專利名稱：雙反射鏡交叉定位電子白板裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種使用實(shí)時圖像檢測進(jìn)行筆定位的電子白板裝置，特別是一種采用雙反射鏡，使用交叉計算的方法實(shí)現(xiàn)二維或三維坐標(biāo)定位的電子白板。
背景技術(shù)：
在當(dāng)前的電子白板技術(shù)中，使用圖像檢測實(shí)現(xiàn)筆跡定位跟蹤是主流技術(shù)之一，主要原因是此類白板安裝使用靈活、響應(yīng)快、成本低、體積小等，且隨著傳感器和數(shù)字處理技術(shù)的發(fā)展，此類產(chǎn)品的發(fā)展空間很大。有關(guān)使用實(shí)時圖像檢測進(jìn)行筆定位的電子白板的技術(shù)方案在大量專利文件中都有涉及，如專利號ZL011080477、發(fā)明專利公開號CN1305143A、 名稱為“用于計算機(jī)坐標(biāo)與控制信息輸入的系統(tǒng)及方法”的中國發(fā)明專利，以及發(fā)明專利公開號CN1928799A、名稱為“觸摸屏定位裝置及其定位方法”的中國發(fā)明專利申請中有詳細(xì)描述。其基本工作原理是用主動發(fā)光的光筆或被動反射光的光筆(包括手指等)產(chǎn)生的光點(diǎn)來標(biāo)示目標(biāo)點(diǎn)的位置，引入攝像裝置實(shí)時采集圖像，用信號處理電路實(shí)時分析圖像信號并提取光點(diǎn)的位置信息，通過接口電路和相應(yīng)軟件輸入到計算機(jī)，用坐標(biāo)矯正算法進(jìn)行坐標(biāo)校準(zhǔn)使光標(biāo)的位置跟蹤光筆的物理位置，從而實(shí)現(xiàn)交互電子白板功能。近年來，又發(fā)展出一類使用兩個攝像頭進(jìn)行交叉計算而實(shí)現(xiàn)定位的技術(shù)，例如發(fā)明專利公開號CN101464751A、名稱為“一種基于圖像檢測的電子白板系統(tǒng)及檢測方法”的中國發(fā)明專利申請。此類技術(shù)的基本原理是，在白板上安裝具有特定顏色或條紋，或者貼有反光條的邊框，將兩個攝像頭分別安裝在白板的兩個相鄰角，使其能夠沿白板表面拍攝到對面邊框。由于邊框的特定顏色，或者特定條紋，或者高亮度，使其具有顯著圖像特征。當(dāng)有物體接近白板表面時，將造成邊框圖像的缺失或變化，根據(jù)這種變化就可以得到物體在攝像頭視野中的位置數(shù)據(jù)。同時獲取兩個攝像頭中的位置數(shù)據(jù)，根據(jù)幾何關(guān)系就可以計算出物體在白板上的二維或三維坐標(biāo)。這種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是1、攝像頭是緊貼白板框的，沒有光線阻擋問題。2、攝像頭和電路可以置于邊框內(nèi)，外觀簡潔。3、可以實(shí)現(xiàn)觸摸效果。但目前的技術(shù)也有重大的缺點(diǎn)，主要是一、攝像頭之間距離遠(yuǎn)，對于70寸屏幕， 每個攝像頭到處理電路的距離近I米，隨著白板增大，此距離更大。而數(shù)字?jǐn)z像頭的時鐘頻率為數(shù)十兆赫茲，其產(chǎn)生的電磁輻射問題難以處理。二、由于長排線和輻射屏蔽問題，且排線易于遮擋光路，造成安裝復(fù)雜。三、由于需要兩個數(shù)字?jǐn)z像頭，引線數(shù)量大，電路復(fù)雜,成本高。四、兩攝像頭之間同步問題需要解決，這有一定難度，需要付出一定代價。五、長距離高頻同步視頻數(shù)據(jù)傳輸易于發(fā)生數(shù)據(jù)錯誤。六、攝像頭需要90度視角，鏡頭成本較高，易于出現(xiàn)邊緣衰減、畸變問題。七、由于視角較大，帶通濾光效率較低。八、光學(xué)上，由于攝像頭沿白板表面采集邊框圖像，對側(cè)干擾光源，如窗口日光，經(jīng)過白板表面反射、散射形成的干擾光線可能非常強(qiáng)烈，易于造成干擾。九、由于采用光角鏡頭，圖像中邊框的寬度很小，呈細(xì)線狀，因此對于普通面陣圖
3像傳感器，像素利用率極低。且由于邊框圖像呈細(xì)線狀，基本無法進(jìn)行邊框圖像的細(xì)節(jié)處理。上述發(fā)明專利公開號CN101464751A的方案中，為了解決長距離并行視頻數(shù)據(jù)傳輸問題，為每個攝像頭配備了一個圖像處理單元，這樣雖然降低了數(shù)據(jù)流量，一定程度上減少了輻射等弊端，但系統(tǒng)整體更加復(fù)雜了。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明的目的是提供一種可以將攝像頭直接連到處理電路，且使用了小視場角攝像頭的雙反射鏡交叉定位電子白板裝置，解決了現(xiàn)有技術(shù)中的主要問題。為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明的一種雙反射鏡交叉定位電子白板裝置，主要包括兩個攝像頭、圖像處理電路、外殼，攝像頭連到處理電路，所述兩個攝像頭的視場角(FOV) 遠(yuǎn)小于90度，且安裝在外殼的靠近中部的兩個對稱位置，取景方向?qū)ΨQ地朝向兩個方向； 在每個攝像頭的正前方一定距離處設(shè)置有一個凸面鏡或凹面鏡，其反射面處于攝像頭的視場中，凸面鏡或凹面鏡的成像視場角接近或大于90度，兩攝像頭通過各自對應(yīng)的凸面鏡或凹面鏡可以觀察到一個共同區(qū)域的圖像。應(yīng)用中使白板表面處于上述共同區(qū)域，當(dāng)物體或筆出現(xiàn)在此區(qū)域時，根據(jù)其在兩個攝像頭中的坐標(biāo)信息，利用幾何關(guān)系進(jìn)行交叉計算，可以得到二維或三維坐標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)位置跟蹤。以上所述凸面鏡或凹面鏡可以是球面反射鏡、橢球面反射鏡、柱面反射鏡等。所述攝像頭由普通鏡頭和圖像傳感器構(gòu)成，可以加入帶通濾光片以提高信噪比。攝像頭可以用導(dǎo)線連接到圖像處理電路，也可以直接將圖像傳感器焊接在圖像處理器電路板上，通過引入小反射鏡等措施實(shí)現(xiàn)白板區(qū)域的成像，這樣電路更簡潔。進(jìn)一步，由于攝像頭的視場角較小，因此鏡頭的焦距較長，其距離圖像傳感器的距離可以較長，所以通過一定輔助措施可以僅用一個圖像傳感器實(shí)現(xiàn)兩個攝像頭的效果。


圖I是本發(fā)明的雙反射鏡交叉定位電子白板裝置的實(shí)施例I的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明的第一個實(shí)施例中，引入小反射鏡后的結(jié)構(gòu)前視圖。圖3是本發(fā)明的第一個實(shí)施例中，引入小反射鏡，并且僅使用一個圖像傳感器的結(jié)構(gòu)前視圖。圖4是本發(fā)明的第一個實(shí)施例的一種凸面鏡的三維示意圖。圖5是本發(fā)明的雙反射鏡交叉定位電子白板裝置的第二個實(shí)施例安裝在白板一邊中部的前視圖。圖6是本發(fā)明的雙反射鏡交叉定位電子白板裝置的第二個實(shí)施例安裝在白板一邊中部的側(cè)視圖。圖7是本發(fā)明的雙反射鏡交叉定位電子白板裝置的實(shí)施例I中將采用凹面鏡取代凸面鏡的對比示意圖。附圖標(biāo)記說明攝像頭1，圖像處理電路2，凸面鏡3，外殼4，鏡頭5，圖像傳感器6， 小反射鏡7，邊框8，白板9，凹面鏡10。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。實(shí)施例I。圖I中，本發(fā)明的第一個實(shí)施例，它是一個用于安裝在白板邊框外側(cè)，主要用于實(shí)現(xiàn)觸摸電子白板的裝置。有兩個獨(dú)立的攝像頭1，它們用1/6英寸的CMOS圖像傳感器芯片與焦距16mm的普通鏡頭共同構(gòu)成，其視場角約為8度，有很好的圖像線性和均勻性。外殼 4為鋁合金材料，有較好的剛性，長度約I. 2米。圖像處理電路2的電路板安裝在外殼4的中部，兩個攝像頭I也固定在外殼4上，并通過短排線連接到圖像處理電路2。兩個攝像頭 I分別對準(zhǔn)兩個凸面鏡3。凸面鏡3是圓柱面反射鏡，其高度為20mm，弧面半徑約80mm。使用時，將本裝置的外殼4底部平貼在白板一邊的外側(cè),使兩個凸面鏡處于白板兩角處，這里說的白板包括平面顯示器。在白板的另外三邊安裝厚度20mm的黑色邊框8。 攝像頭I和凸面鏡3經(jīng)過精密調(diào)整，使每個對角相鄰的兩個邊的邊框成像于相應(yīng)的攝像頭
I。當(dāng)有物體移入時，由于物體的亮度與邊框不同，從而引起邊框圖像的變化。由于凸面鏡 3是柱面鏡，根據(jù)幾何光學(xué)的原理可知，將有這樣的特別成像效果從柱面反射鏡觀察到的邊框，其寬度是得到相對拉伸而加寬的，拉伸的比例與弧面的半徑有關(guān)。這種效果會帶來如下優(yōu)勢1、圖像傳感器的像素利用率得到大大提高，這必然可以提高系統(tǒng)分辨率。2、由于邊框圖像寬度增加，周邊空間如白板表面的成像面積減少或移除，從而外側(cè)光線干擾降低。3、 由于邊框?qū)挾却蟠笤黾?，?dāng)有物體接近白板表面時，將有可能對邊框缺陷的細(xì)節(jié)進(jìn)行觀察分析，從而得到諸如距離板面高度等信息，這在應(yīng)用中是有價值的。本實(shí)施例中，如果考慮到環(huán)境光有時很弱，可以增加紅外發(fā)光二極管用于補(bǔ)光，同時在攝像頭的光路中增加對應(yīng)于信號光線波長的帶通濾光片。這里的補(bǔ)光光源也可以是一個小角度的一字形半導(dǎo)體激光器，將其固定在攝像頭I旁，向凸面鏡3照射，并通過凸面鏡 3的擴(kuò)展作用經(jīng)過反射呈90度展開并照射到對面的邊框上。當(dāng)有物體接近屏幕時，將被激光照射，從而發(fā)生亮度變化，同樣實(shí)現(xiàn)位置檢測的效果，而且由于激光的方向性和單色性， 濾光效率高，光斑亮度大，檢測算法可以大大簡化。另外，凸面鏡3也可以在垂直方向略向內(nèi)凹陷，圖4是這種凸面鏡的立體示意圖。 適當(dāng)設(shè)計凹陷的曲率參數(shù)，這種反射鏡將在垂直方向，即白板邊框?qū)挾鹊姆较虍a(chǎn)生放大作用，從而進(jìn)一步對邊框?qū)挾冗M(jìn)行放大和抑制周邊環(huán)境干擾。但不利的方面是，對光路的校準(zhǔn)需要非常精密。為了平衡放大效果和光路精度要求，也可以使凸面鏡3在垂直方向略外凸，即是一個橢球面反射鏡。本實(shí)施例中邊框采用了黑色，但也可以是白色或其它顏色或圖案的邊框，只要能顯著區(qū)別于手指等觸摸白板的物體即可。在上述實(shí)施例中，攝像頭I采用兩個獨(dú)立的攝像頭，需要用排線連接到圖像處理電路2，電路上和結(jié)構(gòu)上仍然不夠簡化，同時，如果傳感器芯片較大，則其垂直方向高度較高。為了進(jìn)一步簡化結(jié)構(gòu)和降低高度，可以將圖像傳感器6的芯片直接焊接在圖像處理電路2的PCB上，鏡頭5水平放置，然后引入小反射鏡7作鏡像反射，從而將凸面鏡中的虛像成像于圖像傳感器6。圖2是采用這種方案后的前視圖。其中小反射鏡7是鍍反射膜的O. 5mm厚玻璃片。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是，電路簡潔，沒有PCB間的連線，整機(jī)高度僅受鏡頭直徑和小反射鏡的限制，當(dāng)采用小直徑的鏡頭時，整機(jī)高度可以很小。圖3顯示了進(jìn)一步的優(yōu)化。圖中，兩個小反射鏡7各自呈45度對稱地在同一個圖像傳感器6上方放置，而兩個鏡頭5在兩側(cè)水平放置，這樣通過兩個凸面鏡3反射的圖像在圖像傳感器6的左右兩側(cè)同時成像，處理電路僅需處理一個圖像傳感器信號即可完成坐標(biāo)計算。這種方案還有一個顯著優(yōu)點(diǎn)兩路圖像信號是自然同步的。實(shí)施例2。本發(fā)明的第二個實(shí)施例是一種便攜式的電子白板裝置，圖5顯示了它安裝在白板上邊框中部的前視圖，圖6是這種使用方式的側(cè)視示意圖。本實(shí)施例用一個圖像傳感器6 與兩個鏡頭5構(gòu)成兩個攝像頭，兩個鏡頭指向夾角約呈90度，在其前方有凸面鏡3。兩個鏡頭同時將其前方的凸面鏡的虛像在同一個圖像傳感器6的兩側(cè)直接成像。在圖6中，本裝置安裝在白板9的上邊框的中部，凸面鏡3高出白板表面，從而圖像傳感器的成像是從一定角度俯視白板表面的圖像。這樣優(yōu)點(diǎn)是可以避免遠(yuǎn)處亮光的干擾。凸面鏡3可以柱面鏡， 也可以是橢球面鏡，適當(dāng)設(shè)置凸面鏡3的方位，可以使白板9表面的任意點(diǎn)都能在凸面鏡3 上成虛像，從而經(jīng)過鏡頭5在圖像傳感器上成像，進(jìn)而根據(jù)幾何關(guān)系進(jìn)行交叉點(diǎn)計算，得到點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。本實(shí)施例也可以用于安裝在白板一角的外側(cè)，工作原理相同。以上實(shí)施例都采用了凸面鏡，但實(shí)際上兩個實(shí)施例都可以用凹面鏡實(shí)現(xiàn)相似的效果。圖7顯示了實(shí)施例I采用凹面鏡后與圖I的對比關(guān)系。圖中，10是一對凹面鏡，從圖中可以看出，從白板區(qū)域各點(diǎn)發(fā)出的光線經(jīng)過凹面鏡的反射同樣都可以到達(dá)攝像頭I。采用凹面鏡后，也有不同的效果，就是來自白板區(qū)域上邊遠(yuǎn)方的光線是經(jīng)過凹面鏡的下方部分反射到達(dá)攝像頭I的，因此不易被電路2和攝像頭I遮擋。這一點(diǎn)可以通過將圖I和圖 7對比明顯看出。由以上分析可見，采用了本發(fā)明的技術(shù)方案后，本發(fā)明的雙反射鏡交叉定位電子白板裝置具有如下有益效果一、攝像頭與處理電路之間靠近，甚至成為一體，因此不存在長距離傳輸造成的電磁輻射問題，系統(tǒng)可靠性也得到提高。二、由于不需要長導(dǎo)線和輻射屏蔽處理，安裝簡單。三、可以用單圖像傳感器芯片即可實(shí)現(xiàn)交叉定位，電路進(jìn)一步簡化，成本、功耗等降低。四、兩攝像頭之間同步問題易于解決，如果采用單傳感器方案，則實(shí)現(xiàn)自然同步。五、不需要大視場角的攝像頭，采用普通鏡頭和小面積圖像芯片，從而成本降低。六、由于攝像頭視場角小，易于實(shí)現(xiàn)高效率帶通濾光。七、通過恰當(dāng)選擇凸面鏡形狀，可以大大提高圖像傳感器像素利用率，同時降低環(huán)境光干擾，實(shí)現(xiàn)邊框圖像細(xì)節(jié)檢測，提高位置檢測精度。雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例公開如上，但實(shí)施例和附圖并不是用來限定本發(fā)明， 任何熟悉此技藝者，在不脫離本發(fā)明之精神和范圍內(nèi)，自當(dāng)可作各種變化或潤飾，同樣屬于本發(fā)明之保護(hù)范圍。因此本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)當(dāng)以本申請的權(quán)利要求所界定的為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種雙反射鏡交叉定位電子白板裝置，包括兩個攝像頭、圖像處理電路、外殼，每個攝像頭均由圖像傳感器和鏡頭構(gòu)成，所述圖像傳感器連到所述圖像處理電路，其特征在于 所述兩個攝像頭的視場角FOV遠(yuǎn)小于90度，且安裝在外殼的靠近中部的兩個對稱位置，取景方向?qū)ΨQ地朝向兩個方向，在每個攝像頭的正前方一定距離處設(shè)置有一個凸面鏡或凹面鏡，所述凸面鏡或凹面鏡的反射面處于攝像頭的視場中，所述凸面鏡或凹面鏡的成像視場角接近或大于90度，所述兩個攝像頭通過各自對應(yīng)的凸面鏡可以觀察到一個共同區(qū)域的圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的雙反射鏡交叉定位電子白板裝置，其特征在于所述攝像頭內(nèi)的圖像傳感器是焊接在所述圖像處理電路的電路板上，所述圖像傳感器上還安裝有小反射鏡。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的雙反射鏡交叉定位電子白板裝置，其特征在于所述圖像傳感器僅有一個，所述圖像傳感器上設(shè)置有兩個與圖像傳感器呈45度角的小反射鏡，所述兩個鏡頭水平地置于兩側(cè)，所述鏡頭的光軸與所述圖像傳感器表面平行。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的雙反射鏡交叉定位電子白板裝置，其特征在于所述兩個鏡頭呈約90度夾角，并且同時將其前方的凸面鏡的虛像在同一個圖像傳感器的兩側(cè)直接成像。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的雙反射鏡交叉定位電子白板裝置，其特征在于所述凸面鏡或凹面鏡是柱面反射鏡。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的雙反射鏡交叉定位電子白板裝置，其特征在于所述凸面鏡或凹面鏡是橢球面反射鏡。
7.根據(jù)權(quán)利要求I至6任一所述的雙反射鏡交叉定位電子白板裝置，其特征在于在所述鏡頭的光路上設(shè)置一窄帶帶通濾光片。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的雙反射鏡交叉定位電子白板裝置，其特征在于在所述外殼內(nèi)還設(shè)有紅外發(fā)光二極管。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的雙反射鏡交叉定位電子白板裝置，其特征在于在所述外殼內(nèi)還設(shè)有兩個一字形半導(dǎo)體激光器，安裝在所述鏡頭旁，照射到所述凸面鏡并被水平擴(kuò)展為90度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種雙反射鏡交叉定位電子白板裝置，主要包括兩個攝像頭、圖像處理電路、外殼，攝像頭連到處理電路，所述兩個攝像頭的視場角(FOV)遠(yuǎn)小于90度，且安裝在外殼的靠近中部的兩個對稱位置，取景方向?qū)ΨQ地朝向兩個方向；在每個攝像頭的正前方一定距離處設(shè)置有一個凸面鏡或凹面鏡，其反射面處于攝像頭的視場中，凸面鏡或凹面鏡的成像視場角接近或大于90度，兩攝像頭通過各自對應(yīng)的凸面鏡或凹面鏡可以觀察到一個共同區(qū)域的圖像。應(yīng)用中使白板表面處于上述共同區(qū)域，當(dāng)物體或筆出現(xiàn)在此區(qū)域時，根據(jù)其在兩個攝像頭中的坐標(biāo)信息，利用幾何關(guān)系進(jìn)行交叉計算，可以得到二維或三維坐標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)位置跟蹤。
文檔編號G06F3/042GK102591532SQ20121001951
公開日2012年7月18日 申請日期2012年1月22日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月22日
發(fā)明者鮑煒 申請人:南京先能光電有限公司