基于機器視覺虛擬激光鍵盤的設計

李淑玉 呂爭

摘 要： 結合先進的激光技術和圖像處理技術，利用三邊檢測原理判斷手動按鍵，開發出一套基于機器視覺的虛擬機關鍵盤，相較于其他模型，該鍵盤具有靈敏度高、成像效果好、識別精確等優點。同時，虛擬鍵盤具有概念新穎、成本低廉、噪聲低、嚴格防水等優點，適合在高強度作業和水汽較重的工控環境下使用。

關鍵詞： 計算機視覺方式； 圖像識別； 視覺處理算法； 三角測距原理； LLP技術

中圖分類號： TP 39 文獻標志碼： A 文章編號： 1671-2153（2015）06-0079-04

1 問題的提出

隨著信息化技術的發展，輕便、舒適、靈活已經成為鍵盤設計的最優目標，而傳統的鍵盤功能單一且攜帶麻煩。在這樣的背景下，本文擬設計了一種高性能的便攜式虛擬激光鍵盤[1]。它將運用移動電源、功放、超聲波技術實現額外功能，同時具有無菌無噪聲等功能。本研究將放棄傳統的供電方式，采用當前先進的移動電源技術供電，增強了鍵盤的可移動性和續航能力。設計的便攜式虛擬激光鍵盤將為人們外出旅游、辦公和從事無菌無噪聲科研等帶來了極大的方便。另外，由于在國內該技術上處于空缺狀態，所以本項目具有很好的市場前景。

2 系統方案

2.1 系統框圖

本研究基于視覺處理算法，全息投影技術，借用三角測距原理和LLP技術，采用了傳感器技術、無線通信技術、控制技術、數據庫技術、GUI系統UI元素碰撞技術、紅外技術、激光掃描技術、攝像頭處理技術、空間三維坐標處理技術、光學原理、濾波原理及鏡面反射技術，以MATLAB仿真為手段和采用OpenCV數據處理來加速視覺運算代碼的開發[2]，用PC處理來設計的低成本、高性能的虛擬激光鍵盤，如圖1所示。軟件流程如圖2所示。

2.2 激光虛擬鍵盤模型結構

本文設計的激光虛擬鍵盤主要由線性不可見激光發射器、攝像頭采集器、鍵盤投影模組三部分組成，模型架構如圖3所示。

本研究的工作流程，首先鍵盤投影磨具投影出虛擬鍵盤模型，通過紅外不可見光發送定位光束，當用戶敲擊鍵盤瞬間，攝像頭采集圖像參數，并對圖像和目標進行識別[4]。通過識別轉換成坐標，系統識別坐標后調用坐標映射函數并發送按鍵命令[5]，系統具體工作流程如圖4所示。

3 功能與指標

（1） 攝像頭模塊功能。采用USB接口，視角120度以上的CMOS攝像頭，可用于互動投影，多點觸摸。除了鏡頭有要求外，其他無特殊要求。本研究采用150°廣角攝像頭，具有極強的視角。

（2） 投射鍵盤畫面的激光器模塊功能。激光器模塊鍵盤大小要求要120度，650 nm激光組件。在實際使用過程中，激光組建應當使得鍵盤平整，按鍵的大小均勻，以減少系統的誤判。

（3） 一字線激光模塊功能。本研究采用的一字線激光器是紅外波段，波長為808 nm，主要是為了濾掉可見光的干擾[6]。為減低其功率，提高鍵盤的可靠性，激光模塊采用的工作功率為50 W。本文采用直徑12 mm，長度40 mm，線發射角度為120度、60度、35度可選，激光類型為線裝。

（4） 紅外帶通濾光片。采用800～1100 nm高透，與紅外激光器配合測距可避免可見光的干擾，可使可見光400～760 nm截止。濾波片厚度2mm，配合廣角鏡頭合理使用，避免出現曝光和弱光現象，否則會使鍵盤亂踩點或者檢測不到點[7]。

（5） 功放模塊功能。系統集成mp3模塊。面板尺寸為寬80 mm，高40 mm，內深50 mm，中心孔距為60 mm。其中功放為BTL輸出，還有FM功能，但需接一根天線，并切換MODE模式，其中AUX顯示當前工作狀態，FM顯示當前收聽電臺。

（6） 移動電源模塊功能。采用帶有雙USB的5 V升壓板。5 V恒壓電源可作為充電輸入電源，電路板內置鋰電池IC保護，具有過壓、過流、欠壓保護等。還自帶手電功能，連按兩下開關鍵即可啟動，再連按兩下開關鍵即可關閉。移動電源進入工作狀態時，藍色背光源被點亮，15 s后熄滅，按輕觸開關（on/off）一次，藍色背光源再次被點亮15 s，方便查看LCD顯示屏。

4 實施原理及過程

4.1 鍵盤功能的實現

4.1.1 鍵盤輸入事件的識別

虛擬鍵盤是基于三角測距原理，通過投射激光對目標物體進行檢測。測距過程中，通過一束激光照射目標物體，反射光被攝像頭捕捉到，利用三角測距原理[8]，求出目標物體中被線激光照亮部分的坐標信息。在線性激光測距中，通過三角關系，容易求出被激光照亮部分，相對于激光發射口為原點、位于線激光組成平面內的坐標P（x，y）。在本系統中，激光組成的平面可以等效于與桌面平行，故可以認為坐標點P（x，y）是位于桌面平面的，如圖5所示。

4.1.2 按鍵事件的判斷與產生

在虛擬鍵盤中，所有UI元素均對應屏幕的坐標值。系統周期性判斷當前鼠標指針位置是否產生光斑。相較于UI系統，在數據庫中需要建立投射鍵盤圖案中每個按鍵的坐標信息，然后查找指尖按下的坐標，從而判斷出坐標信息，其示意圖如圖6所示。

上述鍵盤功能實現過程需要涉及到兩個步驟：

（1） 通過三遍測距算出指尖按下的坐標，記為P（x，y）。

（2） 將映射點P（x，y）與數據庫中的坐標值進行對比，求出P（x，y）對應的按鍵值。

4.2 虛擬鍵盤視覺方式與算法的具體實現

由于本研究的視覺處理部分都在PC上進行，因此使用了OpenCV庫來加速視覺運算代碼的開發。

4.2.1 攝像采集器鏡頭扭曲矯正

在本系統中，實際使用為廣角攝像頭，與普通攝像頭相比，廣角攝像頭采集圖像具有中心偏大，兩側偏小的特征，如圖7所示。

為了使得圖像坐標信息具有線性變化的特點，需要對采集的圖像進行處理，通常采用的高斯模型降噪[9]，在程序中調用OpenCV庫函數對實際圖像進一步優化，以達到攝像頭扭曲矯正的效果。

4.2.2 圖像興趣點提取

通過調用OpenCV庫函數中的cvFindCountours，對攝像頭中的光斑進行提取，通過提取光斑獲取圖像的興趣點，由于環境中光線的變化，因此存在高斯噪點，可以通過增加權重的方式來減少誤判，提高系統識別圖像興趣點的精度。

4.2.3 手指坐標計算和校正

通過手指光斑的相對位置，調用三邊測距算法，求得手指的具體相對位置P（x，y）。通過三次測距得知P點，通過P點的旋轉90°知道P的逆矩陣。同時通過上述介紹的公式算出逆矩陣與原來矩陣的誤差精度，再通過平滑取值抹除誤差較大的點，得到手指的正確坐標，即是手指在桌面投影的實際坐標，如圖8所示。

5 特色與創新點

（1） 本研究在設計的原理上具有創新性：采用基于計算機視覺方式識別、判斷和產生鍵盤事件。

（2） 相對傳統鍵盤，該鍵盤無菌，方便用于無菌場合，且噪音少，可廣泛用于公共場合，該鍵盤工作穩定、便于調試，可方便使用在工作環境條件差（例如化工生產）的場合。

（3） 本研究采用當前先進的移動電源技術供電，增強了鍵盤的可移動性和續航能力。

（4） 線激光測距的采用，提高了按鍵事件的判斷和效率。

（5） 集合了視覺算法、三角測距、LLP技術多點觸摸定位、功放、升壓、超聲波等技術，具有廣泛的應用價值。

（6） 該鍵盤可以測出手指對桌面的“壓力”，在繪畫板產生不同粗細的圖像。

（7） 采用的線激光測距，有利于檢測指尖的位置和判斷是否產生鍵盤事件。

6 結 論

基于機器視覺的虛擬激光鍵盤，結合機器視覺處理的OpenCV庫，以及三點定位算法，實現了虛擬鍵盤的模型建造。在研究虛擬鍵盤過程中，預先通過MATLAB仿真，對設計過程中遇到的問題進行了提前模擬，有效的指導了模型的建造過程，本系統具有成本低廉，識別精確度高等優點，其模型具有推廣價值。

參考文獻：

[1] 陳士凱.自制低成本3D激光掃描測距儀（3D激光雷達），第一部分[J/OL]. （2012-02-06）[2015-07-20]. http：//www.hobbypress.cn/bencandy.php？fid-182-id-7309-page-1.htm.

[2] 布拉德斯基. 學習opencv[M]. 北京：清華大學出版社，2009.

[3] 譚浩強. C++程序設計[M]. 北京：清華大學出版社，2010.

[4] 張國云，郭龍源，吳健輝. 計算機視覺與圖像識別[M]. 北京：科學出版社，2012.

[5] 張岳，郝麗，柳華，等. 激光顯示的原理與實現 [J]. 光學精密工程，2006，14（3）；402-405.

[6] 劉慶祥，蔣天發. 彩色與灰度圖像間轉換算法的研究[J]. 武漢理工大學學報（交通科學與工程版），2003，27（3）：344-346.

[7] 王紅梅，李言俊，張科.基于極值檢測的圖像濾波算法[J]. 激光與紅外，2007，37（10）：1117-1119.

[8] 梁華為. 直接從雙峰直方圖確定二值化閾值[J]. 模式識別與人工智能，2002，15（2）：253-256.

[9] 王慧峰，戰桂禮，羅曉明. 基于數學形態學的邊緣檢測算法研究及應用[J]. 計算機工程與應用，2009，45（9）：223-226.

Abstract： This work combines advanced laser technology and image processing technology， the use of manual key trilateral detection principle is determined to develop a machine vision-based virtual organ keyboard， compared to other models， the keyboard has a high sensitivity， good imaging results. ， recognition accuracy and so on. at the same time， the concept of virtual keyboard with a new， low cost， low noise， strict waterproof and suitable for use in high-intensity operations and moisture heavy industrial environments.

Key words： computer vision methods； image recognition； visual processing algorithms； triangulation principle； LLP technology

（責任編輯：徐興華）