基于红外小目标识别的空中鼠标解决方案

摘要：该文提出一种基于运动物体DBT（detect before track）背景消除法识别红外小目标，并将其应用于空中鼠标中。实验主要经过色彩空间转换、阈值分割、图像开运算、连通分析后进行目标识别，并通过摄像头标定获取识别目标在视野中的相对位置。通过单片机以及2.4G通信模块，将除位置信息以外的控制信息传递到电脑。以电脑进行位置运算，单片机进行控制。实验结果表明，该方案识别的目标精度较高，价格低廉，具有一定应用前景。

关键词： 红外小目标识别； 图像处理； 摄像头；空中鼠标， Matlab

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）05-1021-03

Air Mouse Solution Based on the IR Small Target Recognize

LI Zheng，ZHENG Jian-bao，ZHU Zhen-chi，LIN Yao-cong

（South China Agricultural University，College of Engineering，Guangzhou 510642，China）

Abstract： In this paper， we have proposed one method to identify the infrared small target based on moving object DBT （detect before track） background elimination， and applied it to the air mouse. The target is recognized mainly through the steps below： color space conversion， threshold segmentation， image open operation， connection area analysis， and then identify the target relative position in the field of vision captured .By MCU（micro-controller unit） and 2.4G communication module， the control information will be transmitted to the computer. Recognized the position by computer and control by the MCU. The result shows that the proposed scheme has higher target accuracy， lower price and a certain application prospect.

Key words： IR small target recognition， Image Process， Camera， Air Mouse， Matlab

1 概述

鼠标在计算机领域一直有着深远的影响，鼠标的发展从有线的机械滚轮鼠标、光电鼠标到无线鼠标的诞生。空中鼠标作为一种全新的理念走进人们的身活中，它能像传统鼠标一样操作屏幕光标，但却不需要放在任何平面上，在空中晃动就能直接使用。自由方便是它的特性，例如在办公领域可以当作简报笔，让做PPT演示的人员不再需要坐在会议桌上摆弄电脑，就可以遥控操作；在家用娱乐上配合电视或者HTPC在客厅使用。

目前市场上存在的空中鼠标解决主要有两种，其一是通过螺旋仪对空中鼠标移动的空间角度进行测量，并通过大量算法进行处理，该方案缺点比较明显，鼠标移动是并不能真正按照人的意愿工作，而在鼠标横向匀速运动的问题上面也没有得到解决；另一种解决方案是基于红外（IR）图像处理，其原理是用图像传感器（CMOS Image Sensor）来捕捉红外图像，利用图像处理和模式识别技术计算运动物置信息，并通过单片机传递单、双击等多种控制信息，从而控制屏幕光标。其位置信息与控制信息均由单片机负责传递，受限于单片机的性能该方案的处理效率较低。

本文提出一种电脑摄像头捕获图像信息并进行处理，单片机负责传递控制信息的空中鼠标方案。受益于电脑的运算能力，图像识别的精度以及效率都得到较大提高。

2 系统软件设计

本实验所设计软件基于Matlab平台，所用到Matlab的工具箱有图像处理工具箱（IPT）、GUIDE图形界面编辑器和神经网络工具箱。软件设计包括：图像获取；图像处理和识别（分类）；图形用户界面。

2.1 图像获取

Matlab可对已装驱动的摄像头进行启动和控制。利用一些图像获取函数，我们可以轻松实现对摄像头的控制，定时抓拍和手动抓拍。图像获取主要包括以下操作：查询USB2.0摄像头的具体参数（imaqhwinfo）；创建视频输入对象（videoinput）；图像预览和显示（preview、stoppreview、closepreview和image）；获取视频图像（getsnapshot）；图像获取设备的获取和设置（get和set）；关闭视频对象（delete）。

2.2 图像处理

2.2.1 图像处理流程

图像处理模块主要完成对红外小目标的获取以及识别。由于目标小，可能仅为几个到十个个像素，时常表现为孤点或斑点，而且目标为光源，容易受到周围光环境影响。经过对比光流法、侦差分法以及DBT（detect before track）背景消除法三种方法的优劣以及实际实验效果，我们决定选用基于基于数学形态学滤波的DBT背景消除法。

DBT背景消除法主要流程如图1所示：

图1 DBT背景消除法

输入至中值滤波各步骤处理结果如图2所示：

（a）原图 （b）灰度图

（c）自动阈值分割 （d）利用中值滤波做平滑处理

图2 输入原图至中指滤波各步骤处理结果

2.2.2 图像开运算

利用图像开运算做背景估计：

通过选取合适的结构元素对红外图象进行开运算就可以去除小目标，使图像中只剩下背景。

背景估计=[（f?g）（x，y）]。背景提取结果如图3所示：

图3 背景提取结果

2.2.3 目标特征提取并作连通量分析

圆形性C是是对一个区域R所有边界点定义的特征量：[C=μRσ’R]，其中[μR]为区域重心到边界[σR]点的平均距离，为区域重心到边界点的距离的均方差，且：

当R趋向于原型是，特征量C是单增趋向无穷的，不受区域评议、旋转和尺度变化的影响。目标提取后作连通量分析结果如图4所示：

（a）目标提取结果 （b）连通量分析结果

图4 目标提取、连通量分析结果

2.2.4 目标坐标确定

通过获取目标质心，并计算目标质心在摄像头获取的图像中的x坐标与y坐标，从而映射到电脑屏幕的对应位置，并驱动鼠标移动至对应位置。其基本界面如图5所示：

图5 基本界面设计

3 系统硬件设计

硬件部分负责发射红外光，并且将鼠标的控制信息传递至电脑中。主要包括硬件控制电路以及通信电路。

3.1 MSC-51（AT89S51）单片机控制模块

本实验采用MSC-51单片机实现对数据处理的控制部分，由于51单片机没有SPI借口，需要在端口上模拟SPI时序。单片机主要用于无线发射模块的控制与相关数据信息的处理。单片机同时与按键连接，便于使用按键模拟鼠标左右单击。

3.2 2.4G无线通信模块

通信部分使用无线通信的2.4G技术，其频段处于2.405GHz-2.485GHz（科学、 医药、农业）之间。所以简称为2.4G无线技术。这个频段里属国际规定的免费频段，不需向国际相关组织缴纳任何费用的，为技术可发展性提供了有利条件。

相比蓝牙以及27MHz这三种常用的无线传输技术，2.4G有着自己独到的优势所在。相比蓝牙它的产品制造成本更低，提供的数据传输速率更高。相比同样免费的27MHz无线技术它的抗干扰性、最大传输距离以及功耗都远远超出。

本项目使用nRF24L01的2.4G无线收发模块，实现单片机与计算机之间的通信。其连接流程图如图6所示：

图6 基本界面设计

4 结论

本文研究红外小目标识别在空中鼠标中的应用，并提出了一种电脑端进行位置计算，外设进行鼠标控制的方案。实验证明，基于DBT的背景消除法对红外小目标识别的精度较高，且电脑端进行运算能有效地提高效率。然而本文研究基于Matlab平台，且依赖于电脑摄像头进行视频采集，对所有电脑的适用性需要进一步研究。 （下转第1035页）

（上接第1023页）

参考文献：

[1] 滕莉. 空中鼠标自由“掌握”——详解空中鼠标技术解决方案[J]. 个人电脑， 2010，2： 78-79.

[2] 肖辰. 掌下的革命——罗技MX Revolution和VX Revolution的试用小记[J]. 大众硬件，2006（12）.

[3] 周婷婷，尚浩. 基于2.4G的智能家居控制系统设计[J]. 单片机与嵌入式系统应用，2012，10：67-69.

[4] 王贤坤，陈新华. 基于nRF24E1无线模块的智能家居无线局域网[J]. 信息技术与信息化，2009（1）.

[5] 士建，郭立，段勃，朱俊株. 基于数学形态学的红外点目标实时检测算法及其CPLD实现[J]. 中国科学技术大学学报，2004（3）.

[6] 潘鸣，裴云天，吴贵臣. 强杂波背景下高空红外运动点目标检测[J]. 电波科学学报，2004（6）.

[7] 高亮，周德扬，杨刚. 2.4GHz无线数据传输系统[J]. 北京广播学院学报：自然科学版，2005（3）.

[8] 张莉. 近距离无线通信技术及应用前景[J]. 电信技术，2005（11）.

[9] 张毅坤等编著.单片微型计算机原理及应用[M]. 西安电子科技大学出版社， 1998.