电磁式白板定位方法的研究

宋广杰，何小刚

(太原理工大学信息工程学院，山西 太原 030024)

电子白板(Interactive Whiteboard，IWB)，也叫交互式电子白板，主要由电子感应白板、计算机、电子笔、投影机以及白板软件操作系统等构成，不仅融合了微电子技术、计算机技术与电子通信技术，而且还有计算机的输入输出功能，是一种可以进行人机交互的智能平台[1－2]。

交互式电子白板的交互过程由4个重要的技术实现:无线定位技术，坐标转换技术，将电子白板上的操作即电子笔的坐标传送给PC并在PC机相应的位置执行对应的操作，以及PC机上的操作通过投影机在白板上的投影[3]。

衡量电子白板的基本参数有计算机接口、稳定度、灵敏度、精确度、分辨力、输出方式等。交互式电子白板根据其实现技术不同可分为压感型、电磁感应型、超声波型、光电耦合型和红外型。其中基于电磁感应的电子白板在现在生产中占绝大部分，而且厂家对电磁技术的应用也日趋完美，占有较大的竞争优势。本文主要研究电磁式电子白板的定位技术。

电磁感应式电子白板在水平方向和垂直方向上排列着接收线圈膜，线圈膜所占空间的大小与电子板的显示区域是相同的，同时备有一支可以发射电磁波的白板笔[3]。定位技术是电子白板设计中的一个重点和难点，电磁式白板的定位原理是:白板电磁笔以某种方式发射电磁波，当电磁笔靠近接收线圈时，线圈会感应到电磁笔发出的电磁波。根据电磁感应定律，可知在水平和垂直方向的线圈上会产生电动势，然后根据水平方向和垂直方向的电动势的大小，经过一定的计算便可以获得白板笔所在的X，Y坐标位置[4]。

以往的定位算法中，由于算法不够精确定位等其他原因，在白板的使用中会出现直线画不直、不连续或幅度产生较大的跳变等情况，严重影响了白板的性能，使用效果很不理想。为了解决这一难题，本文提出了一种新的较为准确的定位方法。

1 电子白板的总体框架

电磁式电子白板的硬件系统由电子白板、电子感应笔、投影机和计算机组成。软件系统由驱动软件和应用软件组成，电子白板与计算机之间采用USB转串口线连接实现交互操作，并用投影机将计算机屏幕上的内容投影至电子白板，电子感应笔在电子白板上的操作就好像鼠标在计算机上的操作，电子笔就相当于鼠标。当电子感应笔在电子白板上进行左击、双击、或移动等操作时，通过定位技术产生的物理坐标经USB转串口线传给计算机，经过处理后计算机就能执行相应的操作[5]，整个系统框图如图1所示。

图1 白板系统框图

电子笔在白板上面进行划线、单击或双击等操作，通过USB转串口线将电子笔的操作反映到计算机上面，计算机则执行相应动作，然后计算机与投影机相连接，投影机则把计算机上的内容投影到白板上，至此，就完成了白板与计算机的交互操作。

2 电子白板定位算法

2.1 算法整体思路

所研究的白板内部是由相互平行的20根X轴铜线和20根相互平行的Y轴铜线组成的，并且X轴铜线和Y轴铜线相互垂直，就好像一张大的电子表格，由这40根铜线组成128×128个方格。其中每个小方格都对应相应的坐标位置(这是事先设置好的坐标信息)。首先要确定电磁笔的大体位置对应的坐标信息(即确定电磁笔所对应的唯一的小方格坐标)，然后再通过对小方格的细分得到精确的坐标信息。

2.2 算法具体步骤

2.2.1 小方格坐标确认

通过电压扫描比较法得到小方格坐标。

首先通过硬件片选信号对40根铜线依次进行扫描，采集它们的电压值，并对采集的电压值进行模数转换，保存转换后的40个数值，其中X和Y各20个数据，然后进行数据比较，其中X轴的20个数据相互比较，Y轴的20个数据进行相互比较，根据软件编写的程序，可以得到X和Y轴各自的最大值和次大值，并保存最大值和次大值的线圈号。根据X轴最大和次大值的线圈号的组合，可以知道笔所在的X方向上的位置，同理可得在Y轴上的位置，这样，在X轴和Y轴的相交部分可以得到一个唯一的小方格。到此，就可以得到电子笔的大体坐标位置(记为X1和Y1，即大方格的坐标)，但是仍不够精确，否则在应用中会出现大幅度跳变、不连贯的情况，因此还需要进一步细分，提高分辨力。

2.2.2 精确定位

此步为小方格的细分，即确定坐标X2，Y2，以X轴为例，Y轴同理。上一步已经得到了电磁笔的大体坐标位置(在1线圈和3线圈的交集部分，如图2所示)，然后需要得到它的精确位置即实现位置的细分化，也就是要得到电子笔是在1线圈和3线圈交集部分的精确位置信息，即笔尖所在的位置。

首先通过片选，选择1线圈和3线圈，分别对它们进行多次扫描取电压，对所得电压值进行模数转换，然后对这些模数转换数据取平均，可以得到1线圈平均数据记为XL，3线圈平均数据记为XR。

图2 线圈绕法

在最初的研究中，利用下面简单的方法进行定位，得到X2和Y2的坐标，计算公式如

在应用中，实际的效果不太理想，经常会出现断线和跳变现象，为此，又进行了改进，对大方格逐步进行细分，通过大量研究和实验，得到较为精确的坐标定位公式

式中:M是十六进制常量，是在进行了大量测试后得到的较为理想的一个定量。

2.2.3 确定最终坐标位置

将得到的X1，Y1和X2，Y2结合起来就得到了电子笔在白板上的坐标位置，再通过上位机软件，应用相应的映射函数，把白板上的坐标信息映射到计算机上[6]，就可以实现白板与计算机的交互操作。

3 实验结果与分析

在实验过程中发现，最初的定位算法效果不佳，例如当电子笔指向某一个图标时鼠标却偏离目标，有时会有较大的误差。而改进后的算法得到的效果较好。

下面以在实验过程中的两个实例，来说明本文算法的有效性。实现结果如图3和图4所示。

图3 实验结果对比1

在原来没有精确定位算法时，由于定位的不准确，电子笔尖和鼠标箭头之间存在误差，即电子白板的准确性不高，所以造成字的笔画并不在想要的位置，例如图3a中的“位”，效果不是很好。

图4 实验结果对比2

在普通的定位算法中，还会经常出现不连续的现象，即白板的灵敏度不高，例如图4a中“white”中“t”就出现了不连续的情况。在本文的算法中，书写很流畅，很少出现不连续的现象。

电子笔的精确定位方法有很多，通过大量的实验和改进，从设计的电子白板的具体效果图可知，本文介绍的这种定位方法是切实可用的，而且精度十分准确，分辨力也较高，在操作中不会发生跳变，使用比较稳定。

4 小结

本文在研究电磁式电子白板工作原理以及其实际生产的基础上，提出了一种新的定位算法，并将该算法进行了实验，取得了良好的效果。这种算法可以应用于电子白板的实际生产制造中，将很大程度地提高电子白板的性能。

此外，交互电子白板系统设备简单、配置灵活、资金投入相对较少，而且具有良好的网络通信功能，可与校园网互连，教与学可以充分互动。交互式电子白板将教师在讲台上授课的特点与优点发挥得淋漓尽致，可以说是现代多媒体信息技术在课堂教学应用的又一次飞跃，是教学模式的一场革命性突破。相信在不远的将来，随着对电子白板技术不断深入的研究，交互式电子白板将为人们带来更多的惊喜，课堂教学的数字化进程也将进入更新的时代。

[1]郑世宝.视听多媒体技术的新进展[J].电视技术，2011，35(24):10.

[2]付鹏飞，张锋伟，孟晓静.交互式电子白板系统的分析与设计[J].中国现代教育装备，2008(10):44－46.

[3]张际平，金踰山.交互式电子白板的原理与应用[M].上海:华东师范大学出版社，2010.

[4]雷志华.多媒体教学设备与系统[M].武汉:华中科技大学出版社，2010.

[5]李志刚，徐培玲.电磁式电子白板定位算法的设计和实现[J].科技致富向导，2011(35):358.

[6]黄小辉，张兴超，刘献忠.交互式电子白板的坐标转换算法[J].计算机工程，2010:36(20):259－261.