CN102063231A - 一种基于图像检测的非接触式电子白板***及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于图像检测的非接触式电子白板***及检测方法，***包括一个操作台、两个图像摄入装置、一个视频采集处理器、一台计算机、一个显示大屏幕，两个图像摄入装置的中心光轴相对且向下安装在操作台的正上方，视角调整到覆盖操作台，视频采集处理器采集两个图像摄入装置的视频图像并检测，然后通过通信接口将指尖位置以及控制信息发送给计算机，计算机的内容显示于显示大屏幕。这样的***及检测方法，与现有技术交互白板相比，解决了超大屏幕显示和操作问题，同时采用一种非接触式的方式，无论从实际操作范围还是长期多人使用的卫生和手指摩擦问题的解决，都有着很好的效果，提升了交互白板的应用范围。
Description
技术领域
本发明涉及一种电子白板领域，尤其是涉及一种基于图像检测的非接触式电子白板***及检测方法。
背景技术
由于电子白板能很好地跟计算机和投影***结合起来，能很容易将白板上书写的内容存储到计算机中，同时也可以很方便地对投影在电子白板上的计算机内容编辑、注释等，因此，电子白板***被广泛地应用于互动教学、办公会议以及产品发布等场合。
但是，现有的电子白板通常可分为主动接触式和被动接触式，主动接触式***需要借助特殊的装置去接触电子白板，常用是特制的电子白板笔；被动接触式***，不需要特殊的装置，使用者完全可以用手指或其他物体来完成交互工作。
被动接触式白板已经逐渐成为电子白板***发展的趋势，现有的被动接触式白板***中利用摄像头探测技术主要有如下几种方案：
第一种，多个摄像头或线阵CCD置于白板周围同发光笔相结合，当发光笔在白板上运动，通过摄像头或CCD感知发光笔的位置；
第二种，在电子白板的两个角上放置两个摄像头分别对应于两侧的白板框（反光条），通过检测辅助的白板框图像，间接获取触摸信息，它允许手和物体直接在白板上进行触摸。
第一种方案的缺点在于，需要借助于发光笔接触电子白板完成；第二种方案无需信号笔，但也是要手或物体接触白板完成。可以看出两种方案，都是借助通常的白板或投影墙作为接触面，一方面，使得白板的操作区域只能局限于使用者能接触的到的范围内，致使超大屏幕显示及书写的有效结合一直无法实现；另一方面，由于操作者，必须用手指接触白板面，无论从卫生角度还是手指摩擦角度，都不能很长时间使用。在大屏幕显示时，如将整个显示屏作为书写面，要求电子板的尺寸大，成本高，操作也很不方便；也就是说，受到书写板尺寸的限制，使得大尺寸的交互白板难以在大型会议厅、报告厅、大教室以及产品发布会等需要大屏幕显示的场合下使用。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于图像检测的非接触式电子白板***，能够使超大屏幕显示及书写的有效结合,有较大的尺寸，而使用者只需在一个比较小的范围内进行操作，可以将操作的过程和结果显示在较大的屏幕上；同时，操作者无需接触白板面，解决了卫生和手指摩擦问题。本发明另一目的是提供一种利用基于图像检测的非接触式电子白板***进行信息交互的检测方法。
为实现上述目的，本发明通过以下技术手段实现：
构造一种大屏幕非接触式电子白板***，包括一个操作台、两个图像摄入装置、一个视频采集处理器、一台计算机、一个显示大屏幕，其中两个图像摄入装置的中心光轴相对且向下安装在操作台的正上方，视角调整到覆盖操作台。视频采集处理器主要负责采集两个图像摄入装置的视频图像并检测，然后通过通信接口将指尖位置以及控制信息发送给计算机，计算机的内容显示于显示大屏幕，操作人员在操作区域范围内用手或其它物体操作就可以控制显示大屏幕的内容。
所述显示大屏幕指的是投影仪投射的区域，或者是LCD、LED显示屏等。
所述操作台的颜色需要跟人手的肤色有明显的区别，目的是为了给后面的图像检测更加精准。
所述计算机中的软件部分主要负责接收来自视频采集处理器的坐标以及有关控制信息、转换成相应的显示属性和操作，同时负责处理用户绘图、编辑，然后计算机通过显示设备将有关内容显示在大屏幕上。
所述的视频采集处理器，由复合视频信号的采集与图像恢复单元、图像预处理单元、肤色检测单元、直方图统计单元、手势分割单元、指尖检测单元、手势识别单元、坐标转换单元、通信接口单元构成。
所述的视频采集处理器通过通讯接口RS485通讯接口与计算机相连。
针对一种基于图像检测的非接触式电子白板***的检测方法，本发明通过以下步骤实现：
步骤一：根据所定义的摄像头安装的高度、操作区域的大小与高度确定摄像头的视角及焦距，调整两个摄像头的视角到给定的视角；
步骤二：根据摄像头安装的高度、操作台的高度确定两个摄像头在操作台上的可视范围，分别调整两个摄像头的安装角度，使其视角范围跟操作台上的可视范围重合；
步骤三：视频采集处理器对两个摄像头输出的复合视频信号（CVBS）进行采集与解码，恢复出图像；
步骤四：视频采集处理器对恢复出的图像分别进行检测，获取两个摄像头所摄图像中物体或手指的坐标，再根据摄像头安装的高度以及摄像头的视角信息，利用三角转换，可以获得物体或手指在操作区域中的位置。
在本发明***中，视频采集处理器还对进入操作区域的手势做了识别，这样把手势信息通知计算机，配合手指的坐标信息，可以实现更为复杂的计算机操作。
以下具体分析视频采集处理器的工作的实现原理：
1)
复合视频信号的采集与图像恢复单元
摄像头输出的为模拟的复合视频信号（CVBS），首先进行模数转换，接着对CVBS信号的行场同步信号进行分离，然后根据行场同步信号获得对应的色同步信号和视频有效数据，根据色同步信号恢复出色副载波信号，这样依据分离和恢复出的数据作亮色分离与U/V分离，其中U为蓝差分量、V为红差分量，这样可以恢复出摄像头所摄入得图像。
复合视频信号：
第一行
第二行
第四行
亮色分离： 其中亮度
色度
U/V分离： 
由YUV空间转换成YCbCr空间：
这样可以恢复出每秒50场的YCbCr空间的交错图像，图像的解交错以及降噪滤波，解交错主要利用2D/3D自适应解交错法，降噪滤波主要利用自适应降噪滤波器。
2)图像预处理单元
图像预处理单元，主要采用差影法对摄像头采集的图像进行二值化处理。由于只有如手等运动物体覆盖的像素具有明显的变化，所以选择合适的阈值将大于阈值的像素置为目标区域的像素，从而得到二值化图像。
3)肤色检测单元
肤色在HSI空间有非常好的聚类性，因此通常在肤色检测时会利用到这个特点。
那么肤色的范围为：（T1、T2、T3为阈值）
4)直方图统计单元
用方向直方图的方式对手掌区域进行分割。所谓方向直方图，就是沿X，Y方向对二值化图像做灰度统计，从而得到两个方向的直方图。通过X方向的投影，我们可以得到Y方向的范围（y_start, y_end），通过Y方向的投影，我们可以得到X方向的范围（x_start, x_end）。从而可以确定手掌所在的矩形区域。
5)手势分割单元
根据肤色检测单元和直方图统计单元的结果，分割出手势区域。
6)指尖检测单元
采用多级菱形样板采集指尖个数和位置。
7)手势识别单元
上述指尖位置的识别比较粗糙，还需要进一步对备选的指尖位置进行判断，同时，对定义的手势按照特征提取和分类识别的方法，进行识别。
8)坐标转换单元
根据三角几何关系，可以将两个摄像头摄入图像的指尖位置坐标转换成该指尖在操作区域内的三维的实际位置，然后再根据显示屏幕的分辨率做相应的转换，这样可以将操作区域映射到显示大屏幕，实现超大屏电子白板。 
9)通信接口单元
将手势识别单元和坐标转换单元的检测结果，通过视频采集处理器的通信接口RS485，将手势信息和坐标信息发送给PC，这样PC可以根据发送来的信息完成鼠标的移动、点击以及文档的编辑等功能。
实施本发明的一种基于图像检测的非接触式电子白板***及检测方法，具有以下有益效果：与现有技术交互白板相比，本发明解决了超大屏幕显示和操作问题，同时采用一种非接触式的方式，无论从实际操作范围还是长期多人使用的卫生和手指摩擦问题的解决，都有着很好的效果，提升了交互白板的应用范围。
附图说明
图1:一种基于图像检测的非接触式电子白板***的结构示意图。
图2:视频采集处理器各模块连接示意图。
其中图1和图2的符号说明如下：
1、操作台，2、两个图像摄入装置，3、视频采集处理器，4、计算机，5、显示大屏幕，20、摄像头，21、摄像头，31、复合视频信号的采集与图像恢复单元，32、图像预处理单元，33、肤色检测单元，34、直方图统计单元，35、手势分割单元，36、指尖检测单元，37、手势识别单元，38、坐标转换单元，39、通信接口单元，40、计算机通信接口。
具体实施方式
如图1、图2所示，分别为本发明中一种基于图像检测的非接触式电子白板***的结构示意图、视频采集处理器各模块连接示意图。
一种基于图像检测的非接触式电子白板***，本发明通过以下技术手段实现：
如图1所示，包括一个操作台1、两个图像摄入装置2、一个视频采集处理器3、一台计算机4、一个显示大屏幕5，其中两个图像摄入装置2的中心光轴相对且向下安装在操作台1的正上方，视角调整到覆盖操作台1。视频采集处理器3主要负责采集两个图像摄入装置2的视频图像并检测，然后通过计算机通信接口RS48540将指尖位置以及相关控制信息发送给计算机4，计算机4通过大屏显示设备将计算机的内容显示于显示大屏幕5，操作人员在操作区域范围内用手或其它物体操作就可以控制显示大屏幕5的内容。
所述显示大屏幕5指的是投影仪投射的区域，或者是LCD、LED显示屏等。
所述操作台1的颜色需要跟人手的肤色有明显的区别，目的是为了给后面的图像检测更加精准。
所述计算机4中的软件部分主要负责接收来自视频采集处理器的坐标以及有关控制信息、转换成相应的显示属性和操作，同时负责处理用户绘图、编辑，然后计算机通过显示设备将有关内容显示在大屏幕上。
所述的视频采集处理器3，由复合视频信号的采集与图像恢复单元31、图像预处理单元32、肤色检测单元33、直方图统计单元34、手势分割单元35、指尖检测单元36、手势识别单元37、坐标转换单元38、通信接口单元39构成。
所述的视频采集处理器3通过通讯接口RS485通讯接口与计算机相连。
针对基于图像检测的非接触式电子白板***的检测方法，本发明通过以下步骤实现：
步骤一：根据所定义的摄像头安装的高度、操作区域的大小与高度确定摄像头的视角及焦距，调整两个摄像头的视角到给定的视角；
步骤二：根据摄像头安装的高度、操作台的高度确定两个摄像头在操作台上的可视范围，分别调整两个摄像头的安装角度，使其视角范围跟操作台上的可视范围重合；
步骤三：视频采集处理器3对两个摄像头输出的复合视频信号（CVBS）进行采集与解码，恢复出图像；
步骤四：视频采集处理器3对恢复出的图像分别进行检测，获取两个摄像头所摄图像中物体或手指的坐标，再根据摄像头安装的高度以及摄像头的视角信息，利用三角转换，可以获得物体或手指在操作区域7中的位置。
在该发明***中，视频采集处理器3还对进入操作区域的手势做了识别，这样把手势信息通知计算机，配合手指的坐标信息，可以实现更为复杂的计算机操作。
以下具体分析视频采集处理器3的工作的实现原理：
1）复合视频信号的采集与图像恢复单元31
摄像头20和21输出的为模拟的复合视频信号（CVBS），首先进行模数转换，接着对CVBS信号的行场同步信号进行分离，然后根据行场同步信号获得对应的色同步信号和视频有效数据，根据色同步信号恢复出色副载波信号，这样依据分离和恢复出的数据作亮色分离与U/V分离，其中U为蓝差分量、V为红差分量，这样可以恢复出摄像头所摄入得图像。
复合视频信号：
第一行
亮色分离： 其中亮度
色度
U/V分离：
由YUV空间转换成YCbCr空间：
这样可以恢复出每秒50场的YCbCr空间的交错图像，图像的解交错以及降噪滤波，解交错主要利用2D/3D自适应解交错法，降噪滤波主要利用自适应降噪滤波器。
2）图像预处理单元32
图像预处理单元32，主要采用差影法对摄像头采集的图像进行二值化处理。由于只有如手等运动物体覆盖的像素具有明显的变化，所以选择合适的阈值将大于阈值的像素置为目标区域的像素，从而得到二值化图像。
3）肤色检测单元33
肤色在HSI空间有非常好的聚类性，因此通常在肤色检测时会利用到这个特点。
那么肤色的范围为：（T1、T2、T3为阈值）
4）直方图统计单元34
用方向直方图的方式对手掌区域进行分割。所谓方向直方图，就是沿X，Y方向对二值化图像做灰度统计，从而得到两个方向的直方图。通过X方向的投影，我们可以得到Y方向的范围（y_start, y_end），通过Y方向的投影，我们可以得到X方向的范围（x_start, x_end）。从而可以确定手掌所在的矩形区域。
5）手势分割单元35
根据肤色检测单元33和直方图统计单元34的结果，分割出手势区域。
6）指尖检测单元36
采用多级菱形样板采集指尖个数和位置。
7）手势识别单元37
上述指尖位置的识别比较粗糙，还需要进一步对备选的指尖位置进行判断，同时，对定义的手势按照特征提取和分类识别的方法，进行识别。
8）坐标转换单元38
根据三角几何关系，可以将两个摄像头摄入图像的指尖位置坐标转换成该指尖在操作区域内的三维的实际位置，然后再根据显示屏幕的分辨率做相应的转换，这样可以将操作区域7映射到显示大屏幕5，实现超大屏电子白板。
9）通信接口单元39
将手势识别单元37和坐标转换单元38的检测结果，通过视频采集处理器的通信接口RS485，将手势信息和坐标信息发送给PC端的通信接口40，这样PC可以根据发送来的信息完成鼠标的移动、点击以及文档的编辑等功能。
Claims (9)
1.一种基于图像检测的非接触式电子白板***，包括一个操作台（1）、两个图像摄入装置（2）、一个视频采集处理器（3）、一台计算机（4）、一个显示大屏幕（5），其特征在于两个图像摄入装置（2）的中心光轴相对且向下安装在操作台（1）的正上方，视角调整到覆盖操作台（1），视频采集处理器（3）采集两个图像摄入装置（2）的视频图像并检测，然后通过通信接口将指尖位置以及控制信息发送给计算机（4），计算机（4）的内容显示于显示大屏幕（5）。
2.如权利要求1所述的基于图像检测的非接触式电子白板***，其特征在于所述的显示大屏幕（5）指的是投影仪投射的区域，或者是LCD、LED显示屏。
3.如权利要求1所述的基于图像检测的非接触式电子白板***，其特征在于所述的视频采集处理器（3），由复合视频信号的采集与图像恢复单元（31）、图像预处理单元（32）、肤色检测单元（33）、直方图统计单元（34）、手势分割单元（35）、指尖检测单元（36）、手势识别单元（37）、坐标转换单元（38）、通信接口单元（39）构成。
4.如权利要求3所述的基于图像检测的非接触式电子白板***，其特征在于所述图像预处理单元（32），采用差影法对摄像头采集的图像进行二值化处理。
5.如权利要求3所述的基于图像检测的非接触式电子白板***，其特征在于所述手势分割单元（35），根据肤色检测单元（33）和直方图统计单元（34）的结果，分割出手势区域。
6.如权利要求3所述的基于图像检测的非接触式电子白板***，其特征在于所述指尖检测单元（36），采用多级菱形样板采集指尖个数和位置。
7.如权利要求3所述的基于图像检测的非接触式电子白板***，其特征在于所述坐标转换单元（38），将两个摄像头摄入图像的指尖位置坐标转换成该指尖在操作区域内的三维的实际位置。
8.如权利要求1或3所述的基于图像检测的非接触式电子白板***，其特征在于所述的视频采集处理器（3）通过通讯接口RS485与计算机相连。
9.一种基于图像检测的非接触式电子白板***的检测方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：根据所定义的摄像头安装的高度、操作区域的大小与高度，确定摄像头的视角及焦距，调整两个摄像头的视角和焦距；
步骤二：根据摄像头安装的高度、操作台的高度确定两个摄像头在操作台上的可视范围，分别调整两个摄像头的安装角度，使其视角范围跟操作台上的可视范围重合；
步骤三：视频采集处理器（3）对两个摄像头输出的复合视频信号进行采集与解码，恢复出图像；
步骤四：视频采集处理器（3）对恢复出的图像分别进行检测，获取两个摄像头所摄图像中物体或手指的坐标，再根据摄像头安装的高度以及摄像头的视角信息，获得物体在操作区域中的位置。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20110518 |