专利名称：一种基于图像检测的电子白板系统及检测方法
技术领域：
本发明涉及电子白板领域，尤其是一种基于图像检测的电子白板系统及检测方法。
背景技术：
在教学、会议和发布领域，人们通常需要书写并讲解自己的内容，传统的媒体介质是黑 板和纸张，但随着信息技术的发展，人们逐歩依赖计算机通过大屏幕显示内容，目前的交互 基本上借助于鼠标和键盘，但这种讲解式的交互还无法像黑板一样通过指划、书写来得直观。
针对上述的不足，使用触摸技术的电子白板逐歩得到推广，它通过辅助电子装置来获得投影 区域内物体的移动轨迹和触摸信息，并连接计算机系统实现人机交互。
电子白板按触摸技术可分为二类主动触摸式和被动触摸式，主动的触摸系统需要特殊 的装置去接触触摸表面，最常用的交互装置是特制的电源供电的交互笔；而被动的触摸系统 则不需要特殊的触点去激活触摸表面，用户完全可以用手指或其他物体完成交互工作。
从整个电子白板的发展趋势看，被动触摸式电子白板已趋于主流，采用摄像扫描式的探 测技术有以下几种
第一种，使用安装在白板外的摄像机对整个白板进行摄入，当发光笔在白板上进行书写， 摄像头感知光点的移动来获得光笔的位置，其缺点是摄像头需要安装在白板外面，当人在前 面书写时，发光笔的光点会被阻挡。
第二种，采用安装在白板上的多个线阵CCD对发光笔进行探测，通过判断光点在每个线 程CCD的位置进行计算定位，其缺点是需要发光笔。
第三种，采用安装在白板上的多个摄像机对探测物体进行扫描，通过判断物体在每个摄 像机中的特征量进行坐标定位，这种方式还是比较先进的，但处理较为复杂，此外对摄像机 的安装具有很高的要求。
发明内容
本发明要解决上述现有技术的缺点，提供一种基于图像检测的电子白板系统及检测方 法，它通过检测辅助的白板框图像，间接获得触摸信息，它允许手指或物体直接在白板上进
4行触摸，无需使用信号笔。
本发明解决其技术问题采用的技术方案这种基于图像检测的电子白板系统，主要包括 白板，在白板上的左右边角位置分别放置有第一图像摄入装置和第二图像摄入装置，其中第 一图像摄入装置用于第二对边框条和第三边框条进行图像采集，第二图像摄入装置用于第二 对边框条和第一边框条进行图像采集，第一边框条、第二边框条和第三边框条在白板的内侧 面设有黑白交替边界；第一图像摄入装置和第二图像摄入装置的中心光轴分别同其两侧边框 成一定角度，中心光轴的高度JH对于黑白交替边界；第一图像摄入装置和第二图像摄入装置 分别与主处理器相连接。
所述的第一图像摄入装置和第二图像摄入装置均由摄像头和图像处理单元构成，二个摄 像头的中心光轴分别同其两侧边框成45度。
所述的摄像头由水平视场角大于90度的球面镜头和高清晰的CMOS彩色图像传感器组成。
所述的主处理器通过USB装置与计算机相连接。 本发明所述这种基于图像检测的电子白板的检测方法，歩骤如下-
1、 在白板上的左右边角位置分别放置第一图像摄入装置和第二图像摄入装置，第一边 框条、第二边框条和第三边框条在白板的内侧面设有黑白交替边界，第一图像摄入装置 和第二图像摄入装置的中心光轴分别同其两侧边框成一定角度，调整中心光轴的高度， 使其正对于黑白交替边界；
2、 第一图像摄入装置对第二对边框条和第三边框条进行图像采集，第二图像摄入装置 对第二对边框条和第一边框条进行图像采集；
3、 通过黑白交替边界为灰阶获得参考的触摸平面，当物体进入触摸区域时，边框条中 的灰阶边缘将引起破坏，由破坏点得出物体在两个摄像装置间的相交角度，并通过 三角计算法获得物体在白板区域的位置；图像处理单元对内侧边框的灰阶图像进行 边缘提取，在没有物体触摸时，该提取的灰阶边缘轮廓是连续并且准直的；当有物 体触摸白板时，边框图像受到物体的阻挡，其边缘轮廓会产生扭曲或断裂，通过获 知物体在两个或以上的摄像装置产生的变形点就可以计算出物体在白板的位置。第 一图像摄入装置和第二图像摄入装置对白板边框内的图像做边缘检测，采用判别边 框装饰边缘的好处，还在于其边框灰阶边缘围成的区域平面同白板平面之间形成一 个触摸区，当边缘被破坏时，也意味着物体进入了触摸状态。在使用了上述边缘轮廓检测的情况下，本发明还辅助采用了移动检测判别，第-图像摄 入装置和第二图像摄入装置对白板边框内的图像做移动检测，其目的是提高检测的准确性， 图像处理单元通过分析边框图像的前后两帧差异，判断物体是否在触摸区附近移动。
在该发明系统中，第一图像摄入装置和第二图像摄入装置对移入白板内的物体做颜色识 别，通过分析物体在彩色图像传感器的颜色成分，得出物体的颜色，把信息通知PC进行书写 着色。其好处在于用户使用何种颜色的物体，就可以以何种颜色进行书写。
本发明的有益效果是本发明采用了白板固有的边框进行图像检测，在不增加额外电子 装置情况下，实现了电子G板的交互信息。它由引入的白板框作为图像检测目标，通过判断 该参考目标的特征量变化，间接获得物体在电子白板的触摸信息，本系统的发明使白板装置 变得简单，具有极高的实用价值。此外系统还进一歩引入移动检测和颜色识别，前者提卨检 测检测的准确性，后者提供电子智能颜色笔功能。
图1为本发明的系统组成示意图
图2为本发明系统边框条装饰示意图3为本发明的图像摄入装置的组成示意图
图4为本发明的图像处理单元的原理示意图5为本发明的主处理器单元的原理示意图-，
图6为本发明坐标计算示意图7为本发明辅助光源安装示意附图标记说明第一图像摄入装置l，第二图像摄入装置2，第一边框条3，第二边框条4， 第三边框条5，白板6，主处理器7，黑白交替边界ll，球面镜头20, CMOS彩色图像传感 器21，可编程逻辑器件22，数字信号处理器23，摄像头26，图像处理单元27，图像数据缓 冲装置51，图像噪声滤波模块52，边缘提取模块53，移动检测模块54，颜色均值模块55， 数字信号模块56，亮度数据60，色度数据61，曲线分析单元62，差异分析单元63，颜色分 析单元64，单片机70， EPROM 71， USB模块80，被测物体100，红外LED 101， PCB板 110。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一歩说明
如图1所示，这种基于图像检测的电子白板系统，主要包括白板6，在白板6上的左右 边角位置分别放置第一图像摄入装置1和第二图像摄入装置2 (也可以二个以上)。第一图像 摄入装置1和第二图像摄入装置2由摄像头26和图像处理单元27构成(见图3),摄像头 26由水平视场角大于90度的球面镜头20和高清晰的CMOS彩色图像传感器21组成，安装 后的摄像头的中心光轴同其两侧边框成45度，第一图像摄入装置1对第二边框条4和第三 边框条5进行图像采集，第二图像摄入装置2对第二边框条4和第一边框条3进行图像采集， 第一边框条3、第二边框条4和第三边框条5在白板6的内侧面装饰成黑白交替边界11见图 2 (边框内侧被装饰成灰阶分隔)，调整摄像头同白板6平面之间的安装高度，使其中心光轴 也正对边框条的黑白交替边界，如果书写板是浅色的，边框是深色的，我们也可直接使用两 者组装出的边界进行图像检测。
本发明所述的这种基于图像检测的电子白板的检测方法，步骤如下
1、 在白板6上的左右边角位置分别放置第一图像摄入装置1和第二图像摄入装置2，第 一边框条3、第二边框条4和第三边框条5在白板6的内侧面设有黑白交替边界11，第 一图像摄入装置1和第二图像摄入装置2的中心光轴分别同其两侧边框成一定角度，调 整中心光轴的高度，使其正对于黑白交替边界ll;
2、 第一图像摄入装賈1对第二对边框条4和第三边框条5进行图像采集，第二图像摄 入装置2对第二对边框条4和第一边框条3进行图像釆集，即通过安装在普通白板边角 上的二个图像传感器对相对的边框条进行图像扫描；
3、 通过黑白交替边界ll为灰阶获得参考的触摸平面，当物体进入触摸区域时，边框条 中的灰阶边缘将引起破坏，由破坏点得出物体在两个摄像装置间的相交角度，并通 过三角计算法获得物体在白板区域的位置。(物体或手指进入触摸区时造成边框采集 图像破坏，通过破坏间接获得触摸信息)
4、 第一图像摄入装賈1和第二图像摄入装置2对白板边框内的图像做移动检测，第一 图像摄入装置1和第二图像摄入装置2对移入白板内的物体做颜色识别。
图像处理巾.元27由FPGA可编程逻辑器件22和DSP数字信号处理器23构成，FPGA负责图像数据的前处理，DSP负责图像数据的后处理。
主处理器7负责接受来自第一图像摄入装置1和第二图像摄入装置2的数据，处理后的位置信息和颜色信息通过USB装置传送给计算机。其原理图见图5所示，由内置USB模块80的单片机70和EPROM71组成，EPROM 71储存出厂定位信息和设备信息。
图像处理单元的实施方法
通过裁剪图像传感器21的摄入区间，使其只扫描内侧边框的装饰带，其输出的图像数据被送入图像处理单元27原理图如图4所示进行处理，图像处理单元27中的图像数据缓冲装置51把来自图像传感器21的图像数据分离成亮度数据60和色度数据61，其中亮度数据60被送至图像噪声滤波模块52进行噪声滤波，经噪声处理的亮度数据被同时送至边缘提取模块53和移动检测模块54做图像预处理，色度数据缓冲61则被送入颜色均值模块55做颜色均值处理。
以下具体來分析上述图像处理模块的实现机理，首先设图像带的长度方向为x，宽度方向为y :
1) 噪声滤波模块52
在实现上，我们采用2D中值滤波，即
g(x,力^^ffiD(p(x —， (/,_/) eS (1)其中，M五DG为集合中的元素取中间值，p(x,力为像素灰度值，g(x,力是处理后的像素灰度值，S为模板窗口，选3X3。
2) 边缘提取模块53
在实现上，我们采用水平边缘提取，即x
二 1，
0(2)
1
其中，g(x,力为像素灰度值，d(x,力是边缘提取后的灰度值。
我们再对上述的d(x,w做二值化处理并细化，得到边缘曲线} = /(力,
3)移动检测模块54在实现上，我们采用了当前帧与上电初始的参考帧相减的方法，即w(x，>0= Ig,(x,力一g。(x,力l (3)其中，g,(x，力为当前帧的灰度数据，g。(x，力为初始参考帧的灰度数据，w(x,;;)为输出
的比较帧。
我们再对上述的比较帧m(x,力做二值化处理，得到二值化图像帧"(x,力。4)颜色均值模块55
在实现上，我们采用对初始提取的边缘曲线附近做色度数据平均，即
<formula>formula see original document page 9</formula> (4)
其中，yooo为初始边缘提取的曲线函数，Cf(x，力为图像中Cr色差分量的像素值，g(x，力
为图像中Q色差分量的像素值，K为色度取样窗口，取2， 5(x)， ^(x)为对应色差分量的平均值。
噪声处理后的图像数据经过边缘提取模块53后，被送至数字信号模块56中的曲线分析单元62中进行曲线拟合，拟合通过对上电初始的边缘提取曲线同当前的边缘提取曲线进行比对，当拟合判别条件符合时记录坐标值x。其拟合判别条件定义如下l乂(x)-据|>夂 (5)
其中，/。(x)为初始提取的边缘曲线函数，/(x)为当前提取的边缘曲线，尺为拟合阈值，取2。
噪声处理后的图像数据经过移动检测模块54后，被送至数字信号模块56中的差异分析单元63中进行差异判别，其判别的模板窗口沿初始提取的边缘曲线滑动，当差异判别条件符合时记录坐标值x。设图像差异发生时的w(x,力为1，无图像差异发生时的"(x,力为O，其
差异判别条件定义如下<formula>formula see original document page 9</formula>
其中，4DZ)U为集合中元素相加，w(x,少)为公式3得出的二值图像数据，N为模板窗口内的像素个数，S为模板窗口，选5X5，(x。，少。)为模板中心点坐标，/。(x)为初始边缘提取的曲线函数。
数字信号处理模块56再对上述两者的记录数据进行综合的分析，假设由曲线分析单元62记录的坐标集为I。，由差异分析单元63记录的坐标集为XA ，那么实际得出的坐标集I为X = (7)
对坐标集义边界求中心点，即可得到物体的在图像传感器21中的实际位置，数字信号处理模块56获的物体位置后，在该位置处提取来自颜色均值模块55的颜色均值，由颜色分析单元64按预先定义的色差分量区间转换成颜色值输出。
到此，我们巳经获得了物体在单个图像摄入装置的位置信息和颜色信息。我们再把两个图像摄入装置的信息通过串行接口同主处理器7进行连接，物体的最终颜色值取两者颜色值的平均量，其在平面上坐标则通过三角计算，计算示意图见图6，具体计算示意如下-
设第一图像摄入装置1被测物体100张角为a，第二图像摄入装置2测到的物体张角为(3，白板的宽度为L，并规定白板的左上角为原点，向下为y，向右为x，则物体坐标为
<formula>formula see original document page 10</formula>
为了适应任何环境下能对内侧边框的图像检测，我们还在摄像装置上安装了辅助照明装置，具体见示意图7，通过安置在PCB板110上的红外LED 101对被检测的内侧边框进行辅助照明。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。
权利要求
1、一种基于图像检测的电子白板系统，主要包括白板(6)，其特征在于在白板(6)上的左右边角位置分别放置有第一图像摄入装置(1)和第二图像摄入装置(2)，其中第一图像摄入装置(1)用于第二对边框条(4)和第三边框条(5)进行图像采集，第二图像摄入装置(2)用于第二对边框条(4)和第一边框条(3)进行图像采集，第一边框条(3)、第二边框条(4)和第三边框条(5)在白板(6)的内侧面设有黑白交替边界(11)；第一图像摄入装置(1)和第二图像摄入装置(2)的中心光轴分别同其两侧边框成一定角度，中心光轴的高度正对于黑白交替边界(11)；第一图像摄入装置(1)和第二图像摄入装置(2)分别与主处理器(7)相连接。
2、 根据权利要求l所述的基于图像检测的电子白板系统，其特征在于所述的第一 图像摄入装置(1)和第二图像摄入装置(2)均由摄像头(26)和图像处理单元(27)构成，二个摄像头(26)的中心光轴分别同其两侧边框成45度。
3、 根据权利要求2所述的基于图像检测的电子白板系统，其特征在于所述的摄像 头(26)由水平视场角大于90度的球面镜头(20)和高清晰的CMOS彩色图像传 感器(21)组成。
4、 根据权利要求1所述的基于图像检测的电子白板系统，其特征在于所述的主处 理器(7)通过USB装置与计算机相连接。
5、 一种基于图像检测的电子白板的检测方法，其特征在于步骤如下(1) 、在白板(6)上的左右边角位置分别放置第一图像摄入装置(1)和第二图像摄 入装置(2)，第一边框条(3)、第二边框条(4)和第三边框条(5)在白板(6)的 内侧面设有黑白交替边界(11)，第一图像摄入装置(1)和第二图像摄入装置(2)的 中心光轴分别同其两侧边框成一定角度，调整中心光轴的高度，使其正对于黑白交替 边界(11);(2) 、第一图像摄入装置(1)对第二对边框条(4)和第三边框条(5)进行图像采 集，第二图像摄入装置(2)对第二对边框条(4)和第一边框条(3)进行图像采集；(3) 、通过黑白交替边界(11)为灰阶获得参考的触摸平面，当物体进入触摸区域时，边框条中的灰阶边缘将引起破坏，由破坏点得出物体在两个摄像装置间的相交角度， 并通过三角计算法获得物体在白板区域的位置。
6、 根据权利要求5所述的基于图像检测的电子白板的检测方法，其特征在于第一 图像摄入装置(1)和第二图像摄入装置(2)对白板边框内的图像做移动检测。
7、 根据权利要求5所述的基于图像检测的电子白板的检测方法，其特征在于第一 图像摄入装置(1)和第二图像摄入装置(2)对移入白板内的物体做颜色识别。
全文摘要
本发明涉及一种基于图像检测的电子白板系统及检测方法，它由图像扫描装置、边框条、普通书写白板组成，通过安装在普通白板边角上的二个或以上的图像传感器对相对的边框条进行图像扫描，通过装饰内侧边框为灰阶获得参考的触摸平面，当物体进入触摸区域时，边框条中的灰阶边缘将引起破坏，由破坏点可以得出物体在两个摄像装置间的相交角度，并通过三角计算法获得物体在白板区域的位置。本发明的有益效果是本发明采用了白板固有的边框进行图像检测，在不增加额外电子装置情况下，实现了电子白板的交互信息。此外系统还进一步引入移动检测和颜色识别，前者提高检测检测的准确性，后者提供电子智能颜色笔功能。
文档编号G06F3/041GK101464751SQ20091009531
公开日2009年6月24日 申请日期2009年1月6日 优先权日2009年1月6日
发明者徐荣辉 申请人:杭州华银视讯科技有限公司