虛擬觸摸屏系統的實現方案

　　1 引言

　　目前，普通觸摸屏主要有紅外線式、電阻式、表面聲波式、電容式等類型，然而這些類型的大屏幕尤其是超大屏幕觸摸屏產品，均存在價格昂貴、通用性差、穩定性差、準確性差的問題?，F在實現了一種基于攝像頭的虛擬觸摸屏系統，改變了傳統的觸摸屏的實現技術，它由多個攝像頭拍攝手指在虛擬觸摸屏上的移動和點擊操作，從拍攝的圖像中將人手區域分割出來，進而提取手指的邊緣輪廓，將手指輪廓的B 樣條曲線的第4 個控制點定義為手指位置，由二維坐標射影變換公式轉換進而獲得手指在顯示屏幕上的位置坐標。這一技術方案本質是用多個攝像頭將手指及觸摸屏的三維圖像轉換成多個二維圖像，進而從這些二維圖像中識別出手指及手指的移動、點擊等動作。因為拍攝的圖像必須包含顯示屏幕，所以攝像頭必須放置在顯示屏幕的前方，對于大屏幕觸摸屏必然存在人體遮擋無法識別手指的問題。該文設計的虛擬觸摸屏系統由一維圖像采集裝置采集手指在虛擬觸摸屏上的一維數據，由多個一維數據識別手指在二維虛擬觸摸屏上的位置坐標，從而完成人機交互。

　　2 系統概述

　　虛擬觸摸屏系統由至少兩個一維圖像采集裝置、顯示屏和數據處理裝置組成。一維圖像采集裝置設置在虛擬觸摸屏的四周，每個一維圖像采集裝置獲取的一維圖像所在面與虛擬觸摸屏處于同一平面;虛擬觸摸屏與顯示屏幕的形狀和尺寸完全相同，虛擬觸摸屏與顯示屏幕處在同一平面內，或虛擬觸摸屏處于顯示屏幕的正前方且平行于顯示屏幕;多個一維圖像采集裝置將手指在虛擬觸摸屏上的位置和點擊動作轉換成多個一維圖像中的點及點的有無，數據處理裝置根據一維圖像中點的信息識別手指在虛擬觸摸屏中的兩維直角坐標，并執行相應的操作，完成人機交互功能。它結構簡單，實現方便，造價低廉，解決了使用圖像技術實現的普通觸摸屏存在的人體遮擋手指的問題，特別適用于大屏幕觸摸系統。一維圖像采集裝置采用一維線性傳感器，配合設置鏡頭、信號轉換和接口電路實現;或采用兩維圖像采集裝置攝像頭，以攝像頭采集到的兩維圖像中的一行或一列的圖像數據作為所需的一維圖像數據。

　　系統結構如圖1所示。

　　與已有技術相比，該設計的優點體現在：

　　(1)圖像采集裝置設置在虛擬觸摸屏的四周，其拍攝方向與虛擬觸摸屏平行，從根本上解決了人體遮擋引起手指無法識別的問題，尤其是因其避免了人體遮擋的問題，因而可以擴展到投影屏幕、普通墻面等任何大屏幕，通用性好。

　　(2)只需進行一維圖像數據的處理，相比于二維圖像的數據處理，其過程大為簡化、算法簡單。

　　(3)采用一維線性傳感器，配合設置鏡頭、信號轉換和接口電路，其配置簡單，價格便宜。

　　(4)也可以采用兩維圖像采集裝置攝像頭，以兩維圖像中的一行或一列的圖像數據作為所需的一維圖像數據，易于實施。

　　(5)一般情況下只要使用兩個圖像采集裝置。使用兩個以上圖像采集裝置可以減小圖像采集裝置與顯示屏之間的距離，對于較大屏幕來說，可以使整個系統更加緊湊。

　　3 實現原理

　　由于攝像頭價格便宜，易于獲得，于是將系統結構圖中的一維圖像采集裝置由攝像頭來替代，由其拍攝的二維圖像中的一維圖像數據來識別二維顯示屏幕上的位置坐標。由于攝像頭鏡片與虛擬觸摸屏垂直，當用戶進行手指觸摸操作時，手指的運動平面與虛擬觸摸屏平行，因此手指在虛擬觸摸屏上的運動軌跡一直顯示在攝像頭所拍攝圖像的某條確定直線上。手指在二維顯示屏幕平面上的運動，轉換為手指點在攝像頭拍攝的兩幅圖像的某條確定直線上的移動。左右攝像頭拍攝的兩幅圖像中直線上的點和二維顯示屏平面中的某點存在一一對應的關系。如圖3所示，問題即轉換為根據兩幅圖像中手指移動直線上的點的位置來唯一確定用戶手指觸摸的二維平面上的點坐標。其實質為由兩個一維坐標點和一些初始角度值來唯一確定二維平面內的一點坐標。

　　下面以左邊攝像頭為例說明轉換過程，右邊攝像頭類似。

　　假設虛擬觸摸屏是如圖4所示的矩形區域，以左下角為原點，建立二維坐標平面x、y。左邊攝像頭c1位于虛擬觸摸屏左上角某處，其視角范圍應包含整個矩陣區域，將c1與矩形的4個頂點連接構成攝像頭拍攝各點的光線方向，以經過左下角和右上角頂點的光線方向為腰，c1為頂點作一個等腰三角形，底為虛線所示的(u1，u2)。當手指在矩形區域內任意一點觸摸時，其在攝像頭所拍攝的圖像中均表現為虛線上的一點，手指在二維虛擬觸摸屏上的移動投影到圖像上不會超過這條虛線(u1，u2)范圍，這是算法關注的興趣區域，區域以外的部分不需要處理。因此以u1為原點沿著虛線方向建立一維坐標x1，右邊攝像頭拍攝圖像中的一維坐標x2類似設立。