能在投影屏上留下線條的激光筆系統(tǒng)設(shè)計(jì),數(shù)字圖像處理論文

能在投影屏上留下線條的激光筆系統(tǒng)設(shè)計(jì),數(shù)字圖像處理論文隨著人類進(jìn)入信息化社會(huì)，教學(xué)環(huán)境的規(guī)模在不斷擴(kuò)大。多媒體技術(shù)廣泛應(yīng)用于老師的授課。在使用多媒體技術(shù)進(jìn)行授課的經(jīng)過中，激光筆作為輔助設(shè)備幾乎是每個(gè)老師所必備的。當(dāng)前市場普通的激光筆只能實(shí)現(xiàn)翻頁和激光顯示的簡單功能，通常老師都會(huì)使用它來投映一個(gè)光點(diǎn)到屏幕上指示信息。但是在老師使用激光筆時(shí)，若想強(qiáng)調(diào)某一處文字，這種普通的激光筆的局限性顯露無遺。普通的激光筆只能起指示作用，卻不能在投影屏幕上留下強(qiáng)調(diào)的痕跡，即不能在投影屏上留下線條。而基于圖像處理的劃線激光筆能夠解決這種問題。劃線激光筆的實(shí)現(xiàn)原理是：首先使用攝像頭拍攝投影屏幕，獲取整個(gè)投影屏幕的圖像，辨別分析出每一幀圖像中光點(diǎn)的位置坐標(biāo)，再用軟件編程用直線連接前后兩幀光點(diǎn)，實(shí)如今投影屏幕上劃線的功能。在激光光點(diǎn)檢測的經(jīng)過中用到了圖像灰度變換、閾值分割、開運(yùn)算等圖像預(yù)處理方式方法以及質(zhì)心法求解光點(diǎn)坐標(biāo)。在軟件部分采用WindowsAPI函數(shù)產(chǎn)生具有鼠標(biāo)穿透效果的透明窗體在劃線的同時(shí)仍能夠進(jìn)行其他鼠標(biāo)鍵盤操作。本系統(tǒng)在攝像頭前參加綠色濾光片，加強(qiáng)對(duì)激光光點(diǎn)辨別的準(zhǔn)確率，濾除雜散光，提升了系統(tǒng)的信噪比和準(zhǔn)確度。1、系統(tǒng)原理基于圖像處理的劃線激光筆為授課老師提供一種輔助措施，他們?cè)谑褂枚嗝襟w授課時(shí)，可在投影屏上進(jìn)行軌跡繪制，解除傳統(tǒng)激光筆對(duì)老師的限制，使教學(xué)愈加生動(dòng)活潑。劃線激光筆的設(shè)計(jì)遵循實(shí)用、便利的原則，使學(xué)生和老師都感到自然親切，使投影屏幕具有像黑板一樣能夠?qū)懽值墓δ?。基于圖像處理的劃線激光筆由攝像采集模塊與投影屏幕顯示模塊組成。其系統(tǒng)構(gòu)造如此圖1所示。老師通過劃線激光筆，在投影屏幕上留下激光光點(diǎn)，由綠色濾波片和攝像頭獲取投影屏幕的圖像，圖像傳輸給授課電腦，電腦通過激光光點(diǎn)辨別算法獲取圖像每一幀中的光點(diǎn)位置，把光點(diǎn)位置變換為光點(diǎn)在投影屏幕的實(shí)際位置，進(jìn)行軌跡繪制。結(jié)果通過投影儀在投影屏幕上顯示出來。圖2給出了劃線激光筆的系統(tǒng)流程圖。2、攝像頭的選擇及標(biāo)定〔1〕攝像頭的選擇系統(tǒng)采用USB2.0攝像頭作為視頻采集裝置。采用標(biāo)準(zhǔn)CS接口的鏡頭，并能夠在鏡頭和攝像頭連接處加裝濾光片。〔2〕攝像頭標(biāo)定由于攝像頭采集的圖像存在畸變，需要對(duì)采集到的圖像進(jìn)行畸變校正；使用時(shí)需要辨別出光點(diǎn)位置在投影圖像中的相對(duì)坐標(biāo)，因而需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定。在攝像頭標(biāo)定的經(jīng)過中應(yīng)考慮到攝像頭的徑向畸變，這里所討論的劃線激光筆對(duì)于精度的要求不是非常高，受攝像頭徑向畸變所帶來的誤差在實(shí)際應(yīng)用中影響很小。主要考慮由于攝像頭光軸無法垂直于投影屏外表引起的透視畸變。本系統(tǒng)采用校正的模型為：a〔x，y〕=c1x+c2y+c3xy+c4b〔x，y〕=c5x+c6y+c7xy+c8〔1〕華而不實(shí)〔x，y〕為校正前圖像坐標(biāo)，〔a，b〕為校正后圖像坐標(biāo)。共需要用4對(duì)總共8個(gè)互相對(duì)應(yīng)的點(diǎn)來求取參數(shù)。拍攝圖像，利用圖像的4個(gè)角點(diǎn)作為校正參數(shù)點(diǎn)。獲取圖像中校正前的校正點(diǎn)圖像坐標(biāo)，設(shè)定其校正后的坐標(biāo)，建立方程組可求出式〔1〕中的參數(shù)c1~c8。則每次在圖像面獲得的坐標(biāo)〔x,y〕對(duì)應(yīng)投影屏幕中所處的實(shí)際坐標(biāo)為〔X，Y〕華而不實(shí)：X=C1x+C2y+C3xy+C4Y=C5x+C6y+C7xy+C8為了獲取圖像平面上4個(gè)角點(diǎn)的坐標(biāo)，使投影屏幕顯示一幅白色背景圖像。攝像頭采集到的圖像經(jīng)灰度化二值化后獲得邊緣點(diǎn)，并通過邊緣點(diǎn)擬合直線，求出角點(diǎn)坐標(biāo)。3、圖像預(yù)處理圖像經(jīng)過攝像頭采集后，為了能更好地檢測出光點(diǎn)的位置，在提取坐標(biāo)之前需要對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理。圖像預(yù)處理主要包含：圖像灰度化、閾值分割、二值圖形態(tài)學(xué)運(yùn)算。〔1〕圖像分割攝像頭采集到的圖像經(jīng)過灰度變換后灰度圖中仍含有與光點(diǎn)無關(guān)的信息，為了能準(zhǔn)確提取光點(diǎn)位置信息，必須去除其他無關(guān)的信息。對(duì)灰度圖像進(jìn)行閾值分割轉(zhuǎn)化為二值圖像，去除無關(guān)信息。設(shè)一幅圖像f〔x,y〕，其灰度范圍為[t1，t2]，假如給定一個(gè)閾值Tf〔x，y〕為灰度圖中〔x，y〕點(diǎn)像素的灰度值；T為規(guī)定的閾值；g〔x，y〕為閾值二值化后該點(diǎn)像素值，只能取0或255。本系統(tǒng)采用自定義閾值分割法。自定義閾值分割法通常用在被提取物體與背景灰度值區(qū)別較大的情況。激光筆通常在教室里使用，教室環(huán)境簡單光照均勻，光點(diǎn)與背景亮度存在很大的差異故使用自定義閾值分割會(huì)到達(dá)較好效果。如此圖5光點(diǎn)灰度直方圖所示。通過觀察發(fā)現(xiàn)光點(diǎn)的灰度值主要集中在歸一化灰度值的0.7以上。故選取0.7作為閾值進(jìn)行閾值分割?！?〕圖像的形態(tài)學(xué)處理圖像經(jīng)過閾值分割變?yōu)槎祱D以后，二值圖中仍存在少量空洞和噪點(diǎn)，這會(huì)干擾對(duì)光點(diǎn)坐標(biāo)的提取，這時(shí)需要對(duì)圖像進(jìn)行形態(tài)學(xué)處理，使二值圖中最后只保存光點(diǎn)圖像。常見的形態(tài)學(xué)運(yùn)算有腐蝕、膨脹、開運(yùn)算、閉運(yùn)算。腐蝕具有收縮圖像和消除圖像中比構(gòu)造元圖像小的成分的作用。能夠使互相粘連的物體分開，能夠消除圖像中的小顆粒噪聲。膨脹具有擴(kuò)大圖像或填充比構(gòu)造元圖像小的成分的作用。連接圖像中相鄰的物體或目的區(qū)域，能夠填充小孔或者狹縫。開運(yùn)算使用同一個(gè)構(gòu)造元圖像對(duì)目的圖像先進(jìn)行腐蝕運(yùn)算，再進(jìn)行膨脹運(yùn)算。開運(yùn)算能夠去除較小的亮堂細(xì)節(jié)，保持整體的灰度級(jí)和較大的亮堂區(qū)域不變。閉運(yùn)算與開運(yùn)算相反，先進(jìn)行膨脹運(yùn)算，再進(jìn)行腐蝕運(yùn)算。閉運(yùn)算能夠去除圖像中暗細(xì)節(jié)部分，相對(duì)地保持亮堂部分不受影響。經(jīng)過灰度閾值分割后的圖像如此圖6所示，能夠明顯地看到圖中除含有激光光點(diǎn)外，還含有不少小的顆粒噪聲。通過開運(yùn)算的方式方法先腐蝕掉圖像中較小的顆粒點(diǎn)而不毀壞光點(diǎn)的完好性，再通過膨脹使光點(diǎn)面積增大便于后續(xù)對(duì)其坐標(biāo)進(jìn)行提取。經(jīng)過開運(yùn)算后的圖像如此圖7所示。與圖6相比只保存了光點(diǎn)的圖像，其他噪聲部分被開運(yùn)算剔除，并且光點(diǎn)的完好性沒有遭到毀壞?！?〕質(zhì)心法提取光點(diǎn)坐標(biāo)光點(diǎn)每一幀圖像經(jīng)過預(yù)處理之后變?yōu)橹缓泄恻c(diǎn)信息的二值圖像，需要從中提取出激光光點(diǎn)的坐標(biāo)，采用質(zhì)心法，提取光點(diǎn)幾何形狀的質(zhì)心作為光點(diǎn)的坐標(biāo)。質(zhì)量中心簡稱質(zhì)心，指物質(zhì)系統(tǒng)上被以為質(zhì)量集中于此的一個(gè)假想點(diǎn)。與重心不同的是，質(zhì)心不一定要在有重力場的系統(tǒng)中。值得注意的是，除非重力場是均勻的，否則同一物質(zhì)系統(tǒng)的質(zhì)心與重心通常不在同一假想點(diǎn)上。在一個(gè)N維空間中的質(zhì)量中心，坐標(biāo)系計(jì)算公式為：mi表示物質(zhì)系統(tǒng)中，某i質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量。xi表示物質(zhì)系統(tǒng)中，某i質(zhì)點(diǎn)的坐標(biāo)。對(duì)離散化的數(shù)字圖像：4、VB與MatLab混合編程劃線激光筆的軟件部分由兩部分組成，即圖像處理部分和劃線部分。圖像處理部分采用MatLab進(jìn)行編程。MatLab具有強(qiáng)大的圖像處理功能，方便快速實(shí)現(xiàn)各類圖像處理算法。劃線部分采用VB語言進(jìn)行編程。VB作為一門簡單易用的編程語言詣在迅速開發(fā)出應(yīng)用程序。最后通過VB與MatLab混合編程的方式方法將兩者結(jié)合在一起?！?〕MatLab編程基于圖像處理的劃線激光筆圖像處理部分通過MatLab編程實(shí)現(xiàn)，主要包含兩個(gè)步驟。①視頻對(duì)象的開創(chuàng)建立對(duì)攝像頭編程需要知道攝像頭的各項(xiàng)參數(shù)，因而MatLab的工具箱提供了imaqhwinfo〔〕函數(shù)，來獲取PC上以安裝的圖像獲取硬件信息。使用函數(shù)obj=videoinput〔adaptorname，deviceID，format〕開創(chuàng)建立視頻輸入對(duì)象。②圖像的獲取及坐標(biāo)計(jì)算getsnapshot〔obj〕用于截取圖像。se=strel〔shape,parameters〕進(jìn)行構(gòu)造元素的生成。imopen〔image,se〕進(jìn)行開運(yùn)算。③質(zhì)心法根據(jù)視頻格式的高和寬產(chǎn)生以高為行，寬為列的兩個(gè)大小一樣的矩陣。用生成的兩個(gè)矩陣分別與原圖像作積，把作積后的圖像求矩陣和再與原圖像的矩陣和作商計(jì)算出坐標(biāo)值〔x，y〕為質(zhì)心坐標(biāo)，即光點(diǎn)坐標(biāo)?！?〕VB編程VB軟件編程主要包含兩部分，即Windows窗體繪制軌跡與VB、MatLab混合編程部分。通過三個(gè)調(diào)用WindowsAPI函數(shù)GetWindowLong、SetWindowLong與SetLayeredWindowAttributes，實(shí)現(xiàn)窗體的透明特性。GetWindowLong〔HWNDhWnd,intnlndex〕函數(shù)用于獲得有關(guān)指定窗口的信息。SetWindowLong〔HWNDhWnd，intnlndex，LONGdwNewLong〕函數(shù)用來改變指定窗口的屬性。SetLayeredWindowAttributes〔HWNDhwnd,COLORREFcrKey,BYTEbAlpha,DWORDdwFlags〕函數(shù)為透明窗體函數(shù)。bAlpha是不透明度。dwFlags是透明方式，能夠取兩個(gè)值：當(dāng)取值為LWA_ALPHA時(shí)，crKey參數(shù)無效，bAlpha參數(shù)有效；當(dāng)取值為LWA_COLORKEY時(shí)，窗體中的所有顏色為crKey的地方將變?yōu)橥该?，bAlpha參數(shù)無效。當(dāng)取兩個(gè)值的組合：LWA_ALPHAOrLWA_COLORKEY時(shí)，crKey的地方將變?yōu)槿该?，而其他地方根?jù)bAlpha參數(shù)確定透明度。透明窗體的產(chǎn)生及劃線的實(shí)現(xiàn)方式方法：①首先通過GetWindowLong函數(shù)獲得窗口初始化的擴(kuò)展窗口風(fēng)格。②把WS_EX_LAYERED透明擴(kuò)展窗口風(fēng)格賦值給變量。③通過SetWindowLong函數(shù)設(shè)定窗口的風(fēng)格設(shè)置成透明擴(kuò)展窗口風(fēng)格。④獲取之前設(shè)定的透明窗體的句柄，利用SetLayeredWindowAttributes函數(shù)。將第二個(gè)參數(shù)掩碼顏色選擇為當(dāng)下窗體的背景色。當(dāng)?shù)谒膫€(gè)參數(shù)值為LWA_COLORKEY時(shí)，窗體中的所有顏色為背景色的地方將變?yōu)橥该饕簿褪潜尘白兺该?，此時(shí)第三個(gè)參數(shù)無效。⑤最后通過Move函數(shù)使窗體全屏顯示起到一個(gè)畫板的功能，同時(shí)鼠標(biāo)能夠穿透窗體執(zhí)行操作。⑥將每次求出的光點(diǎn)坐標(biāo)傳遞給Line函數(shù)。Line函數(shù)的功能為用直線連接兩個(gè)指定坐標(biāo)的點(diǎn)。每畫完一條直線將本條直線終點(diǎn)坐標(biāo)賦值給起點(diǎn)坐標(biāo)，將終點(diǎn)坐標(biāo)作為下一條直線的起點(diǎn)坐標(biāo)，依次連接每個(gè)點(diǎn)復(fù)原光點(diǎn)所走過的軌跡。軟件界面包含劃線、清屏、停止劃線、調(diào)節(jié)顏色、調(diào)節(jié)線條粗細(xì)等功能。每項(xiàng)功能通過用戶觸發(fā)相應(yīng)的事件，跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的代碼段執(zhí)行操作。在界面窗體裝載時(shí)執(zhí)行SetWindowPosWindowsAPI函數(shù)。該函數(shù)為窗體置頂函數(shù)，通過調(diào)用該函數(shù)能夠使軟件界面窗體保持在所有窗體之上，不會(huì)由于鼠標(biāo)鍵盤事件而被其他窗體覆蓋，愈加人性化，使用戶操作愈加方便。圖9顯示了軟件的界面?！?〕VB與MatLab混合編程使用MatLab的combuilder工具進(jìn)行混合編程。com是componentobjectmodule的簡稱，它是一種通用的對(duì)象接口，任何語言只要根據(jù)這種接口標(biāo)準(zhǔn)，就能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)用，該方式方法實(shí)現(xiàn)簡單，通用性強(qiáng)，而且?guī)缀跄軌蚴褂肕atLab的任何函數(shù)。這也是Mathworks公司推薦的使用方式方法。MatLab工具箱中提供了deploytool工具。該工具通過C++編譯器將多個(gè)M文件以類的形式進(jìn)行編譯封裝。每個(gè)M文件以函數(shù)的形式封裝成類方式方法。打包成com組件的形式，即生成dll〔DynamicLinkLibrary〕動(dòng)態(tài)鏈接庫，供VB調(diào)用?；旌暇幊虒?shí)現(xiàn)的實(shí)現(xiàn)方式方法：將上述視頻對(duì)象的開創(chuàng)建立、圖像的獲取及坐標(biāo)計(jì)算封裝成類的形式。在VB中聲明類并實(shí)例化類的對(duì)象。在軟件啟動(dòng)后調(diào)用實(shí)例化對(duì)象中的視頻對(duì)象開創(chuàng)建立方式方法開創(chuàng)建立視頻窗口。在VB中開創(chuàng)建立定時(shí)器Timer控件，設(shè)置定時(shí)器計(jì)時(shí)時(shí)間，當(dāng)定時(shí)器計(jì)時(shí)溢出時(shí)調(diào)用對(duì)象中的圖像的獲取及坐標(biāo)計(jì)算方式方法計(jì)算出坐標(biāo)傳遞給Line函數(shù)劃線。5、結(jié)束語系統(tǒng)經(jīng)過測試，激光筆的響應(yīng)速度很快，實(shí)時(shí)性好，能完美處理30幀圖像，繪制出的軌跡線條自然、柔和。劃線激光筆作為輔助教學(xué)工具能夠豐富教學(xué)手段，使老師授課愈加生動(dòng)，保證了老師授課的連續(xù)性。通過使用USB攝像頭和綠色濾光片，降低了系統(tǒng)成本，提升了系統(tǒng)辨別率。該系傳統(tǒng)對(duì)于顯示設(shè)備沒有特殊要求，只需設(shè)備能顯示光點(diǎn)的軌跡即可，不會(huì)對(duì)顯示設(shè)備產(chǎn)生其他影響。使用USB攝像頭使該系統(tǒng)具備了即插即用