一种优化的激光投影虚拟键盘的制作方法

本发明涉及电子信息技术领域，特别涉及一种优化的激光投影虚拟键盘。

背景技术

随着技术的发展，人机交互向着自然、无侵入的方向发展，图像处理与投影可以更加灵活、自然和透明地结合起来，键盘作为计算机重要的输入设备，在可预见的将来都是不可或缺的，传统实体键盘体积大、不易携带，无法满足便携的要求，因此设计研制一款体积小巧、携带方便、使用便捷、稳定性强的激光投影虚拟键盘系统十分必要。

现有的激光投影虚拟键盘有以下几点不足：第一，自制的虚拟键盘体积较大，携带不方便；第二，现有的激光投影虚拟键盘的识别借助pc机的opencv库，因而无法在没有opencv的pc机上使用，使用非常不便捷；第三，现有的激光投影虚拟键盘的抗干扰能力差，当手掌全部按到虚拟键盘区域上，或者肘关节手臂不小心放在虚拟键盘区域上时容易发生误触现象，且当虚拟键盘区域外部有其它物体时，容易干扰键盘的输入，给用户不舒适的使用体验。

本发明的一种优化的激光投影虚拟键盘体积小巧、携带方便；通过嵌入式微控制器对图像进行处理识别，直接经usb连接电脑即可使用，使用便捷；嵌入式微控制器内置排除大物体干扰算法和排除外部干扰算法，实现了手掌或者手臂可以放在激光投影虚拟键盘上，不会发生误触现象，提高了系统的抗干扰能力，而且当键盘周围存在其他物体时，不会影响键盘的输入，给用户良好的使用体验，增强了系统的稳定性。

因此，本发明针对现有的虚拟键盘技术不足的问题，发明了一种优化的激光投影虚拟键盘。

技术实现要素：

本发明针对现有激光投影虚拟键盘携带不方便、使用不便捷、抗干扰性能差的问题，提出了一种结构简单、价格较低、体积小巧、携带方便、使用便捷、稳定性好，能完成替代传统实体键盘的一种优化的激光投影虚拟键盘，采用可见红光激光灯投影出键盘图案；采用一字激光辅助定位；采用了摄像头采集图像信息；通过嵌入式微控制器对采集到的图像进行处理识别，直接经usb连接电脑即可使用；采用usb通信模块进行虚拟键盘和pc机之间的通信，采用了排除大物体干扰算法，能有效的排除键盘区域内部的大物体干扰，实现了手掌或者手臂可以放在激光投影虚拟键盘上，不会发生误触现象；采用了排除外部干扰算法，当键盘周围存在其它物体时，不会干扰键盘的正常输入，解决了现有激光投影虚拟键盘携带不方便，使用不便捷，抗干扰性差的问题。

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为。

本发明公开了一种优化的激光投影虚拟键盘，所述的装置包括载体平台、图像采集模块、激光键盘投影模块、激光定位模块、图像处理与识别模块、通信模块、电源模块，所述的载体平台为直立的金属外壳；所述的图像采集模块为摄像头；所述的激光键盘投影模块包括可见红光激光灯和含有键盘图案的光栅镜片；所述的激光定位模块包括近红外光发射器和一字光栅镜片；所述的图像处理与识别模块为嵌入式微控制器；所述的通信模块包括usb驱动芯片和usb驱动电路。

所述的图像采集模块为200万像素、150度广角的红外摄像头，由于辅助定位的一字激光灯为红外波段，人眼看不到，所以摄像头也要采用红外摄像头。

所述的激光键盘投影模块包括功率为40mw的可见红光激光灯和含有键盘图案的光栅镜片，功率合适、图案清晰、技术成本低、价格低廉、体积小巧。

所述的激光定位模块由功率为50mw近红外光发射器和一字光栅镜片组成，采用红外波段，有效的与键盘投影激光图案区分开，给用户良好的视觉体验，功率合适，光斑清晰。

一种优化的激光投影虚拟键盘，其工作流程为：首先激光键盘投影模块投影出键盘图案，用于辅助用户输入，当用户手指按下相应的键位后，红外一字激光灯发射出平行且贴近桌面的激光，激光会在手指上产生反光，形成高亮的光斑，然后红外摄像头采集虚拟键盘区域的图像信息，将图像信息传送给嵌入式微控制器进行处理与识别，最后将图像处理与识别后所反馈的按键事件通过usb通信注入pc机，pc机上显示所输入的字符。

本发明采用一字激光辅助定位和摄像头采集图像处理识别相结合的方法来捕捉手指的按下动作。

本发明采用嵌入式微控制器将摄像头采集到的图像进行校正、提取兴趣点并定位手指按键位置，通过usb通信将按键响应传送给pc机，最后实现键盘的输入功能，该嵌入式微控制器首先调入相机内参和畸变参数；然后读取摄像头视频帧，进行图像处理，包括图像的矫正、图像滤波处理，图像滤波处理包括灰度处理、二值处理、腐蚀膨胀处理；接下来提取兴趣点，包括轮廓提取、多边形近似、外包矩形计算和矩形中心点计算；然后进行键盘响应，包括按键位置的识别、按键模态的识别；最后通过usb通信向pc机注入按键事件，pc机上显示所输入字符，当按下激光投影虚拟键盘的esc按键时，则关闭该激光投影虚拟键盘。

本发明采用了排除大物体干扰算法，能够有效地排除出现在键盘区域内部的大物体干扰，实现了手掌或手臂可以放在激光投影虚拟键盘上，不会发生误触现象，首先将摄像头采集的图像经处理后提取出n个按到激光投影虚拟键盘上的轮廓；然后近似计算轮廓尺寸；判断当前轮廓大小是否符合要求；若当前轮廓尺寸在预设值范围内，则为有效轮廓；若当前轮廓尺寸超出预设值范围，则删除当前轮廓；判断所有轮廓尺寸是否都判断完毕；若所有轮廓尺寸没有判断完毕，则指向下一个轮廓，重复上述步骤；若所有轮廓尺寸判断完毕，算法结束。

本发明采用了排除外部干扰算法，当键盘周围存在其他物体时，不会影响键盘的输入，首先将摄像头采集的图像经处理后提取出n个按到激光投影虚拟键盘上的轮廓，形成n个特征点；然后调用映射函数计算出每个特征点的像素坐标；判断当前特征点的像素坐标是否在键盘范围内；若当前特征点像素坐标在键盘范围内，则为有效特征点；若当前特征点像素坐标超出键盘范围，则删除当前特征点；判断所有特征点是否都判断完毕；若所有特征点没有判断完毕，则指向下一个特征点，重复上述步骤；若所有特征点判断完毕，算法结束。

所述的图像采集模块为200万像素、150度广角的红外摄像头。

所述的激光键盘投影模块包括功率为40mw的可见红光激光灯和含有键盘图案的光栅镜片。

所述的激光定位模块包括功率为50mw的近红外光发射器和一字光栅镜片。

所述的图像处理与识别模块为嵌入式微控制器：mk60dn512vlq10微控制器。

所述的通信模块包括usb驱动芯片pdiusbd12和usb驱动电路。

所述的电源模块为ams117-3.3芯片。

采用本发明的技术设计方案，与现有技术相比，具有如下有益效果。

(1)本发明提出的一种优化的激光投影虚拟键盘，结构简单、价格低廉、体积小巧、携带方便。

(2)本发明的一种优化的激光投影虚拟键盘，通过嵌入式微控制器对图像进行处理识别，直接经usb连接电脑即可使用，使用便捷。

(3)本发明的一种优化的激光投影虚拟键盘，采用了排除大物体干扰算法，能够有效地排除出现在键盘区域内部的大物体干扰，实现了手掌或者手臂可以放在激光投影虚拟键盘上，不会发生误触现象。

(4)本发明的一种优化的激光投影虚拟键盘，采用了排除外部干扰算法，当键盘区域外部存在其他物体时，不会干扰键盘的输入。

附图说明

图1为该优化的激光投影虚拟键盘的系统结构示意图。

图2为该优化的激光投影虚拟键盘的内部结构示意图。

图3为该优化的激光投影虚拟键盘的工作流程图。

图4为该优化的激光投影虚拟键盘的图像处理与识别算法流程图。

图5为该优化的激光投影虚拟键盘的排除大物体干扰算法流程图。

图6为该优化的激光投影虚拟键盘的排除外部干扰算法流程图。

附图标号说明：直立的金属外壳-1、红外摄像头-2、键盘投影激光-3、一字激光-4、电源模块-5、嵌入式微控制器-6、通信模块-7。

具体实施方式

结合以下实施例对本发明作进一步描述。

参看图1，所述的图像采集模块为红外摄像头2，该红外摄像头2以桌面成30度角固定于直立的金属外壳1上端，该红外摄像头2采集键盘区域的图像信息，并传送给嵌入式微控制器进行图像处理与识别。

参看图1，所述的键盘投影激光3包括功率为40mw的可见红光激光灯和含有键盘图案的光栅镜片，该键盘投影激光3以桌面成53度角固定于直立的金属外壳1中部，该键盘投影激光投影出虚拟键盘图案，用于辅助用户输入。

参看图1，所述的一字激光4由功率为50mw近红外光发射器和一字光栅镜片组成，该一字激光4固定于直立的金属外壳1最底端，贴近桌面且与桌面平行，当手指触摸到桌面时（一字激光和桌面贴的很近，可以默认二者为一体的），激光会在手指上产生反光，形成高亮的光斑。

参看图2，所述的电源模块5为ams117-3.3芯片，固定于直立的金属外壳1内部上端。

参看图2，所述的嵌入式微控制器6为mk60dn512vlq10微控制器，固定于直立的金属外壳1内部中端，采用该微控制器将红外摄像头2采集到的图像信息进行处理与识别，并向pc机注入按键事件。

参看图2，所述的通信模块7为usb驱动芯片pdiusbd12和usb驱动电路，固定于直立的金属外壳1内部下端，嵌入式微控制器进行图像处理与识别后通过该通信模块将所反馈的按键事件注入pc机。

参看图3，采用一字激光辅助定位和摄像头采集图像处理识别相结合的方法来捕捉手指的按下动作。

参看图3，其工作流程为：首先激光键盘投影模块投影出键盘图案，用于辅助用户输入，当用户手指按下相应的键位后，红外一字激光灯发射出平行且贴近桌面的激光，激光会在手指上产生反光，形成高亮的光斑，然后红外摄像头采集虚拟键盘区域的图像信息，将图像信息传送给嵌入式微控制器进行处理与识别，最后将图像处理与识别后所反馈的按键事件通过usb通信注入pc机，pc机上显示所输入的字符。

参看图4，本发明采用嵌入式微控制器将摄像头采集到的图像进行校正、提取兴趣点并定位手指按键位置，通过usb通信将按键响应传送给pc机，最后实现键盘的输入功能，该嵌入式微控制器首先调入相机内参和畸变参数；然后读取摄像头视频帧，进行图像处理，包括图像的矫正、图像滤波处理，图像滤波处理包括灰度处理、二值处理、腐蚀膨胀处理；接下来提取兴趣点，包括轮廓提取、多边形近似、外包矩形计算和矩形中心点计算；然后进行键盘响应，包括按键位置的识别、按键模态的识别；最后通过usb通信向pc机注入按键事件，pc机上显示所输入字符，当按下激光投影虚拟键盘的esc按键时，则关闭该激光投影虚拟键盘。

参看图5，本发明采用了排除大物体干扰算法，能够有效地排除出现在键盘区域内部的大物体干扰，该排除大物体干扰算法步骤如下。

①将摄像头采集的图像经处理后提取出n个按到激光投影虚拟键盘上的轮廓。

②近似计算轮廓尺寸。

③判断当前轮廓大小是否符合要求。

④若当前轮廓尺寸在预设值范围内，则为有效轮廓。

⑤若当前轮廓尺寸超出预设值范围，则删除当前轮廓。

⑥判断所有轮廓尺寸是否都判断完毕。

⑦若所有轮廓尺寸没有判断完毕，则指向下一个轮廓，执行步骤③。

⑧若所有轮廓尺寸判断完毕，算法结束。

上述排除大物体干扰算法有效地排除了出现在键盘区域内部的干扰，实现了手掌或者手臂可以放在激光投影虚拟键盘上，不会发生误触现象，提高了系统的抗干扰能力。

参看图6，本发明采用了排除外部干扰算法，能够有效地排除出现在键盘区域外部的物体干扰，该排除外部干扰算法的步骤如下。

①将摄像头采集的图像经处理后提取出n个按到激光投影虚拟键盘上的轮廓，形成n个特征点。

②调用映射函数计算出每个特征点的像素坐标。

③判断当前特征点像素点坐标是否在键盘范围内。

④若当前特征点像素坐标在键盘范围内，则为有效特征点。

⑤若当前特征点像素坐标超出键盘范围，则删除当前特征点。

⑥判断所有特征点是否都判断完毕。

⑦若所有特征点没有判断完毕，则指向下一个特征点，执行步骤③。

⑧若所有特征点判断完毕，算法结束。

上述排除外部干扰算法有效地排除了出现在键盘区域外部的物体干扰，当键盘周围存在其他物体时，不会干扰键盘的输入，给用户良好的使用体验，增强了系统的稳定性。