虛擬鐳射鍵盤的設(shè)計(jì)與制作

王帥 劉莉 劉世捷 彭翔 王茂金 曾亞琛

【摘 要】本款虛擬鐳射鍵盤分為硬件和軟件兩個(gè)部分。硬件部分主要為650 nm激光投射鍵盤、850 nm激光一字線發(fā)射器、150°廣角攝像頭、STM32模塊、TFT彩屏等。軟件部分使用C語(yǔ)言編寫(xiě)程序，編譯器使用keil4。激光投射器投射出鍵盤圖樣，一字線激光發(fā)射器發(fā)射出覆蓋鍵盤圖樣的線型結(jié)構(gòu)光。當(dāng)手指點(diǎn)擊平面上投影的鍵盤圖案時(shí)，手指遮擋住了一字線激光發(fā)射器發(fā)射出的線型結(jié)構(gòu)光，指尖會(huì)有反射光斑的產(chǎn)生。攝像頭拍攝到反射光斑，傳輸?shù)絊TM32模塊進(jìn)行數(shù)字圖像處理，TTF彩屏上顯示出經(jīng)圖像處理后形成的二值圖。將由圖像中所獲得的光斑坐標(biāo)與事先存儲(chǔ)在STM32模塊內(nèi)的投影鍵盤圖案各字符坐標(biāo)做比對(duì)，比對(duì)完成后傳輸?shù)絇C端，在PC端完成字符輸入和顯示。

【關(guān)鍵詞】C語(yǔ)言;數(shù)字圖像處理;虛擬鍵盤

【中圖分類號(hào)】TP273 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2020）03-0076-02

1 概述

隨著電腦、手機(jī)、平板電腦等智能設(shè)備朝著體積小、可穿戴、功能集成度高的方向不斷發(fā)展，鍵盤、鼠標(biāo)等輸入設(shè)備也隨之改變。對(duì)于鍵盤而言，人們需要一款便于攜帶且不受智能設(shè)備體積限制的鍵盤。早在20世紀(jì)60年代，IBM公司就開(kāi)始對(duì)虛擬鍵盤進(jìn)行研究，不需要實(shí)質(zhì)鍵盤，通過(guò)手套內(nèi)部的傳感器識(shí)別手指動(dòng)作[1]。國(guó)內(nèi)汪忠德于2002年提出了紅外虛擬鍵盤的構(gòu)想[2]，其主要思路是先將鍵盤圖像投影到平坦平面上，通過(guò)紅外光源發(fā)射的紅外線定位手指指尖按鍵位置，紅外攝像儀采集數(shù)據(jù)從而實(shí)現(xiàn)鍵盤輸入功能。2004年，石艷玲設(shè)計(jì)出的虛擬鍵盤元器件集成度高[3]，采取的方案是利用攝像頭和紅外光源結(jié)合獲取位置信息，對(duì)圖像的編碼方法采用霍夫曼編碼。但因設(shè)計(jì)復(fù)雜，所以最終僅實(shí)現(xiàn)了其中的部分功能。此后蔡睿研提出了一種準(zhǔn)確度較高的設(shè)計(jì)方案，其利用紅外激光輔助定位，當(dāng)手指點(diǎn)擊鍵盤坐標(biāo)時(shí)，經(jīng)過(guò)攝像頭圖像采集及上位機(jī)數(shù)字圖像處理完成指尖坐標(biāo)的獲取及字符輸入[4]。

本文介紹的虛擬鍵盤在以上的基礎(chǔ)上，硬件簡(jiǎn)單，算法簡(jiǎn)便，鍵盤識(shí)別精度在90%以上。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及制作過(guò)程

激光鍵盤顯示與信號(hào)采集的系統(tǒng)搭建如圖1所示，硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。系統(tǒng)中間的可見(jiàn)激光鍵盤投射器調(diào)節(jié)好角度后，將鍵盤圖案投射到平面區(qū)域，形成投影鍵盤。最底下的一字紅外線型激光保持與桌面水平，調(diào)節(jié)角度發(fā)射出的“一”字線激光剛好覆蓋整個(gè)投影鍵盤平面。最上方的攝像頭進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，當(dāng)在投影鍵盤區(qū)域出現(xiàn)遮擋物時(shí)，遮擋物表面出現(xiàn)紅外光反光，形成光斑。攝像頭拍攝到光斑后將該信號(hào)傳輸給上位機(jī)或電腦進(jìn)行數(shù)字圖像處理。

獲取指尖坐標(biāo)信息則通過(guò)以下方案，步驟如下。

（1）調(diào)整好攝像頭角度后，使虛擬鍵盤位置全部位于攝像頭可成像范圍內(nèi)。

（2）手指點(diǎn)擊每個(gè)字符按鍵，攝像頭成像后經(jīng)上位機(jī)圖像二值化，將二值圖發(fā)送給TFT彩屏。

（3）從原點(diǎn)起遍歷每個(gè)像素點(diǎn)，以第一個(gè)為亮點(diǎn)的像素點(diǎn)坐標(biāo)定為反射光斑像點(diǎn)在像素坐標(biāo)系上的坐標(biāo)，并存儲(chǔ)在上位機(jī)中。

（4）重復(fù)上述“（1）、（2）、（3）”步驟獲取每個(gè)按鍵坐標(biāo)存儲(chǔ)在上位機(jī)中。

（5）系統(tǒng)工作時(shí)手指點(diǎn)擊虛假鍵盤字符按鍵，重復(fù)步驟“（1）、（2）、（3）”獲取手指尖坐標(biāo)，并與之前存儲(chǔ)在上位機(jī)中的字符按鍵坐標(biāo)進(jìn)行比對(duì)、判斷，然后得出相應(yīng)的按鍵信息。

3 系統(tǒng)測(cè)試及結(jié)論

最終完成的實(shí)物如圖3所示。點(diǎn)擊投影鍵盤上的按鍵，上位機(jī)匹配到坐標(biāo)后會(huì)觸發(fā)蜂鳴器發(fā)出聲響，同時(shí)電腦顯示出按鍵字符。激光投影鍵盤發(fā)射器投影出的鍵盤為梯形，共有56個(gè)按鍵，可以輸入字符大、小寫(xiě)。該激光虛擬鐳射鍵盤具有小巧、便于攜帶，投影出的鍵盤不占據(jù)設(shè)備空間等優(yōu)點(diǎn)，但仍然有以下不足。

（1）激光投影出的鍵盤可見(jiàn)度易受外界環(huán)境影響，當(dāng)外界光照過(guò)強(qiáng)或者光線直射投影鍵盤圖案時(shí)，投影出的鍵盤圖案不明顯。

（2）除了投影鍵盤圖案易受外界光強(qiáng)影響，獲取指尖位置信息時(shí)也易受到外界光強(qiáng)影響。因?yàn)橥饨绻鈴?qiáng)對(duì)攝像頭采集到紅外反射光光斑可見(jiàn)度有影響，同時(shí)在對(duì)圖像二值化時(shí)，光強(qiáng)強(qiáng)度過(guò)大，容易造成二值化后的圖像出現(xiàn)大部分像素點(diǎn)皆為白色的現(xiàn)象，所以無(wú)法提取出指尖的反射光斑。

（3）無(wú)法適應(yīng)人們的按鍵習(xí)慣，不能有多根手指覆蓋在一字線激光平面，所以按鍵時(shí)只能伸出一根手指進(jìn)行點(diǎn)擊。相較于機(jī)械鍵盤，用戶體驗(yàn)感較差。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]Robert S，Nathaniel R. Communication device[P].USA：3022872，1962.

[2]汪忠德.紅外虛擬鍵盤的設(shè)計(jì)構(gòu)想[J].計(jì)算機(jī)工程，2004（6）：189-191.

[3]石艷玲.紅外虛擬鍵盤技術(shù)研究[D].太原：華北工學(xué)院，2004.

[4]蔡睿妍.激光虛擬鍵盤的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].激光與紅外，2012，42（8）：875-878.