多用户笔输入系统中笔的轨迹区分.docx

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多用户笔输入系统中笔的轨迹区分

清华大学

综合论文训练

题目：

多用户笔输入系统中

笔的轨迹区分

系别：

自动化系

专业：

自动化姓名：

陈孝杰指导教师：

史元春教授辅导教师：

曹丽副教授

2005年6月21日

清华大学综合论文训练

摘要

在教学和会议中，为了更好地表达自己的思想和与其他人进行沟通，人们常常需要能够书写并显示的交互设备，传统的媒介包括黑板、纸张等。

随着信息技术的飞速发展，计算机支持的多媒体大屏幕投影逐渐取代了传统的黑板，成为教学和会议主流。

但是大屏幕只能用于显示信息，如果需要对显示内容进行标注或是操作，还只能借助于鼠标和键盘。

针对这个缺陷，触摸技术得到了开发和应用，用户可以使用手指或特制交互笔方便直接地在显示设备上操作或书写。

然而，现有的触摸技术却不能很好地支持多用户同时交互。

SMARTBoard是基于数字视觉技术的笔输入触摸屏，它能够同时定位两支笔的位置，但不能够把轨迹和代表用户的交互笔关联起来，因而无法区分轨迹。

本文的工作是在SMARTBoard的基础上实现双笔轨迹的区分。

基本原理是首先设计合适的硬件电路，使用来交互的笔能够在书写时给系统发送自身的颜色信息，然后通过软件把得到的颜色信息和轨迹起始点进行绑定，用最近距离算法对后继点进行分类。

实验证明改进后，系统能够很好地识别两个用户并区分轨迹，可以满足多用户同时交互的需求。

由于SMARTBoard的双笔定位功能完全由硬件实现，如果要改进系统以实现更多笔的同时使用，需要自行实现多笔定位功能。

本文的另一项工作是用双摄像头实现双笔的同时定位。

基本原理是用卡尔曼滤波器对每支交互笔状态预测，根据预测值寻找摄像头中交互笔成像中心点，通过三角关系确定笔的坐标。

这种算法简单实用，使系统能够同时跟踪两支笔运动并准确提供坐标。

关键字：

智能白板、多用户、笔输入系统、轨迹区分

I

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Abstract

Inordertoexpressone’sideamoreclearlyandcommunicatewithothersmoreeffectivelyinteachingorconference,weusuallytendtodrawonthesurfaceofinteractivedevicewherethedataaredisplayed.Traditionalmediaforsuchkindofdevicesincludesblackboards,paperandsoon.Alongwiththefastdevelopmentofinformationtechnology,largetileddisplayssupportedbycomputerprojectiontechnologyhavegraduallytakentheplaceofblackboards,andbecomethemainstreaminteachingandconference.However,ifwewanttointeractwiththedisplayeddata,wehavetoturntomouseandkeyboard.User’sattentiontogetherwiththebodymustmoveamongdevices,whichisveryawkward.Aimingatsolvingtheproblem,touchsensitivetechnologyhasbeendeveloped,whichmakesitquickandconvenientforuserstointeractwiththedisplayeddatadirectlywithfingersorspeciallydesignedstyluses.Butwhenthesystemservesmultipleusersinparallel,itfaceschallenges.Wearenowbreakingthroughthechallenges.

SMARTBoardisastylusinputtouchscreenbasedondigitalvisiontouchtechnology（DViT）.Itcanlocatetwostylusessimultaneously.However,itcan’tassociateeachstrokewithaparticularuser.OnecontributionofthepaperistoimproveSMARTBoardtodistinguishthestrokesoftwostyluses.Firstwedesignthehardwaretotransmitthecolorinformationofthestylustothesystemwhentheuserwriteswithit;thenwedesignthesoftwaretogetthecolorinformation,andassociateitwiththestroke.Theexperimentresultshaveshownthatoursystemcandistinguishthestrokeswellwhentwouserswritesimultaneously.

SMARTBoardaccomplishesthelocatingoftwostylusesthroughhardware,soifwewanttoimprovethesysteminordertosupportmorestylusesinparallel,wehavetoimplementthefunctionofmulti-styluslocatingbyourselves.Anothercontributionofthispaperistoaccomplishthelocatingoftwostylusesusingtwodigitalcameras.

Thefundamentalarithmeticisasfollows:

firstlyuseKalmanFiltertopredictthestate

II

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ofeachstylus,andthenfindthecenterpointofthestylusineachcameraimage,finallygetthelocationthroughcoordinatetransformation.Thearithmetic,whichisquitesimpleanduseful,allowsthesystemtolocatetwostylusessimultaneouslyandaccurately.

Keyword:

SMARTBoard,multi-user,stylusinputsystem,strokedistinguishing

III

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目录

摘要...............................................................................................................................IAbstract.........................................................................................................................II目录............................................................................................................................IV

第一章引言..............................................................................................................1

1.1本文的研究背景..........................................................................................1

1.2研究内容和方法..........................................................................................2

1.2.1SMARTBoard基础上实现双笔轨迹区分......................................2

1.2.2模拟实现SMARTBoard的双笔定位.............................................3

1.3论文的组织..................................................................................................5

第二章相关研究......................................................................................................7

2.1普通触摸屏技术..........................................................................................7

2.1.1触摸屏的基本原理...........................................................................7

2.1.2常见的触摸屏技术...........................................................................8

2.2SMARTBoard简介...................................................................................12

2.2.1SMARTBoard交互笔区分原理....................................................13

2.2.2SMARTBoard的软件接口............................................................14

2.3DViT技术..................................................................................................15

2.3.1DViT的基本原理...........................................................................15

IV

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2.3.2DViT技术与其他触摸技术的比较...............................................16

2.4多用户触摸技术DiamondTouch..............................................................18

2.4.1DiamondTouch的基本原理...........................................................18

2.4.2优点和缺陷.....................................................................................19

2.5本章小结....................................................................................................20

第三章基于SMARTBoard双笔轨迹区分..........................................................21

3.1基本原理描述............................................................................................21

3.2硬件设计....................................................................................................22

3.2.1供电模块.........................................................................................23

3.2.2无线传输模块.................................................................................24

3.2.3发送控制模块.................................................................................25

3.2.4单片机固件编程.............................................................................26

3.2.5USB信号接收模块简介................................................................26

3.3软件设计....................................................................................................27

3.3.1USB信号读取与同步....................................................................29

3.3.2轨迹的生成与擦除.........................................................................30

3.4本章小结....................................................................................................31

第四章基于双摄像头的双笔定位........................................................................32

4.1双摄像头物体定位的基本原理................................................................32

4.2卡尔曼滤波器............................................................................................36

V

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4.2.1卡尔曼滤波器基本思想.................................................................36

4.2.2离散卡尔曼滤波器的基本原理.....................................................37

4.3系统模型建立............................................................................................40

4.4双笔定位的实现........................................................................................44

4.4.1基本原理.........................................................................................44

4.4.2程序说明.........................................................................................45

4.5小结............................................................................................................48

第五章总结与展望................................................................................................49

5.1本论文工作................................................................................................49

5.2未来的工作................................................................................................49参考文献.....................................................................................................................51致谢...........................................................................................................................53声明...........................................................................................................................53外文资料翻译.............................................................................................................54

外文资料原文.............................................................................................................72

VI

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第一章引言

1.1本文的研究背景

在会议、教学和讨论中，人们往往需要使用能够书写并显示的交互介质或设备来更好地表达自己的思想和其他人进行沟通，其中最传统的交互介质有纸张、黑板等。

随着信息技术的飞速发展，计算机支持的多媒体投影方式越来越多地取代了传统的黑板书写，并逐渐成为高校教学、高级会议的主流。

多媒体投影虽然解决了教室会议室粉尘污染、书写板书费时费力等缺点，但仍然存在无法克服的局限和弊端。

大多数时候，投影显示屏只能用来显示信息，如果需要做笔记、进行标注，还是只能借助于键盘和鼠标。

当然这样可以进行交互式的展示和讨论，但是却没有像传统的黑板那么直接，不能直接在显示界面上进行书写和操作成了多媒体投影的一大弱点。

针对多媒体投影的这个弱点，直接交互的触摸屏得到了开发。

触摸屏的技术多种多样，可以电容式的，也可以是电感式的，但是它们的目的是一样的，就是允许用户不通过鼠标键盘直接在显示界面上进行书写和操作。

这样就大大提供了用户的工作效率，使人机交互变得更加简单直接。

然而现有的触摸技术也存在一定的缺陷，常见的触摸屏往往只支持单个用户，而不允许多个用户同时书写使用，不能很好地满足会议、讨论等需要多人同时参与的应用需求。

人们需要支持两个或两个以上用户同时使用的触摸设备，以达到类似传统黑板交互的效果。

为了满足这种需求，多用户的触摸设备越来越受到重视，很多新出现的产品都逐渐向这种应用需求靠近，SMARTBoard就是其中一种产品。

SMARTBoard能够支持两个用户同时进行书写操作，并能够实时测定两支笔的坐标。

但是它提供的只是双笔定位的基础服务，而不能够把笔的轨迹和交互笔本身关联起来，当双笔同时书写时，系统无法根据不同的交互笔显示不同颜色的轨迹，只能使

用同一种颜色来表示两条轨迹。

这样对用户来说显得不够直观，用户往往希望

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使用两支不同交互笔时能够显示不同颜色的轨迹，并且轨迹的颜色是和交互笔

绑定的，SMARTBoard就不能满足需求了。

如果能够在SMARTBoard基础上，进行一定的改进，使系统能够在交互笔书写时实时得到交互笔的信息，就能够把产生的轨迹和交互笔本身绑定起来，从而实现轨迹的区分，这就是本文要做的工作。

1.2研究内容和方法

本文以SMARTBoard为实验对象，研究显示界面上的双笔轨迹的区分问