摄像头，根据2个摄像头同时采集的图像内容视觉差值，判断图像中的手指或其他柱形物体的三维坐标，从而识别手势动作。

所述练习字的书法数据包括：笔顺、每个笔画的运笔轨迹、动笔轨迹中关键点的力度的量化值、每个笔画的书写动画、每个笔画的执笔动作动画、和每个字的矢量数据。

还包括缩放模块，连接软件操作模块和投影模块，用于在软件操作模块的控制下，控制投影模块输出的投影大小。

所述书写动画包括位于用于要写字位置旁侧的执笔动画，和/或要书写的字的红色外框，伴随按笔顺进行的墨迹书写动画。

一种投影交互式书法练习系统的实现方法，包括以下步骤：

系统坐标初始化：在摄像头和LED红外补光灯前没有可见光滤片的情况下，建立采集图像坐标系与系统坐标系的坐标对应关系，并将所述坐标对应关系存储在数据存储模块中；

在摄像头和LED红外补光灯前有可见光滤片的情况下，执行以下步骤：

显示控制模块控制投影模块在平面上投影出软件操作模块提供的控制菜单，同时摄像头控制模块控制摄像头实时捕捉在投影平面范围内的手势动作图像，将图像数据存储于数据存储模块中，并根据手势动作图像进行相应的手势控制；

在软件操作模块执行练字功能后，显示控制模块控制投影模块在书法练习区域投影出用户要练习的字的书写动画；

将用户写的字通过摄像头拍照，传给数据存储模块，并由图像数据分析模块读取后进行数据分析并评判。

所述显示控制模块控制投影模块在书法练习区域投影出用户要练习的字的书写动画的同时，根据数据存储模块中存储的书法数据中的力度数据给出每个笔画的书写的力度提示，并投影在书法练习区域上。

还包括：

软件操作模块收到用户设置执笔动画演示的触发后，在用户要写字位置的旁侧，在用户写字时的视线范围内，投影出相应字的执笔动画；

和/或，

软件操作模块收到用户设置动态描红的触发后，在书法练习区域投影要书写字的红色外框，并有墨迹按笔顺进行的书写动画。

所述评判操作具体为：

将用户字迹的外轮廓矢量化，然后与数据存储模块中存储的标准字的矢量数据进行比对；每个笔画按照墨迹的填充面积和超出面积，对用户的字迹进行评判，并给出评分；

所述评判操作具体为：

对用户字迹的矢量数据进行提取，并计算出每个笔画的中心线数据；将用户字迹的中心线数据与标准字的中心线数据进行比对；根据比对结果，给出笔画结构位置偏移评判。

本发明具有以下优点及有益效果：

1.将练习字的运笔墨迹动态投影到纸上，使书写者能清晰直观地看到书写方式，并用真实的毛笔在纸上进行跟随书写练习，即不影响真实的书写感觉，也能很快地掌握书写技巧。

2.可将书写过程的执笔手势动画直接投影到用户要写的字的旁边，在用户的视线范围内。不需要扭头或抬头观看演示。使用户更能专注地练习。

3.将书写过程中每一个笔画的书写力度提示点清晰地投影到要写的字的笔画旁边，让用户能直观看到，并能快速掌握书写技巧。

4.将用户书写的字与标准字型进行后台分析比对，实时给出评分和书写建议，使用户能清楚知道自己的不足所在，并迅速对书写方式进行调整，达到事半功倍的练字目的。

5.系统的有操纵界面都是投影在桌面上，用户只需用手指或笔进行操作控制，无需其他辅助设备，方便快捷。

附图说明

图1为本发明应用状态的侧视图；

图2为本发明应用状态的立体图；

图3为本发明的系统结构框图。

其中，1为书法练习系统，2为支架，3为纸，4为笔，5为用户。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明中央处理单元、图像数据分析模块、数据存储模块、软件操作模块、显示控制模块、投影模块、摄像头控制模块和摄像头。本发明可固定在高度可以精密调节的系统支架上。

如图1-3所示，一种投影交互式书法练习系统，通过系统支架固定后，向纸面上投影书法动画并采集用户写在纸上的书法图像，进而与用户互动，达到练习的目的。本发明包括：

摄像头，用于采集系统下方书法练习区域的图像；

双摄像头控制模块，连接摄像头和数据存储模块，用于控制摄像头的采集动作；

LED红外补光灯，用于向书法练习区域进行红外光投射；

数据存储模块，用于存储采集图像坐标系与系统坐标系的坐标对应关系、摄像头采集的图像和练习字的书法数据；

图像数据分析模块，连接数据存储模块、中央处理单元和软件操作模块，用于分析采集图像中的手势，并将分析结果发送给软件操作模块；还用于将数据存储模块中存储的练习字的书法数据和摄像头采集的图像中的字进行对比，按照字迹差距进行评分，并输出给软件操作模块；

中央处理单元，连接图像数据分析模块和软件操作模块，用于控制图像数据分析模块对数据存储模块的数据存取和软件操作模块的软件运行；

软件操作模块，连接数据存储模块、中央处理单元、图像数据分析模块和显示模块，用于提供软件操作菜单，并在接收到用户通过软件操作发出的触发指令下执行相应的软件操作；

显示控制模块，连接数据存储模块、软件操作模块和投影模块，用于在软件操作模块的控制下，将需要输出的操作画面或数据存储模块中存储的练习字的书写动画，通过投影模块投影输出；

投影模块，用于在显示控制模块的控制下，进行相应的投影操作；

电源及电源控制模块，用于向上述模块提供工作电源。

所述摄像头为双摄像头，根据2个摄像头同时采集的图像内容视觉差值，判断图像中的手指或其他柱形物体的三维坐标，从而识别手势动作。

所述练习字的书法数据包括：笔顺、每个笔画的运笔轨迹、动笔轨迹中关键点的力度的量化值、每个笔画的书写动画、每个笔画的执笔动作动画、和每个字的矢量数据。

还包括缩放模块，连接软件操作模块和投影模块，用于在软件操作模块的控制下，控制投影模块输出的投影大小。

所述书写动画包括位于用于要写字位置旁侧的执笔动画，和/或要书写的字的红色外框，伴随按笔顺进行的墨迹书写动画。

当设备开机后，程序自动运行，将控制菜单通过投影镜头投影到桌面的纸上。用户可以用手指去或笔去点按菜单，选择相应的功能。所述系统坐标初始化，包括以下步骤：由投影模块在平面上投出用于系统坐标校正的标准网格，标准网格的外框为投影的最大的矩形范围，并以此矩形建立系统坐标系；由摄像头采集标准网格图像，分析所采集的图像中网格的范围以及网格中交叉点在图像中的坐标位置，并以此建立采集图像坐标系与系统坐标系的坐标对应关系；将所述对应关系存储在数据存储模块中。

此时，摄像头实时对画面进行采集分析。识别图像中手指或笔的末端位置，根据系统设定的停留时间分析是否运行手指或笔的末端所指向的菜单功能。

如果用户选择练字功能后，投影设备会在纸上投影出用户要练习的字的书写动画，并在演示过程中根据系统中存储的书法数据中的力度数据给出每个笔画的书写的力度提示，并投影在纸上。用户完全可以用笔沿着书写动画的墨迹并根据力度提示来模拟书写，力求与演示墨迹完全相同。

用户可以设置执笔动画演示，执笔动画演示同样是投影在纸上。在用户要写字位置的旁侧，在用户写字时的视线范围内。这样用户完全可以边写字边模仿书写手势，还可以360度观察书写动作的每一个细节。这样有利于用户更好地掌握书写技巧。

用户可以将书写模式设置为动态描红的形式。这时，投影在纸上的是要书写的字的红色外框，并有墨迹按笔顺进行的书写动画。用户可以在纸上沿着墨迹模仿书写。因为是投影，所以即使用户的笔迹粗于标准字的红色外框，红色外框也不会被遮挡，用户仍然可以清楚地看到标准的书写外框。这样有利于用户及时调整自己的书写方式。

用户可以将自己要书写的字进行放大或缩小。放大或缩小的方式有2种，一种是可以在系统中设置，另外一种是可以升高或降低投影的高度。设置自己的满意的大小就可以按照投影演示在纸上书写了。

当用户书写完成后，系统关闭方格、米字格或描红外框的显示。将用户写的字通过摄像头拍照，传给系统。因为系统中保存着每个标准字的矢量数据。先将用户字迹的外轮廓矢量化，然后与标准字的矢量数据进行比对。每个笔画按照墨迹的填充面积和超出面积，对用户的字迹进行评判，并实时给出评分。

对用户字迹的矢量数据进行提取，并计算出每个笔画的中心线数据，将用户字迹的中心线数据与标准字的中心线数据进行比对。根据比对结果，给出笔画结构位置偏上、偏下、偏左、偏右等评判，并将评判结果实时投影在字的旁边，供用户参考。