無線指環(huán)快速定位在互動(dòng)教學(xué)中的應(yīng)用研究

曾昭江，張仁忠，張勁波，李杏清

（廣東創(chuàng)新科技職業(yè)學(xué)院，廣東 東莞 523960）

無線指環(huán)快速定位在互動(dòng)教學(xué)中的應(yīng)用研究

曾昭江，張仁忠，張勁波，李杏清

（廣東創(chuàng)新科技職業(yè)學(xué)院，廣東 東莞 523960）

在多媒體互動(dòng)教學(xué)中，激光筆解決了上下翻頁功能，但無法實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)的更多功能。若設(shè)計(jì)一個(gè)穿戴在手上的指環(huán)，裝上高清攝像裝置和處理芯片，可以實(shí)現(xiàn)屏幕快速定位替代鼠標(biāo)的滑動(dòng)操作。文章介紹了這種指環(huán)的組成原理與工作原理。

無線指環(huán)；采集圖像；激光點(diǎn)

1 多媒體控制教學(xué)研究背景

在多媒體教學(xué)中，演講者必須在一個(gè)固定的平面上操作鼠標(biāo)來控制教學(xué)內(nèi)容的變化。為了使教學(xué)效果更加生動(dòng)，增強(qiáng)教與學(xué)之間的互動(dòng)，教師通常不能靜態(tài)地操作電腦，如果教師離開電腦又要操作電腦，目前可以借助于翻頁激光筆實(shí)現(xiàn)PPT翻頁功能。翻頁激光筆（又名激光翻頁筆、無線演示器、無線演示控制器、PPT 翻頁筆等）根據(jù)所使用的無線傳輸技術(shù)不同，分為紅外和射頻兩類。紅外翻頁激光筆采用紅外技術(shù)來傳輸遙控信號(hào)，和生活中使用的電視遙控器、DVD遙控器、空調(diào)遙控器的原理相同。紅外技術(shù)出現(xiàn)的比較早，技術(shù)成熟、復(fù)雜性低。由于紅外光不能穿透物體，需要可視傳輸。在發(fā)射器和接收器之間，不能有任何物體阻擋，使用時(shí)表現(xiàn)為接收器和發(fā)射器要在一定的角度內(nèi)對(duì)準(zhǔn)，方可實(shí)現(xiàn)遙控翻頁。射頻翻頁激光筆利用無線射頻技術(shù)來傳輸遙控信號(hào)。相對(duì)于紅外技術(shù)，射頻技術(shù)可以360度傳輸和繞射，沒有方向性。發(fā)射器和接收器之間也不需要對(duì)準(zhǔn)，只要接收器沒有被金屬包圍或者覆蓋，都可以實(shí)現(xiàn)遙控。翻頁激光筆的功能在激光筆的基礎(chǔ)上有所增加，但最基本的功能還是上、下翻頁功能，仍然無法取代鼠標(biāo)實(shí)現(xiàn)自由的操作。

本文提出設(shè)計(jì)一種穿戴在手上的無線指環(huán)，利用微型攝像裝置、處理芯片及無線射頻識(shí)別技術(shù)，解決以上問題。用微型攝像機(jī)采集激光筆打到屏幕上的光點(diǎn)位置信息，處理芯片快速定位光點(diǎn)坐標(biāo)，利用射頻識(shí)別信息發(fā)送給計(jì)算機(jī)，就可以實(shí)現(xiàn)一般鼠標(biāo)的功能，而且操作更加輕便、定位更加準(zhǔn)確。

2 無線指環(huán)的組成原理

設(shè)計(jì)一個(gè)指環(huán)穿戴在食指上，在指環(huán)上端加裝微型攝像頭，激光點(diǎn)是攝像機(jī)視口的中心點(diǎn)。圖1中S是垂直平面，ABCD是平面上一投影屏幕，屏幕窗口中的直角坐標(biāo)系原點(diǎn)設(shè)在A點(diǎn)，水平方向?yàn)閄軸，向右為正；垂直方向?yàn)閅軸，向下為正。P點(diǎn)是攝像機(jī)的位置，EFGH是攝像機(jī)視口。NP是屏幕的法線方向，距離為d，MP是視口EFGH的法線方向，距離為d'，NP與MP之間的夾角為α。顯然，視口平面與屏幕平面之間的夾角也為α。

當(dāng)攝像機(jī)視口的面積S視口設(shè)定為大于屏幕窗口的面積S窗口，但小于屏幕窗口的面積S窗口4倍時(shí)，即S窗口＜S視口＜4S窗口,則有如下定理：當(dāng)激光點(diǎn)M落入屏幕窗口中，由EFGH構(gòu)成的攝像機(jī)視口EF，F(xiàn)G，GH，HE，EG，HF 6條線段中，至少有3條線段將與由ABCD構(gòu)成的屏幕窗口AB，BC，CD，DA 4條線段中的至少兩條線段相交，計(jì)算出指環(huán)相對(duì)電腦屏幕的位移，將數(shù)據(jù)指環(huán)中的控制器對(duì)數(shù)據(jù)的處理，傳輸給計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)操作的變換。

圖1 無線指環(huán)的組成原理

3 無線指環(huán)的工作原理

3.1 標(biāo)定

由于工作中P點(diǎn)是可移動(dòng)的，所以d是一個(gè)變量。假設(shè)工作中2 m＜d＜15 m（符合實(shí)際應(yīng)用情況），盡可能選擇d為工作范圍的中點(diǎn)，d=8 m，輸入屏幕寬和高的值后，分別測(cè)定A，B，C，D 4個(gè)角點(diǎn)。

3.2 工作

當(dāng)激光點(diǎn)落入屏幕窗口，啟動(dòng)微型攝像機(jī)采集圖像。根據(jù)以上定理及標(biāo)定值可計(jì)算出此時(shí)激光點(diǎn)在屏幕窗口坐標(biāo)下的坐標(biāo)值，將此坐標(biāo)值發(fā)送給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)在該點(diǎn)繪出鼠標(biāo)的光標(biāo)圖形。將激光點(diǎn)移動(dòng)到目標(biāo)點(diǎn)Q（x，y）的過程，攝像機(jī)將按照工作頻率采集多幅圖像重復(fù)上述計(jì)算與繪制過程，最終在目標(biāo)點(diǎn)繪出鼠標(biāo)的光標(biāo)圖形。此時(shí)按下相應(yīng)的鍵，即可完成鼠標(biāo)的操作。從而實(shí)現(xiàn)了無滑動(dòng)平面的鼠標(biāo)操作功能。

3.3 誤差

理論上根據(jù)采集圖像計(jì)算得出的激光點(diǎn)的坐標(biāo)值，應(yīng)與實(shí)際激光點(diǎn)的坐標(biāo)值一致，從而鼠標(biāo)的光標(biāo)圖形將與激光點(diǎn)重疊。但在實(shí)際操作中由于各種誤差的存在，鼠標(biāo)的光標(biāo)圖形與激光點(diǎn)并不能完全重疊。其中主要的誤差為：

①實(shí)際操作時(shí)的距離d與標(biāo)定時(shí)選用的距離不同產(chǎn)生的計(jì)算誤差；②由于α角的存在，攝像機(jī)視口投影到S平面后產(chǎn)生的位置誤差；③由于手持?jǐn)z像機(jī)造成攝像機(jī)視口難于保持水平，即線段AB與EF之間存在夾角β而產(chǎn)生的誤差。

3.4 誤差修正

由于工作過程是一個(gè)有人參與的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，人的眼睛是檢測(cè)傳感器，人的大腦是調(diào)節(jié)控制器，人的手是執(zhí)行機(jī)構(gòu)。經(jīng)過多次調(diào)節(jié)，雖然鼠標(biāo)的光標(biāo)圖形與激光點(diǎn)可能沒有完全重疊，但只要使得鼠標(biāo)的光標(biāo)圖形進(jìn)入目標(biāo)區(qū)域即可完成鼠標(biāo)的操作。

4 無線指環(huán)的應(yīng)用價(jià)值

無線指環(huán)空中定位的實(shí)現(xiàn)主要是由高清攝像頭、圖像識(shí)別技術(shù)和無線射頻識(shí)別技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，可以對(duì)屏幕上的小目標(biāo)進(jìn)行精確定位，能夠快速捕捉用戶的操作并實(shí)現(xiàn)線性移動(dòng)，延遲小，沒有慣性位移。RFID射頻識(shí)別通過射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，可識(shí)別高速運(yùn)動(dòng)物體并可同時(shí)識(shí)別多個(gè)標(biāo)簽，操作快捷方便，識(shí)別距離可達(dá)幾十米。無線指環(huán)基于圖像識(shí)別技術(shù)的空中飛鼠定位為用戶提供了一種遠(yuǎn)距離操控屏幕的輸入方式，用戶可以在自由空間平面內(nèi)體驗(yàn)遠(yuǎn)距離鼠標(biāo)式操作，主要包括移動(dòng)和點(diǎn)擊，無線指環(huán)可應(yīng)用于PC，TV，游戲外設(shè)、鼠標(biāo)、遙控器等，應(yīng)用定位為演示會(huì)議，特別是PPT演講。

5 結(jié)語

本文針對(duì)翻頁筆只能翻頁，不能像鼠標(biāo)一樣選擇、拖拉，而一般的鼠標(biāo)又需要平面支撐等問題，提出了一種無線指環(huán)快速定位方案，以替代無線鼠標(biāo)的固定平面操作。該方法通過微型攝像系統(tǒng)感知鼠標(biāo)的移動(dòng)動(dòng)作，以處理芯片為控制核心，采用無線射頻自動(dòng)識(shí)別技術(shù)收發(fā)模塊完成無線通信，從而達(dá)到了鼠標(biāo)的操作功能，真正將用戶從計(jì)算機(jī)旁解放出來。

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[5]羅星華，張碧鋒. 基于單片機(jī)的無線遙控教鞭的設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2011（12）：23-25.

Study on application of interactive teaching in the fast wireless positioning ring

Zeng Zhaojiang, Zhang Renzhong, Zhang Jinbo, Li Xingqing
（Guangdong Innovation Technology College, Dongguan 523960, China）

In the teaching of multimedia interactive teaching, laser pen solves on the next page function, but cannot achieve more functions of the mouse. If design a ring which dress on the hands, mounting on a high-defnition camera device and processing chip, it can achieve screen quick positioning instead of mouse sliding operation. The article introduced the principle and working principle of the composition the ring of the rings.

wireless ring; image acquisition; laser point

廣東創(chuàng)新科技職業(yè)學(xué)院2015年校級(jí)科研項(xiàng)目（重點(diǎn)項(xiàng)目）；項(xiàng)目名稱：移動(dòng)目標(biāo)快速定位的算法研究；項(xiàng)目編號(hào)：2015kyxm002。

曾昭江（1984— ），男，江西萍鄉(xiāng)，講師，管理師；研究方向：嵌入式系統(tǒng)，軟件工程。