李淑玉 呂爭

摘 要： 結(jié)合先進(jìn)的激光技術(shù)和圖像處理技術(shù)，利用三邊檢測原理判斷手動(dòng)按鍵，開發(fā)出一套基于機(jī)器視覺的虛擬機(jī)關(guān)鍵盤，相較于其他模型，該鍵盤具有靈敏度高、成像效果好、識(shí)別精確等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，虛擬鍵盤具有概念新穎、成本低廉、噪聲低、嚴(yán)格防水等優(yōu)點(diǎn)，適合在高強(qiáng)度作業(yè)和水汽較重的工控環(huán)境下使用。

關(guān)鍵詞： 計(jì)算機(jī)視覺方式； 圖像識(shí)別； 視覺處理算法； 三角測距原理； LLP技術(shù)

中圖分類號(hào)： TP 39 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)： 1671-2153（2015）06-0079-04

1 問題的提出

隨著信息化技術(shù)的發(fā)展，輕便、舒適、靈活已經(jīng)成為鍵盤設(shè)計(jì)的最優(yōu)目標(biāo)，而傳統(tǒng)的鍵盤功能單一且攜帶麻煩。在這樣的背景下，本文擬設(shè)計(jì)了一種高性能的便攜式虛擬激光鍵盤[1]。它將運(yùn)用移動(dòng)電源、功放、超聲波技術(shù)實(shí)現(xiàn)額外功能，同時(shí)具有無菌無噪聲等功能。本研究將放棄傳統(tǒng)的供電方式，采用當(dāng)前先進(jìn)的移動(dòng)電源技術(shù)供電，增強(qiáng)了鍵盤的可移動(dòng)性和續(xù)航能力。設(shè)計(jì)的便攜式虛擬激光鍵盤將為人們外出旅游、辦公和從事無菌無噪聲科研等帶來了極大的方便。另外，由于在國內(nèi)該技術(shù)上處于空缺狀態(tài)，所以本項(xiàng)目具有很好的市場前景。

2 系統(tǒng)方案

2.1 系統(tǒng)框圖

本研究基于視覺處理算法，全息投影技術(shù)，借用三角測距原理和LLP技術(shù)，采用了傳感器技術(shù)、無線通信技術(shù)、控制技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、GUI系統(tǒng)UI元素碰撞技術(shù)、紅外技術(shù)、激光掃描技術(shù)、攝像頭處理技術(shù)、空間三維坐標(biāo)處理技術(shù)、光學(xué)原理、濾波原理及鏡面反射技術(shù)，以MATLAB仿真為手段和采用OpenCV數(shù)據(jù)處理來加速視覺運(yùn)算代碼的開發(fā)[2]，用PC處理來設(shè)計(jì)的低成本、高性能的虛擬激光鍵盤，如圖1所示。軟件流程如圖2所示。

2.2 激光虛擬鍵盤模型結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的激光虛擬鍵盤主要由線性不可見激光發(fā)射器、攝像頭采集器、鍵盤投影模組三部分組成，模型架構(gòu)如圖3所示。

本研究的工作流程，首先鍵盤投影磨具投影出虛擬鍵盤模型，通過紅外不可見光發(fā)送定位光束，當(dāng)用戶敲擊鍵盤瞬間，攝像頭采集圖像參數(shù)，并對(duì)圖像和目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別[4]。通過識(shí)別轉(zhuǎn)換成坐標(biāo)，系統(tǒng)識(shí)別坐標(biāo)后調(diào)用坐標(biāo)映射函數(shù)并發(fā)送按鍵命令[5]，系統(tǒng)具體工作流程如圖4所示。

3 功能與指標(biāo)

（1） 攝像頭模塊功能。采用USB接口，視角120度以上的CMOS攝像頭，可用于互動(dòng)投影，多點(diǎn)觸摸。除了鏡頭有要求外，其他無特殊要求。本研究采用150°廣角攝像頭，具有極強(qiáng)的視角。

（2） 投射鍵盤畫面的激光器模塊功能。激光器模塊鍵盤大小要求要120度，650 nm激光組件。在實(shí)際使用過程中，激光組建應(yīng)當(dāng)使得鍵盤平整，按鍵的大小均勻，以減少系統(tǒng)的誤判。

（3） 一字線激光模塊功能。本研究采用的一字線激光器是紅外波段，波長為808 nm，主要是為了濾掉可見光的干擾[6]。為減低其功率，提高鍵盤的可靠性，激光模塊采用的工作功率為50 W。本文采用直徑12 mm，長度40 mm，線發(fā)射角度為120度、60度、35度可選，激光類型為線裝。

（4） 紅外帶通濾光片。采用800～1100 nm高透，與紅外激光器配合測距可避免可見光的干擾，可使可見光400～760 nm截止。濾波片厚度2mm，配合廣角鏡頭合理使用，避免出現(xiàn)曝光和弱光現(xiàn)象，否則會(huì)使鍵盤亂踩點(diǎn)或者檢測不到點(diǎn)[7]。

（5） 功放模塊功能。系統(tǒng)集成mp3模塊。面板尺寸為寬80 mm，高40 mm，內(nèi)深50 mm，中心孔距為60 mm。其中功放為BTL輸出，還有FM功能，但需接一根天線，并切換MODE模式，其中AUX顯示當(dāng)前工作狀態(tài)，F(xiàn)M顯示當(dāng)前收聽電臺(tái)。

（6） 移動(dòng)電源模塊功能。采用帶有雙USB的5 V升壓板。5 V恒壓電源可作為充電輸入電源，電路板內(nèi)置鋰電池IC保護(hù)，具有過壓、過流、欠壓保護(hù)等。還自帶手電功能，連按兩下開關(guān)鍵即可啟動(dòng)，再連按兩下開關(guān)鍵即可關(guān)閉。移動(dòng)電源進(jìn)入工作狀態(tài)時(shí)，藍(lán)色背光源被點(diǎn)亮，15 s后熄滅，按輕觸開關(guān)（on/off）一次，藍(lán)色背光源再次被點(diǎn)亮15 s，方便查看LCD顯示屏。

4 實(shí)施原理及過程

4.1 鍵盤功能的實(shí)現(xiàn)

4.1.1 鍵盤輸入事件的識(shí)別

虛擬鍵盤是基于三角測距原理，通過投射激光對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行檢測。測距過程中，通過一束激光照射目標(biāo)物體，反射光被攝像頭捕捉到，利用三角測距原理[8]，求出目標(biāo)物體中被線激光照亮部分的坐標(biāo)信息。在線性激光測距中，通過三角關(guān)系，容易求出被激光照亮部分，相對(duì)于激光發(fā)射口為原點(diǎn)、位于線激光組成平面內(nèi)的坐標(biāo)P（x，y）。在本系統(tǒng)中，激光組成的平面可以等效于與桌面平行，故可以認(rèn)為坐標(biāo)點(diǎn)P（x，y）是位于桌面平面的，如圖5所示。

4.1.2 按鍵事件的判斷與產(chǎn)生

在虛擬鍵盤中，所有UI元素均對(duì)應(yīng)屏幕的坐標(biāo)值。系統(tǒng)周期性判斷當(dāng)前鼠標(biāo)指針位置是否產(chǎn)生光斑。相較于UI系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)庫中需要建立投射鍵盤圖案中每個(gè)按鍵的坐標(biāo)信息，然后查找指尖按下的坐標(biāo)，從而判斷出坐標(biāo)信息，其示意圖如圖6所示。

上述鍵盤功能實(shí)現(xiàn)過程需要涉及到兩個(gè)步驟：

（1） 通過三遍測距算出指尖按下的坐標(biāo)，記為P（x，y）。

（2） 將映射點(diǎn)P（x，y）與數(shù)據(jù)庫中的坐標(biāo)值進(jìn)行對(duì)比，求出P（x，y）對(duì)應(yīng)的按鍵值。

4.2 虛擬鍵盤視覺方式與算法的具體實(shí)現(xiàn)

由于本研究的視覺處理部分都在PC上進(jìn)行，因此使用了OpenCV庫來加速視覺運(yùn)算代碼的開發(fā)。

4.2.1 攝像采集器鏡頭扭曲矯正

在本系統(tǒng)中，實(shí)際使用為廣角攝像頭，與普通攝像頭相比，廣角攝像頭采集圖像具有中心偏大，兩側(cè)偏小的特征，如圖7所示。

為了使得圖像坐標(biāo)信息具有線性變化的特點(diǎn)，需要對(duì)采集的圖像進(jìn)行處理，通常采用的高斯模型降噪[9]，在程序中調(diào)用OpenCV庫函數(shù)對(duì)實(shí)際圖像進(jìn)一步優(yōu)化，以達(dá)到攝像頭扭曲矯正的效果。

4.2.2 圖像興趣點(diǎn)提取

通過調(diào)用OpenCV庫函數(shù)中的cvFindCountours，對(duì)攝像頭中的光斑進(jìn)行提取，通過提取光斑獲取圖像的興趣點(diǎn)，由于環(huán)境中光線的變化，因此存在高斯噪點(diǎn)，可以通過增加權(quán)重的方式來減少誤判，提高系統(tǒng)識(shí)別圖像興趣點(diǎn)的精度。

4.2.3 手指坐標(biāo)計(jì)算和校正

通過手指光斑的相對(duì)位置，調(diào)用三邊測距算法，求得手指的具體相對(duì)位置P（x，y）。通過三次測距得知P點(diǎn)，通過P點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)90°知道P的逆矩陣。同時(shí)通過上述介紹的公式算出逆矩陣與原來矩陣的誤差精度，再通過平滑取值抹除誤差較大的點(diǎn)，得到手指的正確坐標(biāo)，即是手指在桌面投影的實(shí)際坐標(biāo)，如圖8所示。

5 特色與創(chuàng)新點(diǎn)

（1） 本研究在設(shè)計(jì)的原理上具有創(chuàng)新性：采用基于計(jì)算機(jī)視覺方式識(shí)別、判斷和產(chǎn)生鍵盤事件。

（2） 相對(duì)傳統(tǒng)鍵盤，該鍵盤無菌，方便用于無菌場合，且噪音少，可廣泛用于公共場合，該鍵盤工作穩(wěn)定、便于調(diào)試，可方便使用在工作環(huán)境條件差（例如化工生產(chǎn)）的場合。

（3） 本研究采用當(dāng)前先進(jìn)的移動(dòng)電源技術(shù)供電，增強(qiáng)了鍵盤的可移動(dòng)性和續(xù)航能力。

（4） 線激光測距的采用，提高了按鍵事件的判斷和效率。

（5） 集合了視覺算法、三角測距、LLP技術(shù)多點(diǎn)觸摸定位、功放、升壓、超聲波等技術(shù)，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

（6） 該鍵盤可以測出手指對(duì)桌面的“壓力”，在繪畫板產(chǎn)生不同粗細(xì)的圖像。

（7） 采用的線激光測距，有利于檢測指尖的位置和判斷是否產(chǎn)生鍵盤事件。

6 結(jié) 論

基于機(jī)器視覺的虛擬激光鍵盤，結(jié)合機(jī)器視覺處理的OpenCV庫，以及三點(diǎn)定位算法，實(shí)現(xiàn)了虛擬鍵盤的模型建造。在研究虛擬鍵盤過程中，預(yù)先通過MATLAB仿真，對(duì)設(shè)計(jì)過程中遇到的問題進(jìn)行了提前模擬，有效的指導(dǎo)了模型的建造過程，本系統(tǒng)具有成本低廉，識(shí)別精確度高等優(yōu)點(diǎn)，其模型具有推廣價(jià)值。

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Abstract： This work combines advanced laser technology and image processing technology， the use of manual key trilateral detection principle is determined to develop a machine vision-based virtual organ keyboard， compared to other models， the keyboard has a high sensitivity， good imaging results. ， recognition accuracy and so on. at the same time， the concept of virtual keyboard with a new， low cost， low noise， strict waterproof and suitable for use in high-intensity operations and moisture heavy industrial environments.

Key words： computer vision methods； image recognition； visual processing algorithms； triangulation principle； LLP technology

（責(zé)任編輯：徐興華）