嵌入式屏幕光点定位装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及投影屏幕上的激光点自动识别和定位技术，其特征在于：在装在摄像机镜头中的６５０ｎｍ高透滤光片的配合下，对图像中的激光点进行识别，通过自动屏幕校准过程获得的屏幕坐标信息计算出激光点相对于屏幕的实际坐标，并通过光圈驱动模块控制镜头光圈大小，来适应屏幕校准和激光点定位情况下对镜头光圈大小的不同要求，图像的处理和分析由ＦＰＧＡ处理器来完成，单片机将激光点定位结果通过多通道ＲＦ收／发器向ＰＣ主机发出，该单片机同时通过ＲＦ收／发器接收ＰＣ主机发来的图像处理器配置文件，实现配置程序的无线升级。本发明专利技术同时实现了屏幕自动校准、光圈自动控制、光点自动定位和配置程序无线下载功能，具有实时性强，可靠性高，配置简单灵活易维护等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及到一种对屏幕上的光点进行自动识别和准确定位的专用嵌入式系统。
技术介绍
目前，由投影机和大屏幕构成的大屏幕显示系统已被广泛的应用到了社会生活的各个领域。但是，普通的大屏幕只是一个显示工具，如果用户要对屏幕上的内容进行拖拽、点击等操作，就不得不借助于鼠标来完成。随着计算机科学的发展，基于激光笔的大屏幕交互方式使得这一现状有所改变。用户可以通过激光笔直接控制大屏幕，实现控制鼠标移动，点击等常用鼠标功能。其基本原理和实现方法在很多文章中都有很详尽的描述，如中国图形图像学报的《基于激光笔的远程人机交互技术》一文。激光笔交互系统的核心技术是激光点的准确定位，即通过分析摄像机拍摄到的图像，获得激光点相对于投影屏幕的坐标位置，进而可以作为用户输入。在本专利技术提出以前，已有的激光点定位系统都是基于PC机+视频采集卡的结构实现的。这种方式下，视频采集卡将摄像头输出的模拟信号量化为数字视频流，PC主机程序通过分析视频流中的数据获取激光点的位置。这样做有如下几个缺点1.成本高系统需要配备一台性能较高的计算机提供计算能力；2.实时性不好PC+Widows(或是Unix、Linux)的通用软硬件平台不能保证视频信号被实时处理；3.硬件部署困难摄像头必须通过视频线和插在PC机上的视频采集卡相连，硬件布置需要综合考虑屏幕、投影仪和主机三者位置等因素。4.可靠性不高激光点的识别能力容易受到环境光的干扰，通过在摄像头前安装红色滤光片可以解决这个问题，但是也需要手工调节摄像头的光圈来适应不同光照条件的影响，操作麻烦。由于以上原因，激光点交互系统的应用并没有普及开来。专利技术内容本专利技术采用嵌入式的设计方案实现激光笔交互过程中的激光点定位技术，主要是为了解决现有方案成本高，实时性差，硬件部署困难，可靠性不高等问题，并通过操作自动化的设计，使用户不必干预就可以方便的使用。本专利技术的特征在于，含有镜头前装有650nm高透滤光片的摄像机、视频解码器和视频编码器、图像处理器、单片机、多通道的RF收/发器、固化有激光光点定位程序的Flash存储器、光圈驱动器、自动光圈镜头及投影机，其中摄像机，采用480线黑白摄像机，其AV视频输出端与所述视频解码器的模拟视频输入端相连，该摄像机实时监视投影屏幕，并将采集到的图像交给系统其他部分进行处理；投影机，其AV视频输入端和所述视频编码器的模拟视频输出端相连，当投影机工作在AV输入模式下，显示由视频编码芯片产生的校准图像。视频解码器，采用飞利浦公司的SAA7113视频解码芯片，其数字视频信号输出端与所述图像处理器的视频数据输入端相连，作用是将所述摄像机输入的模拟视频信号抽样量化为数字视频信号供图像处理器进行处理；视频编码器，采用飞利浦公司的SAA7121视频编码芯片，其数字视频信号输入端与所述图像处理器的视频数据输出端相连，作用是将图像处理器产生的数字视频信号转化为模拟视频信号，并由投影机投影显示；图像处理器，采用15万门的FPGA器件，设有视频编解码芯片控制端，分别与所述视频编码器和视频解码器的控制输入端相连；在系统初始化时，图像处理器负责配置视频编解码芯片的各种运行参数；在系统运行时，图像处理器对由视频数据输入端接收到的视频数据进行实时分析，确定图像中是否存在激光点、激光点的位置坐标以及光点亮度等信息；同时，在进行屏幕自动校准时，图像处理器负责产生黑白棋盘格模式的校准图像，并对含有黑白棋盘格图像的图像进行分析，定位出各角点的位置，从而确定投影屏幕在图像中的位置参数；通过这些参数，由激光点在图像中的位置求出激光点相对于投影屏幕的位置；两个同步动态随机存储器，分别与所述图像处理器互连，并通过乒乓操作对收到的连续视频图像进行分时存储和处理；单片机，设有图像处理器控制端和图像处理结果输入端；其中，图像处理器控制端与所述图像处理器的控制输入端相连，单片机通过该端口向图像处理器发出各种初始化、控制命令；图像处理结果输入端与所述图像处理器的结果输出端相连，单片机通过该端口接收图像处理器分析的结果；单片机是系统的控制核心，负责整个系统的初始化和运行控制；RF收/发器，采用2.4GHz无线单片收发芯片nRF2401构成，通过RF数据收发端与所述单片机的通用端口相连；接收状态下，RF收/发器接收由PC主机发出的以无线RF信号为载体图像处理程序，并解调为数字信号通过该端口送给单片机；发射状态下，RF收/发器接收来自单片机的激光点位置信息，并调制为无线RF信号发射出；红外接收器，设有遥控信号输出端口和所述单片机的通用端口相连，接收红外遥控信号，进行解调后送给单片机处理； Flash存储器，设有数据端口和地址端口与所述单片机的通用端口相连；负责存储单片机的固件程序和图像处理程序，单片机通过可以通过读写操作来访问其中数据；光圈驱动器，设有光圈控制输入端，和所述单片机的通用端口相连，接收单片机发送来的5位光圈控制信号；光圈控制输出端口，与所述自动光圈镜头的四针插孔相连，光圈驱动器通过该端口驱动所述自动光圈镜头里的电机转动，控制光圈变化；为了适应自动屏幕校准和激光点识别两种情况下光圈大小的不同要求，摄像机在进行自动屏幕校准时，增大镜头光圈，摄入屏幕校准图像；在进行激光点识别时，调小镜头光圈，这种情况下，只有激光点的红光可以透过镜头成像，从而提高了信噪比。本专利技术将光点定位技术与嵌入式系统进行了有机的结合，可以从复杂的背景中定位出光点在屏幕上的位置。系统采用了自动屏幕校准方案和自动光圈控制方案，无需用户干预便可完成屏幕校准过程。650nm高透滤光片的设计也大大增加了系统的可靠性。本专利技术可以方便的嵌入到基于投影仪正投或背投的大屏幕显示系统中来为用户提供激光笔交互方式，比如多媒体教室里或背投电视中。整个系统具有实时性强、可靠性高、软硬件配置简单灵活，易于维护等显著优点，生产使用成本也明显低于现有产品。附图说明图1、本专利技术嵌入式屏幕光点定位装置的硬件系统结构框图。图2、本专利技术中RF接收板结构框图。图3、本专利技术嵌入式屏幕光电定位装置的工作流程图。图4、本专利技术中光点定位程序流程图。图5、本专利技术中自动屏幕校准程序流程图。图6、本专利技术中图象处理程序无线下载方案流程图。具体实施为了解决现有的基于PC+视频采集卡结构的方案高成本、部署困难和可靠性不高等问题，本专利技术提供了一种嵌入式屏幕光点定位装置。该装置不仅具有嵌入式系统成本低、实时性强等特点，而且具有软硬件配置简单灵活、可靠性高等特点。通常，激光点定位系统需要解决两个主要问题激光点识别和屏幕校正。因为，要准确定位激光点的位置，首先要能在摄像机拍摄到的图像中准确识别出激光点。其次，由于摄像头相对于屏幕的位置是不确定的，所以屏幕在图像中的位置也是不确定的。这样，为了从激光点在图像中的位置得到激光点在屏幕上的位置，需要事先知道屏幕在图像中出现的位置，这是由屏幕校正过程来完成的。已有的激光点定位系统的屏幕校正过程是由人用激光点照亮屏幕上几个特殊的点来完成的。这种方式操作麻烦，精度不高。为此，本专利技术设计了自动屏幕校正技术来简化用户的操作。其原理是，由嵌入式屏幕光点定位装置产生特殊的校准图像信号作为投影机的输入，在屏幕上投影出该图像。典型的，该图像采用6×8的黑白格(黑白交错的棋盘格)图像，该图像本文档来自技高网...

【技术保护点】
嵌入式屏幕光点定位装置，其特征在于，含有：镜头前装有６５０ｎｍ高透滤光片的摄像机、视频解码器和视频编码器、图像处理器、单片机、多通道的ＲＦ收／发器、固化有激光光点定位程序的Ｆｌａｓｈ存储器、光圈驱动器、自动光圈镜头及投影机，其中：摄 像机，采用４８０线黑白摄像机，其ＡＶ视频输出端与所述视频解码器的模拟视频输入端相连，该摄像机实时监视投影屏幕，并将采集到的图像交给系统其他部分进行处理；投影机，其ＡＶ视频输入端和所述视频编码器的模拟视频输出端相连，当投影机工作在ＡＶ 输入模式下，显示由视频编码芯片产生的校准图像。视频解码器，采用飞利浦公司的ＳＡＡ７１１３视频解码芯片，其数字视频信号输出端与所述图像处理器的视频数据输入端相连，作用是将所述摄像机输入的模拟视频信号抽样量化为数字视频信号供图像处理器进 行处理；视频编码器，采用飞利浦公司的ＳＡＡ７１２１视频编码芯片，其数字视频信号输入端与所述图像处理器的视频数据输出端相连，作用是将图像处理器产生的数字视频信号转化为模拟视频信号，并由投影机投影显示；图像处理器，采用１５万门的 ＦＰＧＡ器件，设有：视频编解码芯片控制端，分别与所述视频编码器和视频解码器的控制输入端相连；在系统初始化时，图像处理器负责配置视频编解码芯片的各种运行参数；在系统运行时，图像处理器对由视频数据输入端接收到的视频数据进行实时分析，确定图像中是否存在激光点、激光点的位置坐标以及光点亮度等信息；同时，在进行屏幕自动校准时，图像处理器负责产生黑白棋盘格模式的校准图像，并对含有黑白棋盘格图像的图像进行分析，定位出各角点的位置，从而确定投影屏幕在图像中的位置参数；通过这些参数，由激光点在图像中的位置求出激光点相对于投影屏幕的位置；两个同步动态随机存储器，分别与所述图像处理器互连，并通过乒乓操作对收到的连续视频图像进行分时存储和处理；单片机，设有图像处理器控制端和图像处理结果输入端；其中，图像处理器控制端与所 述图像处理器的控制输入端相连，单片机通过该端口向图像处理器发出各种初始化、控制命令；图像处理结果输入端与所述图像处理器的结果输出端相连，单片机通过该端口接收图像处理器分析的结果；单片机是系统的控制核心，负责整个系统的初始化和运行控制；　 　ＲＦ收／发器，采用２．４ＧＨｚ无线单片收发芯片ｎＲＦ２４０１构成，通过ＲＦ数据收发端与所述单片机的通用端口相连；接收状态下，...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：史元春，喻纯，姜皓，张亮，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]