一种基于光学鼠标传感阵列的激光点追踪系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于光学鼠标传感阵列的激光点追踪系统，包括激光笔、投影光幕、计算机，以及光学鼠标传感阵列和单片机，传感阵列利用多个光电鼠标传感芯片排列构置，扩展单个传感有限的感知范围，且所述光幕能将激光点转化为激光散斑作为轨迹追踪特征；此外，还提出了一种基于光学鼠标传感阵列的激光点追踪方法，本方法有效融合传感阵列中多个传感数据获取激光点轨迹，算法简单同时扩展性强，适用于不同规模的传感阵列。本发明专利技术成本低，方便安装于现有体系的投影系统中，且操作简单利于远距离操作，同时该系统不受环境及投影光线影响，稳定性强。

【技术实现步骤摘要】
一种基于光学鼠标传感阵列的激光点追踪系统及方法
本专利技术涉及投影成像领域，尤其涉及一种基于光学鼠标传感阵列的激光点追踪系统及方法。
技术介绍
目前投影系统在教学及工作生活中非常普及，投影系统是一种面向多参与者进行有效的交互演示方式，但用于操控投影系统的人机交互设备(鼠标和键盘)极大的限制了使用者的自由性，他们往往不得不在需要进行人机交互时，从参与者当中走回到电脑前操作。基于此，一些新的面向投影系统的交互设备被设计并使用，主要包括三种：多功能的投影激光笔，无线鼠标以及基于机器视觉的激光光点追踪装置。但上述技术用于投影交互场景时都存在各自特定的局限性。首先，现在投影系统中最常用的一种就是多功能激光笔，这种装置在传统激光笔上加入了演示文稿翻页的功能按键，使得投影系统使用者可以脱离鼠标和键盘演示自己的文档。但一个明显的问题是这样的装置功能十分有限，同时无法向鼠标一样通过移动来操控光标在投影界面上完成更复杂的人机交互操作。其次，无线鼠标近年来也成为有线鼠标的替代者，鼠标这种传统人机交互设备不再受到距离的限制，可以远距离操控电脑。但鼠标的工作特性决定它必须紧贴一个工作面来测定自身的移动从而完成对光标的控制，这样的操作显然在投影演示时极不自然且十分不便利。此外，基于机器视觉来追踪激光笔光点位置轨迹的方法，借助光点在图像中的位置来估算光点的实际位置，利用光点的位置轨迹代替鼠标对自身位置的测量来操作电脑光标从而替代鼠标。这种方法利用一台摄像机来实时获取投影光幕上的图像，利用数字图像处理方法提取推算激光点的位置，但这种方法易受环境光线和投影图像光照条件的影响，稳定性不高，同时图像处理的算法复杂度高计算能力大且对设备、计算及它们的存储能力都有高要求，同时出于隐私的考虑，其适用场合受到一定限制。
技术实现思路
本专利技术所要解决的问题是，提供一种基于光学鼠标传感阵列的激光点追踪系统及方法，解决原有的投影装置或方法中，功能单一、操作不便、稳定性不强的问题。为解决上述问题，本专利技术公开了一种基于光学鼠标传感阵列的激光点追踪系统，包括激光笔、投影光幕以及计算机，其中，还包括光学鼠标传感阵列和单片机，其中，所述光学鼠标传感阵列，设于所述投影光幕之后，对激光笔发出的激光点经所述投影光幕散射在传感阵列面上形成的激光散斑图像进行计算和比较，并输出激光斑的位移信息给所述单片机；所述单片机，根据接收的激光斑点位移信息判断激光点轨迹的起止，并对所有传感获得的位移信息融合处理，产生激光点轨迹信息，并将该轨迹信息发送给计算机；所述计算机，识别激光点轨迹信息并根据该轨迹信息同时执行投影程序。优选地，所述投影光幕与光学鼠标传感阵列之间平行间隔设置，所述间隔距离为400mm～600mm，最好的隔开距离为550mm，这样的投影效果最好，且所述光学鼠标传感阵列形成的阵列面覆盖的面积大小和投影光幕的大小相同为好。进一步地，所述光学鼠标传感阵列由等间隔设置的光学鼠标传感芯片排列而成，所述光学鼠标传感阵列最少设为4个，相邻的两光学鼠标传感芯片之间的距离设置为激光点散射形成激光散斑模型半径的倍，假设将传感面激光点经过散射形成的光斑模型化为半径r的原型，则传感的排列间隔为这样覆盖的面将最广。优选地，所述光学鼠标传感芯片为无通光小孔的芯片，也就是说将光学鼠标传感芯片上的通光小孔去除，以增强芯片对激光光斑的敏感性。优选地，所述投影光幕采用采用双面粗糙的半透明透光材质，比如磨砂有机玻璃制成。投影仪产生的投影图像可以在光幕表面漫反射，从而呈现投影。而激光笔产生的光点有较强的穿透性可以通过光幕，激光透过后产生折射，在光学鼠标传感阵列面产生干涉现象，从而形成激光散斑。进一步地，所述单片机通过蓝牙串口模块将所述激光点轨迹信息无线发送给所述计算机。当然也可以采用其他任一无线传输的方式如ZigBee等发送给计算机。基于本专利技术的另一构思，还提供一种基于光学鼠标传感阵列的激光点追踪方法，该方法包括如下步骤：步骤1，传感阵列部署：测量经激光笔射入并透过投影光幕到达间隔设于光幕之后的传感阵列面上的激光光斑半径，并调整所述传感阵列中的光学鼠标传感芯片的间隔，其中，该间隔优选调整为激光光斑半径的倍，这样，能覆盖一个呈正方形的无盲区追踪区域；事先将传感阵列与光幕平行放置，并隔开一定距离d，再用激光笔在光幕上投射一个激光点，并在传感阵列所在平面测量产生的激光光斑半径r，同时将传感阵列中光学鼠标传感芯片的间隔调整为最后建立激光点追踪器与电脑间的连接，传感芯片最少为4个且横纵等间隔排列，形成一个矩形形状。步骤2，光点轨迹获取：设定光斑轨迹的起点为(0,0)，同时每个时刻仅选取一个传感芯片测量光斑位移的增量，并计算光斑在t时刻的位置坐标xt、yt；步骤3，光点轨迹终止判断：利用光学鼠标传感阵列中的寄存器squal的值是否为零判定激光点轨迹是否终止。进一步地，在计算出光斑在t时刻的位置坐标xt、yt后，再对激光光点轨迹数据进行空间插值和平滑处理；优选地，光斑在t时刻的位置坐标值xt、yt由光斑在t-1时刻的位置坐标值加上在第t时刻选择的传感i的测量值计算得出，其中，当使用光学鼠标传感阵列时，光斑的位移增量(Δxi，t,Δyi，t)被存储在每个芯片的寄存器Delta_X和Delta_Y中。光斑在t时刻的位置可以用如下式式计算：进一步地，上述式中Δxi，t和Δyi，t是在第t时刻选择了传感i的测量；选择的依据是该时刻传感i的SQUAL寄存器的值Ssqual_i是传感阵列中最大的。作为另一种计算光斑在t时刻的位置坐标，将t时刻传感阵列中的所有传感芯片检测到的光斑位移增量进行加权运算得到加权值，由光斑在t-1时刻的位置坐标值加上在第t时刻的加权值计算得到光斑在t时刻的位置坐标值xt、yt得出。其中，所述加权运算的加权方法如下：Δx(y)t＝WDt其中，式W和Dt的计算方式如下：Dt＝[Δx(y)1，t…Δx(y)i，t…Δx(y)N，t]T；此时，激光点每一时刻的位置点坐标信息为：优选地，在激光点每一时刻的位置点再采用三次样条插值的方法进行插值采样。更优选地，通过计算相邻时刻轨迹点的均值对激光点轨迹进行平滑处理，具体为：其中，x′t为t时刻的横坐标位移平均值，y′t为t时刻的纵坐标位移平均值。此外，判断光点轨迹是否结束的的方法具体包含有如下步骤：用激光笔滑出一新的手势轨迹；检测所有传感芯片的Squal寄存器值是否均为0，判断激光点是否存在于投影光幕上；通过定时器设定一阀值时间，并判断传感芯片的Squal寄存器值为0保持的时间是否达到设定的阀值时间，来判断轨迹是否结束。进一步地，当检测到所有传感芯片的Squal寄存器值均为0时，则设定并启动定时器，若不是，则重新检测；当传感芯片的Squal寄存器值为0保持的时间达到定时器设定的时间时，则表征该轨迹结束，定时器关闭，若否，则再次判断是否存在有传感芯片的Squal寄存器值不为0，并重新检测开始上述步骤。与现有技术相比，本专利技术所提供的一种基于光学鼠标传感阵列的激光点追踪系统及追踪方法，成本较低，安装简单，使用方便，易于扩展，可替代传统的鼠标的人机交互系统，在不改变人们对于投影系统使用习惯的前提下，功能更多，操作简单且利于远距离操作，同时该系统不受外部环境及本身投影光线的影响本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于光学鼠标传感阵列的激光点追踪系统，包括激光笔、投影光幕以及计算机，其特征在于还包括光学鼠标传感阵列和单片机，其中，所述光学鼠标传感阵列，设于所述投影光幕之后，对激光笔发出的激光点经所述投影光幕散射在传感阵列面上形成的激光散斑图像进行计算和比较，并输出激光斑点的位移信息给所述单片机；所述单片机，根据接收的激光斑点位移信息判断激光点轨迹的起止，并对所有传感获得的位移信息融合处理，产生激光点轨迹信息，并将该轨迹信息通过蓝牙串口模块无线发送给计算机；所述计算机，识别激光点轨迹信息并根据该轨迹信息执行交互程序。

【技术特征摘要】
1.一种基于光学鼠标传感阵列的激光点追踪系统，包括激光笔、投影光幕以及计算机，其特征在于还包括光学鼠标传感阵列和单片机，其中，所述光学鼠标传感阵列，设于所述投影光幕之后，对激光笔发出的激光点经所述投影光幕散射在传感阵列面上形成的激光散斑图像进行计算和比较，并输出激光斑点的位移信息给所述单片机；所述单片机，根据接收的激光斑点位移信息判断激光点轨迹的起止，并对所有传感获得的位移信息融合处理，产生激光点轨迹信息，并将该轨迹信息通过蓝牙串口模块无线发送给计算机；所述计算机，识别激光点轨迹信息并根据该轨迹信息执行交互程序；所述投影光幕与光学鼠标传感阵列之间平行间隔设置，所述间隔距离为400mm～600mm；所述光学鼠标传感阵列由等间隔设置的至少4个光学鼠标传感芯片排列而成，相邻的两光学鼠标传感芯片之间的距离设置为激光点散射形成激光散斑模型半径的倍。2.如权利要求1所述的激光点追踪系统，其特征在于，所述光学鼠标传感芯片为无通光小孔的芯片。3.如权利要求2所述的激光点追踪系统统，其特征在于，所述投影光幕采用双面粗糙的半透明透光材质制成。4.一种基于光学鼠标传感阵列的激光点追踪方法，其特征在于该方法包含如下步骤：步骤1，传感阵列部署：测量经激光笔射入并透过投影光幕到达间隔设于光幕之后的传感阵列面上的激光光斑半径，并调整所述光学鼠标传感阵列中各传感芯片的间隔；步骤2，激光点轨迹的获取：将光斑的位移增量存储于传感芯片的寄存器中，设定光斑轨迹的起点为(0,0)，同时每个时刻仅选取一个传感芯片测量光斑位移的增量，并计算光斑在t时刻的位置坐标xt、yt；步骤3，激光点轨迹的起止判断：利用光学鼠标传感阵列中的寄存器squal的值是否为零判定激光点轨迹是否终止。5.如权利要求4所述的激光点追踪方法，其特征在于，所述光学鼠标传感阵列中的所述传感芯片最少为4个，且横纵等间隔排列，相邻传感芯片之间的距离调整为激光光斑半径的倍。6.如权利要求5所述的激光点追踪方法，其特征在于，在计算出光斑在t时刻的位置坐标xt、yt后，再对激光光点轨迹数据进行空间插值和平滑处理。7.如权利要求4或6所述的激光点追踪方法，其特征在于，光斑在t时刻的位置坐标值xt、yt由光斑在t-1时刻的位...

【专利技术属性】
技术研发人员：王国利，赫明潇，郭雪梅，
申请(专利权)人：广东顺德中山大学卡内基梅隆大学国际联合研究院，
类型：发明
国别省市：广东;44