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CN104142760B - 交互式投影设备及其交互笔的定位方法 - Google Patents

交互式投影设备及其交互笔的定位方法 Download PDF

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CN104142760B CN201310164955.6A CN201310164955A CN104142760B CN 104142760 B CN104142760 B CN 104142760B CN 201310164955 A CN201310164955 A CN 201310164955A CN 104142760 B CN104142760 B CN 104142760B
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Abstract

本发明公开了一种交互式投影设备，包括控制装置、投影装置、图像采集装置和交互笔，控制装置的位置识别单元采用一位置识别图像识别投影装置的安装方式，该位置识别图像关于其横向中心线上下不对称且关于其纵向中心线左右不对称。本发明还公开了交互式投影设备中交互笔的定位方法，将位置识别图像投射到投影面上；采集投影面上的位置识别投影图像；根据位置识别投影图像与位置识别图像的关系识别投影装置的安装方式；采集交互笔在投影图像上所指位置的坐标并计算该坐标对应在需要投影的图像中的坐标。本发明可以在识别投影装置安装方式之前或者之后进行自动校正，只需投射校正图像并采集投影面上的校正投影图像，将校正投影图像的坐标与校正图像的坐标进行对应校正。

Description

交互式投影设备及其交互笔的定位方法
技术领域
本发明与交互式投影设备有关，具体属于一种基于自动校正的交互式投影设备中识别投影装置安装方式(正投、背投、吊装式、桌面式)并定位交互笔位置的方法及其实现装置。
背景技术
随着计算机技术的迅速发展，人们越来越广泛地应用多媒体设备来展示丰富多彩的内容，如文字、声音、图像和视频等。相应的，能够显示出大幅画面的投影设备也得到日益广泛的应用和快速的发展。早期的投影系统无法实现人与投影屏幕间的直接动作操作，极大地限制了其应用范围，尤其是在课堂教学、游戏娱乐等场合下，根本无法满足人们对互动性和真实性的体验要求。
目前，国内外较成熟的交互式投影系统一种是基于电子白板构建的，另一种则是采用交互笔式设备。其中，前者主要利用触摸屏式、红外阵列式、电磁感应式以及激光扫描式等技术，虽然其定位可靠性和精度较高，但是都需要依赖特制的投影屏幕，无法实现在任意投影平面上进行交互操作，使得安装和使用都不方便，且成本很高。相比之下，采用交互笔式的投影系统通过交互笔和相配合的接收器，可以精确定位交互笔的笔尖位置，该投影系统对投影平面没有要求，能够实现在任意投影平面内的书写及触控操作，故受到越来越多的关注和好评。
交互式投影系统主要由控制处理单元、存储单元、投影单元、图像采集单元、投影面组成，所述控制处理单元与图像采集单元、投影单元和存储单元进行通信连接，投影单元用于将图像信息显示在投影面上，图像采集单元用于采集投影面上的图像信息并将采集到的数据信息传输至控制处理单元，存储单元存储有校正图像、文字数据、校正公式、坐标变换程序等。
交互式投影系统在使用之前需要进行位置校正，目前采用的大多是手动法，即控制处理单元接收到校正指令后，调用存储单元中的校正图像，并驱动投影单元将校正图像投射到投影面上。投影面上的校正图像具有以矩形阵列模式布置的校准点，其中校正图像的四个角位置均设有一个校准点，横向校准点之间的间距相同，且纵向校准点之间的间距也相同，这些校准点逐一出现(以每幅校正图像一个校准点、多幅校正图像逐一出现的形式，或者以一幅校正图像中所有校准点逐一出现的形式)，利用交互笔在投影面上手动逐个点击校准点，通过图像采集单元获取每个校准点的绝对坐标，从而实现手动位置校正，这种手动校正方法需要浪费大量的时间和人力，校正效率较低。
另一种位置校正的方法则为自动校正，即控制处理单元接收到校正指令后，调用存储单元中或者与投影仪相连接的计算机中存储的校正图像，该校正图像如图1所示，其上具有矩形阵列分布的校准黑格(校正图像的四个角位置均设有一个黑格，横向黑格之间的间距相同，且纵向黑格之间的间距也相同)，校正图像通过投影单元被投射到投影面上，图像采集单元捕捉校正图像上的黑格位置并获取其在投影面上的绝对坐标，从而达到手动交互笔点击校正的效果。这种自动校正的方法方便省时，提高了位置校正的效率。然而，和人工手动校正相比，自动校正无法知道校准点的起始位置，而且以投影出来的校正图像的横向中心线和纵向中心线构成的坐标系(XY坐标系)来看，校正图像中的黑格是上下对称且左右对称的，因此采用自动校正时，投影仪是放在桌面上还是吊挂在天花板上，投影系统是采用正投还是背投，投影出来的校正图像都是一模一样的，投影系统无法识别投影仪的具体安装方式，进而导致无法正确定位交互笔的笔尖位置。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种交互式投影设备及其中投影装置的定位方法，可以快速识别采用自动校正的交互式投影设备中投影装置的安装方式，从而准确计算交互投影中交互笔在投影图像中点击位置对应在需要投影的图像中的位置。
为解决上述技术问题，本发明提供的交互式投影设备包括用于将图像显示在投影面上的投影装置、用于将所述图像传送至投影装置的控制装置、交互笔和用于采集投影面上的投影图像的信息和交互笔在投影图像上所指位置的坐标的图像采集装置；
所述控制装置包括处理单元、自动校正单元、位置识别单元、坐标变换单元，所述处理单元分别与自动校正单元、位置识别单元和坐标变换单元连接；自动校正单元用于将图像采集装置采集到的校正投影图像的坐标与控制装置中校正图像的坐标进行对应校正，其中所述校正图像具有以矩形阵列模式布置的校准点或校准块；位置识别单元通过一位置识别图像与投射到投影面的位置识别投影图像之间的关系识别投影装置的安装方式，所述位置识别图像存储于位置识别单元中，或者该位置识别图像可存储于与投影装置相连接的计算机中，以该位置识别图像的横向中心线为X轴、纵向中心线为Y轴，所述位置识别图像关于X轴上下不对称且关于Y轴左右不对称；坐标变换单元用于计算交互笔在投影图像上所指位置的坐标对应在需要投影的图像中的坐标。优选地，所述位置识别图像具有至少一个定位校准点或定位校准块，所述定位校准点或定位校准块位于X轴和Y轴构成的直角坐标系的一个象限内。
其中，所述校正图像具有以矩形阵列模式布置的校准点或校准块，所述校准点或校准块关于校正图像的横向中心线上下对称，且关于校正图像的纵向中心线左右对称。优选地，所述校正图像的四个角位置均设有一个校准点或校准块，横向方向上校准点或校准块之间的间距相同，且纵向方向上校准点或校准块之间的间距也相同。在此基础上，优选的，所述位置识别图像为校正图像在其横向中心线和纵向中心线构成的直角坐标系的一个象限内的校准点或校准块被去除。
本发明还提供所述交互式投影设备中交互笔的定位方法，包括坐标位置的自动校正、投影装置安装方式的识别、交互笔所指位置的计算；
进行坐标位置的自动校正时，先将校正图像投射到投影面上，再采集投影面上的校正投影图像，最后将校正投影图像的坐标与校正图像的坐标进行对应校正，其中所述校正图像具有以矩形阵列模式布置的校准点或校准块；
识别投影装置的安装方式时，先将位置识别图像投射到投影面上，再采集投影面上的位置识别投影图像，最后根据位置识别投影图像与位置识别图像的关系识别投影装置的安装方式；
计算交互笔所指位置时，在采集交互笔在投影图像上所指位置的坐标后，计算交互笔在投影图像上所指位置的坐标对应在需要投影的图像中的坐标；
其中，以位置识别图像的横向中心线为X轴、纵向中心线为Y轴，所述位置识别图像关于X轴上下不对称且关于Y轴左右不对称。
其中，先进行坐标位置的自动校正，再进行投影装置安装方式的识别，最后根据坐标位置自动校正的校正结果和投影装置安装方式的识别结果计算交互笔位置，或者先进行投影装置安装方式的识别，再进行坐标位置的自动校正，最后根据投影装置安装方式的识别结果和坐标位置自动校正的校正结果计算交互笔位置。
其中，当所述位置识别投影图像与位置识别图像为比例放大关系时，定义投影装置为正投且桌面式；如果位置识别图像绕着垂直于其自身的直线旋转180度后的图像与位置识别投影图像为比例放大关系，那么投影装置为正投且吊装式；如果位置识别图像关于Y轴左右镜像后的图像与位置识别投影图像为比例放大关系，那么投影装置为背投且桌面式；如果位置识别图像关于X轴上下镜像后的图像与位置识别投影图像为比例放大关系，那么投影装置为背投且吊装式。
进一步的，交互笔在投影图像所指位置的坐标为(X1，Y1),当投影装置为正投且桌面式时，对应在需要投影的图像中的坐标为(X2，Y2)，那么，当投影装置为正投且吊装式时，对应在需要投影的图像中的坐标为(-X2，-Y2)，当投影装置为背投且桌面式时，对应在需要投影的图像中的坐标为(-X2，Y2)，当投影装置为背投且吊装式时，对应在需要投影的图像中的坐标为(X2，-Y2)。
在上述方法中，所述处理单元可以先控制自动校正单元进行位置校正，再控制位置识别单元进行投影装置安装方式的识别，最后根据自动校正单元的校正结果以及位置识别单元的识别结果进行坐标变换。当然，处理单元也可以先控制位置识别单元进行投影装置安装方式的识别，再控制自动校正单元进行位置校正，最后根据位置识别单元的识别结果以及自动校正单元的校正结果进行坐标变换。
本发明的交互式投影设备可以在任意投影平面上使用，其通过一幅校正图像进行自动位置校正，并且可以在自动校正之前或之后通过左右上下均不对称的位置识别图像快速准确地识别投影装置的安装方式。
附图说明
图1是交互式投影设备在自动校正时采用的一种校正图像；
图2是本发明中基于自动校正和定位的交互式投影设备的一种结构框图；
图3是交互式投影设备进行位置识别时采用的一种位置识别图像；
图4是本发明的交互式投影设备进行交互笔定位的一种流程图；
图5是本发明的交互式投影设备进行交互笔定位的另一种流程图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明提供的交互式投影设备，如图2所示，包括用于将图像显示在投影面上的投影装置、用于将所述图像传送至投影装置的控制装置、交互笔和用于采集投影面上的投影图像的信息和交互笔在投影图像上所指位置的坐标的图像采集装置；
所述控制装置包括处理单元、自动校正单元、位置识别单元、坐标变换单元，所述处理单元与自动校正单元、位置识别单元和坐标变换单元连接；该控制装置包括但不仅限于PC机、单片机或嵌入式系统；
自动校正单元用于将图像采集装置采集到的校正投影图像的坐标与控制装置中校正图像的坐标进行对应校正；
位置识别单元用于识别投影装置的安装方式，其存储有一位置识别图像，以该位置识别图像的横向中心线为X轴、纵向中心线为Y轴，所述位置识别图像关于X轴上下不对称且关于Y轴左右不对称；优选地，所述位置识别图像具有至少一个定位校准点或定位校准块，所述定位校准点或定位校准块位于X轴和Y轴构成的直角坐标系的一个象限内。当然，所述位置识别图像也可存储在与所述投影装置相连接的计算机内；
坐标变换单元用于计算交互笔在投影图像上所指位置的坐标对应于需要投影的图像中的坐标，所述需要投影的图像可以但不仅限于存储在控制装置中或者与投影装置相连接的计算机内。
其中，校正图像具有以矩形阵列模式布置的校准点或校准块，所述校准点或校准块关于校正图像的横向中心线上下对称，且关于校正图像的纵向中心线左右对称，优选的，校正图像的四个角位置均设有一个校准点或校准块，横向方向上校准点或校准块之间的间距相同，且纵向方向上校准点或校准块之间的间距也相同，常用的校正图像中校准点或校准块为5×5、7×7阵列。而位置识别图像可以为校正图像在其横向中心线和纵向中心线构成的直角坐标系的一个象限内的若干校准点或校准块被去除，即先进行自动校正再进行位置识别时，自动校正的校正图像保持一段时间完成自动校正后，校正图像某个象限内的某个校准块或校准点灭掉；或者，位置识别图像具有至少一个定位校准点或定位校准块，所述定位校准点或定位校准块位于X轴和Y轴构成的直角坐标系的一个象限或多个象限内，只要该位置识别图像满足关于X轴上下不对称且关于Y轴左右不对称即可。优选的，从识别速度来考虑，位置识别图像如图3所示，采用一个定位校准块，由于该定位校准块位于位置识别图像的一个象限内，因此该位置识别图像满足关于X轴上下不对称且关于Y轴左右不对称的条件。
本发明中基于自动校正的交互式投影系统中交互笔的定位方法，包括坐标位置的自动校正、投影装置安装方式的识别、交互笔所指位置的计算；
进行坐标位置的自动校正时，先将校正图像投射到投影面上，再采集投影面上的校正投影图像，最后将校正投影图像的坐标与校正图像的坐标进行对应校正；
识别投影装置的安装方式时，先将位置识别图像投射到投影面上，再采集投影面上的位置识别投影图像，最后根据位置识别投影图像与位置识别图像的关系识别投影装置的安装方式；
计算交互笔所指位置时，采集交互笔在投影图像上所指位置的坐标后，计算交互笔在投影图像上所指位置的坐标对应在需要投影的图像中的坐标。
其中，先进行坐标位置的自动校正，再进行投影装置安装方式的识别，最后根据坐标位置自动校正的校正结果和投影装置安装方式的识别结果计算交互笔位置，或者先进行投影装置安装方式的识别，再进行坐标位置的自动校正，最后根据投影装置安装方式的识别结果和坐标位置自动校正的校正结果计算交互笔位置。
其中，当位置识别投影图像与位置识别图像为比例放大关系时，定义投影装置为正投且桌面式，如果位置识别图像绕着垂直于其自身的直线旋转180度后的图像与位置识别投影图像为比例放大关系，那么投影装置为正投且吊装式；如果位置识别图像关于Y轴左右镜像后的图像与位置识别投影图像为比例放大关系，那么投影装置为背投且桌面式；如果位置识别图像关于X轴上下镜像后的图像与位置识别投影图像为比例放大关系，那么投影装置为背投且吊装式。
控制装置的处理单元可以根据设置或需要控制自动校正和位置识别的先后顺序，即可以先控制自动校正单元进行位置校正，再控制位置识别单元进行投影装置安装方式的识别(如图4所示)，也可以先控制位置识别单元进行投影装置安装方式的识别，再控制自动校正单元进行位置校正(如图5所示)，校正和定位后的投影系统根据位置识别单元的识别结果以及自动校正单元的校正结果控制坐标变换单元进行坐标换算。例如，交互笔在投影图像所指位置的坐标为(X1，Y1),当投影装置为正投且桌面式时，对应在需要投影或正在投影的图像中的坐标为(X2，Y2)，那么，当投影装置为正投且吊装式时，对应在需要投影或正在投影的图像中的坐标为(-X2，-Y2)，当投影装置为背投且桌面式时，对应在需要投影或正在投影的图像中的坐标为(-X2，Y2)，当投影装置为背投且吊装式时，对应在需要投影或正在投影的图像中的坐标为(X2，-Y2)。这样校正定位后，在交互投影时，使用者利用交互笔在投影图像上点击某位置，投影系统就可以准确识别并计算出对应在原图像上的坐标位置，从而准确进行互动。
以上通过具体实施例对本发明进行了详细的说明，该实施例仅仅是本发明的较佳实施例，其并非对本发明进行限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员对投影设备的组成、位置识别图像及校正图像中校准点或校准块的分布或颜色等做出的等效置换和改进，均应视为在本发明所保护的技术范畴内。

Claims (18)

1.一种交互式投影设备，其特征在于，包括用于将图像显示在投影面上的投影装置、用于将所述图像传送至投影装置的控制装置、交互笔和用于采集投影面上的投影图像信息和交互笔在投影图像上所指位置的坐标的图像采集装置；
其中，所述控制装置包括处理单元、自动校正单元、位置识别单元、坐标变换单元，所述处理单元分别与自动校正单元、位置识别单元和坐标变换单元连接；
自动校正单元用于将图像采集装置采集到的校正投影图像的坐标与控制装置中校正图像的坐标进行对应校正，其中所述校正图像具有以矩形阵列模式布置的校准点或校准块；
位置识别单元通过一位置识别图像与投射到投影面的位置识别投影图像之间的关系识别投影装置的安装方式，以该位置识别图像的横向中心线为X轴、纵向中心线为Y轴，所述位置识别图像关于X轴上下不对称且关于Y轴左右不对称；
坐标变换单元用于计算交互笔在投影图像上所指位置的坐标对应在需要投影的图像中的坐标。
2.根据权利要求1所述的交互式投影设备，其特征在于，所述校准点或校准块关于校正图像的横向中心线上下对称，且关于校正图像的纵向中心线左右对称。
3.根据权利要求2所述的交互式投影设备，其特征在于，所述校正图像的四个角位置均设有一个校准点或校准块，横向方向上校准点或校准块之间的间距相同，且纵向方向上校准点或校准块之间的间距也相同。
4.根据权利要求2所述的交互式投影设备，其特征在于，所述位置识别图像为校正图像在其横向中心线和纵向中心线构成的直角坐标系的一个象限内的校准点或校准块被去除。
5.根据权利要求1所述的交互式投影设备，其特征在于，所述位置识别图像具有至少一个定位校准点或定位校准块，所述定位校准点或定位校准块位于X轴和Y轴构成的直角坐标系的一个象限内。
6.根据权利要求1所述的交互式投影设备，其特征在于，当所述位置识别投影图像与位置识别图像为比例放大关系时，定义投影装置为正投且桌面式，那么，
如果位置识别图像绕着垂直于其自身的直线旋转180度后的图像与位置识别投影图像为比例放大关系，则投影装置为正投且吊装式；
如果位置识别图像关于Y轴左右镜像后的图像与位置识别投影图像为比例放大关系，则投影装置为背投且桌面式；
如果位置识别图像关于X轴上下镜像后的图像与位置识别投影图像为比例放大关系，则投影装置为背投且吊装式。
7.根据权利要求6所述的交互式投影设备，其特征在于，交互笔在投影图像所指位置的坐标为(X1，Y1),当投影装置为正投且桌面式时，对应在需要投影的图像中的坐标为(X2，Y2)，那么，
当投影装置为正投且吊装式时，对应在需要投影的图像中的坐标为(-X2，-Y2)；
当投影装置为背投且桌面式时，对应在需要投影的图像中的坐标为(-X2，Y2)；
当投影装置为背投且吊装式时，对应在需要投影的图像中的坐标为(X2，-Y2)。
8.根据权利要求1所述的交互式投影设备，其特征在于，所述处理单元先控制自动校正单元进行位置校正，再控制位置识别单元进行投影装置安装方式的识别，最后根据自动校正单元的校正结果以及位置识别单元的识别结果进行坐标变换。
9.根据权利要求1所述的交互式投影设备，其特征在于，所述处理单元先控制位置识别单元进行投影装置安装方式的识别，再控制自动校正单元进行位置校正，最后根据位置识别单元的识别结果以及自动校正单元的校正结果进行坐标变换。
10.一种交互式投影设备中交互笔的定位方法，其特征在于，包括坐标位置的自动校正、投影装置安装方式的识别、交互笔所指位置的计算；
进行坐标位置的自动校正时，先将校正图像投射到投影面上，再采集投影面上的校正投影图像，最后将校正投影图像的坐标与校正图像的坐标进行对应校正，其中所述校正图像具有以矩形阵列模式布置的校准点或校准块；
识别投影装置的安装方式时，先将位置识别图像投射到投影面上，再采集投影面上的位置识别投影图像，最后根据位置识别投影图像与位置识别图像的关系识别投影装置的安装方式；
计算交互笔所指位置时，在采集交互笔在投影图像上所指位置的坐标后，计算交互笔在投影图像上所指位置的坐标对应在需要投影的图像中的坐标；
其中，以位置识别图像的横向中心线为X轴、纵向中心线为Y轴，所述位置识别图像关于X轴上下不对称且关于Y轴左右不对称。
11.根据权利要求10所述的交互式投影设备中交互笔的定位方法，其特征在于，所述校准点或校准块关于校正图像的横向中心线上下对称，且关于校正图像的纵向中心线左右对称。
12.根据权利要求11所述的交互式投影设备中交互笔的定位方法，其特征在于，所述校正图像的四个角位置均设有一个校准点或校准块，横向方向上校准点或校准块之间的间距相同，且纵向方向上校准点或校准块之间的间距也相同。
13.根据权利要求11所述的交互式投影设备中交互笔的定位方法，其特征在于，所述位置识别图像为校正图像在其横向中心线和纵向中心线构成的直角坐标系的一个象限内的校准点或校准块被去除。
14.根据权利要求10所述的交互式投影设备中交互笔的定位方法，其特征在于，所述位置识别图像具有至少一个定位校准点或定位校准块，所述定位校准点或定位校准块位于X轴和Y轴构成的直角坐标系的一个象限内。
15.根据权利要求10所述的交互式投影设备中交互笔的定位方法，其特征在于，当所述位置识别投影图像与位置识别图像为比例放大关系时，定义投影装置为正投且桌面式，那么，
如果位置识别图像绕着垂直于其自身的直线旋转180度后的图像与位置识别投影图像为比例放大关系，则投影装置为正投且吊装式；
如果位置识别图像关于Y轴左右镜像后的图像与位置识别投影图像为比例放大关系，则投影装置为背投且桌面式；
如果位置识别图像关于X轴上下镜像后的图像与位置识别投影图像为比例放大关系，则投影装置为背投且吊装式。
16.根据权利要求15所述的交互式投影设备中交互笔的定位方法，其特征在于，交互笔在投影图像所指位置的坐标为(X1，Y1),当投影装置为正投且桌面式时，对应在需要投影的图像中的坐标为(X2，Y2)，那么，
当投影装置为正投且吊装式时，对应在需要投影的图像中的坐标为(-X2，-Y2)；
当投影装置为背投且桌面式时，对应在需要投影的图像中的坐标为(-X2，Y2)；
当投影装置为背投且吊装式时，对应在需要投影的图像中的坐标为(X2，-Y2)。
17.根据权利要求10所述的交互式投影设备中交互笔的定位方法，其特征在于，先进行坐标位置的自动校正，再进行投影装置安装方式的识别，最后根据坐标位置自动校正的校正结果和投影装置安装方式的识别结果计算交互笔位置。
18.根据权利要求10所述的交互式投影设备中交互笔的定位方法，其特征在于，先进行投影装置安装方式的识别，再进行坐标位置的自动校正，最后根据投影装置安装方式的识别结果和坐标位置自动校正的校正结果计算交互笔位置。
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