電磁式白板定位方法的研究

宋廣杰，何小剛

(太原理工大學信息工程學院，山西 太原 030024)

電子白板(Interactive Whiteboard，IWB)，也叫交互式電子白板，主要由電子感應白板、計算機、電子筆、投影機以及白板軟件操作系統等構成，不僅融合了微電子技術、計算機技術與電子通信技術，而且還有計算機的輸入輸出功能，是一種可以進行人機交互的智能平臺[1－2]。

交互式電子白板的交互過程由4個重要的技術實現:無線定位技術，坐標轉換技術，將電子白板上的操作即電子筆的坐標傳送給PC并在PC機相應的位置執行對應的操作，以及PC機上的操作通過投影機在白板上的投影[3]。

衡量電子白板的基本參數有計算機接口、穩定度、靈敏度、精確度、分辨力、輸出方式等。交互式電子白板根據其實現技術不同可分為壓感型、電磁感應型、超聲波型、光電耦合型和紅外型。其中基于電磁感應的電子白板在現在生產中占絕大部分，而且廠家對電磁技術的應用也日趨完美，占有較大的競爭優勢。本文主要研究電磁式電子白板的定位技術。

電磁感應式電子白板在水平方向和垂直方向上排列著接收線圈膜，線圈膜所占空間的大小與電子板的顯示區域是相同的，同時備有一支可以發射電磁波的白板筆[3]。定位技術是電子白板設計中的一個重點和難點，電磁式白板的定位原理是:白板電磁筆以某種方式發射電磁波，當電磁筆靠近接收線圈時，線圈會感應到電磁筆發出的電磁波。根據電磁感應定律，可知在水平和垂直方向的線圈上會產生電動勢，然后根據水平方向和垂直方向的電動勢的大小，經過一定的計算便可以獲得白板筆所在的X，Y坐標位置[4]。

以往的定位算法中，由于算法不夠精確定位等其他原因，在白板的使用中會出現直線畫不直、不連續或幅度產生較大的跳變等情況，嚴重影響了白板的性能，使用效果很不理想。為了解決這一難題，本文提出了一種新的較為準確的定位方法。

1 電子白板的總體框架

電磁式電子白板的硬件系統由電子白板、電子感應筆、投影機和計算機組成。軟件系統由驅動軟件和應用軟件組成，電子白板與計算機之間采用USB轉串口線連接實現交互操作，并用投影機將計算機屏幕上的內容投影至電子白板，電子感應筆在電子白板上的操作就好像鼠標在計算機上的操作，電子筆就相當于鼠標。當電子感應筆在電子白板上進行左擊、雙擊、或移動等操作時，通過定位技術產生的物理坐標經USB轉串口線傳給計算機，經過處理后計算機就能執行相應的操作[5]，整個系統框圖如圖1所示。

圖1 白板系統框圖

電子筆在白板上面進行劃線、單擊或雙擊等操作，通過USB轉串口線將電子筆的操作反映到計算機上面，計算機則執行相應動作，然后計算機與投影機相連接，投影機則把計算機上的內容投影到白板上，至此，就完成了白板與計算機的交互操作。

2 電子白板定位算法

2.1 算法整體思路

所研究的白板內部是由相互平行的20根X軸銅線和20根相互平行的Y軸銅線組成的，并且X軸銅線和Y軸銅線相互垂直，就好像一張大的電子表格，由這40根銅線組成128×128個方格。其中每個小方格都對應相應的坐標位置(這是事先設置好的坐標信息)。首先要確定電磁筆的大體位置對應的坐標信息(即確定電磁筆所對應的唯一的小方格坐標)，然后再通過對小方格的細分得到精確的坐標信息。

2.2 算法具體步驟

2.2.1 小方格坐標確認

通過電壓掃描比較法得到小方格坐標。

首先通過硬件片選信號對40根銅線依次進行掃描，采集它們的電壓值，并對采集的電壓值進行模數轉換，保存轉換后的40個數值，其中X和Y各20個數據，然后進行數據比較，其中X軸的20個數據相互比較，Y軸的20個數據進行相互比較，根據軟件編寫的程序，可以得到X和Y軸各自的最大值和次大值，并保存最大值和次大值的線圈號。根據X軸最大和次大值的線圈號的組合，可以知道筆所在的X方向上的位置，同理可得在Y軸上的位置，這樣，在X軸和Y軸的相交部分可以得到一個唯一的小方格。到此，就可以得到電子筆的大體坐標位置(記為X1和Y1，即大方格的坐標)，但是仍不夠精確，否則在應用中會出現大幅度跳變、不連貫的情況，因此還需要進一步細分，提高分辨力。

2.2.2 精確定位

此步為小方格的細分，即確定坐標X2，Y2，以X軸為例，Y軸同理。上一步已經得到了電磁筆的大體坐標位置(在1線圈和3線圈的交集部分，如圖2所示)，然后需要得到它的精確位置即實現位置的細分化，也就是要得到電子筆是在1線圈和3線圈交集部分的精確位置信息，即筆尖所在的位置。

首先通過片選，選擇1線圈和3線圈，分別對它們進行多次掃描取電壓，對所得電壓值進行模數轉換，然后對這些模數轉換數據取平均，可以得到1線圈平均數據記為XL，3線圈平均數據記為XR。

圖2 線圈繞法

在最初的研究中，利用下面簡單的方法進行定位，得到X2和Y2的坐標，計算公式如

在應用中，實際的效果不太理想，經常會出現斷線和跳變現象，為此，又進行了改進，對大方格逐步進行細分，通過大量研究和實驗，得到較為精確的坐標定位公式

式中:M是十六進制常量，是在進行了大量測試后得到的較為理想的一個定量。

2.2.3 確定最終坐標位置

將得到的X1，Y1和X2，Y2結合起來就得到了電子筆在白板上的坐標位置，再通過上位機軟件，應用相應的映射函數，把白板上的坐標信息映射到計算機上[6]，就可以實現白板與計算機的交互操作。

3 實驗結果與分析

在實驗過程中發現，最初的定位算法效果不佳，例如當電子筆指向某一個圖標時鼠標卻偏離目標，有時會有較大的誤差。而改進后的算法得到的效果較好。

下面以在實驗過程中的兩個實例，來說明本文算法的有效性。實現結果如圖3和圖4所示。

圖3 實驗結果對比1

在原來沒有精確定位算法時，由于定位的不準確，電子筆尖和鼠標箭頭之間存在誤差，即電子白板的準確性不高，所以造成字的筆畫并不在想要的位置，例如圖3a中的“位”，效果不是很好。

圖4 實驗結果對比2

在普通的定位算法中，還會經常出現不連續的現象，即白板的靈敏度不高，例如圖4a中“white”中“t”就出現了不連續的情況。在本文的算法中，書寫很流暢，很少出現不連續的現象。

電子筆的精確定位方法有很多，通過大量的實驗和改進，從設計的電子白板的具體效果圖可知，本文介紹的這種定位方法是切實可用的，而且精度十分準確，分辨力也較高，在操作中不會發生跳變，使用比較穩定。

4 小結

本文在研究電磁式電子白板工作原理以及其實際生產的基礎上，提出了一種新的定位算法，并將該算法進行了實驗，取得了良好的效果。這種算法可以應用于電子白板的實際生產制造中，將很大程度地提高電子白板的性能。

此外，交互電子白板系統設備簡單、配置靈活、資金投入相對較少，而且具有良好的網絡通信功能，可與校園網互連，教與學可以充分互動。交互式電子白板將教師在講臺上授課的特點與優點發揮得淋漓盡致，可以說是現代多媒體信息技術在課堂教學應用的又一次飛躍，是教學模式的一場革命性突破。相信在不遠的將來，隨著對電子白板技術不斷深入的研究，交互式電子白板將為人們帶來更多的驚喜，課堂教學的數字化進程也將進入更新的時代。

[1]鄭世寶.視聽多媒體技術的新進展[J].電視技術，2011，35(24):10.

[2]付鵬飛，張鋒偉，孟曉靜.交互式電子白板系統的分析與設計[J].中國現代教育裝備，2008(10):44－46.

[3]張際平，金踰山.交互式電子白板的原理與應用[M].上海:華東師范大學出版社，2010.

[4]雷志華.多媒體教學設備與系統[M].武漢:華中科技大學出版社，2010.

[5]李志剛，徐培玲.電磁式電子白板定位算法的設計和實現[J].科技致富向導，2011(35):358.

[6]黃小輝，張興超，劉獻忠.交互式電子白板的坐標轉換算法[J].計算機工程，2010:36(20):259－261.