基于机器视觉虚拟激光键盘的设计

龙源期刊网基于机器视觉虚拟激光键盘的设计作者：李淑玉吕争来源：《宁波职业技术学院学报》2015年第06期摘要：结合先进的激光技术和图像处理技术，利用三边检测原理判断手动按键，开发出一套基于机器视觉的虚拟机关键盘，相较于其他模型，该键盘具有灵敏度高、成像效果好、识别精确等优点。同时，虚拟键盘具有概念新颖、成本低廉、噪声低、严格防水等优点，适合在高强度作业和水汽较重的工控环境下使用。关键词：计算机视觉方式；图像识别；视觉处理算法；三角测距原理；LLP技术中图分类号：TP39文献标志码：A文章编号：1671-2153（2015）06-0079-041问题的提出随着信息化技术的发展，轻便、舒适、灵活已经成为键盘设计的最优目标，而传统的键盘功能单一且携带麻烦。在这样的背景下，本文拟设计了一种高性能的便携式虚拟激光键盘[1]。它将运用移动电源、功放、超声波技术实现额外功能，同时具有无菌无噪声等功能。本研究将放弃传统的供电方式，采用当前先进的移动电源技术供电，增强了键盘的可移动性和续航能力。设计的便携式虚拟激光键盘将为人们外出旅游、办公和从事无菌无噪声科研等带来了极大的方便。另外，由于在国内该技术上处于空缺状态，所以本项目具有很好的市场前景。2系统方案2.1系统框图本研究基于视觉处理算法，全息投影技术，借用三角测距原理和LLP技术，采用了传感器技术、无线通信技术、控制技术、数据库技术、GUI系统UI元素碰撞技术、红外技术、激光扫描技术、摄像头处理技术、空间三维坐标处理技术、光学原理、滤波原理及镜面反射技术，以MATLAB仿真为手段和采用OpenCV数据处理来加速视觉运算代码的开发[2]，用PC处理来设计的低成本、高性能的虚拟激光键盘，如图1所示。软件流程如图2所示。2.2激光虚拟键盘模型结构本文设计的激光虚拟键盘主要由线性不可见激光发射器、摄像头采集器、键盘投影模组三部分组成，模型架构如图3所示。本研究的工作流程，首先键盘投影磨具投影出虚拟键盘模型，通过红外不可见光发送定位光束，当用户敲击键盘瞬间，摄像头采集图像参数，并对图像和目标进行识别[4]。通过识别龙源期刊网转换成坐标，系统识别坐标后调用坐标映射函数并发送按键命令[5]，系统具体工作流程如图4所示。3功能与指标（1）摄像头模块功能。采用USB接口，视角120度以上的CMOS摄像头，可用于互动投影，多点触摸。除了镜头有要求外，其他无特殊要求。本研究采用150°广角摄像头，具有极强的视角。（2）投射键盘画面的激光器模块功能。激光器模块键盘大小要求要120度，650nm激光组件。在实际使用过程中，激光组建应当使得键盘平整，按键的大小均匀，以减少系统的误判。（3）一字线激光模块功能。本研究采用的一字线激光器是红外波段，波长为808nm，主要是为了滤掉可见光的干扰[6]。为减低其功率，提高键盘的可靠性，激光模块采用的工作功率为50W。本文采用直径12mm，长度40mm，线发射角度为120度、60度、35度可选，激光类型为线装。（4）红外带通滤光片。采用800～1100nm高透，与红外激光器配合测距可避免可见光的干扰，可使可见光400～760nm截止。滤波片厚度2mm，配合广角镜头合理使用，避免出现曝光和弱光现象，否则会使键盘乱踩点或者检测不到点[7]。（5）功放模块功能。系统集成mp3模块。面板尺寸为宽80mm，高40mm，内深50mm，中心孔距为60mm。其中功放为BTL输出，还有FM功能，但需接一根天线，并切换MODE模式，其中AUX显示当前工作状态，FM显示当前收听电台。（6）移动电源模块功能。采用带有双USB的5V升压板。5V恒压电源可作为充电输入电源，电路板内置锂电池IC保护，具有过压、过流、欠压保护等。还自带手电功能，连按两下开关键即可启动，再连按两下开关键即可关闭。移动电源进入工作状态时，蓝色背光源被点亮，15s后熄灭，按轻触开关（on/off）一次，蓝色背光源再次被点亮15s，方便查看LCD显示屏。4实施原理及过程4.1键盘功能的实现4.1.1键盘输入事件的识别虚拟键盘是基于三角测距原理，通过投射激光对目标物体进行检测。测距过程中，通过一束激光照射目标物体，反射光被摄像头捕捉到，利用三角测距原理[8]，求出目标物体中被线激光照亮部分的坐标信息。在线性激光测距中，通过三角关系，容易求出被激光照亮部分，相龙源期刊网对于激光发射口为原点、位于线激光组成平面内的坐标P（x，y）。在本系统中，激光组成的平面可以等效于与桌面平行，故可以认为坐标点P（x，y）是位于桌面平面的，如图5所示。4.1.2按键事件的判断与产生在虚拟键盘中，所有UI元素均对应屏幕的坐标值。系统周期性判断当前鼠标指针位置是否产生光斑。相较于UI系统，在数据库中需要建立投射键盘图案中每个按键的坐标信息，然后查找指尖按下的坐标，从而判断出坐标信息，其示意图如图6所示。上述键盘功能实现过程需要涉及到两个步骤：（1）通过三遍测距算出指尖按下的坐标，记为P（x，y）。（2）将映射点P（x，y）与数据库中的坐标值进行对比，求出P（x，y）对应的按键值。4.2虚拟键盘视觉方式与算法的具体实现由于本研究的视觉处理部分都在PC上进行，因此使用了OpenCV库来加速视觉运算代码的开发。4.2.1摄像采集器镜头扭曲矫正在本系统中，实际使用为广角摄像头，与普通摄像头相比，广角摄像头采集图像具有中心偏大，两侧偏小的特征，如图7所示。为了使得图像坐标信息具有线性变化的特点，需要对采集的图像进行处理，通常采用的高斯模型降噪[9]，在程序中调用OpenCV库函数对实际图像进一步优化，以达到摄像头扭曲矫正的效果。4.2.2图像兴趣点提取通过调用OpenCV库函数中的cvFindCountours，对摄像头中的光斑进行提取，通过提取光斑获取图像的兴趣点，由于环境中光线的变化，因此存在高斯噪点，可以通过增加权重的方式来减少误判，提高系统识别图像兴趣点的精度。4.2.3手指坐标计算和校正通过手指光斑的相对位置，调用三边测距算法，求得手指的具体相对位置P（x，y）。通过三次测距得知P点，通过P点的旋转90°知道P的逆矩阵。同时通过上述介绍的公式算出逆龙源期刊网矩阵与原来矩阵的误差精度，再通过平滑取值抹除误差较大的点，得到手指的正确坐标，即是手指在桌面投影的实际坐标，如图8所示。5特色与创新点（1）本研究在设计的原理上具有创新性：采用基于计算机视觉方式识别、判断和产生键盘事件。（2）相对传统键盘，该键盘无菌，方便用于无菌场合，且噪音少，可广泛用于公共场合，该键盘工作稳定、便于调试，可方便使用在工作环境条件差（例如化工生产）的场合。（3）本研究采用当前先进的移动电源技术供电，增强了键盘的可移动性和续航能力。（4）线激光测距的采用，提高了按键事件的判断和效率。（5）集合了视觉算法、三角测距、LLP技术多点触摸定位、功放、升压、超声波等技术，具有广泛的应用价值。（6）该键盘可以测出手指对桌面的“压力”，在绘画板产生不同粗细的图像。（7）采用的线激光测距，有利于检测指尖的位置和判断是否产生键盘事件。6结论基于机器视觉的虚拟激光键盘，结合机器视觉处理的OpenCV库，以及三点定位算法，实现了虚拟键盘的模型建造。在研究虚拟键盘过程中，预先通过MATLAB仿真，对设计过程中遇到的问题进行了提前模拟，有效的指导了模型的建造过程，本系统具有成本低廉，识别精确度高等优点，其模型具有推广价值。参考文献：[1]陈士凯.自制低成本3D激光扫描测距仪（3D激光雷达），第一部分[J/OL].（2012-02-06）[2015-07-20].http：//？fid-182-id-7309-page-1.htm.[2]布拉德斯基.学习opencv[M].北京：清华大学出版社，2009.[3]谭浩强.C++程序设计[M].北京：清华大学出版社，2010.[4]张国云，郭龙源，吴健辉.计算机视觉与图像识别[M].北京：科学出版社，2012.[5]张岳，郝丽，柳华，等.激光显示的原理与实现[J].光学精密工程，2006，14（3）；402-405.龙源期刊网[6]刘庆祥，蒋天发.彩色与灰度图像间转换算法的研究[J].武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2003，27（3）：344-346.[7]王红梅，李言俊，张科.基于极值检测的图像滤波算法[J].激光与红外，2007，37（10）：1117-1119.[8]梁华为.直接从双峰直方图确定二值化阈值[J].模式识别与人工智能，2002，15（2）：253-256.[9]王慧峰，战桂礼，罗晓明.基于数学形态学的边缘检测算法研究及应用[J].计算机工程与应用，2009，45（9）：223-226.Abstract：Thisworkcombinesadvancedlasertechnologyandimageprocessingtechnology，theuseofmanualkeytrilateraldetectionprincipleisdeterminedtodevelopamachinevision-basedvirtualorgankeyboard，comparedtoothermodels，thekeyboardhasahighsensitivity，goodimagingresults.，recognitionaccuracyandsoon.atthesametime，theconceptofvirtualkeyboardwithanew，lowcost，lownoise，strictwaterproofandsuitableforuseinhigh-intensityoperationsandmoistureheavyindustrialenvironments.Keywords：computervisionmethods；imagerecognition；visualprocessingalgorithms；triangulationprinciple；LLPtechnology（责任编辑：徐兴华）龙源期刊网龙源期刊网龙源期刊网