多媒体投影伴侣

【摘要】为改变教师在多媒体教学过程中站在控制台前一边控制计算机，一边讲授课程，与学生之间缺乏交流的现状，设计多媒体投影伴侣，它由图像采集装置、红外激光笔和图像处理软件组成。教师能够利用手中的红外激光笔远距离的控制投影屏幕的显示内容，对屏幕进行单击、双击、右键等类似鼠标的操作。相比于无线鼠标，它无需移动的平面；相比于普通激光笔，它增加了控制投影屏幕显示的功能。

【关键词】多媒体教学；投影伴侣；红外激光笔

【中图分类号】G40-057 【文献标识码】A 【论文编号】1009―8097（2011）05―0130―03

引言

随着现代技术的发展，多媒体教室已经走入绝大多数学校。教师使用多媒体投影进行教学，告别了黑板粉笔时代。但是投影屏幕只是作为单向的显示媒体，教师提前制作好上课用的多媒体课件，在课堂上使用激光笔[1][2][3][4]进行翻页讲解，必要时进行指示。但是教师如果想对某应用程序进行操作的话，必须返回控制台，利用鼠标对计算机操作。如果教师手中的激光笔不仅可以对多媒体课件进行翻页以及简单指示外，还具备点击功能，那么教师就不用往返于投影屏幕与控制台之间，有精力加强与学生的交流，提高教学质量。针对该问题，本文设计多媒体投影伴侣，使得教师可以使用手中的红外激光笔对投影屏幕进行远距离的点击操作，将投影屏幕变成虚拟触摸屏。

一 设计方案

多媒体投影伴侣由图像采集装置、红外激光笔和图像处理软件组成。红外激光笔发射红外激光指向投影屏幕，图像采集装置获取投影屏幕图像，识别出红外激光指示的位置，根据用户操作类型控制计算机执行对应操作，如图1所示。

图像采集装置由CCD图像传感器、红外线滤镜、红外线滤镜驱动机构组成，如图2所示。红外激光笔发射的红外激光是不可见的，但是CCD图像传感器既能拍摄到红外光部分，也能拍摄到可见光部分。为准确识别红外激光点位置，在安装的时候，利用红外线滤镜驱动机构驱动红外线滤镜离开CCD图像传感器的镜头，由CCD图像传感器拍摄投影屏幕图像，确定图像坐标与投影屏幕坐标的对应关系；以后每次使用激光笔时，红外线滤镜驱动机构推动红外线滤镜移到CCD图像传感器的镜头前，只允许红外光透过，由CCD图像传感器拍摄投影屏幕的红外光部分，这时候它拍摄到的将只有红外激光笔发射到投影屏幕上的红外激光点，根据红外激光点在图像中的坐标以及图像坐标与投影屏幕坐标的对应关系，可以计算得到红外激光点在投影屏幕上的坐标，实现定位。最后根据红外激光点的时间长短和次数区分操作类型，并完成相应的鼠标单击、双击、右键等操作，实现对投影屏幕的远距离控制。

二 实现原理

红外光[5]是不可见的，人的肉眼无法识别，但是CCD图像传感器可以感应红外光，同时也感应可见光，当它拍摄投影屏幕图像时，激光笔发出的红外激光点会混在投影屏幕图像中无法识别。因此若要清楚的拍摄到红外激光点，可以将CCD图像传感器前加个红外线滤镜[6]，只允许红外光透过，不允许可见光透过，这样CCD图像传感器单独拍摄红外激光点，能够获取其在图像中的准确位置。光有红外激光点在图像中的位置还不能计算出红外激光点在投影屏幕上的位置，还需要图像坐标与投影屏幕坐标的对应关系，这个对应关系在投影屏幕与图像采集装置位置不变的情况下是个定值，因此可以在确定投影屏幕与图像采集装置的相对位置之后进行一次校准，计算图像坐标与投影屏幕坐标的对应关系，该对应关系的获得可以采用常规的校准方法，但是要求图像采集装置能够拍摄到投影屏幕图像内容，因此在校准时可以先将CCD图像传感器前的红外线滤镜去掉，通过可见光的拍摄获取图像坐标与投影屏幕坐标之间的对应关系；以后每次使用红外激光笔时，再加上红外线滤镜过滤可见光，只拍摄红外激光点图像。

在获取了红外激光点在投影屏幕上的位置之后，还存在一个问题，就是对其进行何种操作：鼠标单击、鼠标双击或是鼠标右键？一种解决的方法是给红外激光笔上设置两个按键，一个模拟鼠标左键，一个模拟鼠标右键；另外一种方法是利用红外激光点出现的时间长短和次数来模拟操作类型，例如：按住发射红外激光的按键不放，连续发射红外激光，并在投影屏幕上移动，模拟鼠标移动操作；若在某位置停下，极快速度松开按键并再次按键，模拟单击操作；若连续按两次，模拟双击；若先单击按键，再移动到某位置，再单击，模拟鼠标右键操作，其余操作类似定义。

三 技术支持

1 确立图像坐标与投影屏幕坐标对应关系

在安装好多媒体投影伴侣后，第一步就是要确定图像坐标与投影屏幕坐标的对应关系。方法如下：让投影屏幕显示如图3所示的棋盘格图像，CCD图像传感器拍摄投影屏幕上显示的内容，如图4所示，拍摄到的棋盘格存在一定的变形，不过它的每个点与投影屏幕上的点具有一一对应的关系。利用射影变换公式[7][8]

可以计算二者之间的对应关系。

2 识别红外激光点

确定了图像坐标与投影屏幕坐标对应关系后，可以将CCD图像传感器前的红外线滤镜加上，使其只允许透过红外光，这样CCD图像传感器拍摄的图像就是红外光图像。如果图像中存在一点则表示红外激光点；如果没有则表明激光笔没有向投影屏幕发射红外激光。利用亮度信息可以得到该点在图像中的坐标位置，再利用校准时确定的图像坐标与投影屏幕坐标对应关系，可以计算出红外激光点在投影屏幕上的精确坐标。

3 判断操作类型

利用红外激光点出现的时间和次数判断操作类型的算法状态转换图如图5所示。

初始状态（0NoPoint）下，图像中无红外激光点，一旦图像中开始存在点了，就进入开始判断状态（1StartJudge），若之后一直有点，即pt.x>0，则表明用户在不停的发射红外激光，也就是在进行鼠标移动，因此，在有点状态（2HavePoint）下，在新的位置上显示鼠标光标，实现鼠标移动的模拟；一旦pt.x

在准备点击状态（3PreClick）下，若图像中有点，表明用户可能准备进行单击或双击操作，因此进入左键点击状态（4LeftClick）；若图像中无点，且无点的时间>600s，表明用户停止按键，因此回到1StartJudge状态；

在左键点击状态（4LeftClick）下，若图像中再次无点，表明用户准备双击操作，进入左键双击状态（5PreLeftDoubleClick）；若图像中有点，且与上次开始有点时间间隔>600s，表明从之前的短时间停顿后，一直都处于按键状态，因此转回到2HavePoint状态；

在准备左键双击状态（5PreLeftDoubleClick）下，若图像中有点，表明用户进行双击操作，进入左键双击状态（6LeftDoubleClick）；若图像中无点，且无点时间间隔>600s，表明用户在左键单击之后，停止了一段时间，因此也转回StartJudge状态；

在左键双击状态（6LeftDoubleClick）下，若图像中有点，且有点时间间隔>600s，表明从之前的短时间停顿后，一直都处于按键状态，因此转回到2HavePoint状态；若图像中无点，表明进行双击操作，并接着转回到1StartJudge状态。

四 结束语

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多媒体投影伴侣的设计目的在于便于教师在多媒体教学过程中不依赖于多媒体控制台和计算机，加强与学生之间的交流和互动，解决目前多媒体教学中存在的影响教学质量的关键问题。多媒体投影伴侣由图像采集装置、红外激光笔和图像处理软件组成。在安装时，图像采集装置中的红外线滤镜驱动机构驱动红外线滤镜离开CCD图像传感器的镜头前，拍摄投影屏幕图像，由图像处理软件获取投影屏幕坐标与图像坐标的对应关系，以后每次使用红外激光笔操作时，红外线滤镜驱动机构将推动红外线滤镜移到CCD图像传感器的镜头前，只拍摄红外激光笔发射到投影屏幕上的激光点，由对应关系可以计算出投影屏幕上的坐标位置，再根据红外激光点的时间长短和次数区分鼠标单击、双击、右键等操作类型，实现对投影屏幕的远距离控制。这种多媒体投影伴侣可以与现有的多媒体教室中的其他设备配合使用，无需进行任何改造，是一种行之有效的优化多媒体教学环境的方法。

参考文献

[1] 陈刚, 鲁晨平, 申瑞民. 激光笔指示与光点轨迹识别方法[P]. 中国专利: 101251784, 2008-08-27.

[2] 白益洪, 蔡振家. 光电定位及红外书写的投影仪及具有该投影仪的投影系统[P]. 中国专利:200944179, 2007-09-05.

[3] 刘福海.激光笔的改进[J].教学仪器与实验, 2007,23(4):22.

[4] 鲁晨平.激光笔轨迹识别系统设计与实现[D].上海:上海交通大学,2008.

[5] 百度百科:红外光[EB/OL]．

.

[6] 百度百科:红外线滤镜[EB/OL].

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[7] RAHUL SUKTHANKAR, ROBERT G.STOCKTON, MATHNEW D.MULLIN. Smarter presentations: exploiting homography in camera-projector systems[A]. Proceedings of International Conference on Computer Vision[C]. Vancouver,2001: 247-253.

[8] 徐一华,李善青,贾云得.一种基于视觉的手指屏幕交互方法[J].电子学报, 2007,35(11): 2236-2240.

Partner of Multimedia Projector

LIU Zheng-yi1 WU Jian-guo2 LI Wei1

(1. School of Computer Science and Technology, Anhui University, Hefei, Anhui 230039, China; 2. Key Laboratory of Intelligent Computing & Signal Processing of Ministry of Education, Anhui University, Hefei ,Anhui 230039, China)

Abstract: Traditional teaching mode is changed by multimedia teaching mode. Teacher uses projector to display course contents rather than use blackboard and chalk. But teacher must operate computer to control display of projection screen and can not depart from computer console table. It results in lack of communication between teacher and students and affects teaching quality. To optimize the multimedia teaching environment one partner of multimedia projector is presented. It can be equipped in multimedia classroom and cooperate with existed projector and computer. Teacher can hold the infrared laser pointer to control projection screen on any position of the classroom by click, double click and right-mouse operation. And compared to the wireless mouse, it is easy to use because it need not plane to move on. Compared to the traditional red laser pointer, it can control projection screen rather than indication, page up and page down.

Keywords: multimedia teaching; projector partner; infrared laser pen

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文

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