3D全息投射虛擬鍵盤設(shè)計(jì)

廖鈺 姜權(quán)財(cái) 廖明銘

【摘 要】論文以3D全息投射技術(shù)為技術(shù)基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)鍵盤的虛擬化，以取代傳統(tǒng)物理鍵盤，提高其使用壽命和安全性。虛擬鍵盤以激光為投射光源，以3D全息投射技術(shù)為技術(shù)支撐，通過三角測(cè)距原理對(duì)鍵盤按鍵動(dòng)作進(jìn)行捕捉，實(shí)現(xiàn)虛擬鍵盤與計(jì)算機(jī)的交互應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】3D全息投射;虛擬鍵盤;三角測(cè)距

【中圖分類號(hào)】TP391.41? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文章編號(hào)】1673-1069（2019）01-0150-02

1 引言

隨著網(wǎng)絡(luò)虛擬技術(shù)的不斷推廣，人們對(duì)于計(jì)算機(jī)方面的需求也有了相應(yīng)提高，特別是對(duì)鍵盤的需求。3D全息投射即可以將物體全部信息投射到特定屏幕或者某區(qū)域的一種投影技術(shù)，利用干涉和衍射原理，記錄并再現(xiàn)物體真實(shí)的三維圖像[1]。利用3D全息原理，實(shí)現(xiàn)物理鍵盤虛擬化，可極大地提高其使用壽命，同時(shí)也能夠提高其安全性和保密性。應(yīng)用于高端的軍事、經(jīng)濟(jì)等方面，虛擬鍵盤可以提升安全系數(shù)，更利于保密性高的工作的開展，還可以用于安全方面，如銀行、自動(dòng)取款機(jī)等，能夠有效地防止因殘留下來的指紋而造成機(jī)密文件丟失、密碼泄露等情況的發(fā)生。

鍵盤的虛擬化，大大提高了計(jì)算機(jī)的使用效率及其使用范疇，打破了傳統(tǒng)物理鍵盤的局限性。若將其應(yīng)用于軍事方面，能夠迅速地消除指紋痕跡，而且在微型化的情況下，可便于攜帶，在今后的科技發(fā)展中，完全可以依靠機(jī)器人技術(shù)進(jìn)行操作，降低人工操作的不規(guī)范性等。在經(jīng)濟(jì)與安全方面能夠大大地提升安全系數(shù)，增強(qiáng)保密性，更加利于保密性強(qiáng)的工作事項(xiàng)的開展，同時(shí)還具有極強(qiáng)的防御能力。3D虛擬鍵盤成功地取代傳統(tǒng)物理鍵盤，將科技應(yīng)用于日常的工作中，擴(kuò)大了科技的普及范疇。

本設(shè)計(jì)在3D全息投射技術(shù)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)物理鍵盤的虛擬化，再通過在激光測(cè)距儀中使用一束線型激光照射目標(biāo)物體，在目標(biāo)物體的反射光被攝像頭捕捉到，結(jié)合三角測(cè)距原理，得出目標(biāo)物體中被線激光照亮部分的坐標(biāo)信息，及其按鍵坐標(biāo)位置的定位，最后建立相應(yīng)的映射機(jī)制，通過桌面坐標(biāo)P（x，y）找到對(duì)應(yīng)按鍵鍵值，并最終通知操作系統(tǒng)觸發(fā)一個(gè)對(duì)應(yīng)鍵值的按鍵事件。

2 總體方案設(shè)計(jì)

針對(duì)傳統(tǒng)物理鍵盤的諸多不足，在先前的研究基礎(chǔ)上，本文提出應(yīng)用3D全息投射虛擬鍵盤的想法，全息投影技術(shù)是利用干涉和衍射原理記錄并再現(xiàn)物體真實(shí)的三維圖像記錄和再現(xiàn)的技術(shù)。主要通過干涉原理實(shí)現(xiàn)對(duì)物體光波信息的記錄，物體通過激光輻照所形成的物光束以漫射形式存在，作為參考光束的部分激光和物光束疊加產(chǎn)生干涉現(xiàn)象并投射在全息底片上，并記錄其全部信息。在干涉的基礎(chǔ)上，結(jié)合衍射原理再次體現(xiàn)物體光波信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的光波信息的再現(xiàn)。對(duì)于鍵盤的虛擬化的四個(gè)核心步驟如下：

2.1 產(chǎn)生鍵盤的畫面

鍵盤畫面的產(chǎn)生采用的是全息激光投射儀的全息投射技術(shù)。3D全息投射技術(shù)的原理是一種利用干涉和衍射原理記錄并再現(xiàn)物體，并以三維圖像的形式呈現(xiàn)，通過全息投影設(shè)備激光器組實(shí)現(xiàn)如圖1所示的虛擬鍵盤的投射。

2.2 判斷按鍵動(dòng)作進(jìn)行與否

鍵盤的輸入事件及識(shí)別，利用三角測(cè)距的原理檢測(cè)鍵盤的輸入，基于三角測(cè)距原理的激光測(cè)距儀一致的辦法，通過主動(dòng)投射激光來進(jìn)行目標(biāo)物體的三維坐標(biāo)檢測(cè)。在激光測(cè)距儀中使用一束線型激光照射目標(biāo)物體，在目標(biāo)物體的反射光被攝像頭捕捉到，利用三角測(cè)距原理，可以求出目標(biāo)物體中被線激光照亮部分的坐標(biāo)信息。

利用三角測(cè)距原理，首先將線激光所產(chǎn)生的光線平面與桌面平行并緊貼在桌面之上，將攝像頭放置于激光發(fā)射器上方并俯視桌面，如圖2所示。此時(shí)若手指接近桌面，則會(huì)阻擋住激光的通路，產(chǎn)生反射，反射的光點(diǎn)畫面會(huì)被圖中攝像頭拍攝到。這是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的三角測(cè)距的結(jié)構(gòu)設(shè)置。

2.3 按鍵對(duì)應(yīng)內(nèi)容的識(shí)別

當(dāng)手指遮擋激光平面后產(chǎn)生了反射，因此，會(huì)在攝像頭畫面中出現(xiàn)較為明亮的光斑，可以通過簡(jiǎn)單的視覺算法來提取指尖部分。由于只有當(dāng)手指靠近或者碰觸到桌面才會(huì)遮擋住激光產(chǎn)生反光，而在距離桌面較高的位置則不會(huì)被檢測(cè)算法察覺。只要當(dāng)檢測(cè)算法檢測(cè)到手指反光，則可認(rèn)為出現(xiàn)了按鍵事件，且可直接用當(dāng)前檢測(cè)到的坐標(biāo)來進(jìn)行后續(xù)的處理。

建立一個(gè)映射機(jī)制，通過桌面坐標(biāo)P（x，y）找到對(duì)應(yīng)按鍵鍵值，并最終通知操作系統(tǒng)觸發(fā)一個(gè)對(duì)應(yīng)鍵值的按鍵事件。這里的做法與GUI系統(tǒng)進(jìn)行UI元素碰撞判斷的過程類似[2]。在圖形系統(tǒng)中，所有UI元素均保存有其相對(duì)于屏幕的坐標(biāo)值。GUI系統(tǒng)不停地判斷當(dāng)前鼠標(biāo)指針位置是否落入了某一個(gè)按鈕或者選擇框的坐標(biāo)范圍內(nèi)。首先需要建立投射鍵盤圖案中每個(gè)按鍵的坐標(biāo)信息，然后將指尖相對(duì)于桌面平面上的坐標(biāo)P（x，y）映射到鍵盤圖案的坐標(biāo)系內(nèi)進(jìn)行按鍵的判斷。

由于在組裝上會(huì)存在誤差，不能保證每次制作出來的成品激光發(fā)射器與鍵盤圖案投射的位置都完全一致，并且單個(gè)成品在使用過程中也會(huì)因?yàn)闊崦浝淇s等原因，鍵盤圖案會(huì)發(fā)生偏移。一旦鍵盤圖案發(fā)生了移動(dòng)，則先前以這種方式記錄的所有按鍵坐標(biāo)都需要重新測(cè)量。但如果一開始就以鍵盤左上角為原點(diǎn)的方式記錄坐標(biāo)，則每次組裝完成品或者發(fā)生圖案偏移后，只需進(jìn)行簡(jiǎn)單的矯正，求出一個(gè)新的fprojection（）函數(shù)即可。

函數(shù)fmapping（），一種簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)是依次按照前文例圖中的判斷代碼對(duì)每個(gè)按鍵輪流計(jì)算，判斷是否被“按下”。這種方式實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單直觀，但是性能較差。對(duì)于這類問題，可以使用Kd-Tree的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行快速查找。

2.4 按鍵事件捕捉

通過攝像頭捕捉鍵盤區(qū)域的圖像并進(jìn)行分析時(shí)，需要對(duì)攝像頭鏡頭進(jìn)行一些改造，首先拆除鏡頭上的紅外光截至濾光片，并在鏡頭頭部安裝紅外帶通濾光片，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)距時(shí)對(duì)可見光干擾的有效避免。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

虛擬鍵盤以激光為投射光源，3D全息投射技術(shù)為鍵盤虛擬化的技術(shù)依靠，通過三角測(cè)距原理對(duì)鍵盤按鍵動(dòng)作的捕捉，實(shí)現(xiàn)虛擬鍵盤與計(jì)算機(jī)的交互應(yīng)用。通過以上所有步驟實(shí)現(xiàn)了鍵盤的虛擬化，其最終的組裝圖如圖4所示。

4 結(jié)語

在網(wǎng)絡(luò)虛擬技術(shù)不斷發(fā)展的時(shí)期，虛擬鍵盤彌補(bǔ)了傳統(tǒng)鍵盤體積大不宜攜帶，且保密性不好易留下指紋、有噪音等缺點(diǎn)，可以應(yīng)用于軍事和銀行等安全保密性要求較高的機(jī)構(gòu)，具有巨大的市場(chǎng)潛力。

【參考文獻(xiàn)】

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