多媒體投影教學設備的改革與創新

【摘要】在多媒體投影屏幕上方兩角安裝紅外接收處理器，并給教師配備一支書寫時可發射紅外光的書寫教鞭，將多媒體投影教學設備變成大屏幕的觸摸屏，便于教師開展教學活動，與學生互動交流，直接在投影屏幕上操作計算機，并進行各種注釋書寫操作。

【關鍵詞】多媒體投影;觸摸屏;紅外;大屏幕;定位

【中圖分類號】G40-057 【文獻標識碼】A 【論文編號】1009—8097(2010)04—0153—04

引言

近年來隨著教育信息化的發展，多媒體教室已經進入絕大多數學校，力圖用投影屏幕代替傳統黑板，克服傳統課堂教學的弊端。然而事實表明現有的多媒體投影屏幕只是被用作單向的顯示媒體，教師利用多媒體制作工具制作課件，在課堂上進行播放，有條件的教師可以用激光筆對演示文稿進行遠距離的上翻下翻操作，但如果要打開某應用程序或某軟件進行演示，教師必須回到計算機控制臺前。忙碌于控制臺和投影屏幕之間的教師沒有更多的精力與學生互動交流，影響了教學的效率和質量。本文提出一種創新方案，對多媒體投影教學設備進行改進，使其成為大屏幕觸摸屏。教師在教學過程中，可以一邊講解，一邊利用特制的書寫教鞭在投影屏幕上進行點、圈、拖放、添加注解、任意書寫教學信息等操作，也可以隨時在投影屏幕上直接操作計算機，從而使教師授課輕松自如，充分發揮自己的肢體語言，實現師生之間情感交流。

一 現有技術

要將多媒體投影屏幕變成大屏幕觸摸屏，而又不完全舍棄投影屏幕，可以采用的方法有增設超聲波和紅外信號聯合定位的傳感器[1]、激光定位傳感器[2]或圖像識別定位傳感器，并配備特制的書寫筆或教鞭。

超聲波和紅外信號聯合定位的傳感器以紅外信號作為系統時間基準，由超聲波在屏幕區域內的傳播時間確定書寫筆與傳感器的距離，最終得到書寫筆在屏幕上的坐標。該技術由于使用超聲波計算時延，定位精度受溫度影響。

激光定位傳感器以恒定的轉速掃描書寫筆，由于書寫筆上安裝有用激光自反射材料制成的套環，所以掃描到書寫筆后掃描激光將原路返回，激光定位傳感器從激光反射信息中提取書寫筆的定位信息，確定書寫筆的運動軌跡。該技術實現難度較大，因此造價很高，美國的SOFTBOARD就是采用此技術實現的產品。

圖像識別定位傳感器，一般由光學鏡頭、圖像傳感器組成，有的還配有濾光片。根據圖像傳感器的位置可分為圖像傳感器前置型、圖像傳感器后置型、表面圖像傳感器型。根據圖像傳感器類型又可分為面陣圖像傳感器型(包括圖像傳感器前置型、圖像傳感器后置型)和線型圖像傳感器型(對應表面圖像傳感器型)。SmartBoard公司提供前置、后置型產品，產品集成度很高，包括屏幕、攝像機和投影儀等，且價格昂貴，最貴的高達30萬元。

圖像傳感器前置型[3-11]是指圖像傳感器置于屏幕的正前方，通過光學鏡頭采集包含書寫筆在內的屏幕圖像，對書寫筆進行識別，再進行圖像畸變校正和坐標轉換將圖像中坐標轉換為屏幕坐標，從而定位書寫筆。缺點:教師在使用書寫筆或教鞭觸摸時遮擋屏幕，可能造成無法觸摸或不方便觸摸或觸摸定位困難;改進策略:使用紅色激光筆代替觸摸物，遠距離指示，避免教師的遮擋，同時在圖像傳感器前配有紅色濾波片便于識別圖像中的由紅色激光筆產生的激光點[12]，但是屏幕本身顯示的內容中也會有紅色亮點，造成干擾，以致無法正確定位;改進策略:使用紅外光筆代替紅色激光筆，同時圖像傳感器前配紅外濾光片識別圖像中由紅外光筆產生的光點[13]。

圖像傳感器前置型的定位分手動式[7][8]和自動式[14]兩種。手動式首先需要進行一次人工的坐標采樣工作:逐點在屏幕上顯示一組均勻分布的M行N列特征點，等待教師在每一個特征點上按下書寫筆，由圖像傳感器通過光學鏡頭采集這組點在圖像中的位置，計算機記錄下圖像坐標與屏幕坐標的對應關系，用數值方法來求得屏幕上任意一點的圖像坐標到屏幕坐標的轉換。自動式分為坐標初校準和正常工作兩個過程。在坐標初校準時，由圖像傳感器通過光學鏡頭采集屏幕圖像確定圖像坐標與屏幕坐標的對應關系;而在正常工作時，由配置了濾光片的圖像傳感器提取光點位置，并依據已經獲得的對應關系進行坐標轉換。光筆的發光為與所述濾光片相對應的紅外或紫外光。

圖像傳感器后置型[15-19]指的是圖像傳感器置于屏幕的背面，先通過光學鏡頭采集屏幕無書寫筆或教鞭觸摸時的初始圖像，當教師觸摸時，接觸部分把屏幕上方照射下來的光線擋住，產生暗點。計算機控制器把當前觸摸圖像與初始圖像進行相減剔除背景，得到產生暗點的幾個區域，然后對這些區域進行去噪點，增加對比度，腐蝕膨脹等處理，最后根據特定的閾值得到多個形狀規則的區域，這多個區域就是觸摸點在整幅圖像中的位置。缺點:容易受到外界環境光的干擾。改進策略:使用紅外光筆，利用圖像處理的方法從配置透紅外濾可見光的濾光片的圖像傳感器采集的圖像中計算出書寫筆的位置，并跟蹤書寫筆的位置移動。缺點:屏幕必須可透過成像光波。

表面圖像傳感器型指的是圖像傳感器置于屏幕的表面，即光學鏡頭垂直于屏幕平面。在屏幕的同側兩個角上安裝圖像傳感器，其平行于屏幕方向上的視角為90度，覆蓋整個屏幕，垂直于屏幕方向上的視角保證書寫筆或教鞭在圖像傳感器的視角內。系統工作時，屏幕發出的光通過光學鏡頭在圖像傳感器上成像，成的像是一條連續的直線段，當書寫筆觸摸屏幕時，連續的直線段中間會有中斷的陰影，根據陰影在連續直線段上的相對位置與圖像傳感器的物理位置和角度以及光學鏡頭和圖像傳感器之間的相對距離可以計算出書寫筆到兩個圖像傳感器的入射角度，遵循平面上兩條直線相交有且只有一個交點的數學原理，利用線性方法計算得到觸摸物的位置、大小[20-22]。缺點:當書寫筆離兩個圖像傳感器的連線較近時，由于三角形趨向于一條直線，會造成定位精度降低;圖像傳感器的圖像感應區域為錐形結構，當書寫筆離圖像傳感器越近，其在圖像感應區域中的比例會越大，以致于書寫筆的輕微移動都會引起定位的巨大偏差;且書寫筆離圖像傳感器太近，圖像傳感器聚焦困難，也會影響書寫筆位置的判定。改進策略:至少在屏幕的三個角上安裝圖像傳感器，系統選定初定位圖像傳感器，將屏幕分區并設定坐標，根據初定位提供的信息確定大概中心位置，再選定精確定位圖像傳感器，進行精確定位，確保任意位置都是由兩個不同位置圖像傳感器的遠場圖像信息來確定[23-26]。缺點:書寫筆由于表面的反光程度和圖像傳感器的距離等不確定性致使在圖像傳感器上不易直接識別。改進策略:使用發光帶參照物對書寫筆進行定位[27]。圖像傳感器除了安裝在屏幕的角上，還可以安裝在屏幕的邊上，由于圖像傳感器視角有一定的范圍，因此為覆蓋整個屏幕，采用安裝在屏幕的邊上的策略時，需要增加圖像采集裝置，必須在屏幕的每邊上都安裝圖像傳感器[28][29]。

二 設計方案

在投影屏幕的上方兩角安裝紅外接收處理器，通過USB接口連接主控臺計算機，給教師配上一支書寫時可發射紅外光的書寫教鞭，這樣多媒體投影屏幕可以成為大屏幕觸摸屏，如圖1所示。教師使用書寫教鞭在多媒體投影屏幕上控制計算機，并進行點、圈、拖放、添加注解、任意書寫教學信息等操作。

紅外接收處理器由固定設置的光敏元件、勻速旋轉的紅外反光鏡面和基準時刻紅外發射器組成。基準時刻紅外發射器采用LED紅外發光二極管，持續發射紅外光，用來作為系統時間基準。紅外反光鏡面是設置在勻速旋轉的電機轉軸軸套上的一個或多個紅外反光切面，用于反射教鞭書寫時發射的書寫紅外光和對稱設置的另一個紅外接收處理器中的基準時刻紅外發射器持續發射的基準紅外光;光敏元件在其所處的固定位置上接收勻速旋轉的紅外反光鏡面反射的紅外光，輸出電壓脈沖信號序列。基準時刻紅外發射器持續發射的基準紅外光經勻速旋轉的紅外反光鏡面反射至光敏元件后輸出以時間周期為 的基準電壓脈沖信號，以所述基準電壓脈沖信號出現的時刻為基準時刻;書寫筆書寫時發射的書寫紅外光經勻速旋轉的紅外反光鏡面反射至光敏元件后輸出書寫筆電壓脈沖信號，根據所述書寫筆電壓脈沖信號出現的時刻與最接近的基準時刻的時間差，獲得書寫筆與兩個紅外反光鏡面的中心連線偏離對應的基準時刻紅外發射器與紅外反光鏡面的中心連線的角度，由這兩個角度確定書寫教鞭在投影屏幕中的位置，實現書寫教鞭在投影屏幕上的書寫和控制功能。

三 實現原理

設定光敏元件輸出的電壓脈沖信號序列為:

(1)

式(1)中， 是由基準時刻紅外發射器持續發射的基準紅外光經勻速旋轉的紅外反光鏡面反射至光敏元件，在光敏元件中輸出的以 為周期的基準電壓脈沖信號，m為紅外反光鏡面的個數，n為勻速旋轉電機的轉速;以 出現的時刻為基準時刻; 是書寫教鞭在書寫時發出的書寫紅外光經勻速旋轉的紅外反光鏡面反射至光敏元件，在光敏元件中輸出的書寫教鞭電壓脈沖信號。由書寫教鞭與左紅外反光鏡面中心連線偏離右基準時刻紅外發射器與左紅外反光鏡面中心連線的角度α和書寫教鞭與右紅外反光鏡面中心連線偏離左基準時刻紅外發射器與右紅外反光鏡面中心連線的角度β，確定書寫教鞭在投影屏幕中的位置，方法如下:

以投影屏幕左上角所在位置為坐標原點，以投影屏幕上邊沿所在直線為x軸，取向右方向為正方向，以垂直于x軸方向為y軸，取向下方向為正方向，建立平面直角坐標系。以左紅外接收處理器為例，如圖2所示，定義左紅外反光鏡面中心為A點 ，投影屏幕左下角為B點 ，投影屏幕右上角為C點 ，投影屏幕右下角為D點 ，右基準時刻紅外發射器為E點。初始定位時，由書寫教鞭在投影屏幕的B、C、D處點一下，由左光敏元件輸出電壓脈沖信號中相鄰兩個脈沖信號的時間差 通過公式:

(2)

分別計算 、 和 ，再由 和 通過余弦定理得到A點的一條軌跡方程:

(3)

該軌跡方程是y關于x的隱函數 ，同理由 和 根據余弦定理得到A點的另一條軌跡方程:

(4)

該軌跡方程是y關于x的隱函數 ，兩軌跡相交的交點處于投影屏幕左上角范圍內的即為A點位置;再由計算得到的A點坐標 、C點坐標 得到左紅外反光鏡面中心與投影屏幕右上角連線的直線方程:

(5)

按照同樣方法計算右紅外反光鏡面中心點位置及其右紅外反光鏡面中心與投影屏幕左上角連線的直線方程 。

初始定位完成后，當書寫教鞭進行書寫時，由左光敏元件輸出電壓脈沖信號中相鄰的兩個脈沖信號的時間差為 ，通過公式(2)計算書寫教鞭與左紅外反光鏡面中心連線偏離右基準時刻紅外發射器與左紅外反光鏡面中心連線的角度α，由 和直線方程 確定書寫教鞭在投影屏幕平面內的一條直線軌跡方程:

(6)

同理由右光敏元件輸出電壓脈沖信號中相鄰兩個脈沖信號的時間差為 ，通過公式(2)計算書寫教鞭與右紅外反光鏡面中心連線偏離左基準時刻紅外發射器與右紅外反光鏡面中心連線的角度β，由于紅外接收處理器對稱安裝，因此由 和直線方程 確定書寫教鞭在投影屏幕平面內的另一條直線軌跡方程 ，兩條直線方程 和 相交，得到書寫教鞭在投影屏幕內的坐標，進而實現投影屏幕的觸摸和書寫功能。

四 總結

利用勻速旋轉的紅外反光鏡面反射書寫教鞭書寫時發射的紅外光至光敏元件，由光敏元件輸出的電壓脈沖之間的時間差計算書寫教鞭在投影屏幕上的具體位置，準確定位，將多媒體投影教學設備改進為大屏幕觸摸屏，便于教師在投影屏幕上使用書寫教鞭直接操作計算機，并進行各種注釋操作，可提高多媒體課堂教學質量。比起市場上現有的電子白板，其優點在于不必重新購置價格昂貴且集成度很高的產品，可有效減少校方的財政支出。

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