论文导读：基于激光笔交互的人性化交互方式。首先利用摄像头进行实时地拍摄投影屏幕。可以考虑在摄像头前面加上一块红滤光镜。红滤光镜，投影屏幕激光笔光斑视频分析与处理系统。
关键词：激光笔，摄像头，投影仪，人机交互，红滤光镜
引言
现代社会，投影仪和大屏幕已被广泛地应用在教学和会议的多媒体信息演示当中。虽然它改变了传统地信息传递展示方式，能给听众带来丰富多彩的信息，但这种采用传统的键盘鼠标演示的人机交互方式，却存在一个问题：它把演讲者局限在计算机设备周围，不便于演讲者的自由走动，以及与听众进行交流。
为了解决这个问题，我们提出了一种在投影显示中，基于激光笔交互的人性化交互方式。我们只需要添加一个无线摄像头就可以实现远程的人机交互了，也就是在进行交互的时候，首先利用摄像头进行实时地拍摄投影屏幕，然后在所捕获到的各帧图片当中，检测到激光点的准确坐标值，然后，把识别到的结果作为用户输入，通过蓝牙无线传输，提供给计算机系统。通过实时检测、计算红外激光点的屏幕坐标，并且实现在始点和终点之间进行画线，最终实现用激光笔来写字的功能。实验结果表明，此系统有很强的适应性及实用性。
（一） 系统综述
投影屏幕光笔光斑视频分析与处理系统由计算机系统、红外激光笔、投影仪以及无线摄像头组成，如图1所示：
图1系统配置图
在我们这套系统中，我们利用了最常见的设备来构成这个整体。将无线摄像头放在投影屏幕的正对位置，使得摄像头所拍下的图片边缘，刚好与屏幕四周的影像边缘重合，这样就避免了烦琐易错的坐标转换计算。
激光笔打到投影幕布上，出现了第一个红点m_pOriginal,摄像头把这幅图片经蓝牙传输至计算机，经过图像处理，得出m_pOriginal这个点的坐标，记为m_pOriginal (X0,Y0)，当激光笔移动，在另一个位置再打出一个红点m_pPoint,同理，图片经过处理，得到这第二个点的坐标，记为m_pPoint（X,Y）.在VC++中，只要得到两点的坐标值，就可以使用LineBetween()函数在这两点间画直线了。
另外，为了在图象处理中，更准确无误地检测出激光红点，可以考虑在摄像头前面加上一块红滤光镜。使用红滤光镜，就能够在每幅图片背景中，生动地突出红色的激光点，准确得出m_pOriginal，m_pPoint这两个点的坐标。
（二） 系统的实现
基于激光笔光斑识别的系统原理框图，如下图所示：
图2 系统原理框图
1.摄像头的校准
摄像头的校准是为了能更好地将其所拍下的各幅图平面上的坐标，转换成为投影幕布平面中的对应坐标。
大部份使用摄像头进行图像处理，涉及坐标转换的系统中，都大同小异地采用了透视投影变换这个方法，其原理是：先假设摄像头不存在径向畸变，然后将图平面上至少4个对应点代入透视变换矩阵中进行计算，求出其于投影幕布平面上的对应坐标值[4]。可是，透视变换矩阵本身的推算过程就是一个比较复杂的数学运算过程，而如果，系统中所使用的摄像头存在径向畸变，那么这个校准过程的计算就会变得更加地复杂，因为，它需要在求透视变换矩阵之前，先求得摄像头的一些内在参数，并使用消除摄像头径向畸变的方法来先解决摄像头径向畸变这个问题[15]。
但是，由于透视变换矩阵是从一个比较小的图平面，映像到一个比较大的投影幕布，以及在实际的使用过程当中，激光点的位置会存在误差，那么，在实际的演示与授课当中，对于摄像头的校准其实显得不太重要，因此，为了使得系统更具优越性，我们在硬件中使用了蓝牙无线传输的摄像头，更方便于调节对准。
2. 红外激光点的检测与识别算法
对摄像头所捕获得各幅图象进行图象处理，是为了从图象中分离出背景图象以及激光红点。论文大全，红滤光镜。从而得出激光点的坐标[11]。
要使得激光笔能在幕布上打点，就要在VC中定义有按键按下和轻开的动作响应函数。在这里，我们定义了两个函数：OnLButtonDown(UINT nFlags,CPoint point) 和OnLButtonUp(UINTnFlags,CPoint point)。在这两个函数中，参数point都是用来记录，响应这两个动作时，激光打到的点的坐标值。
此外，在VC编程中，还定义了一个Ontimer（UNIT nIDEvent）函数，设定了nIDEvent的几种状态，分别用于判断：1.激光笔是否有打点；2.激光笔连续打的两个点之间是否重合；3.激光笔打出的两点如果不是重合的两点，那就要从图象背景中提取出这两点，并划线。
在两点间划线之前，还有一个分辨率转换的问题。图像处理中，提取激光红点，我们得到的是点的图象坐标。论文大全，红滤光镜。要将这个点也实时地显示在幕布上，就需要将它进行分辨率的转换。由于我们采用了无线摄像头，它可以最大限度地合理调整拍摄角度，使得图象边缘与幕布边缘在所拍获的图片中是完全重合的，这就极大地简化了坐标转换的计算问题。
由于屏幕上打的两个点是任意的，也就是说，它们的点坐标是个随机数，因此在这里，我们使用了VC当中MFC的CDC类来画线，定义了OnDraw（CDC *pDC）函数。用CDC来画线一般步骤如下四步：
(1) CDC *pDC = GetDC();
(2) pDC ->MoveTo(m-pStart);
(3) pDC ->LineTo(m_pEnd);
(4) ReleaseDC(pDC);
3. 图象处理
针对投影屏幕激光笔光斑视频分析与处理系统的要求，我们采用了一种基于DirectShow技术实时视频图像捕捉与处理传输的实现方法。
DirectShow是微软多媒体APIs ，DirectX系列的一个组件，它采用模组结构，建立在组建对象模型（COM）基础上，其核心就是所谓的过滤器插件式模块系统。我们用它来处理各过滤器之间和过滤器内部的多媒体数据流[10]。
下面是DirectShow的系统结构图，图中间方框这一块是DirectShow系统，它处在应用层中[25]。论文大全，红滤光镜。在DirectShow中，应用了一种叫过滤管理器（Filter Graph Manager）的模型，用于统一管理各数据流。
图3 DirectShow的系统结构图
如图所示，过滤器分为三种：源过滤器、转换过滤器、表现过滤器：
（1）源过滤器。源过滤器（Source Filter）的功能就是获得数
据以传入过滤器管理器（Filter Graph Manager）中。
（2）转换过滤器。转换过滤器就是执行将所获得的数据进行格式
的转换与传输的工作。
（3）表现过滤器。表现过滤器就是将经处理后的数据负责传送到
终端显示或存储。[12]
在本系统中，我们使用USB摄像头进行视频采集。由于客户端各操作系统的硬件配置情况不一定都相同，因此，必须要对采集的设备进行枚举，才得到USB摄像头的封装滤波器。论文大全，红滤光镜。在DirectShow中，有这样一个组件：系统枚举组件（CL SID_SystemDeviceEnum）；它首先要创建一个系统组件对象，以得到接口ICreateDevEnum；然后，使用相应的接口方法为对应的类型目录建立一个枚举器，以得到接口IEnumMoniker；再用它来给所有设备标志实现IMoniker接口；访问设备标志的属性集，给设备标志绑定一个DirectShow滤波器，再将其加入到滤波器图形中，就可以正常工作了。论文大全，红滤光镜。这些都是做好的封装装置，在实际使用中，调用即可[9]。论文大全，红滤光镜。
(三) 总结
在一般的多媒体教学环境中，本系统能实时、准确地跟踪投影屏幕上激光笔的投影点，具有较好的抗干扰性和稳定性。激光笔投影点的移动能够精确地控制光标的移动，激光笔上的按钮保留着原有的上、下翻页及发射红外激光点的功能。演讲者通过本系统能够较远距离地实现演示文稿的翻页、注释书写的功能，准确率及方便性都很高。
参考文献
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