一種基于視頻技術的無線懸空鼠標設計

廣東創新科技職業學院 李杏清 曾召江 張勁波 張仁忠

一種基于視頻技術的無線懸空鼠標設計

廣東創新科技職業學院 李杏清 曾召江 張勁波 張仁忠

本文針對傳統教學翻頁筆只能翻頁,不能像鼠標一樣選擇、拖拉,而一般的鼠標又需要平面支撐等問題,提出了一種無需滑動平臺就可以實現鼠標功能的無線懸空鼠的設計方法。該設計采用視頻技術進行移動目標定位,以DSP芯片為信號處理器,通過RF射頻收發模塊完成無線通信。該鼠標可作為多媒體教學的無線電子教鞭,有廣泛的應用前景。

無線懸空鼠標;移動目標定位;視頻技術;DSP芯片

1.引言

多媒體教學是目前課堂教學的主要形式之一,但固定的PPT課件內容、教師(講演者)坐在電腦桌前靜態的操作,降低了教與學之間的互動,影響了教學質量(演講效果)。隨著科學技術的發展,無線電子教鞭的出現,使教師不必一直守在電腦前講課,為教師自由發揮講課藝術創造有利條件。但目前的電子教鞭主要以無線激光翻頁筆為主,功能比較單一,只能翻頁和定位目標,在改善教學效果方面作用有限。無線鼠標也可以實現遠距離操作電腦,但鼠標始終離不開滑動的平面,使其在課堂教學中應用不大。

懸空鼠標是一種能脫離平臺操作的新型鼠標,它集合了普通鼠標和激光筆翻頁筆的功能。用其作為電子教鞭,可讓教師徹底從電腦桌旁解放出來,充分地融入到學生中間去,從而極大的提高教學質量。本文從研究視頻圖像處理出發,采用新的移動目標定位方法,在普通激光筆和無線鼠標的基礎上設計一種新型無線懸空鼠標。

2.基于視頻技術的移動目標定位方法

近年來,隨著圖像處理技術的發展,視頻技術在多媒體技術、機器人技術、交通監控等方面有廣泛的應用,本文用視頻信號進行目標定位,該定位系統主要由微型攝像頭和圖像處理芯片組成。

圖1 目標定位原理圖

(1)移動目標定位原理

移動目標定位原理如圖1所示。用于采集視頻信號的微型攝像機位于目標點前方,目標點是攝像機視口的中心點。圖1中S是垂直平面,ABCD是平面上一投影屏幕,屏幕窗口中的直角坐標系原點設在A點,水平方向為X軸,向右為正;垂直方向為Y軸,向下為正。P點是攝像機的位置,EFGH是攝像機視口。NP是屏幕的法線方向,距離為d,MP是視口EFGH的法線方向,距離為dˊ,NP與MP 之間的夾角為α。顯然,視口平面與屏幕平面之間的夾角也為α。

當攝像機視口的面積S攝像機設定為大于屏幕窗口的面積S屏幕窗口,但小于屏幕窗口的面積S屏幕窗口4倍時,即:

S屏幕窗口

則有如下定理:當激光點M落入屏幕窗口中,由EFGH構成的攝像機視口EF、FG、GH、HE、EG、HF六條線段中,至少有三條線段將與由ABCD構成的屏幕窗口AB、BC、CD、DA四條線段中的至少兩條線段相交。

1.1 標定

由于工作中P點是可移動的,所以d是一個變量。假設工作中2m

1.2 工作

當目標點落入屏幕窗口,啟動微型攝像機采集圖像。圖像處理器根據以上定理及標定值可計算出此時激光點在屏幕窗口坐標下的坐標值,將此坐標值發送給計算機,計算機在該點繪出光標圖形。將目標點移動到目標點Q(x,y)的過程,攝像機將按照工作頻率采集多幅圖像重復上述計算與繪制過程,最終得到目標點的相對運動情況。

(2)誤差

理論上根據采集圖像計算得出的目標點的坐標值,應與實際目標點的坐標值一致,從而光標圖形將與激光點重疊。但在實際操作中由于各種誤差的存在,鼠標的光標圖形與目標點并不能完全重疊。其中主要的誤差為:1)實際操作時的距離d與標定時選用的距離不同產生的計算誤差。2)由于α角的存在,攝像機視口投影到S平面后產生的位置誤差。3)由于手持攝像機造成攝像機視口難于保持水平,即線段AB與EF之間存在夾角β而產生的誤差。

(3)誤差修正

由于工作過程是一個有人參與的閉環調節系統,人的眼睛是檢測傳感器,人的大腦是調節控制器,人的手是執行機構。經過多次調節,雖然鼠標的光標圖形與激光點可能沒有完全重疊,但只要使得鼠標的光標圖形進入目標區域即可完成鼠標的操作。

3.無線懸空鼠標的設計

無線懸空鼠標是無需操作平臺的鼠標,目前市面上的懸空鼠標多采用陀螺儀實現懸空操作,本文介紹的鼠標則是通過視頻技術來實現。 該鼠標主要由無線收發射模塊、視頻信號采集模塊、DSP芯片等。發射部分系統框圖如圖2所示,接收部分系統框圖如圖3所示。

圖2 發射部分系統框圖

圖3 接收部分系統框圖

(1)DSP芯片

DSP芯片結構特殊,具有獨立的數據總線和程序總線、硬件乘法器、多級流水線等,可靈活的實現各種復雜的數字信號處理的算法,在實現數字信號處理方面有強大的優勢。本文采用TMS320F28335型數字信號處理器對視頻信號進行處理,該芯片的精度高,成本低, 功耗小,性能高,外設集成度高,數據以及程序存儲量大,A/D轉換精確快速。TMS320F28335具有150MHz的高速處理能力,具備32位浮點處理單元,6個DMA通道支持ADC、McBSP和 EMIF,有多達18路的PWM輸出,其中有6路為TI特有的更高精度的PWM輸出,12位16通道ADC。這得益于其浮點運算單元,用戶可快速編寫控制算法而無需在處理小數操作上耗費過多的時間和精力,并與定點C28x控制器軟件兼容。

(2)鼠標懸空操作的實現

快速定位激光信號,并對其坐標進行解算,從而分析光標相對運動是實現無線鼠標懸空操作的關鍵,也是本文的核心。激光點位置信號采集由微型攝像頭完成,激光點的坐標和相對運動的解算由DSP芯片完成。

信號的采集和處理原理如圖4所示:

圖4 視頻信號的采集和處理原理圖

鼠標工作時,利用激光筆模塊產生的激光信號,當激光點落入屏幕窗口時啟動裝在鼠標上的微型攝像系統采集圖像,并把信號傳遞給DSP芯片。DSP芯片根據上述視頻圖像定位方法及標定值可計算出此時激光點在屏幕窗口坐標下的坐標值,將此坐標值發送給計算機。計算機在該點繪出鼠標的光標圖形。當使用者沿想要通過鼠標拖選某一內容時,只需沿拖動的方向晃動鼠標,將激光點移動到目標點Q(x,y),攝像機將按照工作頻率采集多幅圖像,DSP系統將重復上述計算與繪制過程,最終在目標內容上繪出鼠標的光標圖形。此時按下相應的鍵,即可完成鼠標的操作。從而實現了無滑動平面的鼠標操作功能。

(3)無線信號的收發

無線信號收發目前主要有紅外技術、藍牙技術和RF射頻技術。紅外接收技術成熟、復雜性低,但有一定的方向性和距離限制,在發射器和接收器之間,不能有任何物體阻擋,使用時表現為接收器和發射器要在一定的角度內對準,方可實現遙控;藍牙技術同樣受傳輸距離和物體阻擋的影響;RF射頻技術信號收發時無需將發射器對準接收器,相比較紅外技術和藍牙技術來說,更適合在教室等場所使用。

本設計可采用體積最小、外圍元件少、功耗小、成本低的nRF2401 射頻系統級芯片構成的射頻模塊進行無線收發,通過USB協議實現與計算機的通信。鼠標的單擊和雙擊的功能通過發射電路板的兩個左右按鍵實現。

4.結束語

本文針對教學翻頁筆只能翻頁,不能像鼠標一樣選擇,拖拉,而一般的鼠標又需要平面支撐等問題,重點研究視頻技術在移動目標定位中的應用,提出了一種新的無線鼠標的設計方法。該方法通過微型攝像系統感知鼠標的移動動作,以DSP芯片為處理器,采用RF射頻收發模塊完成無線通信,從而達到鼠標的懸空操作,真正將用戶從計算機旁解放出來。

[1]曹青,歐陽紅林,胡彪。基于角速率陀螺儀的無線鼠標的設計與實現[J]。微機電技術應用,2008,24(12):230-232.

[2]田亮亮,王國發,臧家偉。3D無線射頻鼠標的設計與實現[J]。機電產品開發與創新,2011,24(3):50-51.

廣東創新科技職業學院科研基金資助,項目編號:2015kyxm002.