一种免校准互动白板投影机的制作方法

本发明涉及一种互动白板投影机，尤其是一种内置了以摄像头为核心的笔迹跟踪装置，且使用中不需要进行坐标校准的免校准互动白板投影机。

背景技术：

在数字投影机中安装以摄像头为核心的笔迹跟踪装置，就构成了互动白板投影机，或称互动投影机(interactiveprojector)，其使用者可以在投影屏幕上进行虚拟书写和触摸操作。这种互动白板投影机已经得到广泛使用,如用于互动教学、家庭娱乐。

有关这种笔迹跟踪装置，在本发明人的专利号zl01108047.7，公开号cn1305143a，名称为“用于计算机坐标与控制信息输入的系统及方法”的中国发明专利中有较早的公开和描述。其工作原理是：用光笔产生的亮点来标示目标点的位置，引入摄像装置实时采集图像，用信号处理电路实时分析图像信号并提取亮点的位置信息，通过接口电路和相应软件输入到计算机，用数值算法进行坐标变换和校准，使光标的位置跟踪光笔的物理位置。

在这种笔迹跟踪装置，在互动投影机的使用中，涉及一个坐标校准流程，以使计算机光标与笔的触点在物理位置上重合。坐标校准的步骤在上述专利中有详细描述，即由计算机在特定坐标位置显示特征点，将笔在显示特征点的位置触发，同时记录对应的摄像头图像中亮点的坐标。这个过程一般称为坐标采样。对多个均匀覆盖显示区域的特征点阵列pi(i＝0,...n)进行坐标采样，记录显示坐标(xi,yi)与摄像头图像坐标(ui,vi)的对应关系，通过二维插值的方法就可以得出任意点的摄像头图像坐标(u，v)所对应的显示坐标(x，y)。取得了这种对应关系才能够实时地将投影显示位置与笔触的物理位置相重合，实现虚拟书写和触摸操作。

坐标采样的过程是比较繁琐耗时的，特别是在超短焦投影机中，摄像头取景角度大，图像一般有较大畸变，因而需要较多点的坐标采样，如5x5，7x7个点。目前也有的产品采用自动采样方法，其方法是通过显示器显示标识了特征点的图案，用摄像头采集图像进行分析，从而取得特征点在摄像头图像中的坐标。但自动采样有如下缺点：1.图像对比度不高的情况下容易失败；2.需要计算机软件配合；3.需要用户启动校准程序，因而仍然不够方便。因此如果能够提供一种使用中不需要重复进行坐标采样而始终保持光标与光笔位置精确重合的免校准互动白板投影机是非常有必要的。

在互动投影机中，投影机的投影镜头和白板摄像头的距离不小于两者半径之和，因此两者不可能同心，在镜头较大时偏离是较大的。这样，在不同距离的平面上，两者的坐标关系是变化的。例如，在图1中，点a和b都处于投影镜头101的光轴上，因此都是投影坐标系的同一点(中心点)，但对于摄像头镜头102而言，点a和b因其偏离镜头的角度不同而在摄像头成像传感器103上的成像位置是不同的。因此当投影屏幕从a平移到b处，需要进行重新坐标采样。而如果白板摄像头的镜头中心与投影镜头中心重合，则上述位置关系的变化就不会发生。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种不因投影距离改变而需要重新进行白板坐标校准的免校准互动白板投影机。

为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种免校准互动白板投影机，包括投影机主体、白板电路模块，所述白板电路模块中包含处理器和接口电路，其特征为，还包含一个以上的摄像头，所述摄像头连到所述白板电路模块，且处于投影机前部用于捕捉包含投影区域的画面，在白板电路模块的处理器的程序中，将同一目标点在各摄像头中的观察坐标(xi,yi)根据各摄像头与所述投影机的投影镜头的位置关系进行加权平均处理得到一个位于所述投影机投影镜头中心位置的等效中心摄像头的观察坐标(x，y)，并用等效中心摄像头的观察坐标(x，y)作为目标点的图像坐标进行坐标变换计算。上述“观察坐标”是指目标点在摄像头采集的图像中的位置坐标。

作为一种优化，可以采用两个摄像头，第一摄像头和所述第二摄像头的位置关于所述投影机投影镜头的光学中心对称，在白板电路模块的处理器的程序中，将任一目标点在第一摄像头中的观察坐标(x1，y1)和在第二摄像头中的观察坐标(x2，y2)进行平均处理得到所述等效中心摄像头中对所述目标点的观察坐标(x，y)，其中x＝(x1+x)/2，y＝(y1+y2)/2，用等效中心摄像头坐标(x，y)作为目标点的图像坐标进行坐标变换计算，从而计算较为简化。

另一种可行的方案是，所述第一摄像头与所述投影机的投影镜头水平齐平，所述第二摄像头的位置与所述投影镜头纵向齐平，在所述白板电路模块的处理器的程序中，将任一目标点在所述第一摄像头中的观察坐标(x1，y1)和在第二摄像头中的观察坐标(x2，y2)按以下方式得到所述等效中心摄像头中所述目标点的观察坐标(x,y)：x＝x2：y＝y1,并用(x，y)作为所述目标点的图像坐标，进行坐标变换计算。这样计算更加简单。

在互动投影机使用中造成光标位置偏离的另一个因素是梯形矫正。投影的梯形矫正会导致坐标关系的变化，梯形矫正的结果是，投影的同一显示位置(像素坐标位置)，其实际投影位置可能发生很大变化，因而也需要重新坐标采样。

当前投影机普遍采用数字梯形矫正，这种变换的运算关系是线性的，因而根据矫正参数可以计算投影画面的变化关系。

因而作为一种改进，将所述投影机的梯形矫正控制信号或梯形矫正状态信号也输入到所述白板电路模块，白板电路模块的处理器程序根据梯形矫正的实际参数调整坐标校准算法。

附图说明

图1是证明因为投影镜头与白板摄像头镜头存在距离，不同距离时，投影坐标系中同一点在白板摄像头图像中的坐标会有不同的示意图。

图2是以一个维度为例，由两个摄像头中的目标点坐标融合得到等效中心摄像头坐标的几何关系示意图。

图3是本发明的第一个实施例投影机的投影镜头、第一摄像头、第二摄像头之间的关系。

图4是本发明的第二个实施例投影机的投影镜头、第一摄像头、第二摄像头之间的关系。

图中：投影机镜头101，白板摄像头镜头102，第一摄像头镜头201，第二摄像头镜头202，等效中心摄像头镜头200，第一摄像头301，第二摄像头302，投影镜头303，等效中心摄像头300。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

本发明的思路是，引入一个以上的摄像头，通过将这些摄像头图像坐标的融合计算，得到一个虚拟的等效中心摄像头的图像坐标，此虚拟的摄像头等效于设置在投影镜头中心位置的摄像头，从而投影坐标系与此等效中心摄像头的图像坐标系之间的关系不会因屏幕距离变化而变化，因而如果所述白板电路模块的处理器程序中针对所述等效中心摄像头的图像坐标进行坐标采样和校准变换，则在投影距离发生改变时不会发生位置偏移，因此不需要进行重新坐标采样。所述的融合计算的一种有效方法是将目标点在各摄像头中的观察坐标的横坐标和纵坐标分别根据各摄像头与投影镜头间的位置关系进行加权平均得到中心摄像头中目标点的横坐标和纵坐标。

图2表示了以一个维度为例，由两个摄像头中的目标点坐标融合得到等效中心摄像头坐标的几何关系。其中201是第一摄像头，202是第二摄像头，200是等效中心摄像头。其中第一摄像头到等效中心摄像头的距离为a*t，第二摄像头到等效中心摄像头的距离为b*t，即比例关系为a:b。对于任意点p，假设其在第一摄像头中的(观察)坐标为d1(与第一摄像头图像中心距离为d1)，其在第二摄像头中的(观察)坐标为d2，则可以推导出p在等效中心摄像头200中的坐标值dc＝d1+(d2-d1)*b/(a+b)＝(b*d2+a*d1)/(a+b)。进一步，如果将等效中心摄像头设定到两真实摄像头的中间位置，即a＝＝b，则可简化计算为dc＝(d1+d2)/2，即两坐标的平均值。

以上分析证明了只要有一个以上的摄像头，且无论等效中心摄像头的设定位置，对应任意点p，都可以通过p在两个真实摄像头图像中的坐标计算出p在等效中心摄像头图像中的坐标。

本发明的第一个实施例是一种双摄像头左右设置的免校准互动投影机。在本实施例中，投影镜头较大，外观直径约为8cm，因此如果采用通常的单摄像头的互动白板方案，则不同屏幕距离下同样的显示位置在白板摄像头图像中位置相差很大，因此屏幕距离变化后必须进行坐标采样以便重新校准。本实施例中则引入第一摄像头和第二摄像头两个白板摄像头，两个摄像头与投影镜头水平等高且与投影镜头等距。图3是本实施例互动投影机摄像头镜头和投影镜头的俯视位置关系图。图3中，301是第一摄像头，302是第二摄像头的镜头，等效中心摄像头300的位置设定为与投影镜头303重合。对于任意点p，p在第一摄像头中的横向坐标x1，p在第二摄像头中的横向坐标x2，则很容易证明，p在等效中心摄像头300中的坐标为x＝(x1+x2)/2。p在等效摄像头300中的纵向坐标理论上可取为p在两个真实摄像头任一中的纵向坐标值，但实际中，将两摄像头纵向坐标同样做平均计算，有利于提高坐标精度。由此，在白板电路模块中，由处理器程序将目标点在第一摄像头成像的位置坐标(x1，y1)和在第二摄像头成像的位置坐标(x2，y2)进行平均处理得到一个虚拟的位于投影镜头中心的等效中心摄像头的图像坐标(x，y)，其中x＝(x1+x)/2,y＝(y1+y2)/2,用等效中心摄像头坐标(x，y)作为目标点图像坐标，如同现有技术的单摄像头系统，进行现有技术的坐标变换计算。实际产品制造中，在出厂之前进行一次有效的坐标采样并进行参数保存，此后用户不再需进行新的坐标采样，即可始终正常使用互动白板系统。

值得一提的是，本实施例的技术方案还可以根据目标点在两摄像头中的坐标关系来实现三维位置计算，实现3d电子白板功能。

图4是本发明的第二个实施例中投影镜头303、第一摄像头镜头301和第二摄像头镜头302之间关系示意图。第一摄像头镜头中心与投影镜头中心处于同一高度，第二摄像头的镜头与投影镜头纵向齐平。这样，第一摄像头的纵向坐标y1与第二摄像头的横向坐标x2结合的坐标(x2,y1)等同于处于投影镜头203位置的虚拟中心摄像头的坐标，从而采用(x2，y1)坐标与投影坐标系的关系不会因投影距离的改变而改变。

以上的实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书保护范围之内。本发明未涉及的技术均可通过现有的技术加以实现。