基于机器视觉虚拟激光键盘的设计

李淑玉 吕争

摘 要： 结合先进的激光技术和图像处理技术，利用三边检测原理判断手动按键，开发出一套基于机器视觉的虚拟机关键盘，相较于其他模型，该键盘具有灵敏度高、成像效果好、识别精确等优点。同时，虚拟键盘具有概念新颖、成本低廉、噪声低、严格防水等优点，适合在高强度作业和水汽较重的工控环境下使用。

关键词： 计算机视觉方式； 图像识别； 视觉处理算法； 三角测距原理； LLP技术

中图分类号： TP 39 文献标志码： A 文章编号： 1671-2153（2015）06-0079-04

1 问题的提出

随着信息化技术的发展，轻便、舒适、灵活已经成为键盘设计的最优目标，而传统的键盘功能单一且携带麻烦。在这样的背景下，本文拟设计了一种高性能的便携式虚拟激光键盘[1]。它将运用移动电源、功放、超声波技术实现额外功能，同时具有无菌无噪声等功能。本研究将放弃传统的供电方式，采用当前先进的移动电源技术供电，增强了键盘的可移动性和续航能力。设计的便携式虚拟激光键盘将为人们外出旅游、办公和从事无菌无噪声科研等带来了极大的方便。另外，由于在国内该技术上处于空缺状态，所以本项目具有很好的市场前景。

2 系统方案

2.1 系统框图

本研究基于视觉处理算法，全息投影技术，借用三角测距原理和LLP技术，采用了传感器技术、无线通信技术、控制技术、数据库技术、GUI系统UI元素碰撞技术、红外技术、激光扫描技术、摄像头处理技术、空间三维坐标处理技术、光学原理、滤波原理及镜面反射技术，以MATLAB仿真为手段和采用OpenCV数据处理来加速视觉运算代码的开发[2]，用PC处理来设计的低成本、高性能的虚拟激光键盘，如图1所示。软件流程如图2所示。

2.2 激光虚拟键盘模型结构

本文设计的激光虚拟键盘主要由线性不可见激光发射器、摄像头采集器、键盘投影模组三部分组成，模型架构如图3所示。

本研究的工作流程，首先键盘投影磨具投影出虚拟键盘模型，通过红外不可见光发送定位光束，当用户敲击键盘瞬间，摄像头采集图像参数，并对图像和目标进行识别[4]。通过识别转换成坐标，系统识别坐标后调用坐标映射函数并发送按键命令[5]，系统具体工作流程如图4所示。

3 功能与指标

（1） 摄像头模块功能。采用USB接口，视角120度以上的CMOS摄像头，可用于互动投影，多点触摸。除了镜头有要求外，其他无特殊要求。本研究采用150°广角摄像头，具有极强的视角。

（2） 投射键盘画面的激光器模块功能。激光器模块键盘大小要求要120度，650 nm激光组件。在实际使用过程中，激光组建应当使得键盘平整，按键的大小均匀，以减少系统的误判。

（3） 一字线激光模块功能。本研究采用的一字线激光器是红外波段，波长为808 nm，主要是为了滤掉可见光的干扰[6]。为减低其功率，提高键盘的可靠性，激光模块采用的工作功率为50 W。本文采用直径12 mm，长度40 mm，线发射角度为120度、60度、35度可选，激光类型为线装。

（4） 红外带通滤光片。采用800～1100 nm高透，与红外激光器配合测距可避免可见光的干扰，可使可见光400～760 nm截止。滤波片厚度2mm，配合广角镜头合理使用，避免出现曝光和弱光现象，否则会使键盘乱踩点或者检测不到点[7]。

（5） 功放模块功能。系统集成mp3模块。面板尺寸为宽80 mm，高40 mm，内深50 mm，中心孔距为60 mm。其中功放为BTL输出，还有FM功能，但需接一根天线，并切换MODE模式，其中AUX显示当前工作状态，FM显示当前收听电台。

（6） 移动电源模块功能。采用带有双USB的5 V升压板。5 V恒压电源可作为充电输入电源，电路板内置锂电池IC保护，具有过压、过流、欠压保护等。还自带手电功能，连按两下开关键即可启动，再连按两下开关键即可关闭。移动电源进入工作状态时，蓝色背光源被点亮，15 s后熄灭，按轻触开关（on/off）一次，蓝色背光源再次被点亮15 s，方便查看LCD显示屏。

4 实施原理及过程

4.1 键盘功能的实现

4.1.1 键盘输入事件的识别

虚拟键盘是基于三角测距原理，通过投射激光对目标物体进行检测。测距过程中，通过一束激光照射目标物体，反射光被摄像头捕捉到，利用三角测距原理[8]，求出目标物体中被线激光照亮部分的坐标信息。在线性激光测距中，通过三角关系，容易求出被激光照亮部分，相对于激光发射口为原点、位于线激光组成平面内的坐标P（x，y）。在本系统中，激光组成的平面可以等效于与桌面平行，故可以认为坐标点P（x，y）是位于桌面平面的，如图5所示。

4.1.2 按键事件的判断与产生

在虚拟键盘中，所有UI元素均对应屏幕的坐标值。系统周期性判断当前鼠标指针位置是否产生光斑。相较于UI系统，在数据库中需要建立投射键盘图案中每个按键的坐标信息，然后查找指尖按下的坐标，从而判断出坐标信息，其示意图如图6所示。

上述键盘功能实现过程需要涉及到两个步骤：

（1） 通过三遍测距算出指尖按下的坐标，记为P（x，y）。

（2） 将映射点P（x，y）与数据库中的坐标值进行对比，求出P（x，y）对应的按键值。

4.2 虚拟键盘视觉方式与算法的具体实现

由于本研究的视觉处理部分都在PC上进行，因此使用了OpenCV库来加速视觉运算代码的开发。

4.2.1 摄像采集器镜头扭曲矫正

在本系统中，实际使用为广角摄像头，与普通摄像头相比，广角摄像头采集图像具有中心偏大，两侧偏小的特征，如图7所示。

为了使得图像坐标信息具有线性变化的特点，需要对采集的图像进行处理，通常采用的高斯模型降噪[9]，在程序中调用OpenCV库函数对实际图像进一步优化，以达到摄像头扭曲矫正的效果。

4.2.2 图像兴趣点提取

通过调用OpenCV库函数中的cvFindCountours，对摄像头中的光斑进行提取，通过提取光斑获取图像的兴趣点，由于环境中光线的变化，因此存在高斯噪点，可以通过增加权重的方式来减少误判，提高系统识别图像兴趣点的精度。

4.2.3 手指坐标计算和校正

通过手指光斑的相对位置，调用三边测距算法，求得手指的具体相对位置P（x，y）。通过三次测距得知P点，通过P点的旋转90°知道P的逆矩阵。同时通过上述介绍的公式算出逆矩阵与原来矩阵的误差精度，再通过平滑取值抹除误差较大的点，得到手指的正确坐标，即是手指在桌面投影的实际坐标，如图8所示。

5 特色与创新点

（1） 本研究在设计的原理上具有创新性：采用基于计算机视觉方式识别、判断和产生键盘事件。

（2） 相对传统键盘，该键盘无菌，方便用于无菌场合，且噪音少，可广泛用于公共场合，该键盘工作稳定、便于调试，可方便使用在工作环境条件差（例如化工生产）的场合。

（3） 本研究采用当前先进的移动电源技术供电，增强了键盘的可移动性和续航能力。

（4） 线激光测距的采用，提高了按键事件的判断和效率。

（5） 集合了视觉算法、三角测距、LLP技术多点触摸定位、功放、升压、超声波等技术，具有广泛的应用价值。

（6） 该键盘可以测出手指对桌面的“压力”，在绘画板产生不同粗细的图像。

（7） 采用的线激光测距，有利于检测指尖的位置和判断是否产生键盘事件。

6 结 论

基于机器视觉的虚拟激光键盘，结合机器视觉处理的OpenCV库，以及三点定位算法，实现了虚拟键盘的模型建造。在研究虚拟键盘过程中，预先通过MATLAB仿真，对设计过程中遇到的问题进行了提前模拟，有效的指导了模型的建造过程，本系统具有成本低廉，识别精确度高等优点，其模型具有推广价值。

参考文献：

[1] 陈士凯.自制低成本3D激光扫描测距仪（3D激光雷达），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. 学习opencv[M]. 北京：清华大学出版社，2009.

[3] 谭浩强. C++程序设计[M]. 北京：清华大学出版社，2010.

[4] 张国云，郭龙源，吴健辉. 计算机视觉与图像识别[M]. 北京：科学出版社，2012.

[5] 张岳，郝丽，柳华，等. 激光显示的原理与实现 [J]. 光学精密工程，2006，14（3）；402-405.

[6] 刘庆祥，蒋天发. 彩色与灰度图像间转换算法的研究[J]. 武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2003，27（3）：344-346.

[7] 王红梅，李言俊，张科.基于极值检测的图像滤波算法[J]. 激光与红外，2007，37（10）：1117-1119.

[8] 梁华为. 直接从双峰直方图确定二值化阈值[J]. 模式识别与人工智能，2002，15（2）：253-256.

[9] 王慧峰，战桂礼，罗晓明. 基于数学形态学的边缘检测算法研究及应用[J]. 计算机工程与应用，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

（责任编辑：徐兴华）