智能交互投影系统设计

钱涛 王雪梅 伍祥

[摘           要]  计算机技术和多媒体技术急速发展，互动投影逐渐成为生活中比较常见的交互式信息展示和媒体工具之一。介绍一种在幕墙上直接进行操作的人机交互投影系统，采用低成本的深度红外相机作为图像采集器件，依托特制红外幕帘打出的红外光膜联合触控，对转化的坐标信息进行定位，在软件系统的支持下，完成集光、电、计算机技术于一体的交互式投影系统，让使用者可以直接在幕墙上操作自己的文档，在幕墙上进行书写、删除等一系列操作，使授课者能够基本脱离鼠标和键盘的束缚，该系统可用于教育和其他商业用途。

[关    键   词]  交互式投影;人机交互;Winform;C++

[中图分类号]  G642           [文献标志码]  A            [文章编号]  2096-0603（2019）27-0086-02

在当今时代，计算机相关技术日渐完善，然而，在多媒体课堂教学中，鼠标和键盘却把讲授者限制在电脑前，没有了随意在黑板上书写的自由。如果多媒体课堂能与如今盛行的网络视频技术相结合，形成一个有影像显示、声响播放和数据传输保存等技术的网络视频会议系统，将会获得更大的应用空间。市场上现有的交互式投影系统大多技术复杂度高、成本昂贵、运用领域狭隘，鉴于此，提出了一种全新的设计，采纳低成本的深度红外相机作为图像采集器件，依托特制红外幕帘打出的红外光膜联合触控，对转化的坐标信息进行定位，在软件系统的支持下，完成集光、电、计算机技术于一体的交互式投影系统。交互式投影系统以传统的讲课教学模式、新奇的触控技术取代黑板，授课者能够基本脱离鼠标和键盘的束缚，零距离用手或特制的笔作为工具在白板或墙上完成写字、绘图、人机交互等多项功用。

一、概要设计

（一）角色模块设计

Windows平台下的交互式投影系统包括用户模块、管理员模块。

用户可以操作文档，使用教学工具。在电脑打开后，交互式投影系统软件自启动，可以直接在幕墙上用手或红外光笔进行文档操作等使用，同时用户可以使用本软件提供的笔触选择、颜色切换、保存板书、高拍仪等任何功能。用户模块流程图如图1所示。

  管理员可以操作文档、使用教学工具、软件标定修正。在正常状态下管理人员可以使用用户的任何功能，他们主要负责软件的正常运行、系统操作灵敏度修正和硬件维护，发现系统出现灵敏度有偏差时及时通过标定端软件进行系统灵敏度修正。

（二）功能模块设计

交互式投影系统包含三个模块：数据采集模块、系统算法处理模块、客户端显示模块。通过复杂的图像处理、算法分析，准确实现用户操作功能。

1.数据采集模块

由系统硬件深度红外相机完成。深度红外相机能够识别幕帘射出的红外光膜，同时不断抓拍图片提供给系统算法处理。

2.算法处理模块

使用本系统前需要进行标定才能获得交互体验。深度红外相机在标定中会获得需要的背景图和用户标定四角提供的点坐标，系统算法根据这些图和点坐标做相应的图片处理，生成系统需要的mask图和相应的映射关系，过滤掉投影区域以外的区域，使系统只识别投影区域以内的点。然后，在系统使用中根据保存的背景图、mask图和相应的映射关系，将用户在投影区域所出现的点经过系统算法处理，生成相应桌面端的点坐标，最后桌面端软件就会根据这些点实现其他功能了。

3.客户端显示模块

此模块由显示器和投影仪完成。投影仪会将系统处理的图像结果像显示器一样一一显示出来。

二、详细设计

（一）交互操作模塊

系统交互操作模块实现是系统正常使用的基础，只有通过交互模块，系统才能反应用户在投影区域所进行的操作。

1.鼠标操作功能会根据用户在投影区域的斑点状态来实现相应的鼠标事件。如果用户单击，系统就执行鼠标单击事件;如果用户双击，系统会根据前后两次算法端提供点的距离和时间判断执行鼠标双击事件;如果用户单击时间过长，系统会执行右击操作等。

2.笔触操作功能实现了用户可以使用不同笔形来进行绘制、书写和板书等。软件提供的笔触类型有普通笔、毛笔等。普通笔是不经过任何处理直接绘制上去的，效果如图2所示。

毛笔实现复杂一些，主要根据用户绘制的速度进行笔宽的相应变化，同时使用贝塞尔曲线等方法进行笔锋处理，毛笔笔画宽度计算步骤如图3所示。

（二）系统UI模块

系统UI模块实现了软件自由拖动、功能展示。软件运行后，用户可完成自由拖动、隐藏收缩等一系列操作，同时在使用过程中提供各个功能展示，让用户方便快捷地使用本系统。

（三）客户端功能模块

用户打开系统之后能够直接在幕墙上进行鼠标功能操作，进行绘制、板书、保存板书、高拍仪显示、PPT放映功能操作、计时器、放大镜等功能。

1.白板绘制功能，用户可在白板上进行绘制、板书等。

2.板书保存功能，用户可对绘制或板书内容进行自主选择保存。

3.高拍仪功能，用户可以通过高拍仪功能将书本上的内容投映到幕墙上供学生观看。

4.PPT放映操作功能，在PPT全屏下可以对PPT进行第一页、下一页、上一页、最后一页操作。

5.聚光灯功能，用户使用聚光灯功能来辅助教学等功能。

6.计时器功能，用户可以使用定时器进行计时等。

（四）标定端功能模块

在系统安装或后期出现灵敏度不准时，可以通过标定端软件来进行标定和修正软件，如图4所示。

三、结语

借助交互式投影系统，教师不必局限于在电脑前，可以再次享受黑板教学。虽然交互式投影系统已经开发完成并投入生成使用，但是还是存在一些问题，系统的稳定性还有待提高，需要进一步完善。交互式投影系统一旦被大面积投入使用，会解决很多教育上的问题，带来更多商业的价值。

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编辑 张 慧