楊　亮，薛　丹，裴成龍

（沈陽工業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870）

可穿戴智能戒指在多媒體投影系統(tǒng)中的應(yīng)用

楊亮，薛丹，裴成龍

（沈陽工業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870）

以可穿戴智能戒指為核心，利用激光變頻、圖像處理、視頻跟蹤定位、無線通信傳輸、無線調(diào)頻收發(fā)等技術(shù)設(shè)計(jì)了一種多媒體投影系統(tǒng)。系統(tǒng)包括可穿戴智能戒指、無線收發(fā)模塊、圖像傳感器、計(jì)算機(jī)等部分，其中可穿戴智能戒指集無線鼠標(biāo)、無線激光教鞭、無線語音麥克功能于一體，實(shí)現(xiàn)“合三為一”。與其他多媒體投影系統(tǒng)相比，本戒指具有小巧實(shí)用，便攜省電等特點(diǎn)，能夠?yàn)檎n堂教學(xué)與協(xié)作會(huì)議帶來生動(dòng)便捷的交互式體驗(yàn)。

可穿戴智能戒指；多媒體投影系統(tǒng)；激光變頻；圖像處理

0　引言

目前，多媒體技術(shù)授課和協(xié)作會(huì)議越來越普及，國(guó)內(nèi)外諸多電子設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生，但這些產(chǎn)品大部分在使用上有具體的限定。例如，國(guó)內(nèi)外市面已經(jīng)出現(xiàn)可穿戴遠(yuǎn)程操控裝置[1]，其采用陀螺儀定位的同時(shí)進(jìn)行無線傳輸，使用范圍只有 3～5 m，沒有實(shí)現(xiàn)真正意義上的遠(yuǎn)程無線靈活控制，體積與外形也嚴(yán)重降低了設(shè)備的美觀程度，且出現(xiàn)了續(xù)航短、頻繁充電等問題；激光筆技術(shù)可以很好地進(jìn)行PPT定位，但卻面臨著操作不連貫、功能單一、不斷更換電池等問題，且不能實(shí)現(xiàn)演示文稿中寫字劃線的鼠標(biāo)功能[2]。

為了給多媒體教學(xué)和協(xié)作會(huì)議帶來更加高效、生動(dòng)的操作模式，系統(tǒng)將可穿戴智能戒指取代傳統(tǒng)激光筆、鼠標(biāo)及語音麥克，實(shí)現(xiàn)“合三為一”。系統(tǒng)由智能戒指和外部獨(dú)立裝置形成，通過操控智能戒指的按鍵使激光束打到大銀幕上，CMOS攝像頭采集大銀幕中激光點(diǎn)圖像[3]，將采集的圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行存儲(chǔ)、處理，并將計(jì)算得到的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成鼠標(biāo)的絕對(duì)坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)模擬鼠標(biāo)對(duì)PC機(jī)的遠(yuǎn)程操作。此外，語音信號(hào)通過戒指中無線發(fā)射模塊傳輸?shù)綋P(yáng)聲器處的語音接收模塊，實(shí)現(xiàn)無線語音麥克功能。整個(gè)裝置如圖1所示。

圖1　裝置結(jié)構(gòu)圖

1　硬件實(shí)現(xiàn)

硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括激光變頻發(fā)生器、無線語音收發(fā)、圖像采集等部分。戒指上的激光發(fā)射頭發(fā)射不同頻率的激光束被圖像傳感器識(shí)別，將信息傳輸?shù)接?jì)算機(jī)后完成激光位置的識(shí)別與跟蹤，進(jìn)而響應(yīng)激光操作。系統(tǒng)硬件總體框圖如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)硬件總體框圖

(1)激光變頻發(fā)生器模塊

教學(xué)與會(huì)議中常見的無線激光教鞭產(chǎn)生的激光頻率仍以固定頻率為主流，本設(shè)計(jì)采用變頻技術(shù)，通過左右按鍵實(shí)現(xiàn)激光頻率的不斷改變，既達(dá)到圖像傳感器對(duì)激光進(jìn)行識(shí)別，又實(shí)現(xiàn)了模擬鼠標(biāo)功能，具備便攜省電等優(yōu)點(diǎn)。采用555定時(shí)器產(chǎn)生兩種頻率的激光束，當(dāng)按下可穿戴智能戒指左右鍵時(shí)，激光發(fā)出不同頻率的光，視頻采集處理系統(tǒng)通過掃描攝像頭在單位時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)膎幀圖像中激光點(diǎn)閃爍的次數(shù)來判別操作者按下的是左鍵還是右鍵。

(2)無線語音收發(fā)模塊

現(xiàn)代大多數(shù)多媒體教室中，無線語音麥克都是與激光教鞭分隔開，本設(shè)計(jì)將無線語音麥克與激光教鞭結(jié)合在一起，高效實(shí)用，輕巧方便。為了實(shí)現(xiàn)語音的有效傳達(dá)，利用FM調(diào)頻收發(fā)技術(shù)把模擬語音信號(hào)進(jìn)行放大與頻率調(diào)頻后，天線將合成的信號(hào)發(fā)射出去。根據(jù)需要，利用相應(yīng)的硬件設(shè)計(jì)放大倍數(shù)和提高信噪比，并在使用場(chǎng)合的揚(yáng)聲器上安置一個(gè)接收模塊，即將頻率信號(hào)還原為語音信號(hào)并進(jìn)行放大，從而實(shí)現(xiàn)麥克風(fēng)的功能。對(duì)應(yīng)電路設(shè)計(jì)方案如圖3所示。

(3)CMOS圖像采集模塊

圖3　FM電路設(shè)計(jì)方案

為了保證采集到的圖像的質(zhì)量和效果，本設(shè)計(jì)在選用攝像頭時(shí)對(duì)CCD和CMOS傳感器進(jìn)行了對(duì)比。雖然基于CCD傳感器構(gòu)造所產(chǎn)生的圖像具有低噪音、高性能、分辨率高等特點(diǎn)，但是生產(chǎn)CCD需采用時(shí)鐘信號(hào)、偏壓技術(shù)，整個(gè)構(gòu)造復(fù)雜，增大了耗電量，體積較大，也增加了成本。而CMOS采用半導(dǎo)體廠家產(chǎn)生集成電路的流程，可以將所有部件與驅(qū)動(dòng)電路等都集成到一塊芯片上，只需要一個(gè)芯片就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)碼相機(jī)的所有功能。由于本系統(tǒng)的操作數(shù)據(jù)量大且運(yùn)算度復(fù)雜，但對(duì)圖像的清晰度要求不高，且通用性較強(qiáng)，故選用體積小、工作電壓低、功能強(qiáng)大且使用方便靈活的圖像傳感器OV7670。

2　軟件實(shí)現(xiàn)

為了準(zhǔn)確地識(shí)別激光點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)定位，本設(shè)計(jì)采用了小目標(biāo)尺寸自適應(yīng)檢測(cè)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)BP算法相結(jié)合的圖像處理方法[4]。對(duì)原始圖像進(jìn)行圖像的預(yù)處理，圖像在獲取傳輸存儲(chǔ)過程中由于受多種原因的影響會(huì)造成圖像的退化降質(zhì)問題。基本軟件流程如圖4所示。

圖4　系統(tǒng)軟件流程圖

根據(jù)圖像分割進(jìn)行圖像分類，其結(jié)果直接影響到后面的目標(biāo)檢測(cè)、特征提取和目標(biāo)識(shí)別等工作。激光點(diǎn)的識(shí)別基于激光獨(dú)特的特征信息，從顏色亮度特征、形狀特征和運(yùn)動(dòng)信息三個(gè)方面對(duì)激光點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)定位，從而減少誤差?，F(xiàn)在已有三種檢測(cè)方式，即遠(yuǎn)程感知類圖像中的形狀識(shí)別方法，視覺注視點(diǎn)位置判斷方法和尺度自適應(yīng)的小目標(biāo)實(shí)時(shí)檢測(cè)方法。本系統(tǒng)通過獲得足夠的圖像像素點(diǎn)信息，采用對(duì)基本形狀（矩形、圓形、正方形等）劃分為原始模型的方法，識(shí)別指定的區(qū)域。通過對(duì)分割后的圖像應(yīng)用尺度自適應(yīng)的小目標(biāo)實(shí)時(shí)檢測(cè)法構(gòu)造PNLOG算法公式。又由于激光點(diǎn)的光斑具有同心圓的特征，所以在二維圖像中，構(gòu)造MY算子，實(shí)現(xiàn)形狀目標(biāo)的匹配。

式中：x為該亮點(diǎn)區(qū)域外接矩形的長(zhǎng)；y為該亮點(diǎn)區(qū)域外接矩形的寬；σ為亮點(diǎn)的面積計(jì)算半徑。與其他軌跡識(shí)別技術(shù)(隱馬爾科夫模型、基于樹形分類法、特征集評(píng)估的方法)相比，本設(shè)計(jì)借鑒人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，能有效地解決非線性、非正態(tài)分布的評(píng)價(jià)問題。采用并行結(jié)構(gòu)和并行處理，具有較強(qiáng)的靈活性和自適應(yīng)性，計(jì)算速度快，時(shí)效高。

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

基于以上較為完善的理論，搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比。從對(duì)比結(jié)果可以看出，算法在結(jié)合小目標(biāo)尺寸自適應(yīng)的檢測(cè)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)BP算法相結(jié)合后，鼠標(biāo)的精準(zhǔn)度及功能的連續(xù)性都都得到了較大的提高。圖5～圖8為演示結(jié)果。其中圖5與圖6是改善算法后屏幕上識(shí)別出的激光點(diǎn)與實(shí)際鼠標(biāo)位置的對(duì)比圖，圖7與圖8是改善算法后利用該裝置實(shí)現(xiàn)劃線等功能對(duì)比圖。

圖5　激光點(diǎn)與鼠標(biāo)位置A

圖6　激光點(diǎn)與實(shí)際鼠標(biāo)位置B

圖7　劃線等功能演示A

圖8　劃線等功能演示B

經(jīng)過對(duì)比，戒指在實(shí)現(xiàn)無線鼠標(biāo)功能時(shí)，采用小目標(biāo)尺寸自適應(yīng)檢測(cè)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)BP算法相結(jié)合的方法會(huì)產(chǎn)生更快速、更準(zhǔn)確的鼠標(biāo)坐標(biāo)定位。表1為算法比較結(jié)果。

表1　算法比較

4　結(jié)論

本設(shè)計(jì)靈感來源于多媒體教室設(shè)備及現(xiàn)代人們穿戴的戒指?，F(xiàn)如今，越來越多的科技文明成果涌入人們的生活，基于人機(jī)互交系統(tǒng)的可移動(dòng)戒指提供了一種新型多媒體投影系統(tǒng)。講述者可以擺脫電腦、鼠標(biāo)鍵盤的約束，遠(yuǎn)距離無線精準(zhǔn)地控制PC操作，真正實(shí)現(xiàn)教學(xué)（會(huì)議）環(huán)境中的視聽覺結(jié)合，增強(qiáng)了互動(dòng)性、實(shí)時(shí)性，具有較好的教學(xué)效果。

[1]鄭武，金純，楊致遠(yuǎn).可穿戴式無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究及應(yīng)用[J].微計(jì)算機(jī)信息，2005，21(8)：108-110，38.

[2]OLSEN D R，NIELSEN T.Laser pointer interaetion[A].In：Proeeedings of Assoeiation for Computing Maehinery Computer Human Interaetion Conferenee:Human Factors in ComPuting Systems[C].Seattle，WA，USA：2001：17-22.

[3]苑瑋琦，薛丹.啤酒瓶高速實(shí)時(shí)在線容量檢測(cè)裝置的研制[J].微計(jì)算機(jī)信息，2008，24(11-3)：304-306.

[4]鄧萬宇.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)極速學(xué)習(xí)方法研究[J].計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)，2010，33(2)：279-287.

The wearable intelligence ring using in multimedia projection system

Yang Liang，Xue Dan，Pei Chenglong
(School of Information Science and Engineering，Shenyang University of Technology，Shenyang 110870，China)

This is a multimedia projection system which puts a wearable intelligence ring as the core,adopting the technology including laser frequency conversion,image processingand,video tracking location,wireless communication transmission and wireless FM transceiver.And the system is made up of wearable intelligence rings,wireless transceiver module,image sensor and computer,in which the wearable intelligence rings integrate the function of wireless mouse,wireless laser pointer and wireless voice microphone, achieving the goal of″three to one″.Compared with the other multimedia projection systems,the intelligence ring is compact and practical as well as portable and power-saving which will invigorate classroom teaching and collaboration meeting with a sense of convenient interactive experience.

wearable intelligent ring；multimedia projection system；laser frequency conversion；image processing

TP37

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2015.10.019

2015-07-14)

楊亮（1992-），男，碩士研究生，主要研究方向：無損檢測(cè)技術(shù)。

薛丹(1983-)女，講師，主要研究方向：機(jī)器視覺、圖像處理。

裴成龍（1991-），男，碩士研究生，主要研究方向：視覺檢測(cè)技術(shù)。

中文引用格式：楊亮，薛丹，裴成龍.可穿戴智能戒指在多媒體投影系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2015，41(10)：71-72，76.

英文引用格式：Yang Liang，Xue Dan，Pei Chenglong.The wearable intelligence ring using in multimedia projection system[J]. Application of Electronic Technique，2015，41(10)：71-72，76.