無線指環快速定位在互動教學中的應用研究

曾昭江，張仁忠，張勁波，李杏清

（廣東創新科技職業學院，廣東 東莞 523960）

無線指環快速定位在互動教學中的應用研究

曾昭江，張仁忠，張勁波，李杏清

（廣東創新科技職業學院，廣東 東莞 523960）

在多媒體互動教學中，激光筆解決了上下翻頁功能，但無法實現鼠標的更多功能。若設計一個穿戴在手上的指環，裝上高清攝像裝置和處理芯片，可以實現屏幕快速定位替代鼠標的滑動操作。文章介紹了這種指環的組成原理與工作原理。

無線指環；采集圖像；激光點

1 多媒體控制教學研究背景

在多媒體教學中，演講者必須在一個固定的平面上操作鼠標來控制教學內容的變化。為了使教學效果更加生動，增強教與學之間的互動，教師通常不能靜態地操作電腦，如果教師離開電腦又要操作電腦，目前可以借助于翻頁激光筆實現PPT翻頁功能。翻頁激光筆（又名激光翻頁筆、無線演示器、無線演示控制器、PPT 翻頁筆等）根據所使用的無線傳輸技術不同，分為紅外和射頻兩類。紅外翻頁激光筆采用紅外技術來傳輸遙控信號，和生活中使用的電視遙控器、DVD遙控器、空調遙控器的原理相同。紅外技術出現的比較早，技術成熟、復雜性低。由于紅外光不能穿透物體，需要可視傳輸。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，方可實現遙控翻頁。射頻翻頁激光筆利用無線射頻技術來傳輸遙控信號。相對于紅外技術，射頻技術可以360度傳輸和繞射，沒有方向性。發射器和接收器之間也不需要對準，只要接收器沒有被金屬包圍或者覆蓋，都可以實現遙控。翻頁激光筆的功能在激光筆的基礎上有所增加，但最基本的功能還是上、下翻頁功能，仍然無法取代鼠標實現自由的操作。

本文提出設計一種穿戴在手上的無線指環，利用微型攝像裝置、處理芯片及無線射頻識別技術，解決以上問題。用微型攝像機采集激光筆打到屏幕上的光點位置信息，處理芯片快速定位光點坐標，利用射頻識別信息發送給計算機，就可以實現一般鼠標的功能，而且操作更加輕便、定位更加準確。

2 無線指環的組成原理

設計一個指環穿戴在食指上，在指環上端加裝微型攝像頭，激光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d'，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視口設定為大于屏幕窗口的面積S窗口，但小于屏幕窗口的面積S窗口4倍時，即S窗口＜S視口＜4S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 6條線段中，至少有3條線段將與由ABCD構成的屏幕窗口AB，BC，CD，DA 4條線段中的至少兩條線段相交，計算出指環相對電腦屏幕的位移，將數據指環中的控制器對數據的處理，傳輸給計算機實現鼠標操作的變換。

圖1 無線指環的組成原理

3 無線指環的工作原理

3.1 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2 m＜d＜15 m（符合實際應用情況），盡可能選擇d為工作范圍的中點，d=8 m，輸入屏幕寬和高的值后，分別測定A，B，C，D 4個角點。

3.2 工作

當激光點落入屏幕窗口，啟動微型攝像機采集圖像。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，計算機在該點繪出鼠標的光標圖形。將激光點移動到目標點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，最終在目標點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。

3.3 誤差

理論上根據采集圖像計算得出的激光點的坐標值，應與實際激光點的坐標值一致，從而鼠標的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，鼠標的光標圖形與激光點并不能完全重疊。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。

3.4 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。

4 無線指環的應用價值

無線指環空中定位的實現主要是由高清攝像頭、圖像識別技術和無線射頻識別技術來實現，可以對屏幕上的小目標進行精確定位，能夠快速捕捉用戶的操作并實現線性移動，延遲小，沒有慣性位移。RFID射頻識別通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數據，可識別高速運動物體并可同時識別多個標簽，操作快捷方便，識別距離可達幾十米。無線指環基于圖像識別技術的空中飛鼠定位為用戶提供了一種遠距離操控屏幕的輸入方式，用戶可以在自由空間平面內體驗遠距離鼠標式操作，主要包括移動和點擊，無線指環可應用于PC，TV，游戲外設、鼠標、遙控器等，應用定位為演示會議，特別是PPT演講。

5 結語

本文針對翻頁筆只能翻頁，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，提出了一種無線指環快速定位方案，以替代無線鼠標的固定平面操作。該方法通過微型攝像系統感知鼠標的移動動作，以處理芯片為控制核心，采用無線射頻自動識別技術收發模塊完成無線通信，從而達到了鼠標的操作功能，真正將用戶從計算機旁解放出來。

[1]周成虎，李小魁，韓大偉.無線鼠標電路設計及算法實現[J].計算機測量與控制，2012（12）：3329-3331.

[2]吳大中.一種用于多媒體教學的無線鼠標[J].電子技術應用，2009（2）：91-94.

[3]徐進強.基于EncoreⅡ系列微控制器的PPT翻頁器設計[J].電子世界，2012（13）：115-116.

[4]郭平平，崔志琴. 基于PPT演示的無線放映控制器設計[J].電子測試，2010（5）：77-80.

[5]羅星華，張碧鋒. 基于單片機的無線遙控教鞭的設計[J].微型機與應用，2011（12）：23-25.

Study on application of interactive teaching in the fast wireless positioning ring

Zeng Zhaojiang, Zhang Renzhong, Zhang Jinbo, Li Xingqing
（Guangdong Innovation Technology College, Dongguan 523960, China）

In the teaching of multimedia interactive teaching, laser pen solves on the next page function, but cannot achieve more functions of the mouse. If design a ring which dress on the hands, mounting on a high-defnition camera device and processing chip, it can achieve screen quick positioning instead of mouse sliding operation. The article introduced the principle and working principle of the composition the ring of the rings.

wireless ring; image acquisition; laser point

廣東創新科技職業學院2015年校級科研項目（重點項目）；項目名稱：移動目標快速定位的算法研究；項目編號：2015kyxm002。

曾昭江（1984— ），男，江西萍鄉，講師，管理師；研究方向：嵌入式系統，軟件工程。