專利名稱：載荷識別交互式電子白板及實現(xiàn)方法
技術領域：
本發(fā)明的基于載荷識別技術的交互式電子白板屬于電子信息領域，涉及力學、傳 感器技術以及模式識別技術在電子白板與觸摸屏上的應用。
背景技術：
交互式電子白板可以與電腦進行信息通訊，將電子白板連接到PC機，并利用投影 機將PC上的內容投影到電子白板屏幕上，在專門的應用程序的支持下，可以構造一個大屏 幕、交互式的協(xié)作會議或教學環(huán)境。利用特定的定位筆代替鼠標在白板上進行操作，可以運 行任何應用程序，可以對文件進行編輯、注釋、保存等在計算機上利用鍵盤及鼠標可以實現(xiàn) 的任何操作。交互式電子白板根據感應技術不同主要包括以下幾種電阻膜、電磁感應、紅外、 超聲波、CCD、光信息處理技術等。(1)電阻膜電阻膜電子白板基本結構是由多層膜組成，包括水平線電阻膜、絕緣網格、導電 膜、絕緣網格、垂直電阻膜等，組合膜與使用區(qū)域大小相同。工作原理是在電阻膜上加一個 固定的電壓，在沒有外力作用下，導電膜不接觸電阻膜，沒有電壓被測得，不會有定位的信 息反應。當用硬物壓在電阻膜的某一點時，電流通過導電膜被測試電路讀取，就像從一個電 位器中點測試到一個變動的電壓，這個電壓與觸摸點的位置有關，根據從水平和垂直方向 讀取的電壓，可以換算為觸摸點的X，Y方向位置。優(yōu)點定位相對準確，無需專用筆。缺點耐用性差，怕劃傷，反應速度較慢，無法做超大面積，白板筆不支持鼠標右鍵 等功能，對計算機操作較困難。(2)激光技術使用激光跟蹤原理的電子白板兩側各有一激光發(fā)射器。電子白板啟動后，激光發(fā) 射器發(fā)出激光掃射電子白板表面，特質筆具有感應激光的功能，這樣使用感光筆在電子白 板上操作時，激光發(fā)射器會掃描到感光筆的位置。優(yōu)點定位準確。缺點成本較高，必須使用專用筆，無壓感反應。(3)電磁波技術電磁波是可以通過空氣和絕緣物體進行傳播，電磁感應式是采用一支可以發(fā)射電 磁波的筆，水平垂直兩個方向排列的接收線圈膜組成，膜的大小與顯示區(qū)域相同。定位原理 是，發(fā)射電磁波的筆按間歇方式發(fā)射電磁波，當筆靠近接收線圈的膜時，線圈上會感應到筆 發(fā)射的電磁波。離筆最近的線圈組感應到的電動勢越高，根據水平方向和垂直方向感應到 的電動勢，通過計算可以獲得筆所在的X、Y坐標位置。優(yōu)點定位準確、精度高，可靠性高、壽命長，響應速度較快，書寫過程中有壓感，即 根據書寫的輕重不同，筆觸的粗細會不同。
缺點必須使用專用筆，不能做觸摸操作。反應速度不夠快；難以實現(xiàn)超大面積的 版面制作。(4)紅外線技術由密布在顯示區(qū)四周的紅外線接收和發(fā)射管構成水平和垂直方向的掃描網格，形 成一個掃描平面網，當有物體阻擋住網格中的某對水平和垂直掃描線時，就可以通過被阻 擋的水平和垂直方向的紅外線位置確定X、Y坐標。優(yōu)點定位準確、精度較高，無需專用筆，使用壽命較長，響應速度較快。缺點無壓感反應、受強光和灰塵的影響。(5)超聲波技術在屏幕的兩邊放置兩個按固定距離分布的超聲波接收裝置，用于定位的筆是一個 超聲波發(fā)射器，當筆移動在屏幕的表面時，所發(fā)射的超聲波沿屏幕表面被接收器檢測到，由 接收到超聲波的時間可以換算筆與兩個接收器的距離。優(yōu)勢定位相對準確；適應性強；可在不同面積的設備上使用劣勢定位精度不均勻；受溫度影響較大；需用專用筆書寫。(6) CCD光掃描技術CXD光掃描原理是在顯示區(qū)域的一邊設置兩個固定距離的CXD線陣探測器和紅 外發(fā)射器，對準顯示區(qū)域。在顯示區(qū)域的另外三邊設置可以反射光線的反射膜，在沒有物體 阻擋時，線陣CCD檢測到的是一條完整的光帶。當有物體在顯示區(qū)域中擋住光線傳播路徑 時，在線陣CCD檢測到的光帶中會出現(xiàn)無反光區(qū)域，分布在兩個角的CCD分別檢測到的遮擋 區(qū)域反應在線陣CCD的對應區(qū)域，根據對應的區(qū)域計算出物體在顯示區(qū)域的位置，是一種 交叉點測試定位方式。此技術為較新的技術，未完全成熟，其最大的優(yōu)點是可做多點同時觸摸，除少數(shù)廠 家在嘗試性使用外，還未完全普及。目前常用的電子白板的感應技術中，有的白板制作復雜，器件和維護成本高，難以 實現(xiàn)超大面積的版面制作。如電阻膜技術、紅外技術、電磁波技術、CCD光掃描技術等。超 聲波定位技術對白板無特殊要求，容易實現(xiàn)大版面制作，但是對元器件的要求高，一對超聲 波檢測器的元器件性能要求必須一致，在實際應用中難以實現(xiàn)；器件容易受到溫度變化的 影響，定位穩(wěn)定性較差；需要專用的筆，筆上通常還需要激光器用于指示目標，同時照在白 板上的漫反射光還用于通知超聲波接收器開始計時，技術復雜調試與維護難度大。

發(fā)明內容
發(fā)明目的本發(fā)明目的在于提供一種采用力學原理，使用力學傳感器技術(如，應變、位移、 轉角、壓力傳感器等)，利用模式識別技術，根據白板受力形變，識別加載在白板上載荷的位 置及大小，從而實現(xiàn)對筆的定位與筆觸大小的識別。一種載荷識別交互式電子白板，其特征在于包括白板、安裝于白板上的若干力學 傳感器，其中每個力傳感器與一個變送器、一個放大器組成一條載荷采樣電路；若干載荷采 樣電路并聯(lián)后依次與多路開關、A/D采樣、數(shù)據處理模塊、通信模塊、PC機、投影儀相聯(lián)。上述載荷識別交互式電子白板的實現(xiàn)方式，其特征在于使用力學傳感器作為交互式電子白板的感應元件，通過測試白板多點形變，將傳感器數(shù)據歸一化處理后，使用模式 識別方法，實現(xiàn)對觸點的定位以及筆劃粗細的表現(xiàn)，其具體過程包括步驟1 交互式白板的定位(1-1)、投影儀將PC機屏幕上的內容投影在白板上，白板上的投影區(qū)域與PC機的
屏幕--對應；(1-2)、驅動程序在PC機屏幕依次顯示多個定位點，利用投影儀將這些定位點投 影在白板上；用戶在白板投影區(qū)內，依照白板上顯示的定位點出現(xiàn)的順序，在白板上依次點 擊定位點，同時系統(tǒng)將記錄粘貼在白板背面的力傳感器數(shù)據，記錄白板形變；(1-3)、系統(tǒng)將每個定位點的傳感器形變數(shù)據進行歸一化處理，定位點對應的PC 機屏幕坐標一起，形成定位樣本集，定位樣本定義為Si= (x y e)T其中，S = O1... e, ... 作為神經網絡輸入信息，定位點屏幕坐標(Χ y)為神經網絡的輸出信息；(1-4)、根據上述定位樣本集，訓練神經網絡，并使用神經網絡建立起白板形變與 PC機屏幕坐標的對應關系；存儲樣本數(shù)據以及神經網絡參數(shù)，只要投影儀不調整，則下一 次使用白板時，就無需再次采集樣本；步驟2 定位之后白板就進入工作狀態(tài)(2-1)、當用戶接觸白板時，白板發(fā)生形變，系統(tǒng)循環(huán)檢測力傳感器形變數(shù)據，將力 傳感器形變數(shù)據進行歸一化處理，使用神經網絡，計算出觸點的PC機屏幕坐標，同時通過 投影儀將該點鼠標位置或筆跡投影在白板對應的顯示位置，從而實現(xiàn)白板顯示區(qū)上觸點與 投影點的同步；上述步驟1和步驟2中涉及的歸一化算法1、當單擊白板上某點時，白板發(fā)生形變，所記錄的多個傳感器數(shù)據組成一個向量 EE = {SX S2 ... Si ... 其中，Si為單個傳感器數(shù)據，i為傳感器標號，η
為布置在白板上的傳感器數(shù)量；所謂的歸一化處理，就是將傳感器數(shù)據向量除以該向量的模，得到傳感器數(shù)據向 量的單位向量g，a為向量的模；^ = = = (^i ^2…ei…eni，其中為傳感器標號，η為布
α‘ a
置在白板上的傳感器數(shù)量；對于線彈性材料，根據虎克定律有F = KE = ale茇為剛度矩陣，在彈性形變范圍內，無為常矩陣，a與載荷大小成正比，單位向量g 與載荷大小無關，對于四周固支結構，運只與定位點在白板位置有關。上述載荷識別交互式電子白板的實現(xiàn)方式，其特征在于還包括將白板筆施加壓力 大小轉換為筆觸粗細的過程；
在白板不同的不同位置剛度不同，相同的載荷施加在白板的不同位置上，應變向 量的模大小不一樣。雖然，應變向量的模的大小可以反映施加載荷的大小。但是，無法直接 從應變向量的模，獲得載荷大小。因此，可以在一個位置上施加已知大小的載荷，稱為參考 載荷。該載荷所產生的應變向量模，稱為參考模。當在該位置施加未知大小的載荷時，該未 知載荷稱為待識別載荷。待識別載荷的模，稱為實測模。比較實測模與參考模的大小，就可 以獲得未知載荷的大小；系統(tǒng)在交互定位階段，只要在采集定位點樣本時，對白板上每個點位點施加大小 相等的壓力作為參考載荷，求的各定位點的應變向量的模，為各個樣本點的參考模，它反映 了在白板上某個點的剛度，在白板不同點的剛度不同，則參考模a的大小也不同；所述步驟1中，建立定位樣本集這一過程中，若要在白板上呈現(xiàn)出筆觸變化，則樣 本除了有屏幕坐標以及傳感器數(shù)據外，還應加上傳感器數(shù)據向量的模作為參考模，即定位 樣本定義為Kx y a e)T其中j = e2 ... e,. ... 作為神經網絡輸入信息，定位點屏幕坐標(χ y)以及傳感器數(shù)據向量的模a，為神經網絡的輸出信息；所述步驟2，當系統(tǒng)轉入工作狀態(tài)時，系統(tǒng)檢測力傳感器形變數(shù)據，進行歸一化處 理后，得到實測數(shù)據單位向量巨以及實測應變向量的模，使用神經網絡，計算出觸點的PC機 屏幕坐標以及該點的參考模。筆在白板的觸點位置由PC機屏幕坐標決定，筆觸大小由實測 模與參考模的比值決定。2、有益效果該方法采用力學原理，使用力學傳感器技術(如，應變、位移、轉角、壓力傳感器 等)，利用模式識別技術，根據白板受力形變，識別加載在白板上載荷的位置及大小，從而實 現(xiàn)對筆的定位與筆觸大小的識別。由于采用模式識別技術以及成熟的力學傳感器技術，在 制作過程中對傳感器安裝精度要求不高，少量傳感器就可以實現(xiàn)定位要求，不需要專用筆， 成本低。傳感器的數(shù)量以及載荷定位算法與版面大小無關，該方法適應性好，可以適應不同 版面大小。本發(fā)明采用了成熟的力學傳感器及其相關設備作為感應裝置，并且對傳感器安裝 位置精度無嚴格要求，設備可靠，白板安裝調試以及維護簡單。由于采用模式識別技術，傳 感器數(shù)量與版面大小無關，適應性好，容易制作大版面白板。由于采用歸一化數(shù)據作為樣 本，每個定位點只要采集一次數(shù)據，因此操作不會比現(xiàn)有的白板復雜，并且可以通過向量模 的大小推測筆觸粗細。
四

圖1是載荷識別交互式電子白板系統(tǒng)組成示意圖。圖2是定位點分布示意圖。圖3是4只電阻應變片傳感器布局示意圖。圖4使用數(shù)據采集卡的交互式電子白板系統(tǒng)組成示意圖。圖中標記名稱1、白板，2、力學傳感器，3、變送器，4、放大器，5、多路開關，6、A/D
7采樣，7、數(shù)據處理模塊，8、通信模塊，9、PC機，10、投影儀。 五具體實施例方式1)交互式白板的工作流程交互式白板不但作為投影儀的顯示區(qū)域，還代替鼠標作為用戶與PC機的交互設 備。白板筆在白板上的操作等同于與鼠標在PC機屏幕上的操作。因此，使用交互式白板首 先應建立投影顯示區(qū)域與PC機屏幕的對應關系，這個過程稱為定位。白板只有經過定位后 才能將白板上的位置與PC機屏幕坐標一一對應，才能將白板上的操作正確地映射到PC機 屏幕，從而使得投影在白板上的鼠標能夠跟蹤白板筆的位置。讓用戶感覺在白板上使用筆 的操作就像是用鼠標對屏幕操作。交互式白板在定位時，通常在屏幕上依次顯示多個定位點，并將這些定位點投影 在白板上。用戶在白板上點擊某個定位點時，系統(tǒng)將記錄該定位點的屏幕坐標和傳感器數(shù) 據，這一組數(shù)據稱為定位樣本。定位的過程實際就是記錄定位樣本訓練神經網絡的過程。所 有定位樣本稱為定位樣本集。定位之后，白板就進入工作狀態(tài)。在工作狀態(tài)下，系統(tǒng)循環(huán)檢測感應信號，將感應 信號與定位樣本集中所有定位樣本進行比較，計算出當前白板筆的位置信息，同時計算筆 觸粗細，時時傳送到PC機上，顯示在PC機的屏幕上，并通過投影儀投影在白板上，實現(xiàn)筆觸 位置與投影位置同步，以及筆觸大小的顯示。2)載荷識別交互式電子白板的工作原理本方法使用力傳感器技術和模式識別技術的制作交互式電子白板，如圖1所示， 系統(tǒng)包括白板(1)、力學傳感器(2)、變送器(3)、放大器(4)、多路開關(5)、A/D(6)、數(shù)據 處理模塊(7)、通信模塊(8)、PC機(9)、投影儀(10)，如圖1所示。白板用于投影儀的顯示 區(qū)域，是觸摸(施加力)對象。白板可以為四周固支結構，所采用的材料需要是線彈性材料， 即加載在白板上的力與形變成正比。力學傳感器可以采用應變傳感器、位移傳感器、轉角傳 感器等。多個傳感器以一定的布局布置在白板上，用于檢測白板多個位置的形變。當手指 或白板筆以一定大小力量接觸白板時，傳感器檢測白板的形變，并通過變送器將變形梁轉 化為電壓信號。多個傳感器數(shù)據通過A/D轉換后。送入數(shù)據處理模塊。數(shù)據處理模塊將各 個通道的白板形變數(shù)據通過神經網絡，推測筆的位置(載荷位置)以及筆觸粗細(載荷大 小)。通信模塊將識別結果傳送到PC機，PC機將做相應的操作，投影機將PC上的內容投影 到電子白板屏幕上。3)載荷識別交互式電子白板的定位載荷識別交互式電子白板同樣也需要定位過程。運行PC機上的白板系統(tǒng)軟件，該 軟件首先進入定位狀態(tài)，進行樣本采集。在該狀態(tài)下，采集各個定位點信號，即按一定順序， 輪流在屏幕上顯示如圖2所示的定位點(2)，這些點同時通過投影儀投影在白板(1)上；用 戶按照定位點出現(xiàn)的順序，點擊白板上出現(xiàn)的定位點，數(shù)據處理系統(tǒng)同時記錄該點接觸時 的形變數(shù)據。形變數(shù)據經過歸一化處理后，與該定位點的像素坐標一起作為定位樣本。所 有定位點的樣本集合，稱為樣本集。使用樣本集對神經網絡進行訓練。4)形變數(shù)據歸一化處理方法載荷識別交互式電子白板的形變數(shù)據歸一化處理方法如下
權利要求
一種載荷識別交互式電子白板，其特征在于包括白板(1)、安裝于白板(1)上的若干力學傳感器(2)，其中每個力傳感器(2)與一個變送器(3)、一個放大器(4)組成一條載荷采樣電路；若干載荷采樣電路并聯(lián)后依次與多路開關(5)、A/D采樣(6)、數(shù)據處理模塊(7)、通信模塊(8)、PC機(9)、投影儀(10)相聯(lián)。
2.根據權利要求1所述的載荷識別交互式電子白板的實現(xiàn)方法，其特征在于使用力 學傳感器作為交互式電子白板的感應元件，通過測試白板多點形變，將傳感器數(shù)據歸一化 處理后，使用模式識別方法，實現(xiàn)對觸點的定位以及筆劃粗細的表現(xiàn)，其具體過程包括步驟1 交互式白板的定位(1-1)、投影儀將PC機屏幕上的內容投影在白板上，白板上的投影區(qū)域與PC機的屏幕 --對應；(1-2)、驅動程序在PC機屏幕依次顯示多個定位點，利用投影儀將這些定位點投影在 白板上；用戶在白板投影區(qū)內，依照白板上顯示的定位點出現(xiàn)的順序，在白板上依次點擊定 位點，同時系統(tǒng)將記錄粘貼在白板背面的力傳感器數(shù)據，記錄白板形變；(1-3)、系統(tǒng)將每個定位點的傳感器形變數(shù)據進行歸一化處理，定位點對應的PC機屏 幕坐標一起，形成定位樣本集，定位樣本定義為
3.根據權利要求2所述的載荷識別交互式電子白板的實現(xiàn)方法，其特征在于還包括將 白板筆施加壓力大小轉換為筆觸粗細的過程；在白板不同的不同位置剛度不同，相同的載荷施加在白板的不同位置上，應變向量的 模大小不一樣。雖然，應變向量的模的大小可以反映施加載荷的大??；但是，無法直接從應 變向量的模，獲得載荷大??；因此，可以在一個位置上施加已知大小的載荷，稱為參考載荷。 該載荷所產生的應變向量模，稱為參考模。當在該位置施加未知大小的載荷時，該未知載荷 稱為待識別載荷；待識別載荷的模，稱為實測模。比較實測模與參考模的大小，就可以獲得 未知載荷的大?。幌到y(tǒng)在交互定位階段，只要在采集定位點樣本時，對白板上每個點位點施加大小相等 的壓力作為參考載荷，求的各定位點的應變向量的模，為各個樣本點的參考模，它反映了在 白板上某個點的剛度，在白板不同點的剛度不同，則參考模a的大小也不同；所述步驟1中，建立定位樣本集這一過程中，若要在白板上呈現(xiàn)出筆觸變化，則樣本除 了有屏幕坐標以及傳感器數(shù)據外，還應加上傳感器數(shù)據向量的模作為參考模，即定位樣本 定義為Si = (x y a ef其中，^ = O1 e2 ... A ... e )『作為神經網絡輸入信息，定位點屏幕坐標(χ y) 以及傳感器數(shù)據向量的模a，為神經網絡的輸出信息；所述步驟2，當系統(tǒng)轉入工作狀態(tài)時，系統(tǒng)檢測力傳感器形變數(shù)據，進行歸一化處理后， 得到實測數(shù)據單位向量^以及實測應變向量的模，使用神經網絡，計算出觸點的PC機屏幕 坐標以及該點的參考模；筆在白板的觸點位置由PC機屏幕坐標決定，筆觸大小由實測模與 參考模的比值決定。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種載荷識別交互式電子白板的實現(xiàn)方法。該發(fā)明屬于電子信息領域。載荷識別交互式電子白板系統(tǒng)包括白板(1)、力學傳感器(2)、變送器(3)、放大器(4)、多路開關(5)、A/D采樣(6)、數(shù)據處理模塊(7)、通信模塊(8)、PC機(9)、投影儀(10)。使用本方法使用力學傳感器作為交互式電子白板的感應元件，通過測試白板多點形變，將傳感器數(shù)據歸一化處理后，使用模式識別技術，實現(xiàn)對觸點的定位以及筆劃粗細的表現(xiàn)。該方法制作的交互式電子白板具有結構簡單、可靠性高、安裝維護要求低，成本低，適應性好，容易實現(xiàn)大版面制作，不需要專用筆等優(yōu)點。該方法也可以用于觸摸屏制作。
文檔編號G06F3/041GK101957682SQ201010286898
公開日2011年1月26日 申請日期2010年9月16日 優(yōu)先權日2010年9月16日
發(fā)明者劉宏月, 張少華, 徐海偉, 曾捷, 潘曉文 申請人:南京航空航天大學