虛擬鐳射鍵盤的設計與制作

王帥 劉莉 劉世捷 彭翔 王茂金 曾亞琛

【摘 要】本款虛擬鐳射鍵盤分為硬件和軟件兩個部分。硬件部分主要為650 nm激光投射鍵盤、850 nm激光一字線發射器、150°廣角攝像頭、STM32模塊、TFT彩屏等。軟件部分使用C語言編寫程序，編譯器使用keil4。激光投射器投射出鍵盤圖樣，一字線激光發射器發射出覆蓋鍵盤圖樣的線型結構光。當手指點擊平面上投影的鍵盤圖案時，手指遮擋住了一字線激光發射器發射出的線型結構光，指尖會有反射光斑的產生。攝像頭拍攝到反射光斑，傳輸到STM32模塊進行數字圖像處理，TTF彩屏上顯示出經圖像處理后形成的二值圖。將由圖像中所獲得的光斑坐標與事先存儲在STM32模塊內的投影鍵盤圖案各字符坐標做比對，比對完成后傳輸到PC端，在PC端完成字符輸入和顯示。

【關鍵詞】C語言;數字圖像處理;虛擬鍵盤

【中圖分類號】TP273 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2020）03-0076-02

1 概述

隨著電腦、手機、平板電腦等智能設備朝著體積小、可穿戴、功能集成度高的方向不斷發展，鍵盤、鼠標等輸入設備也隨之改變。對于鍵盤而言，人們需要一款便于攜帶且不受智能設備體積限制的鍵盤。早在20世紀60年代，IBM公司就開始對虛擬鍵盤進行研究，不需要實質鍵盤，通過手套內部的傳感器識別手指動作[1]。國內汪忠德于2002年提出了紅外虛擬鍵盤的構想[2]，其主要思路是先將鍵盤圖像投影到平坦平面上，通過紅外光源發射的紅外線定位手指指尖按鍵位置，紅外攝像儀采集數據從而實現鍵盤輸入功能。2004年，石艷玲設計出的虛擬鍵盤元器件集成度高[3]，采取的方案是利用攝像頭和紅外光源結合獲取位置信息，對圖像的編碼方法采用霍夫曼編碼。但因設計復雜，所以最終僅實現了其中的部分功能。此后蔡睿研提出了一種準確度較高的設計方案，其利用紅外激光輔助定位，當手指點擊鍵盤坐標時，經過攝像頭圖像采集及上位機數字圖像處理完成指尖坐標的獲取及字符輸入[4]。

本文介紹的虛擬鍵盤在以上的基礎上，硬件簡單，算法簡便，鍵盤識別精度在90%以上。

2 系統結構及制作過程

激光鍵盤顯示與信號采集的系統搭建如圖1所示，硬件結構圖如圖2所示。系統中間的可見激光鍵盤投射器調節好角度后，將鍵盤圖案投射到平面區域，形成投影鍵盤。最底下的一字紅外線型激光保持與桌面水平，調節角度發射出的“一”字線激光剛好覆蓋整個投影鍵盤平面。最上方的攝像頭進行實時數據采集，當在投影鍵盤區域出現遮擋物時，遮擋物表面出現紅外光反光，形成光斑。攝像頭拍攝到光斑后將該信號傳輸給上位機或電腦進行數字圖像處理。

獲取指尖坐標信息則通過以下方案，步驟如下。

（1）調整好攝像頭角度后，使虛擬鍵盤位置全部位于攝像頭可成像范圍內。

（2）手指點擊每個字符按鍵，攝像頭成像后經上位機圖像二值化，將二值圖發送給TFT彩屏。

（3）從原點起遍歷每個像素點，以第一個為亮點的像素點坐標定為反射光斑像點在像素坐標系上的坐標，并存儲在上位機中。

（4）重復上述“（1）、（2）、（3）”步驟獲取每個按鍵坐標存儲在上位機中。

（5）系統工作時手指點擊虛假鍵盤字符按鍵，重復步驟“（1）、（2）、（3）”獲取手指尖坐標，并與之前存儲在上位機中的字符按鍵坐標進行比對、判斷，然后得出相應的按鍵信息。

3 系統測試及結論

最終完成的實物如圖3所示。點擊投影鍵盤上的按鍵，上位機匹配到坐標后會觸發蜂鳴器發出聲響，同時電腦顯示出按鍵字符。激光投影鍵盤發射器投影出的鍵盤為梯形，共有56個按鍵，可以輸入字符大、小寫。該激光虛擬鐳射鍵盤具有小巧、便于攜帶，投影出的鍵盤不占據設備空間等優點，但仍然有以下不足。

（1）激光投影出的鍵盤可見度易受外界環境影響，當外界光照過強或者光線直射投影鍵盤圖案時，投影出的鍵盤圖案不明顯。

（2）除了投影鍵盤圖案易受外界光強影響，獲取指尖位置信息時也易受到外界光強影響。因為外界光強對攝像頭采集到紅外反射光光斑可見度有影響，同時在對圖像二值化時，光強強度過大，容易造成二值化后的圖像出現大部分像素點皆為白色的現象，所以無法提取出指尖的反射光斑。

（3）無法適應人們的按鍵習慣，不能有多根手指覆蓋在一字線激光平面，所以按鍵時只能伸出一根手指進行點擊。相較于機械鍵盤，用戶體驗感較差。

參 考 文 獻

[1]Robert S，Nathaniel R. Communication device[P].USA：3022872，1962.

[2]汪忠德.紅外虛擬鍵盤的設計構想[J].計算機工程，2004（6）：189-191.

[3]石艷玲.紅外虛擬鍵盤技術研究[D].太原：華北工學院，2004.

[4]蔡睿妍.激光虛擬鍵盤的設計與實現[J].激光與紅外，2012，42（8）：875-878.